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Die Erfindung betrifft ein Basiswandlerelement für einen Ultraschallwandler aus einer Vielzahl von Basiswandlerelementen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Herstellungsverfahren für einen Ultraschallwandler aus Basiswandlerelementen.
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Ultraschallwandler werden in verschiedensten Anwendungen eingesetzt, beispielsweise der Objekterkennung oder der Durchflussmessung. Dabei werden die unterschiedlichsten Anforderungen an die Ultraschallwandler hinsichtlich Eigenschaften wie Größe oder Wandlerdurchmesser, Bündelung der Schallkeule, Frequenz, maximaler Schalldruck, Reichweite und Genauigkeit, Empfindlichkeit, bessere Eignung zum Senden oder Empfangen und dergleichen gestellt. Dies führt sogar schon bei ähnlichen Aufgaben zu zahlreichen Designvarianten, und dadurch existieren ganze Produktfamilien von Sensoren. Allein die Anmelderin verwendet in einem einzigen Anwendungsfeld der Erdgas-Durchflussmessung mehr als dreißig Ultraschallsondentypen. Eine gewisse Abhilfe können Multifrequenzwandler bieten, die durch Funktionsintegration die Eigenschaften mehrerer einfacher Ultraschallwandler vereinen. Das erhöht aber die Kosten bei immer noch begrenztem Spielraum.
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Neben den klassischen Bauformen werden Ultraschallwander auch mit MEMS-basierten Technologien (Micro-Electro-Mechanical Systems) aufgebaut. Dabei ist auch vorstellbar, zumindest Teile der Elektronik als ASIC zu integrieren. Ein Beispiel ist der Fingerabdrucksensor einiger Smartphones. Bei derartigen hochintegrierten Lösungen sind allerdings die Stückzahlen so hoch, dass es auf Flexibilität kaum noch ankommt.
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Die Herstellung von Ultraschallwandlern mit unterschiedlichen Designs ist kaum auf einem Wafer möglich, unter anderem weil alle Bereiche des Wafers denselben Abscheide- und Ätzprozessen unterworfen sind und damit die Schichtdicke und der Schichtaufbau kaum variiert werden kann. Vom blanken Silizium bis zum fertigen Ultraschallwandler kommen hunderte von Produktionsschritten zusammen, die einander auch gegenseitig beeinflussen. Ein einfaches Ändern oder Anpassen des Designs ist bei dieser Komplexität nicht möglich. Folglich ist die Halbleitertechnik bisher im Stand der Technik für nur eine Art oder wenige unterschiedliche Varianten eines Ultraschallwandlers geeignet, dies dann allerdings auch in großer Anzahl. Großflächige Ultraschallwandler mit Durchmessern im Millimeterbereich wiederum stellen eine Herausforderung dar, da durch Verunreinigungen und ähnliches praktisch nie der komplette Wafer funktionsfähig ist. Bei nur wenigen großen Chips auf einem Wafer wird die Ausbeute entsprechend gering.
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Somit kann die Halbleitertechnologie ihre Stärken, die in der Massenproduktion eines einzelnen Designs vorzugsweise begrenzter Abmessungen liegen, für die zahllosen benötigten Ultraschallwandlervarianten bisher nicht richtig ausspielen.
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Es finden sich zahlreiche Dokumente im Stand der Technik, die sich mit Matrixanordnungen von Ultraschallwandlerelementen befassen. Die
EP 3 246 701 A1 offenbart einen entsprechenden Phased-Array-Ultraschallwander. Aus der
EP 3 401 024 A1 ist ein Montageträger bekannt, wobei auf einem Substrat eine Vielzahl von Ultraschallwandlern zu einer Matrix angeordnet werden. Die
WO 2004/064620 A2 stellt eine Treiberschaltung eines Ultraschallwandlers für ein diagnostisches Ultraschallbildgebungssystem mit einem Array von Wandlern vor. In der
WO 2017/196895 A1 werden piezoelektrische Ultraschallwandler in einem Array eingesetzt, wobei einzelne Gruppen elektrisch verbunden und andere elektrisch isoliert beziehungsweise manche Wandlerelemente mit zwei Elektroden gegenphasig angesteuert werden können. Nach der
WO 2016/187480 A1 ist es möglich, den als Zellen bezeichneten Wandlerelementen verschiedenste Formen zu geben, wie Rechtecke, Kreise, Sechsecke, irreguläre Polygone auch mit kurvenförmigen Kanten. Diese können dann auch in verschiedensten Mustern angeordnet werden. Es wird allerdings nicht gesagt, welchen Vorteil die eher exotischen unter diesen Anordnungen haben und wie dies einfach hergestellt werden könnte.
