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Die Erfindung betrifft ein Baugruppe einer Ultraschallwandlervorrichtung, eine Ultraschallwandlervorrichtung und einen Ultraschallsensor. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kontaktierungsverfahren zur elektrischen Kontaktierung von Komponenten einer Ultraschallwandlervorrichtung oder eines Ultraschallsensors. Ultraschallwandlervorrichtungen bzw. Ultraschallsensoren können beispielsweise in oder an Fahrzeugen verwendet werden, beispielsweise zur Abstandsmessung und/oder in einem Fahrerassistenzsystem.
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Ultraschallwandlervorrichtungen und -sensoren sowie Kontaktierungsverfahren zur elektrischen Kontaktierung sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus der
DE 10 2017 109 159 A1 .
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Insbesondere sind Ultraschallwandlervorrichtungen bekannt, bei denen ein beispielsweise scheibenförmiges Wandlerelement, insbesondere ein piezoelektrisch aktives Element, auf eine biegesteife Membran geklebt ist. Das Piezoelement kann aus einem keramischen Werkstoff (Substrat) gefertigt sein, der auf den flächigen Seiten mit einer Metallisierung, beispielsweise aus Silber, beschichtet ist. Diese Metallisierungen können als Elektroden des Piezoelements genutzt werden. Eine der Elektroden ist dabei insbesondere der Membran zugewandt, wobei die Membran in ein Gehäuseteil des Ultraschallsensors integriert sein kann oder einen Teil des Gehäuses darstellen kann. Eine weitere Elektrode kann an der gegenüberliegenden Seite des Piezoelements angeordnet sein. Diese Elektrode kann beispielsweise als Signalelektrode benutzt werden, während die der Membran zugewandte Elektrode als Masseelektrode benutzt werden kann.
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Die Elektroden sind in der Regel elektrisch mit einer Steuer- und Auswerteelektronik verbunden. Die
DE 10 2017 109 159 A1 schlägt vor, hierzu ein Kontaktelement bereitzustellen, welches an der Innenwand eines Gehäuses der Ultraschallwandlervorrichtung angeordnet ist. Das Kontaktelement weist einen gehäusefesten ersten Leitungsabschnitt auf, an dem sich ein als Litze ausgestalteter, vergleichsweise biegsamer zweiter Leitungsabschnitt anschließt. Ein Teil dieses biegsamen, zweiten Leitungsabschnitts wird für die Kontaktierung einer Elektrode benutzt. Der für die Kontaktierung benutzte Teil des biegsamen, zweiten Leitungsabschnitts wird dabei während der Herstellung der Ultraschallwandlervorrichtung, insbesondere während des Zusammenbaus, so positioniert, dass er mittels einer, durch eine im Gehäuse des Sensors ausgebildete Montageöffnung eingeführten Spitze eines Schweißgeräts an die Elektrode angeschweißt werden kann, insbesondere mittels einer Reibschweißung oder einer Drahtbondverbindung. Die elektrische Kontaktierung der anderen Elektrode kann in entsprechender Weise über ein weiteres an der Innenwand des Gehäuses angeordnetes Kontaktelement erfolgen.
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Die
US 2018/0156901 A1 offenbart ein weiteres Verfahren zur Kontaktierung der Elektroden eines Wandlerelements durch Drahtbonden.
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Im Stand der Technik weisen die Elektroden von Piezoelementen (oder Wandlerelementen) eine Schichtdicke von 3 bis 5 µm auf. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass bei solchen geringen Dicken die Kraft, die über einen auf die Elektrode geschweißten Draht auf die Fügestelle wirkt, sich nicht auf eine große Fläche zwischen der Elektrode und dem Piezosubstrat verteilen kann (wie nachfolgend näher beschrieben wird), d. h. die Kraft konzentriert sich auf einen relativ kleinen Bereich. Folglich können entsprechend große mechanische Spannungen entstehen, die zu einem Ablösen der Metallisierung (d. h. der Elektrode oder eines Teils der Elektrode) vom Piezosubstrat führen können.
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Aus der
DE 198 16 456 C1 ist ein Ultraschallsensor bekannt, bei welchem mindestens eine Elektrode des Sensorelements mittels Dickdrahtbonden verbunden ist.
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Aus der
US 2013/0077443 A1 ist eine Schwingungsvorrichtung mit einem Piezoschwingelement bekannt, bei welchem die Elektroden des Piezoschwingelements eine Schichtdicke zwischen 1 und 50 µm aufweisen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine alternative, insbesondere verbesserte, Baugruppe einer Ultraschallwandlervorrichtung bereitzustellen, sowie eine alternative, insbesondere verbesserte, Ultraschallwandlervorrichtung und ein alternatives Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von Komponenten einer Ultraschallwandlervorrichtung.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Baugruppe einer Ultraschallwandlervorrichtung sowie eine Ultraschallwandlervorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Baugruppe einer Ultraschallwandlervorrichtung, insbesondere eines Ultraschallsensors, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, weist auf:
- - ein Wandlerelement mit wenigstens einer Elektrode zur Schwingungsanregung einer Ultraschallmembran der Ultraschallwandlervorrichtung; und
- - einen Bonddraht, der an einer Bondstelle die Elektrode elektrisch kontaktiert, wobei die Elektrode zumindest im Bereich der Bondstelle eine Materialstärke aufweist, die größer als ein vorbestimmter Mindestwert ist oder diesem gleicht, wobei der vorbestimmte Mindestwert wenigstens 7µm beträgt.
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Die wenigstens eine Elektrode kann beispielsweise eine Beschichtung aus Silber oder einem silberhaltigen Material aufweisen. Andere geeignete Metalle sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Der Bonddraht kann mittels eines Drahtbond-Verfahrens so an der Elektrode befestigt werden, dass er die Elektrode an der Bondstelle elektrisch kontaktiert. Ein solches Drahtbond-Verfahren kann als Fügeprozess angesehen werden, bei dem ein, insbesondere formbarer, Draht eine mechanische Verbindung mit einem zu kontaktierenden Material (Elektrode) eingeht. Dies kann insbesondere durch eine Reibschweißverbindung mittels Ultraschall ohne zusätzliche Wärmequelle realisiert werden, bei der die Haftung insbesondere auf Diffusionsvorgängen, die zu intermetallischen Phasen führen, und/oder Adhäsionskräften beruht.
