DE602005006419T2

DE602005006419T2 - Elektroakustischer Wandler für Hochfrequenzanwendungen

Info

Publication number: DE602005006419T2
Application number: DE602005006419T
Authority: DE
Inventors: Alessandro c/o Esaote Spa Caronti; Giosuè c/o Esaote Spa Caliano; Alessandro c/o Esaote Spa Savoia; Philipp c/o Esaote Spa Gatta; Massimo c/o Esaote Spa Pappalardo
Original assignee: Esaote SpA
Current assignee: Esaote SpA
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2025-09-15
Also published as: DE602005006419D1; US7477572B2; EP1764162B1; EP1764162A1; ATE393672T1; US20070059858A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler, insbesondere einen Ultraschallwandler des mikroerzeugten kapazitiven Typs, auch bekannt als cMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer).
In der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts ist eine große Zahl von echografischen Systemen entwickelt worden, die in der Lage sind, Informationen von umgebenden Medien, insbesondere vom menschlichen Körper, zu erhalten, die auf der Verwendung von elastischen Wellen bei Ultraschallfrequenz basieren.
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist die Leistungsgrenze dieser Systeme auf die Geräte zurückzuführen, die in der Lage sind, Ultraschallwellen zu erzeugen und zu erkennen. Dank der starken Entwicklung der Mikroelektronik und der Digitalsignalverarbeitung werden sowohl das Band und die Empfindlichkeit als auch die Kosten dieser Systeme im Wesentlichen durch diese spezialisierten Geräte bestimmt, die allgemein Ultraschallwandler (UT) genannt werden. Die Mehrheit der UT wird mit piezoelektrischer Keramik hergestellt. Wenn Ultraschall benutzt wird, um Informationen von festen Materialien zu erhalten, reicht die alleinige Verwendung der Piezokeramik aus, da ihre Schallimpedanz in der gleichen Größenordnung liegt wie die von Feststoffen; andererseits ist in den meisten Anwendungen die Erzeugung und der Empfang in Fluiden erforderlich, und daher ist Piezokeramik wegen der großen Impedanzfehlanpassung, die zwischen dieser und Fluiden und zum Beispiel Geweben des menschlichen Körpers vorhanden ist, nicht ausreichend.
Um die Leistungen von UT zu verbessern, sind zwei Techniken entwickelt worden: Anpassungsschichten mit geeigneter Schallimpedanz und Verbundkeramik. Bei der ersten Technik wird durch eine oder mehrere Schichten geeigneten Materials mit der Dicke einer Viertelwellenlänge die niedrige Schallimpedanz mit der viel höheren der Keramik gekoppelt; bei der zweiten Technik wird versucht, die Schallimpedanz der Piezokeramik zu senken, indem ein Verbundstoff geformt wird, der aus diesem aktiven Material und einem trägen Material mit niedrigerer Schallimpedanz (typischerweise Epoxidharz) besteht. Diese zwei Techniken werden heutzutage gleichzeitig verwendet, was die Komplexität der Implementierung dieser Geräte erheblich erhöht und dadurch die Kosten erhöht und die Zuverlässigkeit verringert. Die derzeitigen piezoelektrischen Mehrelementwandler haben auch starke Begrenzungen hinsichtlich der Geometrie, weil die Größe der Einzelelemente in der Größenordnung der Wellenlänge (Millimeter-Bruchteile) liegen muss, und hinsichtlich der elektrischen Verdrahtung, weil die Zahl der Elemente sehr groß ist (bis zu einigen Tausend bei Array-Mehrelementwandlern).
Der elektrostatische Effekt ist eine mögliche Alternative zum piezoelektrischen Effekt zur Herstellung von Ultraschallwandlern. Elektrostatische Ultraschallwandler, die aus einer dünnen metallisierten Membran (Mylar) bestehen, typischerweise auf eine Metallplatte gespannt, die als „backplate" (Grundplatte) bekannt ist, wurden seit 1950 verwendet, um Ultraschall in Luft zu emittieren, während die ersten Emissionsversuche in Wasser mit Geräten dieser Art 1972 stattfanden. Diese Geräte beruhen auf der elektrostatischen Anziehung, die auf die Membran ausgeübt wird, deren Biegeschwingung erzwungen wird, wenn zwischen dieser und der Grundplatte eine Wechselspannung angelegt wird; während des Empfangs, wenn die Membran durch eine Schallwelle, die auf sie einfällt, in Schwingung versetzt wird, wird die auf die Membranbewegung zurückzuführende Kapazitätsmodulation genutzt, um die Welle zu erkennen. Genauer gesagt besteht, Bezug nehmend auf 1, der elektrostatische Wandler 1, dessen bekannteste Anwendung das Kondensatormikrofon ist, aus einer Membran 2, die durch eine radiale Zugkraft τ auf der Vorderseite einer Grundplatte 3 gespannt wird, über einen geeigneten Träger 4, der einen Trennabstand d_g zwischen der Membran 2 und der Grundplatte 3 gewährleistet.
Wenn die Membran 2 mit einer Metallisierung 5 versehen ist und die Grundplatte 3 leitfähig ist, wirkt diese Struktur als ein Kondensator der Kapazität
mit einer feststehenden Elektrode (die Grundplatte 3) und einer beweglichen (die Membran 2), beide der Fläche A, wobei ε die Dielektrizitätskonstante von Luft ist. Durch Anlegen einer Gleichspannung V_DC zwischen den zwei Elektroden über einen Widerstand R verteilt sich eine elektrische Ladung Q = V_DC C an diesen entlang. Eine einfallende Schallwelle versetzt die Membran 2 in Biegeschwingung, und die entsprechende Verformung bewirkt, dass die Entfernung d_g zwischen der feststehenden Elektrode und der beweglichen variiert, und dementsprechend die Kapazität C der Struktur. Die Kapazitätsänderung für diese Ladung Q wird durch eine entgegengesetzte Spannungsänderung ausgeglichen, und dadurch tritt an den Enden des Anschlusses M3, der durch den Sperrkondensator C_b von der beweglichen Elektrode getrennt ist, eine Wechselspannung V mit einer Frequenz auf, die der der einfallenden Schallwelle entspricht, und mit einer Amplitude, durch die Fläche A der Membran 2, die proportional zur Amplitude des einfallenden Drucks ist. Diese Wechselspannung V kann am Widerstand R_in erkannt werden, wenn der Anschluss M3 über den Schalter 6 mit dem Anschluss M2 verbunden wird.
Um Schallwellen in einem Fluid zu erzeugen, wird die Gleichspannung V_DC mit einer Wechselspannung V_AC überlagert, indem der Anschluss M3 mit dem Anschluss M1 verbunden wird (wie in 1 gezeigt). Aufgrund der elektrostatischen Anziehungskraft
wird die Biegeschwingung der Membran 2 mit einer Schwingungsamplitude erzwungen, die proportional zur anliegenden Wechselspannung V_AC ist. Die korrekten Gleichungen, die die elektrischen Parameter, die Spannung und den Strom, mit den mechanischen in Beziehung setzen, die Schwinggeschwindigkeit und die Kraft, die von der Membran auf das Fluid ausgeübt wird, sind wohlbekannt und in der Literatur zu finden.
