DE102019218346A1

DE102019218346A1 - Ultraschallwandler und verfahren zur herstellung eines ultraschallwandlers

Info

Publication number: DE102019218346A1
Application number: DE102019218346.8A
Authority: DE
Inventors: James Chwalek; Mr. Todd Jackson
Original assignee: Ascent Ventures LLC
Current assignee: Ascent Ventures LLC
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2020-06-04
Also published as: US20200175958A1; US11417309B2; US20220013103A1

Abstract

Ein Ultraschallwandler, der eine Verzögerungsleitung, ein aktives piezoelektrisches Element und eine leitende Metallschicht zwischen der Verzögerungsleitung und dem aktiven piezoelektrischen Element enthält. Die Verzögerungsleitung und das aktive piezoelektrische Element sind miteinander verbunden, so dass Ultraschallwellen vom aktiven piezoelektrischen Element in die Verzögerungsleitung oder von der Verzögerungsleitung in das aktive piezoelektrische Element eingekoppelt werden können. In dem aktiven piezoelektrischen Element wird durch einen Fräsvorgang ein Durchgang gebildet, um die Kante der dazwischenliegenden leitenden Metallschicht zwischen der Verzögerungsleitung und dem aktiven piezoelektrischen Element freizulegen. Eine leitende Schicht stellt einen elektrischen Kontakt zwischen der dazwischenliegenden leitenden Metallschicht und der Oberfläche des aktiven piezoelektrischen Elements her, um eine elektrische Verbindung von der Oberfläche des aktiven piezoelektrischen Elements zu der dazwischenliegenden leitenden Metallschicht zu ermöglichen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Wandler für Ultraschallgeräte. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Bildung von Ultraschallwandlern im Fräsverfahren.
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, bei der 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, für solche Wandler eine akustische Verzögerungsleitung zu verwenden, um eine vorgegebene Zeitverzögerung zwischen der Reizwelle und der reflektierten Welle oder den Wellen einzuführen.
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 leitenden Elektrode 16 zu einem elektrisch leitenden Gehäuse 24. Ein solches Mittel kann beispielsweise ein Ring aus elektrisch leitfähigem Epoxidharz 22 sein. Der externe elektrische Anschluss erfolgt über einen geeigneten Stecker 26, der am Gehäuse 24 montiert ist, an einen geeigneten Reizwellen-Signalgenerator und einer reflektierten oder übertragenen Ultraschallwellen-Detektionselektronik. 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, entsprechend gewählte Dämpfungsschicht kann zu einem Wandler mit kurzem zeitlichen Verhalten und hoher Bandbreite führen, was zu einem hochauflösenden Gerät führt. Solche Wandler sind besonders geeignet für die zerstörungsfreie Prüfung und die Schichtdickenmessung. Die Verzögerungsleitung 10 wird typischerweise aus einer ausreichenden Dicke eines festen Materials (basierend auf seiner Schallgeschwindigkeit), wie beispielsweise verschiedener Kunststoffe oder Gläser, hergestellt. 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 Zwischenprodukt verwendet werden. 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.
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.
2A-2D veranschaulichen die grundlegenden Herstellungsschritte eines Verzögerungsleitungs-Ultraschallwandlers. In 2A wird ein Verzögerungsleitungssubstrat 30 aus einem geeigneten Material hergestellt. Ebenfalls in 2A dargestellt ist eine dünne Metallschicht 32, die im Vakuum, mit konventionellen Mitteln, wie z.B. Sputterabscheidungen, auf dem Substrat abgeschieden wird. In 2B ist das aktive Wandlerelement in Form eines piezoelektrischen Substrats 40 dargestellt.
Ebenfalls in 2B dargestellt ist eine dünne Metallschicht 42, die mit dem gleichen Material und der gleichen Dicke wie das Substrat der Verzögerungsleitung abgeschieden ist. Alternativ kann eine einzelne dünne Metallschicht entweder auf dem Verzögerungsleitungssubstrat 30 oder dem piezoelektrischen Substrat 40 abgeschieden werden.
