DE19742688C1 - Verfahren zur Herstellung eines Stapelaktors und Stapelaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stapelaktors mit zwei oder mehreren übereinandergestapelten, jeweils durch eine elektrisch leitende Kontaktschicht vonein­ ander getrennten, piezokeramischen Schichten. Die Erfindung betrifft außerdem einen nach einem solchen Verfahren herge­ stellten Stapelaktor.

Stapelaktoren sind Ultraschallwandlerelemente, welche in der Regel mehrere piezokeramische, scheibenförmige Schichten, welche selbst Ultraschallwandlerelemente darstellen, aufwei­ sen, die mechanisch übereinandergestapelt angeordnet sind, elektrisch parallel geschaltet sind und als Dickenschwinger zur Erzeugung von Ultraschallwellen betrieben werden. Fig. 1 zeigt exemplarisch einen Stapelaktor 1 der eingangs genannten Art, bei dem fünf piezokeramische, scheibenförmige Schichten 2 bis 6 übereinandergestapelt sind. Die einzelnen piezokera­ mischen Schichten 2 bis 6 des Stapelaktors 1 sind durch elek­ trisch leitende Kontaktschichten 7 bis 10 voneinander ge­ trennt. Die Kontaktschichten 7 bis 10 und an den beiden äuße­ ren piezokeramischen Schichten 2 und 6 vorgesehene Metalli­ sierungen 11, 12 ermöglichen zum einen die Umpolarisierung der piezokeramischen Schichten 2 bis 6 (Polarisierung P) mit­ tels einer Spannung U und zum anderen je nach gewünschtem Be­ triebsmodus des Stapelaktors 1 das Anlegen unterschiedlicher Steuerspannungen an die einzelnen piezokeramischen Schichten 2 bis 6 des Stapelaktors 1.

Die Verwendung eines Stapelaktors als Ultraschallwandlerele­ ment bietet im Vergleich zu einem Ultraschallwandlerelement mit nur einer piezokeramischen Schicht den Vorteil, daß sich die erzielbare mechanische Auslenkung des Stapelaktors bei der Anlegung von Spannungen an die piezokeramischen Schichten des Stapelaktors gegenüber der erzielbaren mechanischen Aus­ lenkung eines Ultraschallwandlerelementes mit nur einer pie­ zokeramischen Schicht vervielfacht. In Anwendungsgebieten der Ultraschalltechnik, beispielsweise der medizinischen Ultra­ schalltechnik, werden daher in zunehmendem Maße Ultraschall­ wandler mit Arrays von Stapelaktoren als Ultraschallwandlere­ lemente eingesetzt, die zwei oder mehr piezokeramische Schichten aufweisen, wodurch die Empfindlichkeit und die re­ lative Bandbreite der Ultraschallwandler erhöht wird (vgl. J. Hossack, B. Auld "Improving the Characteristics of a Transdu­ cer Using Multiple Piezoelectric Layers", IEEE Trans. on Ul­ trasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 40, No. 2, 1993, S. 131-139; J. Hossack, B. Auld "Multiple layer transducers for broadband applications", Proc. IEEE Ultraso­ nics Symposium, 1991, S. 605-609; L. Chofflet, M. Fink "A Multi-Piezoelectric Structure: The Stacked Transducer", Proc. IEEE Ultrasonics Symposium, 1991, S. 611-613).

Aus der US 5,598,051 und Greenstein, Michael; Umesh, Kumar: Multilayer Piezoelectric Resonators for Medical Ultrasound Transducers. in: IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferro­ electrics, and Frequency Control, VOL. 43, No. 4, July 1996, S. 620-622 ist es außerdem bekannt, daß die elektrische Impe­ danz eines Stapelaktors der Beziehung 1/N² mit N gleich der Anzahl der übereinandergestapelten Ultraschallwandlerelemente folgt. Ein Stapelaktor kann also derart ausgeführt werden, daß seine Impedanz an die Impedanz von Zuleitungskabel ange­ paßt ist.

Desweiteren ermöglichen derartige Stapelaktoren einen Mehr­ frequenzbetrieb, so daß die Stapelaktoren beispielsweise in der Medizin sowohl zur Ultraschalldiagnostik als auch zur Ul­ traschalltherapie einsetzbar sind (vgl. T. Sheljaskov, R. Lerch, M. Bechtold, K. Newerla, U. Schätzle "A Phased Array Antenna for Simultaneous HIFU Therapy and Sonography", Proc. IEEE Ultrasonics Symposium, 1996, S. 1527-1530).

Aus der EP 0 451 980 B1 ist beispielsweise ein derartiger Stapelaktor mit zwei bzw. drei piezokeramischen Schichten be­ kannt, wobei dessen piezokeramische Schichten für das Senden oder Empfangen von Ultraschallwellen verschiedener Frequenzen umpolarisiert werden.

