DE19922967C2 - Mikromechanischer kapazitiver Ultraschallwandler und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft kapazitive Ultraschallwandler, die mi­ kromechanisch hergestellt sind und somit eine massearme Mem­ bran aufweisen.

Kapazitive Ultraschallwandler besitzen zur Schallabstrahlung eine massearme Membran. Damit ist die Voraussetzung für große Bandbreiten bei der Schallabstrahlung mit gutem Wirkungsgrad gegeben. Die abgestrahlte Leistung wird durch die antreibende Kraft und den daraus resultierenden Membranhub bestimmt. Ka­ pazitive Wandler werden derzeit bevorzugt für die Abstrahlung von Ultraschall in Luft eingesetzt. Bei dieser Schallabstrah­ lung wird bei gegebener Antriebskraft für die Membran ein entsprechender Hub vorhanden sein. Wird nun die Schallab­ strahlung in Flüssigkeiten betrachtet, so wird bei gleicher Kraft ein wesentlich kleinerer Membranhub erreicht werden als bei der Abstrahlung an oder in Luft. Damit sinken die abge­ strahlte Leistung des Ultraschallwandlers und dessen Wir­ kungsgrad. Dies gilt sowohl für Flüssigkeiten als auch für biologisches Gewebe, das in diesem Anwendungsfall ähnliche Eigenschaften aufweist. Für eine sinnvolle Anwendung des ka­ pazitiven Wandlungsprinzipes bei Flüssigkeiten und biologi­ schen Geweben ist es erforderlich, den Abstand zwischen den Elektroden des den Ultraschallwandler darstellenden Kondensa­ tors, den Kondensatorspalt, zu reduzieren. Dadurch wird bei gleicher elektrischer Spannung eine höhere Feldstärke und da­ mit eine höhere Antriebskraft erreicht. Im Idealfall bewirkt die erhöhte Antriebskraft einen Membranhub, der beinahe so groß ist wie die Höhe des Kondensatorspaltes. Besonders für hohe Frequenzen um 50 MHz und einer Spannung von 10 V sollte der Spalt maximal 20 nm hoch sein. Derart geringe Höhen sind jedoch derzeit nicht herstellbar.

Im Stand der Technik werden zur Schallerzeugung in Flüssig­ keiten und biologischen Geweben überwiegend andere Wandler­ prinzipien wie z. B. das piezoelektrische Prinzip eingesetzt. Bei einem mikromechanischen Herstellungsverfahren kommt es darauf an, den extrem geringen Luftspalt zwischen Membran und Gegenelektrode herzustellen. Bisherige mikromechanische Lö­ sungen sind mit einer Spalthöhe von ca. 100 nm verbunden.

Aus der DE-A-196 43 893 ist beispielsweise ein Ultraschall­ wandler bekannt, der in Oberflächen-Mikromechanik hergestellt wird. Auf einem Siliziumsubstrat mit darin ausgebildetem do­ tierten Bereich befinden sich eine Abstandsschicht und eine darüber liegende Membran, wobei der dotierte Bereich und die Membran mit im Bauteil integrierten elektronischen Bauelemen­ ten verbunden sind. Die elektronischen Bauteile sind Bestand­ teil der Betriebsschaltung, beispielsweise zur Ansteuerung der Membran und zur Auswertung von Membranschwingungen. Ins­ besondere ist vorgesehen, den Abstand zwischen der Membran und dem dotierten Bereich mittels einer Gleichspannung als Vorspannung einzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mikromecha­ nisch hergestellten kapazitiven Ultraschallwandler bereitzu­ stellen, der eine Spalthöhe von weniger als 100 nm aufweist. Weiterhin sollen Herstellungsverfahren beschrieben werden.

Die Lösung dieser Aufgaben geschieht durch die Merkmalskombi­ nationen der Ansprüche 1 bzw. 10.

Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen ent­ nommen werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß in einem mikromechanischen Standardprozeß hergestellte kapazitive Ult­ raschallwandler mit einem Luftspalt von beispielsweise 600 nm so modifizierbar sind, daß die gewünschten Eigenschaften rea­ lisierbar sind. Ein mit einer ebenen Membran hergestellter Ultraschallwandler wird somit einem Verfahren unterworfen, das eine gewünschte sehr niedrige Spalthöhe zwischen den Kon­ densatorelektroden gewährleistet. Hierzu werden auf der Memb­ ranseite, die der Gegenelektrode gegenüber liegt, Noppen auf­ gebracht, die eine einheitliche Höhe aufweisen. Ihre Höhe liegt im Bereich von 10 bis 100 nm. Die Membran wird in die­ sem Verfahren aus der ebenen Struktur derart verformt, daß sie mit den Noppen auf der Gegenelektrode aufliegt. Dies gilt für den zentralen in oder über einer Aussparung befindlichen Teil der Membran bzw. der Gegenelektrode. Dabei liegen die Noppen fest an der Gegenelektrode an. Der Bereich zwischen den Noppen und/oder der Bereich zwischen den Noppen und einer Einspannung der Membran steht jeweils als elastischer Memb­ branbereich zur Schallabstrahlung zur Verfügung. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Einsatz eines Fotolackes als Nieder­ halter die seitlichen Bereiche zwischen den Noppen und der Membraneinspannung im wesentlichen überdeckt und unwirksam macht. Insgesamt wird ein mikromechanisch hergestellter Ul­ traschallwandler mit ebener Membran derart weitergebildet, daß seine Membran teilweise kollabiert ist. In diesem Zustand ist die Membran derart angezogen bzw. arretiert, daß sie an der Gegenelektrode anliegt. Dieser Zustand kann elektrisch oder mechanisch erfolgen. Bei dem beschriebenen Ultraschall­ wandler wird der körperliche Kontakt zwischen Membran und Ge­ genelektrode durch die auf der Membran befindlichen Noppen dargestellt. Ein vollständiger Kollaps, bei dem auch neben den Noppen befindliche Zonen der Membran in Kontakt mit der Gegenelektrode geraten, wird vermieden. Nachdem die Gegene­ lektrode aus einem Material, in der Regel Silizium, besteht, das oberflächlich oxidiert, entsteht kein Kurzschluß. In die­ sem kollabierten Zustand liegt ein gleichmäßiger Luftspalt mit minimaler Höhe vor. Bei entsprechender elektrischer Anre­ gung, beispielsweise mit 50 MHz und 10 V kann mit einer ent­ sprechend erhöhten Antriebskraft für die Membran gerechnet werden.

Ein bei der Herstellung nachträglich auftretender Spalt zwi­ schen Noppen und Gegenelektrode durch Rückfederung des Foto­ lackes kann je nach Anwendung erhalten bleiben oder in vor­ teilhafter Weise durch eine elektrisch aufgebrachte Kraft ge­ schlossen werden.

Im folgenden werden anhand von schematischen, den Schutzbe­ reich der Erfindung nicht einschränkenden Figuren, Ausfüh­ rungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Ultraschallwand­ ler, dessen Membran durch eine anliegende Gleichspan­ nung kollabiert ist,

Fig. 2 zeigt einen Ultraschallwandler nach Fig. 1, wobei die kollabierte Position der Membran durch einen auf­ gebrachten und entsprechend verformten Fotolack er­ reicht wird.

Die Querschnittsdarstellung entsprechend Fig. 1 zeigt den Aufbau eines mikromechanisch hergestellten kapazitiven Ultra­ schallwandlers mit einem Substrat 10, einer darin eingebette­ ten Elektrode 4, einer Abstandsschicht 8 mit einer Aussparung und einer Membran 1, die über der Aussparung positioniert ist und durch eine Einspannung 5 fixiert ist. Die elektrischen Anschlüsse geschehen mittels der Kontaktierungen 6, 7. Der in Fig. 1 dargestellte kollabierte Zustand der Membran 1 ergibt durch den Kontakt der Noppen 3 mit der Gegenelektrode 4 einen definierten Spalt, in dem durch die Membran 1 und die Gegene­ lektrode dargestellten Kondensator. Die Breite des Luftspal­ tes 2 entspricht der Höhe der Noppen 3. In diesem Zustand kann die Membran im zentralen Bereich zwischen den darge­ stellten Noppen 3 schwingen und auch in den Randbereichen zwischen Einspannung 5 und den Noppen 3. Die Versteifungs­ schicht 9 kann aus einer oder einer Vielzahl von Schichten bestehen. Sie versteift den zentralen Teil der Membran 1. Die Versteifungsschicht 9 kann zur Einstellung eines gewünschten Abstrahlverhaltens des Ultraschallwandlers im Aufbau und in der Zusammensetzung variiert werden.

Fig. 2 zeigt vom Aufbau her eine identische Darstellung wie in Fig. 1. Der als oberste Lage aufgebrachte Fotolack 11 weist über dem zentralen Bereich der Membran 1 eine Ausspa­ rung auf, um die Abstrahlung des Ultraschallwandlers zu ge­ währleisten. Der Fotolack hat nicht nur Kontakt mit der Ein­ spannung 5, sondern reicht bis zur Versteifungsschicht 9 und teilweise bis zur Membran 1. Durch diese Ausbildung wird die Membran 1 niedergedrückt und fixiert, so daß die Noppen 3 an der Gegenelektrode 4 anliegen.

In Fig. 1 wird der kollabierte Zustand der Membran 1 durch Anlegen einer Gleichspannung erzielt. In Fig. 2 wird dies mechanisch durch den Fotolack 11 bewirkt. Sollte bei der Dar­ stellung in Fig. 2 durch geringfügiges Zurückfedern des Fo­ tolackes 11 nach der Herstellung des Zustandes entsprechend Fig. 2 eine geringfügige Beabstandung der Noppen 3 von der Gegenelektrode 4 vorliegen oder eintreten, so kann auch hier mit einer entsprechenden Gleichspannung eine entsprechend aufgebrachte Kraft zum vollständig kollabierten Zustand der Membran 1 führen. Eine an den Ultraschallwandler angelegte Gleichspannung wird also dazu ausgenutzt, einen kollabierten Zustand einer Membran 1 einzustellen.

