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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf piezoelektrische, keramische
Mehrschichtwandler. Im Besonderen betrifft die Erfindung die Konstruktion von
Ultraschallwandlern, um die Empfindlichkeit eines Ultraschallbildgebungssystems
zu verbessern.
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Akustische
Wandler, die bei der Ultraschallbbildgebung Verwendung finden, sind
aus einem piezoelektrischen Material hergestellt, dessen Oberflächen metallbeschichtet
und an eine Potential (Signal)- bzw. eine Masse-Quelle angeschlossen
sind. Dieses piezoelektrische Material besteht typischerweise aus
einer Zusammensetzung aus Bleizirkonattitanat (PZT)-Keramik. Im
Betrieb wird an die PZT-Elektroden eine hochfrequente elektrische Schwingung
angelegt, die eine Veränderung
der keramischen Dimensionen hervorruft und eine akustische Druckwelle
oder einen akustischen Druckimpuls erzeugt. Umgekehrt, wenn eine
akustische Reflexion auf der Oberfläche des piezoelektrischen Materials
stattfindet, erzeugt sie eine Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden,
die als Empfangssignal detektiert wird.
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Koaxialkabel,
die den akustischen Wandler mit dem zur Erzeugung und Detektion
der elektrischen Schwingungen verwendeten System verbinden, haben
typischerweise eine elektrische Impedanz von zwischen 50 Ohm bis
100 Ohm. Es ist zweckmäßig, dass
die Elemente eines akustischen Wandlers auch eine elektrische Impedanz
haben, die gleich jener des Kabels ist. Die elektrische Impedanz des
Wandlerelementes ist aber eine Funktion der Dielektrizitätskonstante
des piezoelektrischen Materials, der geometrischen Fläche und
der Dicke. Da das akustische Ansprechverhalten und die Frequenz
eines piezoelektrischen Elementes für spezielle Verhältnisse
hinsichtlich der geometrischen Fläche und Dicke optimiert sind,
können
diese Parameter nicht noch so optimiert werden, dass sie an die
elektrische Impedanz des Kabels angepasst sind. In den meisten Fällen kann
die elektrische Impedanz eines Elements in einem Ultraschallarray
zwischen mehreren 100 Ohm, bei einem Element in einem linearen Array,
bis zu mehr als 1000 Ohm bei kleineren Elementen in einem zweidimensionalen
Array variieren. Diese Fehlanpassung der elektrischen Impedanzen
verringert den elektrischen Wirkungsgrad und die Empfindlichkeit
des Elementes.
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Ultraschallwandler,
die für
die medizinische Bildgebung und für nicht destruktive Untersuchungen eingesetzt
werden, sind durch zwei Haupteigenschaften, die Empfindlichkeit
und die Bandbreite, gekennzeichnet, die unmittelbar mit der Eindringtiefe und
Auflösung
des Bildgebungssystems zusammenhängen.
Es ist bekannt, dass piezoelektrische Mehrschichtstrukturen im Vergleich
zu gebräuchlichen Einschichtvorrichtungen
eine Empfindlichkeitsverbesserung bringen. Dies rührt daher,
dass die Mehrschichtstruktur die Impedanz des piezoelektrischen Keramikelementes,
z.B. aus Bleizirkonattitanat (PZT) verkleinert. Jedes Elemente liegt
als eine Vielzahl individueller Keramikschichten vor, die elektrisch
parallel, aber akustisch in Reihe geschaltet sind. Auf diese Weise
wirkt das Element akustisch immer noch so als wäre es vollkeramisch, während es
aber eine elektrische Impedanz aufweist, die durch das Quadrat der Zahl
der Keramikschichten verkleinert ist.
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Bei
einem Mehrschicht-PZT-Wandler Array sind die N (N > 1) Schichten akustisch
in Reihe miteinander liegend gekoppelt, so dass die λ/2 Resonanzdicke
gleich t, der Stapeldicke, ist. Wenn die Polarität einer angelegten Spannung
mit der Polungsrichtung übereinstimmt,
expandiert das piezoelektrische Material in der Dickenrichtung.
Da die elektrische Polarität
bei jeder Schicht gleich mit der Polungsrichtung ist, expandieren
oder kontraktieren die Schichten gemeinsam. Für eine vorgegebene angelegte
Spannung ist das elektrische Feld über jede Schicht (Dicke t/N)
größer als
das bei einem Einschicht-Wandler (Dicke t), woraus sich ein größerer akustischer
Ausgangswert ergibt. Umgekehrt kann der akustische Ausgang eines
PZT-Elements mit einer einzigen Dicke bei einer verkleinerten angelegten Spannung
angepasst werden. Elektrisch sind die Schichten parallel geschaltet.