Der elektrostatische Wandler 1 befolgt das klassische Gesetz der Unveränderlichkeit des Bandbreiteverstärkungsprodukts. Tatsächlich wird das Band durch die erste Resonanzfrequenz der Biegeschwingung der Membran 2 begrenzt, die in dem Fall, wenn die Membran 2 kreisförmig ist, durch die folgende Beziehung ausgedrückt wird:
wobei d_m die Dicke der Platte ist, R_m der Radius, E_γ das Youngsche Modul des Strukturmaterials, ν das Poissonsche Verhältnis und ρ die Massendichte pro Einheitsvolumen. Diesem Ausdruck ist zu entnehmen, dass es erforderlich ist, den Radius der Membran zu verkleinern, um die Resonanzfrequenz zu erhöhen. Weil aber sowohl die emittierte Leistung als auch die Empfangsempfindlichkeit von der Fläche A der Membran 2 abhängig sind, wird durch Verkleinern des Membranradius zwar die Resonanzfrequenz erhöht, doch ihre Leistungen werden erheblich reduziert. Typischerweise liegt die Resonanz frequenz dieser Geräte zur Emission in Luft in der Größenordnung von hundert kHZ, wenn die Oberfläche der Grundplatte 3 durch Dreh- oder Fräsbearbeitung erhalten wird.
Um die Frequenz zu erhöhen und gleichzeitig annehmbar hohe Empfindlichkeiten für praktische Anwendungen zu erhalten, wird die in 2 gezeigte Lösung angewandt, die Membran 2 direkt auf der Grundplatte 3' zu spannen. Aufgrund der Oberflächenmikroporosität der Grundplatte 3' ist die Membran 2 effektiv nur in manchen Regionen, die eine sehr begrenzte Ausdehnung haben, mit dieser in Kontakt; dadurch werden Mikrohohlräume mit kleiner Seitengröße definiert.
Auf diese Weise wird die Membran 2 mit dem Radius a in viele Mikromembranen mit einer Seitengröße L << a unterteilt, und die mittlere Resonanzfrequenz der Membran nimmt von Tonfrequenzen des Kondensatormikrofons bis auf einige hundert kHz zu, je nach der mittleren Seitengröße der Mikrohohlräume und der anliegenden Zugspannung.
Um die Resonanzfrequenz weiter zu erhöhen und ihren Wert zu regeln, wurde, wie in den 3a und 3b gezeigt, eine Siliziumgrundplatte 3'' verwendet, die auf geeignete Weise dotiert ist, um sie leitfähig zu machen, und deren Oberfläche mikrobearbeitet worden ist. Durch die sogenannte „Bulk Mikrobearbeitungs"-Technik ist es möglich, eine Grundplatte 3' mit einer kontrollierten Rauheit zu fertigen, die aus einem dünnen Gitter aus pyramidenförmigen Gravuren mit der Schrittweite p besteht.
Die Membran 2 ist nur auf den Spitzen der Mikropyramiden 7 mit der Grundplatte 3'' in Kontakt, wodurch wohldefinierte und regelmäßige Mikrohohlräume 8 sehr kleiner Größe erzeugt werden. Die erhaltene Frequenzerhöhung ist im Wesentlichen auf die verkleinerte Seiten größe der Mikrohohlräume (etwa 50 Mikrometer) zurückzuführen.
Mit Wandlern dieses Typs, als „Bulk-mikrobearbeitete Ultraschallwandler" bekannt, werden bei Emission in Wasser Höchstfrequenzen von etwa 1 MHz und Bandbreiten von etwa 80% erreicht; die Geräteeigenschaften hängen stark von der Spannung ab, die an der Membran 2 anliegt und nicht leicht steuerbar ist. Diese Wandler haben noch einen anderen Nachteil. Die Membran 2 ist auf der Grundplatte 3'' gespannt und wird dabei durch die elektrostatische Anziehungskraft, die durch die Vorspannung V_DC erzeugt wird, auf die Spitzen der Mikropyramiden 7 gepresst; wenn die Erregungsfrequenz erhöht wird, neigen die Spitzen der Mikropyramiden 7 dazu, nicht als Beschränkungen zu wirken, sondern statt dessen tritt eine Trennung zwischen der Membran 2 und diesen auf. Wenn die Erregungsfrequenz erhöht wird, neigt die Membran 2 dazu, Moden höherer Ordnung gemäß zu schwingen, d. h., Moden entsprechend, die gleichphasige Zonen und gegenphasige Zonen aufweisen, bei spontaner Erzeugung von Knotenlinien mit einer Schrittweite, die kürzer ist als die der Spitzen der Mikropyramiden 7. Wenn solch ein Phänomen aufzutreten beginnt, schwingen die Membranen 2 der Mikrohohlräume 8 nicht mehr alle gleichphasig, sondern es besteht ein Trend zur Erzeugung von Zonen, die gegenphasig schwingen, wodurch die emittierte Strahlung schnell dazu neigt, abzunehmen.
Um diese Einschränkung zu überwinden, wurde vor Kurzem eine neue Generation von mikrobearbeiteten Ultraschallwandlern aus kapazitivem Silizium eingeführt, die als „oberflächenmikrobearbeitete Ultraschallwandler" oder auch als „kapazitive mikrobearbeitete Ultraschallwandler (cMUT)" bekannt sind. Die cMUT und ihre zugehörigen Fertigungsprozesse mit der Silizium-Mikrobearbeitungstechnologie sind zum Beispiel von X. Jin, I. Ladabaum, F. L. Degertekin, S. Calmes und B. T. Khuri- Yakub in „Fabrication and characterization of surface micromachined capacitive ultrasonic immersion transducers", J. Microelectromech. Syst., Bd. 8(1), Seiten. 100–114, September 1998, von X. Jin, I. Ladabaum und B. T. Khuri-Yakub in „The Microfabrication of capacitive ultrasonic Transducers", Journal of Microelectromechanical Systems, Bd. 7 Nr 3, Seiten. 295–302, September 1998, von I. Ladabaum, X. Jin, H. T. Soh, A. Atalar und B. T. Khuri-Yakub in „Surface micromachined capacitive ultrasonic transducers", IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr., Bd. 45; Seiten. 678–690, Mai 1998, im US-Patent Nr. US 5,870,351 von I. Ladabaum et al.; im US-Patent Nr. US 5,894,452 von I. Ladabaum et al., und von R. A. Noble; R. J. Bozeat, T. J. Robertson, D. R. Billson und D. A. Hutchins in „Novel silicon nitride micromachined wide bandwidth ultrasonic transducers" IEEE Ultrasonics Symposium isbn:0-7803-4095-7, 1998 offenbart worden. Vor allem das oben genannte US-Patent Nr. US 5,870,351 offenbart einen mikrogefertigten Breitband-Ultraschallwandler für Luft, der Membranen verschiedener Größe aufweist.
Diese Wandler bestehen aus einer zweidimensionalen Anordnung von elektrostatischen Mikrozellen, die durch Oberflächenmikrobearbeitung erhalten werden und elektrisch parallel geschaltet sind, um phasengleich betrieben zu werden. Um Wandler zu erhalten, die im Bereich von 1–15 MHz betrieben werden können, was in vielen echografischen Anwendungen für zerstörungsfreie Tests und medizinische Diagnosen typisch ist, liegt die Mikromembran-Seitengröße jeder Zelle in der Größenordnung von zehn Mikron; um eine ausreichende Empfindlichkeit zu erreichen, liegt die Zahl der Zellen, die notwendig sind, um ein typisches Element eines Mehrelementwandlers herzustellen, in der Größenordnung von einigen Tausend.
Bezug nehmend auf die 4a und 4b, bestehen die cMUT aus einer Anordnung geschlossener elektrostatischer Mikrozellen, deren Membranen 9 an den tragenden Rändern der Zelle eingeschränkt werden, auch „Schienen" 10 genannt. Die Zelle kann eine kreisförmige, sechseckige oder auch quadratische Form annehmen. Bei diesem Wandlertyp ist es zutreffender, von einer dünnen Platte oder besser Mikroplatte statt von einer Membran zu sprechen: In diesem Fall ist ihre Biegesteifigkeit hauptsächlich auf ihre Dicke zurückzuführen.
