DE60315286T2

DE60315286T2 - Gruppe von membran-ultraschallwandlern

Info

Publication number: DE60315286T2
Application number: DE60315286T
Authority: DE
Inventors: Mareike Klee; Hans-Wolfgang Brand; Egon Krafczyk; Hans-Peter Löbl; Peter Bachmann
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2002-05-01
Filing date: 2003-04-29
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2023-04-30
Also published as: CN100438991C; WO2003092915A3; AU2003222387A8; CN1649677A; DE60315286D1; US6548937B1; ATE368526T1; WO2003092915A2; KR20050006204A; EP1503872A2; AU2003222387A1; EP1503872B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Ultraschallwandler und insbesondere auf Membran-Ultraschallwandler, die eine Membran umfassen, welche aus einer Diamantschicht oder diamantartigen Kohlenstoffschicht besteht.
Die Erzeugung von Ultraschall erfolgt durch rein mechanische Mittel oder mit Hilfe von elektroakustischen Wandlern, die den magnetostriktiven oder piezoelektrischen Effekt nutzen. Da Ultraschall heute leicht technisch realisiert werden kann, wird er weitverbreitet eingesetzt. Ultraschall wird zum Beispiel zur Erzeugung von Bildern für die medizinische Diagnostik oder für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung angewandt.
Die am häufigsten verwendeten elektroakustischen Wandler basieren auf dem piezoelektrischen Effekt. In der Praxis werden zusätzlich zu Einzelwandler-Systemen am häufigsten eindimensionale oder zweidimensionale Array-Systeme eingesetzt. Zweidimensionale Array-Systeme sind besonders interessant für die Anzeige von dreidimensionalen Bildern.
Die Anregung der piezoelektrischen Elemente in akustischen Wandlern erfolgt entweder in einem Wechselstromfeld mit einer Frequenz von wenigen kHz bis zu mehreren MHz oder, insbesondere in der Bilderzeugung, durch kurze Oszillationsbursts mit einer Basisfrequenz von wenigen MHz und relativen Bandbreiten von bis zu 100%. Die Auslenkung der piezoelektrischen Elemente in der Feldrichtung erzeugt eine kontinuierliche oder gepulste Ultraschallwelle in dem gekoppelten Medium, zum Beispiel in Wasser oder biologischem Gewebe. Die sich in Abhängigkeit von der Gewebedichte verändernden Reflexionen und die sich mit der Pfadlänge verändernden Durchsatzzeiten werden zur Bilderzeugung in der medizinischen Diagnostik verwendet.
In einem Array aus Ultraschallwandlern kann jeder Wandler eine Membran umfassen, auf der eine piezoelektrische Schicht aufgebracht ist, auf der wiederum eine erste und eine zweite Elektrode vorgesehen sind. Die Längenveränderung des piezoelektrischen Elements regt die Membran zur Schwingung an.
Ein Array aus Membran-Ultraschallwandlern kann aus so genannten piezoelektrischen mikrobearbeiteten Ultraschallwandlern (engl. piezoelectric micromachined ultrasound transducer, MPUT) gebildet werden. Das Array aus piezoelektrischen Ultraschallwandlern wird direkt auf Silizium aufgebracht. Ein derartiger Ultraschallwandler kann neben einem Siliziumsubstrat eine Membran umfassen, auf der eine piezoelektrische Schicht aufgebracht ist, auf der wiederum eine erste und eine zweite Elektrode vorgesehen sind. Die Membran kann man erhalten, indem das Silizium einfach so weggeätzt wird, dass eine Öffnung entsteht. Die Längenänderung des piezoelektrischen Elements regt die Membran zur Schwingung an. Um ein Array aus derartigen Ultraschallwandlern herzustellen, werden mehrere Öffnungen für die Schaffung mehrerer Membranen auf einem einzigen Siliziumsubstrat hergestellt.