Sobald die dünne Metallschicht oder die dünnen Metallschichten auf den Substraten abgeschieden sind, können die beiden Wafer zu einer atomaren Diffusionsbindung zusammengepresst werden. Diese Art der Verbindung ist extrem stark und robust und ermöglicht eine effiziente akustische Energiekopplung zwischen den beiden Materialien, die eine effiziente Übertragung von Ultraschallwellen in beide Richtungen ermöglicht. Alternativ können auch andere Wafer-Level-Bonding-Techniken wie Polymer- oder Klebstoff-, Anoden-, Metalldiffusions-, Thermokompressions- oder Eutektik-Legierungs-Bonden verwendet werden, obwohl jede dieser Techniken unter den in der vorgenannten Patentanmeldung beschriebenen Nachteilen leidet.
2C zeigt die beiden Substrate 30 und 40, die zu einer einzigen Metallschicht 52 verbunden sind. Wenn die Waferdicke des piezoelektrischen Substrats 40 zunächst dicker ist als die erforderliche Dicke für die gewünschte Resonanzfrequenz, kann das piezoelektrische Substrat 40 auf die gewünschte Dicke verdünnt werden. Sobald die gewünschte Dicke des piezoelektrischen Substrats 40 erreicht ist, ist eine Aussetzung der gebundenen Metallschicht 52, wie in 2D dargestellt, erforderlich, um eine elektrische Verbindung herzustellen, um eine der beiden Elektroden zu bilden, die zur elektrischen Stimulation des piezoelektrischen Substrats 40 verwendet wird. Dies kann zwar durch eine Vielzahl von konventionellen Techniken erreicht werden, wie z.B. die Verwendung einer geeigneten Fotomaske in Kombination mit selektivem Ätzen mit reaktiven Gasen, Ionenmahlen oder nasschemischem Ätzen, aber diese Techniken sind für viele wünschenswerte piezoelektrische Materialien schwierig und teuer einzusetzen.
Für Trockenätzverfahren wie das reaktive Ionenätzen (RIE) oder das Ionenstrahlätzen von Materialien wie LiNbO₃ oder PZT sind extrem lange Ätzzeiten von vielen Stunden erforderlich, aufgrund der extrem niedrigen Ätzraten und der Dicke der beteiligten piezoelektrischen Materialien, die typischerweise im Mikrometer-Zehnerbereich liegt. Dies erhöht die Herstellungskosten erheblich und begrenzt den Fertigungsdurchsatz. Darüber hinaus müssen im Gegensatz zu Fotomasken dicke Metallmasken verwendet werden, um die erosive Natur der langen Ätzzeit zu überleben. Dies erfordert zusätzliche Verarbeitungsschritte und erhöht in der Folge auch die Herstellungskosten, da die Dickmetallmasken abgeschieden und strukturiert werden müssen.
Nassätzverfahren sind zwar potenziell kostengünstiger als Trockenätzverfahren, weisen aber Ätzraten auf, die oft von der Kristallorientierung abhängig sind und möglicherweise nicht mit der erforderlichen Ausrichtung für das gewählte piezoelektrische Material kompatibel sind. Darüber hinaus wird aufgrund der reaktiven Natur der eingesetzten Chemie oft eine Metallmaske benötigt, die, wie bereits erwähnt, zu höheren Herstellungskosten führen kann.
Bei Trocken- oder Nassätzverfahren kann die Selektivität der Ätzung zwischen dem piezoelektrischen Material und dem Metall gering sein, was das Ätzen des piezoelektrischen Materials erschwert und gleichzeitig sicherstellen, dass genügend Metall zurückbleibt, um einen adäquaten nachfolgenden elektrischen Kontakt herzustellen. Schlussendlich existiert für Trocken- oder Nassätzverfahren möglicherweise keine praktische Chemie für das gewählte piezoelektrische Material. Die Notwendigkeit eines einfacheren, kostengünstigeren und breit angelegten, materialkompatiblen Musterungsprozesses ist offensichtlich. Der Einsatz konventioneller mechanischer Mittel wie einer computergesteuerten Fräsmaschine (CNC) zur Erreichung dieses Ziels überzeugt durch niedrige Herstellungskosten und breite Materialkompatibilität. U.S. Pat. Nr. 5.257.178 mit dem Titel „METHOD OF OPTIMALLY OPERATING A COMPUTER NUMERICAL CONTROL MILLING MACHINE TO MILL OPTIMAL HIGH DENSITY INTERCONNECT SUBSTRATES“, veröffentlicht am 26. Oktober 1993 von Hatfield, et. al, die hierin als Referenz aufgenommen wird, offenbart ein Verfahren zum optimalen Betreiben einer CNC-Fräsmaschine, um Hohlräume in einem Keramiksubstrat zur Aufnahme von IC-Chips und anderen Komponenten einer hochdichten Verbindungsstruktur zu bilden, die elektrisch durch eine mehrschichtige hochdichte Verbindungsstruktur (HDI) verbunden sind.
