-
Die vorliegende Erfindung betrifft den Einsatz von Kohlenstoffnanoröhrchen als Schalldruck-Wandler und dessen Einsatz als Schnellemikrofon, insbesondere in Verfahren der zerstörungsfreien Materialprüfung.
-
Gerichteter Ultraschall bietet über die Analyse der bei Wechselwirkung mit einem Prüfling erhaltenen Messsignale die prinzipielle Möglichkeit, Materialarten zu unterscheiden, Positionen, Abstände, Dicken, Fließrichtungen und Fließgeschwindigkeiten zu bestimmen, bzw. Risse, Risstiefen, Delaminationen oder andere Störungen nachzuweisen und darzustellen. Das begründet den Einsatz von Ultraschall u. a. in der zerstörungsfreien Materialprüfung. Im Hinblick auf die effektive Analyse der von Materialien, Bauteilen oder Konstruktionselementen nach Auftreffen eines Ultraschallimpulses oder Ultraschall-Frequenz-Sweeps reflektierten Ultraschallsignale, kommt der Empfindlichkeit dabei eingesetzter Mikrofone eine besondere Bedeutung zu.
-
Vor diesem Hintergrund wird ein Schnellemikrofon gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß Anspruch 6, die Verwendung eines Mikrofons für den koppelmittelfreien Empfang von Ultraschallsignalen gemäß Anspruch 7 sowie ein Verfahren der zerstörungsfreien Materialprüfung gemäß Anspruch 8 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten, Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.
-
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung sollen unter Ultraschall allgemein Schall und Schallsignale mit Frequenzen oberhalb des Hörbereichs des Menschen, hier oberhalb von 50 KHz verstanden werden. Der Hörbereich des Menschen wird typischerweise mit etwa 20 Hz bis 20 kHz angesetzt.
-
Unter Graphen-Strukturen werden Modifikationen des Kohlenstoffs verstanden, die eine hexagonale Struktur kovalent miteinander verknüpfter Kohlenstoffatome zu flächigen Kristallen aufweisen. Wird die Graphen-Struktur von nur einer Atomlage hexagonal miteinander über sp2-Bindungen verknüpfter Kohlenstoffatome gebildet, so spricht man bei planarer Anordnung von einer einfachen Graphenschicht. Die mehrlagige Anordnung derartiger Schichten übereinander führt zu der vom Graphit her bekannten räumlichen Grundstruktur. Zu einer Zylinderform „aufgerollte” oder „aufgewickelte”, in sich „geschlossene” Graphen-Strukturen, die als gerade, gekrümmte oder spiralig geformte Tubuli vorliegen können, werden als Kohlenstoffnanoröhren bezeichnet. Ist die Wandung der Röhre von nur einer Graphenschicht gebildet, so werden diese als einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (single wall CNT, SWCNT) bezeichnet. Tubuli mit einer mehrlagigen Wandung werden als Multiwall-Kohlenstoffnanoröhren (Multiwall CNT, MWCNT) bezeichnet. Dabei bleibt die jeweilige Orientierung der Längsachse der Graphen-Struktur bezüglich der hexagonalen Kristallstruktur der Graphenschicht, bzw. die Chiralität und der Winkel der „Wicklung” unberücksichtigt. Eine weitere Graphen-Struktur stellen sogenannte Cup Stacked Carbon Nanotubes (CSCNT) dar. CWCNT können als Übergangsform zwischen SWCNT und MWCNT aufgefasst werden. Es handelt sich dabei um Röhren, die aus ineinander „gestapelten” konusförmigen (oder „torusartigen”) CNT bestehen. Eine Graphen-Struktur nach Art einer aus SWCNT und/oder MWCNT bestehenden „Filz”-Schicht wird als Buckypaper bezeichnet. Buckypaper können herstellungsabhängig zusätzlich Hilfsstoffe aufweisen. Einwandige kugelige Gebilde, die neben der hexagonalen auch pentagonale Kohlenstoff-Verknüpfungen aufweisen können und damit ebenso auf einer netzartigen Grundstruktur miteinander kovalent verbundener Kohlenstoffatome beruhen, werden als Fullerene bezeichnet. Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen können die verwendeten Graphen-Strukturen als einlagige oder mehrlagige Schichten vorliegen. Gemäß einer oder mehrerer weiterer Ausführungsformen können die verwendeten Graphen-Strukturen einwandige und/oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren und/oder Fullerene aufweisen.
