EP3788618A1 - Impedanzanpassungsvorrichtung, akustische wandlervorrichtung und verfahren zum herstellen einer impedanzanpassungsvorrichtung - Google Patents

Impedanzanpassungsvorrichtung, akustische wandlervorrichtung und verfahren zum herstellen einer impedanzanpassungsvorrichtung

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EP3788618A1
EP3788618A1 EP19722580.8A EP19722580A EP3788618A1 EP 3788618 A1 EP3788618 A1 EP 3788618A1 EP 19722580 A EP19722580 A EP 19722580A EP 3788618 A1 EP3788618 A1 EP 3788618A1
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EP
European Patent Office
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impedance matching
microstructures
impedance
sound
acoustic
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EP19722580.8A
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English (en)
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EP3788618B1 (de
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Severin Schweiger
Sandro KOCH
Mario GRAFE
Nicolas LANGE
Jörg AMELUNG
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers
    • H04R3/02—Circuits for transducers for preventing acoustic reaction, i.e. acoustic oscillatory feedback
    • 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
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators

Definitions

  • the present invention relates to an impedance-matching device, to a conversion device having such an impedance-matching device, to a system having a converter device mentioned, and to a method for producing an impulse response.
  • the present invention further relates to a sound impedance matching, and more particularly to a system for adjusting a sound characteristic impedance.
  • the acoustic characteristic impedance describes the resistance of a medium against the acoustic flow, which results from an applied acoustic pressure.
  • At interfaces of materials with different acoustic impedance there is a reflection of a part of the acoustic energy, the proportion of which results essentially from the size of the acoustic impedance jump.
  • the energy transferable between the transducers and the acoustic load medium is reduced, the efficiency of the system is reduced.
  • Other typical sound transducers are based on piezo-thin-film systems and membrane oscillators, such as capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUT), whose acoustic characteristic impedances depend on the structural dimensions (in about 1 to 5 MRay1 [3]).
  • CMUT capacitive micromachined ultrasonic transducers
  • Typical load media are water (1, 48 MRayl [4]), human tissue (about 1.5 MRayl [4]) and air (about 427 Rayl [1]).
  • acoustic matching layers are essential.
  • acoustic characteristic impedance Z is dependent on the density p and the speed of sound c of the material:
  • FIG. 9 shows three different methods of adapting the acoustic characteristic impedance.
  • So-called Single Step Matching Systems (SMS) place an impedance step between the ultrasonic transducer side (about CMUT) and the medium Page (load).
  • Multiple Step Matching Systems (MMS) consist of two or more impedance steps.
  • Gradient Matching Systems (GMS) describe an exponential impedance curve that provides the best level of transmittance.
  • FIG. 9 shows a graph in which on the abscissa a curve of the thickness D of the matching layer between a CMUT (D-0) and the load side or medium side (D-max). The ordinate represents the acoustic characteristic impedance Z, which in the present diagram is reduced between the CMUT and the medium.
  • Aerogels [5] offer a solution. These achieve a very low acoustic characteristic impedance, but have a very diffractive effect and can only be applied in individual steps (MMS) with intermediately stored connecting materials, which in turn disturb the transmission behavior. Similar disadvantages have composite materials from embedded particles in a matrix [6],
  • microstructured materials that are manufactured using methods from the semiconductor industry. These methods include coating, structuring by lithography and etching processes. For example, by means of these three processes a sound impedance matching was generated in order to structure silicon oxide on a silicon wafer. Subsequently, a polymer was applied by a coating method and fixed to an ultrasonic transducer [7]. In another example, anisotropic etching processes were used to separate silicon into high aspect ratio posts and then fill the spaces with epoxy resin (composite) Creating sound impedance matching [8] A gradual progression is possible with the mentioned methods.
  • round conical tapered silicon rods were produced and re-embedded in epoxy [9]
  • Another example of graded acoustic impedance matching uses a non-specified micromachining process to provide a patterned copper, PZT (lead zirconate titanate) and parylene layered system generate [10].
  • the inventors have recognized that by forming microstructures with small dimensions in the sub-micrometer range, extremely precise and therefore efficient adaptation of the sound characteristic impedance can take place.
  • the impedance matching device is configured to adapt a sound characteristic impedance of a medium contacted on the second side to a sound characteristic impedance of a sound transducer contacted on the first side.
