DE102019218336B4

DE102019218336B4 - Hochfrequenter ultraschallwandler und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE102019218336B4
Application number: DE102019218336.0A
Authority: DE
Inventors: James Chwalek; Todd Jackson
Original assignee: Ascent Ventures LLC
Current assignee: Ascent Ventures LLC
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2023-03-02
Anticipated expiration: 2039-11-28
Also published as: US20200171544A1; DE102019218336A1

Abstract

Ultraschallwandler, aufweisend:eine Verzögerungsleitung;ein piezoelektrisches Element; undeine zwischengeschaltete metallische leitfähige Schicht zwischen der Verzögerungsleitung und dem piezoelektrischen Element, wobei die Verzögerungsleitung und das piezoelektrische Element durch eine atomare Diffusionsbindung verbunden sind, um das Koppeln von Ultraschallwellen vom piezoelektrischen Element in die Verzögerungsleitung oder von der Verzögerungsleitung in das piezoelektrische Element zu ermöglichen,dadurch gekennzeichnet, dassdie Verzögerungsleitung eine Glätte der Verbindungsoberfläche von weniger als 1 nm rms aufweist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Wandler für Ultraschallgeräte. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Hochfrequenzwandler und ein Herstellungsverfahren.
Die Ultraschallprüfung von Materialien erfordert einen Ultraschallwandler, der eine Ultraschall-Reizwelle in ein Prüfmaterial einleitet und transmittierte oder reflektierte Ultraschallwellen erfasst und analysiert. Die Ultraschall-Reizwellen können entweder Druck- oder Scherwellen sein. In einigen Anwendungen können zwei Ultraschallwandler verwendet werden, wobei ein Wandler die Reizwelle einleitet und ein zweiter Wandler reflektierte oder übertragene Wellen erfasst. Alternativ kann ein einzelner Wandler verwendet werden, um sowohl die Stimuluswelle einzuführen als auch reflektierte Wellen zu erfassen. Es ist auch üblich, dass solche Wandler eine akustische Verzögerungsleitung verwenden, um eine vorgegebene Zeitverzögerung zwischen der Reizwelle und der oder den reflektierten Wellen einzuführen.
Die Reizwelle kann eine Hochenergiewelle sein, während die reflektierte Welle im Vergleich zu dieser Reizwelle aufgrund einer Reihe von Energieverlust-Mechanismen wie Teilreflexionen von mehreren Oberflächen, Streuung und Absorption abgeschwächt wird. Die Notwendigkeit, die reflektierte Welle genau zu messen, erfordert einen empfindlichen Empfänger mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis. Somit kann das Reizsignal die empfindliche Empfängerelektronik leicht sättigen, und es ist eine Verzögerung zwischen dem Reiz und den reflektierten Wellen erforderlich, um eine ausreichende Wiederherstellung der Empfängerelektronik zu ermöglichen.
1 ist ein Querschnitt eines repräsentativen Verzögerungsstreckenwandlers. Die Verzögerungsleitung 10 ist akustisch mit einem Ultraschall-Stimulationswellengenerator, wie beispielsweise einem piezoelektrischen Element 12, gekoppelt. Leitfähige Elektroden 16 und 18 stellen ein Mittel zum Anlegen einer Reizspannung zum Anregen des piezoelektrischen Materials dar. Der elektrische Kontakt zu diesen Elektroden erfolgt über einen elektrischen Leiter, wie beispielsweise einen Draht 20, und ein Mittel zum Herstellen eines elektrischen Kontakts von der leitfähigen Elektrode 16 zu einem elektrisch leitfähigen Gehäuse 24. Ein solches Mittel kann beispielsweise ein Ring aus elektrisch leitfähigem Epoxidharz 22 sein. Der externe elektrische Anschluss erfolgt über einen geeigneten Konnektor 26, der am Gehäuse 24 montiert ist, mit einem geeigneten Reizwellen-Signalgenerator und einer reflektierten oder übertragenen Ultraschallwellendetektionselektronik. Eine Trägerschicht 28 wird verwendet, um sowohl die Dämpfung des schwingenden piezoelektrischen Materials als auch die rückwärts gerichtete Welle zu streuen und zu absorbieren. Eine solche, richtig gewählte Dämpfungsschicht kann zu einem Wandler mit kurzem Zeitverhalten und hoher Bandbreite führen, was zu einem hochauflösenden Gerät führt. Solche Wandler eignen sich besonders für die zerstörungsfreie Prüfung und die Schichtdickenmessung. Die Verzögerungsleitung 10 wird typischerweise aus einer ausreichenden Dicke eines festen Materials (basierend auf einer Schallgeschwindigkeit des festen Materials) wie beispielsweise verschiedenen Gläsern oder Kunststoffen hergestellt.