-
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen kann eine zur Herstellung eines Schnellemikrofons verwendete Graphen-Struktur ausgewählt werden aus der Gruppe:
- – einfache Graphenschicht,
- – mehrlagige Graphenschicht,
- – einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (SWCNT),
- – mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (MWCNT),
- – ”cup stacked carbon nano tubes” (CWCNT),
- – Graphenbändchen,
- – Buckypaper,
- – Fullerene und/oder Aneinanderreihungen und/oder kovalent miteinander verknüpfte Fullerene.
-
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen können die benannten Graphen-Strukturen allein oder als von ihnen gebildete Überstrukturen oder in Form ihrer Gemische verwendet werden. Dabei kann es sich beispielsweise um faserförmige, fädige, fibrilläre, drahtähnliche, stäbchenförmige, nadelartig kristalline, bändchenförmige, streifenförmige oder kabelartige Formen, oder um Fasern, Fäden, Garne, Fibrillen, Stäbe, Nadeln, Bänder, Streifen, Drähte oder Kabel handeln.
-
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen kann auch eine ungeordnete Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren, beispielsweise in Form einer papierartigen Schicht, die hier als Buckypaper bezeichnet wird, für ein Schnelle-Mikrofon für den Hör- und Ultraschallbereich verwendet werden.
-
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen werden verschiedene, auf einer planaren kristallinen Grundstruktur beruhende und elektrisch leitfähige Kohlenstoff-Strukturen in einem Schnelle-Mikrofon für den Hör- und Ultraschallbereich eingesetzt. Dabei können die Graphen-Strukturen beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe planarer einlagiger Graphenschichten, mehrlagiger Graphenschichten, einwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNT), mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT), „cup stacked” Kohlenstoff-Nanoröhren (CSCNT) und/oder Buckypaper. Ebenso können andere kohlenstoffhaltige, die genannten Strukturen aufweisende Materialien verwendet werden.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten, Aspekte und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.
-
Unter Kohlenstoff-Nanoröhrchen (carbon nano tubes = CNTs) werden aus ein- und mehrlagigen Graphenschichten bestehende Röhrchen oder Tubuli verstanden. Beispielsweise können ein- und mehrwandige CNTs mit Dicken zwischen 0,4 nm und etwa 100 Nanometer für die beschriebenen Schnelle-Mikrofone eingesetzt werden. Die Länge einzelner Kohlenstoffnanoröhren oder Röhrenbündel kann dabei einige mm und mehr als 1 cm betragen. Röhrenbündel können entsprechend höhere Durchmesser aufweisen und auch aus unterschiedlichen Graphen-Strukturen bestehen. Ebenso sind verzweigte Kohlenstoff-Nanoröhrchen bekannt und können, beispielsweise zu Fäden gezogen oder miteinander zu Fäden versponnen, für die hier beschriebenen Anwendungen verwendet werden. Werden Streifen oder Bändchen einer einfachen oder einer mehrlagigen Graphenschicht eingesetzt, so kann ihre Breite mindestens 40 nm, beispielsweise 100 nm bis 5 µm, insbesondere mehr als 60 nm und weniger als 10 µm betragen.
-
Für den Aufbau eines Schnellemikrofons für den Ultraschallbereich können als Graphen-Strukturen jegliche durch Strukturierung oder durch strukturierte Abscheidung erzeugte Bänder oder Filamente, aber auch aus Fullerenen aufgebaute oder diese aufweisende Drähte zum Einsatz kommen. Der Einsatz von Graphen-basierten Materialien, wie beispielsweise von CNT in Schallschnellemikrofonen eröffnet den Zugang zu den besonderen Materialeigenschaften von Graphen-Strukturen. Das betrifft beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit, die Stromtragfähigkeit, die Temperaturbeständigkeit, die Wärmekapazität und die mechanische Festigkeit der Graphen-Strukturen oder der diese aufweisenden Materialien.