In Bezug auf den Wandler der 3a und 3b ist der grundlegende Unterschied, dass jede Mikrozelle mit ihrer Mikroplatte 9 versehen ist, die am Rand 10 dieser Mikrozelle eingeschränkt wird und daher von den anderen mechanisch entkoppelt ist. Im vorherigen Fall ist die Membran einzeln und die Einschränkungen (die Spitzen der Mikropyramiden) hindern die Membran nur daran, sich in der Richtung senkrecht zu dieser und nur in einer Richtung zu bewegen; andererseits verhindern sie nicht die Drehung. Die Mikromembranen von 3a, die durch die Spitzen der Mikropyramiden 7 definiert werden, sind elastisch gekoppelt, da die Einschränkung einer Mikromembran gestattet, Torsionsspannungen zu einer anderen zu übertragen, was die Herstellung von Moden höherer Ordnung bewirkt, die für die Frequenzbegrenzung verantwortlich sind.
Demgegenüber erlauben cMUT-Wandler das Erreichen von sehr hohen Frequenzen, da die Mikroplatten 9 entkoppelt sind und die Frequenzbegrenzung durch Moden höherer Ordnung jeder Mikroplatte 9 verursacht wird, die mit viel höheren Frequenzen auftreten. Die Patentschrift EP-A-1493499 beschreibt einen elektroakustischen Hochfrequenz-Ultraschallwandler nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die grundlegenden Schritte eines konventionellen Prozesses zur Herstellung von Mikrozellen für cMUT-Wandler durch die Siliziummikrobearbeitungs-Technologie werden im US-Patent Nr. US 5,894,452 beschrieben, und sie werden in 5 gezeigt.
Wie in 5a gezeigt, wird eine Opferschicht 12 (zum Beispiel Siliziumdioxid), deren Dicke H den Abstand d_g zwischen der Mikroplatte 9 und der Grundplatte definiert, auf ein Siliziumsubstrat 11 aufgetragen.
5b zeigt, dass eine zweite strukturelle Schicht 13, zum Beispiel aus Siliziumnitrid der Dicke h', auf die erste Opferschicht 12 aufgetragen wird; ein enges Loch 14 (Ätzdurchgang) wird durch klassische fotolithografische Techniken darin geformt, um eine Bahn, in 5c gezeigt, zum Entfernen der darunterliegenden Opferschicht 12 zu erzeugen.
Eine selektive flüssige Lösung wird benutzt, um nur die Opferschicht 12 zu ätzen, wodurch, wie in 5d gezeigt, ein großer Hohlraum 15, der kreisförmig ist und dessen Radius von der Ätzdauer abhängig ist, unter der strukturellen Schicht 13 geformt wird, die über dem Hohlraum 15 aufgehängt bleibt und die die Mikroplatte 9 der darunterliegenden Mikrozelle ist.
Schließlich wird das Ätzloch 14 verschlossen, indem eine zweite Siliziumnitridschicht 16 aufgetragen wird, wie in 5e gezeigt. Bezug nehmend auf 5f, werden die Zellen fertiggestellt, indem eine Metallschicht 17 auf die Mikroplatte 9 aufgedampft wird, die eine der Elektroden ist, während die zweite aus dem Siliziumsubstrat 11 besteht, das stark dotiert und daher leitfähig ist.
Auch wenn die cMUT-Fertigungstechniken ständig weiterentwickelt werden, um die Herstellung noch kleinerer und zuverlässigerer Wandler zu erlauben, gibt es einige Einschränkungen, die ihren weit verbreiteten Gebrauch vor allem für Anwendungen bei Frequenzen über 15 MHz ausschließen. Denn viele Anwendungen, sowohl auf dem Gebiet der medizinischen Ultraschalldiagnose in Bereichen wie Dermatologie, Ophthalmologie, kardiovaskulärer Untersuchung und biologischer Untersuchung an Kleintieren als auch auf dem Gebiet der industriellen Anwendungen für die zerstörungsfreie Prüfung und die akustische Mikroskopie, erfordern sehr hohe Auflösungen, die nur mit Hochfrequenz-Ultraschallwandlern erhalten werden können, d. h., in der Größenordnung von mehreren zehn MHz. Als Beispiel liegen die typischen Betriebsfrequenzen bei intravaskularen Ultraschallanwendungen zwischen 20 MHz und 50 MHz, wodurch Auflösungen kleiner als 100 μm erreicht werden können.
Auch für diese Hochfrequenzanwendungen könnte die cMUT-Technologie besonders vorteilhaft sein, vor allem, wenn man in Betracht zieht, dass die meisten Wandler, die gegenwärtig für diese Anwendungen eingesetzt werden, mechanisch abgetastete piezoelektrische Einzelelementwandler mit Fixfokus sind. Es besteht ein zunehmendes Interesse an elektronisch abgetasteten Arrays (Phased Array), die keine mechanische Bewegung des Wandlers erfordern und eine höhere Vielseitigkeit und Miniaturisierung aufweisen. Die Verwendung der cMUT-Technologie könnte dank der Möglichkeit, einen Teil der Steuer-/Schnittstellenelektronik dieser Wandler auf dem gleichen Chip zu integrieren, auch die Herstellung von äußerst kompakten und flexiblen Arrays erlauben.
Die Fertigung von Einzelelement-cMUT und/oder Arrays für Hochfrequenzanwendungen (d. h., über 15 MHz bis zu 50 MHz und darüber hinaus) mit hohen Teilbandbreiten (höher als 80%) ist aber im Vergleich zu Wandlern für Nieder- bis Mittelfrequenzanwendungen (d. h., bis zu 15 MHz) aufgrund von physikalischen und technologischen Beschränkungen, die auf die erforderliche Betriebsfrequenz zurückzuführen sind, mit großen Schwierigkeiten verbunden, wie weiter unten beschrieben wird.
Eine der interessantesten Eigenschaften von cMUT-Wand lern ist die große Bandbreite, die erreicht werden kann und die streng die axiale Auflösung des zugehörigen echografischen Systems bestimmt, das heißt, die Fähigkeit, Details in der Tiefe aufzulösen. Diese Eigenschaft ist sowohl auf die niedrige mechanische Impedanz der cMUT-Membranen, wie in 6 gezeigt, wo ein Vergleich zwischen der spezifischen Schallimpedanz von Wasser (gestrichelte Linie) und der einer bei 12 MHz in Resonanz gesetzten cMUT-Membran (durchgezogene Linie) veranschaulicht wird, als auch auf die hohe akustische Kopplung zwischen dem Wandler und dem Fluid zurückzuführen.
Der Einfluss der mechanischen Impedanz auf die Übertragungsdruckbandbreite wird in 7 für den Fall eines Wandlers mit einem starren Kolben gezeigt, der mit einer Feder versehen ist und durch eine konstante harmonische Antriebskraft angetrieben wird: Die mechanische Impedanz des Systems wird erhöht, indem die Kolbendicke von 1 μm auf bis zu 100 μm erhöht wird; die Elastizitätskonstante der Feder wird dementsprechend derart erhöht, dass die Resonanzfrequenz auf 10 MHz gehalten wird. Wie zu ersehen ist, weist der durchschnittliche Übertragungsdruck, durch die Finite-Element-Analyse (FEM) simuliert, eine Bandbreite auf, die durch die mechanische Impedanz des Wandlers stark beeinflusst wird.