Diamant ist ein bevorzugtes Material für Schallwellenvorrichtungen, da es Eigenschaften aufweist, die denen von herkömmlichem Schallwellenmaterial überlegen sind. Diamant verfügt über eine Kombination von Eigenschaften wie einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, hoher mechanischer Härte, großer Wärmeleitfähigkeit und hohem Elastitzitätsmodul, die sich auf einzigartige Weise für akustische Anwendungen eignen.
Aufgrund seiner oben genannten Eigenschaften wird Diamant als Membranmaterial in Ultraschallwandlern eingesetzt.
Eine piezoelektrische Schicht kann hergestellt werden, indem man das piezoelektrische Material in einem Sprühprozess, einem Schleuderprozess, einem Eintauchprozess, durch Abscheidungen von Schichten aus der Gasphase, in einem Sputterprozess oder einem Laserablationsprozess aufbringt. Die Aufbringungstemperaturen liegen bei all diesen Prozessen zwischen 500 °C und 800 °C abhängig von der Zusammensetzung des piezoelektrischen Materials. Zusätzlich werden alle Prozesse in der Anwesenheit von Sauerstoff ausgeführt, um die Kristallisierung des piezoelektrischen Materials zu verbessern.
Diese strengen Prozessbedingungen können zu einer partiellen Zersetzung einer Membran führen, die aus Diamant besteht, und somit zu einer erheblich verringerten Adhäsion der piezoelektrischen Schicht auf der Membranoberfläche.
Ein weiteres Problem tritt aufgrund der Tatsache auf, dass die Hydrophobilität der Diamantoberfläche je nach Herstellungsbedingungen der Membran unterschiedlich ist. Dadurch wird es schwieriger, eine piezoelektrische Schicht mit guter und starker Adhäsion auf einer Membran herzustellen, die aus Diamant besteht.
Darüber hinaus werden die Struktur und die Morphologie der piezoelektrischen Schicht durch eine aus Diamant bestehende Membran beeinflusst. Es ist zu beachten, dass man oft anstelle einer einphasigen piezoelektrischen Schicht eine zweite Phase mit Pyrochlor erhält, wenn ein piezoelektrisches Material auf einem Diamantsubstrat aufgebracht wird.
In dem Dokument JP 08 154 033 A wird ein Oberflächen-Schallwellenelement beschrieben, das Folgendes umfasst: einen Diamantfilm, eine auf dem Diamantfilm aufgebrachte Zwischenschicht, eine auf der Zwischenschicht aufgebrachte LiNbO₃-Schicht und interdigitale Wandlerelektroden, die auf der LiNbO₃-Schicht angeordnet sind. Die Zwischenschicht dient dazu, die Kristalleigenschaften der LiNbO₃-Schicht zu steuern und besteht aus ZnO, das zusätzlich etwas MgO oder Al₂O₃ enthält.
Es ist dementsprechend eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Ultraschallwandler zu schaffen, der eine Membran umfasst, welche aus Diamant oder diamantartigem Kohlenstoff und einer piezoelektrischen Schicht besteht, die eine gute und starke Adhäsion an den anderen Schichten/Komponenten des Ultraschallwandlers aufweist.
Dieses Ziel wird mit Hilfe eines Arrays aus Ultraschallwandlern wie in Anspruch 1 definiert erreicht, wobei jeder Wandler eine Membran aus Diamant oder diamantartigem Kohlenstoff, eine Barrierestruktur, eine piezoelektrische Schicht und eine erste sowie eine zweite auf der gleichen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht angeordnete Elektrode umfasst. Die Barrierestruktur umfasst mindestens eine Schicht aus einem Oxid, das aus der Gruppe von TiO₂, MgO, Al₂O₃, HfO₂, ZrTiO₄, LaAlO₃ und einer beliebigen Kombination dieser Verbindungen ausgewählt wurde.
Die Barrierestruktur verhindert eine Zersetzung der aus Diamant oder diamantartigem Kohlenstoff bestehenden Membran während der Aufbringung der piezoelektrischen Schicht. Darüber hinaus sorgt die Barrierestruktur dafür, dass man eine einphasige piezoelektrische Schicht erhält, wenn das piezoelektrische Material auf der Barrierestruktur und nicht direkt auf der Membran aufgebracht wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Adhäsion zwischen einer piezoelektrischen Schicht und einer derartige Barrierestruktur stärker ist als die Adhäsion zwischen einer piezoelektrischen Schicht und einer Membran, die aus Diamant oder diamantartigem Kohlenstoff besteht.