Ein Beispiel aus dem Stand der Technik für einen Wandler kann in US 5 777 230 A gefunden werden, hierin durch Verweis mit dem Titel „DELAY LINE FOR AN ULTRASONIC PROBE AND METHOD OF USING SAME“ aufgenommen und am 7. Juli 1998 von Vandervalk veröffentlicht, offenbart einen Ultraschallwandler mit einer Verzögerungsleitung, die akustisch mit dem Wandler gekoppelt ist, so dass Ultraschallschwingungen in die Verzögerungsleitung vom Wandler in eine erste Richtung übertragen werden können. Die Verzögerungsleitung beinhaltet einen ersten und zweiten Abschnitt, der eine Schnittstelle bildet, die im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung verläuft; und der zweite Abschnitt beinhaltet eine Oberfläche zur Kopplung mit einem zu untersuchenden Material. Dieses grundlegende Design ist in der Technik bekannt, kann aber nicht vermitteln, wie man Wandler mit zuverlässiger Konsistenz und in angemessenen Volumina zuverlässig herstellt.
US 4 123 731 A , hierin durch Verweis mit dem Titel „GLASS FOR USE IN ULTRASONIC DELAY LINES“ aufgenommen und am 31. Oktober 1978 von Kanbara veröffentlicht, offenbart ein zur Verwendung in Ultraschallverzögerungsleitungen geeignetes Glas, das die Gewichtskomponenten SiO₂ 42 bis 27%, PbO 71 bis 52% umfasst und vorzugsweise K₂O und/oder Na₂O enthält. Die Kopplung der akustischen Energie vom piezoelektrischen Element 12 mit dieser Verzögerungsleitung 10 ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Leistungsempfindlichkeit des Wandlers zur Erkennung von Ultraschallwellen mit niedriger Amplitude. Bei Niederfrequenz-Wandlern kann die Kopplung einfach durch einen Druckkontakt zwischen dem Wandler und der Verzögerungsleitung erfolgen. Um diese Kopplung zu verbessern und jegliche Oberflächenungleichförmigkeit zwischen Wandler und Verzögerungsleitung zu mildern, kann ein Fluid wie Wasser oder Glycerin als Intermediär verwendet werden.
US 4 544 859 A , hierin durch Verweis aufgenommen, mit dem Titel „NON-BONDED PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCER“, veröffentlicht am 1. Oktober 1985 von Eoff, offenbart einen mechanisch gefertigten, nicht geklebten Ultraschallwandler, der ein Substrat, einen piezoelektrischen Film, ein Netzmittel, eine dünne Metallelektrode und eine Linse enthält, die von einer mechanischen Klemme in engem Kontakt gehalten wird. Bei der Montage des Gerätes wird kein Epoxid oder Klebstoff verwendet. Mit zunehmender Frequenz und abnehmender Wellenlänge reichen solche Mittel jedoch nicht aus, um eine Hochleistungskopplung zu erreichen. Häufig wird in diesem Fall ein dünner Klebstoff 14 verwendet, um den Wandler strukturell mit der Verzögerungsleitung zu verbinden.
