EP2283935A1 - Ultraschallwandlersystem und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

Ultraschallwandlersystem und Verfahren zu dessen Betrieb Download PDF

Info

Publication number
EP2283935A1
EP2283935A1 EP09010474A EP09010474A EP2283935A1 EP 2283935 A1 EP2283935 A1 EP 2283935A1 EP 09010474 A EP09010474 A EP 09010474A EP 09010474 A EP09010474 A EP 09010474A EP 2283935 A1 EP2283935 A1 EP 2283935A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrodes
substrate
active layer
electrically
emitted
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.)
Ceased
Application number
EP09010474A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Dr. Herzog
Henning Dr. Heuer
Susan Dipl.-Ing. Walter
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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 Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority to EP09010474A priority Critical patent/EP2283935A1/de
Publication of EP2283935A1 publication Critical patent/EP2283935A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic transducer system and method for its operation.
  • ultrasonic waves with very high frequencies can be emitted and used, for example, for the non-destructive testing of workpieces or components.
  • This allows a resolution in the range of 10 microns can be achieved, so that even very small reflectors, such. Defects, cracks, voids or delaminations are detectable.
  • An inventive ultrasonic transducer system is designed so that on a surface of an electrically insulating or semiconductive substrate Discrete formed to each other electrodes are formed as a metallic thin film.
  • each electrode is individually connected to a voltage source via an electrically conductive through-hole guided through the substrate.
  • At least one active layer formed of a piezoelectric material is formed on the surface of the substrate on which these electrodes are formed. This one or more active layer (s) is / are then electrically connected to at least one further electrode and thus to the other pole of the high-frequency voltage source or the ground contact.
  • an active layer assigned to the respective electrode or a surface area of an active layer can be excited with the electrodes present directly on the surface of the substrate, which are each individually electrically controllable, in order to emit ultrasonic waves from this position.
  • control can take place such that a time offset by a specific phase shift, in which electrical voltage is applied to the active layer via these electrodes and an electric current flows, influences the direction with which ultrasonic waves are emitted from the respective position. be achieved.
  • the piezoelectric active material is excited to high-frequency mechanical vibrations, which have then been placed as ultrasonic waves, possibly after coupling into a body on the system is, spread.
  • the activation of the individual discretely arranged electrodes can be carried out in such a way that the sound waves emitted in each case by these surface regions on which the electrodes are arranged can be influenced in a targeted manner. If electrodes arranged on the outer edge are actuated offset in time from the electrodes arranged successively further inwardly, a focused acoustic emission is possible. However, it is also possible to achieve a sound emission directed at a certain angle, deviating from 90 ° to the surface of the active layer (s), by a subsequent subsequent activation of electrodes.
  • the center distance of discrete juxtaposed electrodes should be less than half the wavelength of the sound waves in a material or body into which the sound waves are emitted.
  • the wavelength depends on the speed of sound in the material and the frequency of the sound waves. The wavelength decreases with increasing frequency. This also requires miniaturization of the ultrasonic transducers, which can be achieved with a system according to the invention and the advantageous electrical contacting, even with conventional connection techniques.
  • Electrodes can form a series, line, ring or matrix arrangement.
  • the respective arrangement spatially limits the possible acoustic emission.
  • the influencing of the sound emission direction can take place only in one spatial plane.
  • matrix or ring arrangements a three-dimensional full influence can be achieved.
  • Ultrasonic transducers are also commonly used for testing and diagnostic purposes.
  • the emitted ultrasonic waves are reflected in an adjacent material or material at defects, interfaces or the back of a body to be tested.
  • a part of the reflected sound waves again hits the respective ultrasonic transducer.
  • the sound pressure of these reflected sound waves causes mechanical deformation of the piezoelectric layer, which are converted by the layer into correspondingly proportional electrical voltage signals.
  • the contact surfaces may form a widened connection structure in which these contact surfaces are distributed on a surface that is larger than the area of the active layer (s) on the front side of the substrate.
  • Various materials for the substrates can be used for the production of systems according to the invention. These may be, for example, semiconductor materials (preferably monocrystalline silicon), ceramics, glass or polymers.
  • the electrodes on the surface of the substrate can be applied as metallic thin films.
  • the structuring can be carried out by known methods additively (via change masks or adhesive masks) or subtractive (etching).