-
Ein Schnellemikrofon gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen beruht auf der Verwendung von Graphen-Strukturen, insbesondere von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) und aus solchen bestehenden Drähten sowie aus einer oder mehreren Graphenschichten bestehenden Bändchen. Diese eigen sich besonders für den Empfang von Ultraschallsignalen selbst bei großen Impedanzunterschieden, beispielsweise zwischen Luft und dem zu untersuchenden Material. Der Impedanzunterschied hat zur Folge, dass der größte Teil der Schallenergie, die auf den Wandler trifft, wieder reflektiert wird und nur ein kleiner Prozentsatz in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann. Das hier beschriebene Verfahren zur Herstellung eines beispielsweise auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen basierenden Schnellemikrofons eröffnet Möglichkeiten zur Fertigung von miniaturisierten Schnellemikrofonen für den Ultraschallbereich in integrierten Schaltkreisen.
-
Als Nanoröhrchen können sowohl einwandige (Single-walled) CNTs (einige nm Durchmesser) als auch mehrwandige (Multi-walled) CNTs (einige Zehn nm Durchmesser) oder „Cup stacked” CNT (etwa 100 nm Durchmesser) zum Einsatz kommen. Single-walled CNTs erlauben wegen ihres geringeren Querschnitts eine höhere obere Frequenzgrenze des Mikrofons. Die Nanoröhrchen sollen insbesondere elektrisch leitend sein. Die Länge der verwendeten Nanoröhrchen hat keinen signifikanten Einfluss auf die Funktion. Sie kann beispielsweise im Bereich < 100 µm liegen. Es können zwei oder mehrere unabhängig voneinander kontaktierte Drähtchen bzw. Filamente nebeneinander eingesetzt werden. Das eröffnet die Möglichkeit, die Richtung aus der das Schallsignal einfällt, zu bestimmen. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Drähten kann im Bereich weniger µm liegen.
-
Es ist ebenso möglich, dabei einen oder mehrere aus CNT gesponnene Fäden (Garn) zur Überbrückung von jeweils zwei Elektroden einzusetzen. Das eröffnet die Möglichkeit, die Richtung aus der das Schallsignal einfällt, zu bestimmen. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Fäden kann beispielsweise im Bereich weniger Zehn µm liegen. Eine Durchtränkung der, beispielsweise CNT-haltigen, Fäden oder Garne mit anderen Materialien, beispielsweise geschmolzenen Metallen, Gläsern oder Polymeren, kann sich vorteilhaft auf die Standzeit oder eine für die Messung bevorzugte Bandbreite auswirken.
-
Werden derartige Schnellemikrofone in Form eines Array angeordnet, lässt sich eine Schallquelle präzise orten. Die arrayartige Anordnung der hier beschriebenen Messköpfe bietet die Möglichkeit einer bildgebenden Ultraschalldiagnostik oder Bauteilprüfung.
-
Das Schallschnellemikrofon beruht auf dem Prinzip der frequenzabhängigen Kühlwirkung eines einfallenden Schallfeldes. Durch einfallenden Schall verursachte Widerstandsänderungen eines vorgeheizten Drähtchens oder die Änderungen der zur Kompensation einer Widerstandsänderung erforderliche Spannung können erfasst und in ein messbares elektrisches Signal umgewandelt werden (Sensor-Prinzip). Einen derartigen Sensor stellt beispielsweise ein von Fomin et al. beschriebenes Hitzdraht Anemometer dar.
-
Die Nutzung des genannten Sensor-Prinzips in Ultraschall-gestützten Verfahren der zerstörungsfreien Materialprüfung mit Hilfe von nahezu masselosen CNT bzw. Graphen-Bändchen in Verbindung mit einer Verstärker-Schaltung nach Art einer Wheatston'schen Messbrücke wird in Ausführungsbeispielen ausführlich beschrieben.
-
Technische Vorteile bestehen in einer gegenüber bekannten Schnelle-Mikrofonen erweiterten Einsetzbarkeit für Frequenzen im unteren Ultraschallbereich bei gleichzeitig erhöhter Empfindlichkeit. Darüberhinaus können mit den hier beschriebenen Schnellemikrofonen Ultraschallsignale nahezu unabhängig von der Außentemperatur analysiert werden. Sie sind damit auch bei tiefen oder sehr hohen Temperaturen, wie sie unter Praxisbedingungen anzutreffen sind, einsetzbar.
