DE102005061343B4

DE102005061343B4 - Ultraschallwandler mit selbsttragender Anpassschicht sowie Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102005061343B4
Application number: DE200510061343
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Lemor; Steffen Dipl.-Ing. Tretbar; Eike Dipl.-Phys. Weiss
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: WO2007076820A3; DE102005061343A1; EP1963030A2; WO2007076820A2

Abstract

Ultraschallwandler mit einem mikrosystemtechnischen Aufbau auf einem Substrat der zumindest eine piezoaktive Wandlerschicht (14), die als nicht selbsttragende Schicht ausgebildet ist, Kontaktierungsschichten (13, 15) zur elektrischen Kontaktierung der piezoaktiven Wandlerschicht (14) und eine dem Substrat zugewandte Anpassschicht (12) zur akustischen Impedanzanpassung an ein Ankoppelmedium aufweist, wobei die Anpassschicht (12) als tragendes Element für die piezoaktive Wandlerschicht (14) und die Kontaktierungsschichten (13, 15) ausgebildet ist und mit einem Randbereich ihrer Oberfläche auf einem Rand einer Durchgangsöffnung (16) für die Schallabstrahlung in dem Substrat (11) aufliegt.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, der zumindest eine piezoaktive Wandlerschicht, die als nicht selbsttragende Schicht ausgebildet ist, Kontaktierungsschichten zur elektrischen Kontaktierung der Wandlerschicht und eine dem Substrat zugewandte Anpassschicht zur akustischen Impedanzanpassung an ein Ankoppelmedium aufweist. Ein derartiger Ultraschallwandler ist sowohl für den technisch industriellen als auch für den medizintechnischen Bereich geeignet. So finden diese Ultraschallwandler als miniaturisierte, hochfrequente Ultraschallsensoren beispielsweise Einsatz in medizinischen Kathetersystemen, Ultraschall-Mikroskopie-Systemen und hochfrequenten Inspektionssystemen von technischen Bauteilen, beispielsweise bei der Chipherstellung.
Stand der Technik
Bekannte Ultraschallwandler bestehen im Wesentlichen aus einer piezoaktiven Wandlerschicht, Kontaktierungsschichten zur elektrischen Kontaktierung der Wandlerschicht, einer rückseitigen Bedämpfungsschicht sowie einer vorderseitigen Anpassschicht (Matching Lager). Die Anpassschicht dient der akustischen Impedanzanpassung an ein Ankoppelmedium, in das die Ultraschallwellen eingekoppelt oder aus dem Ultra schallwellen empfangen werden sollen. Dieses Schichtsystem bekannter Ultraschallwandler wird in der Regel auf der selbsttragenden piezoaktiven Schicht aufgebaut und anschließend eventuell in ein Gehäuse eingebaut.
Allerdings lässt sich diese bekannte Aufbautechnik für hochfrequente Ultraschallwandler im Bereich der Mikrosystemtechnik nicht nutzen, da die hierfür erforderlichen dünnen piezoaktiven Schichten nicht selbsttragend sind. Aufgrund der geringen Dicke dieser piezoaktiven Schichten wird in diesem Fall das gesamte Schichtsystem aus Stabilitätsgründen auf einem Substrat aufgebaut. Beim Betrieb eines derartigen Ultraschallwandlers wird jedoch ein großer Teil der erzeugten akustischen Energie in das Substratmaterial abgegeben. Dadurch wird sowohl die vom Ultraschallwandler ausgesendete Leistung als auch die Sensitivität des Ultraschallwandlers beim Empfang von Ultraschallsignalen verringert.