  • the impedance matching body comprises microstructures which have a structural extent of at most 500 nanometers along at least one spatial direction.
  • a method for producing an impedance matching device comprises a step of providing an impedance matching body having a first and an opposite second side, which is designed to transmit a sound characteristic impedance of a medium contacted on the first side to a sound characteristic impedance of one of the second Page contacted transducer adapted; such that the impedance matching body comprises microstructures having a structural extension of at most 500 nm along at least one spatial direction.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of an impedance matching device for adapting a sound characteristic impedance according to an embodiment
  • FIG. 2 is a schematic side sectional view of an impedance matching device according to an embodiment, in which a plurality of microstructures are arranged, which are arranged as branched channel structures;
  • FIG. 3 is a schematic side sectional view of an impedance matching device according to an embodiment, in which the microstructures are formed as tapered structures toward one side of a matching body;
  • FIG. 4a is a schematic side sectional view of an impedance matching device according to an embodiment, wherein the impedance matching body is formed so that the microstructures form a hexagonal lattice structure;
  • 4b is a schematic side sectional view of an impedance matching device according to an embodiment, in which the microstructures form a hexagonal / triangular pattern;
  • FIG. 4c shows a schematic side sectional view of an impedance matching device according to an embodiment, in which the microstructures are arranged in a triangular grid pattern, so that cavities have a triangular shape;
  • 4d is a schematic side sectional view of an impedance matching device according to an embodiment, in which the microstructures form a lattice structure according to a diamond pattern;
  • FIG. 5 is a schematic side sectional view of an impedance matching device according to an embodiment, in which the microstructures define an acoustic path;
  • FIG. 6 is a schematic block diagram of a converter device according to an embodiment
  • 7 is a schematic block diagram of a system according to an embodiment
  • FIG. 8 is a schematic flowchart of a method according to an embodiment for producing an impedance matching device.
  • Fig. 9 is a schematic representation of three known methods of adaptation of the acoustic characteristic impedance.
  • the impedance matching device includes an impedance matching body 12 having a first side 14 and a second side 16.
  • the sides 14 and 16 are disposed opposite to each other.
  • the impedance matching device may be configured to detect sound, i. H. an acoustic wave to be traversed from the side 14 to the side 16 along a sound passage direction 18a and / or to be traversed by a sound wave from the side 16 to the side 14 along an opposite sound passage direction 18b.
  • the sound wave can be generated by a sound converter, which can be contacted with the side 14.
  • the side 16 may be contactable with a medium, for example a human body, a liquid or air or the like.
  • the impedance matching device 10 may be configured to adapt a sound characteristic impedance of the medium to a sound characteristic impedance of the sound transducer and / or vice versa.
  • the impedance matching body 12 can have, for example, a sound characteristic impedance in a region of the side 14 which is adapted to the sound transducer and furthermore has a sound characteristic impedance in the region of the side 16 which is adapted to the target medium.
  • the impedance matching body 12 comprises microstructures, for example branched microstructures 22i and 22 2 and / or in-plane microstructures 22 3 .
  • the microstructures 22i, 22 2 and / or 223 may be formed as cavities in a material of the impedance matching body 12, wherein the cavities may be filled or unfilled.
  • a filling of the cavities may in whole or in part comprise a different material than a base material or residual material 24 of the impedance matching body 12. That is, the microstructures 22i to 22 3 may be in the form of a cavity, a channel structure and / or an inclusion in the material 24 be understood.
  • the microstructures 22i to 22 3 may each be formed individually or jointly so that along at least one spatial direction they have a structural extent 26i, 26 2 and / or 263 which is at most 500 nanometers, preferably at most 300 nanometers and particularly preferably at most 100 nanometers is.
  • the structure extent 26i, 26 2 and / or 26 3 can be understood as the longest distance between any two points of an outer surface of the microstructure, wherein the two arbitrary points in a cross section of the microstructure 22i to 22s are opposite.
  • the structural dimensions can be arranged along any spatial direction x, y and / or z.
  • the points may be arranged in a longitudinal section or cross section, the longitudinal section being for example through a plane formed by the diameter of the tubular structure.
  • the structural extent of one or more microstructures may be a dimension thereof perpendicular to an axial extent direction of the respective microstructure.
  • the structural extent may be the diameter of a round microstructure 22.