Zur Herstellung eines Stapelaktors der eingangs genannten Art sind derzeit zwei Verfahren bekannt. Zum einen werden piezo­ keramische Schichten nach dem Aufbringen elektrisch leitender Schichten auf die piezokeramischen Schichten durch das Ver­ kleben der elektrisch leitenden Schichten verschiedener pie­ zokeramischer Schichten miteinander zu einem Stapelaktor ver­ bunden. Da die hierzu verwendeten Kleber nicht ohne Einfluß auf das Schwingverhalten des Stapelaktors sind, muß die Schichtdicke des verwendeten Klebers (z. B. Araldit) mög­ lichst dünn gehalten werden. Da die gängigen Kleber aber ei­ nen sehr geringen mechanischen Wellenwiderstand aufweisen, hat schon eine Schichtdicke des Klebers von ca. 0,1% der Dicke einer piezokeramischen Schicht einen merklichen Einfluß auf deren Frequenzeigenschaften. Fig. 2 zeigt hierzu in einem Vergleich den Verlauf der Impedanzen über der Frequenz am Beispiel einer 1200 µm dicken piezokeramischen, als Dicken­ schwinger betriebenen Schicht und dreier Stapelaktoren mit jeweils der gleichen Gesamtdicke. Die Stapelaktoren weisen dabei jeweils zwei mittels einer Klebeverbindung miteinander verbundene homogene piezokeramische Schichten auf. Bei der Klebeverbindung handelt es sich um eine Araldit-Verbindung mit Schichtdicken von 2, 5 und 13 µm. Fig. 2 macht den Einfluß der Schichtdicke des Klebers auf die Frequenzeigenschaften der Stapelaktoren deutlich, die mit zunehmender Schichtdicke des Klebers von den Frequenzeigenschaften des einstückigen Dickenschwingers abweichen. Obwohl Schichtdicken von Klebern von 10 µm und unter großem Aufwand auch von 3 bis 5 µm fer­ tigbar sind, ist der Einfluß dieser Kleberschichten auf die Frequenzeigenschaften der piezokeramischen Schichten mit Schichtdicken von 1 mm, wie sie beispielsweise bei Stapelak­ toren für medizinische Geräte verwendet werden, groß.

Eine weitere Herstellung von Stapelaktoren ist nach der soge­ nannten "Multilayertechnik" möglich. Dabei werden, wie in S. Saitoh, M. Izumi, Y. Mine "A Dual Frequency Ultrasonic Probe for Medical Applications", IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferro­ electrics, and Frequency Control, Vol. 42, No. 2, 1995, S. 294-300 beschrieben, während des Sinterns von piezokerami­ schen Schichten elektrisch leitende Kontaktschichten zwischen die piezokeramischen Schichten eingefügt. Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber dem Verkleben der piezokeramischen Schichten liegt in den rein metallischen Kontaktschichten zwischen den piezokeramischen Schichten, welche praktisch keinen Einfluß auf das Schwingverhalten der piezokeramischen Schichten haben. Fig. 3 zeigt hierzu in einem Vergleich den Verlauf der Impedanzen über der Frequenz wiederum am Beispiel einer 1200 µm dicken piezokeramischen, als Dickenschwinger betriebenen Schicht und dreier Stapelaktoren mit jeweils der gleichen Gesamtdicke. Die Stapelaktoren weisen gemäß Fig. 2 jeweils zwei durch eine Kontaktschicht von 2, 5 bzw. 13 µm Dicke voneinander getrennte, nach der Multilayertechnik her­ gestellte piezokeramische Schichten auf, wobei die Kontakt­ schichten der Stapelaktoren im Falle der Fig. 3 rein metal­ lisch sind. Die Verläufe der Impedanzen des einstückigen Dic­ kenschwingers und der drei Stapelaktoren sind dabei praktisch identisch, was verdeutlicht, daß der Einfluß rein metalli­ scher Kontaktschichten auf das Schwingverhalten piezokerami­ scher Schichten praktisch vernachlässigbar ist. Der Nachteil der Multilayertechnik liegt jedoch in dem hohen technischen Aufwand, der für die Herstellung von Stapelaktoren betrieben werden muß. Mit der Multilayertechnik sind Stapelaktoren mit nur zwei oder drei piezokeramischen Schichten daher nicht wirtschaftlich herstellbar.

Aus der US 4,077,558 ist es bekannt, eine von zwei miteinan­ der zu verbindenden Flächen zweier piezoelektrischer Kristal­ le mit einer Schicht aus Chrom, Titan oder Aluminium (Haftvermittler), einer Schicht aus Gold, Platin oder Palla­ dium zur Vermeidung von Oxidationen und die andere Fläche mit einer Schicht aus Chrom, Titan oder Aluminium (Haftvermittler), einer Schicht aus Indium oder Zinn und ei­ ner Schicht aus Gold, Platin oder Palladium zur Vermeidung von Oxidationen zu überziehen. Zur Verbindung der Kristalle miteinander werden diese anschließend im Vakuum mit ihren be­ schichteten Flächen in Kontakt gebracht und unter Ausübung von Druck bei Temperaturen zwischen 100°C und 200°C miteinan­ der verbunden, wobei Diffusionsvorgänge ablaufen.