Gemäß einer beschriebenen Ausführungsform erhält man ein Array aus Ultraschallwandlern, in dem die piezoelektrische Schicht stark an der unteren Barrierestruktur haftet, wobei die piezoelektrische Schicht eine einzelne Phase aufweist und wobei die Membran nicht durch die strengen Prozessbedingungen während der Herstellung der piezo elektrischen Schicht beeinträchtigt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Array aus Ultraschallwandlern aus mikrobearbeiteten Ultraschallwandlern bestehen.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Ultraschallwandler, wie er in Anspruch 5 definiert ist, der Folgendes umfasst: eine aus Diamant oder diamantartigem Kohlenstoff bestehende Membran, eine Barrierestruktur, eine piezoelektrische Schicht und eine erste sowie eine zweite Elektrode, die auf der gleichen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht angeordnet sind, wobei die Barrierestruktur mindestens eine Schicht aus einem Oxid umfasst, das aus der Gruppe TiO₂, MgO, Al₂O₃, HfO₂, ZrTiO₄, LaAlO₃ und einer beliebigen Kombination dieser Verbindungen ausgewählt wurde.
Die Erfindung wird im Folgenden ausführlich unter Bezugnahme auf drei Zeichnungen und vier Ausführungsformen beschrieben. Es zeigen:
1 die Konstruktion eines Array-Ultraschallwandlers im Querschnitt;
2 die Konstruktion eines weiteren Array-Ultraschallwandlers im Querschnitt, und
3 die Konstruktion eines mikrobearbeiteten Ultraschallwandlers im Querschnitt.
In 1 umfasst eine Ausführungsform eines Array-Ultraschallwandlers eine Membran 2, die aus Diamant oder diamantartigem Kohlenstoff besteht. Eine aus Diamant oder diamantartigem Kohlenstoff bestehende Membran 2 kann mittels Abscheiden von Schichten aus der Gasphase (engl. chemical vapour deposition, CVD) hergestellt werden. Vorzuziehen ist, dass die Membran 2 eine Dicke zwischen ein und zwei μm hat. Auf der Membran 2 wird eine Barrierestruktur 4 geschaffen. Bei dieser Ausführungsform umfasst die Barrierestruktur 4 eine einzelne Schicht aus TiO₂, MgO, Al₂O₃, HfO₂, ZrTiO₄, LaAlO₃ oder einer beliebigen Kombination dieser Verbindungen. Die Dicke der Barrierestruktur 4 hegt vorzugsweise zwischen 30 und 300 nm. Die Barrierestruktur 4 sorgt für eine starke Adhäsion der piezoelektrischen Schicht 5 an der Barrierestruktur 4 und somit an der Vorrichtung. Sie sorgt auch dafür, dass die piezoelektrische Schicht 5 nur aus einer einzelnen Phase besteht. Darüber hinaus schützt die Barrierestruktur 4 die Membran 2 während der Herstellung der piezoelektrischen Schicht 5 gegen Oxidation/Zersetzung.