Obwohl diese Methode weit verbreitet ist, hat sie eine Vielzahl von Problemen. Erstens ist der Klebstoff typischerweise ein weicheres Material (geringere akustische Impedanz) als entweder der Wandler oder die Verzögerungsleitung, was sowohl die Empfindlichkeit als auch die Bandbreitenleistung des Wandlers verringert. Bei hohen Frequenzen wird die Notwendigkeit einer dünnen Verbindungsschicht deutlich, um diesen Effekt abzuschwächen. Es ist schwierig, die Dicke und Gleichmäßigkeit einer dünnen Klebeschicht zu kontrollieren, die aufgrund von Problemen mit der Oberflächenhaftung und Beanspruchung durch thermische Dehnungsinkongruenz zwischen der Verzögerungsleitung und piezoelektrischen Wandlermaterialien unter einer Reihe von mechanischen Ausfällen leiden kann. Dies kann zu einer Trennung der Verzögerungsleitung vom Wandler führen, was zu einer starken Verschlechterung der Wandlerleistung führt, oft bis zu dem Punkt, an dem der Wandler nicht mehr verwendbar ist. Daher ist für leistungsstarke, hochfrequente und zuverlässige Wandler ein besseres Mittel zur Verbindung der Verzögerungsleitung mit dem Wandler erforderlich.
In der derzeitigen Technik werden Hochfrequenzwandler aufgrund der Art der verwendeten Verfahren und Materialien typischerweise in kleinen Stückzahlen, oft als Einzelgeräte, hergestellt. Eine solche Herstellung ist, obwohl funktionale Vorrichtungen bereitgestellt werden, aus Sicht der Konsistenz und der Kosten suboptimal. Wenn solche Vorrichtungen mit Hilfe von Wafer-Level-Prozessen hergestellt werden könnten, ergäben sich daraus ähnliche Konsistenz- und Kostenvorteile, wie bei den Ansätzen in der Halbleiter- oder MEMS-Industrie. Aktuelle Wafer-Level-Bonding-Prozesse sind zwar in der Halbleiter- oder MEMS-Industrie sehr erfolgreich, eignen sich aber nicht gut für die Verzögerungsleitungs-piezoelektrischen Wandlern.
Klebe- oder Polymer-Verbindungen auf Wafer-Ebene können eingesetzt werden, aber dieser Ansatz hat die gleichen Probleme wie zuvor beschrieben. Andere Wafer-Level-Bonding-Techniken wie anodisches, metallisches Diffusions-, Thermokompressions- oder eutektisch legiertes Verbinden erfordern die Anwendung von hohen Temperaturen und hohen Drücken. Während dies für einige Anwendungen akzeptabel ist, schließt die Verwendung von Glasverzögerungsleitungen mit piezoelektrischen Materialien für Ultraschallwandler die Verwendung von Hochtemperatur aufgrund der hohen Belastung aus, die sich aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) oder CTE in den Materialien ergeben würde.
US 3,131,460 offenbart atomare Diffusionsbindungen zwischen Verzögerungsleitungen und piezoelektrischer Wandlern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt eine verbesserte Verbindung einer Verzögerungsleitung mit einem piezoelektrischen Wandler und verbesserte Wafer-Level-Prozesse zur Herstellung von Ultraschallwandlern in größeren Mengen dar. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet ein Ultraschallwandler eine Verzögerungsleitung, ein piezoelektrisches Element und eine dazwischenliegende metallische leitfähige Schicht zwischen der Verzögerungsleitung und dem piezoelektrischen Element. Die Verzögerungsleitung und das piezoelektrische Element sind durch eine atomare Diffusionsbindung verbunden, so dass Ultraschallwellen vom piezoelektrischen Element in die Verzögerungsleitung oder von der Verzögerungsleitung in das piezoelektrische Element gekoppelt werden können.
Die Ultraschallwandlerverzögerungsleitung kann aus Glas hergestellt werden, enthaltend die Elemente Silizium oder Fluor. Die Verzögerungsleitung weist eine Glätte der Verbindungsoberfläche von weniger als 1 nm rms auf und kann aus Kieselglas, Quarzglas oder einkristallinem Silizium bestehen. Das piezoelektrische Element kann aus einem piezoelektrischen kristallinen oder keramischen Material hergestellt werden. Das piezoelektrische Element kann bestehen aus: LiNbO₃, LiIO₃, PZT, BaTiO₃, ZnO, AlN oder Quarz. Die zwischengeschalteten metallischen leitfähigen Schichten sind aus einer Gruppe hergestellt, die im Wesentlichen Folgende umfassen: Cu, Al, Ti, Ta, Au, Ag, Ni, Fe und Pt.