Eine ähnliche Art der Verbindung zweier Kristalle ist aus der US 3,897,628 bekannt, bei der die miteinander zu verbindenden Flächen der Kristalle jeweils mit einer Schicht aus Chrom, Gold und Indium versehen, in einer Vakuumkammer aneinanderge­ legt und unter Ausübung von Druck miteinander verbunden wer­ den.

Aus der US 5,446,333 ist eine Ultraschallwandlereinheit, auf­ weisend ein piezokeramisches Ultraschallwellen aussendendes Element und ein akusto-elektrisches ultraschallwellen empfan­ gendes Element beschrieben, welche mit Elektroden aus Indium versehen sind. Die beiden Elemente sind in Form einer Multi­ layerstruktur übereinander gestapelt und miteinander verbun­ den.

Jaffe, Bernhard: Piezoelelectric Ceramics. London und New York: Academic Press, 1971, S. 261-263 ist in diesem Zusam­ menhang die Lehre zu entnehmen, vor der Verbindung piezoelek­ trischer Keramiken mit anderen Teilen, deren Flächen zu schleifen um die erforderliche Genauigkeit bei der Herstel­ lung einhalten zu können.

Aus der US 3,111,741 ist es außerdem bekannt Flächen eines ferroelektrischen Körpers mit Schichten von Haftvermittlern wie Platin, Chrom, Nickel-Chrom und Gold zu beschichten und diese mittels eines Zinn-Indium-Lotes mit einem nichtkri­ stallinen Körper oder einer Elektrode zu verlöten.

In der DE 34 35 807 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung ei­ ner haft- und bondfähigen Metallisierung zwischen einem auf einer Piezokeramik befindlichen Kontakt aus Nickel und einer Goldschicht beschrieben, wobei Haftvermittler wie Chrom und Titan zwischen dem Nickel und der Goldschicht verwendet wer­ den.

Desweiteren sind aus der DE 25 42 228 B1 Mehrschichtelemente aus piezoelektrischen Keramiklamellen, die sich teilweise überlappende Metallisierungen besitzen, bekannt. Bei der Her­ stellung der Mehrschichtelemente werden aufgebrannte Kera­ miklamellen im Siebdruckverfahren Metallisierungen aufge­ bracht, zu Mehrschichtelementen gestapelt und in einen Ofen gegeben, wobei die Metallpasten eingebrannt werden.

Der DE 40 31 623 C1 ist noch ein Herstellungsverfahren für einen Piezoantrieb entnehmbar, bei dem in einem Stapel von Rohfolien zwischen jeweils zwei Rohfolien Stützstrukturen aus einem ersten Material, das bei der Brenntemperatur der Piezo­ keramik aushärtet, und Füllstrukturen aus einem zweiten Mate­ rial, das bei der Brenntemperatur der Piezokeramik ausbrennt, erzeugt werden. Bei dem Keramikbrennen des Stapels werden durch das Ausbrennen der Füllstrukturen Hohlräume erzeugt, welche anschließend mit einem leitfähigen Material gefüllt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem auf kostengünstige und technisch einfache Weise Stapelaktoren mit nur zwei, drei oder auch mehr piezokeramischen Schichten her­ stellbar sind, welche die Frequenzeigenschaften eines ein­ stückigen Dickenschwingers gleicher Gesamtdicke aufweisen. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, einen Sta­ pelaktor der eingangs genannten Art derart auszuführen, daß dessen piezokeramische Schichten und Kontaktschichten nur ge­ ringe Schwankungen im Bereich von wenigen Mikrometern in Dic­ ke und Ebenheit aufweisen.

Nach der Erfindung wird die das Verfahren betreffende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stapelaktors mit zwei oder mehreren übereinandergestapelten, jeweils durch eine elektrisch leitende, mehrere metallische Schichten auf­ weisende Kontaktschicht voneinander getrennten, piezokerami­ schen Schichten, aufweisend folgende Verfahrensschritte:

• a) Bearbeitung der mit den metallischen Schichten zu verse­ henden Flächen der piezokeramischen Schichten derart, daß die Flächen unter Bildung eines Spaltes mit wenigstens im wesentlichen konstanter Spaltweite aneinander anlegbar sind,
• b) Versehen der Flächen mit einer oder mehreren verschiedenen metallischen Schichten, welche die Eigenschaften eines Haftvermittlers aufweisen,
• c) Versehen der beschichteten Flächen mit einer Haftschicht aus Kupfer, und
• d) Verlöten der mit den Haftschichten aus Kupfer versehenen Flächen der piezokeramischen Schichten miteinander zu ei­ nem Stapelaktor.

