DE102008049788A1 - Ultraschallwandler mit mindestens einem vollaktiven, monolithischen Piezoelement, Verfahren zum selektiven Kontaktieren von Innenelektroden des Ultraschallwandlers durch Abtrag von Elektrodenmaterial und Verwendung des Utraschallwandlers - Google Patents

Ultraschallwandler mit mindestens einem vollaktiven, monolithischen Piezoelement, Verfahren zum selektiven Kontaktieren von Innenelektroden des Ultraschallwandlers durch Abtrag von Elektrodenmaterial und Verwendung des Utraschallwandlers Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit mindestens einem monolithischen, stapelförmigen Piezoelement, das in Stapelrichtung eine Elektrodenschicht, mindestens eine weitere Elektrodenschicht und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht aufweist, wobei sich die Elektrodenschicht bis an einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements erstreckt und eine Außenelektrode derart am Oberflächenabschnitt des Piezoelements angeordnet ist, dass die Außenelektrode am Oberflächenabschnitt selektiv mit der Elektrodenschicht elektrisch leitend verbunden und am Oberflächenabschnitt selektiv von der weiteren Elektrodenschicht elektrisch isoliert ist. Der Ultraschallwandler ist dadurch gekennzeichnet, dass zur selektiven elektrischen Kontaktierung der Außeneleketrode und der Elektrodenschicht miteinander und zur selektiven elektrischen Isolierung der Außenelektrode und der weiteren Elektrodenschicht voneinander am Oberflächenabschnitt eine Ausnehmung des Piezoelements vorhanden ist, die mit elektrischem Isolations-Material befüllt ist. Durch das Isolations-Material in der Ausnehmung sind die weitere Elektrodenschicht und die Außenelektrode elektrisch voneinander isoliert. Zum Herstellen des Ultraschallwandlers wird Elektrodenmaterial einer Innenelektrode eines Keramik-Riegels abgetragen. Die dadurch resultierende Ausnehmung wird mit Isolations-Material befüllt. Der Keramik-Riegel wird in einzelne Piezoelemente zerteilt. ...

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit mindestens einem monolithischen, stapelförmigen Piezoelement, das in Stapelrichtung eine Elektrodenschicht, mindestens eine weitere Elektrodenschicht und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht aufweist, wobei sich die Elektrodenschicht bis an einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements erstreckt und eine Außenelektrode derart am Oberflächenabschnitt des Piezoelements angeordnet ist, dass die Außenelektrode am Oberflächenabschnitt selektiv mit der Elektrodenschicht elektrisch leitend verbunden und am Oberflächenabschnitt selektiv von der weiteren Elektrodenschicht elektrisch isoliert ist. Neben dem Ultraschallwandler mit dem monolithischen Piezoelement werden ein Verfahren zum Herstellen des Ultraschallwandlers sowie eine Verwendung des Ultraschallwandlers angegeben.
  • Ein Ultraschallwandler der genannten Art ist beispielsweise aus R. L. Goldberg et al., IEEE Ultrasonic Symposium, 1993, S. 1103 bis 1106 bekannt. Der Ultraschallwandler ist ein sogenannter 2D-Ultraschallwander. Bei dem bekannten 2D-Ultraschallwandler sind 3 × 43 einzelne Piezoelemente zu einer Piezoelement-Matrix angeordnet. Die Piezoelemente dienen dem Umwandeln von Schallwellen in ein elektrisches Signal. Jedes der Piezoelemente weist eine Vielschicht-Kondensatorstruktur mit einem Stapel aus übereinander angeordneten, elektrisch parallel geschalteten Kondensatorelementen auf. Jedes der Kondensatorelemente verfügt über eine piezoelektrische Schicht. An einander abgekehrten Hauptflächen der piezoelektrischen Schicht sind Elektrodenschichten angeordnet. Im Stapel benachbarte Kondensatorelemente weisen jeweils eine gemeinsame Elektrodenschicht auf. Ein piezoelekt risches Material der piezoelektrischen Schichten ist Bleizirkonattitanat (PZT). Eine Stapelhöhe des Stapels beträgt beispielsweise 660 μm. Eine Grundfläche des Stapels beträgt 370 μm × 3.500 μm.
  • Aus der US 5,329,496 ist ein Ultraschallwandler mit Piezoelementen in monolithischer Vielschichtbauweise bekannt. Zum Herstellen der Piezoelemente werden beispielsweise keramische Grünfolien mit PZT, die in einem Siebdruckverfahren mit einer Silber-Palladium-Paste bedruckt sind, übereinander gestapelt, entbindert und gemeinsam gesintert. Es entsteht ein Stapel, bei dem Elektrodenschichten (Innenelektroden) aus Silber-Palladium und piezoelektrische Schichten aus PZT abwechselnd übereinander zu einem monolithischen Stapel angeordnet sind. Eine Stapelhöhe beträgt dabei 500 μm bis 1000 μm.
  • Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten sind in Stapelrichtung benachbarte Elektrodenschichten abwechselnd an zwei elektrisch voneinander isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte des Stapels geführt, an denen jeweils eine Außenmetallisierung angebracht ist. Jede der Elektrodenschichten eines Kondensatorelements erstreckt sich dabei nicht über die gesamte Hauptfläche der jeweiligen piezoelektrischen Schicht. Die Bereiche mit den beiden Außenmetallisierungen werden als Kontaktzonen des Piezoelements bezeichnet. Im Bereich dieser Kontaktzonen sind die piezoelektrische Schicht und damit das Piezoelement piezoelektrisch inaktiv. Durch die elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten wird in die piezoelektrische Schicht ein elektrisches Feld eingekoppelt, das zur Auslenkung der piezoelektrischen Schicht führt. In einen piezoelektrisch inaktiven Bereich der piezoelektrischen Schicht wird dabei ein elektrisches Feld eingekoppelt, das sich deutlich von dem elektrischen Feld unterscheidet, das in einen piezoelektrisch aktiven Bereich der piezoelektrischen Schicht eingekoppelt wird. Der piezoelektrisch aktive Bereich der piezoelektrischen Schicht befindet sich direkt zwischen den benachbarten Elektrodenschichten. Bei der elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten, also beim Polarisieren und/oder im Betrieb des Piezoelements, kommt es aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Felder zu unterschiedlichen Auslenkungen der piezoelektrischen Schicht im piezoelektrisch aktiven Bereich und im piezoelektrisch inaktiven Bereich.
  • Die bekannten Ultraschallwandler werden in der medizinischen Diagnostik eingesetzt. Dabei fungiert der Ultraschallwandler als Antenne, die kurze Schallimpulse aussendet beziehungsweise empfängt. Eine Dicke (Stapelhöhe) der Piezoelemente bestimmt eine Arbeitsfrequenz der Antenne. Im Fall der Piezoelemente in monolithischer Vielschichtbauweise beträgt die Arbeitsfrequenz zwischen 1 MHz und 10 MHz. Eine laterale Abmessung der Piezoelemente (Länge und eine Breite) stellen ein Maß für eine laterale Auflösung der Antenne dar. Je kleiner eine Stapellänge und je kleiner eine Stapelbreite der Piezoelemente sind, desto mehr Piezoelemente können pro Flächeneinheit in einem entsprechenden Sensor-Kopf platziert werden und desto höher ist daher die Auflösung. Eine hohe Auflösung ist für eine Erstellung von dreidimensionalen Abbildungen notwendig.
  • Eine kleine Dimensionierung der Piezoelemente bei gleichzeitig hoher Effizienz ist mit einem Ultraschallwandler mit vollaktiven Piezoelementen möglich. Aus der WO 2005/075113 A1 ist ein derartiger Ultraschallwandler bekannt. Eine laterale Stapel-Abmessung der Piezoelemente beträgt beispielsweise 250 μm. Die Stapelhöhe beläuft sich beispielsweise auf 500 μm. Im Piezoelement-Stapel bedecken die Elektrodenschichten die benachbarte Piezokeramikschicht vollflächig. Dadurch resultiert ein hohes piezoelektrisch aktives Volumen des Piezoelements.
