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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Anpaß- oder
Dämpfungsschicht
oder einer akustischen Linse für
eine Ultraschall-Wandleranordnung, wobei die Anpaß- oder
Dämpfungsschicht
oder akustische Linse aus einem Verbund von Metallteilchen und einem
Kunststoff besteht, der Zwischenräume zwischen den Metallteilchen
ausfüllt.
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In
der Ultraschalltechnik werden Funktionsschichten verwendet, um das
akustische Abstrahl- oder Empfangsverhalten von Wandleranordnungen zu
verbessern.
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So
werden akustische Anpassungsschichten eingesetzt, um außerhalb
eines Untersuchungsobjekts Reflextionen an Grenzflächen zweier
Materialien mit unterschiedlicher Impedanz zu vermindern bzw. um
möglichst
verlustfrei Ultraschallenergie vom Wandlerteil in das Untersuchungsobjekt
und zurück zu übertragen.
Eine als Anpaßschicht
wirkende Funktionsschicht der eingangs genannten Art ist aus der
US-PS 4 717 851 bekannt.
Die Anpaßschicht wird
zur akustischen Anpassung der Ultraschall-Wandleranordnung an das
Untersuchungsobjekt oder ein akustisches Fortpflanzungsmedium im Schallweg
angeordnet, wobei deren Dicke ein viertel der in der Schicht auftretenden
Wellenlänge
der akustischen Wellen (λ/4-Schicht)
und deren akustische Impedanz zwischen der der Wandleranordnung und
der des Untersuchungsobjekts oder Fortpflanzungsmediums liegt. Üblich sind
Anpassungsschichten aus einem Kunstharz, wie z.B. Epoxidharz, worin kleinste
Teilchen eines mineralischen oder metallischen Materials eingebettet
sind. Die akustische Impedanz der Anpassungsschicht wird dabei im
wesentlichen über die
Menge und der Art der hinzugefügten
Teilchen eingestellt. Es kann jedoch nicht in jedem Fall über größere Volumenbe reiche
eine gleichmäßige Verteilung
der Teilchen im Kunstharz erreicht werden. Dadurch ist die Reproduzierbarkeit
der funktionsbestimmenden akustischen Eigenschaften begrenzt. Hinzu
kommt, daß unter
Umständen
Inhomogenitäten
und Störstellen
in Kauf genommen werden müssen.
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Eine
als Dämpfungsschicht
wirkende akustische Funktionsschicht der eingangs genannten Art ist
in dem Artikel von Kossoff mit dem Titel: "The Effects of Backing and Matching
on the Performance of Piezoelectric Ceramic Transducers", erschienen in IEEE
Transactions on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-13, No. 1, March
1966, pp. 20–31,
beschrieben. Die Rückseite
eines PZT-Wandlerteils (d.h. keramischen Wandlerteils) ist akustisch
mit einem Dämpfungskörper gekoppelt,
um die nach hinten abgestrahlte, Schallenergie zu absorbieren. Der
Dämpfungskörper kann
aus einem Epoxidharz bestehen, worin Metallteilchen als Füllstoffe
eingebracht sind. Die sich einstellende Packungsdichte und die Verteilung
der Füllstoffe
im Dämpfungskörper ist
jedoch schlecht zu steueren bzw. einzustellen. Für die Funktion des Dämpfungskörpers maßgebende
Parameter variieren herstellungsbedingt. Dämpfungskörper mit reproduzierbaren Eigenschaften
wären wünschenswert.