  • the microstructure 22 2 may be fluidically coupled to the microstructure 22 i such that an average value of a volume occupied by the microstructures 22 i and 22 2 increases from the side 14 toward the side 16, but may alternatively decrease, that is , an average value of the acoustic characteristic impedance may increase or decrease toward the side 14, or alternatively be constant, as described in connection with FIGS. 4a to 4d.
  • This may be a variable density p of the material 24 and thus a change in the acoustic characteristic impedance between the sides 14 and 16 cause.
  • the acoustic characteristic impedance of the impedance matching device 10 may increase from the side 14 to the side 16. If the density is lower, for example, a decreasing acoustic characteristic impedance along the direction of sound passing through 18a can be obtained. That is, the microstructures may include a first impedance matching material, and a second impedance matching material, such as the material 24, may be disposed in intermediate regions between the microstructures.
  • the microstructures may be formed, for example, from a cured polymer material or a metal material. Alternatively, any other material may be used. Described polymer materials and / or metal materials can be precisely processed and used directly as microstructures, as described in connection with the manufacturing process described herein. Alternatively, such structures may also serve as a template or negative mold to allow for the impression of other materials.
  • At least one microstructure may also be arranged perpendicular thereto, for example parallel to an x-direction, for example perpendicular to a surface normal of the first side 14 and / or the second Page 16 can be arranged.
  • microstructures By forming the microstructures with the defined structural extent of at most 500 nanometers, preferably at most 300 nanometers or preferably at most 100 nanometers, an extremely fine and thus exact adjustment of the sound characteristic impedance along the sound passage direction 18a and / or 18b can be set. This enables efficient operation of the impedance matching device even with small dimensions of the impedance matching device 10.
  • Embodiments make possible a continuous transition between the respective impedance values, for example the medium and the sound transducer, which is not or only with difficulty possible in known concepts.
  • Exemplary embodiments provide concepts for an acoustic impulse response and its production method, for example, or even primarily using the multiple-photon absorption lithography method for producing layer systems, which adapt the acoustic sound characteristic impedance between the sound transducers and the medium.
  • One goal is an ideal coupling of the acoustic energy from the sound transducer into the load medium (transmission case) and / or from the load medium into the sound transducer (reception case).
  • a single channel structure 22i in the region of the side 14 can branch off into a multiplicity of channel structures, for example in the sense of a river delta.
  • a material or the absence of material can be described as at least local material density p 2 , which is different from a material density pi of the material 24.
  • the increasing volume fraction of the microstructures 22 allows an overall density of the impedance matching body 10, which is increasingly influenced by the microstructures 22 along the sound passage direction 18a, to influence or determine the sound characteristic impedance and thus describes an increasing influence of the sound characteristic impedance by such a material.
  • the microstructures 22 may define cavities.
  • An effective material density of the impedance matching body 12 may be monotonically variable between the sides 14 and 16 through the cavities.
  • the impedance matching material 24 having a density pi may be increasingly traversed by the impedance matching material p 2 , so that a variable effective density of the impedance matching body is obtained in a spatial average.
  • the monotonous increase or decrease of the volume of the microstructures can thus lead to a monotonous change in the density of the material 24 in order to effect the adaptation of the acoustic characteristic impedance.
  • the cavities can be formed or enclosed by the microstructures, for example. Alternatively or additionally, at least one of the microstructures 22 may define an area outside a cavity, so that the cavity is formed away from the microstructures 22.
  • the microstructures 22 may define branched microchannels whose number is monotonically variable between the sides 14 and 16 to effect the change in the density of the material 24.
  • FIG. 2 shows microcavities that are changed in a layer system that is modified by cavities, channels or inclusions in its effective density and therefore sound characteristic impedance.
  • the desired acoustic characteristic impedance curve can be generated by connected cavities 22.
  • the largest amount of channels and thus the lowest acoustic characteristic impedance can be arranged on the medium side of the layer system, ie the side 16.
  • at least one other property such as the shape, the position and / or the volume of the microstructures may also be variable in order to obtain the variable density or material density described in connection with FIG. This change in density can be monotonous, as can be obtained, for example, by the described monotonically variable number of microchannels.
  • the change of all properties can be uniform, that is, with an equal rate of change along the sound passing direction. Alternatively, a variable rate of change may be established.