-
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen können die hier beschriebenen Schnellemikrofone auch im medizinischen Bereich eingesetzt werden, beispielsweise zur medizinischen Diagnose oder Therapie.
-
Das hier beschriebene Schnellemikrofon, insbesondere ein Luftschalldetektor für den Hör- und Ultraschallbereich, kann ausführungsabhängig u. a. folgende Vorteile aufweisen, wobei diese Vorteile einzeln oder in geeigneter Kombination verwirklicht sein können:
- – eine Unabhängigkeit von der Wellenimpedanz der Schallwelle,
- – ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis (SNR),
- – erfordert geringe Betriebsspannung,
- – breiter dynamischer Bereich / hohe Bandbreite (relative Bandbreite), sowie
- – keine Resonanz und eine gute elektromechanische Kopplung und
- – mit gewähltem Gehäuse frei gestaltbarer Öffnungswinkel,
- – Überwinden der Nachteile herkömmlicher Schnellemikrofone und bekannter Hitzdraht-Anemometer für den Ultraschallbereich.
-
Kennzeichnend für die Funktionsweise des Ultraschall-Schnellemikrofons ist, dass die genutzten Graphen-Strukturen, z. B. Nanoröhrchen, aus einer oder mehreren Graphenschichten bestehende Streifen, Bändchen oder Flächen, oder Graphen-Strukturen aufweisende Filamente, oder Aneinanderreihungen von Fullerenen, oder Buckypaper elektrisch leitend sind. Der Aufbau des Schnellemikrofons für den Ultraschallbereich ist in den 1 bis 5 dargestellt.
-
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der Umsetzung des genannten Sensor-Prinzips zum Empfang von Ultraschallsignalen mit Hilfe des benannten Schnelle-Mikrofons erläutert.
-
Dabei zeigt:
-
1 die prinzipielle Anordnung von aus Kohlenstoffnanoröhrchen bestehenden Drähten (CNT) auf einem Chipsubstrat als CNT-Mikrofon;
-
2 eine perspektivische Ansicht eines CNT-Mikrofons auf geätztem Chipsubstrat;
-
3 eine Ausführungsform eines CNT-Mikrofons als SMD Komponente;
-
4 eine perspektivische Ansicht eines Ultraschallmikrofons mit Graphen-Bändchen auf Chipsubstrat;
-
5 zwei Ausführungsformen eines Ultraschallmikrofons als LTCC Komponente.
-
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen werden Drähte oder Kabel aus einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) verwendet, die einen Durchmessers im Bereich von etwa 3 nm bis 30 nm, insbesondere etwa 16 nm aufweisen. Alternativ können CNT-Bündel und elektrisch leitfähige CNTs enthaltende Fäden oder Filamente verwendet werden. Die Graphen-Strukturen überbrücken mindestens zwei zum Heizen und zur Widerstandsmessung verwendete Elektroden bzw. Elektrodenkontakte. Die Elektroden sind dazu an eine Stromquelle und ein geeignetes Messinstrument angeschlossen. Als unmittelbare Anschlussstrukturen der Elektroden kommen metallische Kontakte in Betracht, die mittels der in der Mikroelektronik üblichen Technologien auf einem starren Substrat aufgebracht werden können. Dafür geeignete Metalle sind beispielsweise Gold, Silber, Platin, Kupfer, Nickel, Palladium, Niobium und Aluminium oder diese enthaltende Legierungen.
-
Als Substrate können die in der Mikroelektronik üblichen einkristallinen Wafer-Materialien verwendet werden, beispielsweise Silizium oder Siliziumnitrid.
-
Die als Drähte eingesetzten und beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren aufweisenden Filamente oder Fasern können individuelle und durchgängige Kohlenstoffnanoröhren sein. Ebenso können die Drähte Kabel oder CNT-Bündel darstellen, die mehrere solche Kohlenstoffnanoröhren aufweisen.