In einer Ausführungsform beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers. Ein Verzögerungsleitungssubstratmaterial und ein piezoelektrisches Substratmaterial als Wandlerelement sind vorgesehen. Auf dem Verzögerungsleitungssubstratmaterial und/oder dem piezoelektrischen Substratmaterial wird eine metallleitfähige Schicht abgeschieden. Zwischen dem Verzögerungsleitungssubstrat und dem piezoelektrischen Substrat wird bei Raumtemperatur eine atomare Diffusionsbindung gebildet. Die Abtrennung des piezoelektrischen Materials ist strukturiert, um die metallleitende(n) Schicht(en) freizulegen, um einen elektrischen Kontakt zu ermöglichen. Eine erste strukturierte Elektrode wird abgeschieden, um eine externe elektrische Verbindung mit der/den freiliegenden metallischen Leitschicht(en) zu ermöglichen. Eine zweite strukturierte Elektrode wird abgeschieden, um eine aktive Fläche des Ultraschallwandlers zu bilden und ermöglicht eine externe elektrische Verbindung.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Ultraschallwandlers mit einer Verzögerungsleitung, wie sie nach dem Stand der Technik vorhanden ist.
2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Verzögerungsleitungssubstrats mit einer dünnen leitfähigen Metallschicht.
2B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Substrats mit einer dünnen leitfähigen Metallschicht.
2C zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Verzögerungsleitungssubstrats, das mit einem piezoelektrischen Substrat verbunden ist.
2D zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Verzögerungsleitungssubstrat, das mit einem piezoelektrischen Substrat und den freiliegenden leitfähigen Metallschichten verbunden ist.
2E zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Verzögerungsleitungssubstrats, das mit einem piezoelektrischen Substrat und Metallelektroden verbunden ist.
2F zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Verzögerungsleitungssubstrats, das mit einem piezoelektrischen Substrat verbunden ist und Metallelektroden mit gestrichelten Linien, die anzeigen, wo das Substrat zum Bilden einzelner Vorrichtungen kemgebohrt ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um die häufigen Probleme mit den aktuellen Verbindungstechniken von Hochfrequenzwandler-Verzögerungsleitungen zu überwinden und die Leistung, Konsistenz und Zuverlässigkeit des Wandlers deutlich zu verbessern, sowie die Herstellungskosten des Wandlers zu senken, wird ein neuartiges Herstellungsverfahren auf Wafer-Ebene eingesetzt.
2A-2F veranschaulichen die grundlegenden Herstellungsschritte eines Verzögerungsleitungs-Ultraschallwandlers gemäß dieser Erfindung. In 2A wird ein Verzögerungsleitungssubstrat 30 aus einem geeigneten Material hergestellt. Zu diesen geeigneten Materialien können unter anderem Gläser wie Kieselglas oder Quarzglas gehören. Alternativ können beispielsweise kristalline Materialien wie Silizium verwendet werden. Es können auch keramische oder plastische Materialien verwendet werden. Die Wahl des Materials hängt von einer Reihe von Faktoren ab, darunter die gewünschte Schallimpedanz und die Schallgeschwindigkeit. Wie zu erkennen sein wird, müssen Materialien, die eine große Abweichung im CTE zwischen den Materialien und dem aktiven piezoelektrischen Element aufweisen, aufgrund der Niedrigtemperaturcharakteristik der Herstellungsschritte nicht unbedingt ausgeschlossen werden.