Die US 7 440 983 befasst sich mit Lautsprechern und Mikrofonen, bei denen der elektro-akustische Wandler eine kalottenartige aktive Membran mit einer selbsttragenden Struktur aus einem Polymermaterial aufweist. In der EP 0 472 085 A1 ist ein Ultraschallsensor offenbart, der insbesondere für Stoßwellenmessungen Verwendung findet. Der Ultraschallsenor weist eine Multilayer-Struktur auf, deren Bestandteile eine piezoelektrische Folie, eine Signal- und eine Masseelektrode sowie mindestens eine Koppelschicht umfassen, wobei die Multilayer-Struktur selbsttragend ausgeführt sein kann. Weder der elektroakustische Wandler der US 4 440 983 noch der Ultraschallsensor der EP 01472085 A1 lassen sich jedoch in Mikrosystemtechnik herstellen.
Schließlich offenbaren die DE 38 09 447 A1 noch ein Verfahren zum Aufbringen einer akustischen Anpassungsschicht in gewünschter Dicke auf eine Piezokeramik bei der Herstellung von Ultraschallwandlern und die EP 0 337 575 A2 einen Ultraschallwandler mit einer akustischen Linse sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Die US 6 831 394 B2 zeigt einen Ultraschallwandler mit einer rückseitigen Bedämpfungsschicht, die das Substrat des Ultraschallwandlers sowie die elektrischen Verbindungen stützt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ultraschallwandler mit einem mikrosystemtechnischen Aufbau für hochfrequente Ultraschallanwendungen sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, der eine erhöhte Sendeleistung und Empfangssensitivität aufweist.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Ultraschallwandler sowie dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Ultraschallwandlers sowie des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Der vorgeschlagene Ultraschallwandler mit einem mikrosystemtechnischen Aufbau auf einem Substrat weist zumindest eine piezoaktive Wandlerschicht, die als nicht selbsttragende Schicht ausgebildet ist, Kontaktierungsschichten zur elektrischen Kontaktierung der Wandlerschicht sowie eine dem Substrat zugewandte (vorderseitige) Anpassschicht zur akustischen Impedanzanpassung an ein Ankoppelmedium auf. Der Ultraschallwandler zeichnet sich dadurch aus, dass die Anpassschicht als tragendes Element für die Wandlerschicht und die Kontaktierungsschichten ausgebildet ist und in einem Randbereich ihrer Oberfläche auf dem Rand einer Durchlassöffnung in einem Substrat aufliegt.
Bei dem vorliegenden Ultraschallwandler ist somit im Bereich der abstrahlenden Fläche kein zusätzliches Substrat als Träger des Schichtsystems erforderlich. Vielmehr ist die Anpassschicht als tragende Schicht für das Schichtsystem ausgebildet. Die Anpassschicht erfüllt dabei eine Doppelfunktion, einerseits als tragendes Element für die Wandlerschicht und die Kontaktierungsschichten und andererseits zur akustischen Impedanzanpassung an das Ankoppelmedium. Die Anpassschicht muss dabei eine ausreichende Dicke aufweisen, um die tragende Funktion zu erfüllen. Die Dicke der Anpassschicht steht für die Impedanzanpassung in einem Verhältnis zur Wellenlänge λ der verwendeten Schallfrequenz in der Anpassschicht und beträgt üblicherweise ein Mehrfaches von λ/2 oder λ/4.
Die Form der Anpassschicht kann beliebig gewählt werden. Sie kann plan oder gekrümmt sein oder auch bspw. keil-, dreiecks- oder pyramidenförmig ausgebildet sein.
Die piezoaktive Wandlerschicht kann bei dem vorliegenden Wandler dünn genug ausgeführt werden, um einen mikrosystemtechnischen Aufbau und hochfrequente Ultraschallabstrahlung oder hochfrequenten Ultraschallempfang zu ermöglichen. Eine Bedämpfungsschicht wird beim vorliegenden Wandler vorzugsweise nicht eingesetzt. Vielmehr kann die Bedämpfung an der rückwärtigen Wandlerseite alleine durch akustische Fehlanpassung, beispielsweise durch den akustischen Impedanzübergang vom piezoaktiven Material zu Luft realisiert werden.
