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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine laminierte Struktur nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Fertigen der laminierten Struktur
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10 sowie ein Verfahren zum Fertigen
einer Mehrzahl solcher laminierter Strukturen gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 14. Derartige Strukturen können für die Ultraschalldiagnose,
für die
zerstörungsfreie
Prüfung und
dergleichen verwendet werden.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Laminierte
Strukturen, in denen jeweils Isolierschichten (Dielektrika) und
Elektrodenschichten abwechselnd ausgebildet sind, werden nicht nur
in laminierten Kondensatoren, sondern auch in zahlreichen anderen
Einsatzgebieten verwendet, so zum Beispiel als piezoelektrische
Pumpen, piezoelektrische Aktuatoren und in Ultraschallwandlern.
In den vergangenen Jahren sind im Zuge der Entwicklung von Bauelementen
und Anlagen für
MEMS (mikro-elektromechanische Systeme) Elemente mit einer solchen
laminierten Struktur durch Mikrofabrikation noch weiter entwickelt
und noch dichter gepackt ausgebildet worden.
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Bei
der Mikrofabrikation eines Elements mit einander gegenüberstehenden
Elektroden gilt: je kleiner die Fläche des Elements gemacht wird,
desto geringer ist die Kapazität
zwischen den Elektroden. Hierdurch entsteht das Problem der Entstehung
der elektrischen Impedanz des Elements. Wenn dabei die elektrische
Impedanz in einem piezoelektrischen Aktuator beispielsweise ansteigt,
so läßt sich
keine Impedanzanpassung zwischen dem piezoelektrischen Aktuator
und einer Signalschaltung zum Treiben des Aktuators erreichen, und
es wird schwierig, dem piezoelektrischen Aktuator Leistung zuzuführen, so daß die Leistungsfähigkeit
des Aktuators schlechter wird. Andererseits wird bei einem Ultraschallwandler
mit einem piezoelektrischen Element die Schwingungsintensität der Ultraschallwelle
schwächer.
Um also die Kapazität
zwischen den Elektroden bei der Mikrofabrikation des Elements zu
steigern, war es üblich,
abwechselnd mehrere piezoelektrische Materialschichten und mehrere
Elektrodenschichten zu stapeln. Dies deshalb, weil die Kapazität zwischen
Elektroden des gesamten Elements dadurch gesteigert werden kann,
daß man
die mehreren gestapelten Schichten parallel schaltet.
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Um
in einer derartigen laminierten Struktur die mehreren Elektrodenschichten
miteinander zu verbinden, werden von den Seitenflächen der
Struktur her Zwischenverbindungen gebildet. 9 ist eine
Schnittansicht, die der Erläuterung
einer grundsätzlichen
Verbindungsmethode für
eine laminierte Struktur dient. Eine laminierte Struktur 100 enthält eine
Mehrzahl piezoelektrischer Schichten 101, mehrere Schichten
von Elektroden 102 und 103 sowie seitliche Elektroden 104 und 105.
Die Elektrode 102 ist derart ausgebildet, daß ihr eines
Ende sich zu einer Wandfläche
der laminierten Struktur hin erstreckt, und die Elektrode 102 ist
mit der Seitenelektrode 104 verbunden, jedoch gegenüber der
Seitenelektrode 105 isoliert. Weiterhin ist die Elektrode 103 so
ausgebildet, daß ihr
eines Ende sich zu der anderen Wandfläche der laminierten Struktur
hin erstreckt, und die Elektrode 103 ist mit der Seitenelektrode 105 verbunden,
jedoch von der Seitenelektrode 104 isoliert. Durch Anlegen
einer Potentialdifferenz zwischen die Seitenelektrode 104 und
die Seitenelektrode 105 gelangt eine Spannung an die piezoelektrischen
Materialschichten 101 zwischen den Elektroden 102 und 103,
und demzufolge kommt es durch den piezoelektrischen Effekt zu einem
Expandieren und Kontrahieren der piezoelektrischen Materialschichten 101.
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Wie
in 9 dargestellt ist, sind übrigens in den Elektroden 102 und 103 dort,
wo keine Elektrode ausgebildet ist, Isolierzonen 106 vorhanden,
um die Elektroden von der jeweils einen Seitenelektrode zu isolieren.
Die Isolierzonen 106 dehnen sich nicht aus und werden auch
nicht kontrahiert, wenn eine Spannung an die Struktur 100 gelegt
wird. Hierdurch ergibt sich das Problem, daß sich in diesem Teil Spannung konzentriert
und dieser Bereich leicht bricht.
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Die
japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung
JP-P2002-118305A zeigt ein weiteres Verbindungsverfahren für die laminierte
Struktur in Verbindung mit einem Mehrfachelektroden-Piezobauelement,
bei dem ein piezoelektrisches oder ein elektrostriktives Material
mit einer großen
Anzahl von unabhängig
gesteuerten Elektroden vorhanden ist und ein Teil oder die Gesamtheit
einer elektronischen Schaltungsplatine mit dem piezoelektrischen/elektrostriktiven
Werkstoff, an dem Elektroden für
externe Anschlüsse
ausgebildet sind, mit einem Isolierstoff überzogen ist, auf dessen Oberfläche ein
Verbindungsmuster gebildet ist, wozu der Isolierstoff an den Elektroden
für externe
Anschlüsse
beseitigt wurde, und eine gewünschte
Verbindung zwischen den Elektroden und dem Verbindungsmuster geschaffen wurde.
Allerdings ist die Ausbildung der Verbindung zu jedem der großen Anzahl
laminierter Strukturen bei diesem Verfahren kompliziert, und insbesondere dann,
wenn die Struktur in zweidimensionaler Weise als Feld angeordnet
ist, läßt sich
die Verbindung nur schwierig herstellen.