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Unter dem Begriff „Wandlerelement“ wird vorliegend ein Sensorelement oder eine Sensorbaugruppe verstanden, welche in Abhängigkeit von einem Signal und in Kombination mit der Membran Ultraschallwellen erzeugen und aussenden kann und/oder welches aus empfangenen Ultraschallwellen in Abhängigkeit von den empfangenen Ultraschallwellen ein Signal erzeugen kann. Vorliegend umfasst der Begriff „Wandlerelement“ auch ein noch nicht funktionsfähiges Wandlerelement, insbesondere ein Substrat, insbesondere Keramiksubstrat, auf welches eine oder mehrere Elektroden, insbesondere durch Beschichten, aufgebracht werden können, damit hieraus ein funktionsfähiges Wandlerelement entsteht. Dies ist insbesondere bei der Formulierung „Beschichten des Wandlerelements ...“ der Fall.
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Das Drahtbonden als Verbindungstechnik ist gegenüber beispielsweise einer Lötverbindung vorteilhaft, weil eine Drahtbondverbindung lot- und flussmittelfrei gestaltet werden kann. Dieser Vorteil gegenüber einer Lötverbindung kommt insbesondere dann zum Ausdruck, wenn der Innenraum eines Gehäuses der Ultraschallwandlervorrichtung, wie oft üblich, zumindest teilweise ausgeschäumt (also mit einem Schaum gefüllt) oder vergossen wird. Bei einem solchen Ausschäumen oder Vergießen kann nämlich das Lot- oder Flussmittel eine Platinvergiftung hervorrufen. Außerdem stellt das Lot- oder Flussmittel mit seiner relativ großen Dichte eine zusätzliche Masse dar, die das schwingende System von Membran und Wandlerelement beeinträchtigen kann.
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Herkömmliche Schweißverbindungen (Widerstandsschweißen etc.) weisen diese Nachteile nicht auf, erfordern aber in der Regel einen komplexen und damit teuren Fertigungs- und Handlingsprozess.
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Insofern hat das Drahtbondverfahren Vorteile sowohl gegenüber einer Lötverbindung als auch einer herkömmlichen Schweißverbindung.
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Andererseits stellt im Zusammenhang mit einer Ultraschallwandlervorrichtung auch eine Drahtbondverbindung einen gewissen Kompromiss dar. Im Vergleich zu einer Löt- oder herkömmlichen Schweißverbindung hat eine Drahtbondverbindung in der Regel eine relativ kleine Fügefläche, so dass, wie die Erfinder erkannt haben, eine vergleichsweise große Gefahr besteht, dass sich der Bonddraht von der Elektrode ablöst. Weiter haben die Erfinder erkannt, dass die Verbindung zwischen Bonddraht und Elektrode unter Umständen durch geeignete Auswahl der Prozessparameter des Fügeprozesses (beispielsweise die eingebrachte Energie, die verwendete Frequenz oder der zwischen Bonddraht und Elektrode wirkende Anpressdruck) robuster gestaltet werden kann und somit die Gefahr eines Ablösens des Bonddrahts von der Elektrode reduziert werden kann. Allerdings kann dies nach Erkenntnis der Erfinder wiederum zur Folge haben, dass dies die ohnehin relativ schlechte Haftung des Elektrodenmaterials auf dem Substrat des Wandlerelements (weiter) schwächt. Diese Schwächung kann erstens direkt durch die während des Fügeprozesses eingebrachte Energie hervorgerufen werden. Um die Verbindung zwischen Bonddraht und Elektrode robusterer zu gestalten, wären die Prozessparameter des Fügeprozesses nämlich so zu wählen, dass die eingebrachte Energie evtl. die Haftung des Elektrodenmaterials auf dem Substrat mehr beeinträchtigt als es für einen Fügeprozess mit Prozessparametern, die zu einer weniger robusten Verbindung zwischen Bonddraht und Elektrode führen, der Fall wäre. Zweitens kann sich der Bonddraht bei entsprechender Auswahl der Prozessparameter (im Sinne einer robusteren Verbindung zwischen Bonddraht und Elektrode) tiefer in die Elektrodenschicht „eingraben“ und so in den kritischen Bereich der Schnittstelle zwischen Elektrodenmaterial und Substrat (oder zumindest näher an diesen Bereich) gelangen.
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Nach Erkenntnis der Erfinder besteht die Gefahr eines Ablösens der Elektrode (oder Teilen der Elektrode) von dem Substrat aber auch ohne eine auf eine verstärkte Bonddraht-Elektrode-Verbindung optimierte Auswahl der Prozessparameter des Fügeprozesses.
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Erfindungsgemäß wird den oben genannten Problemen dadurch entgegengewirkt, dass die Elektrode zumindest im Bereich der Bondstelle eine Materialstärke aufweist, die größer als ein vorbestimmter Mindestwert ist oder diesem gleicht, wobei der vorbestimmte Mindestwert wenigstens 7 µm beträgt.
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Erstens ist der Bonddraht durch die größere Materialstärke der Elektrode weiter entfernt von der kritischen Schnittstelle zwischen Elektrodenmaterial und Substrat, so dass bereits hierdurch die Schnittstelle durch den Fügeprozess weniger beeinträchtigt wird. Zweitens verteilt sich eine durch den Bonddraht eingebrachte Zugspannung auf eine größere Fläche zumindest auf dem Niveau der Schnittstelle zwischen Elektrodenmaterial und Substrat, wodurch die durch diese Zugspannung hervorgerufene Krafteinwirkung pro Flächeneinheit an dieser Schnittstelle verringert wird. Die Gefahr des Ablösens des Elektrodenmaterials von dem Substrat wird somit verringert.
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Durch die größere Materialstärke der Elektrode kann zudem der weitere Vorteil erreicht werden, dass die Prozessparameter des Fügeprozesses im Hinblick auf eine robustere Verbindung zwischen Bonddraht und Elektrodenmaterial optimiert werden können, ohne dass hierdurch die Haftung des Elektrodenmaterials auf dem Substrat (signifikant) in Mitleidenschaft gezogen wird. Außerdem kann die größere Materialstärke zur Folge haben, dass der Fügeprozess hinsichtlich Veränderungen dieser Prozessparameter weniger sensitiv ist, d. h. das sogenannte Prozessfenster ist entsprechend größer. Je größer das Prozessfenster ist, desto robuster kann die Ausgestaltung des Fügeprozesses hinsichtlich von Veränderungen erfolgen und desto robuster ist auch die Verbindung sowie desto geringer die Beeinträchtigung der Schnittstelle zwischen Elektrodenmaterial und Substrat.