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Ebenfalls
als Funktionsschicht, die das akustische Verhalten eines Wandlers
verändern,
sind akustische Linsen anzusehen. Sehr oft werden Sammellinsen zur
Fokussierung der Ultraschallstrahlung eingesetzt.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anpaß- oder
Dämpfungsschicht
oder eine akustische Linse anzugeben, wobei sich die Struktur und
das Verhältnis
verwendeter Verbundmaterialien auch in kleinsten Bereichen der Schicht
definiert einstellen und damit über
die gesamte Schicht gezielt variieren lassen.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß mehrere
Kunststoffschichten übereinander
angeordnet werden, aus denen jeweils mit einem aus der Halbleitertechnik
bekannten lithographischen Verfahren Bereiche entfernt werden, die
galvanisch mit einem Metall aufgefüllt werden, wobei die galvanisch
aufgefüllten
Bereiche die Metallteilchen bilden. Damit läßt sich die Struktur und das
Verhältnis
der beteiligten Verbundmaterialien innerhalb der Funktionsschicht
gezielt variieren. Mit diesem Verfahren können sehr dünne, d. h. kleiner als 10 μm dicke,
Anpaßschichten mit
einstellbarer Impedanz für
Ultraschallwandler bis über
50 MHz Arbeitsfrequenz hergestellt und aufgebracht werden. Zudem
kann innerhalb der Funktionsschicht die Impedanz variiert werden
(Gradientenschicht). Es bietet sich außerdem die Möglichkeit,
in der Anpaßschicht
durch Variation des Elastizitätsmoduls
und damit der Schallgeschwindigkeit bei konstanter akustischer Impedanz
eine akustische Linse mit z.B. fokussierender Wirkung zu realisieren.
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Das
Elastizitätsmodul
der Funktionsschicht kann insbesondere dadurch variiert werden,
wenn zumindest ein Teil der Metallteilchen in einer der Kunststoffschichten
durch eine galvanisch auf die Kunststoffschicht aufgetragene Metallschicht
verbunden werden.
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Insbesondere
sehr dünne
Schichten, wie sie für
Wandler mit über
20 MHz Arbeitsfrequenz nötig sind,
lassen sich herstellen, wenn gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die erste Kunststoffschicht
der Funktionsschicht auf eine Elektrode eines elektroakustischen
Wandlerelements aufgebracht wird. Bei der Herstellung müssen somit
keine seperat hergestellten dünnen
Funktionsschichten, die entsprechend bruchempfindlich wären, verarbeitet
werden.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von sieben Figuren erläutert. Es
zeigen:
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1 bis 4 die grundsätzlichen Verfahrensschritte
zur Herstellung einer Schicht mit definiert eingebetteten Metallteilchen,
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5 einen Ausschnitt eines
diagnostischen Ultraschallwandlers mit Anpaßschicht für eine Arbeitsfrequenz von
50 MHz,
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6 einen Ausschnitt einer
Gradienten-Anpaßschicht
für ein
diagnostisches lineares Array mit einer Arbeitsfrequenz von 7,5
MHz,
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7 einen Ausschnitt einer
Anpaßschicht mit
ortsabhängigem
Elastizitätsmodul.
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Das
Charakteristische des im folgenden beschriebenen Verfahrens besteht
darin, daß in
einer Verbund-Funktionsschicht die Verteilung zweier Materialien,
nämlich
die Verteilung von Metallteilchen in einem Kunststoff, vorgebbar
und im Herstellungsprozeß genau
reproduzierbar ist. Dabei kann die akustische Impedanz der Funktionsschicht
durch das Verhältnis
der beiden Materialien festgelegt werden. Andererseits kann über eine
Vernetzung bzw. Verbindung der Metallteilchen untereinander das
Elastizitätsmodul – auch bei
konstanter Impedanz – variiert und
damit die Schallgeschwindigkeit beeinflußt werden. Durch Wahl geeigneter
Materialien und durch die vorgegebene Struktur lassen sich akustische
Parameter in weiten Bereichen reproduzierbar einstellen.
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Die
grundlegenden Verfahrensschritte werden im folgenden anhand der 1 bis 4 erläutert. Auf
einem Träger,
der hier von einem piezokeramischen Wandlermaterial 2 gebildet
wird, ist eine dünne Kupferschicht 3 aufgetragen.
Die Kupferschicht 3 dient später als Elektrode für den Wandler 2 selbst. Die
Dicke der Kupferschicht 3 liegt in der Größenordnung
von 0,1 μm.
Auf die Kupferschicht 3 wird in Form eines PMMA-Lackes
(Polymethylmethacrylat-Lack) eine ca. 1 μm dicke Kunststoffschicht 4 aufgetragen.
