DE19726355A1

DE19726355A1 - Mikromechanische Resonanzstruktur

Info

Publication number: DE19726355A1
Application number: DE19726355A
Authority: DE
Inventors: Helmut Prof Dr Wurmus; Markus Kloepzig
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 1997-06-21
Filing date: 1997-06-21
Publication date: 1999-04-15

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Resonanzstruktur zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen, bei der auf einer Silizium membran eine Piezoschicht aufgebracht ist.

Die Funktionsweise der Ultraschallsender und -empfänger basiert auf dem physikalischen Sachverhalt, daß bei der Verbiegung einer eingespannten Membran Bereiche mit Druckbelastung und Bereiche mit Zugbelastung entstehen. Ist auf der Membran nun eine Piezoschicht aufgebracht, dann sind diese Bereiche auch in der Piezoschicht vorhanden. Bei der Verwendung als Empfängerstruktur werden abhängig von den in der Piezoschicht vorhandenen mechanischen Spannungen elektrische Ladungen erzeugt. Die Verbiegungen der Membran und die damit hervor gerufenen mechanischen Spannungen resultieren aus einer äußeren Druck belastung.

Bei der Verwendung als Senderstruktur wird die Verbiegung der Membran durch eine Deformation der Piezoschicht erzeugt. Diese Deformation resul tiert aus der an der Piezoschicht angelegten elektrischen Spannungen.

Piezoelektrische Ultraschallwandler sind im Stand der Technik in verschie denen Ausführungsformen bekannt.

Nach DE 36 11 669 C2 ist ein Ultraschallwandler mit einer piezoelektri schen Platte zur Erzeugung von Longitudinalwellen bekannt, wobei die beiden Oberflächen der piezoelektrischen Platte metallisiert sind und zumindest eine der Oberflächen eine Vielzahl von regelmäßig angeordneten und voneinander isolierten metallisierten Bereichen aufweist, die jeweils ein Wandlerelement aufbauen; und bei dem an der Rückseite der piezoelek trischen Platte ein Trägermaterial vorgesehen ist.

Ferner ist in DE 42 35 089 C1 ein Ultraschallwandler mit einem scheiben förmigen piezoelektrischen Wandlerelement und einem darauf befestigten scheibenförmigen Anpassungskörper beschrieben, wobei der Anpassungs körper einen gegenüber dem Wandlerelement größeren Durchmesser aufweist, und mit einem konzentrisch zu dem Wandlerelement und im Abstand davon angeordneten Beschwerungsring, der mit radialen Einschnitten versehen ist oder in Ringsegmente aufgeteilt ist.

Die bekannten Ultraschallwandler weisen den Nachteil auf, daß diese nicht mit Verfahren der Mikrotechnik herstellbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Resonanzstruktur anzuge ben, mit der Sende- und Empfangsstrukturen gestaltet werden können und mit der eine Empfängerstruktur gebildet werden kann, welche die Gewin nung eines möglichst hohen Spannungssignals, d. h. einer hohen Empfind lichkeit des Empfängers, ermöglicht.

Erfindungsgemäß gelingt die Losung der Aufgabe durch eine Resonanz struktur mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche.

Bei dem Ultraschallempfänger wird eine mechanische Deformation der Membran durch eine äußere Druckbelastung erreicht. Dies bedeutet, daß sich in einer deformierten Membran mit Piezoschicht in der Piezoschicht eine räumliche Ladungsverteilung einstellt. Bei dem Ultraschallresonan zempfänger wird diese Ladung als eine elektrische Spannung zwischen Elektroden abgegriffen.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung befindet sich eine erste Elektrode auf der Unterseite der Piezoschicht in einem Bereich mit Druckbelastung und eine zweite Elektrode auf der Unterseite der Piezoschicht in einem Bereich mit Zugbelastung. Auf der Oberseite der Piezoschicht verbindet eine Rückelektrode die beiden auf der Unterseite angeordneten Elektroden.