Verglichen mit einer Einschicht-Vorrichtung ist eine N-Schicht-Vorrichtung im Wesentlichen
die Summe von N dünneren
Kondensatoren, die parallel zueinander liegen. Da die Gesamtdicke
der Struktur bei einer gegebenen Betriebsfrequenz konstant bleibt,
erhöht
sich die Kapazität
der Vorrichtung als Funktion von N2. Demgemäß geht die
Impedanz als Funktion des Kehrwerts von N2 zurück.
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Die
US-Patentschrift 6,260,248 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung
eines mehrschichtigen, monolithischen, piezoelektrischen Aktuators,
bei dem Elektroden auf piezoelektrische Grünsubstrate aufgelegt und dann
gemeinsam gebrannt werden, um eine feste Mehrschichtstruktur zu
erzeugen. Bei nach diesem Verfahren hergestellten Strukturen ist es
aber schwierig die bei Ultraschallwandlern erforderlichen Tole ranzen
einzuhalten, weil das gemeinsame Brennen der piezoelektrischen und
der Elektrodenmaterialen zu einer Welligkeit oder Unebenheit bei
den Schichten führen
kann. Außerdem
geschieht die Erzeugung piezoelektrischer Keramikteile mit fester
elektromagnetischer Kopplung, wie sie für medizinische Ultraschallanwendungen
erforderlich sind, am Besten unter Hochdrucksinterbedingungen, die
für Schichtstrukturen
dieser Art jedoch nicht zweckmäßig sind. Es ist deshalb am Besten die Mehrschichtstruktur
aus flachen, piezoelektrischen Blättchen hoher Qualität herzustellen
und nicht aus gemeinsam gebrannten grünen Keramiksubstraten.
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Ein
in der US-Patentschrift 5,381,385 beschriebener zweiter Ansatz besteht
darin, eine Schichtstruktur aus dünnen, piezoelektrischen Schichten
aufzubauen, von denen jede Schicht eine Metallelektrode auf ihrer
Oberfläche
aufweist. Das Array wird dadurch hergestellt, dass Löcher (oder Vias)
in einem Stapel piezoelektrischen Materials erzeugt werden. Die
Vias können
mit Laser oder mechanischem Bohren erzeugt werden. Keramikstoffe zu
durchbohren ist aber eine schwierige Aufgabe, und zwar insbesondere
bei kleinen Löchern
durch dickere Keramiksubstrate. Akustische Niederfrequenzwandler
haben eine Keramik, die zu dick sein kann, um Vias herzustellen,
während
die kleine Elementengröße bei Hochfrequenzwandlern
eine hohe Dichte der Vias erfordert, die die Keramikstruktur schwächt. Außerdem muss
nach der Erzeugung der Vias ein elektrischer Kontakt zu der in die
tief unten liegende Keramikschicht eingebetteten Elektrode hergestellt
werden. Dies kann wegen des Längen-/Durchmesserverhältnisses
(Aspektverhältnis) des
Lochs schwierig sein, es sei denn, das Via weist eine große Querschnittsfläche auf.
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Es
besteht deshalb ein Bedürfnis
nach einfacheren Herstellungsverfahren für mehrschichte, piezoelektrische
Keramikgebilde.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein einfaches Verfahren zur Herstellung
eines mehrschichtigen akustischen Wandlers mit verringerter elektrischer
Gesamtimpedanz. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht bei einer
Ausführungsform
darauf, dass zwei piezoelektrische Keramikschichten mit einander
gegenüberliegenden
metallisierten Oberflächen
auf einen dünnen,
elektrischen Leiter aufgebracht werden, worauf die obere und die
untere Oberfläche
so angeschlossen werden, dass eine Wrap-Around-Elektrode (Umfüllungselektrode)
ausgebildet wird, während
ein mittiger Leiter eine zweite Elektrode bildet. Die elektrische
Gesamtimpedanz eines zweischichtigen Keramikstapels, der aus piezoelektrischen
Schichten besteht, die auf diese Weise miteinander verbunden sind,
beträgt
ein Viertel jenes eines massiven Keramikelements der gleichen Größe. Dies
ergibt eine bessere Anpassungsimpedanz des akustischen Stapels an
jene des elektrischen Kabels, eine vergrößerte Eindringtiefe zu Bildgabe
in dem Körper
und eine erhöhte
Empfindlichkeit des akustischen Elements. Die Impedanzanpassung
ist besonders wichtig für
kleine Wandlerelemente, wie sie sich in mehrzeiligen Wandlerarrays
finden. Typische Wandlerelemente eines linearen Phased-Array sind
in ihrer Gestalt rechteckig, d.h. sie sind in der Elevationsrichtung
länger
als in der Azimutalrichtung. Mehrzeilige akustische Wandler haben
aber Elemente, die auch in der Elevationsrichtung unterteilt sind. Ein
extremes Beispiel eines mehrzeiligen Wandlers ist ein zweidimensionales
Array, bei dem die Elemente im Wesentlichen quadratisch sein können.