Die Dicke des Verzögerungsleitungsmaterials hängt von der gewünschten Verzögerungszeit bei der Schallgeschwindigkeit im Material ab. Der Durchmesser des Verzögerungsleitungssubstrats 30 kann als beliebiger Durchmesser gewählt werden, der mit den verfügbaren Fertigungsmitteln und den nachfolgenden Verarbeitungsschritten übereinstimmt. Durchmesser wie 2,54 Zentimeter bis 10,16 Zentimeter (ca. 1 Zoll bis ca. 4 Zoll) sind üblich, obwohl kleinere oder sogar größere Substratdurchmesser realisiert werden können. Wie bei jedem Wafer-Level-Prozess, je größer der Durchmesser, desto mehr Vorrichtungen können hergestellt werden, was die Kosten pro Vorrichtung reduziert (in den meisten Fällen wird eine untere Grenze durch den Durchmesser des piezoelektrischen Substrats des aktiven Elements bestimmt). Die Hauptanforderungen sind, dass das Substrat atomar glatt ist, weniger als 1 nm rms und flach, vorzugsweise besser als die ¼ Welle (bei 633 nm). Die Herstellung von Substraten mit diesen Eigenschaften ist in der Optik und Halbleiterindustrie üblich und kann kostengünstig durchgeführt werden.
Ebenfalls in 2A dargestellt ist eine erste dünne Metallschicht 32, abgeschieden mit Unterdruck, mittels konventionellen Mitteln, wie z.B. Sputterabscheidungen, auf dem Wafer. Eine Reihe von Metallmaterialien können verwendet werden, einige Beispiele umfassen, Cu, Al, Ti, Ta, Au, Ag, Ni, Fe und Pt, aber sind nicht auf diese beschränkt. Da diese Schicht später als Elektrode verwendet wird, sollte die Dicke für die erforderliche Mindestleitfähigkeit ausreichen, aber nicht so dick sein, dass die Oberflächenrauheit den Klebeprozess stört. Solche materialabhängigen Dicken können sinnvollerweise im Bereich von 10 nm bis 100 nm liegen.
In 2B ist das aktive Wandlerelement in Form eines piezoelektrischen Substrats 40 dargestellt. Wie beim Verzögerungsleitungssubstrat sollte das piezoelektrische Substrat 40 ausreichend glatt und flach sein. Es können beliebig viele kristalline oder keramische piezoelektrische Materialien wie LiNbO₃, LiIO₃, PZT, BaTiO₃, ZnO, AlN und Quarz verwendet werden, um nur einige zu nennen. Die Ausgangsdicke des piezoelektrischen Substrats 40 könnte einen großen Bereich umfassen, wenn das Material mit dem gewünschten Durchmesser verfügbar ist. Wie im Falle des Verzögerungsleitungssubstrats, je größer der Durchmesser, desto mehr Geräte können eingesetzt werden, was die Kosten pro Gerät reduziert. Ebenfalls in 2B dargestellt ist eine zweite dünne Metallschicht 42, die mit dem gleichen Material und der gleichen Dicke wie das Verzögerungsleitungssubstrat 30 aufgebracht ist. Alternativ kann eine einzelne dünne Metallschicht entweder auf dem Verzögerungsleitungssubstrat 30 oder dem piezoelektrischen Substrat 40 abgeschieden werden. Mit anderen Worten, in einigen Ausführungsformen kann nur eine der ersten dünnen Metallschichten 32 und die zweite dünne Metallschicht 42 abgeschieden werden, ohne die andere der ersten dünnen Metallschicht 32 und der zweiten dünnen Metallschicht 42 abzuscheiden. Weiterhin können je nach Abscheideanlage eines oder mehrere der Verzögerungsleitungssubstrate 30 und das piezoelektrische Substrat 40 in die Abscheidekammer geladen werden und die gleiche Metallabscheidung erhalten, was die Verarbeitungsschritte und Kosten reduziert.
Nach der ersten dünnen Metallschicht 32, der zweiten dünnen Metallschicht 42 oder sowohl der ersten als auch der zweiten dünnen Metallschicht 32, 42 werden auf die jeweiligen Substrate 30, 40 aufgebracht und wenn die Substrate 30, 40 ausreichend sauber sind, können die beiden Wafer zu einer atomaren Diffusionsbindung zusammengedrückt werden. Dies kann bei Raumtemperatur in der Luft oder idealerweise im Vakuum erfolgen. Diese Art der Verbindung ist extrem stark und robust und bietet eine effiziente akustische Energiekopplung zwischen den beiden Materialien, die eine effiziente Übertragung von Ultraschallwellen in beide Richtungen ermöglicht.