  • Problematisch bei diesem Ultraschallwandler ist allerdings die Notwendigkeit, die Elektrodenschichten einzeln zu kontaktieren. Dies gelingt hier durch elektrophoretische Abscheidung von Isolationsmaterial an einem Oberflächenabschnitt des Piezoelements, an dem die Elektrodenschicht, die bei der Abscheidung angesteuert wird, elektrisch isoliert werden soll. Dieses Verfahren ist Zeit aufwändig.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie eine einfache Einzelkontaktierung der Elektrodenschichten eines Piezoelements eines Ultraschallwandlers realisiert werden kann.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Ultraschallwandler mit mindestens einem monolithischen, stapelförmigen Piezoelement angegeben, das in Stapelrichtung eine Elektrodenschicht, mindestens eine weitere Elektrodenschicht und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht aufweist, wobei sich die Elektrodenschicht bis an einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements erstreckt, eine Außenelektrode derart am Oberflächenabschnitt des Piezoelements angeordnet ist, dass die Außenelektrode am Oberflächenabschnitt selektiv mit der Elektrodenschicht elektrisch leitend verbunden und am Oberflächenabschnitt selektiv von der weiteren Elektrodenschicht elektrisch isoliert ist. Der Ultraschallwandler ist dadurch gekennzeichnet, dass zur selektiven elektrischen Kontaktierung der Außenelektrode und der Elektrodenschicht miteinander und zur selektiven elektrischen Isolierung der Außenelektrode und der weiteren Elektrodenschicht voneinander am Oberflächenabschnitt eine Ausnehmung des Piezoelements vorhanden ist, die mit elektrischem Isolations-Material befüllt ist. Durch das Isolations-Material in der Ausnehmung sind die weitere Elektrodenschicht und die Außenelektrode elektrisch voneinander isoliert. Insbesondere weist die Ausnehmung eine Ausnehmungstiefe von unter 20 μm auf. Vorzugsweise ist die Ausnehmungstiefe aus dem Bereich von 5 μm bis 10 μm ausgewählt. Die Ausnehmung erstreckt sich direkt vom Oberflächenabschnitt bis hin zur Elektrodenschicht. Durch die Ausnehmung resultiert ein minimaler piezoelektrisch inaktiver Bereich. Es wird ein nahezu maximal mögliches piezoelektrisch aktives Volumen des Piezoelements erreicht.
  • Vorzugsweise ist auch die weitere Elektrodenschicht entsprechend elektrisch kontaktiert bzw. isoliert. Gemäß einer be sonderen Ausgestaltung erstreckt sich die weitere Elektrodenschicht bis an einen weiteren seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements. Eine von der Außenelektrode elektrisch isolierte weitere Außenelektrode ist derart am weiteren Oberflächenabschnitt des Piezoelements angeordnet, dass die weitere Außenelektrode am weiteren Oberflächenabschnitt selektiv mit der weiteren Elektrodenschicht elektrisch leitend verbunden und am weiteren Oberflächenabschnitt selektiv von der Elektrodenschicht elektrisch isoliert ist. Zur selektiven elektrischen Kontaktierung der weiteren Außenelektrode und elektrischen Isolierung der weiteren Außenelektrode und der Elektrodenschicht voneinander ist am weiteren Oberflächenabschnitt eine weitere Ausnehmung des Piezoelements vorhanden ist, die mit weiterem elektrischen Isolations-Material befällt ist. Durch die weitere Ausnehmung mit dem weiteren Isolations-Material sind die Elektrodenschicht und die weitere Außenelektrode elektrisch voneinander isoliert. Auch eine weiteren Ausnehmungstiefe der weiteren Ausnehmung ist beträgt unter 20 μm und ist insbesondere aus dem Bereich von 5 μm bis 10 μm ausgewählt.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen des Ultraschallwandlers mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen eines keramischen Grün-Riegels mit abwechselnd übereinander angeordneten piezokeramischen Grünfolien und dazwischen angeordneten Metall-Schichten, b) Temperaturbehandeln des Grün-Riegels, wobei ein Keramik-Riegel mit einer sich bis an einen Riegel-Oberflächenabschnitt erstreckenden Riegel-Elektrodenschicht, mindestens einer weiteren sich bis an einen weiteren Riegel-Oberflächenabschnitt erstreckenden weiteren Riegel-Elektrodenschicht und einer zwischen den Riegel-Elektrodenschichten angeordneten Riegel-Piezokeramikschicht entsteht, c) Kontaktierender Riegel-Elektrodenschicht durch Aufbringen einer Riegel-Metallisierung am Riegel-Oberflächenabschnitt des Keramik-Riegels, und d) Zerteilen des Keramik-Riegels in eine Mehrzahl von Piezoelementen. Der Keramik-Riegel und der Keramik-Riegel sind quaderförmig. Sie liegen als Quader vor.
  • In gleicher Weise wird bezüglich der Kontaktierung der weiteren Riegel-Elektrodenschicht vorgegangen. Vor dem Zerteilen des Keramik-Riegels wird folgender weitere Verfahrensschritt durchgeführt: e) Weiteres Kontaktieren der weiteren Riegel-Elektrodenschicht durch weiteres Aufbringen einer weiteren Riegel-Metallisierung am weiteren Riegel-Oberflächenabschnitt des Keramik-Riegels.
  • Das Aufbringen der Metallisierungen erfolgt beispielsweise durch Sputtern. Die resultierenden Metallisierungsbahnen weisen beispielsweise eine Bahn-Stärke von 2 μm bis 5 μm auf. Ein Sprühverfahren, bei dem beispielsweise ein bei niedriger Temperatur sinterndes Metall aufgebracht wird, ist ebenfalls denkbar. Ein derartiges Metall ist beispielsweise Silber mit Nano-Partikeln. Dabei werden beispielsweise Bahnstärken der Metallisierungsbahnen von 5 μm bis 10 μm erhalten.