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Eine
laminierte Struktur gemäß Oberbegriff des
Anspruchs 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs
10 und des Anspruchs 14 sind bekannt aus dem Patent Abstracts of
Japan, Vol. 2003, Nr. 6, 3. Juni 2003 (
JP 2003 037308 A ).
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Diese
Schrift zeigt eine laminierte Struktur mit piezoelektrischen und
elektrostriktiven Schichten und zwei oder mehr Werkstoffarten als
interne Elektroden innen an der Oberfläche jeder der Schichten. Insoweit
die vorliegende Erfindung mindestens eine dielektrische Schicht
und mindestens eine erste und eine zweite elektrische Schicht vorsieht,
wobei zwei Arten eines elektrischen Materials angeordnet sind, ähnelt der
vorliegende Erfindungsgegenstand der Struktur nach der oben angegebenen
JP-Schrift. Allerdings werden im Rahmen der Erfindung ein nicht oxidierbarer
Werkstoff und ein oxidierbarer Werkstoff (oder ein nicht fluorierbarer
bzw. ein fluorierbarer Werkstoff) als das erste bzw. das zweite
Elektrodenmaterial verwendet.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben angesprochenen
Probleme gemacht. Ein erstes Ziel der Erfindung ist die Schaffung
einer laminierten Struktur mit weniger spannungsbedingten Brüchen der
Isolierschichten. Außerdem
ist ein zweites Ziel der Erfindung die Schaffung eines Fertigungsverfahrens
für eine
laminierte Struktur, mit dem eine solche Struktur in einfacher Weise
hergestellt werden kann. Ein drittes Ziel der Erfindung ist die Schaffung
eines Ultraschallwandler-Arrays unter Verwendung einer solchen laminierten
Struktur.
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Um
die oben angesprochenen Probleme zu lösen, besitzt eine laminierte
Struktur gemäß der Erfindung
die Merkmale des Anspruchs 1.
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Weiterhin
weist das Ultraschallwandlerfeld gemäß der Erfindung die Merkmale
des Anspruchs 9 auf.
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Darüber hinaus
handelt es sich bei dem Fertigungsverfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung um
ein Verfahren zum Fertigen einer laminierten Struktur mit den Merkmalen
des Anspruchs 10.
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Darüber hinaus
ist ein Fertigungsverfahren gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Fertigen einer Mehrzahl
laminierter Strukturen mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
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Erfindungsgemäß wird eine
Elektrodenschicht gebildet durch Verwendung von zwei Materialarten,
und gegenüber
einer Seitenelektrode wird eine Elektrode durch Oxidieren oder Fluorieren
einer Stirnfläche
eines jener Materialien isoliert, so daß eine Zone einer piezoelektrischen
Materialschicht, an der sich keine Elektrode befindet, auf ein Minimum reduziert
werden kann. Im Ergebnis läßt sich
in einfacher Weise eine laminierte Struktur herstellen, die weniger
anfällig
für spannungsbedingte
Brüche
der Isolierschicht ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Schnittansicht einer laminierten Struktur nach einer ersten
Ausführungsform
der Erfindung;
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2A bis 2E sind
Diagramme zum Erläutern
eines Fertigungsverfahrens für
die laminierte Struktur der ersten Ausführungsform der Erfindung;
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3A bis 3D sind
Diagramme zum Erläutern
eines Fertigungsverfahrens für
die laminierte Struktur der ersten Ausführungsform der Erfindung;
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4 ist
ein schematisches Diagramm des Aufbaus einer Schichtbildungsvorrichtung
unter Einsatz des Aerosolniederschlagverfahrens;
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5 ist
eine Schnittansicht einer laminierten Struktur nach der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung;
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6A bis 6E sind
Diagramme zum Erläutern
des Fertigungsverfahrens für
eine laminierte Struktur nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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7A und 7B sind
Diagramme zum Erläutern
eines Fertigungsverfahrens für
eine laminierte Struktur nach der dritten Ausführungsform der Erfindung;
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8 ist
eine perspektivische Ansicht eines Ultraschallwandlerfelds nach
einer Ausführungsform der
Erfindung; und
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9 ist
ein Diagramm zum Erläutern
eines Zwischenverbindungsverfahrens in einer herkömmlichen
laminierten Struktur.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen,
ihre Beschreibung entfällt.
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1 ist
eine Schnittansicht einer laminierten Struktur nach der ersten Ausführungsform
der Erfindung. Die laminierte Struktur 1 ist ein mikrosäulenförmiger Strukturkörper mit
einer Bodenfläche,
deren Seiten in der Größenordnung
von 0,2 mm auf 1,0 mm bei einer Höhe in der Größenordnung
von 1,0 mm liegen. Bei dieser Ausführungsform dient als Dielektrikum
ein piezoelektrisches Material. Die laminierte Struktur 1 enthält eine
Mehrzahl piezoelektrischer Materialschichten 10, eine Mehrzahl
von Elektrodenschichten 20a und 20b, die zwei
Arten von Elektrodenmaterialien enthalten, Seitenelektroden 31 und 32,
die auf Seitenflächen 1a und 1b der
laminierten Struktur 1 ausgebildet sind. Außerdem kann
die laminierte Struktur 1 eine obere Elektrode 33 und
eine untere Elektrode 34 enthalten, die mit der Seitenelektrode 31 bzw. 32 verbunden
sind. Die Form der Bodenfläche
der laminierten Struktur 1 ist nicht auf eine quadratische
Form beschränkt,
sie kann rechtwinklig oder anderweitig geformt sein. Außerdem sind
die Zonen, in denen sich die Seitenelektroden befinden, nicht auf
das Paar einander abgewandter Seitenflächen beschränkt, es können andere Zonen gewählt werden,
falls sie elektrisch voneinander getrennt sind.