Andere mechanische Mittel wie konventionelles Bohren wurden offenbart. U.S. Pat. Nr. 6.221.769 mit dem Titel „METHOD FOR INTEGRATED CIRCUIT POWER AND ELECTRICAL CONNECTIONS VIA THROUGH WAFER INTERCONNECTS“, veröffentlicht am 24. April 2001 von Dhong, et. al., die hierin als Referenz aufgenommen wird, offenbart ein Verfahren zum Bereitstellen einer Durch-Wafer-Verbindung zu einem Siliziumgehäuse mit integrierter Schaltung. Zunächst wird ein Loch in der Siliziumverpackung mit einer Innenfläche erzeugt, die sich von der Unterseite der Siliziumverpackung bis zur Oberseite der Siliziumverpackung erstreckt. Das Loch wird durch eines von zwei Verfahren erzeugt, einschließlich mechanischem Bohren mit einem, mit hoher Geschwindigkeit gedrehten, Diamantbit. Die Innenfläche des Lochs wird mit einem Isoliermaterial abgedeckt, um das später abgeschiedene leitfähige Material zu isolieren und als Diffusionsbarriere zu dienen und dann wird ein Keimmaterial in das Loch eingebracht. Schließlich wird das Loch mit einem leitfähigen Material gefüllt, das verwendet wird, um große Stromeingänge oder Signalverbindungen zu den IC-Chips herzustellen.
Während solche Verfahren mechanische Mittel wie Fräs- oder Bohrarbeiten verwenden, um Taschen oder Löcher in einem Substrat bereitzustellen, konnten sie nicht verwendet werden, um die Art von Verbindungsdurchgang zu bilden, das in dieser Anwendung offenbarten Ultraschallwandlervorrichtungen benötigt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Offenbart wird ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers mit einem Durchgang, der einen externen Kontakt mit einer eingebetteten Metallschicht im Ultraschallwandler ermöglicht, der mit einer reproduzierbaren Leistung bei niedrigen Herstellungskosten über eine Vielzahl von piezoelektrischen Materialien übereinstimmt. Während die beschriebenen Ausführungsformen einen Ultraschallverzögerungsleitungswandler unter Verwendung piezoelektrischer Materialien beinhalten, wird berücksichtigt, dass die Technik auf andere Vorrichtungen und Materialsysteme angewendet werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst ein Ultraschallwandler eine Verzögerungsleitung, ein piezoelektrisches Element, eine dazwischenliegende metallische leitfähige Schicht zwischen der Verzögerungsleitung und dem piezoelektrischen Element, ein durch Fräsen in dem piezoelektrischen Element gebildete Durchgangsbohrung und die Verzögerungsleitung, um eine Kante der dazwischenliegenden metallischen leitfähigen Schicht zwischen der Verzögerungsleitung und dem piezoelektrischen Element freizulegen und eine leitende Schicht, die einen elektrischen Kontakt zwischen den dazwischenliegenden metallischen, leitenden Schichten und einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements herstellt, um eine externe elektrische Verbindung von der Oberfläche des aktiven piezoelektrischen Elements zu den dazwischenliegenden metallischen leitenden Schichten herzustellen, worin die Verzögerungsleitung und das piezoelektrische Element konfiguriert sind, um Ultraschallwellen vom piezoelektrischen Element in die Verzögerungsleitung oder von der Verzögerungsleitung in das piezoelektrische Element zu koppeln.