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In allen diesen Fällen können Abwandlungen nur durch ein jeweils eigenes Design geschaffen werden. Die fehlende Flexibilität eines Halbleiterprozesses für eine Vielzahl unterschiedlicher Ultraschallwandler ist somit nicht überwunden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen flexibel einsetzbaren Ultraschallwandler zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Basiswandlerelement für einen Ultraschallwandler aus einer Vielzahl von Basiswandlerelementen nach Anspruch 1 sowie ein Herstellungsverfahren für einen Ultraschallwandler aus Basiswandlerelementen gelöst. Das Basiswandlerelement ist ein modulartiger Baustein. Aus einer Vielzahl solcher Basiswandlerelemente können modular verschiedenste Ultraschallwandler mit jeweils gewünschten Eigenschaften aufgebaut werden. Das Basiswandlerelement weist ein Schwingelement auf, insbesondere eine schwingfähige Membran. Je nachdem, ob das Basiswandlerelement in einem bestimmten Moment als Sender oder als Empfänger arbeitet, wird das Schwingelement durch ein Treibersignal zum Schwingen angeregt, oder das Schwingen des Schwingelements erzeugt umgekehrt ein elektronisches Empfangssignal. Das Basiswandlerelement besitzt ferner einen Anschluss, an dem das Treibersignal angelegt beziehungsweise das Empfangssignal ausgegeben werden kann.
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Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, das Basiswandlerelement für das flexible Zusammenfügen mit anderen Basiswandlerelementen auszurüsten. Dazu besitzt es mindestens einen Kontakt, der insbesondere auch als der Anschluss für das Treibersignal und das Empfangssignal fungiert. Der Kontakt muss aber in einer Anordnung einer Vielzahl von Basiswandlerelementen nicht bei allen Basiswandlerelementen zur gegenseitigen Verbindung genutzt sein. Das gilt insbesondere für Basiswandlerelemente am Rand der Anordnung, bei denen der Kontakt freibleiben oder für den Anschluss an eine übergeordnete Elektronik genutzt werden kann. Die Besonderheit des Basiswandlerelements ist, dass es nicht gleich in der endgültigen Anordnung und mit den gegenseitigen Verbindungen eines herkömmlichen Wandlerarrays hergestellt wird. Eine solche herkömmliche Matrixanordnung ist per Design festgelegt und nach der Herstellung nicht mehr variabel. Das erfindungsgemäße Basiswandlerelement ist dazu im Gegensatz zumindest vorübergehend, d.h. zumindest nach der Herstellung und vor dem Zusammenfügen in der Zielanordnung, ein isoliertes und modulares Bauteil. Im Falle eines Halbleiterbauteils ist dieser isolierte Zustand nach dem Sägen des Wafers erreicht, das die einzelnen Basiswandlerelemente voneinander trennt, und nicht wie herkömmlich den Wafer in jeweilige Matrixanordnungen von Wandlerelementen als Ganzes zerteilt. Die Basiswandlerelemente können quasi als Transducer-Bricks oder eine Art Lego-Steine verstanden werden, aus denen modular nahezu beliebige Ultraschallwandler aufgebaut und auch umgebaut werden können.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass aus einer Vielzahl von Basiswandlerelementen sehr einfach ein Ultraschallwandler mit einem breiten Spektrum von Eigenschaften entsteht.
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Diese Eigenschaften sind veränderbar, ohne gleich den kompletten Ultraschallwandler austauschen zu müssen. Dabei sind die Basiswandlerelemente sehr einfach über ihre Kontakte miteinander zu koppeln und können dabei für praktische Belange nahezu beliebig angeordnet werden. Ein Ultraschallwandler aus erfindungsgemäßen Basiswandlerelementen ist folglich weder als unveränderliche Einheit noch als bloße lose Anordnung unabhängiger Ultraschallwandler zu verstehen, so dass Positionierung und Synchronisation sehr leicht möglich ist. Somit wird durch das erfindungsgemäße Basiswandlerelement sehr effizient, preisgünstig und flexibel aus nur einem Design eine Unzahl von verschiedensten Ultraschalwandlern möglich. Zugleich ist eine Erweiterbar- beziehungsweise Anpassbarkeit gegeben, indem die Anordnung verändert wird, so dass schnell auf geänderte Anforderungen reagiert werden kann.