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Die
piezoelektrische Materialschicht 10 ist beispielsweise
aus PZT (Pb-(Blei-)Zirkonat-Titanat) gebildet.
Durch Anlegen einer Spannung an die piezoelektrische Materialschicht 10 über die
Elektrodenschichten 20a und 20b dehnt sich die
piezoelektrische Materialschicht 10 aus und zieht sich
zusammen, bedingt durch den piezoelektrischen Effekt. Die laminierte
Struktur unter Verwendung eines piezoelektrischen Materials wie
PZT besitzt eine Isolierschicht (dielektrische Schicht) als piezoelektrische Pumpe,
einen piezoelektrischen Aktuator, einen Ultraschallwandler zum Senden
und Empfangen von Ultraschallwellen in einer Ultraschallsonde oder
dergleichen. Außerdem
kann eine solche laminierte Struktur die Fläche der einander gegenüberliegenden
Elektroden vergrößern, verglichen
mit einer Einzelschichtstruktur, und die elektrische Impedanz kann
verringert werden. Deshalb kann die laminierte Struktur effizient
abhängig
von der angelegten Spannung arbeiten, verglichen mit einer Einzelschichtstruktur.
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Jede
der Elektrodenschichten 20a und 20b besitzt ein
erstes Elektrodenmaterial 21 und ein zweites Elektrodenmaterial 22 als
zwei unterschiedliche Arten von Elektrodenmaterialien.
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In
der Elektrodenschicht 20a ist das erste Elektrodenmaterial 21 derart
angeordnet, daß seine Stirnfläche zu der
Seitenfläche 1a hin
freiliegt, und das zweite Elektrodenmaterial 22 ist so
angeordnet, daß seine
Stirnfläche
zu der Seitenfläche 1b hin
offen ist, die sich von der Seitenfläche 1a unterscheidet. Andererseits
ist in der Elektrodenschicht 20b das erste Elektrodenmaterial 21 so
angeordnet, daß seine Stirnfläche in der
Seitenfläche 1b freiliegt,
und das zweite Elektrodenmaterial 22 ist so angeordnet,
daß seine
Stirnfläche
in der Seitenfläche 1a freiliegt.
Außerdem
sind in jeder der Elektrodenschichten 20a und 20b das
erste Elektrodenmaterial 21 und das zweite Elektrodenmaterial 22 miteinander
in Berührung
stehend angeordnet. Solche Elektrodenschichten 20a und 20b sind
abwechselnd mit der dazwischen liegenden piezoelektrischen Materialschicht 20 geschichtet.
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Wie
in 1 gezeigt ist, liegt die Stirnfläche des
zweiten Elektrodenmaterials 22, die in jeder der Seitenflächen 1a und 1b freiliegt,
oxidiert. Hierdurch ist die Elektrodenschicht 20a von der
Seitenelektrode 31 auf der Seitenoberfläche 1b isoliert, und
die Elektrodenschicht 20b ist gegenüber der auf der Seitenfläche 1a befindlichen
Seitenelektrode 32 isoliert. Durch Ausbilden der internen
Elektroden (der Elektrodenschichten 20a und 20b)
der laminierten Struktur 1 in der oben beschriebenen Weise
werden die gestapelten mehreren Schichten parallel geschaltet.
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Ein
als das erste Elektrodenmaterial 21 und das zweite Elektrodenmaterial 22 verwendetes
Materials wird im folgenden erläutert.
Bei dieser Ausführungsform
wird, um einen vorbestimmten Teil der internen Elektrode zu isolieren,
nur eines der verschiedenen beiden Arten von Elektrodenmaterialien
oxidiert. Folglich werden als Elektrodenmaterial der internen Elektrode
ein oxidierbares Material und ein unter entsprechenden Bedingungen
oder Verarbeitungsbedingungen nicht oxidierbares Material in Kombination
verwendet.
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Weiterhin
ist es im Hinblick auf solche elektrischen Eigenschaften erforderlich,
ein Material auszuwählen,
welches sich für
das einzusetzende Fertigungsverfahren eignet. Wenn beispielsweise
das Aerosolniederschlagungsverfahren (AD-Verfahren; aerosol deposition)
für Material
in Form von Sprühpulver
zum Aufsprühen
auf die Unterlagenschicht bei Herstellung einer piezoelektrischen
Materialschicht 20 verwendet wird, so ist die Härte des
Elektrodenmaterials von Bedeutung. Dies deshalb, weil dann, wenn
ein Elektrodenmaterial mit geringer Härte verwendet wird, die Elektrodenschicht
geschabt wird, wenn das Pulver aus dem piezoelektrischen Material aufgesprüht wird,
während
dann, wenn ein Elektrodenmaterial mit einer zu großen Härte verwendet wird,
das Pulver des piezoelek trischen Werkstoffs möglicherweise in die Elektrodenschicht
einschneidet und deshalb das piezoelektrische Material nicht niedergeschlagen
werden kann. Als das erste Elektrodenmaterial 21, welches
für das
AD-Verfahren in Betracht kommt, kann ein Metall wie zum Beispiel Platin
(Pt) oder Palladium (Pd) oder eine Legierung mit mindestens einem
dieser Elemente verwendet werden, oder aber ein leitendes Oxid wie
SRO (Strontium-Ruthenium-Oxid:
SrRuO3). Als zweites Elektrodenmaterial 22,
welches für
das AD-Verfahren in Betracht kommt, lassen sich nennen: Metall wie zum
Beispiel Nickel (Ni), Chrom (Cr), Titan (Ti) und Kobalt (Co) oder
eine Legierung, die zumindest eines dieser Elemente enthält. Bei
dieser Ausführungsform dient
Platin (Pt) als erstes Elektrodenmaterial 21, Nickel (Ni)
dient als zweites Elektrodenmaterial 22. Das AD-Verfahren
wird weiter unten näher
erläutert.