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Ein
Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung
eines Werkstücks,
das die folgenden Schritte beinhaltet: (a) Herstellen eines laminierten
Gebildes, das zwei Teile aus Keramikmaterial mit einer dazwischen
liegen den Metallelektrode aufweist; (b) Durchschneiden des laminierten
Gebildes längs
paralleler Ebenen rechtwinklig zu der Metallelektrode, um eine Mehrzahl
laminierter Stücke mit
jeweils einer Elektrode herzustellen; (c) Aneinanderheften der laminierten
Stücke
in einer Reihe zur Ausbildung eines zusammengefügten Stapels (Verbundstapels),
in dem die Elektroden voneinander beabstandet und im Wesentlichen
parallel zueinander sind; und (d) Aufbringen einer Schicht dielektrischen Materials
auf eine Oberfläche
auf einer Seite des zusammengefügten
Stapels, an der die Ränder
der Elektroden freiliegen.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung
eines Werkstücks, das
die folgenden Schritte beinhaltet: (a) Herstellen eines laminierten
Gebildes, das zwei Platten aus Keramikmaterial mit einer dazwischenliegenden
Metallelektrode aufweist; (b) Durchschneiden des laminierten Gebildes
längs paralleler
Ebenen rechtwinklig zu der Elektrode, um eine Mehrzahl laminierter
Streifen herzustellen, von denen jeder laminierte Streifen vier Seiten
aufweist, die ein im Wesentlichen rechteckiges Profil bilden und
zwei Keramikstücke
enthält,
die jeweils durch eine Elektrode voneinander getrennt sind; und
(c) Aufbringen einer Schicht dielektrischen Materials bei jedem
laminierten Streifen auf die Oberfläche einer ersten Seite, an
der die Ränder
der Elektroden freiliegen, wobei die dielektrische Schicht den jeweils
freiliegenden Rand abdeckt, und Aufbringen von Metall auf die Oberfläche der
sich an die erste Seite anschließenden zweiten und dritten
Seite und auf mehrere Abschnitte der dielektrischen Schicht, wobei
jeder metallisierte Abschnitt der dielektrischen Schicht mit der
metallisierten Oberfläche
der zweiten und der dritten Seite elektrisch in Verbindung steht.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einem Vorläufer für ein Ultraschall-Transducer-Array, der
aufweist: Eine Anzahl im Wesentlichen gleicher rechteckiger Streifen,
die an ihren Seiten so aneinander geheftet (bonded) sind, dass sie
eine Reihe miteinander verbundener Streifen bilden, wobei jeder Streifen
zwei keramische Teile im Wesentlichen gleicher Dicke aufweist, die
durch eine Metallelektrode voneinander getrennt sind, eine Schicht
dielektrischen Materials auf der Oberfläche einer ersten Seite, an
der der Rand der Elektrode freiliegt, wobei die dielektrische Schicht
den freiliegenden Rand abdeckt, Schichten aus Metall auf der sich
an die erste Seite anschließenden
zweiten und dritten Seite und auf mehreren Abschnitten der dielektrischen
Schicht, wobei jeder metallisierte Abschnitt der dielektrischen Schicht
mit der metallisierten Oberfläche
der zweiten und dritten Seite elektrisch in Verbindung steht und eine
Schicht Abstandsmaterial auf der Oberfläche einer der ersten Seite
gegenüberliegenden
vierten Fläche,
wobei die Abstandsmaterialschicht jedes Streifens der dielektrischen
Schicht eines benachbarten Streifens gegenüberliegt und die Elektroden
aller Streifen im Wesentlichen koplanar sind.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einem Ultraschallwandler-Array,
das eine Reihe laminierter Wandlerelemente aufweist, die akustisch
voneinander isoliert sind und von denen jedes laminierte Wandlerelement
aufweist: eine Ober- und eine Unterschicht (Deck- und Bodenschicht)
aus keramischem Material von im Wesentlichen gleicher Dicke, die durch
eine Metall-elektrode voneinander getrennt sind, die sich längs einer
horizontalen Ebene erstreckt; eine Schicht dielektrisches Material,
die auf einer Seite aufgebracht ist, an der der Rand der Elektrode
frei liegt, wobei die dielektrische Schicht den freiliegenden Rand
auf dieser Seite überdeckt
und sich längs
einer Vertikalebene erstreckt; eine zweite Schicht aus Metall, die
auf einer hori zontalen Vorderseite der Oberschicht des keramischem
Materials aufgebracht ist; eine dritte Schicht aus Metall, die auf einer
horizontalen Hinterseite der Unterschicht des keramischen Materials
aufgebracht ist und eine vierte Schicht aus Metall, die auf der
dielektrischen Schicht aufgebracht und so gemustert ist, dass sie
einen elektrischen Anschluss bildet, der in elektrischem Kontakt
mit der zweiten und der dritten Metallschicht steht, derart, dass
eine von den Keramikschichten elektrisch isolierte Wrap-Around-Elektrode ausgebildet
ist und die dazwischenliegende Elektrode durch die dielektrische
Schicht ausgebildet ist.