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Sofern das Wandlerelement zwei Elektroden aufweist - was bei einem Ultraschallsensor typischerweise der Fall ist -, können beide Elektroden eine Materialstärke aufweisen, die größer als der vorbestimmte Mindestwert ist oder diesem gleicht. Hierdurch können die oben genannten Vorteile für beide Elektroden des Wandlerelements erzielt werden. Eine der Elektroden kann beispielsweise als Masseelektrode dienen und die andere als Signalelektrode. Eine der Elektroden - z.B. die Masseelektrode - kann (vorwiegend) auf einer Seite des Wandlerelements angeordnet sein und die andere Elektrode - z.B. die Signalelektrode - an der gegenüberliegenden Seite des Wandlerelements.
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In einer nicht erfinderischen Ausführung einer Baugruppe weist die Elektrode im Wesentlichen über ihre gesamte Fläche eine Materialstärke auf, die größer als der vorbestimmte Mindestwert ist oder diesem gleicht.
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Eine solche Ausführung vereinfacht unter Umständen das Aufbringen des Elektrodenmaterials auf das Wandlerelement, weil das Elektrodenmaterial gleichmäßig über alle Bereiche aufgebracht werden kann. D. h. der Prozess, durch den das Elektrodenmaterial aufgebracht wird, muss nicht für unterschiedliche Bereiche des Wandlerelements unterschiedlich konzipiert/gesteuert werden. Auch bedeutet die relativ große Materialstärke über die gesamte Fläche der Elektrode, dass der Bonddraht im Prinzip an jeder beliebigen Stelle der Elektrode mit dieser verbunden werden kann.
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In der erfinderischen Ausführung einer Baugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Elektrode nur über einen Teil ihrer Fläche eine Materialstärke auf, die größer als der vorbestimmte Mindestwert ist oder diesem gleicht, insbesondere wenigstens im Wesentlichen nur im Bereich der Bondstelle.
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Hierdurch kann unter Umständen Elektrodenmaterial eingespart werden, wodurch der Herstellungsprozess kostengünstiger gestaltet werden kann. Die technischen Vorteile, die sich, wie oben beschrieben, aus der vergrößerten Materialstärke ergeben, bleiben weiterhin im Bereich der Bondstelle erhalten. In anderen Bereichen ist die größere Materialstärke im Allgemeinen nicht nötig, weil dort nicht zu erwarten ist, dass eine im Bonddraht existierende Zugspannung ein Ablösen des Elektrodenmaterials von dem Substrat hervorrufen könnte. Zudem kann gemäß dieser Ausführung erreicht werden, dass die schwingende Masse des Wandlerelements nicht unnötigerweise erhöht wird.
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In einer Ausführung einer Baugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Elektrode nur in einem Bereich mit einem durchschnittlichen Durchmesser oder einer durchschnittlichen Breite von wenigen Millimeter um die Bondstelle herum eine Materialstärke auf, die größer als der vorbestimmte Mindestwert ist oder diesem gleicht.
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In vielen Anwendungen ist es ausreichend, wenn eine vergrößerte Materialstärke der Elektrode nur in einem relativ kleinen Bereich anzutreffen ist, wie z. B. in einem Bereich mit einem durchschnittlichen Durchmesser oder einer durchschnittlichen Breite von wenigen mm um die Bondstelle herum. Der durchschnittliche Durchmesser oder die durchschnittliche Breite kann beispielsweise höchstens 5 mm betragen, oder höchstens 4 mm, oder höchstens 3 mm, oder höchstens 2 mm, oder sogar höchstens nur 1 mm.
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In einer Ausführung einer Baugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Elektrode als eine wenigstens im Wesentlichen homogene Schicht, insbesondere als eine homogene Schicht, ausgebildet.
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Eine Elektrode, die als eine wenigstens im Wesentlichen homogene Schicht ausgebildet ist, kann den Herstellungsprozess vereinfachen.
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In einer alternativen Ausführung einer Baugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Elektrode wenigstens im Bereich der Bondstelle zwei oder mehr Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung auf.
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Eine Elektrode, die aus zwei oder mehr Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung hergestellt ist, kann zwar unter Umständen die Herstellung aufwändiger machen, andererseits können die zwei oder mehr Schichten hinsichtlich ihrer jeweiligen Aufgaben optimiert werden. So kann beispielsweise eine untere, dem Substrat des Wandlerelements zugewandte und dieses kontaktierende Schicht ein vergleichsweise härteres Materials aufweisen, und eine obere Schicht der Elektrode, die von dem Substrat abgewandt ist, ein vergleichsweise weicheres Material aufweisen. Manche härteren Materialien können beispielsweise eine bessere Anhaftung des Elektrodenmaterials auf dem Substrat des Wandlerelements ermöglichen, wohingegen manche vergleichsweise weicheren Materialien unter Umständen besser für einen Fügeprozess geeignet sind, in dem ein Bonddraht mit diesem weicheren Material durch Drahtbonden verbunden wird. Beispielsweise bei einer silberhaltigen Elektrode könnte die untere Schicht einen geringeren Silberanteil haben, während die obere Schicht einen höheren Silberanteil haben könnte. Insbesondere, wenn die obere Schicht einen flächenmäßig kleineren Bereich abdeckt als die untere Schicht, können durch die Verwendung einer „unedleren“ unteren Schicht (also beispielsweise geringerer Silberanteil) Materialkosten reduziert werden.
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In einer Ausführung einer Baugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Elektrode eine Metallisierung oder eine ein Metall enthaltende Schicht auf dem Wandlerelement auf.
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Verfahren zum Aufbringen einer Metallisierung oder einer ein Metall enthaltenden Schicht auf ein (Keramik)substrat sind aus dem Stand der Technik im Prinzip bekannt.
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Falls die Elektrode mehrere Metall enthaltende Schichten aufweist, können in einer Ausführung einer Baugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung alle Schichten der Elektrode das gleiche Metall aufweisen. Beispielsweise könnten alle Schichten der Elektrode Silber oder ein anderes geeignetes Metall aufweisen.
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Alternativ wäre es aber auch denkbar, dass die Elektrode wenigstens zwei Schichten aufweist, die nicht das gleiche Metall aufweisen.
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In einer Ausführung einer Baugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt der vorbestimmte Mindestwert wenigstens 8µm oder wenigstens 9µm oder wenigstens 10µm oder wenigstens 11µm oder wenigstens 12µm oder wenigstens 13µm oder wenigstens 14µm.