Auf die Barrierestruktur 4 wird eine piezoelektrische Schicht 5 aufgebracht. Die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht 5 liegt vorzugsweise zwischen 1 und 50 μm. Um höhere Bandbreiten zu erreichen, werden Materialien mit einem hohen piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten k in der piezoelektrischen Schicht 5 verwendet. Für die piezoelektrische Schicht 5 verwendbare Materialien sind zum Beispiel ferroelektrische Materialien, elektrostriktive Materialien sowie spezielle piezoelektrische Materialien. Das piezoelektrische Material wird also zum Beispiel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bleititanat (PT), das mit La, Mn, Fe, Sb, Sr oder Ni oder einer beliebigen Kombination dieser Elemente dotiert sein kann, Bleizirkonattitanat (PZT), das mit La, Mn, Fe, Sb, Sr oder Ni oder einer beliebigen Kombination dieser Elemente dotiert sein kann, Polyvinylidenfluoridpolymer (PVDF), Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃, Pb(Sc_1/2Nb_1/2)O₃-PbTiO₃, Pb(Zn_1/3Nb_2/3)_1-x-y(Mn_1/2Nb_1/2)_xTi_yO₃, wobei (0 ≤ x ≤ 1) und (0 ≤ y ≤ 1), Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-PbTiO₃, Pb(Y_1/2Nb_1/2)O₃-PbTiO₃, Pb(Zn_1/3Nb_1/3)O₃-PbTiO₃, das mit La, Mn, Fe, Sb, Sr oder Ni oder einer beliebigen Kombination dieser Elemente dotiert sein kann, Pb(Mg_1/2Nb_2/3)O₃-PbTiO₃, das mit La, Mn, Fe, Sb, Sr oder Ni oder einer beliebigen Kombination dieser Elemente dotiert sein kann, Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄, K(Sr_1-xBa_x)₂Nb₅O₁₅, wobei (0 ≤ x ≤ 1), Na(Sr_1-xBa_x)2Nb₅O₁₅ wobei (0 ≤ x ≤ 1), BaTiO₃, (K_1-xNa_x)NbO₃ wobei (0 ≤ x ≤ 1), (Bi, Na, K, Pb, Ba)TiO₃, (Bi, Na)TiO₃, Bi₇Ti₄NbO₂₁, (K_1-xNa_x)NbO₃-(Bi, Na, K, Pb, Ba)TiO₃ wobei (0 ≤ x ≤ 1), a(Bi_xNa_1-x)TiO_3-b(KNbO_3-c)¹/₂(Bi₂O₃-Sc₂O₃) wobei (0 ≤ x ≤ 1) und (a + b + c = 1), (Ba_aSr_bCa_c)Ti_xZr_1-xO₃ wobei (0 ≤ x ≤ 1) und (a + b + c = 1), (Ba_aSr_bLa_c)Bi₄Ti₄O₁₅ wobei (a + b + c = 1), Bi₄Ti₃O₁₂, LiNbO₃, La₃Ga_5.5Nb_0.5O₁₄, La₃Ga₅SiO₁₄, La₃Ga_5.5Ta_0.5O₁₄, AlN und ZnO. Es kann vorteilhaft sein, dass die piezoelektrische Schicht 5 eine Einkristallschicht oder eine texturierte Schicht ist.
Es sind mehrere in einem Abstand zueinander angeordnete erste und zweite Elektroden 6, 7 an der piezoelektrischen Schicht 5 für eine seitlich gepolte Funktion der piezoelektrischen Schicht 5 angebracht, wobei die Elektroden 6, 7 aus einem leitenden Material bestehen, das eine Übergangsschicht aus Ti oder Ti_1-xW_x Legierung mit 0 ≤ x ≤ 1 und eine leitende Schicht aus Aluminium, mit Silizium dotierten Aluminium oder mit Kupfer, Gold, Platin dotierten Aluminium sein kann, obwohl auch andere leitende Materialien verwendet werden können.