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Weitere
Aspekte der Erfindung sind im Nachfolgenden beschrieben und beansprucht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Die 1 bis 9 veranschaulichen
verschiedene Stufen eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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Im
Folgenden wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der gleiche
Elemente in den verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen
tragen.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen,
keramischen, akustischen Stapels (Blocks), der aus einer geraden
Zahl keramischer Schichten besteht. Zum Zwecke der Veranschaulichung
wird ein Verfahren zur Herstellung eines zweischichtigen, keramischen,
akustischen Stapels im Detail beschreiben. Zweischicht-Stapel können ihrerseits
wieder gestapelt werden, um Mehrschicht-Stapel zu erzeugen, die vier oder mehr
Keramikschichten aufweisen. Das beschriebene Verfahren dient zur
Herstellung akustischer Elemente in sowohl linearen als auch in
mehrreihigen akustischen Arrays, wie auch von kleinen Elementen
für zweidimensionale
akustische Arrays. Solche akustischen Arrays können für medizinische Bildgebungsanwendungen
eingesetzt werden.
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Bei
dem im Nachfolgendem im Detail beschriebenen Verfahren zur Herstellung
zweischichtiger, piezoelektrischer, akustischer Wandler ist die strukturelle
Unversehrtheit des piezoelektrischen Elements durch die Entfernung
eines Teiles des Elements nicht geschwächt. Das Verfahren beruht auf der
Laminierung zweier piezoelektrischer Keramikschichten mit einander
gegenüberliegenden
metallisierten Oberflächen.
Wahlweise kann ein dünner elektrischer
Leiter zwischen den metallisierten Oberflächen, d.h. in der Mitte sandwichartig
angeordnet sein. Die Keramikschichten können in Gestalt von Streifen
aus Keramik oder vorzugsweise in Gestalt von Blättchen oder Platten aus Keramik
vorliegen. In dem letztgenannten Fall wird das Material im Anschluss
an die Auflaminierung auf ein in der Mitte angeordnetes elektrisch
leitendes Material in Streifen zertrennt und so gedreht, dass das
mittige elektrisch leitende Material frei liegt. Die Streifen werden
um 90° in
eine Lage gedreht, in der das mittige elektrisch leitende Material
bezüglich
einer Oberfläche
in einer vertikalen Stellung steht. In diese Stellung werden die Streifen
zusammen laminiert. Die fluchtenden Oberflächen auf einer Seite des Laminats
werden sodann mit einem dielektrischen Material überzogen, um das mittige elektrisch
leitende Material gegen eine anschließende Elektrode elektrisch
zu isolieren. Dielektrische Materialien können aus gebräuchlichen
elektrischen Isolierstoffen, einschließlich aber nicht beschränkt auf
Parylen, Polyimid, Polyamiddeimid, Polyurethan und andere Materialien
ausgewählt
werden und können
durch Streichen, Tauchen, Laminieren oder Aufdampfen aufgebracht
werden (Parylene ist die Handelsbezeichnung für Polymere, die zu der chemischen
Familie der Poly-Paraxylylene gehören). Bei einer Konstruktion
wurde ein Kapton®-HN Polyimidfilm mit einer
Dicke von 8 Mikron und einer mittleren dielektrischen Durchschlagsfestigkeit
von > 200 V/Mikron
auf das Keramik auflaminiert. Bei einer anderen Konstruktion wurde
eine 7 Mikron dicke Schicht von Parylen N mit einer mittleren dielektrischen
Durchschlagsfestigkeit von größer 300
V/Mikron auf die Keramik aufgedampft. Bei einer weiteren Konstruktion
wurde eine 7 Mikron dicke Schicht von Parylen-C mit einer mittleren
dielektrischen Durchbruchsfestigkeit von größer 300 V/Mikron auf die Keramik
aufgedampft. Diese Muster hatten die niedrigsten Fehlerraten.