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Im Prinzip lassen sich die oben erwähnten Vorteile einer größeren Materialstärke umso besser erzielen, je größer die Materialstärke ist. Andererseits erhöhen sich durch eine größere Materialstärke nicht nur die Materialkosten, sondern auch die schwingende Masse des Wandlerelements, was die Sensitivität des Wandlerelements beeinträchtigen kann. Aus diesem Grund ist, wie die Erfinder erkannt haben, die Materialstärke ein Kompromiss aus Robustheit der Verbindung des Bonddrahts mit der Elektrode und/oder der Elektrode mit dem Substrat und andererseits dem Wunsch, die Materialkosten und/oder die schwingende Masse niedrig zu halten.
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Entsprechend beträgt in einer Ausführung einer Baugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung die Materialstärke der Elektrode höchstens 20µm oder höchstens 19µm oder höchstens 18µm oder höchstens 17µm oder höchstens 16µm oder höchstens 15µm oder höchstens 14µm.
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Die Erfinder haben für eine bestimmte Anwendung Materialstärken von 10 bis 12 µm als besonders vorteilhaft eingeschätzt. Die Erfinder erwarten aber, dass der optimale Bereich je nach Anwendung und/oder verwendetem Material verschieden sein kann.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Ultraschallwandlervorrichtung oder einen Ultraschallsensor, der eine wie oben beschriebene Baugruppe aufweist.
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Eine solche Ultraschallwandlervorrichtung oder ein solcher Ultraschallsensor kann insbesondere ein Gehäuse mit einer schwingungsfähigen Membran aufweisen, auf der die Baugruppe positioniert, insbesondere befestigt, ist, insbesondere durch Verkleben.
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Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von Komponenten einer Ultraschallwandlervorrichtung, insbesondere eines Ultraschallsensors, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei das Verfahren aufweist:
- - Bereitstellen eines Wandlerelements;
- - Beschichten des Wandlerelements, um wenigstens eine Elektrode zur Schwingungsanregung einer Ultraschallmembran der Ultraschallwandlervorrichtung zu bilden; und
- - elektrisches Kontaktieren der wenigstens einen Elektrode des Wandlerelements mit einem Bonddraht durch Drahtbonden an einer Bondstelle;
wobei die Elektrode zumindest im Bereich der Bondstelle eine Materialstärke aufweist, die größer als ein vorbestimmter Mindestwert ist oder diesem gleicht, wobei der vorbestimmte Mindestwert wenigstens 7µm beträgt.
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In einer Ausführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Beschichten des Wandlerelements, um wenigstens eine Elektrode zu bilden, das schichtweise Bilden von zwei oder mehr Schichten auf.
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Unter einem schichtweisen Bilden von zwei oder mehr Schichten wird vorliegend insbesondere verstanden, dass in einem Verfahrensschritt eine Schicht der Elektrode gebildet wird und dass in einem nachfolgenden Schritt eine weitere Schicht der Elektrode gebildet wird, insbesondere auf der ersten Schicht. Die Schichten können sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, wie oben erwähnt.
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Die mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Baugruppe vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend auch für eine erfindungsgemäße Ultraschallwandlervorrichtung, einen erfindungsgemäßen Ultraschallsensor und ein erfindungsgemäßes Verfahren und umgekehrt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen in schematischer Darstellung, nicht maßstabsgetreu:
- 1 eine Ultraschallwandlervorrichtung in einem Schnitt in Ansicht von der Seite,
- 2 einen Teil einer Baugruppe gemäß dem Stand der Technik mit einem Wandlerelement und einem Bonddraht in einem Schnitt in Ansicht von der Seite,
- 3 einen Teil einer erfindungsgemäßen Baugruppe nach einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Wandlerelement und einem Bonddraht in einem Schnitt in Ansicht von der Seite,
- 4 einen Teil einer erfindungsgemäßen Baugruppe nach einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem Wandlerelement und einem Bonddraht in einem Schnitt in Ansicht von der Seite,
- 5 einen Teil einer erfindungsgemäßen Baugruppe nach einem dritten Ausführungsbeispiel mit einem Wandlerelement und einem Bonddraht in einem Schnitt in Ansicht von der Seite,
- 6 einen Teil einer erfindungsgemäßen Baugruppe nach einem vierten Ausführungsbeispiel mit einem Wandlerelement und einem Bonddraht in einem Schnitt in Ansicht von der Seite,
- 7 ein Ablaufdiagramm mit Verfahrensschritten eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zur elektrischen Kontaktierung von Komponenten einer Ultraschallwandlervorrichtung.
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1 zeigt eine vereinfachte, nicht maßstabsgetreue Darstellung einer Ultraschallwandlervorrichtung 1 in einem Schnitt von der Seite. Wie aus der weiteren Beschreibung hervorgeht, kann sich die in 1 dargestellte Schnittansicht sowohl auf eine erfindungsgemäße Ultraschallwandlervorrichtung als auch eine Ultraschallwandlervorrichtung gemäß dem Stand der Technik beziehen.
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Die Ultraschallwandlervorrichtung 1 wird äußerlich durch ein unteres Gehäuseteil 2 und ein oberes Gehäuseteil 3 definiert. Das erste Gehäuseteil 2 ist vorzugsweise becherförmig oder topfförmig ausgebildet und weist Aluminium und/oder Kunststoff oder ein anderes Metall auf oder besteht daraus. Das obere, offene Ende des ersten Gehäuseteils 2 ist in dem unteren, offenen Ende des zweiten Gehäuseteils 3 aufgenommen. Eine Dichtung 4 zwischen den zwei Gehäuseteilen kann aus Silikon oder ähnlichem bestehen. Diese Dichtung 4 dient auch der (mechanischen) Entkopplung zwischen den zwei Gehäuseteilen.
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Das zweite Gehäuseteil 3 ist in diesem Beispiel wiederum in zwei Abschnitte unterteilt, nämlich in einen unteren, hier ringförmigen, Abschnitt 3a und einen oberen Abschnitt 3b. Dieser obere Abschnitt 3b kann ähnlich einem Deckel ausgestaltet sein, insbesondere einem abnehmbaren Deckel 3b, so dass auch nach Verbinden der beiden Gehäuseteile 2 und 3 (bzw. 3a) das Gehäuseinnere zunächst zugänglich bleibt. Der Deckel 3b kann dann in einem späteren Abschnitt des Fertigungsprozesses aufgesetzt werden.