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Ein Basiswandlerelement kann auch mehrere Schwingelemente beziehungsweise Membrane oder Zellen aufweisen. Dann ist der kleinste modulare Block nicht eine einzelne Membran, sondern diese Mehrfachanordnung. Die mehreren Schwingelemente wirken effektiv als ein gemeinsames entsprechend größeres Schwingelement, so dass sich dadurch die diskutierten Eigenschaften des Basiswandlerelements nicht grundsätzlich ändern.
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Das Basiswandlerelement ist bevorzugt ein MEMS-Bauteil oder ein Halbleiterbauteil. Dadurch ist es einfach möglich, sehr reproduzierbare Eigenschaften und untereinander kompatible Basiswandlerelemente zu erhalten. Außerdem kann besonders effizient eine Massenherstellung einer großen Anzahl von Basiswandlerelementen erfolgen. Dabei ist anzumerken, dass ein Ultraschallwandler aus Basiswandlerelementen nicht zwingend aus nur einem Typ von Basiswandlerelementen aufgebaut sein muss. Es ist denkbar, einige wenige, also zwei bis vier und höchstens zehn, unterschiedliche Typen von Basiswandlerelementen miteinander zu kombinieren, die dann natürlich auch untereinander kompatibel sein müssen.
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Zwei bevorzugte Ausformen sind PMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer) oder CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer). Dies ist an sich bekannt und bewährt, wird aber herkömmlich nicht modular eingesetzt. Vielmehr wird eine vollständige Anordnung aus einer Vielzahl solcher MUT-Zellen entsprechend einem bestimmten Ultraschallwandler in einem Halbleiterprozess gefertigt, mit allen einleitend genannten Nachteilen hinsichtlich Flexibilität und Ausschuss.
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Das Basiswandlerelement weist bevorzugt eine laterale Ausdehnung in der Größenordnung der Wellenlänge des Ultraschallwandlers oder eines Bruchteils davon auf. Die laterale Richtung ist diejenige in der Ebene des Schwingelements beziehungsweise der Membran, die dazu senkrechte Richtung bezeichnet die Dicke und auch die Hauptrichtung des Ultraschalls. In der Größenordnung bedeutet, dass ein kleines Vielfaches von höchstens zehn, vorzugsweise weniger denkbar ist, während ein Bruchteil einen Faktor wie 2/3, 1/2, 2/5... 1/10 und noch weniger bezeichnet. Die Dicke kann nochmals geringer sein, in typischen Halbleitergrößen von wenigen µm mit einer Membran von beispielsweise nur 1 µm Dicke und einem Vakuumspalt in der Größenordnung von 100 nm. Die Basiswandlerelemente müssen natürlich kleiner sein als der Ultraschallwandler, der ja aus einer Vielzahl dieser Basiswandlerelemente besteht. Sie sollten aber auch möglichst klein sein, um auf einem Wafer eine besonders hohe Ausbeute zu erzielen.
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Das Basiswandlerelement weist bevorzugt eine laterale Ausdehnung von höchstens 1 mm, höchstens einigen 100µm, höchstens 100µm oder noch weniger auf. Das sind Zahlenwerte nun in absoluten Einheiten und nicht relativ zur Wellenlänge. Zur Illustration würde bei Ultraschall mit einer Frequenz von 400 kHz die Wellenlänge 800 µm betragen, somit lägen die genannten Zahlenwerte in der Größenordnung der Wellenlänge beziehungsweise bei einem Bruchteil davon und würden damit sogar beide Anforderungen erfüllen.
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Das Basiswandlerelement weist bevorzugt eine rechteckige, quadratische oder hexagonale Grundfläche auf. Diese Form bezieht sich wieder auf die lateralen Dimensionen. Mit einer derartigen Grundfläche sind sowohl die Herstellung als auch das Zusammenfügen zu Anordnungen auch einer größeren Fläche besonders einfach.
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Das Basiswandlerelement weist bevorzugt eine Treiber- und/oder Ausleseschaltung auf. Zumindest ein Teil der Elektronik ist folglich bereits in das Basiswandlerelement integriert. Eine mögliche Ausgestaltung ist diejenige als ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) auf der Unterseite mittels Durchkontaktierungen („through silicon vias“). Denkbar ist auch, diese Schaltungen auf einem zweiten Chip unterzubringen und mit dem Chip des Schwingelements zu verbinden, etwa durch Flip-Chip-Bonding.