Der vorliegende Ultraschallwandler bietet den Vorteil, dass die von der piezoaktiven Wandlerschicht ausgesendete akustische Energie zum größten Teil in die Anpassschicht und damit in die gewünschte Senderichtung abgegeben wird. Dadurch wird eine erhöhte Leistungsabgabe im Sendefall sowie eine verbesserte Sensitivität im Empfangsfall gegenüber dem bekannten Aufbau mit einem zusätzlichen Trägersubstrat erreicht. Bei Verzicht auf eine Bedämpfungsschicht sind zudem durch Doppelreflexionen in der Bedämpfungsschicht verursachte Artefakte ausgeschlossen. Der vorliegende Ultraschallwandler lässt sich sowohl als hochfrequenter Ultraschall-Einzelwandler als auch zusammen mit weiteren, in gleicher Weise aufgebauten Ultraschallwandlern als Mehrelement-Wandler realisieren. Die beschriebene Aufbautechnik erlaubt auch die Verwendung einer akustischen Linse aus unterschiedlichen Materialien auf der Vorderseite der Anpassschicht.
Besonders vorteilhaft lässt sich der vorliegende Ultraschallwandler in Kombination mit einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit) in einem gemeinsamen Aufbau realisieren.
Das Substrat dient vorzugsweise dazu, neben dem Ultraschallwandler einen integrierten Schaltkreis aufzunehmen, der beispielsweise zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers und/oder zur Verarbeitung und/oder Verstärkung von Empfangssignalen des Ultraschallwandlers mit diesem verbunden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der vorliegende Ultraschallwandler sowie das zugehörige Verfahren zur Herstellung des Ultraschallwandlers werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für unterschiedliche Verfahrensschritte bei der Herstellung des Ultraschallwandlers;
2 zwei Beispiele für eine Strukturierung einzelner Schichten des Ultraschallwandlers;
3 ein Beispiel für einen Ultraschallwandler mit akustischer Linse; und
4 ein Beispiel für einen Ultraschallwandler, der mit einem ASIC in einem gemeinsamen Aufbau verbunden ist.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt ein Beispiel für das vorliegende Verfahren zur Herstellung des Ultraschallwandlers, bei dem der spätere Schichtaufbau durch die Anpassschicht getragen wird, die im vorliegenden Beispiel auf einem ringförmigen Substrat ruht.
Das Substrat kann bei einem derartigen Aufbau auch rechteckig oder ähnlich geformt bzw. ausgeschnitten sein. Die Anpassschicht muss hierbei nicht an allen Seiten auf dem Substrat aufliegen.
Bei diesem Verfahren wird zunächst das Substrat 11 bereitgestellt, beispielsweise ein Silizium-Substrat, auf das eine Anpassschicht 12, beispielsweise aus Silizium-Nitrid, aufgebracht wird. Die Anpassschicht 12 kann aus einem Material oder aus einem Schichtsystem mit mehreren Materialien bestehen. Weiterhin kann diese Anpassschicht 12 eine beliebige Form aufweisen, bspw. plan sein oder eine Krümmung aufweisen, die beispielsweise durch eine Vorstrukturierung des Substrates 11 erzeugt werden kann. Die Anpassschicht 12 wird mit ausreichender Dicke aufgebracht, so dass sie später das tragende Element für die weiteren Schichten bilden kann.
Auf die Anpassschicht 12 wird anschließend eine Kontaktierungsschicht 13, beispielsweise aus Gold, aufgebracht. Die Kontaktierungsschicht 13 kann aus einem Material oder aus einem Schichtsystem aus verschiedenen Materialien bestehen, beispielsweise aus einem Schichtsystem aus Cr und Au, wobei Cr als Haftvermittler zur Anpassschicht 12 dient. Auf die Kontaktierungsschicht 13 wird die piezoaktive Wandlerschicht 14 aufgebracht. Auch die piezoaktive Wandlerschicht 14 kann aus einem Material, beispielsweise Zinkoxid, oder einem Schichtsystem aus verschiedenen Materialien bestehen. Auf die piezoaktive Wandlerschicht 14 wird eine zweite Kontaktierungsschicht 15 aufgebracht, die ebenfalls beispielsweise aus Gold bestehen kann. Alle diese Schichten können fotolithografisch oder anderweitig maskiert und strukturiert werden.