Zum Schutz eines Ultraschallwandlers oder einer Anordnung von Ultraschallwandlern kann eine alles überdeckende Siliziumni­ trid (SiN)-Schutzschicht aufgebracht werden. Das standardmä­ ßige Herstellungsverfahren für genoppte, mikromechanische Bauteile ist bekannt. Die Noppen wurden bisher dazu genutzt, um bei der Herstellung ein ganzflächiges Festkleben der Bau­ teile aneinander zu verhindern (Anti-Sticking). In diesem Fall werden die Noppen 3 dazu benutzt, einen Hohlraum als Kondensatorspalt zu definieren, der eine extrem geringe Brei­ te aufweist, die durch die Höhe der Noppen bestimmt wird. Der Ultraschallwandler wird mit einer ebenen Membran hergestellt und mit Fotolack beschichtet. Von der Membranmitte, dem zen­ tralen Bereich der Membran 1, wird der Fotolack 11 photoli­ thographisch entfernt. Der Ultraschallwandler wird in einen Autoklaven (Ofen mit Druckkammer) gebracht. Die Membran wird durch Luftdruck mit den Noppen 3 auf die Gegenelektrode 4 ge­ drückt. Durch anschließendes Aufheizen unter Druck härtet der Fotolack 11 in verformtem Zustand aus. Nach Wegnahme von Druck und Temperatur bleibt die Membran 1 verformt. Ein bei Druckwegnahme eventuell entstehender Spalt zwischen Noppen 3 und Gegenelektrode 4 kann durch Anlegen einer Gleichspannung wieder geschlossen werden. Diese Maßnahme ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Der Verfahrensablauf gilt sowohl für einen Ultraschallwandler als auch für eine Anordnung einer größeren Anzahl von Ultraschallwandlern.

Claims (11)

1. Mikromechanischer kapazitiver Ultraschallwandler bestehend aus:

• - einer auf einem Substrat (10) flächig aufgebrachten Ge­ genelektrode (4),
• - einer auf dem Substrat (10) und/oder auf der Gegenelekt­ rode (4) befindlichen Abstandsschicht (8) mit Aussparun­ gen, so daß ein zentraler Bereich der Gegenelektrode (4) frei ist,
• - einer auf der Abstandsschicht (8) aufgebrachten und die Aussparung überdeckende mikromechanischen Membran (1), die an einer der Gegenelektrode (4) zugewandten Seite mit Noppen (3) versehen ist, wobei die Membran durch ei­ ne Fotolackschicht (11) und gegebenenfalls durch eine e­ lektrisch aufgebrachte Kraft niedergehalten wird, so daß die Noppen (3) an der Gegenelektrode (4) anliegen.

2. Mikromechanischer Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wo­ bei durch Anlegen einer Gleichspannung die elektrisch aufge­ brachte Kraft erzeugbar ist.

3. Mikromechanischer Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wo­ bei ein durch federnde Eigenschaften der Fotolackschicht (11) gebildeter Abstand zwischen Noppen (3) und Gegenelektrode (4) durch eine elektrisch aufgebrachete Kraft eliminierbar ist.

4. Mikromechanischer Ultraschallwandler nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, wobei die Noppen (3) umlaufend ent­ sprechend der inneren Form einer Aussparung angeordnet sind.

5. Mikromechanischer Ultraschallwandler nach Anspruch 4, wo­ bei die Noppen (3) kreisförmig angeordnet sind.

6. Mikromechanischer Ultraschallwandler nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, wobei die Noppen (3) eine einheitliche Höhe im Bereich von 10 bis 100 nm aufweisen.

7. Mikromechanischer Ultraschallwandler nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, wobei der zentrale Bereich der Membran (1) auf der den Noppen (3) gegenüberliegenden Seite mit min­ destens einer Versteifungsschicht (9) versehen ist.

8. Mikromechanischer Ultraschallwandler nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, wobei die Gegenelektrode (1) aus Poly­ silizium besteht.

9. Mikromechanischer Ultraschallwandler nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von benachbart po­ sitionierten mikromechanischen Ultraschallwandlern eine zwei­ dimensionale Wandleranordnung bildet.

10. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Ultra­ schallwandlers nach einem der Ansprüche 1-9 mit einer Foto­ lackschicht (11) als Membranniederhalter, wobei der Ultra­ schallwandler mit einer ebenen Membran (1) hergestellt wird, auf der ein Fotolack (11) aufgetragen wird, der Fotolack pho­ tolithographisch im zentralen Bereich der Gegenelektrode (4) bzw. einer Aussparung entfernt wird, der Ultraschallwandler in einem Autoklaven mit Gasdruck beaufschlagt wird, so daß die Noppen (3) auf die Gegenelektrode (4) angedrückt werden und der Fotolack gleichzeitig ausgehärtet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein bei der Druckweg­ nahme entstehender Spalt zwischen Noppen (3) und Gegenelek­ trode (4) durch Anlegen einer Gleichspannung geschlossen wird.