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Das Basiswandlerelement weist bevorzugt mehrere Kontakte zum Zusammenschalten mit weiteren Basiswandlerelementen in mehrere oder alle lateralen Richtungen auf.
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Durch diese seitlichen Kontakte wird eine einfache Kopplung und ein beliebiges Zusammenfügen in einer Ebene in X-Richtung und Y-Richtung möglich. Insbesondere bei einer Rechteckform sind Kontakte an zwei gegenüberliegenden Kanten für eine Reihenanordnung oder sogar allen vier Kanten denkbar. Ein Kontakt kann aus mehreren einzelnen Kontaktbereichen bestehen, insbesondere zwei zum Schließen eines Signalkreises.
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Die Kontakte sind bevorzugt als einfache Verbindungen zum Durchschleifen des Treibersignals und/oder des Empfangssignals ausgebildet. Die Basiswandlerelemente sind dann parallelgeschaltet und bekommen das gleiche Treibersignal beziehungsweise erzeugen ein gemeinsames Empfangssignal. Dann reichen einfache seitliche Metallisierungen oder dergleichen als Kontakt aus, die Kontakte bilden keinerlei komplexere Form einer Schnittstelle.
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Alternativ sind die Kontakte zum Verbinden einer Busleitung ausgebildet. Die Basiswandlerelemente weisen dann vorzugsweise eine entsprechende Buselektronik auf. So kann ein digitaler Bus die jeweilige Elektronik der Basiswandlerelemente gezielt ansprechen. Das ermöglicht auch, einzelne Basiswandlerelemente unterschiedlich anzusteuern beziehungsweise ein- und auszuschalten, so dass sich sogar innerhalb einer bereits bestehenden Anordnung die Flexibilität nochmals erhöht.
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Die Kontakte sorgen vorzugsweise auch für eine mechanische Verbindung beispielsweise durch Zusammenstecken. Prinzipiell wäre aber auch eine nur lose, mechanisch unabhängige Anordnung bei lediglich elektronischer Kopplung denkbar.
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In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird ein Ultraschallwandler aus einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Basiswandlerelementen nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaut. Der Ultraschallwandler kann durch Anzahl und Anordnung der Basiswandlerelemente für eine große Spanne an Anforderungen und Änderungen angepasst werden. Dabei ist ebenso denkbar, dass die einzelnen Basiswandlerelemente wie in einem phased array einzeln angesteuert werden, wie dass sich insgesamt effektiv ein einzelner, größerer Einzelwandler ergibt.
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Die Verbindungen zwischen den Basiswandlerelementen sind vorzugsweise lösbar. Die Basiswandlerelemente können somit neu zu einem anderen Ultraschallwandler zusammengelegt, -gefügt oder -gesteckt werden.
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Die Basiswandlerelemente sind vorzugsweise untereinander gleichartig. Insbesondere stammen die Basiswandlerelemente aus dem gleichen Halbleiterprozess, vorzugsweise sogar einer Charge, einem Nutzen oder einem Wafer. Wie schon erwähnt, ist auch denkbar, dass es einige wenige Typen unterschiedlicher Basiswandlerelemente gibt, wobei dann die Basiswandlerelemente innerhalb eines Typs untereinander gleichartig sind. Dabei sind insbesondere etwas größere Bausteine denkbar, die bereits in einem dann nicht mehr trennbaren Modul einer 1x2-, 2x2- oder einer ähnlichen Anordnung entsprechen.
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Der Ultraschallwandler weist bevorzugt mindestens 10, mindestens 100 oder mindestens 1000 Basiswandlerelemente auf, insbesondere in beiden lateralen Richtungen. In dem bereits verwendeten Zahlenbeispiel bei Ultraschall von 400 kHz beträgt die Wellenlänge 800 µm. Um auf einen Durchmesser von mehreren Millimetern zu kommen, sind daher bei Basiswandlerelementen mit Ausdehnungen in der Größenordnung der Wellenlänge oder eines Bruchteils davon dutzende, hunderte oder sogar viele tausend Basiswandlerelemente miteinander zu kombinieren.