Indem die Erfindung das Verlöten der mit dem oder den metal­ lischen Haftvermittlern und der Haftschicht aus Kupfer verse­ henen Flächen der piezokeramischen Schichten miteinander zu einem Stapelaktor vorschlägt, wird von der Erkenntnis Ge­ brauch gemacht, daß rein metallische Kontaktflächen das Schwingverhalten der piezokeramischen Schichten nicht negativ beeinflussen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei im Vergleich zu dem in S. Saitoh, M. Izumi, Y. Mine "A Dual Fre­ quency Ultrasonic Probe for Medical Applicators", IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, an Frequency Control, Vol. 42, No. 2, 1995, S. 294-300, beschriebenen Sinterverfahren der Multilayertechnik technisch wesentlich einfacher und so­ mit kostengünstiger. Daher sind problemlos auch Stapelaktoren mit nur zwei oder drei mit metallischen Kontaktschichten von­ einander getrennten, piezokeramischen Schichten wirtschaft­ lich herstellbar. Die Haftschicht aus Kupfer zeichnet sich vor allem dadurch aus, daß es für den anschließenden Verfah­ rensschritt des Lötens gut geeignet ist. Die Kupferschicht wird dabei vorzugsweise durch Aufdampfen oder Aufsputtern auf die Schicht oder die Schichten des oder der Haftvermittler aufgebracht.

Eine Variante der Erfindung sieht vor, daß die mit den metal­ lischen Schichten zu versehenden Flächen der piezokeramischen Schichten durch Schleifen und/oder Polieren bearbeitet wer­ den. Schleifen und Polieren sind Bearbeitungsprozesse, die technisch ausgereift sind und eine kostengünstige Bearbei­ tungsform darstellen, so daß die Gesamtkosten des Verfahrens zur Herstellung eines Stapelaktors positiv beeinflußt werden.

Gemäß einer Variante der Erfindung werden die Flächen nach der Bearbeitung zur Reinigung geglüht. Dabei werden die Flä­ chen auf vorteilhafte Weise von Fetten und anderen organi­ schen Substanzen und Verschmutzungen gereinigt, welche die nachfolgenden Verfahrensschritte, insbesondere die Haftfe­ stigkeit der Beschichtungen negativ beeinflussen könnten.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung sind als Haftvermittler die Metalle Chrom, Platin und Gold vorgesehen, welche für sich allein oder in Kombination auf die mit den metallischen Schichten zu versehenden Flächen der piezokeramischen Schichten aufgebracht werden können. Vorzugsweise wird nur eine Beschichtung aus Chrom oder eine Beschichtung mit der Beschichtungsreihenfolge mit Chrom und Gold oder eine Beschichtung mit der Beschichtungsreihenfolge Chrom, Platin und Gold als Haftvermittler auf die Flächen der piezokeramischen Schichten aufgebracht, wobei die Beschich­ tungen wegen der Haftfestigkeit vorzugsweise aufgesputtert oder aufgedampft werden.

Eine Variante der Erfindung sieht vor, daß das Verlöten der mit der Haftschicht versehenen Flächen der piezokeramischen Schichten folgende Verfahrensschritte umfaßt:

• a) Anordnung der piezokeramischen Schichten derart übereinan­ der, daß die mit der Haftschicht versehenen Flächen der einzelnen piezokeramischen Schichten wenigstens im wesent­ lichen waagrecht verlaufen,
• b) Einbringung eines Lotes zwischen die mit der Haftschicht versehenen und miteinander zu verlötenden Flächen,
• c) Aufheizen der Anordnung der piezokeramischen Schichten derart, daß das Lot schmilzt und sich zwischen den mit der Haftschicht versehenen Flächen ausbreitet,
• d) Zusammenpressen der piezokeramischen Schichten miteinander und
• e) Abkühlen der verbundenen Anordnung von piezokeramischen Schichten.

Durch die waagrechte Anordnung der mit der Haftschicht verse­ henen Flächen der einzelnen piezokeramischen Schichten kann sich also das zwischen die miteinander zu verlötenden Flächen gebrachte Lot bei Aufheizung der Anordnung ungehindert gleichmäßig zwischen den geschliffenen und beschichteten piezokeramischen Flächen ausbreiten und einen dünnen, die Flächen miteinander verbindenden Lotfilm bilden. Durch das Zusammenpressen der piezokeramischen Schichten kann die Dicke des Lotfilmes dabei auf Dicken von nur ca. 5 µm gebracht wer­ den.

Eine andere Variante der Erfindung sieht vor, daß das Verlö­ ten der mit der Haftschicht versehenen Flächen der piezokera­ mischen Schichten folgende Verfahrensschritte umfaßt:

• a) Zusammenpressen der piezokeramischen Schichten miteinan­ der, wobei die Haftschichten der einzelnen piezokerami­ schen Schichten jeweils unter Bildung eines Spaltes anein­ ander anliegen und jeweils eine Verbindungskante miteinan­ der aufweisen,
• b) Anordnung der zusammengepreßten piezokeramischen Schichten derart, daß die Haftschichten wenigstens im wesentlichen vertikal verlaufen,
• c) Aufheizen der Anordnung der piezokeramischen Schichten auf die Schmelztemperatur eines Lotes,
• d) Aufbringung des Lotes auf die Verbindungskante der piezo­ keramischen Schichten derart, daß das Lot schmilzt und in den Spalt zwischen den mit der Haftschicht versehenen Flä­ chen einzieht, und
• e) Abkühlen der verbundenen Anordnung der piezokeramischen Schichten.

Auch auf diese Weise kann die Verbindung der Flächen der pie­ zokeramischen Schichten miteinander einfach und kostengünstig bewirkt werden. Vorzugsweise wird dabei das Lot auf die un­ tenliegenden Verbindungskanten der vertikalen Anordnung der piezokeramischen Schichten aufgebracht, so daß das Lot durch das Aufheizen der Anordnung schmilzt und gegen die Schwer­ kraft (Kapillarkraft) jeweils in den Spalt zwischen die be­ schichten piezokeramischen Schichten einzieht. Dabei bildet sich wiederum ein dünner die mit der Haftschicht versehenen Flächen miteinander verbindender Lotfilm aus. Zur Aufbringung des Lotes auf die untenliegenden Verbindungskante der verti­ kalen Anordnung der piezokeramischen Schichten kann dabei die Verbindungskante beispielsweise einfach in ein Lotbad einge­ taucht werden. Die Dicke der Lotschicht wird bei diesem Löt­ verfahren nur durch die Rauhigkeit der miteinander zu verbin­ denden mit der Haftschicht versehenen Flächen der piezokera­ mischen Schichten bestimmt, da die beiden miteinander zu ver­ bindenden piezokeramischen Schichten bereits vor dem Einzie­ hen des Lotes zusammengepreßt sind. Auf diese Weise sind Schichtdicken des Lotes von ca. 3 µm mit einer Toleranz von +/- 1 µm erreichbar.

Lufteinschlüsse in den Kontaktschichten sind bei beiden Löt­ verfahren vermieden.

Die die Ausbildung des Stapelaktors betreffende Aufgabe wird gelöst durch einen nach einem der vorstehenden Verfahren her­ gestellten Stapelaktor aufweisend zwei oder mehrere überein­ andergestapelte, jeweils durch eine elektrisch leitende, meh­ rere metallische Schichten aufweisende Kontaktschicht vonein­ ander getrennte piezokeramische Schichten, wobei die mit den metallischen Schichten versehenen Flächen der piezokerami­ schen Schichten wenigstens im wesentlichen eben sind. Da ebe­ ne Flächen auf vorteilhafte Weise einfach und mit hoher Güte bearbeitbar sind, ist sichergestellt, daß die Flächen der piezokeramischen Schichten bei der Herstellung des Stapelak­ tors unter Bildung eines Spaltes von wenigstens im wesentli­ cher konstanter Spaltweite aneinander anlegbar sind. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, daß nach dem erfindungs­ gemäßen Verfahren mit den weiteren Verfahrensschritten des Glühens, Beschichtens und Lötens ein Stapelaktor herstellbar ist, dessen piezokeramische Schichten und Kontaktschichten nur geringe Schwankungen im Bereich von wenigen Mikrometern in Dicke und Ebenheit der Flächen aufweisen. Der Stapelaktor zeigt daher ein ausgeprägtes und stabiles Betriebsverhalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Stapelaktor mit fünf piezokeramischen Schich­ ten,

Fig. 2 einen Vergleich des Verlaufes der Impedanzen über der Frequenz für eine als Dickenschwinger betriebene pie­ zokeramische Schicht und drei Stapelaktoren mit glei­ cher Schichtdicke, deren piezokeramische Schichten mit Kleber unterschiedlicher Schichtdicke miteinander verbunden sind,

Fig. 3 einen Vergleich des Verlaufes der Impedanzen über der Frequenz für eine als Dickenschwinger betriebene pie­ zokeramische Schicht und drei nach der Multilayer­ technik hergestellten Stapelaktoren gleicher Schicht­ dicke mit metallischen Kontaktschichten unterschied­ licher Dicke,

Fig. 4 piezokeramische Schichten in verschiedenen Verfah­ rensstadien während der Herstellung eines Stapelak­ tors nach dem erfindungsgemaßen Verfahren,

Fig. 5 die Verfahrensschritte eines Lötverfahrens mit waag­ recht er Anordnung der miteinander zu verbindenden piezokeramischen Schichten,

Fig. 6 die Verfahrensschritte eines Lötverfahrens mit verti­ kaler Anordnung der miteinander zu verbindenden pie­ zokeramischen Schichten und

Fig. 7 einen Stapelaktor mit zwei durch eine metallische Kontaktschicht voneinander getrennten piezokerami­ schen Schichten.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen exemplarisch für das erfindungsge­ mäße Verfahren zur Herstellung eines Stapelaktors mit zwei oder mehreren übereinandergestapelten, jeweils durch eine elektrisch leitende, mehrere metallische Schichten aufweisen­ de Kontaktschicht voneinander getrennten piezokeramischen Schichten die wesentlichen Ergebnisse der einzelnen Verfah­ rensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens und zwar am Beispiel eines zwei piezokeramische Schichten 13, 14 aufwei­ senden Stapelaktors.

Die Ausgangsprodukte des Verfahrens bilden die zwei, in ihrem Rohzustand in den Figuren nicht explizit dargestellten schei­ benförmigen, piezokeramischen Schichten 13, 14, welche vor­ zugsweise aus PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) gebildet sind. Die piezokeramischen Schichten 13, 14 werden in einem ersten Ver­ fahrensschritt derart bearbeitet, daß die mit den metalli­ schen Schichten zu versehenden Flächen 15, 16, über die die piezokeramischen Schichten 13, 14 unter Zwischenfügung der metallischen Schichten aneinander anliegen sollen, unter Ein­ haltung eines Spaltes von wenigstens im wesentlichen konstan­ ter Spaltweite aneinander anlegbar sind. Die Bearbeitung der Flächen 15, 16 der piezokeramischen Schichten 13, 14 erfolgt vorzugsweise mittels Schleifen und/oder Polieren, so daß die zwei piezokeramischen Schichten 13, 14 nach der Bearbeitung im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels im wesentli­ chen ebene Flächen 15, 17 und 16, 18 aufweisen.

In dem folgenden Verfahrensschritt werden die piezokerami­ schen Schichten 13, 14 derart zur Reinigung geglüht, daß alle an den piezokeramischen Schichten 13, 14, vor allem an den Flächen 15 bis 18 haftende Fette und organische Substanzen, welche die nachfolgenden Verfahrensschritte negativ beein­ flussen könnten, ausgebrannt werden.

Die Flächen 15, 16 werden anschließend mit einer oder mehre­ ren verschiedenen metallischen Schichten versehen, welche die Eigenschaft eines Haftvermittlers aufweisen. Derartige Haft­ vermittler sind beispielsweise Chrom, Platin oder Gold. Vor­ zugsweise wird als Haftvermittler entweder eine Beschichtung aus Chrom oder eine Beschichtung aus Chrom und Gold oder eine Beschichtung aus Chrom, Platin und Gold in dieser Beschich­ tungsreihenfolge gewählt. Fig. 4b zeigt die Beschichtung der Flächen 15, 16 mit Chrom 19. Fig. 4c zeigt die Beschichtung der Flächen 15, 16 mit Chrom 20, Platin 21 und Gold 22. Die Beschichtung bzw. die Beschichtungen der Haftvermittler der Flächen 15, 16 der piezokeramischen Schichten 13, 14 können dabei in an sich bekannter Weise durch Aufsputtern oder durch Aufdampfen erzeugt werden.

Die mit der oder den Schichten des oder der Haftvermittler versehenen Flächen 15, 16 der piezokeramischen Schichten 13, 14 werden anschließend mit einer metallischen Schicht verse­ hen, welche die Eigenschaft einer Haftschicht aufweist. Die Haftschicht ist vorzugsweise aus Kupfer 23 (vgl. die Fig. 4 d, e) gebildet, welche sich besonders für den anschließen­ den Verfahrensschritt des Lötens eignet. Die Haftschicht aus Kupfer 23 wird dabei vorzugsweise durch Aufdampfen oder Auf­ sputtern des Kupfers auf die Schicht aus Chrom 19 oder die Schicht aus Gold 22 erzeugt.

Für den Verfahrensschritt des Verlötens der mit der Haft­ schicht aus Kupfer 23 versehenen piezokeramischen Schichten 13, 14 stehen zwei Lötverfahren alternativ zur Verfügung.

Nach dem einen Lötverfahren werden die piezokeramischen Schichten 13, 14 derart übereinander angeordnet, daß die mit der Haftschicht aus Kupfer 23 versehenen Flächen 15, 16 der zwei piezokeramischen Schichten 13, 14 wenigstens im wesent­ lichen waagrecht verlaufen. Anschließend wird zwischen die mit der Haftschicht aus Kupfer 23 versehenen und miteinander zu verlötenden Flächen 15, 16 der piezokeramischen Schichten 13, 14 vorzugsweise mittig, ein Lot 24 eingebracht. Zum Auf­ heizen der Anordnung der piezokeramischen Schichten 13, 14 wird im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels die pie­ zokeramische Schicht 14 auf einer Heizplatte 25 plaziert. Die Anordnung der piezokeramischen Schichten 13, 14 wird dabei derart von der Heizplatte 25 auf eine Temperatur von ca. 220°C aufgeheizt, daß das Lot 24, bei dem es sich beispielsweise um ein Zinnlot handelt, schmilzt, so daß sich das flüssige Lot 24 gleichmäßig zwischen den geschliffenen und beschichte­ ten Flächen 15, 16 der piezokeramischen Schichten 13, 14 aus­ breiten und einen dünnen Lotfilm bilden kann. Durch das Zu­ sammenpressen der Anordnung der piezokeramischen Schichten 13, 14 mittels einer Kraft F breitet sich das geschmolzene Lot 24 unter Vermeidung von Lufteinschlüssen in dem gesamten zwischen den piezokeramischen Schichten 13, 14 vorhandenen Spalt S1 aus, wobei durch das Zusammenpressen der piezokera­ mischen Schichten 13, 14 nach Abkühlung und Erstarrung des Lotes 24 im Spalt S1 zwischen den piezokeramischen Schichten 13, 14 Schichtdicken des Lotes 24 von ca. 5 µm erreichbar sind.

In Fig. 5 sind die einzelnen Verfahrensschritte des Lötverfah­ rens dargestellt, wobei zur Herstellung des Stapelaktors SA zwei piezokeramische Schichten 13, 14 verwendet wurde, welche als Haftvermittler eine Beschichtung aus Chrom 19 und als Haftschicht eine Beschichtung aus Kupfer 23 aufweisen.

Das in Fig. 6 dargestellte Alternativverfahren zum Verlöten der mit der Haftschicht aus Kupfer 23 versehenen Flächen 15, 16 der piezokeramischen Schichten 13, 14 umfaßt das Zusammen­ pressen der piezokeramischen Schichten 13, 14 miteinander, wobei die Haftschichten aus Kupfer 23 der Flächen 15, 16 der piezokeramischen Schichten 13, 14 unter Bildung eines Spaltes S2 aneinander anliegen und eine Verbindungskante K miteinan­ der aufweisen. Das Zusammenpressen erfolgt im Falle des vor­ liegenden Ausführungsbeispiels durch Einwirkung einer Kraft F auf die piezokeramische Schicht 13, welche gegen die auf ei­ ner Heizplatte 26 angeordnete piezokeramische Schicht 14 ge­ preßt wird. Die Anordnung der zusammengepreßten piezokerami­ schen Schichten 13, 14 wird anschließend derart ausgerichtet, daß die Haftschichten aus Kupfer 23 wenigstens im wesentli­ chen vertikal verlaufen. Zum eigentlichen Verlöten der piezo­ keramischen Schichten 13, 14 miteinander wird die Anordnung mittels der Heizplatte 26 auf die Schmelztemperatur des zur Verwendung beabsichtigten Lotes 27 aufgeheizt, bei dem es sich beispielsweise wiederum um ein Zinnlot handelt. Ist die Schmelztemperatur des Lotes 27 erreicht, wird das Lot 27 vor­ zugsweise auf die untenliegende Verbindungskante K der verti­ kalen Anordnung der piezokeramischen Schichten 13, 14 derart aufgebracht, daß das Lot 27 schmilzt und infolge der Kapil­ larwirkung entgegen der Schwerkraft in den Spalt S2 zwischen den mit der Haftschicht aus Kupfer 23 versehenen piezokerami­ schen Schichten 13, 14 einzieht. Auch bei diesem Verfahren werden Lufteinschlüsse vermieden.

Der Vorteil dieses alternativen Lötverfahrens liegt in der erzeugten Schichtdicke des Lotes 27, die nur durch die Rau­ higkeit der beiden mit Kupfer beschichteten Flächen 15, 16 der piezokeramischen Schichten 13, 14 bestimmt ist, da beide piezokeramischen Schichten 13, 14 vor dem Einziehen des Lotes 27 mittels der Kraft F zusammengepreßt werden. Auf diese Wei­ se sind Schichtdicken des Lotes 27 von ca. 3 µm mit einer To­ leranz von +/- 1 µm, welche durch die Oberflächenplanität der piezokeramischen Schichten 13, 14 bestimmt ist, erzielbar.

Fig. 7 zeigt den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge­ stellten Stapelaktor SA mit den zwei piezokeramischen Schich­ ten 13, 14, welche durch eine Kontaktschicht KS, die aus ei­ ner Schicht Chrom 19, Kupfer 23 und dem metallischen Lot 24 bzw. 27 gebildet wird, voneinander getrennt werden. Die Flä­ chen 17, 18 der piezokeramischen Schichten 13, 14, die wie im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels nicht zur Verbin­ dung mit anderen piezokeramischen Schichten vorgesehen sind, können zur Kontaktierung der piezokeramischen Schichten 13, 14 ebenfalls eine metallische Beschichtung aufweisen. Die Flächen 17, 18 können dabei eine Chrom- und Kupferbeschich­ tung oder auch eine andere metallische Beschichtung aufwei­ sen.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind die mit­ einander zu verbindenden Flächen 15, 16 der piezokeramischen Schichten 13, 14 eben ausgeführt. Die Flächen können jedoch auch eine andere Struktur aufweisen, wobei sichergestellt sein muß, daß die Flächen unter Einhaltung eines Spaltes mit wenigstens im wesentlichen konstanter Spaltweite aneinander anlegbar sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels anhand zweier zu einem Stapelaktor SA zu verbindender piezokeramischer Schichten 13, 14 beschrieben. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sind jedoch auch Stapelaktoren herstellbar, welche mehr als zwei piezokerami­ sche Schichten aufweisen.

Die Bearbeitung der Flächen der piezokeramischen Schichten muß im übrigen nicht notwendigerweise durch Schleifen und/oder Polieren erfolgen, sondern kann auch anders ausge­ führt werden.