Eine derartige Kunststoffschicht 4 wird in der bei der
Halbleiterherstellung verwendeten optischen Lithographie als Resist
bezeichnet. Mittels einer Maske 6, in der Durchbrüche 8 in
einem gleichmäßigen oder
ungleichmäßigen Raster
angeordnet sind, wird eine Belichtung mit sichtbarem oder ultravioletem
Licht, symbolisiert durch Pfeile 10, durchgeführt. Hier
wird eine Schattenprojektion verwendet, es kann jedoch ohne Einschränkung auch
eine Projektionsbelichtung durchgeführt werden. Durch die Belichtung
werden die Bindungen im PMMA-Lack der Kunststoffschicht 4 zerstört.
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Diese
belichteten Bereiche der Kunststoffschicht 4, werden dann
in einem nächsten
Schritt naßchemisch
z.B. mit Lauge entfernt werden. 2 zeigt
die Kunststoffschicht 4 mit den durch die Belichtung über die
Maske 6 festgelegten, ausgewaschenen Bereichen 12.
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In
einem nächsten
Schritt wird in einem galvanischen Bad in den Bereichen 12,
ausgehend von den freien Stellen der Metallschicht 3 Metallschichten aufwachsen
lassen bis die Bereiche 12 gefüllt sind. Als Materialien kommen,
je nach den gewünschten Eigenschaften,
alle galvanikfähigen
Metalle in Betracht. 3 zeigt
die galvanisch mit Metall gefüllten Bereiche 12,
die später
Metallteilchen 14 in der vollständigen Funktionsschicht bilden.
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Soll
der Elastizitätsmodul
der Funktionsschicht erhöht
werden, werden, wie in 4 dargestellt,
die zunächst
separierten Metallteilchen 14 weiter im Galvanikbad belassen,
bis sie sich über
der Kunststoffschicht 4 zu einer geschlossenen Metallschicht 16 verbinden.
Variationen des Elastizitätsmoduls
in der Schicht 4, also laterale Variationen, lassen sich
durch Teilvernetzungen der Metallteilchen 14 erreichen.
Im Herstellungsprozeß kann
dann durch entsprechende Abdeckungen verhindert werden, daß sich im
Galvanikbad eine vollständig
geschlossene Metallschicht 16 bildet. Es können aber
auch die entsprechenden Bereiche in der Metallschicht 16 in
einem weiteren Verfahrensschritt freigeätzt werden.
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Die
zuvor beschriebenen Verfahrensschritte werden nun zum Aufbau der
Funktionsschichten mehrfach durchgeführt, wodurch sich ein Schichtaufbau
der Funktionsschicht ergibt. 5 zeigt
nun im Querschnitt einen Ausschnitt einer Anpaßschicht 18 für einen
diagnostischen Ultraschallwandler, der für eine Arbeitsfrequenz von
50 MHz vorgesehen ist. Die Anpaßschicht 18 wird
aus einem Verbund von Kupferteilchen 16 und dem Kunststoff
Polymethylmethacrylat (PMMA) aufgebaut, wobei eine Impedanz von
ca. 6 MRayl gefordert ist. Die Impedanz ist abhängig vom Verhältnis Kupfer
zu PMMA. Die Schallgeschwindigkeit liegt bei ca. 2200 m/s. Damit
ergibt sich für
eine λ/4-Anpaßschicht
eine Dicke von 11 μm. Deutlich
zu erkennen ist der schichtweise Aufbau der Anpaßschicht 18, wobei
insgesamt 10 Kunststoffschichten 4 verwendet werden, in
denen jeweils die eingebetteten Metallteilchen 14 im Galvanikbad
gebildet werden. Die Kunststoffschichten 4 sind selbst ca.
1 μm dick,
die dazwischen liegenden Metallschichten 16 zur Vernetzung
der Metallteilchen 14 und zur Erhöhung des Elastizitätsmoduls
sind jeweils 0,1 μm
dick, sodaß sich
insgesamt sie geforderte Dicke der Anpaßschicht 18 von 11 μm ergibt.