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Die Ultraschallwandlervorrichtung 1 weist ferner eine Membran 5 und ein Wandlerelement 6 auf. Die Membran 5 kann in den Boden des topfförmigen ersten Gehäuseteils 2 integriert sein. Das Wandlerelement 6 ist auf der Membran 5 befestigt, beispielsweise angeklebt. Das Wandlerelement 6 weist in diesem Beispiel eine keramische Schicht oder ein (keramisches) Substrat 7 auf. Die Schicht 7 oder das Substrat 7 ist auf der oberen und der unteren Seite jeweils mit einer Metallisierung beschichtet. Die Metallisierung stellt eine obere Elektrode 8 und eine untere Elektrode 9 dar. Im gezeigten Beispiel ist die Metallisierung, die die untere Elektrode darstellt, an zumindest einer Stelle über einen lateralen Abschnitt des Wandlerelements 6 an die obere Seite des Wandlerelements 6 weitergeführt. Demgemäß weist die untere Elektrode 9 einen unteren Abschnitt 9a (die eigentliche untere Elektrode) an der unteren Seite des Wandlerelements 6, einen lateralen Abschnitt 9b an einer lateralen Seite des Wandlerelements 6 und einen oberen Abschnitt 9c an der oberen Seite des Wandlerelements 6 auf. Der laterale Abschnitt 9b und der obere Abschnitt 9c stellen eine Umkontaktierung dar. Durch diese Umkontaktierung ist auch die untere Elektrode 9 von oben zugänglich, so dass eine elektrische Kontaktierung der unteren Elektrode 9 an der oberen Seite des Wandlerelements 6 erfolgen kann.
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Ferner weist die Ultraschallwandlervorrichtung 1 ein elektrisches Kontaktelement 10 auf, beispielsweise einen Kontaktpin 10. Das elektrische Kontaktelement 10 kann gehäusefest angeordnet sein. Im vorliegenden Beispiel ist es an dem unteren Abschnitt 3a des zweiten Gehäuseteils 3 befestigt.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist das elektrische Kontaktelement 10 mit der Wand des zweiten Gehäuseteils 3 verbunden. Um das elektrische Kontaktelement 10 elektrisch mit dem Außenraum der Ultraschallwandlervorrichtung 1 verbinden zu können, weist das zweite Gehäuseteil 3 einen Durchbruch oder eine Durchführung 12 auf. Eine Zuleitung 13 führt durch die Durchführung 12 und ist elektrisch mit dem elektrischen Kontaktelement 10 verbunden. Somit ermöglicht die Zuleitung 13 einen elektrischen Kontakt zwischen dem elektrischen Kontaktelement 10 und beispielsweise einer externen Signal- und/oder Auswerteelektronik (nicht dargestellt).
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In einer Variante des in 1 gezeigten Beispiels könnte das elektrische Kontaktelement 10 (direkt) mit dem ersten Gehäuseteil 2 verbunden sein, insbesondere gehäusefest an dem ersten Gehäuseteil 2 befestigt sein.
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Eine typische Ultraschallwandlervorrichtung weist zwei elektrische Kontaktelemente oder zwei Kontaktpins 10 auf, wobei im Schnitt der 1 nur eines/einer dargestellt ist. Eine entsprechende zweite Zuleitung für das zweite elektrische Kontaktelement kann in ähnlicher Weise wie die Zuleitung 13 bereitgestellt sein.
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Die obere Elektrode 8 kann beispielsweise als Signalelektrode benutzt werden, während die untere Elektrode 9, die der Membran 5 zugewandt ist, als Masseelektrode benutzt werden kann.
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Die in 1 dargestellte Ultraschallwandlervorrichtung weist einen Bonddraht 11 aus elektrisch leitfähigem Material auf, um eine Elektrode - im gezeigten Beispiel die obere Elektrode 8 - mit dem elektrischen Kontaktelement 10 zu verbinden. Dieser Bonddraht 11 führt von einer Bondstelle A (oder einem Kontaktpunkt A) an oder auf der oberen Elektrode 8 zu einer Bondstelle B (oder einem Kontaktpunkt B) an oder auf dem elektrischen Kontaktelement 10.
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Wenn die Zuleitung 13 beispielsweise mit einer externen Signal- und/oder Auswerteelektronik elektrisch verbunden ist, sind auch das elektrische Kontaktelement 10, der Bonddraht 11 und die obere Elektrode 8 mit der externen Signal- und/oder Auswerteelektronik elektrisch verbunden.
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In entsprechender Weise kann die zweite, im gezeigten Beispiel untere, Elektrode 9 kontaktiert sein. Hierzu kann ein weiterer Bonddraht (nicht dargestellt) von einer weiteren Bondstelle (nicht dargestellt) an oder auf der unteren Elektrode 9, insbesondere dem oberen Abschnitt 9c der unteren Elektrode 9, zu einem weiteren Kontaktpin (nicht dargestellt) führen. Wenn der zweite Kontaktpin beispielsweise mit einer externen Masse elektrisch verbunden ist, ist auch die untere Elektrode 9 über den weiteren Bonddraht mit der externen Masse elektrisch verbunden.
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Alternativ hierzu kann die untere Elektrode 9 aber auch auf andere Weise elektrisch kontaktiert sein. Beispielsweise kann die untere Elektrode 9 mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff mit der Membran 5 verklebt sein, so dass eine elektrische Kontaktierung der unteren Elektrode 9 über die Membran 5 und den elektrisch leitfähigen Klebstoff (nicht dargestellt) möglich ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Insbesondere in einem solchen Fall könnte dann die Umkontaktierung (lateraler Abschnitt 9b und oberer Abschnitt 9c der unteren Elektrode 9) entfallen.
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In dem in 1 gezeigten Beispiel ist der Bonddraht 11 durch ein noch genauer zu beschreibendes Drahtbondverfahren mit der oberen Elektrode 8 und dem elektrischen Kontaktelement 10 elektrisch verbunden.
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Während in der folgenden Beschreibung im Wesentlichen nur auf die Kontaktierung der oberen Elektrode 8 Bezug genommen wird, wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Erfindung hierdurch nicht beschränkt ist, d. h. alternativ oder zusätzlich kann die untere Elektrode 9 in gleicher oder ähnlicher Weise kontaktiert werden.
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Die Verbindung an den Bondstellen A und B erfolgt vorzugsweise lot- und flussmittelfrei.
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In 1 sind die Bondstellen A und B durch relativ große, halbkreisförmige, schwarz ausgefüllte Bereiche dargestellt. Die in 1 relativ groß dargestellte Ausdehnung der schwarz ausgefüllten Bereiche A und B soll nicht etwa eine Lotkugel oder ähnliches andeuten, sondern dient lediglich der besseren Veranschaulichung der Bondstellen A und B.
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In Wirklichkeit sind die Bondstellen im Wesentlichen nur so breit wie der Bonddraht 11 bzw. nur so breit wie der Bereich, über den der Bonddraht 11 die Elektrode 8 oder das elektrische Kontaktelement 10 berührt.