In einem cMUT-Wandler ermöglicht die akustische Kopplung mit dem Fluid die Erzeugung von Breitband-Druckimpulsen durch Verwendung einer hohen Zahl von Schallquellen, deren Maße viel kleiner sind als die Wellenlänge (Mikromembranen) und die um weniger als diese Wellenlänge beabstandet sind. Wenn es zutrifft, dass die einzelne Mikromembran keine Breitbandimpulse erzeugen kann, die im Wesentlichen der gedachten Strahlungsimpedanz im Fluid entspricht (W. P. Mason, „Electromechanical Transducers and Wave Filters", D. Van Nostrand Company, 2te Ausg., 1943), nähert sich das Gesamtverhalten vieler Mikromembranen, die elektrisch parallel geschaltet sind und passend dimensioniert sind, dem einer kontinuierlichen Quelle äquivalenter Abmessungen an, die größer sind als die Wellenlänge, für welche die Strahlungsimpedanz im Fluid im Wesentlichen real ist.
Eine typische Konfiguration eines cMUT-Elements mit kreisförmigen Membranen ist die in 8 dargestellte „Matrix"-Anordnung, wobei D_m der Membrandurchmesser und p_m > D_m die Entfernung von Zentrum zu Zentrum (Abstand) ist. Je höher für einen gegebenen Durchmesser D_m der Abstand p_m ist, umso geringer sind der Element-Füllfaktor, die akustische Kopplung und die Übertragungsbandbreite. Dieses Verhalten wird durch die in 9 gezeigte Finite-Element-Methode (FEM) bestätigt; die Obergrenze der übertragenen Bandbreite wird durch die Antiresonanzfrequenz der Membranen bestimmt, d. h., etwa 22,5 MHz im spezifischen Beispiel von 9.
Die grundlegenden Anforderungen, um eine große Bandbreite in einem cMUT-Wandler zu erreichen, sind daher im Wesentlichen zwei: Einerseits eine niedrige mechanische Impedanz der Membranen, um eine fluidgeregelte Übertragung zu erreichen, andererseits eine ausreichend hohe Zahl von Membranen, die parallel geschaltet sind, und einen Abstand, der im Vergleich zur Wellenlänge klein genug ist, um eine geeignete akustische Kopplung zu haben. Auch wenn diese Anforderungen für Anwendungen mit Nieder- und Mittelfrequenz (bis zu 15 MHz) relativ leicht zu erfüllen sind, muss für Anwendungen mit hoher Frequenz (über 15 MHz hinaus), bei denen die Seitenmaße der Membranen zu reduzieren sind (wie aus der obigen Gleichung (3) hervorgeht), der Abstand p_m entsprechend skaliert werden, wenn ein geeigneter Füllfaktor beibehalten werden soll.
Eine Begrenzung für die Skalierung der Maße des Abstands, um Breitbandwandler mit hohen Frequenzen zu er halten, stellen die Ätzdurchgänge dar, die benötigt werden, um die Hohlräume der Mikromembranen zu leeren: Die Seitenmaße der Durchgänge können nicht wie die Membrangröße skaliert werden, und deshalb nimmt der Füllfaktor des cMUT-Elements bei sehr kleinen Membranen ab, und die akustische Kopplung ebenfalls. Eine andere technologische Begrenzung ist auf Membranbruchprobleme während des Fertigungsprozesses (Haftreibung) zurückzuführen, sowie auf die Notwendigkeit des Schutzes und der mechanischen Robustheit des Wandlers, die eine Minimaldicke der Schicht (z. B. Siliziumnitrid) auferlegen, die mit der aktuellen Technologie schwerlich kleiner als 0,5 μm sein kann. Dieses Maß setzt wiederum eine Grenze für den Mindestdurchmesser der Membranen, die minimale mechanische Impedanz und die größte Bandbreite, die erreicht werden kann. Deshalb können mit der aktuell verfügbaren Technologie in einem Frequenzbereich über 15 MHz keine Teilbandbreiten von 100 erreicht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von cMUT-Wandlern für Hochfrequenzanwendungen, die die oben genannten Nachteile mindestens zum Teil überwinden.
Die Erfindung erreicht die Aufgabe mit einem Wandler, wie in Anspruch 1 definiert. Dank der hohen akustischen Kopplung zwischen den Membranen und dem Fluid können durch Verwendung von Mikrozellen, die bei Frequenzen schwingen, die nahe beieinander liegen, Bandbreiten erhalten werden, die so groß sind wie jene, die für Anwendungen bis 15 MHz mit cMUTs erreicht werden können, die Mikrozellen mit identischen geometrischen Eigenschaften aufweisen. In Anbetracht der physikalischen Parameter der Mikrozellen in jeder Gruppe, wie z. B. der geometrischen Maße, für eine gegebene Betriebsfrequenz des Wandlers, ist das Layout der Mikrozellen jeder Gruppe in Bezug auf die Mikrozellen der anderen Gruppe oder Gruppen derart, dass die durch schnittliche Übertragungsdruckbandbreite des Wandlers größer als 80% ist, typischerweise etwa 100%, wenn die Mikrozellen erregt werden.
Für eine gegebene Betriebsfrequenz des Wandlers weisen die Mikrozellen mindestens einer ersten Gruppe vorteilhafterweise eine derartige Form und Größe auf, dass sie bei einer Frequenz schwingen, die höher ist als die Betriebsfrequenz, und die Mikrozellen mindestens einer zweiten Gruppe weisen eine derartige Form und Größe auf, dass sie bei einer Frequenz schwingen, die niedriger ist als die Betriebsfrequenz. Insbesondere weisen die Mikrozellen der ersten Gruppe Maße auf, die kleiner sind als die Maße der Mikrozellen der zweiten Gruppe. Zum Beispiel ist der Durchmesser der Membran der Mikrozellen der ersten Gruppe kleiner als der Durchmesser der Membran der Mikrozellen der zweiten Gruppe. Allgemeiner sind die Maße der Mikrozellen der ersten Gruppe kleiner, und die Maße der Mikrozellen der zweiten Gruppe größer als die Maße der Mikrozellen, die erforderlich wären, um einen Wandler mit identischen Mikrozellen herzustellen, der bei derselben Mittenfrequenz betrieben wird.
Einer vorteilhaften Ausführungsform gemäß weisen die Mikrozellen jeder Gruppe dieselben geometrischen Eigenschaften, d. h. Form, wie die Mikrozellen der anderen Gruppe oder Gruppen auf, aber mit skalierten Maßen.
Der erfindungsgemäße Wandler umfasst bevorzugt ein Silizium-Halbleitersubstrat 11, auf dessen Oberseite eine Vielzahl von elastischen Membranen 9 von einer strukturellen Isolierschicht 12 getragen wird, die mit dem Halbleitersubstrat verbunden ist. Eine Unterseite des Substrats und der Membranen ist metallisiert, wobei jedes Membran/Substrat-Paar eine elektrostatische Mikrozelle definiert. Doch jede Topologie eines cMUT-Wandlers, die mit jeder beliebigen Technologie ausgeführt wird, kann verwendet werden. Die Mikrozellen können dem oben genannten Stand der Technik gemäß hergestellt sein, aber zum Beispiel auch den Lehren der veröffentlichten europäischen Patentanmeldung mit der Nummer EP1493499 oder der veröffentlichten PCT-Anmeldung mit der Nummer WO02091796 entsprechend.
Der Wandler umfasst bevorzugt Gruppen von Mikrozellen A, B, die sich in der Membrangröße voneinander unterscheiden. Das heißt, er umfasst mindestens eine erste und mindestens eine zweite Gruppe von Mikrozellen, wobei die Maße der Membranen der zweiten Gruppe größer sind als die Maße der Membranen der ersten Gruppe. Die Membranen sind typischerweise kreisförmig, doch es kann jede andere Form verwendet werden, z. B. sechseckig, quadratisch und allgemein vieleckig, oder Kombinationen davon.