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Die Basiswandlerelemente bilden bevorzugt eine Reihenanordnung, eine Matrixanordnung oder ein zweidimensionales Muster. Die Basiswandlerelemente lassen praktisch jede Variante von Flächen- und gegebenenfalls sogar dreidimensionalen Anordnungen zu. Dadurch entsteht eine enorme Flexibilität. Eine bevorzugte Ausführungsform ordnet unterschiedliche Typen von Basiswandlerelementen alternierend an, so dass bestimmte Eigenschaften über die Fläche des Ultraschallwandlers verteilt zur Verfügung stehen. Als Beispiel sei ein Schachbrettmuster mit je einen für das Senden und eine für das Empfangen Typ von Basiswandlerelement genannt.
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Bei dem Herstellungsverfahren der Erfindung wird eine beliebige Anzahl von Basiswandlerelementen zu einer gewünschten Reihenanordnung, einer Matrix oder einem zweidimensionalen Muster zusammengelegt, -gefügt oder -gesteckt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Basiswandlerelements;
- 2 eine Schnittdarstellung eines PMUT zur Erläuterung dieses Wandlerprinzips in drei Schritten;
- 3 eine Schnittdarstellung eines CMUT zur Erläuterung dieses Wandlerprinzips in zwei Schritten;
- 4 eine Schnittdarstellung einer Anordnung mehrerer Basiswandlerelemente gemäß 1 zu einem Ultraschallwandler;
- 5 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Basiswandlerelements mit mehreren Membranen;
- 6 eine Schnittdarstellung einer Anordnung mehrerer Basiswandlerelemente gemäß 5 zu einem Ultraschallwandler;
- 7 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Basiswandlerelements mit integrierter Elektronik;
- 8 eine Schnittdarstellung einer Anordnung mehrerer Basiswandlerelemente gemäß 7 zu einem Ultraschallwandler;
- 9 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Basiswandlerelements mit integrierter Elektronik und mehreren Membranen;
- 10 eine Schnittdarstellung einer Anordnung mehrerer Basiswandlerelemente gemäß 9 zu einem Ultraschallwandler;
- 11 eine Draufsicht auf einen Ultraschallwandler aus vier matrixartig angeordneten Basiswandlerelementen; und
- 12 eine Draufsicht auf einen Ultraschallwandler aus mehreren T-förmig angeordneten Basiswandlerelementen.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Basiswandlerelements 10 zur Erzeugung und/oder zum Empfang von Ultraschall. Die Darstellung des Basiswandlerelements 10 in 1 und auch den 4 bis 10 ist an ein CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer) angelehnt, dessen Funktionsprinzip später unter Bezugnahme auf 3 kurz erläutert wird. Dies ist aber beispielhaft zu verstehen, die Erfindung ist darauf aber nicht beschränkt und insbesondere auch mit einem unter Bezugnahme auf die 2 noch zu erläuternden PMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer) oder einem sonstigen Arbeitsprinzip umsetzbar.
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Das Basiswandlerelement 10 weist eine schwingfähige Membran 12 über einem Hohlraum 14 und einem unteren leitfähigen Substrat 16 auf. Die Darstellung ist nichtmaßstabstreu, insbesondere die Dicke oder Höhe des Hohlraums ist im Vergleich zur Breite übertrieben. Weiterhin wird der Begriff Membran stellvertretend für den Schwingkörper des Basiswandlerelements 10 verwendet, ohne damit zwingend die Beschränkung auf eine bestimmte Bauform festzulegen. Etwas allgemeiner kann die Membran daher auch als Schwingelement bezeichnet werden. Über seitliche Kontakte 18 sind die Membran 12 und das untere Substrat 16 mit Signalleitungen verbindbar, die gleichsam zwei Elektroden des Basiswandlerelements 10 bilden. Wird an den Kontakten 18 ein entsprechendes Treibersignal angelegt, so versetzt das die Membran 12 in Schwingungen, die den Ultraschall erzeugen. Umgekehrt wird die Membran 12 auch durch auftreffenden Ultraschall in Schwingungen versetzt und erzeugen dadurch ein elektrisches Empfangssignal.