-
Der elektrische Kontakt zwischen den Drähten und den metallischen Anschlussstrukturen kann beispielsweise durch Verpressen mit dem duktilen Metall der Anschlussstrukturen hergestellt werden. Ebenso ist ein Einpressen der Enden der Graphen-Strukturen in das duktile Metall der Anschlussstrukturen möglich. Als Fügetechniken kommen dazu insbesondere Ultraschall-gestützte Reibschweiss-Verfahren zur Anwendung. Ebenso ist die Kontaktierung mit geeigneten metallgefüllten Polymeren oder Polymerlösungen, z. B. Leitpasten möglich.
-
Eine Durchtränkung der Kohlenstoff-Filamente, beispielsweise der CNT-haltigen Fäden oder Garne, mit anderen Materialien, beispielsweise geschmolzenen Metallen, Gläsern oder Polymeren, kann sich vorteilhaft auf die Standzeit oder eine für die Messung bevorzugte Bandbreite auswirken. Ebenso können während der Herstellung entstandene Polymerspuren auf Grund der hohen Stromtragfähigkeit der Filamente leicht ausgeheizt werden. Die orientierte Anordnung der elektrisch leitfähigen Kohlenstoff-Strukturen im jeweiligen, ihnen zugedachten Elektrodenspalt erfolgt in Abhängigkeit von den jeweiligen Abmessungen über- oder nebeneinander.
-
Von der atomaren Struktur her bestehen CNT aus „aufgerollten” und in sich geschlossenen Graphenschichten. Das hier beschriebene Ultraschallmikrofon kann sowohl mit CNT als auch mit schmalen Graphen-Bändchen oder -Streifen aufgebaut werden. Der Vorteil der letztgenannten Ausführungsformen besteht darin, dass sich die strukturierte Abscheidung von Graphenschichten problemlos in gängige Planar-Technologien zur Strukturierung von Chipsubstraten integrieren lässt. Besonders eine anisotrope Ätzung des Trägersubstrates kann zur Schaffung einer die Sensitivität des Schnellemikrofons günstig beeinflussenden Geometrie genutzt werden. So können Ätzbedingungen gewählt werden, unter denen die Graphen-Strukturen nicht in Mitleidenschaft gezogen werden.
-
Makroskopische CNT-Fäden oder Bänder können mit Hilfe der Techniken des „Pick and Place” platziert werden. Ebenso ist es möglich, sich zur Montage der CNTs berührungsloser Montagetechniken mittels elektrostatischer Kräfte zu bedienen, z. B. einer auf Dielektrophorese gestützten Selbst-Assemblierung.
-
In Analogie zur strukturierten Graphen-Abscheidung stellt die gerichtete (in situ) Abscheidung von CNT im Elektrodenspalt eine Alternative für den Aufbau eines Schnelle-Mikrofons dar. In Kombination mit Methoden zur lokalen Metallabscheidung (Ionenstrahltechniken, chemisch gestützter Gasphasenabscheidung bzw. „chemically enhanced vapor Phase deposition”/CEVD) können so abgeschiedene CNT-Fasern und Faserbündel zusätzlich verlässlich kontaktiert werden.
-
Die Länge der als Drähte verwendeten CNT-Nanoröhrchen hat prinzipiell keinen signifikanten Einfluss auf ihre Funktion. Sie kann im Bereich < 100 µm liegen, kann aber auch davon abweichen. Bevorzugt variiert die Länge der in CNT-Drähten enthaltenen CNTs über einen Bereich von 10 µm–5000 µm. Werden CNT-Kabel oder -Bündel verwendet, kann der jeweils überbrückte Elektrodenspalt weit größer als die Länge der jeweils individuellen CNTs sein. Der Abstand zweier benachbarter und getrennt kontaktierter Kabel oder/und Drähte oder/und Graphen-Streifen zueinander beträgt typischerweise nur wenige Mikrometer, insbesondere 2 bis 1000 µm. Beispiele liegen im Bereich von 4 bis 500 µm und insbesondere im Bereich von 5 bis 50 µm.