Die Mikrozellen des Wandlers können in jeder Orientierung angeordnet sein, sind aber bevorzugt Seite an Seite in einem Matrix-Layout angeordnet. Die Matrix umfasst typischerweise eine oder mehrere Elementarsubmatrizen mit aus M Zeilen und N Spalten, die aus Mikrozellen bestehen, die mindestens zwei getrennten Gruppen A und B angehören, die mit einer vorgegebenen Häufigkeit im Raum auftreten.
Im Text wird die folgende Notation benutzt, der zufolge das Symbol A_ij angibt, dass die Position in der Matrix mit mit der Zeile i und der Spalte j von einer Zelle der Gruppe A besetzt ist, während das Symbol B_ij angibt, dass die Position in der Matrix m_ij mit der Zeile i und der Spalte j von einer Zelle der Gruppe A besetzt ist.
Einer Ausführungsform entsprechend sind die Mikrozellen der ersten Gruppe A in einer Matrix aus M Zeilen und P Spalten angeordnet, wobei P kleiner ist als N (A₁₁, A₁₂, A₁₃, A₂₁, A₂₂, A₂₃, A₃₁, A₃₂, A₃₃, A₄₁, A₄₂, A₄₃), wobei die restlichen N–P Spalten aus Mikrozellen der zweiten Gruppe (B₁₄, B₂₄, B₃₄, B₄₄) bestehen. Die M×P-Matrix der Mikrozellen der ersten Gruppe (A₁₂, A₁₃, A₂₂, A₂₃, A₃₂, A₃₃, A₄₂, A₄₃) ist bevorzugt derart in der M×N-Matrix enthalten, dass sie von Spalten von Mikrozellen der zweiten Gruppe (B₁₁, B₂₁, B₃₁, B₄₁, B₁₄, B₂₄, B₃₄, B₄₄) umgeben ist. Alternativ dazu sind die Mikrozellen der zweiten Gruppe (B₁₁, B₁₂, B₁₃, B₂₁, B₂₂, B₂₃, B₃₁, B₃₂, B₃₃, B₄₁, B₄₂, B₄₃) in einer Matrix aus M Zeilen und P Spalten angeordnet, wobei P kleiner ist als N, wobei die restlichen N–P Spalten aus Mikrozellen der ersten Gruppe (A₁₄, A₂₄, A₃₄, A₄₄) bestehen. Die M×P-Matrix der Mikrozellen der zweiten Gruppe (B₁₂, B₁₃, B₂₂, B₂₃, B₃₂, B₃₃, B₄₂, B₄₃) kann zum Beispiel in der M×N-Matrix so angeordnet sein, dass sie von Spalten von Mikrozellen der ersten Gruppe (A₁₁, A₂₁, A₃₁, A₄₁, A₁₄, A₂₄, A₃₄, A₄₄) umgeben ist.
Einer anderen Ausführungsform entsprechend sind die Mikrozellen der M×N-Matrix abwechselnd von Mikrozellen der ersten und zweiten Gruppe (A₁₁, B₁₂, A₁₃, B₁₄, B₂₁, A₂₂, B₂₃, A₂₄, A₃₁, B₃₂, A₃₃, B₃₄, B₄₁, A₄₂, B₄₃, A₄₄) besetzt, insbesondere sind die Spalten der M×N-Matrix abwechselnd von Mikrozellen der ersten und zweiten Gruppe (A₁₁, A₁₂, A₁₃, A₁₄, B₂₁, B₂₂, B₂₃, B₂₄, A₃₁, A₃₂, A₃₃, A₃₄, B₄₁, B₄₂, B₄₃, B₄₄) besetzt; oder die Spalten der M×N-Matrix sind abwechselnd von Mikrozellen der ersten und zweiten Gruppe (A₁₁, B₁₂, A₁₃, B₁₄, A₂₁, B₂₂, A₂₃, B₂₄, A₃₁, B₃₂, A₃₃, B₃₄, A₄₁, B₄₂, A₄₃, B₄₄) besetzt. Die Elemente benachbarter Spalten können derart versetzt sein, dass in jeder Zeile Mikrozellen abwechselnd der ersten und der zweiten Gruppe enthalten sind (A₁₁, B₁₂, A₁₃, B₁₄, B₂₁, A₂₂, B₂₃, A₂₄, A₃₁, B₃₂, A₃₃, B₃₄, B₄₁, A₄₂, B₄₃, A₄₄), oder die Elemente benachbarter Spalten sind derart teilweise versetzt, dass sie mindestens eine Submatrix (m₁₂, m₁₃, m₂₂, m₂₃, m₃₂, m₃₃, m₄₂, m₄₃) formen, die in jeder Zeile Mikrozellen derselben Gruppe (A₁₂, A₁₃, B₂₂, B₂₃, A₃₂, A₃₃, B₄₂, B₄₃) enthält. Diese Submatrix kann außen von Mikrozellen der ersten und der zweiten Gruppe umgeben sein, wobei jede Mikrozelle einer Gruppe, die auf der Außenseite der Submatrix liegt, neben einer Mikrozelle der anderen Gruppe (B₁₁, A₂₁, B₃₁, A₄₁, B₁₄, A₂₄, B₃₄, A₄₄) liegt.
Der Frequenzgang des erfindungsgemäßen Multiresonanz-Elements kann durch eine geeignete Elektrodendimensionierung der Größe der entsprechenden Membranen entsprechend, mit denen sie verbunden sind, weiter optimiert und ausgeglichen werden. Zu diesem Zweck weisen die Mikrozellen jeder Gruppe bevorzugt Elektroden mit einer anderen Größe auf als die Größe der Elektroden der Mikrozellen der anderen Gruppe oder Gruppen. Insbesondere weisen die Mikrozellen mit einer größeren Größe einen größeren Elektrodendurchmesser als die Mikrozellen mit einer kleineren Größe auf.
Nach einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung eine Electronic Array-Sonde, umfassend einen geordneten Satz von elektroakustischen Wandlern, die Mikrozellen mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften aufweisen, wie z. B. die geometrischen Maße.
Weitere Merkmale und Verbesserungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung wird nun auf beispielhafte und nicht einschränkende Weise anhand ihrer bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, vor allem Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen, wobei:
1 einen elektrostatischen Wandler des Stands der Technik zeigt;
2 einen zweiten elektrostatischen Wandler des Stands der Technik zeigt;
3 einen dritten elektrostatischen Wandler des Stands der Technik zeigt;
4 einen cMUT-Wandler des Stands der Technik zeigt;
5 einen Herstellungsprozess des cMUT-Wandlers von 4 zeigt;
6 die spezifische mechanische Impedanz einer cMUT-Membran zeigt, die mit 12 MHz schwingt (durchgezogene Linie), und die spezifische Schallimpedanz von Wasser (gestrichelte Linie);
7 den Durchschnittsdruck zeigt, der von einem Wandler mit rechteckigem Kolben in Wasser übertragen wird (unten), mit mehreren mechanischen Impedanzkurven des Kolbens (oben);
8 die typische Matrixanordnung von kreisförmigen Membranen in einem cMUT-Element zeigt;
9 den Durchschnittsdruck zeigt, der von einem cMUT-Element in Wasser bei zunehmenden Werten des Abstands p_m zwischen Membranen des Durchmessers D_m übertragen wird;
10 verschiedene cMUT-Array-Konfigurationen mit kreisförmigen Membranen veranschaulicht, die in einer Matrixform angeordnet sind, dem Stand der Technik (a, b) und der Erfindung (c, d, e) entsprechend;
11 einen Vergleich zwischen dem durchschnittlichen Übertragungsdruck eines cMUT-Elements mit der einheitlichen Membrananordnung von 10a mit der gemischten Anordnung von 10c zeigt;
12 die Impulsechoantwort mit Kurzschlussempfang („short-circuit receive") eines cMUT-Elements mit einheitlichen Membranen zeigt, die wie in 10a angeordnet sind, im Vergleich zur gemischten Anordnung von 10c;
13 den Durchschnittsdruck zeigt, der vom Doppel resonanzwandler in der Anordnung von 10c sowohl in Gas- als auch in Flüssigkeitskopplung übertragen wird;
14 den Durchschnittsdruck zeigt, der von einem cMUT-Element mit der gemischten Membrananordnung von 10c für verschiedene Kombinationen der Elektrodendurchmesser übertragen wird, im Vergleich zur einheitlichen Membrananordnung von 10a (gestrichelte Linie);
15 die Impulsechoantwort mit Kurzschlussempfang des cMUT-Elements mit der gemischten Membrananordnung von 10c und Elektrodenoptimierung zeigt, im Vergleich zur einheitlichen Membrananordnung (gestrichelte Linie);
16 die Impulsechoantwort mit Kurzschlussempfang eines 30 MHz-cMUT-Array-Elements mit der einheitlichen Membrananordnung von 10a (gestrichelte Linie) im Vergleich zur gemischten Membrananordnung von 10c und Elektrodenoptimierung zeigt (durchgezogene Linie).