Das Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden 6, 7 über den ersten und den zweiten Stromversorgungskontakt 8, 9 bewirkt, dass die piezoelektrische Schicht 5 zu einer Longitudinalschwingung in der Ebene der Schicht angeregt wird. Der erste und der zweite Stromversorgungskontakt 8, 9 können in ein akustisches Unterstützungselement eingebettet sein. Das akustische Unterstützungselement kann aus einem beliebigen geeigne ten Material mit relativ hoher Schallschwächung und in geeigneter Weise gewählter niedriger akustische- Impedanz bestehen, das auch für eine relativ starre strukturelle Unterstützung der Membran 2 sowie der ersten Elektroden 6 und der zweiten Elektroden 7 sorgt.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Barrierestruktur 4 eine geschichtete Struktur mit zwei Schichten. Die erste Schicht 4a der geschichteten Struktur, die an die Membran 2 angrenzt, kann aus SiN(H), Si₃N₄, SiO₂, Si_xO_yN_z(0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1), AlN oder Al₂O₃ oder einer beliebigen Kombination dieser Verbindungen bestehen. Die zweite Schicht 4b kann aus TiO₂, MgO, Al₂O₃, HfO₂, ZrTiO₃, LaAlO₃ oder einer beliebigen Kombination dieser Verbindungen bestehen. Bei einer derartigen Ausführungsform fungiert die erste Schicht 4a als Sauerstoffdiffusionsbarriere, wenn das piezoelektrische Material in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre während der Herstellung der piezoelektrischen Schicht 5 aufgebracht wird. Somit verhindert die erste Schicht 4a die Oxidation/Zersetzung der Membran 2, die aus Diamant oder diamantartigem Kohlenstoff besteht. Die zweite Schicht 4b der geschichteten Struktur isoliert die erste Schicht 4a chemisch von der piezoelektrischen Schicht 5, die sonst miteinander reagieren würden.
Alternativ kann die Barrierestruktur 4 mehr Schichten umfassen, die sich zwischen der ersten Schicht 4a und der zweiten Schicht 4b befinden.
In 3 umfasst ein mikrobearbeiteter Ultraschallwandler ein Substrat 1, das zum Beispiel aus Silizium, Silizium mit (100) Orientierung oder (111) Orientierung, MgO mit (100) Orientierung, LaAlO₃, Saphir, GaAs, Keramikwerkstoffen wie zum Beispiel ZrO₂ oder Al₂O₃, Keramikwerkstoffen wie zum Beispiel ZrO₂ oder Al₂O₃ jeweils mit planarisierender Schicht, Glas-Keramik-Werkstoffen oder Glaswerkstoffen besteht. Vorzugsweise besteht das Substrat 1 aus Silizium. Auf dem Substrat 1 ist eine aus Diamant oder diamantartigem Kohlenstoff bestehende Membran 2 aufgebracht. Es wird bevorzugt, dass die Membran 2 eine Dicke zwischen ein und zwei μm hat. Durch Ätzen oder Stanzen wird mindestens eine Öffnung 3 in dem Substrat 1 geschaffen. Die Öffnung 3 grenzt auf einer Seite an die Membran 2 an. Die an der Öffnung 3 vorhandene Membran 2 ist dank dieser Öffnung 3 in der Lage zu schwingen.
Auf der Membran 2 ist eine Barrierestruktur 4 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform besteht die Barrierestruktur 4 aus einer einzelnen Schicht aus TiO₂, MgO, Al₂O₃, HfO₂, ZrTiO₄, LaAlO₃ oder einer beliebigen Kombination dieser Verbindungen. Die Dicke der Barrierestruktur 4 liegt vorzugsweise zwischen 30 und 300 nm. Die Barriere- Struktur 4 sorgt für eine starke Adhäsion der piezoelektrischen Schicht 5 an der Barrierestruktur 4 und damit an der Vorrichtung. Sie sorgt auch dafür, dass die piezoelektrische Schicht 5 nur aus einer einzigen Phase besteht. Darüber hinaus schützt die Barrierestruktur 4 die Membran 2 während der Herstellung der piezoelektrischen Schicht 5 gegen Oxidation/Zersetzung.
Auf die Barrierestruktur 4 wird eine piezoelektrische Schicht 5 aufgebracht. Die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht 5 liegt vorzugsweise zwischen 1 und 50 μm. Um höhere Bandbreiten zu erreichen, werden Materialien mit einem hohen piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten k in der piezoelektrischen Schicht 5 verwendet. Für die piezoelektrische Schicht 5 verwendbare Materialien sind zum Beispiel ferroelektrische Materialien, elektrostriktive Materialien sowie spezielle piezoelektrische Materialien.