Bei niedrigeren Arbeitsfrequenzen können die Kunststoffschichten 4 entsprechend
dicker ausgeführt
werden, jedoch sollte in jedem Fall die Anzahl der einzelnen Schichten 4 mit
den eingebetteten Metallteilchen 14 mindestens ungefähr 10 betragen.
Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß die Metallteilchen 14 von
Schicht zu Schicht leicht versetzt sind. Damit wird zum einen sichergestellt,
daß der
Ultraschallweg von jedem Punkt der Wandleroberfläche bis zur Austrittsfläche gleich
ist, zum anderen ist für
das galvanische Auftragen des Metalls auch für die oberste Schicht 4 genügend stromleitender
Querschnitt vorhanden.
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Bei
dem in 6 im Querschnitt
dargestellten Ausschnitt einer Anpaßschicht 20 ist im
Unterschied zur in 5 dargestellten
Anpaßschicht 18 eine
von Schicht zu Schicht geänderte
akustische Impedanz realisiert.
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Der
Impedanzgradient kann entweder durch ein verändertes Verhältnis von
Metall zu Kunststoff oder durch unterschiedlichen Materialien in
den einzelnen Schichten 4 erreicht werden. Hier ist das
Mischungsverhältnis
von Kupfer und Kunststoff von Schicht zu Schicht vom keramischen
Wandlermaterial ausgehend erhöht.
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Durch
Teilvernetzungen von Metallteilchen 14 untereinander über gelochte
Metallschichten 16 ist von Schicht zu Schicht zusätzlich der
Elastizitätsmodul
veränderbar.
Dies ist in 7 dargestellt.
Dabei überlappen
sich die Metallteilchen 16 von Schicht zu Schicht, damit
die für
das galvanische Aufwachsen notwendige elektrisch leitenden Verbindungen vorhanden
sind.
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Die
Anpaßschicht 20 kann
auf die metallisierte Piezokeramik des Wandlers 2 aufwachsen
und danach bei der Separierung der einzelnen Wandlerelemente des
Arrays mitgesägt
werden oder schon entsprechend der Anordnung der Wandlerelemente strukturiert
aufwachsen.
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Dämpfungskörper oder
Dämpfungsschichten
lassen sich ebenfalls schichtweise aufbauen, wie zuvor beispielhaft
für die
Anpassungsschichten 18, 20 beschrieben wurde.
Durch die geforderte dämpfende
Funktion wird lediglich die Größe und Anordnung
der Metallteilchen 14 und ggf. die Dicke der Kunststoffschichten 4 beeinflußt. Auch
Dämpfungskörper lassen
sich, wie oft vorteilhaft, mit einer wachsenden bzw. fallenden Verteilung
der akustischen Impedanz über
den Dämpfungskörper herstellen.
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Ein
besonders interessanter Effekt läßt sich dann
erreichen, wenn bei gleicher akustischer Impedanz der Elastizitätsmodul
in lateraler Richtung variiert wird. Wird die Anpaßschicht 18 oder 20 zum Rand
hin steifer, d. h. besitzt die Anpaßschicht 18, 20 zum
Rand hin ein entsprechend höheres
Elastizitätsmodul,
wirkt die Anpaßschicht 18, 20 selbst
fokussierend. Damit kann mit einer konstant dicken Schicht auch
eine fokussierende akustische Linse gebildet werden.
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Die
Anpaßschicht 18, 20 – auch mit
einer zusätzlich
fokussierenden Eigenschaft – kann
nun als Träger
für die
Herstellung eines ebenfalls mikromechanisch hergestellten Wandlers,
z.B. eines in Dünnschichttechnik
hergestellten Wandlers aus Zinkoxid (ZnO) dienen. Damit lassen sich
kleinste fokussierende Ultraschallwandler-Einheiten mit definierter Impedanz
der Anpaßschicht
ganzheitlich fertigen, d. h. Funktionsschicht und piezoelektrischer
Wandler können
gegenseitig als Substrat oder Träger
benutzt werden. Die Bruchgefahr ist damit gegenüber einer Einzelfertigung der
Komponenten stark reduziert.