  • the rate of change of one, several or all properties within the impedance matching body may be determinable, ie, be predictable and be made advantageous by appropriate acoustic calculations and / or simulations, which may allow a good or improved sound transmission.
  • a positional variance of the microstructures may be due to the spacing ratio of the structures with each other, or the ratio of the position of the structures to one of outer walls of the impedance matching body.
  • a targeted positioning of the structures in a concen- trically changing manner may allow the creation of a focusing layer which does not have a curvature of the outer walls.
  • the impedance matching body may have a decreasing distance in the radiation direction between the individual structures from the center.
  • the microchannels may also have other shapes, such as spirals, round or non-circular drops, cubes or the like.
  • the microstructures can all be uniform but also intentionally different with respect to the shape and / or size. In this case, such a form may denote the microstructure as a whole, but combinations are also possible, such as a microchannel, which forms or comprises a drop, a round or non-round cavity or a cube, ie, has polygonal surfaces, and / or a microchannel that runs in a spiral shape.
  • a drop can be understood as a non-linear and / or continuous change of the cross-section, whereby a sphere is one of the possible shapes, but which can also be longitudinally stretched.
  • the shape may have a variable configuration / cross-section along the example of a spiral course, and / or the exemplary spiral may be connected at at least one end or along a path to further microstructures.
  • 3 shows a schematic side sectional view of an impedance matching device 30 according to an exemplary embodiment, in which the microstructures are formed as structures that taper toward the side 14.
  • the tapered structures may have areas 28i of minimal extent, with the areas 28, minimum extent related to the structure extent.
  • the microstructures 22 may taper conically so that the regions 28 may represent the ends or tips of the conical structures.
  • the microstructures are formed individually or in combination, for example pyramidal, conical or otherwise tapered.
  • FIG. 3 illustrates an exemplary embodiment with tapered structures in which the main material 24 is subdivided into likewise conically tapering structures, wherein the tapering of the material 24 towards the side 16 can take place.
  • the taper may be applied directly to sides 14 and 16, but may alternatively be spaced therefrom.
  • the desired sound characteristic impedance curve is generated, for example, by a plurality of conically tapered volumes of the microstructures 22i. This may cause the lowest acoustic characteristic impedance of the impedance matching body to be on the side 16.
  • microstructures 22 according to other exemplary embodiments can also be used as SMS and / or MMS.
  • FIG. 4a shows a schematic side sectional view of an impedance matching device 40a in which the impedance matching body is formed so that the microstructures 22 form a lattice structure extending along a direction perpendicular to the sound passing directions 18a and / or 18b.
  • the impedance-adjusting body 12 from the side 14 to the side 16, and vice versa, there is no change in the mean density and / or the acoustic characteristic impedance.
  • the impedance matching body 12 may have a mean unchanged or constant acoustic characteristic impedance that is, for example, less than the higher of the acoustic characteristic impedance arranged on the sides 14 and 16 and / or higher than the lower of these acoustic characteristic impedances.
  • the microstructures 22 can form a hexagonal grid or a honeycomb structure in the illustrated side section.
  • the impedance matching device 40a enables an SMS.
  • FIG. 4 b shows a schematic side sectional view of an impedance matching device 40 b according to an exemplary embodiment, in which the microstructures engage form hexagonal / triangular patterns, for example by forming a plurality of in-plane microstructures, such as the microstructure 22i perpendicular to the sound passage directions 18a and / or 18b and a plurality of microstructures arranged perpendicularly in different directions intersecting the in-plane microstructure diagonally, either the microstructure 22z and / or 22 3 , which extend in an oblique arrangement between the sides 14 and 16.
  • the microstructures engage form hexagonal / triangular patterns, for example by forming a plurality of in-plane microstructures, such as the microstructure 22i perpendicular to the sound passage directions 18a and / or 18b and a plurality of microstructures arranged perpendicularly in different directions intersecting the in-plane microstructure diagonally, either the microstructure 22z and / or 22 3 , which
  • FIG. 4 c shows a schematic side sectional view of an impedance matching device 40 c according to an exemplary embodiment, in which the microstructures are arranged in a triangular grid pattern, so that cavities 32 have a triangular shape in the illustrated side sectional view.
  • the microstructures 22 may be formed, for example, from the material 24, wherein the cavities 32 may represent filled or unfilled cavities.