Als letzter Schritt wird im vorliegenden Beispiel schließlich das Substrat 11 maskiert und unterhalb des zentralen Bereichs der Anpassschicht 12 vollständig entfernt, so dass eine vorderseitige Durchgangsöffnung 16 für die Schallabstrahlung entsteht. Dies kann beispielsweise über ein geeignetes Ätzverfahren erfolgen. Die Abstrahlrichtung und Empfangsrichtung der Ultraschallsignale sind mit dem Doppelpfeil 17 in der 1 schematisch dargestellt.
Die vollständige Entfernung des Substrats 11 im zentralen Bereich ist möglich, da die Anpassschicht 12 so ausgebildet ist, dass sie die piezoaktive Wandlerschicht 14 sowie beide Kontaktierungsschichten 13, 15 trägt. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann selbstverständlich die zentrale Durchgangsöffnung 16 auch zu einem anderen Zeitpunkt entfernt werden, beispielsweise bereits vor dem Aufbringen der Kontaktierungsschicht 13 auf die Anpassschicht 12.
Beim vorliegenden Ultraschallwandler können sowohl die piezoaktive Wandlerschicht 14 als auch die vorderseitige und rückseitige Kontaktierungsschicht 13, 15 zur besseren Kontaktierung und zur Definition der Schall abstrahlenden Apertur strukturiert werden. Unterschiedliche Beispiele für eine Strukturierung dieser Schichten zeigt 2, in der die strukturierte rückseitige Kontaktierungsschicht 22, die strukturierte piezoaktive Wandlerschicht 21 sowie die strukturierte vorderseitige Kontaktierungsschicht 23 zu erkennen sind. Die Strukturierung kann wiederum in bekannter Weise über fotolithografische Maskierungsverfahren, Ätzverfahren wie auch durch mechanische Bearbeitung erfolgen.
3 zeigt ein Beispiel für einen Ultraschallwandler, der zusätzlich mit einer akustischen Linse 31 versehen ist. Hierzu wurde in die Durchgangsöffnung 16 auf die Vorderseite der Anpassschicht 12 eine zusätzliche Materialschicht aufgebracht und im zentralen Bereich zur Formung der akustischen Linse 31 strukturiert. Diese zusätzliche Schicht kann aus dem Material der Anpassschicht, dem Material des Substrates oder einem anderen Material bestehen.
4 zeigt schließlich ein Beispiel eines gemeinsamen Aufbaus des Ultraschallwandlers mit einem ASIC 42. Für den gemeinsamen Aufbau dient das Substrat 41, in dem im Bereich des Ultraschallwandlers die Durchgangsöffnung für die Schallabstrahlung erzeugt wurde. Das Substrat 41 wird hierbei so groß gewählt, dass es neben den Schichten des Ultraschallwandlers den ASIC 42 aufnehmen kann. Der mikrosystemtechnische Ultraschallwandler wird hierbei vorzugsweise nach der Herstellung des ASIC 42 auf dem Substrat 41 aufgebaut, so dass ein Eingriff in die herkömmlichen Herstellungsverfahren von ASICS, beispielsweise durch den CMOS-Prozess, nicht notwendig ist. Nach dem Aufbau sowohl des Ultraschallwandlers als auch des ASICs 42 auf dem Substrat 41 werden elektrisch leitende Verbindungen 43 zwischen dem ASIC 42 und dem Ultraschallwandler hergestellt. Dies kann beispielsweise mittels eines Bonding-Verfahrens oder durch Abscheiden und Strukturieren von elektrisch leitfähigen Schichten erfolgen.