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Anschließend an
die Aufbringung des dielektrischen Materials wird eine Metallschicht
auf die freiliegende Oberfläche
des dielektrischen Materials aufgebracht. Das Metall kann entweder
durchgehend oder in Musterform vorliegen und durch irgendein zweckensprechend
gewähltes
Verfahren, einschließlich
aber nicht beschränkt
auf Vakuumzerstäubung oder
stromlose Plattierung, aufgebracht werden. Das Metall kann auch
etwa als metallisierter Kapton® Polyimidfilm vor der
Anbringung an den Keramikstreifen auf das dielektrische Material
vorab aufgebracht werden. Die Oberfläche des metallbeschichteten
dielektrischen Materials wird dann so zugeschnitten, dass sie den
Seiten der Streifen aus Keramik mit laminiertem, innenliegendem,
elektrisch leitendem Material entspricht, worauf die Streifen um
90° wieder
in ihre Ausgangslage zurückgedreht
werden. In dieser Stufe besteht jeder Streifen aus zwei Keramikschichten
mit einem in der Mitte zwischen den Keramikstücken angeordneten elektrischen
Leiter und einem dielektrischem Isoliermaterial, das längs einer
Seite des Keramiklaminats in einer zu dem mittigen elektrisch leitendem
Material rechtwinkligen Ausrichtung auf dessen Außenseite
als Metallbeschichtung aufgebracht ist.
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Eine
Reihe dieser Streifen können
dann miteinander kombiniert werden, entweder dauerhaft, unter Verwendung
einer Laminierung mit einem Epoxidharz oder lediglich zeitweilig
unter Verwendung eines Materials wie Waverwachs oder aber die Streifen können auch
einzeln gehalten werden. Die obere und die untere Außenoberfläche der
Streifen wird dann mit einem elektrischen Leiter beschichtet, etwa
in Form eines Metalls, dass durch Vakuumzerstäuben oder mit einem anderen
Verfahren aufgebracht wird. Das aufgebrachte Metall steht auch mit
der (bereits früher
aufgebrachten) Metallschicht längs
der freiliegenden langen Ränder
jeder dielektrischen Isolationsschicht in Kontakt, so dass sich
ein elektrischer Kurzschluss von der oberen Oberfläche einer
Keramiktafel zu der unteren Oberfläche der zweiten Keramiktafel
ergibt. Das mittige elektrisch leitende Material bleibt aber durch
die dielektrische Isolationsschicht gegen diesen elektrischen Pfad
elektrisch isoliert.
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Die
sich ergebenden Materialstreifen können als zweischichtiges akustisches
Mehrschicht-Keramikmaterial in einer Ultraschallbildgebungsvorrichtung
verwendet werden. Sie können
auch für
ein mehrreihiges Bildgebungsarray in eine Anzahl kleinerer Elemente
unterteilt oder zertrennt werden oder in Mehrfachelemente für ein zweidimensionales akustisches
Bildgebungs-Array, indem die Keramikreihen jeweils nur teilweise
eingeschnitten wird, wodurch Elemente ausgebildet werden, ohne dass
das mittige elektrisch leitende Material zertrennt oder durchgeschnitten
wurde. Der akustische Wandler wird so zusammengesetzt, dass er so
arbeitet, dass die metallisierten Außenoberflächen beider Keramikschichten
als die Signalelektrode wirken während das
mittige elektrisch leitende Material, das zwischen diesen Keramikschichten
liegt, als Masseelektrode dient. Die elektrische Verbindung zwischen
den beiden Keramikschichten für
die Signalelektrode besteht aus der an der Seite des Wandlerelements
angeordneten Metallschicht, wobei die Signalelektrode von der Masseelektrode
durch die Schicht dielektrischen Materials elektrisch isoliert ist.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
kann das Ausgangskeramikmaterial in den Bereichen, in denen sodann
der Trennschritt zur Ausbildung diskreter akustischer Elemente erfolgt
angerissen werden, wodurch die Gefahr des Einschneidens in das mittige
elektrisch leitende Material verringert wird.