-
Als Nanoröhrchen können sowohl einwandige (Single walled/SW-)CNTs von einigen Nanometern Durchmesser, als auch mehrwandige (Multi-walled/MW-)CNTs von einigen zehn Nanometern Durchmesser, oder auch sogenannte „cup stacked” Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CSCNT) von unter 100 µm oder mehreren Hundert Mikrometern Durchmesser zum Einsatz kommen, wobei mit den SW-CNTs wegen ihres geringeren Querschnitts höhere obere Frequenzgrenzen des Schallwandlers realisierbar sind.
-
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen kann ein Schnellemikrofon hergestellt werden durch Bereitstellen von mindestens zwei Elektroden, und durch Verbinden der mindestens zwei Elektroden durch mindestens eine, bei einigen Ausführungsbeispielen auch mindestens zwei voneinander beabstandete, frei tragende Graphen-Struktur oder Graphen-Strukturen.
-
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen werden die Graphen-Strukturen zur Kontaktierung in das duktile Metall zumindest eines Elektrodenkontaktes eingepresst.
-
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen wird eine grüne Keramik zumindest zur teilweisen Abdeckung des Substrates eingesetzt.
-
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen wird ein Epoxid-Gruppen aufweisendes Polymer zumindest zur teilweisen Abdeckung des Substrates eingesetzt.
-
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen wird ein anorganisch gefülltes Polymer zur zumindest teilweisen Abdeckung des Substrates eingesetzt.
-
1 zeigt in Draufsicht (A), Seitenansicht (B) und Vorderansicht (C) schematisch den Aufbau eines CNT-Mikrofons gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Die CNTs oder CNT-Fasern 10 werden von einander gegenüber liegenden Anschlussstrukturen 20 kontaktiert und überbrücken so den im Substrat 30 ausgebildeten Elektrodenspalt 40. Die Form des sich – wie hier dargestellt – gegebenenfalls sogar in das Substrat fortsetzenden Elektrodenspaltes, richtet sich nach der zur Substratstrukturierung eingesetzten Technik. Generell kommen für die Substratstrukturierung und die Herstellung der Anschlussstrukturen die in der Mikroelektronik und Silizium-Technologie üblichen lithografischen Verfahren in Betracht. So kann der unter der Elektrodenebene liegende Graben, wie in 2 dargestellt, durch die Kristallinität des Substrats bzw. das gewählte Ätzverfahren bedingt, geneigte Wände aufweisen.
-
2 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Schallschnelle-Mikrofons mit zwei voneinander beabstandeten und im Wesentlichen zueinander parallel verlaufenden Kohlenstoffnanoröhren gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Die den Schall aufnehmenden und über eine Änderung des Widerstandes in eine elektrische Messgröße wandelnden vorgeheizten Kohlenstoffnanoröhren sind als individuelle CNTs 10 oder als aus solchen bestehende Kabel 10 dargestellt, die den Elektrodenspalt 41 zwischen den Anschlussstrukturen 20 überbrücken. Die Anschlussstrukturen ihrerseits werden geeignet, beispielsweise mittels Draht-Bondtechniken, mit der messtechnischen Peripherie bzw. der den Heizstrom liefernden Stromquelle elektrisch leitend verbunden. Das starre Substrat 30 sichert die Lagestabilität des Aufbaus. Der hier gezeigte Träger kann seinerseits auf einem Chipträger, beispielsweise auf einem keramischen Chipträger (chip carrier) oder einem metallischen Träger, montiert sein. Die gezeigten Strukturen können ohne zusätzliche Verkapselung „nackt” montiert werden, z. B. in einem üblichen keramischen Chip-Träger. Eine zusätzliche Verkapselung der Anschlussstrukturen kann die Handhabbarkeit des Mikrofons verbessern. Als Verkapselungsmaterialien kommen vorrangig keramische Massen aber auch die bekannten thermisch polymerisierenden (härtenden) Polymer-Mischungen und Verguss-Massen, insbesondere gefüllte Verguss-Massen in Betracht.
-
3 zeigt eine mögliche Ausführungsvariante eines CNT-Ultraschall-Schnelle-Mikrofons als kompakte SMD-Komponente gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Die Kohlenstoffnanoröhren bzw. diese aufweisenden Kabel 10 sind in einer geformten Vertiefung 42 des Gehäuses angeordnet. Die elektrische Kontaktierung der CNT zu den Anschlussstrukturen des Trägersubstrates 30 ist hier durch die Verguss-Masse 50 bzw. die Keramik (im Falle der Ausführung als LTCC – Komponente) – Vgl. 5 – zusätzlich fixiert und gesichert. Diese Ausführungsform umfasst vier zueinander parallel verlaufende Graphen-Strukturen.