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2 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Baugruppe. Diese weist ein Substrat 7, beispielsweise ein Keramiksubstrat, eines Wandlerelements 6 mit einer auf dem Substrat 7 befindlichen Schicht 8' auf, die als (obere) Elektrode des Wandlerelements 6 dient. Auch in 2 dargestellt ist ein Teil eines Bonddrahts 11, der die obere Elektrode 8' an einer Bondstelle A kontaktiert und somit eine elektrische Verbindung zu dieser Elektrode darstellt.
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Die in 2 vergrößert dargestellte Baugruppe entspricht einem Ausschnitt der entsprechenden Komponenten in 1.
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In dem in 2 gezeigten Beispiel ist der Bonddraht 11 im Querschnitt gezeigt. Die Längsachse des Bonddrahts verläuft also senkrecht zur Zeichenebene, zumindest in dem Bereich, in dem er die Elektrode 8' kontaktiert. In einem typischen Drahtbondverfahren wird der Bonddraht 11 mit einer gewissen Druckkraft gegen die Oberfläche der Elektrode 8' gedrückt, wobei diese Druckkraft im Wesentlichen senkrecht auf der Elektrodenoberfläche steht. Bei dem Fügeprozess wird der Bonddraht 11 typischerweise etwas verformt, so dass er beispielsweise von einer ursprünglichen Form mit einem kreisförmigen oder ovalen Querschnitt in eine Form mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt übergeht (wie in 2 gezeigt).
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Wie bereits erwähnt, besteht die Elektrode 8' von aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen aus einer dünnen Metallschicht mit einer Materialstärke 17' von 3 bis 5 µm.
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2 zeigt gestrichelt einen trapezförmigen Bereich 15' in der Elektrodenschicht 8'. Dieser Bereich 15' zeigt beispielhaft einen Bereich, in dem Kräfte wirken, die bei dem Fügeprozess oder bei Zugbelastung durch den Bonddraht 11 (nach Abschluss des Fügeprozesses) entstehen können. Während des Fügeprozesses pflanzt sich der Druck, der (in 2 von oben) auf den Bonddraht 11 ausgeübt wird, in den trapezförmigen Bereich 15' der Elektrode 8' fort. Dabei breitet sich die Krafteinwirkung mit zunehmender Tiefe in dem Elektrodenmaterial lateral aus, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet. In ähnlicher Weise pflanzt sich eine auf den Bonddraht 11 ausgeübte Zugkraft in den trapezförmigen Bereich 15' fort und breitet sich, wie gestrichelt angedeutet, mit zunehmender Tiefe aus. Nimmt man, wie in 2 angedeutet, einen linearen Zusammenhang an zwischen Tiefe im Elektrodenmaterial 8' und lateraler Ausbreitung der Krafteinwirkung, so kann man erkennen, dass sich die Krafteinwirkung bei der maximalen Tiefe des Elektrodenmaterials 8', also an der Schnittstelle 14 bzw. Grenzfläche 14 zwischen dem Substrat 7 und der Elektrode 8', auf einen Bereich ausgebreitet hat, der in 2 mit 16' gekennzeichnet ist. Wie die Erfinder erkannt haben, ist dieser Bereich 16' aufgrund der relativ kleinen Materialstärke 17' der Elektrode 8' relativ klein, so dass die Kraft pro Flächeneinheit an dieser Schnittstelle 14 relativ groß ist. Weil die Haftung des Elektrodenmaterials 8' auf dem Substrat 7 ohnehin nicht besonders gut ist, besteht an dieser kritischen Schnittstelle eine relativ große Gefahr, dass sich die Elektrode 8' bzw. ein Teil dieser Elektrode 8' von dem Substrat 7 ablöst.
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Die durch gestrichelte Linien dargestellte Trapezform dient in erster Linie zur Veranschaulichung. Insbesondere können die Winkel zwischen der Schnittstelle 14 und den gestrichelten Linien in Wirklichkeit von den in 2 dargestellten Winkeln verschieden sein. Außerdem kann die tatsächliche Form des Krafteinwirkungsbereichs 15' von einer Trapezform abweichen.
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Während in 2 der Bonddraht 11 auf dem Elektrodenmaterial 8' angedeutet ist, gräbt sich der Bonddraht 11 bei einem typischen Fügeprozess bis zu einer gewissen Tiefe in das Elektrodenmaterial 8' ein (nicht dargestellt). Das dann unter dem Bonddraht 11 verbleibende Elektrodenmaterial 8' wird dadurch noch dünner, was die Gefahr eines Ablösens des Elektrodenmaterials 8' von dem Substrat 7 weiter erhöht. Um dem vorzubeugen, werden typischerweise die Prozessparameter so gewählt, dass sich der Bonddraht nur relativ wenig in das Elektrodenmaterial 8' eingräbt, was aber im Allgemeinen eine relativ schwache Bindung zwischen dem Bonddraht 11 und der Elektrode 8' zur Folge hat. Somit besteht auch die Gefahr, dass sich der Bonddraht 11 von der Elektrode 8' ablöst.
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3 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Baugruppe, die ein Wandlerelement 6 (Substrat 7 und Elektrode 8) und einen Bonddraht 11 aufweist. Die Komponenten dieser Baugruppe entsprechen im Wesentlichen den in 2 gezeigten Komponenten und sind durch entsprechende Bezugszeichen (allerdings ohne Apostroph) gekennzeichnet. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden diese nicht nochmal im Einzelnen beschrieben.
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Im Gegensatz zu der in 2 dargestellten Ausführung nach dem Stand der Technik weist das Ausführungsbeispiel der 3 eine relativ dicke Elektrode 8 auf. Die Materialstärke 17 der Elektrode 8 in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der Elektrode oder des Substrats 7 beträgt mindestens 7 µm, kann aber auch mindestens 8 µm, mindestens 9 µm, mindestens 10 µm, mindestens 11 µm, mindestens 12 µm, mindestens 13 µm oder mindestens 14 µm betragen. Durch die relativ große Materialstärke 17 der Elektrode 8 kann sich eine wie zuvor beschriebene Krafteinwirkung in lateraler Richtung mehr ausbreiten als es im Beispiel der 2 der Fall ist. Wie durch den trapezförmigen Bereich 15 mit gestrichelten Linien angedeutet ist, kann sich die Krafteinwirkung an der Schnittstelle 14 oder Grenzfläche 14 zwischen dem Substrat 7 und der Elektrode 8 auf einen Bereich 16 ausbreiten, der wesentlich größer ist als der entsprechende Bereich 16' in 2. Entsprechend verteilt sich eine von dem Bonddraht 11 ausgehende Krafteinwirkung (Druckkraft während des Fügeprozesses und/oder Zugkraft nach Vollendung des Fügeprozesses) an der Bondstelle A auf eine größere Fläche im Bereich der Schnittstelle 14, so dass hier die Kraft pro Flächeneinheit reduziert ist. Dadurch verringert sich die Gefahr eines Ablösens des Elektrodenmaterials 8 von dem Substrat 7.