Eine erste und eine zweite Elektrode 6, 7 sind seitlich an entgegengesetzten Enden der piezoelektrischen Schicht 5 für eine seitlich gepolte Funktion der piezoelektrischen Schicht 5 angebracht, wobei die Elektroden 6, 7 aus einem leitenden Material bestehen, das eine Übergangsschicht aus Ti oder Ti_1-xW_x Legierung mit 0 ≤ x ≤ 1 und eine leitende Schicht aus Aluminium, mit Silizium dotierten Aluminium oder mit Kupfer, Gold, Platin dotierten Aluminium sein kann, obwohl auch andere leitende Materialien verwendet werden können.
Es kann wünschenswert sein, die Elektroden 6, 7 als konzentrische Ringe zu bilden.
Das Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden 6, 7 über den ersten und den zweiten Stromversorgungskontakt 8, 9 bewirkt, dass die piezoelektrische Schicht 5 zu einer Longitudinalschwingung in der Ebene der Schicht angeregt wird.
Zusätzliche Elektroden können seitlich zwischen den Enden der piezoelektrischen Schicht 5 verteilt sein, um die elektrische Impedanz des Wandlers zu verringern. Zum Beispiel können vier Elektroden an diskreten Stellen quer über einer seitlichen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 5 gebildet werden, wobei abwechselnde Elektroden eine abwechselnde Polarität haben und Elektroden der gleichen Polarität parallel geschaltet sind, um die elektrische Impedanz zu reduzieren.
Es können mehrere derartige Ultraschallwandler auf einem Substrat 1 vorgesehen werden. Ein eindimensionales oder zweidimensionales Array aus Ultraschallwandlern kann durch eine geeignete elektrische Verbindung der einzelnen Ultraschallwandler hergestellt werden. Die piezoelektrische Schicht 5, die erste und die zweite Elektrode 6, 7, sind in diesem Fall auf eine solche Weise strukturiert, dass die einzelnen Ultraschallwandler räumlich voneinander getrennt sind.
Das Substrat 1 kann auf seiner Rückseite eine Isolierschicht aus SiO₂ oder Si₃N₄ oder einer Kombination dieser Materialien umfassen.
Alternativen bezüglich der Konstruktion eines Arrays aus Ultraschallwandlern oder eines Ultraschallwandlers und bezüglich der Formung der verschiedenen Schichten und/oder der Öffnung 3 sind dem Fachkundigen vertraut. Darüber hinaus kann das Array auch Trennungsmittel umfassen, die einen Ultraschallwandler elektrisch und akustisch von anderen benachbarten Ultraschallwandlern entkoppeln.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend ausführlicher erläutert und stellen Beispiele für die Realisierung der Erfindung in der Praxis dar.
Ausführungsform 1
Eine Barrierestruktur 4 aus TiO₂ mit einer Schichtdicke von 30 nm wird auf einer Membran 2 aus Diamant und mit einer Dicke von 1 μm aufgebracht. Auf der Barrierestruktur 4 wird in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durch einen Schleuderprozess eine Schicht aus PbZr_0.35Ti_0.65O₃ aufgebracht, um die piezoelektrische Schicht 5 zu bilden. Die piezoelektrische Schicht 5 hat eine Schichtdicke von 1,0 μm. Auf der piezoelektrischen Schicht 5 werden in einem Abstand zueinander mehrere erste Elektroden 6 und zweite Elektroden 7 angeordnet. Die Elektroden 6, 7 bestehen aus Ti_0.9W_0.1/Al/Ti/Au. Die ersten und die zweiten Elektroden 6, 7 jedes Ultraschallwandlers sind mit einem ersten bzw. einem zweiten Stromversorgungskontakt 8, 9 verbunden. Die einzelnen Ultraschallwandler sind elektrisch so verbunden, dass man ein eindimensionales Array aus Ultraschallwandlern erhält.