  • Die resultierenden Keramik-Riegel können in einzelne Piezoelemente zerteilt werden. Diese einzelnen Piezoelemente werden anschließend auf einem Träger platziert und befestigt, beispielsweise durch Verkleben. Aufgrund der geringen Abmessungen der Piezoelemente (unter 1 mm) ist es aber vorteilhaft, zunächst die Keramik-Riegel auf einem Träger, beispielsweise auf einem Träger eines Ultraschall-Sensorkopfs, zu platzieren und erst danach zu zerteilen. Der Keramik-Riegel kann im Vergleich zu den vereinzelten Piezoelementen wesentlich einfacher ausgerichtet werden. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird daher nach dem Kontaktieren und dem weiteren Kontaktieren und vor dem Zerteilen ein Aufbringen des Keramik-Riegels auf einen Träger durchgeführt. Auch hier bietet sich insbesondere ein Befestigen durch Kleben an.
  • Zum Zerteilen des Keramik-Riegels wird vorzugsweise gesägt. Durch den Sägeverschnitt entstehen Gräben. Die Graben-Breite der Gräben lässt sich durch Variation des Sägespalts einstellen. Damit ist es möglich, eine gewünschte örtliche Auflösung des Ultraschallwandlers zu erzielen.
  • Im Hinblick auf die Kontaktierung werden gemäß einer besonderen Ausgestaltung vor dem Aufbringen der Riegel-Metallisierung ein Erzeugen einer Riegel-Ausnehmung am Riegel-Oberflächenabschnitt durchgeführt, die mit elektrischem Isolations-Material befüllt wird, und/oder vor dem weiteren Aufbringen der weiteren Riegel-Metallisierung ein weiteres Erzeugen einer weiteren Riegelausnehmung am weiteren Riegel-Oberflächenabschnitt durchgeführt, die mit weiterem elektrischen Isolations-Material befüllt wird. Das elektrische Isolations-Material und/oder das weitere elektrische Isolations-Material sind ein Kunststoff oder eine Keramik.
  • Vorzugsweise werden zum Erzeugen der Riegel-Ausnehmung Elektroden-Material der Riegel-Elektrodenschicht und/oder zum Erzeugen der weiteren Riegel-Ausnehmung weiteres Elektroden-Material der weiteren Riegel-Elektrodenschicht abgetragen. Es wird selektiv Elektrodenmaterial abgetragen. Dadurch entstehen sehr kleine piezoelektrisch inaktive Bereiche. Das Erzeugen der Riegel-Ausnehmung und/oder das Erzeugen der weiteren Riegel-Ausnehmung werden im Zustand des keramischen Grün-Riegels und/oder im Zustand des Keramik-Riegels durch Material-Abtrag durchgeführt. Der Material-Abtrag im Grünzustand eignet sich besonders, da der Grün-Riegel um etwa 20% größer ist. Außerdem sind im Grünzustand die Elektrodenschichten optisch leichter zu erkennen, deren Elektroden-Material abgetragen werden soll. Zum Material-Abtrag wird insbesondere mindestens ein aus der Gruppe Drahtsägen, Mikrofräsen, Mikroräumen, Ultraschall-Erodieren, Wasserstrahlen, Sandstrahlen und CO2-Strahlen ausgewähltes Verfahren durchgeführt. Diese Verfahren eignen sich zum Erzeugen kleiner Ausnehmungen.
  • Die beschriebene Einzelkontaktierung eignet sich insbesondere für vollaktive Piezoelemente. In einer besonderen Ausgestaltung begrenzen die Elektrodenschicht und die weitere Elektrodenschicht die Piezokeramikschicht im Wesentlichen vollflächig. Dies führt zu einem maximal möglichen piezoelektrisch aktiven Volumen der Piezokeramikschicht. Außerdem ist damit ein verbessertes Frequenzverhalten verbunden.
  • Insbesondere weist das Piezoelement eine aus dem Bereich von 100 μm bis 500 μm ausgewählte laterale Stapel-Abmessung auf. Die laterale Abmessung ist eine Länge oder Breite des Piezoelements.