  • Suitable metals are copper, gold, aluminum, platinum or multilayer systems, such as e.g. a Cr-Au, Ni-Au or Ti-Cu-Au. There should be good adhesion to the substrate and the active layer (s).
  • any desired piezoelectric materials such as AlN, ZnO or PZT can be used. Again, an order can be made by physical vapor deposition.
  • the openings can be formed by reactive ion etching (DRIE), plasma etching, wet-chemical etching or by laser ablation. After the formation of the openings whose inner walls can be metallized and / or filled with an electrically conductive material.
  • the metallization can be applied by physical vapor deposition, which can be galvanically enhanced if necessary.
  • Filling with an electrically conductive material can also be done with such a vapor deposition, but also by screen printing.
  • a metal or an electrically conductive polymeric material can be introduced in openings.
  • electrically non-conductive layers can also be applied as thin layers to the substrate. These may be, for example, suitable oxide or nitride layers. Through-connections may also be present in the electrically non-conductive layers with which the conductor tracks in the different planes can be electrically conductively connected.
  • conventional multilayer substrates for example printed circuit boards, ceramic multilayer circuits
  • interconnect structures can also be used for this purpose.
  • an active layer covers all electrodes formed on the surface of the substrate.
  • each electrode can also be assigned its own active layer be. At least the electrodes should be designed so that no electrical current flow from one electrode to another electrode is possible.
  • the total thickness of the substrate including the plated-through wiring planes, would be significantly greater than the wavelength of the ultrasound in the substrate. Since the piezoelectric material vibrates mechanically in both directions, the backward emitted sound waves should be absorbed in the substrate. Possible reflections in the substrate material should not hit the piezoelectric active layer again in order to avoid undesired interference signals.
  • the individual electrodes formed on the substrate surface should, depending on the selected geometric configuration, have a width which is smaller than the wavelength of the sound waves in a material into which the sound waves are emitted.
  • the further electrode (s) may be formed on an active layer. This then forms, at least in some areas, the surface of the element from which ultrasonic waves are emitted.
  • a pulsed electrical voltage is applied to the electrodes.
  • there is a single pulse which can be carried out repeatedly with time interruptions. In periods when no sound waves are emitted, a detection of reflected sound waves can take place.
  • ultrasound can be emitted and detected at frequencies of at least 30 MHz.
  • the electrically conductive connections of the system for connection to a voltage source can be realized at the contact surfaces in an expanded arrangement at the rear side of the substrate with known technologies. This can e.g. by soldering, wire bonding or gluing (e.g., with electrically conductive adhesive).
  • the ultrasonic transducer systems according to the invention achieve both a higher lateral and a low resolution in the micrometer range.
  • New areas of application such as an effective nondestructive testing in electronics manufacturing, can be developed.
  • electrodes 2 (here only one electrode 2 shown) is formed are. These can be electrically contacted via the through-hole 4 guided through the substrate 1 to the rear side, with an electrical voltage source (not illustrated).
  • an electrical contact surface 9 is formed on the back with a metallization, which can be used for soldering or wire bonding or for any other means of connection.
  • the further electrode 8 serves to connect to the ground potential.
  • electrodes 2 are again discretely and electrically insulated from one another on a surface of the substrate 1.
  • an active layer 3 of piezoelectric material which is covered with a further electrode 8, is present.
  • each individual electrode 2 each have their own through-hole 4 guided to the back of the substrate 1.
  • six electrically non-conductive layers 6.1 to 6.6 are formed as a multi-layer structure in this example.
  • conductor tracks 7 are formed, which are electrically conductively connected by means of the plated-through holes 5 in the electrically non-conductive layers (6.1 to 6.6) with contact surfaces 10.
  • strip-shaped electrodes 2 are formed on the surface of a substrate 1 in a series arrangement or line arrangement.
  • the maximum possible center distance of the elements determines the maximum possible width of the individual strip-shaped electrodes (2).
  • the electrodes 2 are formed with a square surface, each having the same area size and equal distances from each other.
  • the maximum possible center distance of the electrodes 2 determines the maximum possible side lengths of the individual electrodes (2).
  • Electrodes 2 it is also possible to use other geometric electrode surface forms than those shown here. It is also possible the size and / or the distances of electrodes 2 in a series or matrix arrangement to vary.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallwandlersystem und Verfahren zu dessen Betrieb. Dabei können insbesondere Ultraschallwellen mit sehr hohen Frequenzen emittiert und beispielsweise für die zerstörungsfreie Prüfung von Werkstücken oder Bauteilen genutzt werden. Bei einem erfindungsgemäßen System sind an einer Oberfläche eines elektrisch nicht leitfähigen oder halbleitenden Substrats (1) diskret zueinander angeordnete Elektroden (2), die als metallische Dünnschicht ausgebildet und jeweils einzeln mit Durchkontaktierungen (4,5) zur Substratrückseite hindurch geführt sind, vorhanden. An der Substratrückseite sind die Elektroden über eine Kontaktfläche (9,10) mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden. Auf der Oberfläche der Elektroden ist mindestens eine aus einem piezoelektrischen Material gebildete aktive Schicht (3) ausgebildet, die mit mindestens einer weiteren Elektrode (8) und damit mit dem anderen Pol der Spannungsquelle oder dem Massepotential der Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Ultraschallwandlersystem und Verfahren zu dessen Betrieb. Dabei können insbesondere Ultraschallwellen mit sehr hohen Frequenzen emittiert und beispielsweise für die zerstörungsfreie Prüfung von Werkstücken oder Bauteilen genutzt werden. Dadurch kann eine Auflösung im Bereich von 10 µm erreicht werden, so dass auch sehr kleine Reflektoren, wie z.B. Defekte, Risse, Lunker oder Delaminationen detektierbar sind.
  • Da mit der Erfindung auch sehr kleine Strukturen detektiert werden sollen, ist eine hohe Auflösung erforderlich, die nur durch Einsatz von Ultraschall mit sehr hohen Frequenzen möglich ist. Häufig wird auch ein Einsatz von Ultraschallwandlern gefordert, bei dem Strukturen ortsaufgelöst im Volumen von Körpern erkannt werden sollen und der Ultraschallwandler nicht auf die Oberfläche des Körpers aufgesetzt und über seine Oberfläche bewegt werden soll. Dies erfordert eine gezielte Beeinflussung der Richtung in der Schallwellen vom Ultraschallwandler emittiert werden sollen. Es ist seit jüngster Vergangenheit üblich, für solche Anwendungen Mehrelementultraschallwandler einzusetzen.
  • Da Ultraschall mit einer sehr hohen Frequenz eingesetzt werden sollen, ist eine Miniaturisierung erforderlich. Dabei ist es auch beachtsam, dass eine gezielte Emissionsrichtung von emittierten Schallwellen häufig gefordert wird. Bei den Frequenzen im mittleren bis oberen Megaherzbereich ist auch eine hohe Auflösung, also eine sehr kleine Fläche erforderlich, von der Ultraschallwellen emittiert werden müssen. Dies ist aber für die Führung der elektrischen Zuleitungen zu berücksichtigen.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten vorzuschlagen mit denen Ultraschallwellen mit erhöhter Frequenz und hoher Auflösung in unterschiedliche Richtungen emittiert und wieder detektiert werden können.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Ultraschallwandlersystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Es kann mit einem Verfahren nach Anspruch 9 betrieben werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Ultraschallwandlersystem ist dabei so ausgebildet, dass an einer Oberfläche eines elektrisch isolierenden oder halbleitenden Substrats diskret zueinander ausgebildete Elektroden, als metallische Dünnschicht ausgebildet sind. Dabei ist jede Elektrode einzeln über eine elektrisch leitende durch das Substrat hindurch geführte Durchkontaktierung mit einer Spannungsquelle verbunden.
  • Auf der Oberfläche des Substrates an der diese Elektroden ausgebildet sind, ist mindestens eine aus einem piezoelektrischen Material/Stoff gebildete aktive Schicht ausgebildet. Diese eine aktive oder mehrere aktive Schicht(en) ist/sind dann mit mindestens einer weiteren Elektrode und damit mit dem anderen Pol der Hochfrequenzspannungsquelle oder dem Massekontakt elektrisch leitend verbunden.
  • Dadurch kann mit den unmittelbar an der Oberfläche des Substrats vorhandenen Elektroden, die jeweils einzeln elektrisch ansteuerbar sind, eine der jeweiligen Elektrode zugeordnete aktive Schicht oder ein Flächenbereich einer aktiven Schicht angeregt werden, um von dieser Position Ultraschallwellen zu emittieren.
  • Dabei kann die Ansteuerung so erfolgen, dass ein Zeitversatz durch eine gezielte Phasenverschiebung, bei der über diese Elektroden elektrische Spannung an die aktive Schicht angelegt wird und dabei ein elektrischer Strom fließt, eine Beeinflussung der Richtung, mit der Ultraschallwellen von der jeweiligen Position emittiert werden, erreicht werden.
  • Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung wird das piezoelektrische aktive Material zu hochfrequenten mechanischen Schwingungen angeregt, die sich dann als Ultraschallwellen ggf. nach einer Einkopplung in einen Körper auf den das System aufgesetzt worden ist, ausbreiten. Dabei kann die Ansteuerung der einzelnen diskret zueinander angeordneten Elektroden so erfolgen, dass die jeweils von diesen Flächenbereichen, an denen die Elektroden angeordnet sind, emittierten Schallwellen gezielt beeinflusst werden können. Werden am äußeren Rand angeordnete Elektroden zeitlich versetzt vor den sukzessive weiter innen liegend angeordneten Elektroden angesteuert, ist eine fokussierte Schallemission möglich. Es besteht aber auch die Möglichkeit, durch eine zeitlich nachfolgende Ansteuerung von Elektroden eine in einem bestimmten Winkel, abweichend von 90° zur Oberfläche der aktiven Schicht(en), ausgerichtete Schallemission zu erreichen.
  • Durch eine zeitverzögerte Ansteuerung der Elektroden kann auf die jeweilige Richtung der von dort emittierten Schallwellen Einfluss genommen werden, da sich die einzelnen im Flächenbereich von Elektroden emittierten Schallwellen zu einer resultierenden Wellenfront in einer bestimmten Richtung überlagern. Zur Emission von Schallwellen mit möglichst großen Winkeln, sollte der Mittenabstand von diskret nebeneinander angeordneten Elektroden kleiner als die halbe Wellenlänge der Schallwellen in einem Werkstoff oder Körper, in den die Schallwellen emittiert werden, sein. Die Wellenlänge ist dabei von der Schallgeschwindigkeit im Werkstoff und der Frequenz der Schallwellen abhängig. Die Wellenlänge verkleinert sich dabei mit größer werdender Frequenz. Dies erfordert auch eine Miniaturisierung der Ultraschallwandler, was mit einem erfindungsgemäßen System und die vorteilhafte elektrische Kontaktierung, auch mit konventionellen Verbindungstechniken, erreichbar ist.