In 10 (c, d, e), besteht der erfindungsgemäße Wandler aus kreisförmigen Mikrozellen m_ij in einer Matrixanordnung mit 4 Spalten und einer undefinierten Zahl M von Zeilen (der Einfachheit halber 4 in der Zeichnung), wobei M >> 4. Im Vergleich zum Wandler des Stands der Technik mit einheitlicher Membrankonfiguration, der in 10 (a, b) schematisch dargestellt ist, weisen die erfindungsgemäßen Mikrozellen nicht dieselben Maße auf, sondern sind in zwei Gruppen eingeteilt. Die Mikrozellen der zweiten Gruppe B haben Membranen, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Membranen der ersten Gruppe A und sind untereinander vermischt, wie im Beispiel von 10 (c, d, e). Insbesondere sind, auf 10c Bezug nehmend, die Mikrozellen mit kleinerem Durchmesser an zwei inneren angrenzenden Spalten entlang angeordnet (A₁₂, A₁₃, A₂₂, A₂₃, A₃₂, A₃₃ usw.). Die Mikrozellen mit größe rem Durchmesser sind an den zwei äußersten Spalten entlang angeordnet, die beide an den Seiten der Spalten der Mikrozellen mit kleinerem Durchmesser entlang angeordnet sind (B₁₁, B₂₁, B₃₁, B₄₁, B₁₄, B₂₄, B₃₄, B₄₄ usw.). In 10d ist die Situation umgekehrt, und die zwei Spalten der Membranen mit kleinerem Durchmesser (A₁₁, A₂₁, A₃₁, A₄₁, A₁₄, A₂₄, A₃₄, A₄₄ usw.) sind den Seiten der zwei benachbarten Spalten der Membranen mit größerem Durchmesser (B₁₂, B₁₃, B₂₂, B₂₃, B₃₂, B₃₃, B₄₂, B₄₃ usw.) entlang angeordnet. Die Anordnung von 10e ist ein Mittelweg in Bezug auf die vorherigen: Jede Spalte schließt Mikrozellen der zwei Gruppen ein, die mit einer Einheitswiederholungshäufigkeit voneinander beabstandet sind. Zwei Spalten sind zentral Seite an Seite angeordnet und weisen die gleiche Membranfolge auf, beginnend mit der kleinsten (A₁₂, B₂₂, A₃₂, B₄₂, A₁₃, B₂₃, A₃₃, B₄₃), während die restlichen zwei Spalten eine invertierte Membranfolge aufweisen, beginnend mit der größten, und auf den Seiten der ersten zwei Spalten angeordnet sind (B₁₁, A₂₁, B₃₁, A₄₁, B₁₄, A₂₄, A₃₄, B₄₄).
Alle Plots, die im Folgenden beschrieben werden, wurden unter Verwendung der kommerziellen Software ANSYS durch Finite-Element-Methode (FEM)-Simulationen erhalten, in der Annahme, dass der cMUT-Wandler eine endliche Breite (4 Spalten im spezifischen Beispiel von 10) und eine unendliche Länge aufweist, um die Berechnung zu vereinfachen.
11 zeigt einen Vergleich zwischen dem Druck, der von der traditionellen Konfiguration von 10a übertragen wird, und der Anordnung von 10c mit zwei verschiedenen Membranen, für ein cMUT-Array-Element, das ausgelegt ist, um bei 20 MHz betrieben zu werden. Alle Konfigurationen weisen den gleichen Abstand auf, p_m = 24 μm. Es ist zu ersehen, dass das Gesamtantwortverhalten des Elements mit gemischten Membranen mit Durchmessern D_A = 19 μm und D_B = 21 μm sowohl bei niedrigen Frequenzen (unter etwa 10 MHz) als auch bei hohen Frequenzen (über 35 MHz) sehr nahe an dem des einheitlichen Elements mit Membranen mit Zwischendurchmesser (D_m = 20 μm) liegt; bei mittleren Frequenzen begünstigt die Differenzierung der zwei Durchmesser durch die Kopplung mit dem Fluid einen „Ausgleich" des übertragenen Druckpegels, wodurch die Einheitlichkeit in der Bandbreite des Frequenzgangs um 20 MHz herum verbessert wird. Die Impulsechoantwort desselben Elements mit Kurzschlussempfang wird in 12 gezeigt. Wie zu ersehen ist, beträgt die –6 dB-Teilbandbreite um die Mittenfrequenz 19 MHz herum bei der Multimembrankonfiguration 100%, wogegen sie bei der traditionellen Konfiguration mit völlig gleichen Membranen nur 85% beträgt.
In Anbetracht der Zahl und der geometrischen Eigenschaften der Mikrozellen eines Wandlerelements, insbesondere der Zahl von Mikrozellen, die zum Beispiel verschiedene Membrandurchmesser aufweisen, oder der Zahl der Gruppen mit einheitlichen Mikrozellen im gleichen Wandler und daher der Zahl der verschiedenen Resonanzfrequenzen, kann anhand von Simulationen und Routine-Experimenten die Anordnung bestimmt werden, um die optimale Bandbreite für jede Konfiguration zu erhalten. All das dank der niedrigen mechanischen Impedanz der Membranen und der hohen akustischen Anpassung, die zwischen dem Kopplungsfluid und den Membranen vorhanden ist. Tatsächlich ist es dieses eigentümliche Merkmal von cMUT-Geräten, das es erlaubt, durch Kombination von Elementen, die bei verschiedenen, aber nahe beieinander liegenden Frequenzen schwingen, als Wirkung die Bandbreitenverbreiterung zu erhalten. Dies ist im Beispiel von 13 besonders offensichtlich, wo der Durchschnittsdruck, der vom Multiresonanz-cMUT-Element übertragen wird, das die Konfiguration von 10c mit Membrandurchmessern D_A = 19 μm und D_B = 21 μm aufweist, in einem Gas (Wasserstoff) und in einer Flüssigkeit (Wasser) verglichen wird. Aufgrund der hohen Schallimpedanzfehlanpassung, die auf die Kopplung mit dem Gas zurückzuführen ist, treten keine konstruktionsbedingten Interferenzen der Resonanzfrequenzen der zwei Membrangruppen auf, und der Frequenzgang weist zwei getrennte Spitzen auf (unteres Diagramm), im Gegensatz zu dem, was bei Kopplung mit Wasser erhalten wird, wo die Spitzen nicht vorhanden sind und die Bandbreite eine große Einheitlichkeit und Amplitude ausweist (oberes Diagramm).