In einer weiteren Ausführungsform, beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen eines Ultraschallwandlers die Schritte vom Bereitstellen eines Verzögerungsleitungssubstrats, Bereitstellen eines piezoelektrischen Substrats als aktives Wandlerelement, Abscheiden einer ersten Metallschicht auf dem Verzögerungsleitungssubstrat, Abscheiden einer zweiten Metallschicht auf dem piezoelektrischen Substrat oder Abscheiden einer einzelnen Metallschicht auf entweder dem Verzögerungsleitungssubstrat oder dem piezoelektrischen Substrat, Verbinden des Verzögerungsleitungssubstrats mit dem piezoelektrischen Substrat, um einen Stapel zu bilden und das Koppeln von Ultraschallwellen vom piezoelektrischen Element in die Verzögerungsleitung oder von der Verzögerungsleitung in das piezoelektrische Element zu erleichtern, Fräsen des piezoelektrischen Substrats, um Metall von mindestens einer der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht freizulegen, um einen elektrischen Kontakt zu ermöglichen, Abscheiden einer ersten strukturierten Elektrode auf dem freiliegenden Metall, um eine externe elektrische Verbindung mit der mindestens einen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht zu ermöglichen, und Abscheiden einer zweiten strukturierten Elektrode auf dem piezoelektrischen Element, wobei die zweite strukturierte Elektrode eine aktive Fläche des Ultraschallwandlers definiert und konfiguriert ist, um eine externe elektrische Verbindung herzustellen.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Ultraschallwandlers mit einer Verzögerungsleitung nach dem Stand der Technik.
2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Verzögerungsleitungssubstrats mit einer dünnen leitfähigen Metallschicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Substrats mit einer dünnen leitfähigen Metallschicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2C zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines mit einem piezoelektrischen Substrat verbundenen Verzögerungsleitungssubstrats gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2D zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Verzögerungsleitungssubstrat, das mit einem piezoelektrischen Substrat verbunden ist, und die freiliegenden leitenden Metallschichten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines mit einem piezoelektrischen Substrat verbundenen Verzögerungsleitungssubstrats gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Verzögerungsleitungssubstrats, das mit einem piezoelektrischen Substrat verbunden ist, eines Durchgangs mit abgeschrägten Wänden und eines ringförmigen kundenspezifischen Schneidwerkzeugs, das zum Bilden des Durchgangs verwendet wird, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3C zeigt eine schematische Sicht von oben einer Vielzahl von Durchgängen, die in einem Verzögerungsleitungssubstrat gebildet sind, das mit einem piezoelektrischen Substrat verbunden ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3D zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Verzögerungsleitungssubstrats, das mit einem piezoelektrischen Substrat und Metallelektroden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verbunden ist.
3E zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Verzögerungsleitungssubstrats, das mit einem piezoelektrischen Substrat und Metallelektroden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verbunden ist.
3F zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Verzögerungsleitungssubstrats, das mit einem piezoelektrischen Substrat und Metallelektroden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verbunden ist.
3G zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer einzelnen Vorrichtung gemäß der Ausführungsform von 3D.
4 zeigt eine schematische Sicht von oben auf mehrere piezoelektrische Wandlervorrichtungen, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um die üblichen Probleme mit den derzeitigen Verfahren zur Herstellung eines Durchgangs in piezoelektrischen Materialien, die in Ultraschallwandlern verwendet werden, zu überwinden und eine reproduzierbare Leistung bei niedrigen Herstellungskosten über eine Vielzahl von piezoelektrischen Materialien hinweg zu gewährleisten, wird ein neuartiges Herstellungsverfahren eingesetzt.
3A-3G veranschaulichen die grundlegenden Herstellungsschritte zur Erzeugung eines Durchgangs, die die Möglichkeit bieten, einen externen Kontakt mit der unteren leitenden Schicht in einem Ultraschallwandler gemäß dieser Erfindung herzustellen. 3A zeigt eine Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Substrats 60, das an ein Verzögerungsleitungssubstrat 62 gebunden ist und Zwischenschichten aus gebundenem Metall 64 einfügt. Wie bereits erwähnt, ist die Freilegung der eingebetteten Zwischenschichten aus gebundenem Metall 64 erforderlich, um eine elektrische Verbindung herzustellen und eine der beiden Elektroden zu bilden, die zur elektrischen Stimulation des piezoelektrischen Substrats 60 verwendet werden.