  • FIG. 4 d shows a schematic side sectional view of an impedance matching device 40 d according to an exemplary embodiment, in which the microstructures 22 i to 22 a likewise form a lattice structure, wherein the lattice structure is formed in accordance with a diamond pattern.
  • the impedance matching devices 40a, 40b, 40c and / or 40d may have a substantially homogeneous or constant acoustic characteristic impedance between the sides 14 and 16.
  • an impedance matching device has an impedance matching body which is formed in a multi-layered manner and has at least a first layer and a second layer, which are arranged next to one another.
  • the first layer may have a first layer characteristic impedance and the second layer may have a second layer characteristic impedance, wherein the two layer characteristic impedances are the same, but preferably different from one another.
  • identical patterns according to FIGS. 4 a to 4 d can be used, for example based on different opening cross sections of the cavities 32 and / or different patterns can be used, for example by arranging different impedance matching bodies 12.
  • the microstructures 22 may form a lattice structure arranged along a direction perpendicular to the sound passage directions and extending along this direction, for example along the x direction.
  • the cavities 32 may extend along the same or a different direction perpendicular to the sound propagation directions 18a and 18b in the impedance matching body, for example along the y-direction.
  • the cavities may have a polygonal cross-section based on an arrangement of the microstructures 22; alternatively, the cross-section may also be formed according to a free-form surface, be formed elliptical or even be formed round.
  • FIGS. 4a to 4c show the implementation of a microgrid.
  • the matching layer system in this case comprises a framework-like lattice with variable framework elements.
  • the microgrids mentioned are shown in FIGS. 4a to 4d as sectional images of different lattice structures, FIG. 4a showing a hexagonal lattice, FIG. 4b a hexagonal / triangular lattice, FIG. Fig. 4c shows a triangular grid and Fig. 4d shows a diamond grid.
  • the grids can be arranged in lattice planes, wherein the lattice planes can, for example, run parallel to the sides 14 and / or 16, wherein an impedance matching device can have one or more lattice planes.
  • the desired sound characteristic curve can be generated by differently oriented and connected connecting pieces.
  • the grid structures can be formed by two-dimensional or three-dimensional grid structures.
  • Three-dimensional lattice structures can be distinguished by changing the lattice constant and / or the thickness and shape of the compounds. This allows a high rigidity against conical structures and / or easy processing with the method, since the structure is easily enforceable with a developer solution.
  • FIG. 5 shows a schematic side sectional view of an impedance matching device 50 according to an embodiment, in which the microstructures 22i to 22 3 define an acoustic path 34 between the sides 14 and 16.
  • the acoustic path 34 may pass through the cavity 32 which is defined by the microstructures 22i to 22.
  • a vacuum, a fluid, for example a gas, and / or a solid can be arranged in the cavity 32, wherein preferably a material of the microstructures 22i to 22 3 has a higher acoustic characteristic impedance than the impedance matching body 12 in a region of the acoustic path, for example the Cavity 32.
  • the acoustic path 34 may provide a propagation delay for sound transmitted through the acoustic path 34.
  • the propagation delay can be provided based on a path extension compared to the direct connection 36, that is, the longer path or the path extension of the acoustic path 34 can be used to obtain the propagation delay and thus a phase shift.
  • the acoustic path 34 may have a plurality or multiplicity of path sections 38i to 38.
  • the impedance matching device 50 is shown as having four path sections 38i are arranged serially one behind the other 4 to 38, a different number of at least one path section, at least two path sections, at least three path sections, at least five path sections, for example six, eight or ten path sections or more to be implemented. With regard to one or more path sections, parallel path sections may also be arranged.
  • the path portions 38i to 38 4 can individually be arranged in groups, or generally perpendicular to the sound-sweeping directions 18a and / or 18b, so that the acoustic path 34 is perpendicular in the region of path sections 38i to 38 4 to the sound-sweeping directions 18a and / or 18b or has at least one directional component perpendicular to the sound passage directions 18a and / or 18b.
  • the path portions may extend in different planes of the impedance matching body 12 between the sides 14 and 16, for example when the planes are considered to be parallel to the sides 14 and / or 16.
  • the path sections 38i, 38 2 , 38 3 and 38 4 can each have an acoustically effective cross section 42i, 42 2 , 42 3 and 42, respectively, which is defined by the size or extent of the cavity 32 in the region of the respective path section 38i to 38 can be influenced.
  • the acoustically effective cross section 42j of a path section 38 can be determined or influenced by a spacing of adjacent microstructures 22i and 22 2, 22 2 and 22 3 and / or a microstructure 22i or 22 3 to its side 14 or 16 be.
  • the acoustically effective cross sections 42i to 42 may be the same as or different from one another, wherein, for example, an acoustic cross section decreasing along a sound passage direction 18a or 18b may cause an increase of an acoustic sound characteristic impedance.
  • a taper 44i, 44 2 and / or 44 3 of the acoustic path 34 or the acoustically effective cross section may be arranged.
  • Such a taper can be obtained, for example, by a distance between the microstructures and boundary structures 46i and / or 46 2 , for example sidewall structures.
  • microstructures 22 4 and / or 22 5 can be provided, although other materials and / or dimensions and / or geometries can be used, as long as these structures have a higher acoustic characteristic impedance than the cavity 32 in the region of the corresponding path section.
  • the additional arrangement of the microstructures 22 4 and 22 5 brings about a corresponding manufacturing effort, this allows a precise adjustment of the acoustic characteristic impedance of the impedance matching device 50.
  • the tapers 44i to 44 3 can be produced simply because they can result, for example, from a distance between the microstructures 22i to 22 3 to the limiting structures 46i and / or 46 2 NEN.
  • an acoustically effective cross-section 42i of at least one path portion 38i may vary over its axial extent, for example along the x-direction. This can be obtained, for example, by a variable dimension of at least one of the microstructures 22i, 22 2 and / or 22 3 along the direction of sound passing through 18 a and / or 18 b, alternatively or additionally, additional structures can be provided in the course of the path section 38 i.
  • the acoustically effective cross sections 42j can be set individually, in groups or in total the same. This means that an acoustically effective cross section of two adjoining path sections can be different from one another.
  • FIG. 5 shows a wound-up structure in which the matching layer system consists of coiled or wound structures which increase the transit time of the sound wave.
  • FIG. 5 shows the wound-up structures as a section through an elementary cell of a layer system applied to a sound transducer.
  • the desired acoustic characteristic impedance curve can be generated by a plurality of channels wound into one another.
  • the sound characteristic impedance can be influenced by the speed of sound through the wave transit time until the wave arrives on the medium side of the layer system.
  • each of these embodiments may provide a one-step, multi-level, or gradient-like progression of the acoustic impedance matching.
  • the different embodiments can be combined with one another as desired, so that differently formed microstructures and / or lattice structures can be arranged in different planes perpendicular to the sound passage direction and / or parallel thereto. This can be done in one piece, for example, by forming the microstructures differently in different regions of the impedance matching body.
  • a multi-part arrangement can also be carried out, for example by impedance-matching bodies being mechanically and / or acoustically coupled to one another in accordance with various exemplary embodiments and in each case forming a layer of a multilayer impedance matching body.
  • impedance-matching bodies being mechanically and / or acoustically coupled to one another in accordance with various exemplary embodiments and in each case forming a layer of a multilayer impedance matching body.
  • a course of the acoustic characteristic impedance between the first side 14 and the second side 16 of the overall obtained impedance matching body may be continuous or discontinuous.
  • An example of a continuous course may be a linear and / or exponential development of the course of the acoustic characteristic impedance along the sound passage direction 18a and / or 18b.
  • the impedance matching device is designed so that the impedance matching body has different acoustic characteristic impedances on the different sides.
  • one of the sides may be matched to a sound impedance of a MUT transducer so that the sound impedance of the impedance matching body matches the sound characteristic impedance of the MUT transducer within a tolerance range of ⁇ 50%, ⁇ 25% or ⁇ 10%, that is, the values of the sound characteristic impedance, the sound characteristic impedance values agree.
  • An exemplary value for this is 1-35 MRayl.
  • a range of 1-5 MRayl may work well for membrane transducers, including MUT transducers.
  • the range of 1-35 MRayl also includes ceramics, and composite transducers, such as PZT-based transducer classes.
  • the sound characteristic impedance on the other side may match or at least approximate the sound characteristic impedance of a target medium, if possible, such as a fluid, such as air.
  • FIG. 6 shows a schematic block diagram of a converter device 60 according to one exemplary embodiment.
  • the transducer device 60 includes, for example, the impedance matching device 10.
  • the transducer device 60 further includes a transducer element 48 that may be configured to generate a sound wave based on a drive signal, or alternatively or additionally configured to generate an electrical wave based on an incoming sound wave Signal to provide.
  • the transducer element 48 can be implemented as or comprise a sound actuator and / or sound sensor.
  • the impedance matching device 10 is coupled to the sound transducer element 48 at the side 14, for example, by the impedance matching body being mechanically mechanically coupled to the sound transducer element 48.
  • the impedance matching device 10 may be deposited on the acoustic transducer element 48 or vice versa.
  • the transducer device 60 is described as having the acoustic transducer element 48 acoustically coupled to the side 14, the acoustic transducer element 48 may alternatively be acoustically coupled to the side 16.
  • the other side 16 or 14 may be configured to be contacted with a medium into which a Sound wave is to be sent or from which a sound wave is to be received.
  • another acoustically effective structure for example a further sound transducer element, may be acoustically coupled on the other side, so that an impedance matching between two sound transducer elements can be performed based on the impedance matching device 10.
  • the acoustic coupling between the acoustic transducer element 48 and the side 14 has a continuous transition of the acoustic characteristic impedance, that is, within the tolerance range of ⁇ 50%, ⁇ 25% or ⁇ 10%, the acoustic characteristic impedance of the acoustic transducer element 48 in accordance with the acoustic characteristic impedance of Impedance adjustment device on the side 14.
  • the acoustic transducer element 48 may comprise a piezoelectric ceramic material and / or a composite material.
  • the acoustic transducer element 48 may comprise a piezoelectric thin-film material, such as PVDF (polyvinylidene fluoride).
  • the sound transducer element 48 comprises a micromachined ultrasonic transducer, for example a capacitive MUT (CMUT), a piezoelectric MUT (PMUT) or a magnetic MUT (MMUT).
  • CMUT capacitive MUT
  • PMUT piezoelectric MUT
  • MMUT magnetic MUT
  • impedance matching device 10 is arranged, alternatively or additionally a further and / or different impedance matching device may be arranged, for example the impedance matching device 10, 20, 30, 40a, 40b, 40c, 40d and / or 50.
  • impedance matching devices can be arranged which have a combination of different layers, each with at least one impedance matching device or impedance matching body, wherein, for example, an impedance matching device 40a, 40b, 40c, 40d comprises a layer of the common body, at least in space Means can provide constant acoustic characteristic impedance.
  • the described adaptation structures can be integrated into single-channel and multi-channel, for example, air-coupled CMUT components and CMUT systems in order to increase the transducer range, sensitivity and bandwidth.
  • Such systems can be optimized as miniaturized sensors for distance and motion detection as well as imaging, and further enable, for example, gesture control in the vehicle interior (automotive) as well as contactless control of household appliances (consumer; Sensor applications in medical technology and integration in mobile applications in service and industrial robots (industry).
  • FIG. 7 shows a schematic block diagram of a system according to an exemplary embodiment, which comprises, for example, the converter device 60 and a control unit 52.
  • the control unit 52 is designed to operate the sound transducer element 48, which means to provide the sound transducer element 48 with a drive signal 541 to excite the sound transducer element 48 for emitting a sound transducer 56i and / or to receive a sound transducer signal 54 2 from the sound transducer element 48 this provides based on an incoming sound wave 56 2 .
  • the control unit 52 may be configured to operate the acoustic transducer element 48 in an ultrasonic frequency range, that is, in a frequency range of at least 20 kilohertz.
  • the control unit may be designed to operate the sound transducer element 48 in a frequency range of at least 20 kilohertz and at most 200 megahertz, at least 20 kilohertz and at most 150 megahertz, or at least 20 kilohertz and at most 100 megahertz.
  • FIG. 8 shows a schematic flowchart of a method 800 according to an exemplary embodiment for producing an impedance matching device, for example the impedance matching device 10, 20, 30, 40a, 40b, 40c, 40d and / or 50.
  • the method 800 includes a step 810.
  • an impedance matching body is provided having a first and an opposite second side.