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Eine
Ausführungsform
des Verfahrens wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Bezugnehmend
auf 1 besteht der erste Schritt darin, eine Struktur
zusammenzufügen,
die aus zwei piezoelektrischen Keramiktafeln 2, 4 besteht,
von denen jede wenigstens eine metallisierte Seite hat, wobei eine
dünne elektrisch
leitende Folie 6 zwischen die einander gegenüberliegenden
metallisierten Seiten eingelegt ist. Die leitende Folie 6 dient als
Mittel (Masse)-Elektrode für
die akustischen Elemente und muss sowohl elektrisch leitend als
auch so dünn
sein, dass sie keine akustische Reflexion hervorruft. Die Gesamtdicke
der Metallfolie sollte weniger als 10 Mikron und mehr als 0,5 Mikron
sein, wobei eine Dicke von 1 bis 5 Mikron für diese Elektrode bevorzugt
ist. Bei einer beispielhaften Konstruktion wurde eine 2 Mikron dicke
Goldfolie verwendet. Anstelle der dünnen Metallfolie kann auch
ein Metallnetz- oder Maschenwerk verwendet werden. Bei einer anderen
Ausführungsform
können
die Oberflächen
der Keramik als Ersatz für
die Metallfolie unmittelbar mit einer entsprechend dicken Metalldicke
beschichtet sein.
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Nachdem
dieses Gebilde zusammengefügt (bonded)
ist wird es in Streifen oder Stangen zertrennt, wobei jede Streifen
um 90° gedreht
wird, so dass seine mittige (Masse) Elektrode auf der Oberseite
frei liegt und dann, wie in 2 dargestellt,
zusammengefügt.
Die jeweiligen Lagen des Verbindungsmaterials sind mit dem Bezugszeichen 8 in 2 bezeichnet.
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Bei
dem nächsten
(in 3) dargestellten Herstellungsschritt wird eine
Schicht 10 aus dielektrischem Material auf die (eine Seitenfläche jedes
gedrehten Streifens enthaltende) obere Oberfläche der Verbundstruktur aufgebracht,
um die freiliegende Mittelelektrode elektrisch zu isolieren. Sodann
wird eine Metallschicht auf der Oberseite der Schicht 10 aus
dielektrischem Material abgelagert und so gemustert, dass Linien
oder Spuren 12 auf der Oberseite der Verbundstruktur erzeugt
werden. Bei einer Ausführungsform
wird bei dieser Stufe eine einseitige flexible gedruckte Schaltung
an die Keramik so angefügt, dass
das dielektrische Material der flexiblen Schaltung die Ränder der
Abschnitte der mittigen Metallfolie überdeckt und die Leiterbahnen
auf der flexiblen Schaltung auf der Außenfläche frei liegen.
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Als
Nächstes
wird eine Schicht 14 eines Abstandsmaterials auf die untere
Oberfläche
der Verbundstruktur aufgebracht wie dies in 4 dargestellt
ist. Das Abstandsmaterial kann ggfs. auf eine solche Dicke abgeschliffen
sein, dass sich das jeweils gewünschte
Rastermaß des
Wandler-Arrays ergibt. Die Schichten aus Abstandsmaterial und dielektrischem
Material sind zueinander parallel und können auf gegenüberliegenden
Oberflächen
der Verbundstruktur liegen. Das Abstandsmaterial muss, wenn es nicht
bei dem fertigen Array entfernt wird, ein Material sein, dass kein
akustisches Übersprechen
zwischen benachbarten Wandlerelementen hervorruft. Ein solches Material
ist Epoxidharz ge füllt mit
Glaskügelchen.
Wenn aber das Abstandsmaterial doch unzulässiges akustisches Übersprechen
hervorruft, muss das Abstandsmaterial, bspw. durch Abschneiden,
entfernt werden.
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Alternativ
kann das Abstandsmaterial Glykolphthalat sein, das oft als Wafer-Bonding
Material verwendet wird. Glykolphthalat kann bis zum Verflüssigungspunkt
erwärmt
oder in einem geeigneten Lösungsmittel
gelöst
werden, wodurch die Entfernung des Abstandsmaterials in einer späteren Stufe
erleichtert wird.
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Das
Verbundwerkstück
wird sodann längs paralleler
Ebenen, dort, wo die Schichten des Verbindungsmaterials liegen,
zerschnitten oder zertrennt. Die sich ergebenden einzelnen Streifen
weisen nun jeder eine mit dielektrischem Material (mit Metallleiterbahnen
darauf) bedeckte Seite auf, während
die gegenüberliegende
Seite mit dem Abstandsmaterial bedeckt ist. Die Streifen werden
wieder um 90° in
ihre Ausgangslage zurückgedreht
und dann, wie in 5 veranschaulicht, zusammengebondet.