3B zeigt eine Querschnittsansicht eines kundenspezifischen Schneidwerkzeugs 70, das ringförmige Schneidflächen 71 aufweist, die mit hoher Geschwindigkeit gedreht werden können und deren Position in allen drei Achsen von einer herkömmlichen CNC-Fräsmaschine gesteuert werden kann. Das Schneidwerkzeug 70 kann aus einem geeigneten Material wie Stahl hergestellt und mit einer harten Beschichtung wie Diamant imprägniert werden, um eine lange Lebensdauer entlang der Schneidflächen 71 zu gewährleisten. Es wird auch berücksichtigt, dass das Schneidwerkzeug 70 ein Einzelpunktwerkzeug sein kann, das in einem von der CNC-Maschine gesteuerten Muster bewegt wird, so dass viele Arten von Durchgangsgeometrien erzeugt werden können, wie beispielsweise ein Punkt, eine lineare Wanne oder ein geschlossener Kreislauf, wie ein Quadrat oder Kreis. Wenn ein Ring gewünscht wird, kann das Schneidwerkzeug 70 einen ringförmigen Querschnitt aufweisen (in der Ebene senkrecht zu der in 3B dargestellten Ebene).
Der wichtige Aspekt des Schneidwerkzeugs 70 ist, dass die Schneidflächen 71 abgewinkelt sind (dargestellt als der Winkel θ in 3B), um schräge Seitenwände in dem gebundenen piezoelektrischen Substrat 60 und dem Verzögerungsleitungssubstrat 62 zu bilden, die die Kante der gebundenen Metallschichten 64 freilegen. Die schrägen Seitenwände sind wichtig, damit eine nachfolgende leitende Metallschicht, die eine Elektrode bildet, zu einer zusammenhängenden leitenden Schicht abgeschieden werden kann, die den Rand der freiliegenden gebundenen Metallschichten 64 mit der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 60 verbindet, so dass eine externe Verbindung leicht hergestellt werden kann. Der genaue Schrägwinkel des Schneidwerkzeugs 70 und anschließend über die Seitenwand ist nicht kritisch, sollte aber so gewählt werden, dass die Bildung einer angrenzenden leitenden Schicht möglich ist. Ein zu steiler oder rückläufiger Winkel kann zur Bildung einer nicht zusammenhängenden leitenden Schicht führen, was dazu führen kann, dass keine externe elektrische Verbindung mit den gebundenen Metallschichten 64 hergestellt werden kann. Dieser Winkel kann sinnvollerweise größer als 0 Grad, aber kleiner als 90 Grad sein. Ein solches Schneidwerkzeug kann mit herkömmlichen Mitteln kostengünstig hergestellt werden.
Ebenfalls in 3B dargestellt, ist das gebundene piezoelektrische Substrat 60 und das Verzögerungsleitungssubstrat 62, nachdem das Schneidwerkzeug 70 einen Durchgang 72 in Form eines kranzförmigen Rings mit abgeschrägten Seitenwänden durch das Schneidwerkzeug 70 gebildet hat. Die Positionierung des Durchgangs 72 in der Ebene kann von der CNC-Fräsmaschine präzise gesteuert und an mehreren Stellen wiederholt werden.
3C zeigt eine Sicht von oben auf mehrere ringförmige Durchgänge 72, die in das gebundene piezoelektrische Substrat 60 und das Verzögerungsleitungssubstrat 62 geschnitten sind. Einer der größten Vorteile dieser Technik, der zur Einfachheit und den niedrigen Kosten der Technik beiträgt, ist, dass die Tiefe des Durchgangs 72 nicht genau gesteuert werden muss, solange der Durchgang 72 tief genug ist, um die Kanten der verbundenen Metallschichten 64 freizulegen. Darüber hinaus ist die Unebenheit der Seitenwand bei dieser speziellen Art von Ultraschallwandler unkritisch, da die tatsächliche aktive Fläche der Vorrichtung, die anschließend durch eine strukturierte leitfähige Schicht bestimmt wird, in einem ausreichenden Abstand von den geneigten Seitenwänden definiert werden kann, um die Leistung nicht zu beeinträchtigen. Dies ermöglicht es, einmal programmiert, eine typische CNC-Fräsmaschine mit dem Schneidwerkzeug 70 schnell und kostengünstig eine beliebige Anzahl solcher Durchgänge 72 zu bilden.
Sobald die Kanten der gebundenen Metallschichten 64 freigelegt sind, kann eine erste leitfähige Schicht 80, wie in 3D dargestellt, vorzugsweise ein Metall, mit herkömmlichen Mitteln abgeschieden und mit einer Lochmaske strukturiert werden. Diese erste leitfähige Schicht 80 berührt die Kante der gebundenen Metallschichten und setzt sich auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 60 fort. Die erste leitfähige Schicht 80, die eine erste Elektrode bildet, sollte strukturiert sein, um eine externe Verbindung der gebundenen Zwischenschichten aus Metall 64 zu ermöglichen, ohne eine zweite leitende Schicht 82 zu stören, 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 60 bereitstellt.
Alternativ kann, wie in 3E dargestellt, eine alternative erste leitfähige Schicht 81 strukturiert werden, um den Kontakt mit der Kante der gebundenen Metallschichten nur auf der radial innersten Seite des Durchgangs 72 zu ermöglichen.
In einer weiteren Alternative, wie in 3F dargestellt, ist zweite alternative erste leitfähige Schicht 83 sowohl auf der radial innersten als auch auf der äußersten Seite des Durchgangs 72 vorhanden, wie dies bei benachbarten, aber elektrisch unabhängigen Vorrichtungen, wie beispielsweise bei der Herstellung einer Anordnung, der Fall wäre. Wenn das gleiche Material für eine der Elektroden gewünscht wird, kann eine einzige Lochmaske zusammen mit einer einzigen Metallabscheidung verwendet werden, um alle Elektroden zu definieren.
3G zeigt eine Einzelvorrichtung 90, die mit herkömmlichen Kernbohrverfahren hergestellt wurde. Wenn eine Vorrichtung mit hoher Bandbreite gewünscht wird, kann eine Rückschicht, wie sie in Verbindung mit 1 beschrieben wird, 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 90 kann in einem geeigneten Gehäuse montiert werden und der externe Anschluss der ersten leitfähigen Schicht 80 und der zweiten leitfähigen Schicht 82 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.
Als Nachweis für die Machbarkeit der aktuellen Erfindung wurde ein Ultraschallwandler gemäß den in dieser Offenbarung beschriebenen Schritten hergestellt. 4 zeigt eine Sicht von oben, die die Strukturierung der ersten leitenden Schicht 80 und der zweiten leitfähigen Schicht 82 unter Verwendung einer Lochmaske veranschaulicht. Als gebundene Metallschichten wurde Gold verwendet, ebenso wie sowohl die erste leitfähige Schicht 80 als auch die zweite leitfähige Schicht 82. Quarzglas wurde als Verzögerungsleitungssubstrat 62 Material und Lithiumniobat als piezoelektrisches Substrat 60 Material gewählt. Das Verzögerungsleitungssubstrat 62 aus Quarzglas und das piezoelektrische Lithiumniobatsubstrat 60 wurden mittels eines Atomdiffusionsverfahrens gebunden.
Ein kundenspezifisches Fräswerkzeug mit um 45 Grad abgewinkelten Schneiden und einem Ringquerschnitt von 5 mm Durchmesser und 2 mm Seitenwandstärke wurde zum Bilden eines ringförmigen Durchgangs verwendet. Die erste leitfähige Schicht 80 ist in zwei Hälften unterteilt. Auf diese Weise verläuft der einzige Leitungsweg von einer Hälfte der ersten leitfähigen Schicht 80 zur zweiten Hälfte der ersten leitfähigen Schicht 80 über den Kontakt, der durch den Durchgang durch die untere gebundene Zwischenschicht aus Metall 64 erfolgt. Eine Niedrigwiderstandsmessung würde den erfolgreichen Kontakt durch den Durchgang als Nachweis des Konzepts bestätigen. Es wurde eine Zweipunkt-Widerstandsmessung durchgeführt, bei der die obere und untere Hälfte der ersten leitenden Schicht mit an einer Reihe von Geräten in Kontakt stand. In jedem Fall betrug der Widerstand weniger als 2 Ohm, was auf einen ausgezeichneten Kontakt über den Durchgang hinweist.
Dementsprechend ist es zu verstehen, dass die Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung nur die Anwendung der Grundsätze der Erfindung veranschaulichen. Die Bezugnahme auf Einzelheiten der veranschaulichten Ausführungsformen soll nicht dazu dienen, den Umfang der Ansprüche einzuschränken, die ihrerseits diejenigen Merkmale wiedergeben, die als wesentlich für die Erfindung angesehen werden.
Bezugszeichenliste

60: piezoelektrisches Substrat
62: Verzögerungsleitungssubstrat
64: Zwischenschichten aus Metall
70: Schneidwerkzeug
71: Schneidflächen
72: ringförmiger Durchgang
80: erste leitfähige Schicht
81: alternative erste leitfähige Schicht
82: zweite leitfähige Schicht
83: zweite alternative erste leitfähige Schicht
90: Einzelvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5257178 [0011]
US 6221769 [0012]

Claims

Was beansprucht wird, ist:
Ultraschallwandler, umfassend: eine Verzögerungsleitung, ein piezoelektrisches Element; eine zwischengeschaltete metallische leitfähige Schicht zwischen der Verzögerungsleitung und dem piezoelektrischen Element, wobei die Verzögerungsleitung und das piezoelektrische Element konfiguriert sind, um Ultraschallwellen vom piezoelektrischen Element in die Verzögerungsleitung oder von der Verzögerungsleitung in das piezoelektrische Element einzubinden; ein Durchgang, der in dem piezoelektrischen Element und der dazwischenliegenden metallleitenden Schicht gebildet ist, wobei der Durchgang einen Abschnitt der dazwischenliegenden metallleitenden Schicht freilegt; und eine erste strukturierte Elektrode, die einen elektrischen Kontakt zwischen dem freiliegenden Abschnitt der dazwischenliegenden metallleitenden Schicht und einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements herstellt, um eine externe elektrische Verbindung von der Oberfläche des aktiven piezoelektrischen Elements mit der dazwischenliegenden metallischen leitenden Schicht herzustellen.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei der Durchgang in eine Tiefe spitz zuläuft.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei sich der Durchgang in die Verzögerungsleitung erstreckt.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei sich der Durchgang ringförmig erstreckt und zwei Seitenwände beinhaltet, die sich über eine volle Tiefe des Durchgangs erstrecken, und wobei sich die erste strukturierte Elektrode auf einer radial nach innen gerichteten von einer der beiden Seitenwände befindet.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei sich Der Durchgang ringförmig erstreckt und zwei Seitenwände beinhaltet, die sich über eine volle Tiefe des Durchgangs erstrecken, und wobei sich die erste strukturierte Elektrode auf beiden der zwei Seitenwände befindet.
Ultraschallwandler nach Anspruch 5, worin die erste strukturierte Elektrode zwischen den beiden Seitenwänden unterbrochen ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine zweite strukturierte Elektrode auf dem piezoelektrischen Element, wobei die zweite strukturierte Elektrode einen aktiven Bereich des Ultraschallwandlers definiert und konfiguriert ist, um extern elektrisch verbunden zu werden.
Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Verzögerungsleitungssubstrats; Bereitstellen eines piezoelektrischen Substrats als aktives Wandlerelement; Abscheiden einer ersten Metallschicht auf dem Verzögerungsleitungssubstrat; Abscheiden einer zweiten Metallschicht und des piezoelektrischen Substrats; Verbinden des Verzögerungsleitungssubstrats mit dem piezoelektrischen Substrat, um einen Stapel zu bilden und das Koppeln von Ultraschallwellen vom piezoelektrischen Element in die Verzögerungsleitung oder von der Verzögerungsleitung in das piezoelektrische Element zu erleichtern; Fräsen des piezoelektrischen Substrats, um einen Abschnitt von mindestens einer der ersten Metallschichten und der zweiten Metallschicht freizulegen, um einen elektrischen Kontakt zu ermöglichen; Abscheiden einer ersten strukturierten Elektrode auf dem freiliegenden Abschnitt, um eine externe elektrische Verbindung mit der mindestens einen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht zu ermöglichen; und Abscheiden einer zweiten strukturierten Elektrode auf dem piezoelektrischen Element, wobei die zweite strukturierten Elektrode einen aktiven Bereich des Ultraschallwandlers definiert und konfiguriert ist, um eine externe elektrische Verbindung herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend: Fräsen des piezoelektrischen Substrats an einer Vielzahl von Stellen; und Aufteilen des Stapels durch mindestens eine der Vielzahl von Stellen, um individuelle Ultraschallwandler zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 9, worin die Aufteilung Kernbohrungen durch das Verzögerungsleitungssubstrat von mindestens einer der Vielzahl von Stellen beinhaltet.
Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers, wobei das Verfahren folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Verzögerungsleitungssubstrats; Bereitstellen eines piezoelektrischen Substrats als aktives Wandlerelement; Abscheiden einer Metallschicht auf entweder dem Verzögerungsleitungssubstrat oder dem piezoelektrischen Substrat; Verbinden des Verzögerungsleitungssubstrats mit dem piezoelektrischen Substrat, so dass sich die abgeschiedene Metallschicht zwischen dem Verzögerungsleitungssubstrat und dem piezoelektrischen Substrat befindet, um einen Stapel zu bilden und das Koppeln von Ultraschallwellen vom piezoelektrischen Element in die Verzögerungsleitung oder von der Verzögerungsleitung in das piezoelektrische Element zu erleichtern; Fräsen des piezoelektrischen Substrats, um einen Abschnitt von mindestens einer der ersten Metallschichten und der zweiten Metallschicht freizulegen, um einen elektrischen Kontakt zu ermöglichen; Abscheiden einer ersten strukturierten Elektrode auf dem freiliegenden Abschnitt, um eine externe elektrische Verbindung mit der mindestens einen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht zu ermöglichen; und Abscheiden einer zweiten strukturierten Elektrode auf dem piezoelektrischen Element, wobei die zweite strukturierte Elektrode einen aktiven Bereich des Ultraschallwandlers definiert und konfiguriert ist, um eine externe elektrische Verbindung herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Fräsen des piezoelektrischen Substrats an einer Vielzahl von Stellen erfolgt und das Verfahren nach Anspruch 9 ferner das Teilen des Stapels durch mindestens eine der Vielzahl von Stellen umfasst, um individuelle Ultraschallwandler zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 12, worin die Aufteilung Kernbohrungen durch das Verzögerungsleitungssubstrat von mindestens einer der Vielzahl von Stellen beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Fräsen des piezoelektrischen Substrats einen in einer Tiefe spitz zulaufenden Durchgang bildet.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Fräsen des piezoelektrischen Substrats einen ringförmigen Durchgang bildet, der zwei Seitenwände beinhaltet, die sich über eine volle Tiefe des Durchgangs erstrecken, und das Abscheiden der ersten strukturierten Elektrode das Abscheiden der ersten strukturierten Elektrode auf einer radial nach innen gerichteten Seitenwand der beiden Seitenwände umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Fräsen des piezoelektrischen Substrats einen ringförmigen Durchgang bildet, welches zwei Seitenwänden beinhaltet, die sich über eine volle Tiefe des Durchgangs erstrecken und das Abscheiden der ersten strukturierten Elektrode das Abscheiden der ersten strukturierten Elektrode auf beiden Seitenwänden umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Abscheiden der ersten strukturierten Elektrode die erste strukturierte Elektrode diskontinuierlich zwischen den beiden Seitenwänden abscheidet.