-
Vor dem Verkapselungsschritt (Verguss) kann die kontaktierte Filament-Struktur durch eine temporäre Abdeckmasse geschützt werden, die nach dem Aushärten (curing) der Verguss-Masse wieder entfernt wird. Dabei oder während der Verkapselung der Anschlussstrukturen kann Polymer auf den Filamenten haften bleiben oder durch Kapillarkräfte aufgenommen werden.
-
Durch einen Ausheizschritt, beispielsweise mit einem über die Filamente fließenden Heizstrom oder aber durch Exposition mit einem IR-Laser, können diese Polymerüberzüge entfernt werden. Die Größe und Beschaffenheit der dabei jeweils am Eintrittsort der Filamente in die Verguss-Masse gebildeten Zonen 12 kann über das Ausheizen zusätzlich beeinflusst werden. Ein geregeltes Ausheizen erlaubt es beispielsweise, die Frequenzempfindlichkeit benachbarter Filamente abgestuft festzulegen und zu kalibrieren.
-
Die elektrischen Kontakte der Filamente zu den Elektroden werden wie bei SMD-Komponenten, bzw. gehäusten Chips üblich, nach außen geführt. In 3 stellen die als Steck-Kontakte (eins) oder als Lotfahnen ausgebildeten Kontakte 60 die Verbindung zur weiteren Peripherie (Messaufbau) her. Hier nicht dargestellte Komponenten des Mess-Aufbaus sind eine Stromquelle zum Heizen der Drähte und die Messschaltung zum empfindlichen Nachweis von zeitaufgelöst gemessenen und/oder aufgezeichneten Widerstandsänderungen.
-
4 zeigt gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen einen vollständig in Planar-Technologie durch lithographische Strukturierung erfolgten Aufbau eines auf der Kontaktierung benachbarter Graphen-Bändchen beruhenden Schnellemikrofons. Es sind zwei benachbarte Graphen-Bändchen gezeigt. Eine oder mehrere Ausführungsformen des Ultraschallmikrofons mit Graphen-Streifen oder -Bändchen beruhen auf einer strukturierten Graphen-Abscheidung auf einem Halbleitersubstrat. Zusätzlich kann in einem anschließenden selektiven Ätzschritt die Graphen-Struktur unterätzt und freigestellt werden.
-
Die Lage der Basis 41 des so oder gesondert erzeugten Ätzgrabens, bzw. seine Tiefe und Form, können so gewählt werden, dass die Sensitivität des Mikrofons empfindlichkeitssteigernd beeinflusst wird. Eine oder mehrere Ausführungsformen umfassen durch den Ätzschritt die Erzeugung einer durchgehenden Öffnung im Substrat. So kann beispielsweiseeine über einer offenen Pore aufgespannte Graphen-Struktur erzeugt werden, die als Schnellemikrofon nutzbar ist.
-
Genauso können auch mehr als zwei, auch unterschiedlich lange und unterschiedlich ausgerichtete Bändchen in einem Aufbau kontaktiert vorliegen. Ebenso kann sich die Breite benachbarter Bändchen unterscheiden, wie sich im Übrigen auch die Stärke der in einem Mikrofon gemäß der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele verwendeten Kohlenstoffnanoröhrchen aufweisenden Drähte unterscheiden kann.
-
Die 5A und 5B zeigen verschiedene Ausführungsformen der Verkapselung eines Ultraschallmikrofons mittels LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) mit seitlich herausgeführten Kontakten. Das LTCC-Gehäuse 50 bildet einen zuverlässigen Schutz der filigranen Kohlenstoff-Strukturen 10, 11, 12 des Mikrofons. Wie im Falle der Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) oder diese aufweisenden Kabel oder Drähte 10, können die in 5A und 5B beispielhaft dargestellten Graphen-Bändchen oder -Streifen 11, 12 eine unterschiedliche Orientierung und entsprechend unterschiedliche Maße aufweisen. Ihre Anordnung nebeneinander und übereinander ermöglicht die zuverlässige Messung auch schwacher Ultraschallsignale.