  • Die auf der Oberfläche des Substrates angeordneten Elektroden können eine Reihen-, Linien-, Ring- oder Matrixanordnung bilden. Die jeweilige Anordnung grenzt die damit mögliche Schallemission räumlich ein. Bei einer Reihen- oder Linienanordnung kann beispielsweise die Beeinflussung der Schallemissionsrichtung nur in einer Raumebene erfolgen. Bei Matrix-oder Ringanordnungen kann eine dreidimensionale vollständige Beeinflussung erreicht werden.
  • Ultraschallwandler werden üblicherweise auch zu Prüfund Diagnosezwecken eingesetzt. Die emittierten Ultraschallwellen werden in einem angrenzenden Werkstoff oder Material an Defekten, Grenzflächen oder der Rückseite eines zu prüfenden Körpers reflektiert. Ein Teil der reflektierten Schallwellen trifft wieder auf den jeweiligen Ultraschallwandler auf. Der Schalldruck dieser reflektierten Schallwellen bewirkt mechanische Verformungen der piezoelektrischen Schicht, die von der Schicht in dementsprechend proportionale elektrische Spannungssignale umgewandelt werden. Über eine Auswertung der Amplituden und der Zeitverläufe der einzelnen so erfassten Messsignale, kann eine ortsaufgelöste Abbildung der inneren Struktur eines untersuchten Körpers durch Berechnung rekonstruiert werden.
  • Insbesondere wegen der erforderlichen Miniaturisierung, ist es vorteilhaft, die große Anzahl an elektrisch leitenden Verbindungen zu den Elektroden mittels Durchkontaktierungen (Via's) auszubilden. Diese können dabei, wie bereits erwähnt, durch das Substrat hindurchgeführt werden. Zusätzlich können aber weitere Durchkontaktierungen genutzt werden, die als elektrisch leitende Verbindungen durch eine oder mehrere elektrisch nicht leitende(n) Schicht(en) geführt sind. Diese Schicht(en) kann/können auf der Rückseite des Substrates, also auf der Seite, die der Seite auf der die Elektroden ausgebildet sind, gegenüberliegt, angeordnet sein. Zwischen oder auf diesen Schichten können elektrische Leiterbahnen, die zu einer Aufweitung von an der Rückseite angeordneten Kontaktflächen genutzt werden können, vorhanden sein. Auf der nach außen weisenden elektrisch nicht leitenden Schicht können die Kontaktflächen eine aufgeweitete Anschlussstruktur bilden, bei der diese Kontaktflächen auf einer Fläche verteilt angeordnet sind, die größer als die Fläche der aktiven Schicht(en) auf der Vorderseite des Substrates ist. Dadurch ist eine elektrische Kontaktierung mit konventionellen Verbindungstechniken, wie Löten, Drahtbonden oder Kleben möglich.
  • Für die Herstellung erfindungsgemäßer Systeme können verschiedene Werkstoffe für die Substrate eingesetzt werden. Dies können beispielsweise Halbleiterwerkstoffe (bevorzugt einkristallines Silicium), Keramiken, Glas oder Polymere sein.
  • Die Elektroden auf der Oberfläche des Substrates können als metallische Dünnschichten aufgebracht werden. Die Strukturierung kann mit bekannten Verfahren additiv (über Wechselmasken oder Haftmasken) oder subtraktiv (Ätzen) erfolgen. Geeignete Metalle sind Kupfer, Gold, Aluminium, Platin oder Mehrschichtsysteme, wie z.B. eine Cr-Au, Ni-Au oder Ti-Cu-Au. Es sollte eine gute Haftung am Substrat und der aktiven Schicht(en) gegeben sein.
  • Für die aktive(n) Schicht(en) können an sich beliebige piezoelektrische Materialien, wie AlN, ZnO oder PZT eingesetzt werden. Auch hier kann ein Auftrag mittels physikalischer Gasphasenabscheidung erfolgen. Für die Herstellung der Durchkontaktierungen durch ein Substrat können die Durchbrechungen durch reaktives Ionenätzen (DRIE), Plasmaätzen, nasschemisches Ätzen oder mittels Laserabtrag ausgebildet werden. Nach der Ausbildung der Durchbrechungen können deren Innenwände metallisiert und/oder mit einem elektrisch leitfähigem Material gefüllt werden. Die Metallisierung kann durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht werden, die ggf. galvanisch verstärkt werden kann.
  • Ein Ausfüllen mit einem elektrisch leitenden Material kann ebenfalls mit einer solchen Gasphasenabscheidung, aber auch durch Siebdruck erfolgen. Dabei kann ein Metall oder auch ein elektrisch leitfähiges polymeres Material in Durchbrechungen eingebracht werden.
  • Die bereits erwähnten elektrisch nicht leitenden Schichten, können ebenfalls als Dünnschichten auf das Substrat aufgebracht werden. Dies können beispielsweise geeignete Oxid- bzw. Nitridschichten sein. In den elektrisch nicht leitenden Schichten können ebenfalls Durchkontaktierungen vorhanden sein, mit denen die Leiterbahnen in den unterschiedlichen Ebenen elektrisch leitend verbunden werden können. Es können dafür aber auch herkömmliche Mehrlagensubstrate (z.B. Leiterplatten, keramische Mehrlagenschaltungen) mit entsprechenden Leiterbahnstrukturen eingesetzt werden.
  • Bei einem erfindungsgemäßen System besteht die Möglichkeit, dass eine aktive Schicht alle auf der Oberfläche des Substrates ausgebildeten Elektroden überdeckt. In einer weiteren Alternative kann aber auch jeder Elektrode eine eigene aktive Schicht zugeordnet sein. Zumindest die Elektroden sollten so ausgebildet sein, dass kein elektrischer Stromfluss von einer Elektrode zu einer anderen Elektrode möglich ist.
  • Die Gesamtdicke des Substrates einschließlich der durchkontaktierten Verdrahtungsebenen dollte deutlich größer sein, als die Wellenlänge des Ultraschalls im Substrat. Da das piezoelektrische Material in beide Richtungen mechanisch schwingt, sollten die rückseitig emittierten Schallwellen im Substrat absorbiert werden. Mögliche Reflexionen im Substratwerkstoff sollen nicht wieder auf die piezoelektrische aktive Schicht treffen, um unerwünschte Störsignale zu vermeiden.
  • Die einzelnen auf der Substratoberfläche ausgebildeten Elektroden sollten je nach gewählter geometrischer Gestaltung eine Breite aufweisen, die kleiner als die Wellenlänge der Schallwellen in einem Werkstoff, in den die Schallwellen emittiert werden, sein.
  • Die weitere(n) Elektrode(n) kann/können auf einer aktiven Schicht ausgebildet sein. Diese bildet dann zumindest bereichsweise die Oberfläche des Elements von der Ultraschallwellen emittiert werden.
  • Beim Einsatz eines erfindungsgemäßen Systems kann so vorgegangen werden, dass eine gepulste elektrische Spannung an die Elektroden angelegt wird. Bevorzugt erfolgt eine Einzelpulsung, die mit zeitlichen Unterbrechungen wiederholend durchgeführt werden kann. In Zeiträumen in denen keine Schallwellen emittiert werden, kann eine Detektion von zurück reflektierten Schallwellen erfolgen.
  • Mit der Erfindung kann Ultraschall mit Frequenzen von mindestens 30 MHz emittiert und detektiert werden.
  • Die elektrisch leitenden Verbindungen des Systems für den Anschluss an eine Spannungsquelle können an den Kontaktflächen in einer aufgeweiteten Anordnung an der Rückseite des Substrates mit bekannten Technologien realisiert werden. Dies kann z.B. durch Löten, Drahtbonden oder Kleben (z.B. mit elektrisch leitfähigem Klebstoff) erreicht werden.
  • Die erfindungsgemäßen Ultraschallwandlersysteme erreichen sowohl eine höhere laterale, wie auch eine tiefen Auflösung im Mikrometerbereich. Es können neue Anwendungsbereiche, wie beispielsweise eine effektive zerstörungsfreie Prüfung in der Elektronikfertigung, erschlossen werden.
  • Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden.
  • Dabei zeigen:
    • Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Systems;
    • Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Beispiels;
    • Figur 3 eine Linienanordnung von Elektroden und
    • Figur 4 eine Matrixanordnung von Elektroden.
  • Mit der Darstellung von Figur 1 wird deutlich, dass auf einer Oberfläche eines Substrates 1 Elektroden 2 (hier nur eine Elektrode 2 dargestellt) ausgebildet sind. Diese können über die durch das Substrat 1 an die Rückseite geführte Durchkontaktierung 4, mit einer nicht dargestellten elektrischen Spannungsquelle elektrisch kontaktiert werden. Dazu ist an der Rückseite mit einer Metallisierung eine elektrische Kontaktfläche 9 ausgebildet, die zum Löten oder Drahtbonden oder für eine anderweitige Verbindungsmöglichkeit genutzt werden kann.
  • Auf den Elektroden 2 ist eine aktive Schicht 3, hier aus Aluminiumnitrid aufgebracht, die wiederum von einer weiteren Elektrode 8 überdeckt ist. Die weitere Elektrode 8 dient dem Anschluss an das Massepotential. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden 2 und 8 wird die aktive Schicht 3 in dem Flächenbereich der Elektroden 2 in Schwingung versetzt, die sich bei Berührung mit einem zu prüfenden Körper oder einem Koppelmedium als Ultraschallwelle ausbreiten. In Pausen, in denen keine elektrische Spannung zwischen Elektroden 2 und 8 anliegt, kann eine zeitaufgelöste Detektion von Messignalen zwischen Elektroden 2 und 8 in Folge von zurück reflektierten Schallwellen erfolgen.
  • Bei dem in Figur 2 gezeigten Beispiel soll eine mögliche Aufweitung von elektrischen Anschlussstrukturen verdeutlicht werden.
  • Dabei sind auf einer Oberfläche des Substrates 1 wieder diskret und elektrisch isoliert zueinander Elektroden 2 ausgebildet. Auf den Elektroden 2 ist eine aktive Schicht 3 aus piezoelektrischem Werkstoff, die mit einer weiteren Elektrode 8 überdeckt ist, vorhanden.
  • Durch das Substrat 1 sind zu jeder einzelnen Elektrode 2 jeweils eine eigene Durchkontaktierung 4 bis zur Rückseite des Substrates 1 geführt. Auf dieser Rückseite sind bei diesem Beispiel sechs elektrisch nicht leitende Schichten 6.1 bis 6.6 als Mehrschichtaufbau ausgebildet. Auf den elektrisch isolierenden Schichten 6.1 bis 6.5 sind Leiterbahnen 7 ausgebildet, die mittels der Durchkontaktierungen 5 in den elektrisch nicht leitenden Schichten (6.1 bis 6.6) mit Kontaktflächen 10 elektrisch leitend verbunden sind. So wird erkennbar, dass bei einer kleinen für die Emittierung von Schallwellen nutzbaren Fläche, durch die Aufweitung eine viel größere Fläche für elektrische Anschlüsse an der Rückseite erhalten werden kann.
  • Mit den Figuren 3 und 4 sind Beispiele für Anordnungen und Gestaltungen von Elektroden 2 an einem erfindungsgemäßen System aufgezeigt.
  • Beim in Figur 3 gezeigten Beispiel sind auf der Oberfläche eines Substrats 1 streifenförmige Elektroden 2 in einer Reihenanordnung oder Linienanordnung ausgebildet. Der maximal mögliche Mittenabstand der Elemente bestimmt dabei die maximal mögliche Breite der einzelnen streifenförmigen Elektroden (2).
  • Bei der in Figur 4 gezeigten Matrixanordnung sind die Elektroden 2 mit einer quadratischen Fläche mit jeweils gleicher Flächengröße und gleichen Abständen zueinander ausgebildet. Der maximal mögliche Mittenabstand der Elektroden 2 bestimmt dabei die maximal möglichen Seitenlängen der einzelnen Elektroden (2).
  • Es können aber auch andere geometrische Elektrodenflächenformen als die hier gezeigten eingesetzt werden. Es besteht auch die Möglichkeit die Größe und/oder die Abstände von Elektroden 2 in einer Reihen- oder Matrixanordnung zu variieren.

Claims (12)

  1. Ultraschallwandlersystem, bei dem an einer Oberfläche eines elektrisch nicht leitfähigen oder halbleitenden Substrats (1) diskret zueinander angeordnete Elektroden (2), die als metallische Dünnschicht ausgebildet und jeweils einzeln mit Durchkontaktierungen (4) zur Substratrückseite hindurch geführt und an der Substratrückseite über eine Kontaktfläche (9) mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden sind; dabei auf der Oberfläche der Elektroden (2) mindestens eine aus einem piezoelektrischen Material gebildete aktive Schicht (3) ausgebildet ist, die mit mindestens einer weiteren Elektrode (8) und damit mit dem anderen Pol der Spannungsquelle oder dem Massepotential der Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden ist.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite des Substrates (1), die der Oberfläche, an der die Elektroden (2) ausgebildet sind, gegenüberliegt, mindestens eine elektrisch nicht leitende Schicht (6.1 bis 6.6) ausgebildet ist,
    zwischen oder auf der/denen elektrische Leiterbahnen (7) vorhanden sind, die mittels weiterer Durchkontaktierungen (5), durch die elektrisch nicht leitende(n) Schicht(en) (6.1 bis 6.n) geführt sind, elektrisch leitend mit Kontaktflächen (10) auf der Rückseite des Substrates (1) verbunden sind und dabei die Kontaktflächen (10) auf einer Fläche verteilt sind, die größer als die Fläche der aktiven Schicht(en) (3) auf der Vorderseite des Substrates (1) ist.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2) Reihenanordnung, eine Linienanordnung, Ringanordnung oder eine Matrixanordnung bilden.
  4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive Schicht (3) alle auf der Oberfläche des Substrates (1) ausgebildete Elektroden (2) überdeckt.
  5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) eine Dicke aufweist, die größer als die Wellenlänge der emittierten Schallwellen im Substratwerkstoff ist.
  6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2) eine Breite aufweisen, die kleiner als die Wellenlänge der Schallwellen in einem Werkstoff, in den die Schallwellen emittiert werden, ist.
  7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder einzelnen Elektrode (2) eine gesonderte aktive Schicht (3) zugeordnet und auf dieser ausgebildet ist.
  8. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere(n) Elektrode(n) (8) auf einer aktiven Schicht (3) ausgebildet ist/sind.
  9. Verfahren zur Emittierung von Ultraschallwellen mit einem System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der Ultraschallemissionsrichtung elektrische Spannung mit einem Zeitversatz an einzelne Elektroden (2) und Elektroden (8) angelegt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Ultraschallwellen mit einer Frequenz von mindestens 30 MHz emittiert werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass reflektierte Ultraschallwellen zeitaufgelöst detektiert werden und mit den detektierten Messsignalen eine ortsaufgelöste Abbildung der inneren Struktur eines Körpers, in den Ultraschallwellen detektiert und von dort reflektiert worden sind, berechnet wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Spannung als Einzelpuls angelegt wird.
EP09010474A 2009-08-13 2009-08-13 Ultraschallwandlersystem und Verfahren zu dessen Betrieb Ceased EP2283935A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP09010474A EP2283935A1 (de) 2009-08-13 2009-08-13 Ultraschallwandlersystem und Verfahren zu dessen Betrieb

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP09010474A EP2283935A1 (de) 2009-08-13 2009-08-13 Ultraschallwandlersystem und Verfahren zu dessen Betrieb

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2283935A1 true EP2283935A1 (de) 2011-02-16

Family

ID=41459788

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP09010474A Ceased EP2283935A1 (de) 2009-08-13 2009-08-13 Ultraschallwandlersystem und Verfahren zu dessen Betrieb

Country Status (1)

Country Link
EP (1) EP2283935A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2631015A2 (de) 2012-02-24 2013-08-28 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Ultraschallwandler zur Anregung und/oder zur Detektion von Ultraschall unterschiedlicher Frequenzen
DE102015210700A1 (de) * 2015-06-11 2016-12-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Detektion von Fehlern oder Defekten an Bauteilen unter Einsatz von Ultraschallwandlern

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996025244A1 (en) * 1995-02-16 1996-08-22 Precision Acoustics Limited Electrical coupling for piezoelectric ultrasound detector
WO2003000337A2 (en) * 2001-06-20 2003-01-03 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc Piezocomposite ultrasound array and integrated circuit assembly
US20030028108A1 (en) * 2001-07-31 2003-02-06 Miller David G. System for attaching an acoustic element to an integrated circuit
JP2003079621A (ja) * 2001-09-14 2003-03-18 Toshiba Corp 超音波プローブおよび超音波診断装置
US20030102777A1 (en) * 2001-12-05 2003-06-05 Fuji Photo Film Co., Ltd. Ultrasonic transducer and method of manufacturing the same
US20030205947A1 (en) * 2002-05-01 2003-11-06 Klee Mareike Katharine Ultrasonic membrane transducer for an ultrasonic diagnostic probe
JP2006122105A (ja) * 2004-10-26 2006-05-18 Toshiba Corp 超音波プローブ

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996025244A1 (en) * 1995-02-16 1996-08-22 Precision Acoustics Limited Electrical coupling for piezoelectric ultrasound detector
WO2003000337A2 (en) * 2001-06-20 2003-01-03 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc Piezocomposite ultrasound array and integrated circuit assembly
US20030013969A1 (en) * 2001-06-20 2003-01-16 Erikson Kenneth R. Acoustical array with multilayer substrate integrated circuits
US20030028108A1 (en) * 2001-07-31 2003-02-06 Miller David G. System for attaching an acoustic element to an integrated circuit
JP2003079621A (ja) * 2001-09-14 2003-03-18 Toshiba Corp 超音波プローブおよび超音波診断装置
US20030102777A1 (en) * 2001-12-05 2003-06-05 Fuji Photo Film Co., Ltd. Ultrasonic transducer and method of manufacturing the same
US20030205947A1 (en) * 2002-05-01 2003-11-06 Klee Mareike Katharine Ultrasonic membrane transducer for an ultrasonic diagnostic probe
JP2006122105A (ja) * 2004-10-26 2006-05-18 Toshiba Corp 超音波プローブ

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YUAN YI-QUAN ET AL: "PVDF-DMOS SENSORS AND ARRAY FOR UNDERWATER ACOUSTIC IMAGING", ACOUSTICAL IMAGING. SENDAI, MAY 31 - JUNE 2, 1988; [PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ACOUSTICAL IMAGING], vol. VOL. 17, 31 May 1988 (1988-05-31) - 2 June 1988 (1988-06-02), pages 609 - 617, XP000044002 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2631015A2 (de) 2012-02-24 2013-08-28 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Ultraschallwandler zur Anregung und/oder zur Detektion von Ultraschall unterschiedlicher Frequenzen
DE102012003495A1 (de) 2012-02-24 2013-08-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Ultraschallwandler zur Anregung und/oder zur Detektion von Ultraschall unterschiedlicher Frequenzen
DE102012003495B4 (de) * 2012-02-24 2015-04-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Ultraschallwandler zur Anregung und/oder zur Detektion von Ultraschall unterschiedlicher Frequenzen
EP2631015A3 (de) * 2012-02-24 2016-08-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Ultraschallwandler zur Anregung und/oder zur Detektion von Ultraschall unterschiedlicher Frequenzen
DE102015210700A1 (de) * 2015-06-11 2016-12-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Detektion von Fehlern oder Defekten an Bauteilen unter Einsatz von Ultraschallwandlern
DE102015210700B4 (de) 2015-06-11 2023-11-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Detektion von Fehlern oder Defekten an Bauteilen unter Einsatz von Ultraschallwandlern

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102005053767B4 (de) MEMS-Mikrofon, Verfahren zur Herstellung und Verfahren zum Einbau
US5655276A (en) Method of manufacturing two-dimensional array ultrasonic transducers
US5091893A (en) Ultrasonic array with a high density of electrical connections
US7148608B2 (en) Multi-layer ceramic acoustic transducer
KR100722370B1 (ko) 적층형 초음파 탐촉자 및 이의 제조방법
WO2005107962A1 (de) Ultraschallwandler sowie verfahren zur herstellung desselben
JP4758634B2 (ja) 多層セラミック音響変換器の製造方法
DE10151125A1 (de) Anschlussstruktur und zugehöriges Herstellungsverfahren sowie die Anschlussstruktur verwendende Prüfanschlussanordnung
TW201109668A (en) Inspection socket
US20060154075A1 (en) Multilayered structure and method of manufacturing the same, and ultrasonic transducer
DE102012003495B4 (de) Ultraschallwandler zur Anregung und/oder zur Detektion von Ultraschall unterschiedlicher Frequenzen
EP2288912B1 (de) Anordnung eines piezoakustischen resonators auf einem akustischen spiegel eines substrats, verfahren zum herstellen der anordnung und verwendung der anordnung
DE102011083627A1 (de) Verfahren zur Kontaktierung eines elektronischen Bauteils und Baugruppe mit einem elektronischen Bauteil auf einem Substrat
WO2010006849A2 (de) Verfahren zur herstellung eines bauelements, verfahren zur herstellung einer bauelementanordnung, bauelement und bauelementanordnung
EP0166180B1 (de) Hydrophon
WO2008135004A1 (de) Ultraschallwandler-array für anwendungen in gasförmigen medien
EP2283935A1 (de) Ultraschallwandlersystem und Verfahren zu dessen Betrieb
EP2817259B1 (de) Verfahren zur herstellung eines sensors
DE102013110900B4 (de) Prüfkopf für luftgekoppelten Ultraschall
EP1989731B1 (de) Verfahren zum herstellen und planaren kontaktieren einer elektronischen vorrichtung
JP2022552082A (ja) 音響トランスデューサ及び製造方法
Decharat et al. High frequency copolymer ultrasonic transducer array of size-effective elements
DE10018355A1 (de) Ultraschallwandler und Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers
US10553779B2 (en) Method of fabricating an acoustic transducer
DE3019410A1 (de) Verfahren zum herstellen einer ultraschallwandleranordnung

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA RS

17P Request for examination filed

Effective date: 20110815

17Q First examination report despatched

Effective date: 20141021

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN REFUSED

18R Application refused

Effective date: 20200808