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Durch die größere Schichtdicke 17 der Elektrode 8 wird der Fügeprozess auch toleranter gegenüber Schwankungen der Prozessparameter des Fügeprozesses. So verbleibt beispielsweise nach einem Eingraben des Bonddrahts 11 noch eine ausreichende Materialstärke der Elektrode 8 zwischen dem Bonddraht 11 und dem Substrat 7, so dass selbst nach einem solchen Eingraben die Gefahr eines Ablösens der Elektrode 8 von dem Substrat 7 geringer sein kann als es nach dem Beispiel der 2 aus dem Stand der Technik zu erwarten ist. Aufgrund der größeren Toleranz können die Prozessparameter auch so gewählt werden, dass sich der Bonddraht 11 tiefer eingräbt als es typischerweise im Stand der Technik der Fall ist, wodurch die Verbindung zwischen Bonddraht 11 und Elektrode 8 robuster gestaltet werden kann.
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Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Elektrode 8 als im Wesentlichen eine einzige homogene Schicht ausgebildet sein, die zudem eine im Wesentlichen konstante Materialstärke 17 über den gesamten Bereich der Elektrode 8 aufweist. Dadurch kann sich die Herstellung vereinfachen, weil es nicht nötig ist, das Beschichten des Substrats 7 für verschiedene Bereiche der Elektrode 8 verschieden zu gestalten.
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4 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses ist dem in 3 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel sehr ähnlich, wobei die verschiedenen Komponenten der Baugruppe entsprechend gekennzeichnet und im Prinzip auch entsprechend gebildet sind und entsprechende Funktionen haben. Allerdings weist die Elektrode 8 nur über einen begrenzten Bereich an der bzw. um die Bondstelle A eine wie zuvor beschriebene, relativ große Materialstärke 17 auf. In 4 ist dies durch einen trapezförmigen Bereich mit durchgezogener Linie als Teil der Elektrode 8 angedeutet. Außerhalb dieses Bereichs kann die Materialstärke geringer sein, beispielsweise 3 bis 5 µm, wie im Stand der Technik. Wie in 4 dargestellt, befindet sich der gestrichelt dargestellte trapezförmige Bereich 15 der Krafteinwirkung aber innerhalb des Elektrodenbereichs mit vergrößerter Materialstärke 17. Somit können auch mit dieser Ausführungsform die zuvor beschriebenen Vorteile hinsichtlich reduzierter Gefahr eines Ablösens der Elektrode 8 von dem Substrat 7 sowie einer robusteren Verbindung zwischen Bonddraht 11 und Elektrode 8 erreicht werden. Gleichwohl kann der Materialverbrauch des Elektrodenmaterials 8 gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 3 reduziert werden, weil gemäß 4 die vergrößerte Materialstärke 17 nur in einem begrenzten Bereich um die Bondstelle A anzutreffen ist. Dieser Bereich mit vergrößerter Materialstärke 17 kann beispielsweise nur wenige mm breiter sein als die Bondstelle A (also der Bereich, über den der Bonddraht 11 das Elektrodenmaterial 8 kontaktiert). Dieser „Überstand“ des Bereichs mit vergrößerter Materialstärke 17 auf einer Seite oder beiden/allen Seiten der Bondstelle A kann beispielsweise kleiner oder gleich 5 mm, 4 mm, 3 mm, 2 mm oder 1 mm sein.
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Die Elektrode 8 kann als eine wenigstens im Wesentlichen homogene Schicht 8, insbesondere als eine homogene Schicht 8, ausgebildet sein.
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5 zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 3. In dem Ausführungsbeispiel der 5 weist die Elektrode 8 aber mehrere unterscheidbare Schichten auf. Im gezeigten Beispiel sind dies zwei Schichten, 8a und 8b. Die Elektrode 8 könnte aber auch drei oder mehr Schichten aufweisen.
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Die technischen Vorteile, die durch die Anordnung gemäß 5 erzielt werden können, entsprechen im Wesentlichen denen der 3. Die zwei oder mehr Schichten 8a und 8b können aber hinsichtlich ihrer gewünschten Funktion optimiert werden. So kann beispielsweise für die untere (erste) Schicht 8a ein relativ hartes Material gewählt werden, das unter Umständen eine robustere Verbindung zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Substrat 7 gewährleisten kann als es ein vergleichsweise weicheres Material tun könnte. Für die obere (zweite) Schicht 8b hingegen könnte ein weicheres Material gewählt werden, in das sich der Bonddraht 11 besser eingraben kann, so dass unter Umständen die Verbindung zwischen Bonddraht 11 und oberer Schicht 8b robuster gestaltet werden kann als es bei Verwendung eines vergleichsweise härteren Materials möglich wäre.
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Außerdem können je nach Wahl der Materialien für die Schichten 8a und 8b die Materialkosten für die Elektrode 8 reduziert werden. So kann beispielsweise für die obere Schicht 8b ein „edleres“ Material als für die untere Schicht 8a verwendet werden. Enthält die Elektrode 8 beispielsweise Silber, könnte für die obere Schicht 8b beispielsweise eine Zusammensetzung gewählt werden, die einen höheren Silberanteil hat als für die Schicht 8a. Während es bevorzugt ist, dass beide Schichten 8a und 8b das gleiche Material, insbesondere ein Metall (beispielsweise Silber), aufweisen, wäre es unter Umständen für bestimmte Anwendungen auch möglich, dass die Schichten 8a und 8b nicht das gleiche Material aufweisen. So könnte beispielsweise, wenn die elektrische Leitfähigkeit der Schichten 8a und 8b auf metallischer Leitfähigkeit beruht, die erste Schicht 8a ein erstes Metall aufweisen und die zweite Schicht 8b ein zweites Metall, wobei die erste Schicht 8a das zweite Metall nicht aufweist und die zweite Schicht 8b das erste Metall nicht aufweist.