-
Im Herstellungsprozess werden zur Verkapselung entsprechend geformte Lagen grüner Keramik mit dem, ggf. lediglich vorgesägtem Wafermaterial, und den darauf vorliegenden Kohlenstoff-Strukturen mit jeweiligen Anschlussstrukturen verpresst und bei einer Temperatur, die die Graphen-Strukturen (CNT und/oder Graphen-Bändchen oder -Streifen) nicht schädigen, gebrannt. Danach können die Strukturen freigeätzt oder anderweitig freigelegt bzw. vereinzelt werden. Entsprechende Kontakte 60, welche die spätere Montage in einem angepassten Messaufbau gewährleisten, sind vorgesehen und werden auf die dem Fachmann bekannte Art und Weise realisiert. Es kann sich dabei z. B. um Leiterzüge handeln, die als Lötfahnen, Klemm- oder Steck-Kontakte dienen oder um andere aus der mikroelektronischen Aufbau- und Verbindungstechnik bekannte Strukturen. Ihre Größe und Anordnung richtet sich nach der Zahl der notwendigen Kontakte.
-
In einem Messverfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung gemäß Anspruch 12 werden die Graphen-Filamente mit Gleichspannungssignalen geheizt. Die erreichte Temperatur der Graphen-Filamente liegt bevorzugt 50 Grad Celsius über der Temperatur der Messumgebung. Der im Verhältnis zum Heiz-Signal gemessene Widerstandsverlauf, bzw. dessen erste Ableitung werden zur Kalibrierung des Mikrofons für verschiedene Heizstrombereiche aufgezeichnet und elektronisch als Kennlinie gespeichert. Bei Auftreffen eines (Ultra-)Schallsignals festgestellte Abweichungen von dieser Kennlinie werden gemessen und als Frequenzspektrum erfasst bzw. aufgezeichnet und/oder grafisch dargestellt.
-
Die Auswertung der Spektren gestattet Aussagen über die Homogenität eines geprüften Volumenelements des Prüflings bzw. über das Vorhandensein von Störstellen, wie z. B. Delaminationen und Versetzungen, ohne dabei das geprüfte Konstruktionselement aus seinem Verbund zu lösen oder anderweitig präparieren zu müssen. Ebenso ist es möglich, Materialzusammensetzungen aus einer Auswahl bekannter Materialien zu identifizieren und laterale Ausdehnungen als auch Schichtdicken interessierender Probenareale zu messen.
-
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.
-
REFERENZEN
-
- G. M. Sessler, J. Hillenbrand, "Electromechanical Response of Cellular Electret Films". Appl. Phys. Lett. 75 (1999), pp. 3405–3407.
- H-E. de Bree, "An overview of Microflown Technologies". Acta Acustica, 89 (2003), pp. 163–172.
- V. B. Svetovoy, I. A. Winter, "Model of the μ-flown microphone". Sensors and Actuators, 86 (2000), pp. 171–181.
- V. M. Fomin, A. N. Shiplyuk, V. M. Aniskin, A. A. Maslov, V. V. Paĭ, V. Ya. Prinz and V. A. Seleznev, "Hot-Tube Probes of Thermal Anemometers with High Spatial and Temporal Resolution". Doklady Physics, 51 (2006), pp. 132–135.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Kohlenstoffnanoröhrchen bzw. selbige aufweisendes Kabel, Faser oder Draht
- 11
- Graphenbändchen
- 12
- Graphenbändchen von geringerer Breite
- 20
- Anschlussstrukturen (metallische Kontaktpads)
- 30
- Substrat (starr)
- 40
- Spalt im Substrat
- 41
- Ätzgraben als Elektrodenspalt
- 42
- Boden der in der Verkapselung/Vergussmasse/LTCC/Keramik gebildeten Grube
- 50
- Verkapselungsmaterial/Vergussmasse/Keramik (LTCC) des gehäusten Mikrofons
- 51
- Vom Verkapselungsmaterial/Vergussmasse/Keramik gebildete Wandung
- 60
- Kontakte