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Als
nächstes
wird anhand der 2A bis 4 ein Fertigungsverfahren
für eine
laminierte Struktur nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung erläutert. 2A bis 3D sind
Diagramme zum Erläutern
des Fertigungsverfahrens einer laminierten Struktur nach dieser
Ausführungsform.
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Als
erstes wird nach 2A auf einem Substrat 50 eine
piezoelektrische Materialschicht 60 gebildet. Bei dieser
Ausführungsform
wird zum Niederschlagen das Aerosolniederschlagverfahren (AD-Verfahren)
zum Ausbilden eines Films durch Sprühen von Pulver eines Materials
mit hoher Geschwindigkeit auf die darunter liegende Schicht verwendet.
Das Aerosolniederschlagungsverfahren wird auch als Gasniederschlagungsverfahren,
Sprühdruckverfahren
oder Aufspritzverfahren bezeichnet.
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4 ist
eine schematische Darstellung, die eine Filmherstellungsapparatur
für das
AD-Verfahren darstellt.
Die Filmerzeugungsapparatur besitzt einen Aerosolbehälter 52,
in welchem Pulver 51 eines Rohmaterials aufgenommen ist.
Der Begriff Aerosol bezieht sich hier auf feine Partikel eines festen
oder flüssigen
Schwebestoffs in einem Gas. In dem Aerosolbehälter 52 sind ein Trägergas-Einleitteil 53,
ein Aerosolausleitteil 54 und ein Schwingungsteil 55 vorhanden.
Durch Einleiten eines Gases wie zum Beispiel Stickstoff (N2) aus dem Trägergas-Einleitteil 53 wird
das Rohmaterialpulver innerhalb des Aerosolbehälters 52 hochgeblasen,
um das Aerosol zu erzeugen. Gleichzeitig wird durch Erzeugen einer
Schwingung am Aerosolbehälter 52 durch
den Schwingungsteil 55 das Roh materialpulver gerührt, um
in effizienter Weise das Aerosol herzustellen. Das erzeugte Aerosol
wird über
den Aerosolausleitteil 54 in eine Filmerzeugungskammer 56 eingebracht.
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In
der Filmerzeugungskammer 56 sind ein Auslaßrohr 57,
eine Düse 58 und
eine bewegliche Bühne 59 vorhanden.
Das Auslaßrohr 57 ist
mit einer Vakuumpumpe verbunden und zieht Luft aus dem Inneren der
Filmerzeugungskammer 56 ab. Das in dem Aerosolbehälter 52 erzeugte
und durch den Aerosolauslaßteil 54 in
die Filmerzeugungskammer 56 geleitete Aerosol wird von
der Düse 58 auf
das Substrat 50 gesprüht.
Hierdurch trifft das Rohmaterialpulver auf das Substrat 50 auf
und wird dort niedergeschlagen. Dabei beträgt die Geschwindigkeit der
aus der Düse
auf das Substrat 50 aufgesprühten Aerosolpartikel größenordnungsmäßig 15 m/s
bis 450 m/s. Bei dem AD-Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, daß ein Film
erzeugt wird durch chemische Reaktion (mechanisch-chemische Reaktion),
welche zustande kommt durch die Energie, die entsteht, wenn auf hohe
Geschwindigkeit beschleunigte Partikel mit hoher Energie auf das
Substrat auftreffen. Das Substrat 50 ist auf der in dreidimensionaler
Weise beweglichen Bühne 59 gelagert,
wobei die relative Lage zwischen dem Substrat 50 und der
Düse 58 durch
Steuern der beweglichen Bühne 59 eingestellt
wird. Indem als Rohmaterial beispielsweise monokristallines PZT-Pulver
mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,3 μm verwendet
wird und die Filmerzeugungsapparatur nach 4 verwendet
wird, wird auf dem Substrat 50 die in 2A dargestellte piezoelektrische
Materialschicht gebildet.
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Dann
wird nach 2B eine Elektrodenschicht 61 gebildet
durch abwechselndes Niederschlagen der ersten Elektrodenmaterialien
(Pt-Elektrode) 21 und der zweiten Elektrodenmaterialien (Ni-Elektrode) 22 in
Form von Streifen. Dabei werden die Ni-Elektroden 22 auf
der Seite der Seitenfläche 60a der
piezoelektrischen Materialschicht 60 niedergeschlagen,
und die Pt-Elektroden 21 werden auf der zu der Seitenfläche 60b gehörigen Seite
niedergeschlagen. Die Elektrodenschicht 61 kann mit Hilfe
eines Filmerzeugungsverfahrens wie beispielsweise Sputtern oder
Aufdampfen oder aber mit Hilfe eines Photolithographieverfahrens
ausgebildet werden. Alternativ läßt sich
die Elektrodenschicht 61 nach dem AD-Verfahren herstellen.
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Dann
wird gemäß 2C die
piezoelektrische Materialschicht 60 nach dem AD-Verfahren
auf der Elektrodenschicht 61 gebildet.
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Als
nächstes
wird gemäß 2D eine
Elektrodenschicht 62 gebildet durch abwechselndes Niederschlagen
der ersten Elektrodenmaterialien (Pt-Elektrode) 21 und
der zweiten Elektrodenmaterialien (Ni-Elektrode) 22 in
Form von Streifen. Um dabei die Lagebeziehung so umzukehren, daß die beiden
Arten von Elektroden in der Elektrodenschicht 61 umgekehrt
wird, werden die Pt-Elektroden 21 auf der Seite der Seitenfläche 60a der
piezoelektrischen Materialschicht 60 niedergeschlagen,
und die Ni-Elektroden 22 werden auf der zu der Seitenfläche 60b gehörigen Seite
niedergeschlagen. Das Fertigungsverfahren für die Elektrodenschicht 62 ist
das gleiche wie das für
die Elektrodenschicht 61.