Ausführungsform 2
Auf einer aus Diamant bestehenden Membran 2 mit einer Dicke von 1 μm wird eine Barrierestruktur 4 aufgebracht. Auf der Barrierestruktur 4 wird in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Schleuderprozess eine Schicht aus PbZr_0.35Ti_0.65O₃ aufgebracht, um die piezoelektrische Schicht 5 zu bilden. Die piezoelektrische Schicht 5 hat eine Schichtdicke von 1,0 μm. Auf der piezoelektrischen Schicht 5 werden in einem Abstand zueinander mehrere erste Elektroden 6 und zweite Elektroden 7 angeordnet. Die Elektroden 6, 7 bestehen aus Ti_0,9W_0.1/Al/Ti/Au. Die ersten und die zweiten Elektroden 6, 7 je des Ultraschallwandlers sind mit einem ersten bzw. einem zweiten Stromversorgungskontakt 8, 9 verbunden. Die Barrierestruktur 4 ist eine geschichtete Struktur mit einer ersten Schicht 4a aus SiN(H) und einer zweiten Schicht 4b aus TiO₂. Die erste Schicht 4a hat eine Schichtdicke von ca. 50 nm und die zweite Schicht 4b hat eine Schichtdicke von ca. 30 nm. Auf der zweiten Schicht 4b der Barrierestruktur 4 wird in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Schleuderprozess eine Schicht aus PbZr_0.35Ti_0.65O₃ aufgebracht, um die piezoelektrische Schicht 5 zu bilden. Auf der piezoelektrischen Schicht 5 werden in einem Abstand zueinander mehrere erste Elektroden 6 und zweite Elektroden 7 angeordnet. Die Elektroden 6,7 bestehen aus Ti_0.9W_0.1/Al/Ti/Au. Die ersten und die zweiten Elektroden 6, 7 jedes Ultraschallwandlers sind mit einem ersten bzw. einem zweiten Stromversorgungskontakt 8, 9 verbunden. Die einzelnen Ultraschallwandler sind elektrisch so verbunden, dass man ein eindimensionales Array aus Ultraschallwandlern erhält.
Ausführungsform 3
Auf einer aus Diamant bestehenden Membran 2 mit einer Dicke von 1 μm wird eine Barrierestruktur 4 aufgebracht. Auf der Barrierestruktur 4 wird in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Schleuderprozess eine Schicht aus PbZr_0.35Ti_0.65O₃ aufgebracht, um die piezoelektrische Schicht 5 zu bilden. Die piezoelektrische Schicht 5 hat eine Schichtdicke von 1,0 μm. Auf der piezoelektrischen Schicht 5 werden in einem Abstand zueinander mehrere erste Elektroden 6 und zweite Elektroden 7 angeordnet. Die Elektroden 6, 7 bestehen aus Ti_0.9W_0.1/Al/Ti/Au_. Die ersten und die zweiten Elektroden 6, 7 jedes Ultraschallwandlers sind mit einem ersten bzw. einem zweiten Stromversorgungskontakt 8, 9 verbunden. Die Barrierestruktur 4 ist eine geschichtete Struktur mit einer ersten Schicht 4a aus SiN(H), einer zweiten Schicht 4b aus TiO₂ und einer Zwischenschicht aus SiO₂, die zwischen die erste Schicht 4a und die zweite Schicht 4b eingeschoben ist. Die erste Schicht 4a hat eine Schichtdicke von ca. 50 nm, die zweite Schicht 4b hat eine Schichtdicke von ca. 30 nm und die Zwischenschicht hat eine Schichtdicke von ca. 50 nm. Auf der zweiten Schicht 4b der Barrierestruktur 4 wird in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Schleuderprozess eine Schicht aus PbZr_0.35Ti_0.65O₃ aufgebracht, um die piezoelektrische Schicht 5 zu bilden. Auf der piezoelektrischen Schicht 5 werden in einem Abstand zueinander mehrere erste Elektroden 6 und zweite Elektroden 7 angeordnet. Die Elektroden 6, 7 bestehen aus Ti_0.9W_0.1/Al/Ti/Au. Die ersten und die zweiten Elektroden 6, 7 jedes Ultraschallwandlers sind mit einem ersten bzw. einem zweiten Stromversorgungskon takt 8, 9 verbunden. Die einzelnen Ultraschallwandler sind elektrisch so verbunden dass man ein eindimensionales Array aus Ultraschallwandlern erhält.