Nach der ersten dünnen Metallschicht 32, der zweiten dünnen Metallschicht 42 oder sowohl der ersten als auch der zweiten dünnen Metallschicht 32, 42 werden auf die jeweiligen Substrate 30, 40 aufgebracht und wenn die Substrate 30, 40 ausreichend sauber sind, können die beiden Wafer zu einer atomaren Diffusionsbindung zusammengedrückt werden. Dies kann bei Raumtemperatur in der Luft oder idealerweise im Vakuum erfolgen. Diese Art der Verbindung ist extrem stark und robust und bietet eine effiziente akustische Energiekopplung zwischen den beiden Materialien, die eine effiziente Übertragung von Ultraschallwellen in beide Richtungen ermöglicht.
2C zeigt die gebundenen Metallschichten 52 des Verzögerungsleitungssubstrats 30 und des piezoelektrischen Substrats 40. Wenn die Wafer-Dicke des piezoelektrischen Substrats 40 dicker ist als die erforderliche Dicke für die gewünschte Resonanzfrequenz, kann das piezoelektrische Substrat 40 auf die gewünschte Dicke verdünnt werden. Da die Substrate verklebt sind, bietet das Verzögerungsleitungssubstrat 30 eine geeignete Trägerplatte oder einen Halter zum Verdünnen des piezoelektrischen Substrats 40. Die Verdünnung eines solchen Substrats kann mit herkömmlichen Schleif- und Poliermitteln erfolgen, wie sie in der Technik bekannt sind. Da das gesamte Substrat verdünnt ist, können viele Vorrichtungen potenziell eingesetzt werden, und die Gleichmäßigkeit kann gegenüber derjenigen verbessert werden, die durch Verdünnen einzelner Vorrichtungen erreicht wird, wie es in der heutigen Technik üblich ist.
Sobald die gewünschte Dicke des piezoelektrischen Substrats 40 erreicht ist, ist eine Aussetzung der gebundenen Metallschichten 52, wie in 2D dargestellt, erforderlich, um eine elektrische Verbindung herzustellen und eine der beiden Elektroden zu bilden, die zur elektrischen Stimulation des piezoelektrischen Substrats 40 verwendet wird. Dies kann durch eine Vielzahl von Techniken erreicht werden, einschließlich der Bearbeitung mit einer konventionellen Fräsmaschine, einer geeigneten Fotomaske in Kombination mit selektivem Ätzen mit reaktiven Gasen, der Ionenvermahlung oder einer selektiven nasschemischen Ätzung. Solche Verfahren sind in der Technik bekannt.
Sobald die gebundenen Metallschichten 52 freigelegt sind, kann eine erste leitende Schicht 60, wie in 2E dargestellt, vorzugsweise ein Metall, mit herkömmlichen Mitteln abgeschieden und mit einer Lochmaske strukturiert werden. Die erste leitende Schicht 60, die eine erste Elektrode bildet, sollte so strukturiert sein, dass eine externe Verbindung der gebundenen Metallschichten 52 ohne Beeinträchtigung einer zweiten leitenden Schicht 62 möglich ist, die den aktiven Bereich der Vorrichtung definiert und eine zweite Elektrode bildet, die ein geeignetes Mittel zum Anlegen einer externen Spannung an die beiden Elektroden zum Stimulieren des piezoelektrischen Substrats 40 bereitstellt. Eine einzelne Lochmaske kann zusammen mit einer einzelnen Metallabscheidung verwendet werden, um beide Elektroden zu definieren.