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Die
Dicke der Elektrodenschicht 61 und der Elektrodenschicht 62 wird
hier vorzugsweise auf nicht weniger als 200 nm eingestellt, vorzugsweise nicht
weniger als 300 nm. Der Grund hierfür ist folgender: auf der Elektrodenschicht
wird die piezoelektrische Materialschicht 60 nach dem AD-Verfahren gebildet.
Bei dem AD-Verfahren kommt ein Phänomen zum Tragen, wonach das
Pulver des niedergeschlagenen Materials in die Elektrodenschicht
als Unterschicht einschneidet (bezeichnet wird dieses Phänomen als „Verankerung"). Die Dicke der
Ankerschicht (der Schicht, in die das Pulver einschneidet), die
durch die Verankerung entsteht, liegt normalerweise in der Größenordnung
von 10 nm bis 300 nm, was von dem Material der darunter befindlichen Schicht
(Elektrodenschicht), der Pulvergeschwindigkeit variiert. Um also
die Verankerung so einzustellen, daß die Elektrodenschicht in
enger Berührung mit
der piezoelektrischen Materialschicht steht, und um zuzulassen,
daß die
Elektrodenschicht nach wie vor als Elektrode arbeitet, muß die Elektrodenschicht eine
Dicke von mindestens 200 nm besitzen. Bei dieser Ausführungsform
sind die Dicken der Elektrodenschichten 61 und 62 auf
etwa 300 nm eingestellt.
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Die
Schritte der 2A bis 2D werden mehrmals
wiederholt, um dadurch eine in 2E dargestellte
laminierte Struktur 70 zu bilden.
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Als
nächstes
wird gemäß 3A die
laminierte Struktur 70 aufgeteilt, indem sie zu Würfeln geschnitten
wird. Alternativ läßt sie sich
mit Hilfe des Sandstrahlverfahrens auf teilen. Darüber hinaus
werden die aufgeteilten laminierten Strukturen in einer Sauerstoffatmosphäre oder
in Luft bei etwa 500°C
bis 1.000°C
einer Wärmebehandlung
unterzogen. Dadurch wird die Korngröße des in der piezoelektrischen
Materialschicht 60 enthaltenen PZT-Kristalls vergrößert, und
nach 3B wird die Stirnfläche der in der Seitenfläche freiliegenden
Ni-Elektrode 22 oxidiert, so daß ein Oxidfilm 23 entsteht.
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Dann
werden an der wärmebehandelten
laminierten Struktur Seitenelektroden 63 und 64 gebildet.
Die Seitenelektroden 63 und 64 werden ähnlich wie
die Seitenfläche
der obersten piezoelektrischen Materialschicht 60 und di
Seitenfläche
der untersten piezoelektrischen Materialschicht 60 nach
einem Niederschlagungs- oder Sputter-Verfahren gebildet, nachdem
vorab der zu isolierende Teil maskiert wurde. Alternativ können sie
nach dem Photo-CVD-Verfahren gebildet werden. Außerdem können die Seitenelektroden durch
Eintauchen der laminierten Struktur in ein galvanisches Bad gebildet
werden. Hierdurch wird gemäß 3C eine
säulenförmige laminierte
Struktur erstellt. Gleichzeitig kann die obere Elektrode 33 gemäß 1 ausgebildet
werden. Darüber
hinaus kann die säulenförmige laminierte
Struktur entlang einer Richtung rechtwinklig zu den seitlichen Elektroden
aufgeteilt werden. Hierdurch entsteht eine laminierte Struktur,
wie sie in 3D gezeigt ist. Darüber hinaus
kann das Substrat 50 von den laminierten Strukturen entfernt
werden, und man kann an der unabhängigen laminierten Struktur
die untere Elektrode 34 ausbilden.
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Bei
der in 2A dargestellten Ausführungsform
wird die piezoelektrische Materialschicht direkt auf dem Substrat 50 gebildet,
allerdings können
vorab eine vorbestimmte Verbindung und mehrere Elektroden an dem
Substrat 50 angebracht werden, und darauf kann darin die
piezoelektrische Materialschicht gebildet werden. In diesem Fall
wird die laminierte Struktur 70 abhängig von der Elektrodenanordnung,
die vorab auf dem Substrat 50 gebildet wurde, aufgeteilt.
Hierdurch kann das Substrat 50 als Verbindungsplatine unverändert verwendet
werden, so daß mögliche Schwierigkeiten
beim Entfernen des Substrats und beim Ersetzen der Elemente der
laminierten Struktur vermieden werden können.
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Bei
der beschriebenen Ausführungsform wurde
der Fall erläutert,
daß die
laminierte Struktur 70 aufgetrennt wird, um mehrere laminierte
Strukturen zu erhalten, allerdings kann die Struktur 70 auch als
Einzelelement ohne Auftrennung hergestellt werden (als laminierte
Struktur 1 nach 1). In diesem Fall ist es in
den 2B und 2D nicht
notwendig, abwechselnd streifenförmige
zwei Arten von Elektrodenmaterialien vorzusehen, die Materialien können einfach
so angeordnet werden, daß die
beiden Arten von Elektrodenmaterialien zu unterschiedlichen Seitenflächen hin
exponiert sind. Dann kann die in der Seitenfläche exponierte Stirnfläche des
einen Elektrodenmaterials (Ni) oxidiert werden, um die Isolierschicht 23 zu
bilden, anschließend
können
je nach Bedarf eine Seitenelektrode und dergleichen vorgesehen werden.