Die Mikrozellen von cMUT-Wandlern sind geeignet, in ihrer Geometrie so diversifiziert zu werden, dass sie im gleichen Wandler mit verschiedenen Frequenzen schwingen. Der einfachste Weg, dies zu erreichen, ist, auf die Maße der Membranen einzuwirken, wie in den oben beschriebenen Beispielen. Entsprechende Ergebnisse können aber auch erhalten werden, indem auf die Dicke der Membranen und der Löcher oder auf die Seitenmaße der Mikrozellen eingewirkt wird. All das dank des Oberflächenmikrobearbeitungsprozesses und der Verwendung von fotolithografischen Masken. Zum Beispiel kann die Differenzierung der Mikrozellen auf der Basis verschiedener Dicken durch selektiven Auftrag aufeinanderfolgender Schichten mithilfe von fotolithografischen Masken erreicht werden. Trotz einer erhöhten Zahl von Fertigungsschritten würden die Membranen auf diese Weise zugunsten des Bandbreiteverstärkungsprodukts dichter gepackt. Im Prinzip können die mechanischen Eigenschaften der Schichten auch unter den Mikrozellen diversifiziert werden, um verschiedene Resonanzen zu ergeben.
Der Frequenzgang des erfindungsgemäßen Multiresonanz-Elements kann weiter optimiert und ausgeglichen werden, indem die Elektroden auf geeignete Weise der Größe der Membranen, mit denen sie verbunden sind, entsprechend dimensioniert werden.
Durch geeignete Optimierung des Radius der Elektrode kann die Emission jeder Membran verschieden „gewichtet" werden, um den Frequenzgang auszugleichen. Zum Beispiel begünstigt eine höhere Metallisierungsfraktion der größeren Membranen im Vergleich zu den kleineren Membranen die Emission der größeren Membranen, d. h., die Übertragung des Niederfrequenzbereichs des Impulsechospektrums. Doch die Bruchspannungen der Membranen mit gemischter Größe sollten so nahe wie möglich zusammen bleiben. Tatsächlich ist die Bruchspannung einer kreisförmigen Membran grob geschätzt umgekehrt proportional zu ihrem Radius und zu dem der Elektrode (A. Caronti, R. Carotenuto, G. Caliano und M. Pappalardo, „The effects of membrane metallization in capacitive microfabricated ultrasonic transducers", J. Acoust. Soc. Am., Bd. 115, Nr. 2, Seiten. 651–657, 2004). Da die Vorspannung in der einfacheren Version des Multiresonanz-Wandlers für alle (parallel geschalteten) Membranen gleich ist, ist eine gute Einheitlichkeit der Bruchspannungen erforderlich, um eine gute Leistung zu erreichen. Mit anderen Worten ist es möglich, eine Bandbreitenverbesserung auf Kosten einer Leistungsabnahme zu fördern, wogegen das Bandbreiteverstärkungsprodukt im Wesentlichen unverändert bleibt.
Ein Beispiel der Anwendung dieser Technik ist die gemischte Anordnung von 10c, wie in 14 gezeigt. Wie zu ersehen ist, kann im Fall von Membranen mit zwei verschiedenen Durchmessern (21 und 19 μm) eine geeignete Elektrodendimensionierung (19 μm und 11 μm) zum Verschwinden der zwei Spitzen im Frequenzgang mit einer hohen Einheitlichkeit in der Bandbreite (dicke durchgezogene Linie) führen. Dieses Ergebnis wird auf Kosten einer kleinen Verringerung im durchschnittlichen übertragenen Druckpegel erhalten.
Ein Vergleich der Impulsechoantwort mit dem Kurzschlussempfang desselben Elements mit der Elektrodengrößenoptimierung wird in 15 gezeigt. Die elektrodenoptimierte Konfiguration (19 und 11 μm) weist eine –6 dB-Teilbandbreite von 105% auf, mit einer 25%igen Verbesserung im Vergleich zum traditionellen einheit lichen Layout (gestrichelte Linie).
Ein anderes Beispiel in Bezug auf ein cMUT-Array-Element, das für den 30 MHz-Betrieb ausgelegt ist, wird in 16 gezeigt, wo der mittlere Membrandurchmesser 16 μm und der Abstand p_m 20 μm beträgt. In diesem Fall wird mit einem Zwei-Membranen-Layout mit jeweiligen Durchmessern von 17 μm bzw. 15 μm und Elektrodengrößen von 15 μm bzw. 9 μm die Teilbandbreite im Vergleich zum traditionellen 16 μm Durchmesser-Layout mit 9 μm Elektrodendurchmesser um 45% erhöht.
Die obigen Beispiele beziehen sich auf den beispielhaften Fall von Mikrozellen, die nur zwei Gruppen (A und B) mit verschiedenen Membrandurchmessern angehören. Doch je größer die Zahl von Resonanzfrequenzen ist, und daher der Gruppen von Mikrozellen mit verschiedenen Eigenschaften (A, B, C, D, E, ...), umso stärker ist die Bandbreitenverbesserung, die im Vergleich zu einem traditionellen Layout mit völlig gleichen Membranen erreicht werden kann.
Auch wenn diese Technik besonders für Hochfrequenzanwendungen geeignet ist (das heißt, für Anwendungen über 15 MHz), wo eine Erhöhung der Teilbandbreite besonders ratsam ist, können auch die Anwendungen mit niedrigeren Frequenzen aus den Lehren der vorliegenden Erfindung Nutzen ziehen, um Wandler mit sehr großen und speziell optimierten Bandbreiten herzustellen.

Claims

Elektroakustischer Hochfrequenzwandler für Frequenzen über 15 MHz des Typs, der geeignet ist, mit einem Fluid gekoppelt zu werden, insbesondere ein Ultraschallwandler, umfassend eine Vielzahl von elektrostatischen Mikrozellen, die elektrisch parallel geschaltet sind oder geschaltet werden können, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mikrozellen in einheitlichen Gruppen (A, B, C) aus Mikrozellen angeordnet sind, die die gleichen geometrischen Eigenschaften haben, wobei jede Gruppe Mikrozellen mit Geometrien umfasst, die von der Geometrie der Mikrozellen der anderen Gruppe oder Gruppen verschieden sind, sodass die Mikrozellen jeder Gruppe (A) eine Resonanzfrequenz haben, die zwar anders ist, aber nahe an der Resonanzfrequenz der Mikrozellen der anderen Gruppe oder Gruppen (B, C) liegt, wobei die Mikrozellen der Gruppen (A, B, C) Seite an Seite in einem Matrix-Layout angeordnet sind.
Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrozellen der Gruppen (A, B, C) derartige Formen und Maße haben, dass sie mit Frequenzen über 15 MHz schwingen.
Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, in Anbetracht der physikalischen Parameter der Mikrozellen, insbesondere der geometrischen Maße, für eine bestimmte Betriebsfrequenz des Wandlers das Layout der Mikrozellen jeder Gruppe (A) in Bezug auf die Mikrozellen der anderen Gruppe oder Gruppen (B, C) derart ist, dass der Durchschnittsdruck, der vom Wandler in einem Kopplungsfluid übertragen wird, wenn die Mikrozellen erregt werden, eine Teilbandbreite größer als 80%, typischerweise von 100% aufweist.
Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine gegebene Betriebsfrequenz des Wandlers die Mikrozellen mindestens einer ersten Gruppe (A) eine derartige Form und Größe aufweisen, dass sie bei einer Frequenz schwingen, die höher ist als die Betriebsfrequenz, und die Mikrozellen mindestens einer zweiten Gruppe (B) eine derartige Form und Größe aufweisen, dass sie bei einer Frequenz schwingen, die niedriger ist als die Betriebsfrequenz.
Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrozellen der ersten Gruppe (A) eine kleinere Größe haben als die Mikrozellen der zweiten Gruppe (B).
Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrozellen der ersten Gruppe (A) eine kleinere Größe und die Mikrozellen der zweiten Gruppe (B) eine größere Größe haben als die Größe der Mikrozellen, die erforderlich wäre, um einen Wandler mit völlig gleichen Mikrozellen herzustellen und bei der gleichen Mittenfrequenz zu betreiben.
Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrozellen jeder Gruppe (A) zwar die gleichen geometrischen Eigenschaften wie die Mikrozellen der anderen Gruppe oder Gruppen (B, C), aber skalierte Maße aufweisen.
Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Siliziumsubstrat (11) umfasst, auf dessen Oberseite eine Vielzahl von elastischen Membranen (9) von einer strukturellen Isolierschicht (11) getragen wird, die mit dem Halbleitersubstrat verbunden ist, wobei eine Unterseite des Substrats und der Membranen metallisiert ist, wobei jedes Membran-Substrat-Paar eine elektrostatische Mikrozelle definiert.
Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass er Gruppen von Mikrozellen umfasst, die sich in der Größe der Membranen (9) unterscheiden.
Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine erste und mindestens eine zweite Gruppe von Mikrozellen (A, B) umfasst, wobei die Membranen (9) der Mikrozellen der zweiten Gruppe (B) eine größere Größe als die Größe der Membranen der ersten Gruppe (A) haben.
Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er kreisförmig geformte Membranen (9) aufweist.
Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er eine oder mehrere Elementarmatrizen (m_ij) aus M Zeilen und N Spalten umfasst, die aus Mikrozellen bestehen, die einer ersten (A) und einer zweiten Gruppe (B) angehören.
Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrozellen der ersten Gruppe (A) in einer Matrix aus M Zeilen und P Spalten angeordnet sind, wobei P kleiner ist als N (A₁₁, A₁₂, A₁₃, A₂₁, A₂₂, A₂₃, A₃₁, A₃₂, A₃₃, A₄₁, A₄₂, A₄₃), wobei die restlichen N–P Spalten aus Mikrozellen der zweiten Gruppe (B₁₄, B₂₄, B₃₄, B₄₄) bestehen.
Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die M×P-Matrix von Mikrozellen der ersten Gruppe (A₁₂, A₁₃, A₂₂, A₂₃, A₃₂, A₃₃, A₄₂, A₄₃) derart in der M×N-Matrix enthalten ist, dass sie von Spalten von Mikrozellen der zweiten Gruppe (B₁₁, B₂₁, B₃₁, B₄₁, B₁₄, B₂₄, B₃₄, B₄₄) umgeben ist.
Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrozellen der zweiten Gruppe (B₁₁, B₁₂, B₁₃, B₂₁, B₂₂, B₂₃, B₃₁, B₃₂, B₃₃, B₄₁, B₄₂, B₄₃) in einem Matrix-Layout aus M Zeilen und P Spalten angeordnet sind, wobei P kleiner ist als N, wobei die restlichen N–P Spalten aus Mikrozellen der ersten Gruppe (A₁₄, A₂₄, A₃₄, A₄₄) geformt sind.
Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die M×P-Matrix von Mikrozellen der zweiten Gruppe (B₁₂, B₁₃, B₂₂, B₂₃, B₃₂, B₃₃, B₄₂, B₄₃) derart in der M×N-Matrix enthalten ist, dass sie von Spalten von Mikrozellen der ersten Gruppe (A₁₁, A₂₁, A₃₁, A₄₁, A₁₄, A₂₄, A₃₄, A₄₄) umgeben ist.
Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilen der M×N-Matrix abwechselnd von Mikrozellen der ersten und der zweiten Gruppe (A₁₁, B₁₂, A₁₃, B₁₄, B₂₁, A₂₂, B₂₃, A₂₄, A₃₁, B₃₂, A₃₃, B₃₄, B₄₁, A₄₂, B₄₃, A₄₄) besetzt sind.
Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalten der M×N-Matrix abwechselnd von Mikrozellen der ersten und der zweiten Gruppe (A₁₁, A₁₂, A₁₃, A₁₄, B₂₁, B₂₂, B₂₃, B₂₄, A₃₁, A₃₂, A₃₃, A₃₄, B₄₁, B₄₂, B₄₃, B₄₄) besetzt sind.
Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der Spalten der M×N-Matrix abwechselnd von Mikrozellen der ersten und der zweiten Gruppe (A₁₁, B₁₂, A₁₃, B₁₄, A₂₁, B₂₂, A₂₃, B₂₄, A₃₁, B₃₂, A₃₃, B₃₄, A₄₁, B₄₂, A₄₃, B₄₄) besetzt sind.
Wandler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrozellen benachbarter Spalten derart versetzt sind, dass in jeder Zeile Mikrozellen abwechselnd der ersten und der zweiten Gruppe enthalten sind (A₁₁, B₁₂, A₁₃, B₁₄, B₂₁, A₂₂, B₂₃, A₂₄, A₃₁, B₃₂, A₃₃, B₃₄, B₄₁, A₄₂, B₄₃, A₄₄).
Wandler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrozellen benachbarter Spalten derart teilweise versetzt sind, dass sie mindestens eine Submatrix (m₁₂, m₁₃, m₂₂, m₂₃, m₃₂, m₃₃, m₄₂, m₄₃) bilden, die in jeder Zeile Mikrozellen derselben Gruppe (A₁₂, A₁₃, B₂₂, B₂₃, A₃₂, A₃₃, B₄₂, B₄₃) enthält.
Wandler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Submatrix (m₁₂, m₁₃, m₂₂, m₂₃, m₃₂, m₃₃, m₄₂, m₄₃) außen von Mikrozellen der ersten und der zweiten Gruppe umgeben ist, wobei jede Mikrozelle einer Gruppe, die auf der Außenseite der Submatrix angeordnet ist, neben einer Mikrozelle der anderen Gruppe (B₁₁, A₂₁, B₃₁, A₄₁, B₁₄, A₂₄, B₃₄, A₄₄) liegt.
Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarmatrizen von Mikrozellen, die den einheitlicheren Gruppen (A, B, C) angehören, räumlich so angeordnet sind, dass sie mit einer vorgegebenen Wiederholungshäufigkeit auftreten.
Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrozellen jeder Gruppe (A) Elektroden mit anderer Größe haben als die Elektroden der Mikrozellen der anderen Gruppe oder Gruppen (B).
Wandler nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden der Mikrozellen mit größeren Maßen (B) einen Durchmesser haben, der größer ist als der Durchmesser der Elektroden der Mikrozellen mit kleineren Maßen (A).
Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei Gruppen von Mikrozellen umfasst, wobei für Betriebsfrequenzen von etwa 20 MHz die Membranen (9) der Mikrozellen der ersten Gruppe (A) einen Durchmesser von etwa 19 μm haben und die Membranen der Mikrozellen der zweiten Gruppe (B) einen Durchmesser von etwa 21 μm haben.
Wandler nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodendurchmesser der Mikrozellen der ersten Gruppe (A) etwa 11 μm beträgt und der Elektrodendurchmesser der Mikrozellen der zweiten Gruppe (B) etwa 19 μm beträgt.
Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei Gruppen von Mikrozellen umfasst, wobei für Betriebsfrequenzen von etwa 30 MHz die Membranen (9) der Mikrozellen der ersten Gruppe (A) einen Durchmesser von etwa 15 μm haben und die Membranen der Mikrozellen der zweiten Gruppe (B) einen Durchmesser von etwa 17 μm haben.
Wandler nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodendurchmesser der Membranen der ersten Gruppe (A) etwa 9 μm beträgt und der Elektrodendurchmesser der Membranen der zweiten Gruppe (B) etwa 15 μm beträgt.
Elektronische Array-Sonde, umfassend einen geordneten Satz von elektroakustischen Wandlern nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche.