DE19922965C2 - Anordnung von mikromechanischen Ultraschallwandlern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von mikromechanisch hergestellten Ultraschallwandlern zur Abstrahlung von Ultra­ schall in Flüssigkeiten oder in biologisches Gewebe.

Es wird das Thema von mikromechanisch hergestellten Ultra­ schallwandlern behandelt, die zur Einstrahlung von Ultra­ schall in Flüssigkeiten oder in biologisches Gewebe herange­ zogen werden. Derartige Ultraschallwandler können einzeln oder in einer Anordnung einer Vielzahl von Einzelwandlern zum Einsatz gelangen. Jeder Ultraschallwandler besteht aus einem mikromechanischen Aufbau, der eine Membran aufweist, die in irgendeiner Form elektrisch angeregt wird und Ultraschall ab­ strahlt. Bei einer Anordnung von Ultraschallwandlern ist die Fläche der Anordnung groß gegenüber der Wellenlänge des er­ zeugten Ultraschalls. Die Membranen sind im Durchmesser klei­ ner und in ihrer Stärke sehr viel kleiner als die Wellenlänge des abgestrahlten Schalles. Durch das sehr geringe Gewicht der schwingenden Massen, der Membranen, ist ein mikromechani­ scher Ultraschallwandler in der Lage, kurze Schallimpulse mit gutem Wirkungsgrad auszusenden und zu empfangen.

Nachteilig ist bei dieser Anordnung, daß die Membranen nach einem Impuls noch lange Zeit nachschwingen und dabei gering­ fügig Schall abstrahlen. Diese Schwingungen werden durch Wel­ len hervorgerufen, die sich flächig ausbreiten, d. h. nicht in normaler Abstrahlrichtung senkrecht zur Membran, sondern in der flächigen Ausdehnung einer Ultraschallanordnung (array) von Ultraschallwandlern. Somit wird durch derartige Abkling­ schwingungen einer Anordnung von Ultraschallwandlern das Sende- und Empfangsverhalten negativ beeinflußt. Derartige Schwingungen sind sehr ungünstig, da die Frequenz des dabei ausgesandten Störsignals unter der Mittenfrequenz des Nutz- Abklingschwingung des Wandlers beim Impuls-Echo-Betrieb den Empfang des vom Meßobjekt reflektierten Schallimpulses.

Im Stand der Technik bestand bisher keine Notwendigkeit, auf die oben beschriebenen Probleme einzugehen, da konventionelle Ultraschallwandler größere schwingende Massen besitzen. Zur Erzeugung kurzer Impulse werden die Nutzschwingungen und mög­ liche Störschwingungen gleich stark gedämpft. Die Dämpfung geschieht üblicherweise durch impedanzangepaßte Dämpfungsma­ ssen auf der Rückseite (backing) oder durch innere Dämpfung des Dickenschwingers.

Anordnungen von einer Vielzahl mikromechanischer Einzelwand­ ler mit jeweils einer Membran, die jeweils nach einem elekt­ romechanischem Prinzip angewendet wird, sind beispielsweise aus der US 5 894 452 bekannt.

Aus der DE-C-197 56 577 ist bekannt, Polyurethan definierter Konsistenz einzusetzen, um unerwünschte Ultraschallwandler- Schwingungskomponenten abzuschwächen.

Weiterhin wird in der DD 120 806 ein Verfahren zur Dämpfung von Ultraschallwandlern beschrieben, bei dem die Dämpfung der radialen Schwingungsenergie nicht mehr über die Verkoppelung der Radialschwingung mit der Dickenschwingung durch den rück­ wärtigen Dämpfungskörper für die Dickenschwingung erfolgt, sondern durch geeignete Wahl der Parameter einer seitlichen Einkittungsschicht des Wandlerplättchens wird ein größerer Anteil radialer Schwingungsenergie übertragen und durch ge­ eignete Dämpfungsmaterialien gedämpft. Als Material kann bei­ spielsweise Silikongummi-Wolfram-Mischung herangezogen wer­ den.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, innerhalb einer An­ ordnung von Ultraschallwandlern auftretende Störsignale, die sich in Richtung der flächigen Ausdehnung der Anordnung aus­ breiten, zu dämpfen.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombi­ nation des Anspruchs 1.

Die Dämpfung einer Membran kann bei einem mikromechanisch hergestellten Ultraschallwandler nicht an der Membranrück­ seite stattfinden, da diese nicht frei zugänglich ist. Mikro­ mechanische Ultraschallwandler werden in der Regel auf einem harten Trägermaterial, beispielsweise Silizium, aufgebaut, so daß von dieser Seite her keine Dämpfungsanteile zu erwarten sind. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Membrandämpfung von der Vorderseite durch eine das gesamte Feld der Ultraschallwandleranordnung überdeckende Schicht aus Polymermaterial möglich ist. In dem Temperaturbereich des Glasübergangs des Polymermaterials muß die Arbeitstemperatur des Ultraschallwandlersystems liegen, wobei der Temperaturbe­ reich des Glasübergangs von der Arbeitsfrequenz abhängig ist. Arbeitsfrequenz und Arbeitstemperatur sind gemeinsam zu be­ trachten, um das geeignete Polymermaterial zu bestimmen, denn die mittlere Temperatur des Glasübergangs steigt mit der Ar­ beitsfrequenz an. Der Glasübergangsbereich stellt den Tempe­ raturbereich dar, in dem sich das Polymermaterial von einem festen in einen weichen Zustand umwandelt. In diesem Zustand besitzt das Material besonders hohe Scherdämpfung und eine moderate Kompressionsdämpfung. Dadurch ist gewährleistet, daß in Abstrahlrichtung eine geringe Dämpfung auftritt und quer zur Abstrahlrichtung eine besonders hohe Scherdämpfung vorhanden ist.

Es ist vorteilhaft, bei besonders hohen Arbeitsfrequenzen im Megahertz-Bereich (MHz) und bei Arbeitstemperaturen in der Gegend der Raumtemperatur als Polymermaterial ein Elastomer einzusetzen.

Für maximale Dämpfung der unerwünschten Schwingungen ist die Schichtdicke des Polymermateriales derart auszuwählen, daß bei der Arbeitsfrequenz die Membranschwingung mit einer Schwingung der Beschichtung in Resonanz ist. Bei dieser Be­ schichtungsresonanz handelt es sich nicht um eine Dicken­ schwingung, wie bei der klassischen λ/4-Anpassung. Vielmehr schwingt die Beschichtung parallel zur Wandleroberfläche zwi­ schen den Membranen und den Membranzwischenräumen. Eine nach diesen Kriterien hergestellte Beschichtung verschlechtert die Amplitude und die Dauer des Nutzsignals nur geringfügig, bewirkt aber eine wirksame Dämpfung der Störschwingungen in lateraler Richtung. Es ist besonders vorteilhaft, ein Elasto­ mer, wie Polyurethan oder Silikon, als Dämpfungsschicht zu verwenden. Diese Materialien besitzen die geforderten Eigen­ schaften, um Störschwingungen zwischen verschiedenen Ultra­ schallwandlern einer Anordnung zu dämpfen.

Es können sowohl kapazitive Ultraschallwandler als auch sol­ che, die nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeiten, ge­ dämpft werden.

Im folgenden wird anhand schematischer Figur eine Anordnung von Ultraschallwandlern dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Anordnung von Ultra­ schallwandlern,

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Ultraschallwand­ ler mit schematischer Lage der verschiedenen Schichten und der zugehörigen Schwingungen.

Die in der Fig. 1 dargestellten Einzelwandler 2 eine hexago­ nal strukturierte Anordnung. Durch die dicht gepackte Anord­ nung von Einzelwandlern 2, die mikromechanisch hergestellt wurden, kann es zu Störsignalen zwischen den einzelnen Wand­ lern kommen. Wie oben beschrieben, wird die gesamte Anordnung 1 mit einer Polymerschicht überzogen. Somit ist eine hohe Dämpfung in Richtung der an einer Membran eines Ultra­ schallwandlers auftretenden Scherwellen gegeben, die sich la­ teral, also in ebener Richtung der Anordnung ausbreiten. Diese Scherwellen sind in der Regel Transversalwellen.

In Fig. 2 ist der im Querschnitt dargestellte Aufbau eines einzelnen Ultraschallwandlers dargestelt. Der Luftspalt die­ ses Einzelwandlers 2 liegt zwischen Substrat und Membran. Seine Breite wird definiert durch die Stärke der Abstands­ schicht. Auf der Membran ist eine beschriebene Beschichtung aufgebracht, die vom diesem oder von benachbarten Wandlern bewirkte Schwingungen aufnimmt. Insbesondere werden durch die Beschichtung die mit waagerecht liegendem Doppelpfeil gekenn­ zeichneten Scherschwingungen bedämpft, wenn die Beschichtung die erfindungsgemäßen Eigenschaften aufweist.

Claims (8)

1. Anordnung von mikromechanischen Ultraschallwandlern, be­ stehend aus einer Vielzahl von Einzelwandlern (2) mit je­ weils einer Membran, die nach einem elektromechanischen Prinzip angeregt wird, wobei die Anordnung vorderseitig mit einer Dämpfungsschicht aus einem Polymermaterial ver­ sehen ist und die Arbeitstemperatur der Anordnung bei vor­ gegebener Arbeitsfrequenz im Glasübergangsbereich des Po­ lymermateriales liegt.

2. Anordnung von mikromechanischen Ultraschallwandlern nach Anspruch 1, wobei die Schichtdicke der Dämpfungsschicht derart ausgelegt ist, daß eine entsprechende Eigenfrequenz der Dämpfungsschicht der Arbeitsfrequenz des Ultraschall­ wandlers entspricht.

3. Anordnung von mikromechanischen Ultraschallwandlern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtdicke der Dämpfungsschicht im Bereich von 10 bis 50 µm liegt.

4. Anordnung von mikromechanischen Ultraschallwandlern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Polymer-Ma­ terial ein Elastomer ist.

5. Anordnung von mikromechanischen Ultraschallwandlern nach Anspruch 4, wobei das Elastomer Polyurethan oder Silikon ist.

6. Anordnung von mikromechanischen Ultraschallwandlern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einzelwand­ ler (2) in Form einer rechtwinkeligen oder hexagonalen Ma­ trix, oder in Form eines Kreises zueinander angeordnet sind.

7. Anordnung von mikromechanischen Ultraschallwandlern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip arbeiten und die Membran eine von zwei Kondensatorelektroden darstellt.

8. Anordnung von mikromechanischen Ultraschallwandlern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandler nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeiten und die Membran zu­ sammen mit einer auf ihr aufgebrachten piezoelektrischen Schicht dargestellt ist.