Ebenso müssen die piezokeramischen Schichten zur Reinigung nicht notwendigerweise geglüht, sondern können beispielsweise auch chemisch gereinigt werden.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sta­ pelaktoren sind im übrigen, wie bereits eingangs erwähnt, zum Aufbau von Ultraschallwandlern mit Arrays von Stapelaktoren, wie sie beispielsweise in T. Sheljaskov, R. Lerch, M. Bech­ told, K. Newerla, U. Schätzle "A Phased Array Antenna for Si­ multaneous HIFU Therapy and Sonography", Proc. IEEE Ultraso­ nics Symposium, 1996, S. 1527-1530, welche Bestandteil der vorliegenden Offenbarung sein soll, beschrieben sind, geeig­ net.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Stapelaktors (SA) mit zwei oder mehreren, übereinandergestapelten jeweils durch eine elektrisch leitende, mehrere metallische Schichten (19, 20, 21, 22, 23, 24, 27) aufweisende Kontaktschicht (KS) voneinan­ der getrennten piezokeramischen Schichten (13, 14), aufwei­ send folgende verfahrensschritte:

• a) Bearbeitung der mit den metallischen Schichten (19, 20, 21, 22, 23, 24, 27) zu versehenden Flächen (15, 16) der piezokeramischen Schichten (13, 14) derart, daß die Flä­ chen (15, 16) unter Bildung eines Spaltes (S1, S2) mit we­ nigstens im wesentlichen konstanter Spaltweite aneinander anlegbar sind,
• b) Versehen der Flächen (15, 16) mit einer oder mehreren ver­ schiedenen metallischen Schichten (19, 20, 21, 22), welche die Eigenschaft eines Haftvermittlers aufweisen,
• c) Versehen der beschichteten Flächen (15, 16) mit einer Haftschicht aus Kupfer (23), und
• d) Verlöten der mit den Haftschichten aus Kupfer (23) verse­ henen Flächen (15, 16) der piezokeramischen Schichten (13, 14) miteinander zu einem Stapelaktor (SA).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Flächen (15, 16) der piezokeramischen Schichten (13, 14) durch Schleifen und/oder Polieren bearbeitet werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Flächen (15, 16) nach der Bearbeitung zur Reinigung geglüht werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Haftvermittler Chrom (19, 20) und/oder Platin (21) und/oder Gold (22) sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Verlöten der mit der Haftschicht (23) versehenen Flächen (15, 16) der piezokeramischen Schichten (13, 14) folgende Verfahrensschritte umfaßt:

• a) Anordnung der piezokeramischen Schichten (13, 14) derart übereinander, daß die mit der Haftschicht (23) versehenen Flächen (15, 16) der einzelnen piezokeramischen Schichten (13, 14) wenigstens im wesentlichen waagrecht verlaufen,
• b) Einbringung eines Lotes (24) zwischen die mit der Haftschicht (23) versehenen und miteinander zu verlötenden Flächen (15, 16),
• c) Aufheizen der Anordnung der piezokeramischen Schichten (13, 14) derart, daß das Lot (24) schmilzt und sich zwischen den mit der Haftschicht (23) versehenen Flächen (15, 16) ausbreitet,
• d) Zusammenpressen der piezokeramischen Schichten (13, 14) miteinander, und
• e) Abkühlen der verbundenen Anordnung von piezokeramischen Schichten (13, 14).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Verlöten der mit der Haftschicht (23) versehenen Flächen (15, 16) der piezokeramischen Schichten (13, 14) folgende Verfahrensschritte umfaßt:

• a) Zusammenpressen der piezokeramischen Schichten (13, 14) miteinander, wobei die Haftschichten (23) der einzelnen piezokeramischen Schichten (13, 14) jeweils unter Bildung eines Spaltes (S2) aneinander anliegen und jeweils eine Verbindungskante (K) miteinander aufweisen,
• b) Anordnung der zusammengepreßten piezokeramischen Schichten (13, 14) derart, daß die Haftschichten (23) wenigstens im wesentlichen vertikal verlaufen,
• c) Aufheizen der Anordnung der piezokeramischen Schichten (13, 14) auf die Schmelztemperatur eines Lotes (27),
• d) Aufbringung des Lotes (27) auf die Verbindungskante (K) der piezokeramischen Schichten (13, 14) derart, daß das Lot (27) schmilzt und in den Spalt (S2) zwischen den mit der Haftschicht (23) versehenen Flächen (15, 16) einzieht, und
• e) Abkühlen der verbundenen Anordnung von piezokeramischen Schichten (13, 14)

7. Stapelaktor nach einem der Verfahren 1 bis 6 aufweisend zwei oder mehrere, übereinandergestapelte, jeweils durch eine elektrisch leitende, mehrere metallische Schichten (19, 20, 21, 22, 23, 24, 27) aufweisende Kontaktschicht (KS) voneinander getrennte piezokeramische Schichten (13, 14), wobei die mit den metallischen Schichten (19, 20, 21, 22, 23) versehenen Flächen (15, 16) der piezokeramischen Schichten (13, 14) wenigstens im wesentlichen eben sind.