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Die Kontakte 18 können nicht nur an eine Signalquelle oder Ausleseelektronik angeschlossen werden. Sie sind vielmehr auch dafür ausgebildet, in einer Anordnung mehrerer baugleicher oder jedenfalls kompatibler Basiswandlerelemente 10 eine elektrische und möglicherweise auch mechanische Verbindung zwischen den jeweiligen Nachbarn zu bilden. Die Kontakte 18 können lediglich die Treibersignale beim Erzeugen von Ultraschall beziehungsweise die Empfangssignale bei Empfang von Ultraschall durchleiten. Sie können aber auch beispielsweise eine Busleitung bilden. Außerdem ist eine mechanische Ausprägung denkbar, mit der Basiswandlerelemente 10 vorzugsweise reversibel mechanisch aneinandergekoppelt werden, beispielsweise zusammengesteckt.
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Auf diese Weise können aus modularen Basiswandlerelementen 10 durch beliebige Anzahlen und Anordnungen verschiedenste Ultraschallwandler aufgebaut werden. Dadurch ist eine Anpassung der Ultraschallwandler an diverse Eigenschaften möglich, wie Größe oder Wandlerdurchmesser, Bündelung der Schallkeule, Frequenz, maximaler Schalldruck, Reichweite und Genauigkeit, Empfindlichkeit, bessere Eignung zum Senden oder Empfangen und dergleichen. Ein solcher Ultraschallwandler wird dann für eine praktisch beliebige Ultraschallanwendung eingesetzt, etwa zur Objekterkennung oder Durchflussmessung.
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2 zeigt in drei Schritten schematische Schnittdarstellungen zur Erläuterung eines möglichen Funktionsprinzips der Basiswandlerelemente 10 auf Siliziumbasis (MEMS, Micro Electro-Mechanical Systems). Die piezoelektrische Variante der 2 ist ein PMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer). Die Membran 12 ist über dem Hohlraum 14 mit einem Vakuum angeordnet. Als die beiden an die Kontakte 18 angeschlossenen Elektroden fungieren hier eine obere Schicht 20 und eine untere Schicht 22 der Membran 12. Dazwischen befindet sich eine Zwischenschicht 24 piezoaktivem Material.
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Das Ziel ist, die Membran 12 durch Anlegen eines Treibersignals an die obere Schicht 20 und die untere Schicht 22 in resonante Schwingungen zu versetzen. Im oberen Teil der 2 befindet sich die Membran 12 in ihrer neutralen Ausgangsstellung, wo sie aufgrund des Luftdrucks und der Art der Fertigung etwas durchgebogen ist. Werden nun an die Schichten 20, 20 Spannungen gegensätzlicher Polarität angelegt, so verkürzt sich die piezoelektrische Zwischenschicht 24, wie in der Mitte der 2 gezeigt, und verlängert sich bei Umkehrung der Spannungen, wie unten in der 2 gezeigt.
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Unter Wechselspannung spannt und entspannt somit die Membran 12 abwechselnd und bewegt sich damit in Lotrichtung, so dass ein der Frequenz der Wechselspannung entsprechender Ultraschall erzeugt wird. Im Empfangsmodus wird sich in Umkehrung dieses Prozesses durch Ultraschall die Membran 12 abwechselnd durchbiegen und nicht durchbiegen und eine entsprechende Wechselspannung erzeugen.
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3 zeigt in zwei Schritten schematische Schnittdarstellungen zu Erläuterung einer weiteren nun kapazitive Variante als CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer). Die Membran 12 aus leitfähigem Material und das leitfähige Substrat 16 mit dem Spalt oder Hohlraum 14 dazwischen bilden praktisch einen Kondensator. In der oben in 3 gezeigten neutralen Ausgangsstellung ist die Membran 12 nahezu unverformt. Wird zischen der Membran 12 und dem leitfähigen Substrat 16 wie unten in 3 gezeigt eine Spannung angelegt, so wird, da das leitfähige Substrat 16 kaum flexibel ist, die dünne Membran 12 nach unten gezogen und verformt sich entsprechend. Ohne Spannung kehrt die Membran 12 in den unverformten Ausgangszustand zurück. Eine Wechselspannung insbesondere durch zyklisches An- und Ausschalten bewirkt somit eine zykllische Verformung und damit die Abstrahlung von Ultraschall, und erneut ist dieser Prozess zum Empfangen von Ultraschall umkehrbar.
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Das Basiswandlerelemente 10 wird vorzugsweise in einem Halbleiterprozess durch Schritte wie Abscheiden und Wegätzen von Schichten auf einem Siliziumwafer hergestellt. Die Dimensionen sind typischerweise sehr klein, je nach angestrebter Resonanzfrequenz mit Durchmessern im Bereich beispielsweise von zehn oder hunderten Mikrometern, einer Gesamtdicke von wenigen Mikrometern und einzelnen Schichtdicken im Nanometerbereich. Dabei lassen sich auf einem einzelnen Wafer hunderte bis tausende Basiswandlerelemente 10 mit einem Mal fertigen. Anschließend wird der Wafer gesägt, und damit werden die Basiswandlerelemente 10 vereinzelt.