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6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Baugruppe. Dieses ist dem der 4 sehr ähnlich, mit dem Unterschied, dass das Elektrodenmaterial 8 im Bereich der Bondstelle A bzw. in einem begrenzten Bereich um die Bondstelle A herum, insbesondere in dem Bereich mit erhöhter Materialstärke der Elektrode 8, zwei verschiedene Schichten 8a und 8b aufweist, wie es auch in 5 der Fall ist. Insofern kann die Ausführungsform der 6 als Mischung oder Kombination der Ausführungsformen der 4 und 5 angesehen werden. In dem Ausführungsbeispiel der 6 können die verschiedenen Schichten 8a und 8b wiederum ein edleres und ein unedleres Material aufweisen, wobei für die zweite Schicht 8b vorzugsweise das edlere Material und für die erste Schicht 8a das unedlere Material benutzt wird. Weil die zweite Schicht 8b flächenmäßig und/oder volumenmäßig kleiner ist als die erste Schicht 8a, können hierdurch unter Umständen die Materialkosten gesenkt werden.
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Der mit durchgezogenen Linien dargestellte Elektrodenbereich 8b, der in 6 zu einer vergrößerten Materialstärke führt, ist beispielhaft in Trapezform dargestellt. Diese Form ist aber nicht als Einschränkung zu verstehen. Insbesondere können die Winkel zwischen der Basis und den Schenkeln dieses trapezförmigen Bereichs Werte haben, die von den in 6 dargestellten Winkeln verschieden sind. Außerdem kann die tatsächliche Form der zweiten Schicht 8b von einer Trapezform abweichen. Die zweite Schicht 8b kann beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt und/oder abgerundete Kanten aufweisen. Entsprechendes gilt für das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Verfahrensschritten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur elektrischen Kontaktierung von Komponenten einer erfindungsgemäßen Ultraschallwandlervorrichtung. Hierbei wird auch auf die in 1 gezeigte Ultraschallwandlervorrichtung 1 sowie auf die in den 3 bis 6 gezeigten Baugruppen Bezug genommen.
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Nach dem Start 21 des Verfahrens wird in einem Schritt 22 ein Wandlerelement 6 zur Schwingungsanregung einer Ultraschallmembran 5 bereitgestellt. Das Wandlerelement 6 kann zunächst nur aus dem Substrat 7 bestehen, oder jedenfalls noch nicht die zumindest eine Elektrode aufweisen, die in einem nachfolgenden Schritt auf das Substrat 7 aufgebracht wird.
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Nach dem Bereitstellen des Wandlerelements 6 wird in einem Schritt 23 das Wandlerelement 6 beschichtet, insbesondere mit einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere mit einem Metall oder metallhaltigen Material. Wenn das Wandlerelement 6 bis dahin nur als Substrat 7, insbesondere als Keramiksubstrat 7, vorliegt, kann das elektrisch leitfähige Material direkt auf dieses Substrat 7 aufgetragen werden. Gegebenenfalls könnten aber noch andere Schichten auf dem Substrat 7 vorhanden sein, so dass das elektrisch leitfähige Material auf diese aufgetragen wird. Das durch Beschichten aufgetragene elektrisch leitfähige Material bildet wenigstens eine Elektrode zur Schwingungsanregung einer Ultraschallmembran 5 einer Ultraschallwandlervorrichtung 1.
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In einem nachfolgenden Schritt 24 wird die Elektrode 9 des Wandlerelements 6 mit dem Bonddraht 11 durch Drahtbonden elektrisch kontaktiert - im gezeigten Beispiel an der Bondstelle A. Stattdessen oder zusätzlich kann in ähnlicher oder entsprechender Weise die elektrische Kontaktierung der unteren Elektrode 9 mit einem weiteren Bonddraht erfolgen.
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Nach dem elektrischen Kontaktieren der wenigstens einen Elektrode 8 kann das Verfahren enden (Schritt 25).
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Bei dem Beschichtungsschritt 23 wird die Beschichtung so durchgeführt, dass die sich bildende Elektrode 8 zumindest im Bereich der Bondstelle A eine Materialstärke 17 aufweist, die größer als ein vorbestimmter Mindestwert ist oder diesem gleicht, wobei der vorbestimmte Mindestwert wenigstens 7 µm beträgt.
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In einem Ausführungsbeispiel kann das Beschichten 23 schichtweise durchgeführt werden. Auf diese Weise können zwei oder mehr Schichten 8a und 8b gebildet werden, wie in den 5 und 6 gezeigt. Dabei ist es vorgesehen, dass erst die eine Schicht 8a und dann die andere Schicht 8b durch Beschichten gebildet wird. Das Bilden der wenigstens zwei Schichten kann durch zwei im Wesentlichen separate Beschichtungsschritte durchgeführt werden, kann aber auch als ein im Wesentlichen kontinuierlicher Beschichtungsschritt ausgebildet sein.
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In ähnlicher Weise kann das Bilden der Elektrode 8 gemäß 4 als ein Beschichtungsschritt oder als zwei oder mehr, insbesondere getrennte, Beschichtungsschritte durchgeführt werden, obwohl gemäß 4 vorgesehen ist, dass die Bereiche verschiedener Materialstärke eine im Wesentlichen gleiche Zusammensetzung aufweisen und eine wenigstens im Wesentlichen homogene Schicht 8, insbesondere eine homogene Schicht 8, bilden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ultraschallwandlervorrichtung / Ultraschallsensor
- 2
- Erstes Gehäuseteil
- 3
- Zweites Gehäuseteil
- 3a
- Unterer Abschnitt des zweiten Gehäuseteils
- 3b
- Oberer Abschnitt/ Deckel des zweiten Gehäuseteils
- 4
- Entkopplung / Dichtung
- 5
- Membran
- 6
- Wandlerelement
- 7
- Keramische Schicht / Substrat
- 8, 8'
- Erste / obere Elektrode
- 8a
- Erste Elektrodenschicht
- 8b
- Zweite Elektrodenschicht
- 9
- Zweite/untere Elektrode
- 9a
- Unterer Abschnitt der unteren Elektrode
- 9b
- Lateraler Abschnitt der unteren Elektrode
- 9c
- Oberer Abschnitt der unteren Elektrode
- 10
- Elektrisches Kontaktelement/Pin
- 11
- Bonddraht
- 12
- Durchbruch / Durchführung
- 13
- Zuleitung
- 14
- Schnittstelle
- 15, 15'
- Kraftwirkungsbereich
- 16, 16'
- Größe des Kraftwirkungsbereichs an Schnittstelle
- 17, 17'
- Materialstärke / Dicke der Elektrode
- 21 - 25
- Verfahrensschritte
- A, B
- Kontaktpunkte/Bondstellen