Der ASICI 42 kann beispielsweise zur Erzeugung der elektrischen Anregung, zur Umschaltung einzelner Elemente (Multiplexer), zur elektrischen Verstärkung und zur Signalverarbeitung der zu sendenden und zu empfangenden Ultraschallsignale dienen. Die Kombination des ASIC 42 und des Ultraschallwandlers kann mit einem Ultraschallwandler mit oder ohne eine akustische Linse 44 erfolgen, wie sie in der 4 dargestellt ist.

11: Substrat
12: Anpassschicht
13: Kontaktierungsschicht
14: piezoaktive Wandlerschicht
15: Kontaktierungsschicht
16: Durchgangsöffnung
17: Schallrichtung Senden/Empfang
21: strukturierte piezoaktive Wandlerschicht
22: strukturierte rückseitige Kontaktierungsschicht
23: strukturierte vorderseitige Kontaktierungsschicht
31: akustische Linse
41: Substrat
42: ASIC
43: elektrische Verbindungen
44: akustische Linse

Claims

Ultraschallwandler mit einem mikrosystemtechnischen Aufbau auf einem Substrat der zumindest eine piezoaktive Wandlerschicht (14), die als nicht selbsttragende Schicht ausgebildet ist, Kontaktierungsschichten (13, 15) zur elektrischen Kontaktierung der piezoaktiven Wandlerschicht (14) und eine dem Substrat zugewandte Anpassschicht (12) zur akustischen Impedanzanpassung an ein Ankoppelmedium aufweist, wobei die Anpassschicht (12) als tragendes Element für die piezoaktive Wandlerschicht (14) und die Kontaktierungsschichten (13, 15) ausgebildet ist und mit einem Randbereich ihrer Oberfläche auf einem Rand einer Durchgangsöffnung (16) für die Schallabstrahlung in dem Substrat (11) aufliegt.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (11) ein integrierter Schaltkreis (42) aufgebracht ist, der zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers und/oder zur Verarbeitung und/oder Verstärkung von Empfangssignalen des Ultraschallwandlers mit dem Ultraschallwandler verbunden ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassschicht (12) zu einer akustischen Linse (31) geformt ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Substrat (11) zugewandten Oberfläche der Anpassschicht (12) eine weitere Schicht aufgebracht ist, die zu einer akustischen Linse (31) geformt ist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler keine rückseitige Bedämpfungsschicht aufweist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Kontaktierungsschichten (13, 15) zur Definition einer Schall abstrahlenden Apertur strukturiert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers mit einem mikrosystemtechnischen Aufbau nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem folgende Schichten in der angegebenen Reihenfolge auf ein Substrat (11) aufgebracht werden: – eine Anpassschicht (12), – eine erste elektrische Kontaktierungsschicht (13), – eine piezoaktive Wandlerschicht (14) und – eine zweite elektrische Kontaktierungsschicht (15), wobei eine von der Anpasssicht (12) abgewandte Oberfläche des Substrates (11) maskiert und das Substrat (11) zur Bildung einer Durchgangsöffnung (16) für die Schallabstrahlung in nicht maskierten Bereichen entfernt wird, und wobei die Anpassschicht (12) mit einer ausreichenden Dicke aufgebracht wird, um ein tragendes Element für die piezoaktive Wandlerschicht (14) und die Kontaktierungsschichten (13, 15) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle oder einzelne der Schichten (12–15) zusätzlich strukturiert werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Durchgangsöffnung (16) für die Schallabstrahlung eine zusätzliche Schicht auf die Anpassschicht (12) aufgebracht und zu einer akustischen Linse (31) geformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Substrat (11) ein integrierter Schaltkreis (42) aufgebracht oder auf dem Substrat (11) ein integrierter Schaltkreis (42) hergestellt und mit dem Ultraschallwandler elektrisch kontaktiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Kontaktierungsschichten (13, 15) zur Definition einer Schall abstrahlenden Apertur strukturiert wird.