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4 zeigt einen Ultraschallwandler 100 aus einer Mehrfachanordnung von Basiswandlerelementen 10. Die Basiswandlerelemente 10 werden über ihre Kontakte 18 miteinander verbunden. Die Reihenanordnung der 4 ist ebenso beispielhaft wie die Anzahl von lediglich drei dargestellten Basiswandlerelementen 10. Ein Basiswandlerelement am Rand der Anordnung ist mit seinen Kontakten 18 an eine Signalquelle 26 angeschlossen. Die Signalquelle 26 steht stellvertretend auch für eine Ausleseschaltung bei Ultraschallempfang. Der Signalkreis ist natürlich im nicht mehr gezeigten Bereich des Ultraschallwandlers 100 beispielsweise an einem anderen Rand zu schließen.
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Wie schon erwähnt, sind die einzelnen Basiswandlerelemente 10 sehr klein insbesondere in der Größenordnung Wellenlänge des Ultraschalls oder noch kleiner. Praktisch ist es jedoch ineffizient, einen Ultraschallwandler 100 kleiner als die halbe Wellenlänge des ausgesandten Ultraschalls auszulegen. Um eine gerichtete Abstrahlung zu erreichen, sind Ultraschallwandler 100 normalerweise sogar um ein Vielfaches größer als die Wellenlänge. Bei einer Ultraschallfrequenz von 400 kHz beispielsweise beträgt die Wellenlänge in Luft 800 µm, und damit wäre eine beispielhafte geeignete Ausdehnung des Ultraschallwandlers 5 mm. Mit den oben diskutierten Dimensionen eines Basiswandlerelements 10 werden dementsprechend viele Basiswandlerelemente 10 nebeneinander angeordnet und über ihre Kontakte 18 miteinander verbunden, um einen Ultraschallwandler 100 mit gewünschten Eigenschaften zu bilden.
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5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des Basiswandlerelements 10. Im Unterschied zu 1 weist das Basiswandlerelement 10 die Struktur aus Membran 12, Hohlraum 14 und unterem leitfähigem Substrat 16 doppelt auf. Das Basiswandlerelement 10 umfasst somit schon selbst zwei Sub-Wandlerelemente oder Zellen. Dadurch können die einzelnen Strukturen kleiner gefertigt und dennoch in einer gewissen Größe in einem Basiswandlerelement 10 zusammengefasst werden.
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Die Anzahl von zwei solchen Zellen ist beispielhaft. Allerdings wird diese Anzahl recht klein bleiben. Weiterhin soll das Basiswandlerelement 10 eigenständig noch keinen Ultraschallwandler 100 bilden, sondern dazu werden vielmehr wie in 6 in Analogie zu 4 gezeigt Anordnungen aus zahlreichen Basiswandlerelementen 10 gebildet. Das Basiswandlerelement 10 der 1 bildet praktisch ein 1x1-Modul, während 5 ein 1x2-Modul zeigt. Es sind auch 1x3, 2x2 und dergleichen Module denkbar, aber nicht fertige, als Ultraschallwandler designte Gesamtanordnungen mit hunderten oder gar tausenden Zellen. Solche Anzahlen werden erfindungsgemäß nur durch Zusammenfügen von Basiswandlerelementen 10 erreicht.
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7 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des Basiswandlerelements 10. Im Unterschied zu 1 weist das Basiswandlerelement 10 hier eine eigene integrierte Elektronik beziehungsweise ASICs (Application-Specific Integrated Circuit) auf, die beispielhaft als Funktionsblöcke einer analogen Stufe 28 und einer Logikeinheit 30 gezeigt sind. Diese integrierte Elektronik kann beispielsweise in CMOS-Technik realisiert und über Techniken wie through silicon vias oder flip-chip-Bonding im gleichen Wafer oder auf einem zweiten Wafer an der Unter- oder Rückseite des Basiswandlerelements 10 untergebracht werden.