  • Das Piezoelement weist vorzugsweise eine Mehrzahl Elektrodenschichten, eine Mehrzahl von weiteren Elektrodenschichten und eine Mehrzahl von Piezokeramikschichten auf. Das Piezoelement liegt in Mehrschichtbauweise vor. Die einzelnen Piezoelemente weisen dabei insbesondere eine aus dem Bereich von 200 μm bis 1000 μm und vorzugsweise aus dem Bereich von 500 μm bis 1000 μm ausgewählte Stapel-Höhe auf. Vorteilhaft ist es beispielsweise, wenn das Piezoelement in Mehrschichtbauweise eine ungerade Anzahl an Innenelektroden (Elektrodenschichten und weitere Elektrodenschichten) hat. Die Anzahl der Innenelektroden beträgt beispielsweise fünf oder sieben. In diesem Fall werden die oberste und die unterste Elektrodenschicht (äußerste Elektrodenschichten) mit dem gleichen elektrischen Potential angesteuert. Somit werden aufwändige Isolierungen zwischen einer obersten Lage als Anpassungs-Schicht zur Ultraschall-Aussendung und dem Träger (Basisplatte) vermieden, auf dem die Piezoelemente aufgeklebt sind.
  • Im Hinblick auf eine gute Auflösung, die mit dem Ultraschallwandler erzielt werden soll, sind folgende Merkmale besonders vorteilhaft: Eine Vielzahl von Piezoelementen ist auf einem Träger nebeneinander und durch Gräben voneinander beabstandet angeordnet. Zwischen den Piezoelementen verlaufen Gräben. Die Gräben weisen insbesondere eine aus dem Bereich von 20 μm bis 60 μm ausgewählte Graben-Breite auf. Beispielsweise beträgt die Grabenbreite 40 μm. Vorteilhaft weisen die Gräben elektrisches Isolationsmaterial auf. Dadurch wird eine elektrische Isolierung benachbarter Piezoelemente verbessert.
  • Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist Vielzahl der Piezoelemente als zweidimensionale Matrix auf dem Träger angeordnet. Mit dem beschriebenen Herstellverfahren ist eine derartige Matrix besonders einfach herzustellen.
  • Der Ultraschallwandler wird insbesondere zur Aufnahme eines Ultraschallbildes eingesetzt. Vorzugsweise wird Ultraschallwandler in der medizinischen Diagnostik oder in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (Ultraschallprüfung) verwendet.
  • Zusammenfassend sind folgende Vorteile der Erfindung hervorzuheben:
    • – Durch die Erfindung sind vollaktive bzw. nahezu vollaktive Piezoelemente für einen Ultraschallwandler zugänglich. Zur Kontaktierung werden lediglich sehr kleine piezoelektrisch inaktive Bereiche eingeführt. Vollaktive Piezoelemente zeigen ein im Vergleich zu einem Piezoelement mit piezoelektrisch aktiven und piezoelektrisch inaktiven Bereichen verbessertes Frequenzverhalten.
    • – Aufgrund der vollflächig auf eine Piezokeramikschicht aufgebrachten Elektrodenschichten resultiert eine hohe Schichthomogenität.
    • – Durch die elektrische Kontaktierung auf der Stufe eines Keramik-Riegels ist eine Nutzen-Verarbeitung möglich. Die Kontaktierung ist nicht nur kostengünstig. Die Kontaktierung erfolg insbesondere mit hoher Genauigkeit.
  • Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
  • 1A zeigt ein Piezoelement des Ultraschallwandlers in einem seitlichen Querschnitt.
  • 1B zeigt einen Ausschnitt des Piezoelements in einem seitlichen Querschnitt.
  • 2 zeigt einen Ausschnitt eines Piezoelement-Arrays eines Ultraschallwandlers in Aufsicht.
  • 3 zeigt ein Verfahren zum Herstellen des Piezoelements.
  • Der Ultraschallwandler 1 ist eine 2D-Ultraschallantenne. Diese 2D-Ultraschallantenne besteht aus 64 × 64 einzelnen Piezoelementen 2. Die Piezoelemente sind zu einer 64 × 64 Elemente enthaltenden Piezoelement-Matrix 110 zusammengefasst (2). Die Vielzahl der Piezoelemente ist auf einem gemeinsamen Träger 2 angeordnet. Der Träger dient unter anderem der elektrischen Ansteuerung der Piezoelemente.
  • Jedes der Piezoelemente ist ein monolithisches Piezoelement in Vielschichtbauweise, das in Stapelrichtung 11 mindestens eine Elektrodenschicht 12, mindestens eine weitere Elektrodenschicht 13 und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht in Form einer Piezokeramikschicht 14 aufweist. In einer ersten Ausführungsform sind fünf Piezokeramikschichten und sechs Elektrodenschichten bzw. weitere Elektrodenschichten übereinander gestapelt (vgl. 3). In einer weiteren Ausführungsform sind vier Piezokeramikschichten und fünf Innenelektrodenschichten übereinander gestapelt (vgl. 1A). Den Abschluss des Stapels bilden zwei piezoelektrisch inaktive Deckschichten 21 aus einer Keramik.
  • Die Piezokeramikschichten sind aus einem Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Die Elektrodenschichten sind aus einer Silber-Palladium-Legierung. Eine Grundfläche der Piezokeramikschichten und eine Grundfläche der Elektrodenschichten sind quadratisch und im Wesentlichen gleich. Dies bedeutet, die Elektrodenschicht und die weitere Elektrodenschicht die dazwischen angeordnete Piezokeramikschicht vollflächig begrenzen. Die Piezoelemente sind vollaktiv.
  • Eine Kantenlänge der Grundfläche jedes der Piezoelemente und damit deren laterale Abmessung 101 beträgt etwa 100 μm. Die Grundfläche des Piezoelements beträgt 100 μm × 100 μm. Die Stapelhöhe 102 entlang der Stapelrichtung 11 der Piezoelemente beträgt etwa 500 μm.
  • Die Elektrodenschicht 12 eines Piezoelements erstreckt sich bis an den seitlichen Oberflächenabschnitt 15 des Piezoelements. Die weitere Elektrodenschicht 13 ist ebenfalls bis an diesen Oberflächenabschnitt geführt. An diesem Oberflächenabschnitt ist die Elektrodenschicht mit der aufgebrachten Außenelektrode 17 elektrisch kontaktiert. Die Außenelektrode wird von einer am Oberflächenabschnitt aufgebrachten Metallisierungsbahn gebildet.
  • Die Außenelektrode ist an dem Oberflächenabschnitt von der weiteren Elektrodenschicht 13 elektrisch isoliert. Dazu ist im Piezoelement eine Ausnehmung 19 vorhanden, die mit elektrischem Isolations-Material 191 befüllt ist. Die Ausnehmungstiefe 192 beträgt etwa 5 μm.
  • Die weitere Elektrodenschicht 13 eines Piezoelements erstreckt sich bis an den weiteren seitlichen Oberflächenabschnitt 16 des Piezoelements. Die Elektrodenschicht 12 ist ebenfalls bis an diesen weiteren Oberflächenabschnitt geführt. An diesem weiteren Oberflächenabschnitt ist die weitere Elektrodenschicht mit der aufgebrachten weiteren Außenelektrode 18 elektrisch kontaktiert. Die weitere Außenelektrode wird von einer am weiteren Oberflächenabschnitt aufgebrachten weiteren Metallisierungsbahn gebildet.
  • Das Herstellverfahren ist in 3 angedeutet. Der rechte Teil der 3 stellt einen jeweiligen Schnitt entlang der Verbindungslinie A-A dar. Zum Herstellen des Ultraschallwandlers wird wie folgt vorgegangen: Ein keramischer Grünblock mit übereinander gestapelten und laminierten Grünfolien und dazwischen angeordneten Metallschichten wird in Grünriegel zersägt. Diese Grünriegel werden entbindert und gesintert. Es entstehen entsprechende Keramik-Regel 22. Diese Keramik-Riegel weisen jeweils mindestens eine sich bis an einen seitlichen Riegel-Oberflächenabschnitt 26 erstreckende Riegel-Elektrodenschicht 23, mindestens eine sich bis an den seitlichen Riegel-Oberflächenabschnitt erstreckende weitere Riegel-Elektrodenschicht 24 und eine zwischen den Riegel-Elektrodenschichten angeordnete Riegel-Piezokeramikschicht 25 auf.
  • Die Riegel-Elektrodenschichten werden elektrisch kontaktiert. Dazu wird der Keramik-Riegel zunächst optisch vermessen. Dadurch werden diejenigen Stellen der Oberflächenabschnitte des Keramik-Riegels erfasst, an denen die Ausnehmungen erzeugt werden sollen.
  • Zum Erzeugen der Ausnehmungen wird am Riegel-Oberflächenabschnitt weiteres Elektroden-Material der weiteren Riegel-Elektrodenschicht abgetragen. Zum Material-Abtrag wird gemäß einer ersten Ausführungsform ein Mikrofräsen durchgeführt. In einer dazu alternativen Ausführungsform erfolgt der Material-Abtrag durch Ultraschall-Erodieren.
  • Durch den Material-Abtrag entstehen die Riegel-Ausnehmungen 27. Die Riegel-Ausnehmungen 27 werden mit dem Isolations-Material 191 befüllt. In entsprechender Weise wird am weiteren seitlichen Riegel-Oberflächenabschnitt 30 verfahren: Es werden weitere Riegel-Ausnehmungen 28 durch Abtragen von Elektroden-Material der Riegel-Elektrodenschicht 23 erzeugt. Diese weiteren Riegel-Ausnehmungen werden mit dem weiteren Isolations-Material 201 befüllt.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform sind das Isolations-Material und das weitere Isolations-Material jeweils ein Kunststoff. In einer alternativen Ausführungsform wird eine Keramik zur elektrischen Isolation verwendet.
  • Nach dem Erzeugen und Befüllen der Riegel-Ausnehmungen wird elektrisch leitendes Material an den Riegel-Oberflächenabschnitten abgeschieden. Dadurch entsteht eine zunächst zusammenhängende Metallisierungsbahn. Diese Metallisierungsbahn wird derart getrennt, so dass eine Metallisierungsbahn 29 mit der Kontaktierung zu den Riegel-Elektrodenschichten und eine weitere Metallisierungsbahn 31 mit der Kontaktierung zu den weiteren Riegel-Elektrodenschichten entsteht. Durch das Isolations-Material in den Riegel-Ausnehmungen sind die Metallisierungsbahn und die weiteren Riegel-Elektrodenschichten elektrisch voneinander isoliert. Durch das weitere Isolations-Material in den weiteren Riegel-Ausnehmungen sind die Riegel-Elektrodenschichten und die weitere Metallisierungsbahn elektrisch voneinander isoliert.
  • Das Abscheiden des elektrisch leitenden Materials erfolgt aus der Gasphase mittels Sputtern. Alternativ dazu erfolgt das Sprühverfahren durchgeführt, bei dem Nanopartikel aus Silber aufgetragen werden.
  • Die resultierenden Keramik-Riegel werden im einem Abstand von ca. 40 μm parallel zu einander auf dem Träger 2 aufgeklebt. Nachfolgend werden die Keramik-Riegel quer zu deren paralleler Ausrichtung zersägt. In 3 ist dieses Zerteilen mit den Bezugszeichen 32 angedeutet. Das Zersägen erfolgt derart, dass Säge-Spalte mit einer Spaltbreite von ca. 40 μm entstehen. Es resultieren einzelne Piezoelemente, die auf dem gemeinsamen Träger nebeneinander angeordnet und durch Gräben mit einer Graben-Breite von ca. 40 μm voneinander getrennt sind. In einer ersten Ausführungsform sind die Gräben mit einem Kunststoff befüllt. In einer weiteren Ausführungsform sind die Gräben mit einer Keramik befüllt.
  • Mit dem beschriebenen Ultraschallwandler kann eine aktive Bauteilfläche (Fläche des Piezoelement-Arrays auf dem Träger) auf über 72% abgeschätzt werden (mit 2 × Isolationsschichten mit jeweils etwa 15 μm, 2 × Metallisierungsbahnen mit jeweils etwa 5 μm Bahndicke und einer Graben-Breite von 40 μm).
  • Das Ergebnis ist ein Ultraschallwandler mit dem Piezoelement-Array. Verwendung findet das Piezoelement-Array in der Medizintechnik. Es kommt in einem Sensorkopf eines Ultraschallwandler-Geräts zum Einsatz.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 5329496 [0003]
    • - WO 2005/075113 A1 [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - R. L. Goldberg et al., IEEE Ultrasonic Symposium, 1993, S. 1103 bis 1106 [0002]

Claims (17)

  1. Ultraschallwandler (1) mit – mindestens einem monolithischen, stapelförmigen Piezoelement (10), das in Stapelrichtung (11) eine Elektrodenschicht (12), mindestens eine weitere Elektrodenschicht (13) und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht (14) aufweist, wobei – sich die Elektrodenschicht bis an einen seitlichen Oberflächenabschnitt (15) des Piezoelements erstreckt, – eine Außenelektrode (17) derart am Oberflächenabschnitt des Piezoelements angeordnet ist, dass die Außenelektrode am Oberflächenabschnitt selektiv mit der Elektrodenschicht elektrisch leitend verbunden und am Oberflächenabschnitt selektiv von der weiteren Elektrodenschicht elektrisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, dass – zur selektiven elektrischen Kontaktierung der Außenelektrode und der Elektrodenschicht miteinander und zur selektiven elektrischen Isolierung der Außenelektrode und der weiteren Elektrodenschicht voneinander am Oberflächenabschnitt eine Ausnehmung (19) des Piezoelements vorhanden ist, die mit elektrischem Isolations-Material (191) befüllt ist.
  2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei – sich die weitere Elektrodenschicht bis an einen weiteren seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements erstreckt, – eine von der Außenelektrode elektrisch isolierte weitere Außenelektrode derart am weiteren Oberflächenabschnitt des Piezoelements derart angeordnet ist, dass die weitere Außenelektrode am weiteren Oberflächenabschnitt selektiv mit der weiteren Elektrodenschicht elektrisch leitend verbunden und am weiteren Oberflächenabschnitt selektiv von der Elektrodenschicht elektrisch isoliert ist, – zur selektiven elektrischen Kontaktierung der weiteren Außenelektrode und der weiteren Elektrodenschicht miteinander und zur selektiven elektrischen Isolierung der weiteren Außenelektrode und der Elektrodenschicht voneinander am weite ren Oberflächenabschnitt eine weitere Ausnehmung (20) des Piezoelements vorhanden ist, die mit weiterem elektrischen Isolations-Material (201) befüllt ist.
  3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektrodenschicht und/oder die weitere Elektrodenschicht die Piezokeramikschicht im Wesentlichen vollflächig begrenzen.
  4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Piezoelement eine aus dem Bereich von 100 μm bis 500 μm ausgewählte laterale Stapel-Abmessung aufweist.
  5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Piezoelement eine Mehrzahl Elektrodenschichten, eine Mehrzahl von weiteren Elektrodenschichten und eine Mehrzahl von Piezokeramikschichten aufweist.
  6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Piezoelement eine aus dem Bereich von 200 μm bis 1000 μm und insbesondere eine aus dem Bereich von 500 μm bis 1000 μm ausgewählte Stapel-Höhe aufweist.
  7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Vielzahl von Piezoelementen auf einem Träger (2) nebeneinander und durch Gräben voneinander beabstandet angeordnet sind.
  8. Ultraschallwandler nach Anspruch 7, wobei die Vielzahl als zweidimensionale Matrix auf dem Träger angeordnet ist.
  9. Ultraschallwandler nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Gräben eine aus dem Bereich von 20 μm bis 60 μm ausgewählte Graben-Breite aufweisen.
  10. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Gräben ein Isolationsmaterial aufweisen.
  11. Verfahren zum Herstellen eines Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines keramischen Grün-Riegels mit abwechselnd übereinander angeordneten piezokeramischen Grünfolien und dazwischen angeordneten Metall-Schichten, b) Temperaturbehandeln des Grün-Riegels, wobei ein Keramik-Riegel mit einer sich bis an einen Riegel-Oberflächenabschnitt erstreckenden Riegel-Elektrodenschicht, mindestens einer weiteren sich bis an einen weiteren Riegel-Oberflächenabschnitt erstreckenden weiteren Riegel-Elektrodenschicht und einer zwischen den Riegel-Elektrodenschichten angeordneten Riegel-Piezokeramikschicht entsteht, c) Kontaktieren der Riegel-Elektrodenschicht durch Aufbringen einer Riegel-Metallisierung am Riegel-Oberflächenabschnitt des Keramik-Riegels, d) Zerteilen des Keramik-Riegels in eine Mehrzahl von Piezoelementen.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei vor dem Zerteilen des Keramik-Riegels folgender weitere Verfahrensschritt durchgeführt wird: e) Weiteres Kontaktieren der weiteren Riegel-Elektrodenschicht durch weiteres Aufbringen einer weiteren Riegel-Metallisierung am weiteren Riegel-Oberflächenabschnitt des Keramik-Riegels.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei nach dem Kontaktieren und dem weiteren Kontaktieren und vor dem Zerteilen ein Aufbringen des Keramik-Riegels auf einen Träger durchgeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, vor dem Aufbringen der Riegel-Metallisierung ein Erzeugen einer Riegel-Ausnehmung (27) am Riegel-Oberflächenabschnitt durchgeführt wird, die mit elektrischem Isolations-Material befüllt wird, und/oder vor dem weiteren Aufbringen der weiteren Rie gel-Metallisierung ein weiteres Erzeugen einer weiteren Riegelausnehmung am weiteren Riegel-Oberflächenabschnitt durchgeführt wird, die mit weiterem elektrischen Isolations-Material befüllt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei zum Erzeugen der Riegel-Ausnehmung Elektroden-Material der Riegel-Elektrodenschicht und/oder zum Erzeugen der weiteren Riegel-Ausnehmung weiteres Elektroden-Material der weiteren Riegel-Elektrodenschicht abgetragen werden.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Erzeugen der Riegel-Ausnehmung und/oder das Erzeugen der weiteren Riegel-Ausnehmung im Zustand des keramischen Grün-Riegels und/oder im Zustand des Keramik-Riegels durch Material-Abtrag durchgeführt werden.
  17. Verwendung des Ultraschallwandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Aufnahme eines Ultraschallbildes.
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