EP2145505A1 - Akustischer wandler - Google Patents

Akustischer wandler

Info

Publication number
EP2145505A1
EP2145505A1 EP08748345A EP08748345A EP2145505A1 EP 2145505 A1 EP2145505 A1 EP 2145505A1 EP 08748345 A EP08748345 A EP 08748345A EP 08748345 A EP08748345 A EP 08748345A EP 2145505 A1 EP2145505 A1 EP 2145505A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
membrane
layer
acoustic transducer
vibrations
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08748345A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Nölle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Baumer Electric AG
Original Assignee
Baumer Electric AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Baumer Electric AG filed Critical Baumer Electric AG
Publication of EP2145505A1 publication Critical patent/EP2145505A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
    • A61B8/4483—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device characterised by features of the ultrasound transducer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/18—Details, e.g. bulbs, pumps, pistons, switches or casings
    • G10K9/22—Mountings; Casings

Definitions

  • the invention relates to an acoustic transducer and a method for producing such a transducer according to the features of claims 1 and 3.
  • ultrasonic sensors which operate on the pulse-echo principle, are widely used ultrasonic transducers with a piezoceramic disk and a matching layer.
  • the matching layer has an acoustic characteristic impedance which is between that of the piezoceramic disk and that of the surrounding medium (usually air or water).
  • Such ultrasonic transducers are relatively narrow band. They are excited by electrical impulses or transmit bursts to emit wave packets. These sound waves are reflected on objects. Upon impact of such echo signals on the ultrasonic transducer they are evaluated by a detection electronics. The transit time between the emission of the ultrasonic bursts and the
  • Receiving the echo signals is a measure of the respective object distance.
  • ultrasonic sensors For many applications, miniaturization of ultrasonic sensors is desired. In sensors with ultrasonic transducers, which include a piezoceramic disk and a matching layer connected to it, miniaturization is limited. In medical imaging applications, where ultrasonic waves are transmitted between a sensor head and the human body by means of a gel, it is known to form the sensor head with one or two-dimensional array-like arranged transducer elements. By controlling the transducer elements with defined variable relative phase positions propagation properties such as the propagation direction or the focal range of the ultrasonic waves can be influenced.
  • DE-Al-10 2005 051604 proposes a method for Producing a polymer-based capacitive ultrasonic transducer before. It essentially comprises the following steps:
  • the substrate made of silicon, the conductors of sputtered copper or platinum, the sacrificial layers of Metal and the polymer-based material to be made of a photoresist.
  • the openings introduced from the front side into the polymer-based material are closed in a further method step by spin-coating with a further layer of the polymer-based material.
  • the substrate may comprise a plate covered by a patternable layer, such as a photoresist or a protective layer, such as the blue protective film used with silicon wafers.
  • a patternable layer such as a photoresist or a protective layer, such as the blue protective film used with silicon wafers.
  • structures such as channels or round holes can be formed by known methods which are then filled with a liquid such as an optical oil.
  • the used materials of the structured layer and the liquid lead due to the surface tension to a characteristic curvature of the liquid surface.
  • the liquid is preferably selected so that it is repelled or does not adhere to the structured layer.
  • substrate and liquid are coated with parylene in a low-pressure gas deposition process at about 7 Pa chamber pressure, wherein the substrate and the liquid can be kept at ambient or room temperature.
  • di-para-xylenes is pyrolyzed, then polymerized at 600 ° and at room temperature on the substrate or the
  • EP-Al-1672394 discloses the possibility of producing a channel with piezoelectric or capacitive actuators produced according to the described method equip. These actuators comprise rectangular electrodes or piezoelectric regions arranged along the channel on the membrane-like sheath and / or on the substrate plate. A staggered periodic activation of these actuators can trigger peristaltic contractions of the envelope for transporting liquids in the channel.
  • cylindrical recesses are formed in a layer, which are then filled with liquid and covered with a membrane.
  • the liquid is left in the cavities between the membrane and the structured layer, resulting in microlenses.
  • transparent heating resistors By means of transparent heating resistors, the temperature of the liquid can be changed. Due to the associated relatively slow volume change, the focal lengths of the microlenses can be changed.
  • acoustic transducers with one or more membranes can be produced simply and inexpensively.
  • the membranes are made by depositing and / or depositing a plastic and / or other materials on a surface of a high viscosity liquid or gel and the adjacent surface of a substrate.
  • parylene is used to make the membranes.
  • this may be inert and / or mechanically stable and / or optically transparent and / or biocompatible.
  • means for exciting and / or detecting vibrations or deformations or mechanical stresses of the membrane or parts of such agents can be applied to the membrane.
  • Such means are, for example, planar electrodes of capacitors, metallizations acting as optical mirrors, gratings or the like, multilayer systems such as DFB structures, piezoelectric or piezoresistive structures. If required, these detection and / or stimulation means can be isolated and protected from the environment by a further plastic or parylene layer.
  • the substrate is preferably plate-like and may comprise one or more layers.
  • the uppermost layer of the substrate is prepared by known methods such as anisotropic etching, laser processing, mechanical processing or embossing process structured.
  • cavities or depressions with different dimensions, shapes and surface textures can be formed. These depressions can then be filled with the liquid, on the surface of which the plastic deposit should take place.
  • means for exciting and / or detecting for example, by means of coating and / or structuring techniques
  • Membrane vibrations and / or deformations or parts of such agents are applied to the substrate or formed on this.
  • Such means are, for example, planar electrodes, which together with such electrodes on the associated membranes form capacitors whose capacitances are variable depending on the membrane deflections.
  • the substrate comprises a semiconductor plate or layer
  • any sensor elements and / or actuator elements for detecting vibrations or deflections of the membrane can be arranged, so for example, the aforementioned electrodes or light emitting or laser diodes and Photodiodes which detect light emitted by the light-emitting diodes and reflected at the mirror-finished membrane.
  • Such sensor and / or actuator elements can eg for control and / or control tasks (closed loop Feedback).
  • the use of a substrate with a semiconductor layer also has the advantage that even very low signal levels can be detected and amplified largely without interference immediately after the respective sensor element.
  • the electronics for driving and / or evaluating the actuator elements and / or sensor elements can thus be arranged to save space on the substrate. In particular, in more complex arrangements with multiple arranged to a one- or two-dimensional array
  • Membranes which are to be excited and / or coordinated synchronously or coordinated, a driving and / or evaluation electronics integrated in the substrate is very advantageous.
  • the deposition technique used for membrane fabrication does not require high temperatures and is compatible with the semiconductor structures used.
  • the substrate may comprise one or more layers of any other materials and with the same or different layer thicknesses, such as glass, ceramic, metal, semiconductors or plastics. Such layers may be polycrystalline, amorphous, organic or inorganic, for example.
  • the means on the membrane and / or the substrate for detecting and / or generating deflections or vibrations of the membrane are each connected via insulated tracks to a controller and / or connected via a suitable interface with such a controller.
  • the liquid used for producing the membrane on the substrate can be left in the cavity or can be removed from the cavity via one or more openings in the substrate from the rear side or laterally.
  • a plurality of openings are formed in each cavity, which are sealed during the manufacturing process by a film or pin on the back of the substrate.
  • gas can thus flow into the cavity through at least one of these openings.
  • the liquid can also be drained from the cavity through openings, such as pores in the deposited or applied membrane, sucked off or removed in any other way.
  • a porous membrane can subsequently be further coated or post-treated, so that the pores close.
  • Figure 1 shows an embodiment of a capacitive
  • FIG. 2 shows a cross section of a first embodiment of an ultrasound transducer with a two-layered substrate
  • FIG. 3 shows a semiconductor substrate layer for a capacitive ultrasonic transducer with integrated electronics and with a plurality of electrodes for transducer elements arranged along a line
  • FIG. 4 shows a cross section of an ultrasonic transducer in a further embodiment
  • FIG. 5 shows a cross section of a further transducer with a single-layered substrate
  • FIG. 6 shows a cross-section of a transducer of an annular rib structure for supporting the membrane and / or for increasing the sensitivity or the efficiency.
  • FIG. 1 shows a cross section through a capacitive micromechanically produced ultrasonic transducer 1, as is known from DE-Al-10 2005 051604.
  • a first planar conductor region 5a is applied on a substrate 3 made of silicon.
  • a cavity 9 is excluded which has been formed by etching away a sacrificial layer (not shown) previously applied to the conductor region 5a and laterally overlapping it. For etching away the sacrificial layer, passage openings through the first polymer layer 7 have to be exposed.
  • FIG. 2 shows a cross section of a first embodiment of a capacitive ultrasonic transducer 1 that can be produced according to the invention.
  • a substrate 3 comprises a composite of a planar first substrate layer 3a or plate, which can be made, for example, from an electrically insulating plastic or an electrically conductive metal or a semiconductor and a thickness sl of, for example, about 1 mm, and a planar second substrate layer 3b or plate, which may be made, for example, from an oleophobic plastic such as polyethylene, PVC or Teflon and has a thickness s2 of, for example, about 0.1 mm.
  • the second substrate layer 3b one or more depressions or recesses 4 produced by known structuring methods, such as anisotropic etching, are formed. These may, for example, have a circular cross section with a diameter d 1 of, for example, 2 mm.
  • the cross section of the recesses 4 could also have a different shape, for example elliptical or polygonal, in particular square, rectangular or hexagonal.
  • the layer thicknesses sl 'and s2 of the substrate layers 3a, 3b and the dimensions of the recesses 4 can be set within a wide range.
  • the first substrate layer 3a may be formed, for example, as a thin, flexible plastic film or as a solid metal, glass or ceramic body. Accordingly, layer thicknesses sl in the range of preferably about 0.1mm to about 10mm or more may be provided. Capacitive ultrasonic transducer 1 with one or more too
  • Vibrations of excitable membranes 2 preferably have a low thickness s 2 of the second substrate layer 3 b or the depth of the recesses 4 or of the structures in the second substrate layer 3 b.
  • the thickness s2 of the second substrate layer s2 be significantly greater. Accordingly, layer thicknesses s2 can be provided in the range from about 0.05 mm to about 5 mm or more.
  • layer thicknesses s2 can be provided in the range from about 0.05 mm to about 5 mm or more.
  • the membrane areas of the individual transducer elements can be very small;
  • acoustic transducers which are intended to generate sound signals with relatively high sound levels in the audible range preferably comprise a single transducer element with one relatively large membrane area.
  • the membrane surfaces covering the recesses 4 may be of the order of about 0.001 mm 2 to about 1000 mm 2 or more.
  • the material of the second substrate layer 3b is preferably completely removed in the region of the recesses 4, so that the upper side of the first substrate layer 3b or a metallization applied to the first substrate layer 3a at least in the region of the recesses 4 (henceforth called the first conductor region 5a) is exposed there ,
  • the first conductor region 5a could also be formed on the surface of the second substrate layer 3b facing the first substrate layer 3a or within the second substrate layer 3b.
  • the first conductor region 5 a can be produced, for example, in the case of insulators or semiconductors by vapor deposition of the first substrate layer 3 a with a thin metal layer of, for example, 0.05 mm, wherein the regions which are not to be metallized are masked in a conventional manner by means of a photoresist layer.
  • electrically conductive first substrate layers 3a these can be used directly as first conductor regions 5a.
  • electrically conductive first substrate layers 3a can be covered with a thin insulator layer on which the first conductor region 5a is then applied.
  • the first conductor region 5a in addition to the planar electrodes in the region of the recesses 4, also comprises electrical connection lines 6a to a connection interface (eg connection plug or cable) and / or to an electronic control 8 (FIG. 3) for exciting and / or evaluating membrane oscillations or deformations.
  • the controller 8 or parts thereof can be arranged directly on the substrate 3 or alternatively outside the converter.
  • FIG. 3 schematically shows a first substrate layer 3 a made of silicon for an ultrasonic transducer 1 comprising five transducer elements, the electrodes or first conductor regions 5 a being connected via connecting lines 6 a to the controller 8 integrated in the substrate layer 3 a.
  • the second substrate layer 3b and the recess 4 are covered by a homogeneous polymer layer 11, preferably a parylene layer, such that each of the recesses 4 is covered or covered by a membrane 2 delimiting a cavity 9.
  • a second conductor region 5b with planar electrodes in the region of the membranes 2 and with connecting lines 6b is formed on the second substrate layer 3b. If required, these can be connected, for example via plated-through holes 6c, with parts of the first conductor region 5a and / or with a possible controller 8 or a connection interface.
  • the second substrate layer 3b and the second conductor region 5b may be covered by a further polymer layer 11-preferably a further parylene layer-which acts as an electrical insulator and protect against mechanical and / or chemical environmental influences.
  • a further polymer layer 11-preferably a further parylene layer-which acts as an electrical insulator and protect against mechanical and / or chemical environmental influences Such an arrangement is shown in FIG.
  • one or more channels 10 are formed, which open into the cavity 9 and allow a connection of the cavity 9 with the environment.
  • the Channels In the embodiment of the transducer according to FIG. 2, the channels 10 penetrate the first substrate layer 3a and the electrodes on this first substrate layer 3a.
  • the channels 10 may be formed in the first substrate layer 3a before or after the application of the first conductor region 5a, for example by mechanical, micromechanical or chemical processing.
  • the production of the channels 10 can take place before or after the connection of the two substrate layers 3a, 3b.
  • the channels 10 can be sealed, for example by applying a self-adhesive plastic film (not shown) on the underside of the first substrate layer 3a sealing.
  • the channels 10 are preferably arranged in the peripheral region of the cavities 9 or of the electrodes located there. There are the vibration amplitudes of the respective recess 4 covering membrane 2 and thus interference in capacitive excitation / evaluation of membrane vibrations minimal.
  • the recesses 4 are filled with a liquid.
  • the outwardly limited channels 10 are filled with the liquid.
  • the volume of liquid that can be received by the channels 10 is generally small compared to the volume of liquid that can be received by the recesses 4. At least the channel widths are small in comparison to the corresponding dimensions of the recesses 4.
  • the polymer deposition is carried out analogously to the process described in EP-Al-1672394.
  • the membranes 2 are formed, which cover the recesses 4 or cavities 9.
  • the pins or the film which seals off the channels 10 are removed and the liquid is discharged from the cavity 9. This process can e.g. by movements of the substrate 3 (in particular by spinning), by suction,
  • channels 10 may also be provided, for example, as grooves or trenches in the surface of the first surface facing cavity 9 Substrate layer 3a and / or be formed in one of the surfaces of the second substrate layer 3b, as shown in Figure 4. Such channels 10 formed on the surface of one of the substrate layers 3a, 3b protrude laterally beyond the cavity 9 or the one for the
  • the channels 10 may be e.g. by means of
  • Transducer elements or membranes 2 are then to separate these transducers by separation processes, and then to separate these transducers by separation processes, allows a cost-effective production of such transducers.
  • acoustic transducers can also be produced with a plurality of substrate layers 3a, 3b or with only one substrate layer 3a.
  • a possible embodiment is shown in FIG.
  • the surface of the substrate layer 3a is first structured with recesses 4 or depressions.
  • the substrate layer 3a is metallized with a first conductor region 5a, wherein a planar electrode is formed at the bottom of the recess 4 and connected by means of over the edges of the recess 4 protruding connecting lines 6a with an interface and / or optionally with an electronics 8.
  • the side surfaces of the recess 4 may be angled in a cone or pyramid (not shown), so that a proper electrical connection between the electrode in the recess and the connecting lines 6a is ensured.
  • the wells are analogous to the method described for two-layer substrates 3 with filled with a liquid, coated with a polymer layer 7 and provided with a second conductor portion 5b.
  • the materials for the substrate 3 and the liquid are preferably chosen so that the adjacent to the side edges of the substrate
  • the liquid surface and thus the membrane formed thereon 2 has no or only a slight curvature.
  • the liquid can be removed from the cavity 9 via channels 10 or left in the cavity 9, for example in ultrasonic transducer arrays for medical diagnostics or applications in liquids.
  • the recesses 4 or depressions can comprise pillars, webs or other structures for supporting the membrane 2 and / or for locally reducing the distance between the membrane 2 and the substrate 3, ie island-like or contiguous regions which are from below are in contact with the membrane 2 or have only a small distance from the membrane 2 and are not firmly connected to the membrane 2.
  • Such structures may include metallizations which are connected to or belong to the first conductor region 5a.
  • Figure 6 shows an example of such a transducer having structures in the form of concentric rings. These are during the deposition of the polymer layer 7 covered with liquid, so that no adhesive bond is formed between the polymer layer 7 and the protruding on the substrate 3 rings.
  • the capacitance of the dielectric comprising the polymer layer 7 through the two conductor regions 5a and 5b and the interposed therebetween is relatively large due to the short distance between the membrane 2 and the structures.
  • the conductor regions 5a, 5b can be charged by applying electrical voltages. Depending on the relative polarity of the charges on the two opposing electrodes, the membrane 2 bulges outwards or inwards and is thereby mechanically tensioned.
  • the acoustic transducer By driving with an AC signal, the acoustic transducer can be used as a sound generator for generating sound waves or ultrasonic waves. If the capacitance of the transducer is connected to a reinforcing evaluation electronics (this is usually part of the electronic control 8), it can be used as a microphone, wherein incident on the transducer sound waves lead to corresponding vibrations of the membrane 2, which then detects as a capacitance change can be. Alternatively, other physical principles may be used to excite and / or detect vibrations or static pressures.
  • a piezoelectric layer for example PVDF
  • piezoresistive structures are preferably formed in the transition region between the recess 4 and the substrate 2 carrying the membrane 2 on the membrane 2, with which membrane vibrations or deflections can be detected as resistance or change in resistance.
  • a light-emitting diode or a laser diode and a photodiode or a CCD line or corresponding other optical elements are formed on the substrate 3 below the metallized and thus reflective membrane 2. The light emitted by the light source is reflected differently at the reflecting membrane 2 as a function of its deflection or oscillation behavior. This can be detected and evaluated with the optical detectors.
  • acoustic transducers for example, microphone / loudspeaker combinations, mobile telephones, earphones with integrated microphone, hearing aids.
  • acoustic transducers can be produced with the method according to the invention, but also a multiplicity of other sensors which operate on different physical principles and make use of the advantages of a mechanically stable, chemically resistant membrane 2.

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Abstract

Der akustische Wandler umfasst eine oder mehrere Hohlräume (9) auf einem Substrat (3) überdeckende Membranen (2) mit einer gleichmässig dicken, durch Dampfabscheidung erzeugten Polymerschicht (7). Im Bereich der Hohlräume (9) erfolgt die Dampfabscheidung auf der Oberfläche einer Flüssigkeit, welche anschliessend durch Kanäle (10) aus den Hohlräumen (9) entfernt werden kann.

Description

Akustischer Wandler
Gegenstand der Erfindung ist ein akustischer Wandler und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wandlers gemäss den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 3.
Bei Ultraschallsensoren, die nach dem Puls-Echo-Prinzip arbeiten, werden verbreitet Ultraschallwandler mit einer Piezokeramikscheibe und einer Anpassschicht verwendet. Die Anpassschicht weist eine akustische Kennimpedanz auf, die zwischen jener der Piezokeramikscheibe und jener des umgebenden Mediums (in der Regel Luft oder Wasser) liegt. Solche Ultraschallwandler sind relativ schmalbandig. Sie werden durch elektrische Impulse oder Sendebursts zum Aussenden von Wellenpaketen angeregt. Diese Schallwellen werden an Objekten reflektiert. Beim Auftreffen solcher Echosignale auf den Ultraschallwandler werden diese von einer Erfassungselektronik ausgewertet. Die Laufzeit zwischen dem Aussenden der Ultraschallbursts und dem
Empfangen der Echosignale ist ein Mass für die jeweilige Obj ektentfernung .
Für viele Anwendungen ist eine Miniaturisierung von Ultraschallsensoren erwünscht. Bei Sensoren mit Ultraschallwandlern, die eine Piezokeramikscheibe und eine mit dieser verbundene Anpassschicht umfassen, ist eine Miniaturisierung nur beschränkt möglich. Bei bildgebenden medizinischen Anwendungen, wo eine Übertragung von Ultraschallwellen zwischen einem Sensorkopf und dem menschlichem Körper mittels eines Gels erfolgt, ist es bekannt, den Sensorkopf mit ein- oder zweidimensional arrayartig angeordneten Wandlerelementen auszubilden. Durch Ansteuerung der Wandlerelemente mit definiert variierbaren relativen Phasenlagen können Ausbreitungseigenschaften wie z.B. die Ausbreitungsrichtung oder der Fokalbereich der Ultraschallwellen beeinflusst werden.
Es ist auch bekannt, die Wandlerelemente solcher Ultraschallsensoren als kapazitive Wandler mit mikromechanischen Methoden herzustellen. Die DE-Al-10 2005 051604 offenbart ein Verfahren zur Herstellung derartiger kapazitiver Ultraschallwandlerarrays, die auch als CMUT (Capacitive Micromechanic Ultrasonic Transducer) bezeichnet werden. Aufgrund der geringeren akustischen Impedanz der dünnen Wandlermembranen können solche Wandler auch in gasförmigen Umgebungen (Luft) betrieben werden. Bei Verwendung eines Halbleitermaterials wie Silizium als Substrat besteht die Möglichkeit, elektronische Bauteile in unmittelbarer Nähe des Wandlerelements auf diesem Substrat anzuordnen. Bei herkömmlichen Herstellverfahren solcher mikromechanischer kapazitiver Ultraschallwandler ist eine Vielzahl von Prozessschritten erforderlich. Insbesondere ist jeweils die Bildung einer festen Opferschicht vorgesehen, welche in einem der nachfolgenden Prozessschritte wieder weggeätzt werden muss. Während bei anderen bekannten Verfahren die Membranen durch Abscheiden einer harten Nitridschicht und/oder durch PECVD bzw. plasmachemische DampfabScheidung hergestellt werden (bei diesen Verfahren müssen störende mechanische Spannungen durch thermische Nachbehandlungen abgebaut werden) , schlägt die DE-Al-10 2005 051604 ein Verfahren zum Herstellen eines auf Polymerbasis ausgebildeten kapazitiven Ultraschallwandlers vor. Es umfasst im Wesentlichen folgende Schritte:
(a) Vorsehen eines Substrates; (b) Bilden eines ersten Leiters auf dem Substrat; (c) Beschichten des Substrates mit einer Opferschicht, um den ersten Leiter durch die Schicht zu bedecken; (d) Ätzen der Opferschicht um eine Insel zu bilden, welche es ermöglicht, die Insel mit dem ersten Leiter in Kontakt zu bringen; (e) Beschichten des Substrates mit einem ersten polymerbasierenden Material, um die Insel durch dasselbe zu bedecken; (f) Bilden eines zweiten Leiters auf dem ersten polymerbasierenden Material; (g) Bilden einer Durchtrittsöffnung auf dem ersten polymerbasierenden Material, um es der Durchtrittsöffnung zu ermöglichen, zu der Insel geführt zu werden; und (h) Verwenden der Durchtrittsöffnung um die Insel wegzuätzen und zu entfernen, wodurch ein Hohlraum gebildet wird.
Dabei können das Substrat aus Silizium, die Leiter aus gesputtertem Kupfer oder Platin, die Opferschichten aus Metall und das polymerbasierte Material aus einem Fotolack gefertigt sein.
Die von der Frontseite her in das polymerbasierte Material eingebrachten Öffnungen werden in einem weiteren Verfahrensschritt durch Rotationsbeschichtung mit einer weiteren Schicht des polymerbasierten Materials geschlossen.
Die Herstellung kapazitiver Ultraschallwandler gemäss dem in der DE-Al-10 2005 051604 beschriebenen Verfahren umfasst eine Vielzahl von Prozessschritten und ist entsprechend aufwändig. Das Ausnehmen von Öffnungen in der Membran zum nasschemischen Wegätzen einer dahinter angeordneten Opferschicht und das Aufbringen einer zweiten Polymerschicht, welche diese Öffnungen wieder verschliesst, kann die mechanischen Eigenschaften der Membran und deren Reproduzierbarkeit beeinträchtigen. Aus der EP-Al-1672394 ist ein Verfahren zum Herstellen von Filtern, Linsen und Wellenleitern bekannt, wobei Polymermembranen durch Abscheidung von Kunststoff auf einem Substrat und auf der Oberfläche einer auf dem Substrat befindlichen Flüssigkeit erzeugt werden. Das Substrat kann z.B. eine Platte umfassen, die von einer strukturierbaren Schicht bedeckt ist, beispielsweise von einem Fotolack oder einer Schutzschicht wie z.B. der blauen, bei Silizium-Wafern verwendeten Schutzfolie. In dieser Schicht können mittels bekannter Verfahren Strukturen wie Kanäle oder runde Löcher ausgebildet werden, die dann mit einer Flüssigkeit wie z.B. einem optischen Öl gefüllt werden. Die verwendeten Materialien der strukturierten Schicht und der Flüssigkeit führen aufgrund der Oberflächenspannung zu einer charakteristischen Wölbung der Flüssigkeitsoberfläche. Die Flüssigkeit wird vorzugsweise so gewählt, dass sie von der strukturierten Schicht abgestossen wird bzw. nicht daran haftet. In- einem weiteren Schritt werden Substrat und Flüssigkeit in einem Niederdruck - Gasabscheidungsprozess bei etwa 7 Pa Kammerdruck mit Parylene beschichtet, wobei das Substrat und die Flüssigkeit auf Umgebungs- bzw. Raumtemperatur gehalten werden können. Dabei wird Di-Para- Xylene pyrolisiert, dann bei 600° polymerisiert und bei Raumtemperatur auf dem Substrat bzw. der
Flüssigkeitsoberfläche abgeschieden. Die Flüssigkeit ist nicht reaktiv und hat einen deutlich tieferen Sättigungsdampfdruck als der Druck in der Reaktionskammer. Anschliessend wird die Flüssigkeit durch Öffnungen abgelassen. Diese Öffnungen können je nach Ausbildung der strukturierten Schicht z.B. am Ende eines in das Substrat eingelassenen Kanals ausgebildet sein oder werden durch Entfernen eines Zapfens aus einer Bohrung in der Platte freigegeben. Im Weiteren offenbart die EP-Al-1672394 die Möglichkeit, einen nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Kanal mit piezoelektrischen oder kapazitiven Aktoren auszurüsten. Diese Aktoren umfassen entlang des Kanals an der membranartigen Hülle und/oder auf der Substratplatte angeordnete rechteckige Elektroden oder piezoelektrische Bereiche. Durch eine gestaffelte periodische Ansteuerung dieser Aktoren können peristaltische Kontraktionen der Hülle zum Transportieren von Flüssigkeiten im Kanal ausgelöst werden.
Bei einer weiteren Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens werden zylindrische Ausnehmungen in einer Schicht gebildet, welche dann mit Flüssigkeit gefüllt und mit einer Membran überdeckt werden. Die Flüssigkeit wird in den Hohlräumen zwischen der Membran und der strukturierten Schicht belassen, sodass Mikrolinsen entstehen. Mittels transparenter Heizwiderstände kann die Temperatur der Flüssigkeit verändert werden. Durch die damit verbundene, relativ träge Volumenänderung können die Brennweiten der Mikrolinsen verändert werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines akustischen Wandlers mit mindestens einer Membran sowie einen derartigen akustischen Wandler- zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines akustischen Wandlers und durch einen akustischen Wandler gemäss den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 3. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können akustische Wandler mit einer oder mehreren Membranen einfach und kostengünstig hergestellt werden. Die Membranen werden durch Abscheiden und/oder Aufbringen eines Kunststoffs und/oder anderer Materialien auf einer Oberfläche einer Flüssigkeit oder eines Gels bzw. einer Flüssigkeit mit hoher Viskosität und der benachbarten Oberfläche eines Substrats hergestellt. Vorzugsweise wird Parylene zur Herstellung der Membranen verwendet. Dieses kann je nach Zusammensetzung inert und/oder mechanisch stabil und/oder optisch transparent und/oder biokompatibel sein. An der Membran können z.B. durch Bedampfen oder Sputtern Mittel zum Anregen und/oder Erfassen von Schwingungen oder Verformungen oder mechanischer Spannungen der Membran oder Teile solcher Mittel aufgebracht werden. Solche Mittel sind beispielsweise flächenhafte Elektroden von Kondensatoren, als optische Spiegel, Gitter oder dergleichen wirkende Metallisierungen, Vielfach- Schichtsysteme wie z.B. DFB-Strukturen, piezoelektrische oder piezoresistive Strukturen. Bei Bedarf können diese Erfassungs- und/oder Anregemittel durch eine weitere Kunststoff- bzw. Paryleneschicht gegenüber der Umgebung isoliert und geschützt werden. Das Substrat ist vorzugsweise plattenartig ausgebildet und kann eine oder mehrere Schichten umfassen. Vorzugsweise wird die oberste Schicht des Substrates mittels bekannter Verfahren wie anisotropem Ätzen, Laserbearbeitung, mechanischer Bearbeitung oder Prägeverfahren strukturiert. Dabei können Kavitäten bzw. Vertiefungen mit unterschiedlichen Dimensionen, Formen und Oberflächenbeschaffenheiten ausgebildet werden. Diese Vertiefungen können dann mit der Flüssigkeit befüllt werden, auf deren Oberfläche die Kunststoffablagerung erfolgen soll. Entsprechend der jeweiligen Anforderungen können bei Bedarf z.B. mittels Beschichtungs- und/oder Strukturierungstechniken vorgängig Mittel zum Anregen und/oder Erfassen von
Membranschwingungen und/oder -Verformungen oder Teile solcher Mittel auf dem Substrat aufgebracht oder an diesem ausgebildet werden. Solche Mittel sind z.B. flächenhafte Elektroden, welche zusammen mit ebensolchen Elektroden an den zugeordneten Membranen Kondensatoren bilden, deren Kapazitäten abhängig von den Membranauslenkungen veränderbar sind. Insbesondere dann, wenn das Substrat eine Halbleiterplatte bzw. -Schicht umfasst, können z.B. im Bereich unterhalb der Membran beliebige Sensorelemente und/oder Aktorelemente zum Erfassen von Schwingungen oder Auslenkungen der Membran angeordnet werden, also beispielsweise die bereits genannten Elektroden oder Leucht- oder Laserdioden und Fotodioden, welche von den Leuchtdioden emittiertes und an der spiegelnd ausgerüsteten Membran reflektiertes Licht detektieren. Solche Sensor- und/oder Aktorelemente können z.B. für Steuerungs- und/oder Regelungsaufgaben (Closed Loop Feedback) benutzt werden. Die Verwendung eines Substrates mit einer Halbleiterschicht (z.B. eines Wafers) hat zudem den Vorteil, dass bereits sehr geringe Signalpegel unmittelbar nach dem jeweiligen Sensorelement weitgehend störungsfrei erfasst und verstärkt werden können. Die Elektronik zum Ansteuern und/oder Auswerten der Aktorelemente und/oder Sensorelemente kann somit platzsparend auf dem Substrat angeordnet werden. Insbesondere bei komplexeren Anordnungen mit mehreren zu einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordneten
Membranen, die synchron bzw. koordiniert angeregt und/oder erfasst werden sollen, ist eine in das Substrat integrierte Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik sehr vorteilhaft. Die für die Membranherstellung verwendete Ablagerungstechnik erfordert keine hohen Temperaturen und ist kompatibel mit den verwendeten Halbleiterstrukturen. Bei alternativen Ausführungsformen kann das Substrat eine oder mehrere Schichten beliebiger anderer Materialien und mit gleichen oder unterschiedlichen Schichtdicken umfassen, wie z.B. Glas, Keramik, Metall, Halbleiter oder Kunststoffe. Solche Schichten können z.B. polykristallin, amorph, organisch oder anorganisch ausgebildet sein. Die Mittel an der Membran und/oder dem Substrat zum Erfassen und/oder Erzeugen von Auslenkungen bzw. Schwingungen der Membran sind jeweils über isolierte Leiterbahnen mit einer Steuerung verbunden und/oder über eine geeignete Schittstelle mit einer solchen Steuerung verbindbar. Die zum Erzeugen der Membran verwendete Flüssigkeit auf dem Substrat kann je nach beabsichtigter Anwendung in der Kavität belassen oder über eine oder mehrere Öffnungen im Substrat von der Rückseite her oder seitlich aus der Kavität entfernt werden. Vorzugsweise sind bei jeder Kavität mehrere Öffnungen ausgebildet, die während des Herstellprozesses durch eine Folie oder Zapfen an der Rückseite des Substrates abgedichtet sind. Beim Entleeren der Kavitäten kann somit durch mindestens eine dieser Öffnungen Gas in die Kavität einströmen. . Alternativ oder zusätzlich kann die Flüssigkeit auch durch Öffnungen wie z.B. Poren in der abgeschiedenen bzw. aufgebrachten Membran aus dem Hohlraum abgelassen, abgesaugt oder in sonstiger Weise entfernt werden. Insbesondere kann eine poröse Membran nachträglich weiter beschichtet oder nachbehandelt werden, sodass sich die Poren schliessen.
Anhand einiger Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Dabei zeigen
Figur 1 eine Ausführung eines kapazitiven
Ultraschallwandlers gemäss Stand der Technik,
Figur 2 einen Querschnitt einer ersten Ausgestaltung eines Ultraschallwandlers mit zweischichtigem Substrat, Figur 3 eine Halbleiter-Substratschicht für einen kapazitiven Ultraschallwandler mit integrierter Elektronik und mit mehreren Elektroden für entlang einer Linie angeordnete Wandlerelemente,
Figur 4 einen Querschnitt eines Ultraschallwandlers in einer weiteren Ausgestaltung, Figur 5 einen Querschnitt eines weiteren Wandlers mit einem einschichtig ausgebildeten Substrat,
Figur β einen Querschnitt eines Wandlers einer ringförnaigen Rippenstruktur zum Stützen der Membran und/oder zum Erhöhen der Sensitivität bzw. des Wirkungsgrades.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen kapazitiven, mikromechanisch hergestellten Ultraschallwandler 1, wie er aus der DE-Al-10 2005 051604 bekannt ist. Auf einem Substrat 3 aus Silizium ist ein erster flächiger Leiterbereich 5a aufgebracht. Von einer das Substrat 3 und den Leiterbereich 5a überdeckenden ersten Polymerschicht 7 ist ein Hohlraum 9 ausgenommen, der durch Wegätzen einer zuvor auf den Leiterbereich 5a aufgebrachten und diesen seitlich überlappenden Opferschicht (nicht dargestellt) gebildet wurde. Zum Wegätzen der Opferschicht müssen Durchgangsöffnungen durch die erste Polymerschicht 7 freigelegt werden. Nach dem Aufbringen eines zweiten Leiterbereichs 5b auf der ersten Polymerschicht 7 oberhalb des Hohlraums 9 wird durch Rotationsbeschichten eine zweite Polymerschicht 11 aufgebracht, wobei diese die Durchgangsöffnungen wieder verschliesst, den Hohlraum 9 jedoch als solchen belässt. Dabei muss das Eindringen der zweiten Polymerschicht 11 durch die Durchgangsöffnungen in den Hohlraum 9 verhindert werden. Figur 2 zeigt einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäss herstellbaren kapazitiven Ultraschallwandlers 1. Ein Substrat 3 umfasst einen Verbund aus einer ebenen ersten Substratschicht 3a bzw. -platte, die z.B. aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff oder einem elektrisch leitenden Metall oder einem Halbleiter gefertigt sein kann und eine Stärke sl von z.B. etwa lmm aufweist, und einer ebenen zweiten Substratschicht 3b bzw. -platte, die z.B. aus einem oleophoben Kunststoff wie Polyethylen, PVC oder Teflon gefertigt sein kann und eine Stärke s2 von z.B. etwa 0.1mm aufweist. In der zweiten Substratschicht 3b sind eine oder mehrere mittels bekannter Strukturierungsverfahren wie z.B. anisotropem Ätzen hergestellte Vertiefungen oder Ausnehmungen 4 ausgebildet. Diese können z.B. einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser dl von z.B. 2mm aufweisen. Alternativ könnte der Querschnitt der Ausnehmungen 4 auch eine andere Gestalt aufweisen, z.B. elliptisch oder polygonartig, insbesondere quadratisch, rechteckig oder hexagonal . Je nach Ausgestaltung und Anwendungsbereich des Ultraschallwandlers 1 bzw. allgemein des akustischen Wandlers können die Schichtdicken sl 'und s2 der Substratschichten 3a, 3b und die Dimensionen der Ausnehmungen 4 innerhalb eines weiten Spektrums festgelegt werden. So kann die erste Substratschicht 3a z.B. als dünne, flexible Kunststofffolie oder als massiver Metall-, Glas- oder Keramikkörper ausgebildet sein. Entsprechend können Schichtstärken sl im Bereich von vorzugsweise etwa 0.1mm bis etwa 10mm oder mehr vorgesehen sein. Kapazitive Ultraschallwandler 1 mit einer oder mehreren zu
Schwingungen anregbaren Membranen 2 haben bevorzugt eine geringe Stärke s2 der zweiten Substratschicht 3b oder der Tiefe der Ausnehmungen 4 bzw. der Strukturen in der zweiten Substratschicht 3b. Bei Wandlern mit optischer oder piezoresistiver Auslenkungs- oder
Schwingungserfassung hingegen kann die Stärke s2 der zweiten Substratschicht s2 deutlich grösser sein. Entsprechend können Schichtstärken s2 im Bereich von etwa 0.05mm bis etwa 5mm oder mehr vorgesehen sein. Bei hochfrequenten Ultraschallwandlern 1 mit mehreren (z.B. drei) oder einer Vielzahl (z.B. 16 oder mehr) von koordiniert ansteuerbaren und/oder auswertbaren Wandlerelementen können die Membranflächen der einzelnen Wandlerelemente sehr klein sein; akustische Wandler hingegen, die im hörbaren Bereich Schallsignale mit relativ hohen Schallpegeln erzeugen sollen, umfassen vorzugsweise ein einzelnes Wandlerelement mit einer relativ grossen Membranfläche. Entsprechend können die Membranflächen, welche die Ausnehmungen 4 überdecken, in der Grössenordnung von etwa 0.001mm2 bis etwa 1000mm2 oder mehr liegen. Das Material der zweiten Substratschicht 3b ist im Bereich der Ausnehmungen 4 vorzugsweise vollständig entfernt, sodass dort die Oberseite der ersten Substratschicht 3b bzw. eine zumindest im Bereich der Ausnehmungen 4 auf die erste Substratschicht 3a aufgebrachte Metallisierung (fortan auch erster Leiterbereich 5a genannt) freigelegt ist. Alternativ könnte der erste Leiterbereich 5a auch an der der ersten Substratschicht 3a zugewandten Oberfläche der zweiten Substratschicht 3b oder innerhalb der zweiten Substratschicht 3b ausgebildet sein. Der erste Leiterbereich 5a kann z.B. bei Isolatoren oder Halbleitern durch Bedampfen der ersten Substratschicht 3a mit einer dünnen Metallschicht von z.B. 0.05mm gefertigt werden, wobei die nicht zu metallisierenden Bereiche in herkömmlicher Weise mittels einer Fotolackschicht maskiert werden. Bei elektrisch leitenden ersten Substratschichten 3a können diese direkt als erste Leiterbereiche 5a verwendet werden. Alternativ können elektrisch leitende erste Substratschichten 3a mit einer dünnen Isolatorschicht bedeckt werden, auf der dann der erste Leiterbereich 5a aufgebracht wird. Der erste Leiterbereich 5a umfasst nebst den flächenhaften Elektroden im Bereich der Ausnehmungen 4 auch elektrische Verbindungsleitungen 6a zu einer Anschluss-Schnittstelle (z.B. Anschluss- Stecker oder- Kabel) und/oder zu einer elektronischen Steuerung 8 (Figur 3) zum Anregen und/oder Auswerten von Membranschwingungen bzw. -Verformungen. Die Steuerung 8 oder Teile davon können direkt auf dem Substrat 3 oder alternativ ausserhalb des Wandlers angeordnet sein. Figur 3 zeigt schematisch eine erste Substratschicht 3a aus Silizium für einen fünf Wandlerelemente umfassenden Ultraschallwandler 1, wobei die Elektroden bzw. ersten Leiterbereiche 5a über Verbindungsleitungen 6a mit der in die Substratschicht 3a integrierten Steuerung 8 verbunden sind.
Wie in Figur 2 dargestellt, sind die zweite Substratschicht 3b und die Ausnehmung 4 von einer homogenen Polymerschicht 11 - vorzugsweise von einer Paryleneschicht - überdeckt, derart, dass jede der Ausnehmungen 4 von einer einen Hohlraum 9 begrenzenden Membran 2 überspannt oder abgedeckt ist. Auf der zweiten Substratschicht 3b ist analog zur ersten Substratschicht 3a ein zweiter Leiterbereich 5b mit flächenhaften Elektroden im Bereich der Membranen 2 und mit Verbindungsleitungen 6b ausgebildet. Diese können bei Bedarf z.B. über Durchkontaktierungen 6c mit Teilen des ersten Leiterbereichs 5a und/oder mit einer allfälligen Steuerung 8 oder einer Anschlussschnittstelle verbunden sein. Bei einer alternativen Ausgestaltung des Wandlers können die zweite Substratschicht 3b und der zweite Leiterbereich 5b von einer weiteren Polymerschicht 11 - vorzugsweise einer weiteren Paryleneschicht - überdeckt sein, welche elektrisch isolierend und schützend gegenüber mechanischen und/oder chemischen Umwelteinflüssen wirkt. Eine derartige Anordnung ist in Figur 4 dargestellt.
An bzw. in mindestens einer der Substratschichten 3a, 3b sind ein oder mehrere Kanäle 10 ausgebildet, die in den Hohlraum 9 münden und eine Verbindung des Hohlraums 9 mit der Umgebung ermöglichen. Die Kanäle Bei der Ausgestaltung des Wandlers gemäss Figur 2 durchdringen die Kanäle 10 die erste Substratschicht 3a und die Elektroden auf dieser ersten Substratschicht 3a. Die Kanäle 10 können vor oder nach dem Aufbringen des ersten Leiterbereichs 5a z.B. durch mechanische, mikromechanische oder chemische Bearbeitung in der ersten Substratschicht 3a ausgebildet werden. Die Herstellung der Kanäle 10 kann vor oder nach der Verbindung der beiden Substratschichten 3a, 3b erfolgen. Die Kanäle 10 können z.B. durch Aufbringen einer selbst haftenden Kunststofffolie (nicht dargestellt) auf der Unterseite der ersten Substratschicht 3a dichtend abgeschlossen werden. Die Kanäle 10 werden vorzugsweise im peripheren Bereich der Hohlräume 9 bzw. der dort lokalisierten Elektroden angeordnet. Dort sind die Schwingungsamplituden der die jeweilige Ausnehmung 4 überdeckenden Membran 2 und somit Störeinflüsse bei kapazitiver Anregung/Auswertung von Membranschwingungen minimal.
Zur Herstellung der Membranen 2 werden die Ausnehmungen 4 mit einer Flüssigkeit gefüllt. In der Regel werden auch die nach aussen hin begrenzten Kanäle 10 mit der Flüssigkeit befüllt. Das von den Kanälen 10 aufnehmbare Flüssigkeitsvolumen ist in der Regel klein im Vergleich zum von den Ausnehmungen 4 aufnehmbaren Flüssigkeitsvolumen. Zumindest sind die Kanalbreiten klein im Vergleich zu den entsprechenden Dimensionen der Ausnehmungen 4. Anschliessend erfolgt die Polymerabscheidung analog zum in der EP-Al-1672394 beschriebenen Prozess. Dabei werden die Membranen 2 gebildet, welche die Ausnehmungen 4 bzw. Hohlräume 9 überdecken. In einem weiteren Schritt werden die Zapfen bzw. die Folie, welche die Kanäle 10 abdichtet, entfernt und die Flüssigkeit aus dem Hohlraum 9 abgelassen. Dieser Prozess kann z.B. durch Bewegungen des Substrats 3 (insbesondere durch Schleudern) , durch Absaugen,
Verdampfen, Adsorption oder chemische Reaktionen sowie durch die abstossende Wirkung einer oder beider Substratschichten 3a, 3b auf die Flüssigkeit unterstützt werden . Bei alternativen Ausgestaltungen des Wandlers können Kanäle 10 z.B. auch als Furchen oder Gräben in der dem Hohlraum 9 zugewandten Oberfläche der ersten Substratschicht 3a und/oder in einer der Oberflächen der zweiten Substratschicht 3b ausgebildet sein, wie dies in Figur 4 dargestellt ist. Solche an der Oberfläche einer der Substratschichten 3a, 3b ausgebildeten Kanäle 10 überragen seitlich den Hohlraum 9 bzw. den für den
Hohlraum 9 vorgesehenen Bereich um eine geringe Länge bl bzw. b2, ohne jedoch bis an den Rand der jeweiligen Substratschicht 3a, 3b zu reichen. Nach dem Aufbringen der Polymerschicht 11 und gegebenenfalls weiterer Prozessschritte können die Kanäle 10 z.B. mittels
Trennschnitten, wie sie zum Separieren mehrerer auf einem gemeinsamen Substrat 3 angeordneter Ultraschallwandler 1 erforderlich sind, oder durch lokales mechanisches, thermisches oder chemisches Entfernen der Polymerschichten 7 und 11 und gegebenenfalls weiterer Schichten in den Endbereichen der Kanäle 10 Öffnungen (nicht dargestellt) zum Entfernen der Flüssigkeit aus den Hohlräumen 9 geschaffen werden. Beim Einbau solcher Wandler in ein Gehäuse können diese Öffnungen wahlweise abgedichtet oder geschützt zur Umgebung hin offen gehalten werden. Es ist auch möglich, die Kanäle 10 mit Druckkammern oder anderen Einrichtungen zum Steuern oder Regeln des Drucks im Hohlraum 9 zu verbinden. Die Art der Verbindungen der Hohlräume 9 nach aussen (geschlossen oder verbunden mit einer Druckkammer oder offen) kann z.B. Eigenschaften wie Dämpfung, Abstrahlungswinkel oder Bandbreite bzw. nutzbares Frequenzspektrum eines akustischen Wandlers beeinflussen .
Die Möglichkeit, auf einem Substrat 3 gleichzeitig eine Vielzahl von Wandlern herzustellen (dies gilt selbstverständlich auch für Wandler mit mehreren
Wandlerelementen bzw. Membranen 2), und diese Wandler anschliessend durch Trennvorgänge zu separieren, erlaubt eine kostengünstige Fertigung solcher Wandler.
Anstelle eines zweischichtigen Substrats 3 können akustische Wandler auch mit mehreren Substratschichten 3a, 3b oder mit lediglich einer Substratschicht 3a hergestellt werden. Eine mögliche Ausführungsform ist in Figur 5 dargestellt. Die Oberfläche der Substratschicht 3a wird dabei zuerst mit Ausnehmungen 4 bzw. Vertiefungen strukturiert. Die Substratschicht 3a wird mit einem ersten Leiterbereich 5a metallisiert, wobei eine flächenhafte Elektrode am Boden der Ausnehmung 4 ausgebildet und mittels über die Kanten der Ausnehmung 4 hinausragender Verbindungsleitungen 6a mit einer Schnittstelle und/oder gegebenenfalls mit einer Elektronik 8 verbunden ist. Die Seitenflächen der Ausnehmung 4 können kegel- oder pyramidenartig abgewinkelt sein (nicht dargestellt) , damit eine einwandfreie elektrische Verbindung zwischen der Elektrode in der Vertiefung und den Verbindungsleitungen 6a sichergestellt ist. Die Vertiefungen werden analog zur beschriebenen Methode für zweischichtige Substrate 3 mit einer Flüssigkeit gefüllt, mit einer Polymerschicht 7 überzogen und mit einem zweiten Leiterbereich 5b versehen. Die Materialien für das Substrat 3 und die Flüssigkeit werden vorzugsweise so gewählt, dass die an die Seitenränder des Substrates angrenzende
Flüssigkeitsoberfläche und somit die darauf gebildete Membran 2 keine oder nur eine geringe Wölbung aufweist. In Analogie zu Wandlern mit zweischichtigen Substraten 3 kann die Flüssigkeit über Kanäle 10 aus dem Hohlraum 9 entfernt werden oder - beispielsweise bei Ultraschallwandlerarrays für die medizinische Diagnostik oder Anwendungen in Flüssigkeiten - im Hohlraum 9 belassen werden. Selbstverständlich ist auch hier das Aufbringen einer zweiten Polymerschicht 11 möglich. Bei weiteren alternativen Ausgestaltungen können die Ausnehmungen 4 bzw. Vertiefungen Pfeiler, Stege oder andere Strukturen zum Stützen der Membran 2 und/oder zum lokalen Verringern des Abstandes zwischen der Membran 2 und dem Substrat 3 umfassen, also inselartige oder zusammenhängende Bereiche, die von unten her in Anlage mit der Membran 2 sind oder nur einen geringen Abstand zur Membran 2 aufweisen und nicht fest mit der Membran 2 verbunden sind. Solche Strukturen können Metallisierungen umfassen, welche mit dem ersten Leiterbereich 5a verbunden sind bzw. zu diesem gehören.
Figur 6 zeigt ein Beispiel eines solchen Wandlers mit Strukturen in Gestalt konzentrischer Ringe. Diese sind während der Abscheidung der Polymerschicht 7 mit Flüssigkeit überdeckt, sodass zwischen der Polymerschicht 7 und den am Substrat 3 aufragenden Ringen keine haftende Verbindung entsteht. Die Kapazität des durch die beiden Leiterbereiche 5a und 5b und des dazwischen angeordneten, die Polymerschicht 7 umfassenden Dielektrikums ist aufgrund des geringen Abstandes der Membran 2 zu den Strukturen relativ gross. Die Leiterbereiche 5a, 5b können durch Anlegen elektrischer Spannungen aufgeladen werden. Je nach relativer Polarität der Ladungen auf den beiden gegenüberliegenden Elektroden wölbt sich die Membran 2 dabei nach aussen oder innen und wird dabei mechanisch gespannt. Dadurch können Parameter wie Bandbreite, Resonanzfrequenz oder Richtcharakteristik des akustischen Wandlers beeinflusst werden. Durch Ansteuerung mit einem Wechselspannungssignal kann der akustische Wandler als Schallgeber zum Erzeugen von Schallwellen bzw. Ultraschallwellen verwendet werden. Wenn die Kapazität des Wandlers mit einer verstärkenden Auswerteelektronik verbunden ist (diese ist in der Regel Bestandteil der elektronischen Steuerung 8) , kann er als Mikrofon eingesetzt werden, wobei auf den Wandler auftreffende Schallwellen zu entsprechenden Schwingungen der Membran 2 führen, die dann als Kapazitätsänderung erfasst werden können. Alternativ können auch andere physikalische Prinzipien zum Anregen und/oder Erfassen von Schwingungen oder statischen Drücken eingesetzt werden. So kann beispielsweise für diesen Zweck zusätzliche eine piezoelektrische Schicht, beispielsweise PVDF auf die Membran aufgebracht werden. Bei einer weiteren Variante sind vorzugsweise im Übergangsbereich zwischen der Ausnehmung 4 und dem die Membran 2 tragenden Substrat 3 an der Membran 2 piezoresistive Strukturen ausgebildet, mit denen Membranschwingungen oder -auslenkungen als Widerstand bzw. Widerstandsänderung erfasst werden können. Bei einer weiteren Ausgestaltung sind auf dem Substrat 3 unterhalb der metallisierten und somit spiegelnden Membran 2 eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode und eine Photodiode oder eine CCD-Zeile oder entsprechende andere optische Elemente ausgebildet. Das von der Lichtquelle emittierte Licht wird an der spiegelnden Membran 2 abhängig von deren Auslenkung bzw. Schwingungsverhalten unterschiedlich reflektiert. Dies kann mit den optischen Detektoren erfasst und ausgewertet werden. Insbesondere ist es möglich, zum
Anregen von Membranschwingungen und zum Auswerten solcher Schwingungen unterschiedliche physikalische Prinzipien zu verwenden. Diese Entkoppelung ermöglicht insbesondere bei Ultraschallsensoren, wo in sehr kurzen zeitlichen Abständen Signale ausgesendet und Echos erfasst werden müssen, deutliche Verbesserungen. Weitere mögliche Anwendungen der erfindungsgemässen akustischen Wandler sind z.B. Mikrofon-Lautsprecher- Kombinationen, Mobiltelefone, Ohrhörer mit integriertem Mikrofon, Hörhilfen. Im Weiteren können mit dem erfindungsgemässen Verfahren nicht nur akustische Wandler hergestellt werden, sondern auch eine Vielzahl anderer Sensoren, die nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien arbeiten und die Vorteile einer mechanisch stabilen, chemisch beständigen Membran 2 nutzen.
Die an unterschiedlichen Ausführungsbeispielen erläuterten Merkmale der Erfindung können beliebig miteinander kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines akustischen Wandlers mit mindestens einer Membran (2) , dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) ausgebildet wird, indem ein Bereich der Oberfläche eines Substrates (3) mit einer Flüssigkeit bedeckt und ein Kunststoff oder ein anderes Material auf der Oberfläche dieser Flüssigkeit und der daran angrenzenden Oberfläche des Substrats (3) abgeschieden und/oder aufgebracht und/oder integriert wird, und dass an der Membran (2) Mittel zum Anregen und/oder zum sensorischen Erfassen von Schwingungen oder Verformungen der Membran (2) ausgebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit durch einen oder mehrere Kanäle (10) oder Öffnungen im Substrat (3) und/oder der
Membran (2) vom Wandler entfernt wird.
3. Akustischer Wandler mit mindestens einer Membran (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) eine gleichmässig dicke, auf einem Substrat (3) haftende und einen Hohlraum (9) im Substrat (3) überdeckende Schicht aus einem Polymer oder einem anderen Material umfasst .
4. Akustischer Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschicht (7) durch Dampfabscheidung eines Kunststoffs auf dem Substrat (3) ausgebildet ist.
5. Akustischer Wandler nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschicht (7) aus Parylene gefertigt ist.
6. Akustischer Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) im Bereich des Hohlraums (9) aufragende Strukturen mit einem geringeren Abstand zur Membran (2) umfasst.
7. Akustischer Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Membran (2) eine Vorrichtung oder Teile einer Vorrichtung zum Anregen und/oder Erfassen von Verformungen und/oder Schwingungen der Membran (2) ausgebildet sind.
8. Akustischer Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung bzw. die Teile der Vorrichtung zum Anregen und/oder Erfassen von Verformungen und/oder Schwingungen der Membran (2) eine flächenhafte Kondensatorelektrode und/oder ein piezoelektrisches oder piezoresistives Material und/oder ein optisches Element umfassen.
9. Akustischer Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (3) unterhalb der Membran (2) eine Vorrichtung oder Teile einer Vorrichtung zum Anregen und/oder Erfassen von Verformungen und/oder Schwingungen der Membran (2) ausgebildet sind.
10. Akustischer Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung bzw. die Teile der Vorrichtung zum Anregen und/oder Erfassen von Verformungen und/oder Schwingungen der Membran (2) eine Kondensatorelektrode und/oder ein piezoelektrisches oder piezoresistives Material und/oder ein optisches Element umfassen.
11. Akustischer Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) eine Halbleiter-Substratschicht (3a) umfasst, und dass eine Steuerung (8) zum Ansteuern und/oder Auswerten von Schwingungen und/oder Auslenkungen der Membran (2) mindestens teilweise in oder auf der Substratschicht (3a) angeordnet ist.
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