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8 zeigt einen entsprechenden Ultraschallwandler 100 aus Basiswandlerelementen 10 mit integrierter Elektronik. An einem der Basiswandlerelemente 10 sind eine Spannungsquelle 32 und einer Ansteuer- und Ausleseelektronik 34 angeschlossen, die für übergeordnete Funktionen zuständig ist und deren letzte, individuelle Stufe die jeweils integrierte Elektronik der Basiswandlerelemente 10 bildet.
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Die 9 und 10 illustrieren eine weitere Ausführungsform. Hierweisen die Basiswandlerelemente 10 zugleich wie in 5 mehrere Sub-Wandlerelemente oder Zellen und wie in 7 eine integrierte Elektronik auf.
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11 zeigt ein Beispiel eines Ultraschallwandlers 100 mit einer flächenfüllenden Matrixanordnung von Basiswandlerelementen 10. Eine 2x2-Matrix steht dabei stellvertretend für beliebige n-m-Matrizen. 12 zeigt ein weiteres Beispiel mit einer T-förmigen Geometrie. Beide Beispiele sind in keiner Weise einschränkend. Aus den Basiswandlerelementen 10 können beliebige Reihenanordnungen und zweidimensionale Muster gebildet werden, seien es Rechtecke, Kreise, Ellipsen oder unregelmäßige Formen, womöglich auch dreidimensionale Strukturen. Die rechteckige oder quadratische Form der Basiswandlerelemente 10 ist bevorzugt, weil sie fertigungstechnisch am einfachsten ist und auch das Zusammensetzen erleichtert, ohne dass es praktischen Einschränkungen der erreichbaren Muster gibt. Dennoch wären Abweichungen von dieser Form vorstellbar, wobei besonders eine hexagonale Form mit ähnlichen Vorteilen zu nennen wäre.
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Dabei muss nicht unbedingt nur ein bestimmtes Zieldesign eines Ultraschallwandlers 100 aufgebaut werden, sondern es sind auch Anpassungen durch Umordnen, Entfernen oder Hinzufügen von Basiswandlerelementen 10 vorstellbar. Dementsprechend sind die Verbindungen zwischen Basiswandlerelementen 10 vorzugsweise wieder lösbar. Wird beispielsweise eine schmalere, gerichtetere Schallkeule benötigt, werden außen einfach Basiswandlerelemente 10 ergänzt, oder umgekehrt werden für eine breitere Schallkeule Basiswandlerelemente am Rand entfernt. Es ist sogar denkbar, dass eine angeschlossene Elektronik die neue Konfiguration erkennt und daraus eine Charakteristik des Gesamtsystems berechnet beziehungsweise sich entsprechend umparametriert, um ihre Ansteuerungen und Auswertungen anzupassen.
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Funktional kann ein aus Basiswandlerelementen 10 zusammengesetzter Ultraschallwandler 100 ebenso als Einzelwandler wie als Array-Anordnung mit einzeln oder gruppenweise ansprechbaren Basiswandlerelementen 10 eingesetzt sein. Dabei können insbesondere Bereiche gezielt aktiviert und deaktiviert werden, um eine gewisse Anpassung auch ohne Umbau der Anordnung zu ermöglichen.
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In den bisherigen Ausführungsformen wurden jeweils nur Anordnungen aus untereinander identische Basiswandlerelemente 10 gebildet. Es ist aber auch denkbar, verschiedene Ausführungsformen von Basiswandlerelementen 10 zu kombinieren, insbesondere solche mit unterschiedlicher Anzahl von Sub-Wandlerelementen oder Zellen wie vorgestellt oder etwa um bei unterschiedlichen Frequenzen arbeiten zu können. Solche Mischformen sind aber auf wenige, also zwei bis vier oder höchstens bis zu zehn Typen von Basiswandlerelementen 10 begrenzt, da ansonsten der Vorteil des legoartigen modularen Zusammenfügens einfacher universeller Bausteine aufgeweicht wird oder verloren geht. Eine vorteilhafte Ausführungsform mit zwei unterschiedlichen Typen von Basiswandlerelementen 10 vermischt für das Senden optimierte Basiswandlerelemente 10 und für das Empfangen optimierte Basiswandlerelemente 10. Diese werden dann bevorzugt alternierend angeordnet, beispielsweise in einem Schachbrettmuster.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3246701 A1 [0006]
- EP 3401024 A1 [0006]
- WO 2004/064620 A2 [0006]
- WO 2017/196895 A1 [0006]
- WO 2016/187480 A1 [0006]