Bis zu diesem Zeitpunkt erfolgt die Verarbeitung auf Wafer-Ebene als Batch-Prozess, der die Herstellungskosten deutlich reduziert. Einzelne Vorrichtungen 70 können durch konventionelle Kernbohrverfahren aus den gebundenen Wafer-Substraten erhalten werden, wie in 2F dargestellt. Wenn ein Gerät mit hoher Bandbreite gewünscht wird, kann eine Trägerschicht hinzugefügt werden. Typischerweise wird ein Epoxidharz verwendet, das mit kleinen dichten Metallpartikeln wie Silber oder Wolfram imprägniert ist. Kleine (im Vergleich zur Wellenlänge der im Wandler erzeugten akustischen Wellen), dichte Metallpartikel in einer Epoxidmatrix sorgen für eine hohe akustische Impedanz und damit für einen hohen Dämpfungsgrad beim Streuen, Diffundieren und Absorbieren der rückwärts gerichteten akustischen Welle, die in das Material eingekoppelt ist. Dadurch kann ein Wandler mit einer kurzen zeitlichen Reaktion erzeugt werden, was zu einer hochauflösenden Vorrichtung führt. Die Einzelvorrichtung 70 kann in einem geeigneten Gehäuse montiert werden und der externe Anschluss der ersten leitenden Schicht 60 und der zweiten leitenden Schicht 62 kann mit beliebig vielen konventionellen Mitteln erfolgen. Eine geeignete Reizspannung, typischerweise in Form eines Impulses, kann an die beiden Elektroden angelegt werden, die eine Ultraschallwelle erzeugen, die sich vom piezoelektrischen Material in die Verzögerungsleitung ausbreitet und zum Abfragen eines bestimmten Testmaterials verwendet werden kann, welches mit der Verzögerungsleitung gekoppelt ist. Nach einer angemessenen Verzögerungszeit breitet sich eine vom abgefragten Testmaterial reflektierte Welle wieder auf das piezoelektrische Material aus und kann mit einer geeigneten Empfängerelektronik gemessen werden.
Bezugszeichenliste

30: Verzögerungsleitung Substrat
32: erste dünne Metallschicht
40: piezoelektrisches Substrat
42: zweite dünne Metallschicht
52: gebundene Metallschichten
60: erste leitfähige Schicht
62: zweite leitfähige Schicht
70: Einzelgeräte

Claims

Ultraschallwandler, aufweisend: eine Verzögerungsleitung; ein piezoelektrisches Element; und eine zwischengeschaltete metallische leitfähige Schicht zwischen der Verzögerungsleitung und dem piezoelektrischen Element, wobei die Verzögerungsleitung und das piezoelektrische Element durch eine atomare Diffusionsbindung verbunden sind, um das Koppeln von Ultraschallwellen vom piezoelektrischen Element in die Verzögerungsleitung oder von der Verzögerungsleitung in das piezoelektrische Element zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsleitung eine Glätte der Verbindungsoberfläche von weniger als 1 nm rms aufweist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, worin die Verzögerungsleitung aus Glas hergestellt ist, welches die Elemente Silizium oder Fluor enthält.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, worin die Verzögerungsleitung mindestens einen aus einer Gruppe bestehend aus Kieselglas, Quarzglas und einkristallinem Silizium beinhaltet.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, worin das piezoelektrische Element aus einem piezoelektrischen kristallinen Material hergestellt ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, worin das piezoelektrische Element aus einem piezoelektrischen keramischen Material hergestellt ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, worin das piezoelektrische Element mindestens einen Stoff aus einer Gruppe beinhaltet, bestehend aus: LiNbO₃. LiIO₃, PZT, BaTiO₃, ZnO. AIN und Quarz.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, worin die dazwischenliegende metallische leitfähige Schicht mindestens einen Stoff aus einer Gruppe aufweist, bestehend aus: Cu, Al, Ti, Ta, Au, Ag, Ni, Fe und Pt.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, worin die dazwischenliegende metallische leitende Schicht eine erste dünne Metallschicht, die auf der Verzögerungsleitung abgeschieden ist und eine zweite dünne Metallschicht, die auf dem piezoelektrischen Element abgeschieden ist, aufweist, wobei die erste dünne Metallschicht und die zweite dünne Metallschicht durch die atomare Diffusionsbindung verbunden sind.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, worin die dazwischenliegende metallische leitende Schicht eine dünne Metallschicht aufweist, die auf einer der Verzögerungsleitungen und dem piezoelektrischen Element abgeschieden ist, und die dünne Metallschicht durch die atomare Diffusionsbindung mit der anderen der Verzögerungsleitung und dem piezoelektrischen Element verbunden ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei die zwischengeschaltete metallische leitfähige Schicht an einem Abschnitt freiliegt, an dem das piezoelektrische Element entfernt wurde.
Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Verzögerungsleitungssubstrats; Bereitstellen eines piezoelektrischen Substratmaterials als Wandlerelement; Abscheiden einer ersten metallischen leitfähigen Schicht auf dem Substratmaterial der Verzögerungsleitung; Abscheiden einer zweiten metallischen leitfähigen Schicht auf dem piezoelektrischen Substratmaterial; und Bilden einer atomaren Diffusionsbindung zwischen der ersten metallischen leitfähigen Schicht und der zweiten metallischen leitfähigen Schicht bei Raumtemperatur.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte: Musterentfernung eines Abschnitts des piezoelektrischen Substratmaterials, um mindestens eine der ersten metallisch leitfähigen Schicht und der zweiten metallischen leitfähigen Schicht freizulegen, um einen elektrischen Kontakt zu ermöglichen; Abscheiden einer ersten strukturierten Elektrode auf der freiliegenden mind. einen der ersten metallischen leitfähigen Schicht und der zweiten metallischen leitfähigen Schicht, um eine externe elektrische Verbindung mit der freiliegenden mindestens einen der ersten metallischen leitfähigen Schicht und der zweiten metallischen leitfähigen Schicht zu ermöglichen: und Abscheiden einer zweiten strukturierten Elektrode auf dem piezoelektrischen Substratmaterial, um eine aktive Fläche des Ultraschallwandlers zu bilden und eine externe elektrische Verbindung herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verzögerungsleitungssubstrat aus Glas hergestellt ist, das die Elemente Silizium oder Fluor enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verzögerungsleitungssubstrat mindestens einen aus einer Gruppe bestehend aus Kieselglas, Quarzglas und einkristallinem Silizium beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das piezoelektrische Substratmaterial aus einem piezoelektrischen kristallinen Material hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das piezoelektrische Substratmaterial aus einem piezoelektrischen keramischen Material hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das piezoelektrische Substratmaterial mindestens einen Stoff aus einer Gruppe aufweist, bestehend aus: LiNbO₃. LilO₃, PZT, BaTiO₃, ZnO, AlN und Quarz.
Verfahren nach Anspruch 12, worin die erste metallische leitfähige Schicht und die zweite metallische leitfähige Schicht mindestens einen Stoff aus einer Gruppe aufweist, bestehend aus: Cu, Al, Ti, Ta, Au, Ag, Ni, Fe und Pt.
Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Verzögerungsleitungssubstrats; Bereitstellen eines piezoelektrischen Substratmaterials als Wandlerelement; Abscheiden einer ersten metallischen leitfähigen Schicht auf dem Verzögerungsleitungssubstrat oder dem piezoelektrischen Substratmaterial; Bilden einer atomaren Diffusionsbindung zwischen der metallischen leitfähigen Schicht und dem anderen der beiden Substrate, dem Verzögerungsleitungssubstrat und dem piezoelektrischen Substrat, auf dem die metallische leitfähige Schicht nicht abgeschieden ist; und strukturiertes Entfernen eines Teils des piezoelektrischen Substrats, um die metallische leitfähige Schicht freizulegen, um einen elektrischen Kontakt zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte: Abscheiden einer ersten strukturierten Elektrode auf der freiliegenden metallischen leitfähigen Schicht, um eine externe elektrische Verbindung mit der freiliegenden metallischen leitfähigen Schicht zu ermöglichen; und Abscheiden einer zweiten strukturierten Elektrode auf dem piezoelektrischen Substrat, um eine aktive Fläche des Ultraschallwandlers zu bilden und eine externe elektrische Verbindung herzustellen.