Ausführungsform 4
Ein Array aus Ultraschallwandlern umfasst ein Siliziumsubstrat 1 mit einer Isolierschicht aus Si₃N₄ auf einer Seite. Auf der gegenüberliegenden Seite ist eine aus Diamant bestehende Membran 2 mit einer Dicke von 1 μm aufgebracht. Das Substrat 1 hat mehrere Öffnungen 3, die jeweils auf einer Seite an die Membran 2 angrenzen. Auf der Membran 2 ist eine Barrierestruktur 4 vorhanden. Die Barrierestruktur 4 ist eine geschichtete Struktur mit einer ersten Schicht 4a aus SiO₂ und einer zweiten Schicht 4b aus TiO₂. Die erste Schicht 4a hat eine Schichtdicke von ca. 50 nm und die zweite Schicht 4b hat eine Schichtdicke von ca. 50 nm. Auf der zweiten Schicht 4b der Barrierestruktur 4 wird in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Schleuderprozess eine Schicht aus PbZr_0.35Ti_0.65O₃ aufgebracht, um die piezoelektrische Schicht 5 zu bilden. Auf der piezoelektrischen Schicht 5 werden in einem Abstand zueinander mehrere erste Elektroden 6 und zweite Elektroden 7 angeordnet. Die Elektroden 6, 7 bestehen aus Ti_0.9W_0.1/Al/Ti/Au. Die ersten und die zweiten Elektroden 6, 7 jedes Ultraschallwandlers sind mit einem ersten bzw. einem zweiten Stromversorgungskontakt 8, 9 verbunden. Die einzelnen Ultraschallwandler sind auf dem Substrat 1 elektrisch so verbunden, dass man ein eindimensionales Array aus Ultraschallwandlern erhält.

Claims

Array aus Ultraschallwandlern, wobei jeder Wandler eine Membran (2) aus Diamant oder diamantartigem Kohlenstoff, eine Barrierestruktur (4), eine piezoelektrische Schicht (5) und eine erste sowie eine zweite auf der gleichen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht (5) angeordnete Elektrode (6, 7) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Barrierestruktur (4) mindestens eine Schicht aus einem Oxid umfasst, das aus der Gruppe von TiO₂, MgO, Al₂O₃, HfO₂, ZrTiO₄, LaAlO₃ und einer beliebigen Kombination dieser Verbindungen ausgewählt wurde.
Array aus Ultraschallwandlern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Barrierestruktur (4) eine geschichtete Struktur ist, die mindestens eine erste Schicht (4a) angrenzend an die Membran (2) und mindestens eine zweite Schicht (4b) angrenzend an die piezoelektrische Schicht (5) umfasst und wobei die zweite Schicht (4b) ein Oxid umfasst, das aus der Gruppe von TiO₂, MgO, Al₂O₃, HfO₂, ZrTiO₄, LaAlO₃ und einer beliebigen Kombination dieser Verbindungen ausgewählt wurde.
Array aus Ultraschallwandlern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (4a), die an die Membran (2) angrenzt, aus einem Material besteht, welches aus der Gruppe von SiN(H), Si₃N₄, SiO₂, Si_xO_yN_z (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1), AlN, Al₂O₃ und einer beliebigen Kombination dieser Verbindungen ausgewählt wurde.
Array aus Ultraschallwandlern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ultraschallwandler ein Substrat (1) umfasst, wobei das genannte Substrat (1) mindestens eine Öffnung (3) umfasst, die auf einer Seite an die Membran (2) angrenzt.
Ultraschallwandler, der Folgendes umfasst: eine Membran (2) aus Diamant oder diamantartigem Kohlenstoff, eine Barrierestruktur (4), eine piezoelektrische Schicht (5) und eine erste sowie eine zweite auf der gleichen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht (5) angeordnete Elektrode (6, 7), dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Bar rierestruktur (4) mindestens eine Schicht aus einem Oxid umfasst, das aus der Gruppe von TiO₂, MgO, Al₂O₃, HfO₂, ZrTiO₄, LaAlO₃ und einer beliebigen Kombination dieser Verbindungen ausgewählt wurde.