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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie eine einfache
Einzelkontaktierung der Elektrodenschichten eines Piezoelements
eines Ultraschallwandlers realisiert werden kann.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Ultraschallwandler wird insbesondere zur Aufnahme eines Ultraschallbildes
eingesetzt. Vorzugsweise wird Ultraschallwandler in der medizinischen
Diagnostik oder in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung
(Ultraschallprüfung) verwendet.
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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.
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Anhand
eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen
Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Die
Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen
Abbildungen dar.
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1A zeigt
ein Piezoelement des Ultraschallwandlers in einem seitlichen Querschnitt.
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1B zeigt
einen Ausschnitt des Piezoelements in einem seitlichen Querschnitt.
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2 zeigt
einen Ausschnitt eines Piezoelement-Arrays eines Ultraschallwandlers
in Aufsicht.
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3 zeigt
ein Verfahren zum Herstellen des Piezoelements.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5329496 [0003]
- - WO 2005/075113 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - R. L. Goldberg
et al., IEEE Ultrasonic Symposium, 1993, S. 1103 bis 1106 [0002]