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Wie
oben beschrieben wurde, ist bei jener Ausführungsform die interne Elektrode
der laminierten Struktur gebildet durch zwei Arten von Werkstoffen,
getrennt gegenüber
der einen Seitenelektrode durch Oxidieren der Stirnfläche eines
dieser Werkstoffe. Deshalb wird die Zone, in der sich innerhalb der
piezoelektrischen Materialschicht Spannung konzentriert, auf ein
Minimum verkleinert, so daß sich
die Gefahr eines Bruchs der laminierten Struktur verringern läßt. Da außerdem die
Isolierschicht der internen Elektrode in dem Wärmebehandlungsschritt für die piezoelektrische
Materialschicht ausgebildet wird, läßt sich selbst bei Fertigung
umfangreicher Mengen von Mikroelementen der Kostenaufwand für die Fertigung
in einfacher Weise gering halten. Außerdem läßt sich mit Hilfe des AD-Verfahrens
bei der Ausbildung der piezoelektrischen Materialschicht in einfacher
Weise eine feldförmige
laminierte Struktur ausbilden, in der mehrere laminierte Strukturelemente zweidimensional
angeordnet sind.
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Im
folgenden wird eine laminierte Struktur nach der zweiten Ausführungsform
der Erfindung erläutert. 5 ist
eine Schnittansicht, die die laminierte Struktur dieser Ausführungsform
veranschaulicht. Bei der zweiten Ausführungsform dient das piezoelektrische
Material auch als Dielektrikum. Die laminierte Struktur 2 enthält eine
zwischen der piezoelektrischen Materialschicht 10 und der
Elektrodenschicht 20a oder 20b ausgebildete Klebeschicht 40. Der übrige Aufbau
ist der gleiche wie bei der ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Die
Elektrodenschicht, die mit der piezoelektrischen Materialschicht
in Berührung
steht, läßt sich von
dieser leicht ablösen
aufgrund der Oxidation mit Sauerstoff, der entsteht, wenn die piezoelektrische Materialschicht
wärmebehandelt
wird, oder aufgrund der Dif ferenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen der piezoelektrischen Materialschicht und der Elektrodenschicht.
Insbesondere dann, wenn durch Sputtern, durch Aufdampfen oder dergleichen
eine Dünnschicht
gebildet wird, so besteht wenig Haftung bezüglich der darunter befindlichen
Schicht, so daß das
erwähnte
Problem besonders stark in Erscheinung tritt. Aus diesem Grund ist bei
dieser Ausführungsform,
um das Haften zwischen der piezoelektrischen Materialschicht 10 und der
Elektrodenschicht 20a oder 20b zu verbessern, eine
Materialschicht mit hohem Haftvermögen bezüglich beider Schichten zwischen
diesen Schichten vorhanden. Als Haftschicht 40 kann eine
Schicht aus Titan (Ti) oder Titanoxid (TiO2)
verwendet werden, wobei in dieser Ausführungsform eine Titanoxidschicht
mit einer Dicke in der Größenordnung
von 50 nm verwendet wird. Titanoxid besitzt ein starkes Haftvermögen bezüglich PZT
und Platin, und da es außerdem
vorab oxidiert wurde, kommt es niemals zu einer Denaturierung, auch
wenn Sauerstoff von der darunterliegenden Schicht eintritt, das
heißt
aus der piezoelektrischen Materialschicht, so daß das Haftvermögen bleibt.
Wenn die Haftschicht 40 vorhanden ist, kann vor der Ausbildung
der Elektrodenschichten 61 und 62 nach 2B oder 2D eine
Dünnschicht
aus Titan oder Titanoxid auf der piezoelektrischen Materialschicht 60 mit
einem geeigneten Verfahren, beispielsweise durch Sputtern, gebildet
werden.
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Im übrigen befindet
sich zwischen der Unterlagenschicht der Elektrode 20a oder 20b und
der oberen Schicht der piezoelektrischen Materialschicht bei dieser
Ausführungsform
keine Haftschicht. Dies deshalb, weil, wenn die piezoelektrische
Materialschicht nach dem AD-Verfahren hergestellt wird, eine große Haftfestigkeit
zwischen jenen Schichten durch die Verankerung zustande kommt, was
bedeutet, daß das
Pulver des piezoelektrischen Materials sich in die Elektrodenschicht
der Unterlagenschicht einschneidet.
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Im
folgenden wird eine laminierte Struktur der dritten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Bei dem oben beschriebenen Fertigungsverfahren
für die
laminierte Struktur der ersten Ausführungsform sind, wenn die Elektroden 20a und 20b nach 1 oder 5 ausgebildet
werden, das erste Elektrodenmaterial 21 und das zweite
Elektrodenmaterial 22 in Streifenform auf der piezoelektrischen Materialschicht
vorhanden, so daß zwei
Arten von Elektrodenmaterialien sich in der Breite einer laminierten
Struktur 1 oder 2 anbringen lassen. Andererseits
werden bei der dritten Ausführungsform
diese Elektrodenmaterialien so ausgebildet, daß die Breiten des ersten Elektrodenmaterials 21 und
des zweiten Elektrodenmaterials 22 im wesentlichen gleich sind
der Breite eine laminierten Struktur. Der übrige Aufbau ist der gleiche
wie bei der ersten und der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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6A bis 7B sind
Diagramme zum Erläutern
eines Fertigungsverfahrens für
eine laminierte Struktur nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Zunächst wird
nach 6A ebenso wie bei dem Fertigungsverfahren der
laminierten Struktur der ersten Ausführungsform nach der Ausbildung
der piezoelektrischen Materialschicht 60 auf dem Substrat 50 eine
Elektrodenschicht 71 durch abwechselndes Niederschlagen
der ersten Elektrodenmaterialien (zum Beispiel Platin) 21 und
zweiten Elektrodenmaterialien (zum Beispiel Nickel) 22 auf
der piezoelektrischen Materialschicht 60 derart, daß ihre Breite im
wesentlichen der Breite der laminierten Struktur 1 oder 2 (1 oder 5)
gleichen, eine Elektrodenschicht 71 gebildet, die in 6B gezeigt
ist. Dabei stehen das erste Elektrodenmaterial 21 und das zweite
Elektrodenmaterial 22 miteinander an ihren Stirnflächen in
Berührung.