Dies ergibt einen Aufbau, bei dem die mittlere Masseelektrode 6 horizontal
und rechtwinklig zu den jeweiligen Metallbeschichtungen 12 liegt,
die jede der Schichten 10 aus dielektrischem Material bedecken.
Die einzelnen Streifen sind jeweils durch Schichten 14 aus
Abstandsmaterial voneinander getrennt.
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In
der nächsten
Stufe werden die freiliegenden Oberflächen der Keramikschichten auf
der Ober- und der Unterseite der Streifen metallisiert (d.h. mit Metall überzogen),
um einen elektrischen Kontakt zu der Keramik herzustellen. Diese
Metallüberzüge sind in 6 jeweils
mit 16 bzw. 18 bezeichnet. Die Seite jedes Keramikstreifens
weist eine gemusterte (bezogen auf 6) vertikale
Metallschicht 12 auf, die die Metallüberzüge auf der Ober- und der Unterseite
jedes Streifens elektrisch miteinander kurzschließt. Gleich zeitig
isoliert die Schicht 10 aus dielektrischem Material bei
jedem Streifen einen Rand der mittigen Metallschicht 6 von
den vertikalen Metallschichten 12.
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Dies
ergibt ein keramisches Mehrschichtgebilde, bei dem die beiden Keramikplatten
elektrisch parallel zueinander geschaltet sind, während sie akustisch
in Reihe zueinander liegen. Diese keramische Mehrschichtstruktur
kann als Ersatz für
ein massives Keramikgebilde in einem akustischen Wandler benutzt
worden, in dem das Signal an eine Oberflächenelektrode des keramischen
Gebildes angelegt wird und die Masse mit der Mittelelektrode verbunden
ist.
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Wenn
der Wandler ein mehrreihiges oder zweidimensionales akustisches
Array sein soll, wird die Mehrschichtkeramik von einer Richtung
aus teilweise so durchtrennt (gesägt), dass eine Schicht aus Keramik
in diskrete Elemente aufgeteilt, aber die mittige Metallschicht
oder Masseelektrode, wie in 6 veranschaulicht,
nicht zertrennt oder angeschnitten wird. Dieser Trennvorgang erzeugt
voneinander beabstandete und zueinander parallele Kerben 20.
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Bei
der nächsten
Herstellungsstufe wird das Werkstück in die Lage nach 7 umgewendet,
d.h. um 180° gedreht.
Das teilweise zertrennte Werkstück mit
den Kerben 20 auf der Unterseite wird sodann auf ein gemustertes
Array von elektrischen Signalleitern aufgesetzt. Ein Beispiel eines
solchen Arrays elektrischer Leiter besteht aus einer Reihe voneinander
beabstandeter und zueinander paralleler flexibler Schaltungen, die
in einem Körper 24 (vgl. 8) akustischen
Dämpfungsmaterials
(d.h. Streuungs- und/oder Absorbermaterial) so eingebettet sind,
dass die Enden von den auf die elektrischen Substrate 22 der
flexiblen Schaltungen aufgedruckten Leiterbahnen 26 auf
der Oberfläche
des akustischen Dämpfungskörpers freiliegen,
der der einge schnittenen Hälfte
des Werkstücks
gegenüber
liegt. Der akustische Dämpfungskörper 24 kann
an dem Werkstück unter
Verwendung einer dünnen
Schicht von Epoxidharz angeklebt sein, das im Wesentlichen akustisch transparent
ist und einen elektrischen Kontakt zwischen den Leiterbahnen 26 und
den gegenüberliegenden
metallisierten Oberflächen
des teilweise eingeschnittenen Werkstücks ermöglicht.
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In
dem sich ergebenden Laminat verlaufen die Kerben 20 rechtwinklig
zu den flexiblen Schaltungen 22. In der nächsten Stufe
wird das Array von Keramikstreifen in der gleichen Richtung und
mit dem gleichen Rastermaß auf
der anderen Seite des Werkstückes
wieder auf eine Tiefe nahe bei, aber nicht durch die innenliegende
(d.h. mittige) Metallschicht eingeschnitten. Dies lässt eine
durchgehende mittige Metallelektrode zurück, die sich über die
Länge jedes Streifens
erstreckt.
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Das
Array wird schließlich
durch das Abstandsmaterial in der Orthogonalrichtung, bezogen auf 9,
vollständig
durchgetrennt. Wie aus 9 zu entnehmen, können sich
die Schnitte in das akustische Trägermaterial 24 erstrecken.