Bei der Empfängeranordnung ist es möglich, die Höhe der abgegriffenen Spannung durch die Elektrodenform zu beeinflussen.

Erfindungsgemäß wird eine wesentliche Erhöhung der abgegriffenen Spannung durch eine serielle Anordnung mehrerer Einzelstrukturen erreicht.

Eine weitere Erhöhung der Empfindlichkeit ist durch die Einstellung der Ultraschallfrequenz auf die Resonanzfrequenz der Membran möglich.

Bei der Gestaltung der Elektrodenanordnung für einen Ultraschallsender ist besonders darauf zu achten, daß sich eine gleichmäßige Deformation der Membran ergibt.

Die grundsätzliche Anordnung des beim Ultraschallempfänger beschriebe nen Einzelelements kann auch hierbei verwendet werden. Um eine gleich mäßige Deformation zu erreichen, werden die Elektroden als Randelektrode und Zentrumselektrode ausgebildet. Um den emittierten Schalldruck zu erhöhen, ist es auch in diesem Fall zweckmäßig im Bereich in der ersten Eigenfrequenz der Membran zu arbeiten.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Bauelemente erfolgt mit den Verfahren der Mikrotechnik. Im vorliegendem Fall werden die folgenden Einzelprozesse angewendet:

- Atzen der Membranen für Resonanzsender und -empfänger aus Silizium durch anisotropes Ätzen mit Bestimmung der Membrandicke über die Ätzzeit oder durch Anwendung eines Ätzstoppverfahrens,
- Herstellung der Elektroden mittels Bedampfen und Strukturierung der Elektroden durch Lift-Off-Techniken,
- Herstellung der piezoelektrischen Schicht durch Sputtern und
- Herstellung von Isolierschichten durch PECVD-Teckniken oder Sputtern.

Im Unterschied zur in der Erfindung vorgeschlagenen Losung werden die im Stand der Technik bekannten piezoresistiven Sensoren zur Detektion der Deformation der Membran und Heizwiderstände zur Anregung der Defor mation der Membran verwendet. Gegenstand der Erfindung ist der Aufbau eines mikrotechnisch hergestellten Ultraschallwandlers basierend auf gesputterten piezoelektrischen Schichten. Dabei soll mit der Erfindung das Ziel einer hohen Empfindlichkeit durch besonders angepaßte Empfänger strukturen erreicht werden. Durch die speziellen Verfahren der Mikrotech nik ist es möglich diese Strukturen ohne zusätzlichen Aufwand herzustellen.

Der Ultraschallsender basiert auf dem gleichen Wandlerprinzip und besitzt die gleiche Grundstruktur wie der Ultraschallempfänger, ist allerdings durch eine andere Elektrodenstruktur gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:

- Kostengünstige Herstellung der Ultraschallresonanzsender und -empfän ger durch mikrotechnische Verfahren im batch-processing und
- Erhöhung der Empfindlichkeit durch die mehrfache Anordnung der Einzelstrukturen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 das Funktionsprinzip der Ultraschallempfänger und -sender,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Ultraschallwandlers,

Fig. 3 eine Darstellung unterschiedlicher Anzahlen der Grundstruktu ren,

Fig. 4 bis 6 den technologischen Ablauf der mikrotechnischen Herstel lung.

Für eine Signalübertragungsstrecke werden die erfindungsgemäßen piezo elektrische Ultraschallempfänger und -sender erläutert, deren Herstellung mittels Mikrotechnologie erfolgte. Dadurch ist eine starke Miniaturisierung und eine kostengünstige Herstellung möglich, sowie eine Anpassung der mechanischen Parameter an die durch Sputtertechniken hergestellte piezo elektrische ZnO-Schicht, bei deren Herstellung auf eine texturierte Abscheidung orientiert wurde. Zur Verhinderung der Ausbildung von niederohmigen Oberflächenwiderständen und zur Vermeidung der hygro skopischen Wirkung von ZnO wird eine Kapselung der Dünnschicht mit einer Isolierschicht vorgenommen.