Insbesondere wird die Elektrodenschicht 71 gebildet durch
Aufbringen der ersten Elektrodenmaterialien 21 nach dem
Photolithographieverfahren unter Verwendung einer Maske, in der
schlitzförmige Öffnungen
in etwa gleichen Abständen
und mit etwa gleichen Breiten wie die Breite der laminierten Struktur 1 ausgebildet
sind, bzw. mit Hilfe eines Filmerzeugungsverfahrens wie dem Sputtern
oder dem Niederschlagen unter Vakuum. Nach dem Verschieben der Maske über eine
Strecke, die im wesentlichen der Breite der laminierten Struktur 1 entspricht,
erfolgt in ähnlicher
Weise das Anordnen der zweiten Elektrodenmaterialien 22 mittels
Photolithographieverfahren bzw. Schichterzeugungsverfahren. An beiden
Enden der laminierten Struktur gemäß 6B kann
die Breite des ersten Elektrodenmaterials 21 und des zweiten
Elektrodenmaterials 22 kleiner sein als die Breite der
laminierten Struktur 1.
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Als
nächstes
wird nach dem AD-Verfahren gemäß 6C auf
der Elektrodenschicht 71 die piezoelektrische Materialschicht 60 gebildet.
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Dann
wird nach 6D eine Elektrodenschicht 72 durch
abwechselndes Niederschlagen der ersten Elektrodenmaterialien 21 und
der zweiten Elektrodenmaterialien 22 auf der piezoelektrischen Materialschicht 60 derart
gebildet, daß die
jeweilige Breite im wesentlichen der Breite der laminierten Struktur 1 oder 2 entspricht.
Dabei wird die Lagebe ziehung zwischen den ersten Elektrodenmaterialien und
den zweiten Elektrodenmaterialien 22 umgekehrt gegenüber der
Lagebeziehung dieser Materialien innerhalb der Elektrodenschicht 71.
Die Verfahren zum Ausbilden der Elektrodenmaterialien 21 und 22 sind
die gleichen wie die für
die Elektrodenschicht 71.
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Außerdem werden
die Schritte nach den 6A und 6D mehrmals
wiederholt, wodurch die in 6E gezeigte
laminierte Struktur 73 gebildet wird.
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Sodann
wird nach 7A in der laminierten Struktur 73 der
im wesentlichen mittlere Bereich des ersten Elektrodenmaterials 21 und
der etwa mittlere Bereich des zweiten Elektrodenmaterials 22 (dicke Linien
in der Zeichnung) aufgetrennt. Hierdurch entstehen gemäß 7B mehrere
laminierte Strukturen 1 in Form eines Feldes oder Arrays
mit den Elektrodenschichten 71 und 72, die jeweils
das erste Elektrodenmaterial 21 und das zweite Elektrodenmaterial 22 enthalten.
Die nachfolgenden Schritte sind die gleichen wie bei der ersten
Ausführungsform.
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Durch
Ausbilden der laminierten Struktur 73 in der oben beschriebenen
Weise bestehen die Anforderungen an die Ausrichtgenauigkeit der
Elektrodenmaterialien zwischen der Elektrodenschicht 71 und
der Elektrodenschicht 72 bei der Ausbildung der ersten
und der zweiten Elektrodenmaterialien 21 und 22 gering,
und die Stirnflächen
der jeweiligen Elektrodenmaterialien 21 und 22 können in
zuverlässiger Weise
an den Seitenflächen
der laminierten Struktur 1 in exakter Lagebeziehung exponiert
werden. Im übrigen
werden bei dieser Ausführungsform
die etwa mittigen Bereiche der ersten Elektrodenmaterialien 21 und
der zweiten Elektrodenmaterialien 22 in die laminierte
Struktur 73 geschnitten, allerdings ist die Lage für den Schnitt
nicht hierauf beschränkt,
es kann jede andere Position gewählt
werden, ausgenommen der Nahbereich der Grenze des ersten Elektrodenmaterials 21 zu
dem zweiten Elektrodenmaterial 22.
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Nach
der Ausbildung der laminierten Struktur 73 nach 7A kann
die laminierte Struktur 73 unter Anordnung einer Maske
auf der Struktur 73 und mit Hilfe des Sandstrahlverfahrens,
welches von oben her an der Struktur 73 ansetzt, geschnitten
werden. In diesem Fall wird die Maske in einer Zone angeordnet,
die sowohl das erste als auch das zweite Elektrodenmaterial 21 und 22 enthält. Bei
diesem Verfahren kann beispielsweise ein laminiertes Strukturfeld
gebildet werden, bei dem jede laminierte Struktur zylindri sche Form
hat, oder man kann ein Feld aus laminierten Strukturen bilden, bei
dem mehrere Strukturen beliebig angeordnet sind.
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Wie
oben beschrieben wurde, wird bei dem Verfahren zum Fertigen einer
laminierten Struktur nach der dritten Ausführungsform dann, wenn interne Elektroden
der laminierten Struktur 73 mit zwei Materialarten gebildet
werden, eine laminierte Struktur hergestellt durch Anordnen der
jeweiligen Elektrodenmaterialien derart, daß ihre Breiten etwa so groß sind wie
die Breite der laminierten Struktur, um nach der Bildung der laminierten
Struktur einen Schnitt etwa in den Mittelbereichen der Elektrodenmaterialien
auszuführen.