Dieser letzte Zerteilvorgang bildet jeweils einen Luftspalt 20 zwischen
jedem zweischichtigen Keramikstreifen, wodurch jeweils Säulen (von
denen nur zwei dargestellt sind) eines mehrschichtigen Wandler-Arrays
ausgebildet werden, in dem die Säulen
durch die akustische Trägerschicht 24 zusammengehalten
sind. Anschließend
können
akustische Anpassungsschichten und eine Linse auf die Vorderfläche des
Wandler-Arrays in
gebräuchlicher
Weise aufgesetzt werden. Bei dem sich ergebenden mehrschichtigen
Ultraschallwandler-Array laufen die die mehrschichtigen Keramikelemente
treibenden Signale durch die akustische Trägerschicht 24, über Leiterbahnen 26 (die
dielektrischen Substrate der in der akustischen Trägerschicht 24 eingebetteten
flexiblen Schaltungen wurden zur klareren Veranschaulichung der
elektrischen Verbindungen in 9 weggelassen), über die
um die Außenseite
der dielektrischen Schicht 10 herum gelegte metallisierte
Schicht 12 zu der oberen und unteren Elektrode auf jedem
mehrschichtigen Keramikelement. Die durchgehenden Masseelektroden 6 sind
an einen Ende des Arrays an einem gemeinsamen Bus angeschlossen.
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Das
im Vorstehenden beschriebene Verfahren liefert eine Struktur, bei
der mehrschichtige Keramikelemente über die Oberfläche einer
dielektrischen Schicht eine gegenseitige Verbindung herstellen.
Die dielektrische Schicht schützt
sowohl die mittige Masseelektrode als auch die piezoelektrische Keramik
gegen das elektrische Feld. Mehr im Einzelnen beschränkt die
Schicht 10 aus Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante
das elektrische Feld auf das Keramikmaterial 2, 4 mit
hoher Dielektrizitätskonstante
wo es vertikal ausgerichtet bleibt. Auf diese Weise finden sich
die bei einer zwischen der Signal- und der Masseelektrode angelegten Spannung
piezoelektrisch induzierten Verformungsspannungen fast vollständig vertikal
neben dem Rand der Masseelektrode. Nebeneffekt-Zustände wie
etwa Scherzustände,
die sonst von dem Kontakt der Signalelektrode mit den Seiten der
Keramikelemente herrühren,
sind deshalb wesentlich reduziert.
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Eine
Abwandlung des vorstehend geschilderten Verfahrens besteht darin,
ein oder beide Keramikstücke
vorher zu trennen, um den Raum des jeweiligen akustischen Elements
zu bestimmen und damit die Notwendigkeit zu verringern bis nahe
zu der mittigen Masseelektrode durchzutrennen.
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Die
oben beschriebene Struktur ist wesentlich einfacher herzustellen
als dies bei bekannten Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen
Keramikstruktur der Fall ist. Das sich ergebende Mehrschicht-Keramikgebilde
ist insbesondere bei akustischen Hochfrequenzwandlern oder mehrreihigen akustischen
Wandlern, einschließlich
zweidimensionalen Array-Wandlern
von Vorteil, bei denen die kleine Kapazität des keramischen Akustikelements
impedanzmäßig nur
schlecht an den übrigen
Teil des Ultraschallbildgebungssystems angepasst ist.
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Zweischichtige
Stapel (Blöcke)
können
ihrerseits wieder gestapelt werden, um Mehrschichtstapel zu erzeugen,
die vier oder mehr Keramikschichten aufweisen. Ein Stapel von vier
oder mehr Schichten kann hergestellt werden, vorausgesetzt, dass
die mittleren Masseelektroden der Stapel ihrerseits miteinander
verbunden sind. Dies kann bspw. an den Enden der Elementenreihen
geschehen. Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben wurden, so versteht sich doch, dass zahlreiche Änderungen
vorgenommen und Elemente durch Äquivalente
ersetzt werden können,
ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Außerdem können viele
Abwandlungen zur Anpassung der Lehre der Erfindung an eine spezielle
Situation vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung
zu verlassen. Die Erfindung ist deshalb durch die spezielle, als
gegenwärtig beste
Ausführungsform
zur Ausführung
der Erfindung geoffenbarte Ausführungsform
nicht beschränkt,
sondern die Erfindung umfasst alle Ausführungsformen, die in dem Schutzbereich
der beigefügten
Patentansprüche
liegen.