Die Abmessungen der Struktur (Breite, Höhe, Dicke) wurde so gewählt, daß die Resonanzfrequenz der geforderten Übertragungsfrequenz entspricht. Die Elektrodenform und das Dickenverhältnis von Piezoschicht und Siliziummembran wurden durch Optimierung bestimmt.

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Sensors wird eine Elektrodenanord nung verwendet, die die Reihenschaltung einer Vielzahl von Einzelelementen ausnutzt. Auch hierfür ist eine Optimierung für einzelne geometrische Parameter der Anordnung möglich.

Es konnten Ultraschallsende- und -empfangselemente mikrotechnisch hergestellt und durch Optimierung der Geometrie des Ultraschallelements als auch durch eine Reihenschaltung einer Vielzahl von Funktionsmustern eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Ultraschallelementes nachgewiesen werden.

Beim Design der Resonanzstrukturen wird auf eine aus der Literatur bekannte Struktur für mikromechanische Mikrofone zurückgegriffen. Diese Struktur besteht aus einer Siliziummembran und einer Piezoschicht mit geeignetem Elektrodendesign.

Fig. 1 zeigt die Ausbildung der aus dem piezoelektrischen Effekt resultie renden elektrischen Spannungen an einer deformierten Membran. Dabei wird deutlich, daß infolge wechselnder Zug- und Druckspannungen durch den piezoelektrischen Quereffekt verschieden gerichtete elektrische Spannungen entstehen. Diese Spannungen müssen beim Design der Elektroden berücksichtigt werden. Fig. 2 zeigt das gewählte Grunddesign der Elektroden.

Zur Herstellung des mikromechanischen Ultraschallempfängers wird ein 100-Epitaxiwafer verwendet. Nachdem die Maskierungsschicht und die Al-Kontaktierungsschicht für das elektrochemische Ätzen aufgebracht wurden, wird die Alu-Schicht mit Si₃N₄ vergraben. Die Fig. 5 zeigt die Herstellung der unteren Elektrode, und Fig. 6 das sich anschließende Sputtern der ZnO-Schicht und die Herstellung der oberen Elektrode. In Fig. 7 wird die nach dem Ablauf aller technologischen Prozesse gewonnene Struktur dargestellt. Dabei erfolgte die Herstellung der Membran durch elektrochemisches Ätzen und das Freilegen der Kontakte der unteren Elektrode durch Trockenätzen von Si₃N₄. Der technologische Ablauf zur Herstellung der Membranen erfordert einen naßchemischen Einseitenätzprozeß in einer speziellen Ätzvorrichtung.

Claims

1. Mikromechanische Resonanzstruktur zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen, bei der auf einer Siliziummembran eine Piezoschicht aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Unterseite der Piezoschicht zwei Elektroden angebracht sind, wobei eine Elektrode sich in dem Bereich der Piezoschicht befindet, der Druckbeanspruchungen unter liegt und eine zweite Elektrode in dem Bereich der Piezoschicht angeordnet ist, der Zugbeanspruchungen unterliegt und daß die beiden Elektroden mit einer Rückelektrode verbunden sind, welche auf der Oberseite der Piezo schicht angebracht ist und die die beiden auf der Unterseite angebrachten Elektroden verbindet.

2. Mikromechanische Resonanzstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Piezoschicht mehrere Einzelstrukturen seriell angeordnet sind.

3. Mikromechanische Resonanzstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran so ausgebildet ist, daß ihre Resonanz frequenz der zum Betrieb der Vorrichtung verwendeten Ultraschallfre quenz entspricht.

4. Mikromechanische Resonanzstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender oder Empfänger in einem Array angeordnet sind.

5. Mikromechanische Resonanzstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Piezoschicht und den Elektroden Isolationsschichten angebracht sind und/oder eine Passivie rungsschicht zur Kapselung.

6. Verwendung mikromechanischer Resonanzstrukturen nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Aufbau von Signalübertragungsstrukturen über kurze Entfernungen.