Wenn daher die Elektroden durch zwei verschiedene Materialarten
gebildet werden, kommt es nicht so sehr auf die Positionsgenauigkeit der
Lagebeziehung zwischen den verschiedenen Elektrodenschichten an,
und die beiden Arten von Elektrodenmaterialien können in zuverlässiger Weise auf
den Seitenflächen
mit exakter Lagebeziehung in den einzelnen Strukturen nach dem Schneidvorgang exponiert
sein. Wenn außerdem
die laminierte Struktur 73 unter Verwendung einer Maske
durch Sandstrahlen erzeugt wird, lassen sich laminierte Strukturen
gewünschter
Formen (zum Beispiel in zylindrischer Form) oder gewünschter
Anordnung (zum Beispiel in konzentrischer Anordnung) abhängig von
der Form der Maske fertigen.
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Bei
den oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsformen der Erfindung
wird die piezoelektrische Materialschicht durch das AD-Verfahren gebildet,
allerdings kann als piezoelektrische Materialschicht ein in Plättchenform
hergestelltes PZT-Plättchenmaterial
eingesetzt werden. Um dabei das Haften zwischen dem PZT-Plättchenmaterial
und der Elektrodenschicht zu verbessern, wird vorzugsweise eine
Klebstoffschicht nicht nur in der oberen Schicht des PZT-Plättchenmaterials
vorgesehen, sondern auch in dessen unterer Schicht. Da es in diesem
Fall überflüssig wird,
die Verankerung durch das AD-Verfahren zu berücksichtigen, müssen die
Arten der verwendeten Metalle für
das erste und das zweite Elektrodenmaterial nicht im Hinblick auf
die Materialhärte
ausgewählt
werden, sondern sie können
gewählt
werden im Hinblick auf elektrische Eigenschaften wie zum Beispiel
leichtes Oxidieren.
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Bei
der ersten bis dritten Ausführungsform der
Erfindung ist die Isolierschicht auf der Stirnfläche der internen Elektrode
durch Oxidieren des zweiten Elektrodenmaterials ge bildet, allerdings
kann der Film auch durch Fluorieren des zweiten Elektrodenmaterials
gebildet werden. Insbesondere wird beispielsweise Nickel als zweites
Elektrodenmaterial gebildet, und durch Fluorieren der Stirnfläche wird
Nickelfluorid (NiF2) gebildet. Zum Fluorieren
von Nickel wird beispielsweise mit Hilfe von Salzsäure Nickelchlorid
gebildet und dann bei 150°C
der Wirkung von Fluor ausgesetzt.
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Außerdem wird
bei der ersten bis dritten Ausführungsform
der Erfindung ein piezoelektrisches Material für die dielektrische Schicht
verwendet. Allerdings kann auch ein anderes dielektrisches Material
verwendet werden. Verwendet man beispielsweise Bariumtitanat (TiBaO3) als Ferroelektrikum, so läßt sich
ein mehrlagiger Kondensator herstellen. In diesem Fall kann durch
Anwenden der oben beschriebenen Ausführungsformen auf den mehrlagigen
Kondensator dessen elektrische Kapazität gesteigert werden, weil die
Zone, in der keine Elektrode in der dielektrischen Schicht vorhanden
ist, verkleinert werden kann. Durch Anwenden des Fertigungsverfahrens
nach den oben beschriebenen Ausführungsformen
läßt sich
außerdem
ein Kondensator mit einer Schichtstruktur in einfacher Weise herstellen.
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8 ist
eine perspektivische Ansicht eines Ultraschallwandlerfelds nach
einer Ausführungsform der
Erfindung. Dieses Ultraschallwandlerfeld enthält eine Mehrzahl von laminierten
Strukturen 1 nach 1, eine
Verbindungsplatine 80 und eine gemeinsame Elektrode 90.
Die mehreren laminierten Strukturen 1 sind in Form einer
zweidimensionalen Matrix auf der Verbindungsplatine 80 angeordnet.
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Auf
der Verbindungsplatine 80 sind mehrere Elektroden entsprechend
der Anordnung der mehreren laminierten Strukturen 1 ausgebildet.
Von den Strukturen 1 werden Ultraschallwellen erzeugt,
indem Spannungen an die laminierten Strukturen 1 über die
mehreren Elektroden und die gemeinsame Elektrode 90 angelegt
werden. Dabei kann durch Treiben jeder der laminierten Strukturen 1 mit
einer vorbestimmten zeitlichen Verzögerung ein Ultraschallstrahl
erzeugt werden, der in einer gewünschten
Richtung und Tiefe fokussiert ist.
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Die
Anordnung der mehreren laminierten Strukturen ist hier nicht auf
die zweidimensionale Matrixform beschränkt. Beispielsweise kann von
einem eindimensionalen Feld oder Array, von einem zweidimensionalen
Array, bei dem mehrere eindimensionale Felder parallel zueinander
angeordnet sind (auch als „1,5-dimensionales
Array" bezeichnet),
eine Anordnung mit konzentrischer Form oder eine Anordnung auf Zufallsbasis
ausgestaltet werden. Anstelle der mehreren laminierten Strukturen 1 können auch mehrere
laminierte Strukturen 2 nach 5 verwendet
werden. Durch Vorsehen einer akustischen Anpassungsschicht, einer
Gegenschicht und dergleichen an einem solchen Ultraschallwandlerfeld
läßt sich
außerdem
eine Ultraschallsonde fertigen, die bei der Ultraschalldiagnose
zum Einsatz gelangt.