  • the impedance matching body is configured to match a sound characteristic impedance of a medium contacted on the first side to a sound characteristic impedance of a sound transducer contacted on the second side such that the impedance matching body comprises microstructures having a structural extent of at most 500 nanometers along at least one spatial direction.
  • the impedance matching body can be manufactured, for example, by being arranged directly on or on a sound transducer or manufactured as a separate component.
  • the fabrication of the impedance matching body may include providing a transfer material.
  • a positive mold or a negative mold of the microstructures can be formed.
  • the transfer material comprises a curable polymer material, in particular a polymer material, the in the context of a multiple photon absorption lithography, for example SU-8 and / or ormocers.
  • the production of the positive mold or the negative mold can be effected by applying the transfer material with at least two photons at one location, so that there is a local change of a structural composition of the transfer material is effected, that is, a curing or alternatively liquefaction of the polymer material.
  • the multiple photon absorption lithography can provide feature sizes of at most 500 nanometers, at most 300 or at most 100 nanometers.
  • the transfer material comprises a metal material in which, for example, by an ablation method by multiple photon absorption, in particular a laser ablation process, the positive form or the negative form of the microstructures can be obtained.
  • the transfer material is not limited to a metal material but may also have another material in a solid or liquid state for the (laser) ablation method by multiple-photon absorption according to further embodiments and, for example, a fluid, for example polymerizable fluid or fluid in the solid state, a semiconductor material, at least one organic compound and / or a ceramic material.
  • Microstructures with different materials can be combined with each other, so that both the use of a metal material and the use of a polymer material and the use of the fluid in the solid or liquid state and / or the ceramic material in a solid or liquid state can be combined with each other, such as in different layers of the impedance matching body.
  • the obtained positive mold or negative mold can be further processed.
  • the production may include, for example, a step of coating the positive mold or negative mold.
  • inverting the positive or negative mold may be carried out. Inverting can be understood as meaning a change in material of the positive or negative mold.
  • the positive mold or negative mold can be coated, then the material of the positive mold or negative mold can be dissolved out, for example by a solvent or an etching process, and then the cavity obtained can be refilled or filled with any desired material.
  • the small feature sizes obtained by the multiple-photon lithography method and / or the laser ablation by the multiple-photon absorption can be retained, so that even in materials that can not be processed so precisely, for example by subtractive methods, such small feature sizes are produced can.
  • the post-processing may further include pouring off the positive or negative mold. By pouring, a mold transfer from the positive mold or negative mold to a corresponding other mold can be understood. Alternatively or additionally, inclusion of the positive or negative mold can take place in which, for example, the previously prepared positive or negative mold is retained as the core.
  • the material 24 may be cured by a lithography process and used as a positive mold, which may be filled with other materials.
  • the impedance matching body 30 can be obtained by generating cavities into which the material 24 is later filled. That is, fabricating the impedance matching body may include creating microstructures such that they are formed as tapered microstructures, which is true for both the regions of material 24 and the spaces therebetween.
  • producing the impedance matching body may include generating at least one cavity disposed in the impedance matching body and capable of causing there to change an effective density of the impedance matching body.
  • the production of a cavity may include both curing for later retention of a material and detachment of a material, and describes, for example, generating different materials and / or densities in the impedance matching body in a spatial means for varying the density of the impedance matching body in the spatial mean.
  • manufacturing the impedance matching body may include generating the microstructures as a grid structure.
  • the grating structure may be formed of an impedance matching material of the impedance matching body and define cavities extending along the direction perpendicular to the sound passing direction in the impedance matching body.
  • the cavities may, for example, have a polygonal cross section with three, four, five or six, seven or a higher number of corners and / or edges, wherein the structures can be combined with one another.
  • 4a, 4b, 4c and / or 4d may thus be formed of cured polymer material and / or the metal material, but may also comprise a material which has been input to a corresponding negative mold, the transfer material for defining these structures may later be dissolved or left.
  • the manufacturing includes creating the microstructures such that the microstructures form an acoustic path between the sides of the Define impedance matching body, as described for example in connection with FIG. 5.
  • a material of the microstructures may have a higher acoustic characteristic impedance than the impedance matching body in a region of the acoustic path.
  • the acoustic path may provide a propagation delay for sound transmitted through the acoustic path compared to a direct connection between the first side and the second side.
  • the impedance matching body includes an undercut, that is, it includes a shape having a portion that would prevent removal from a mold or an impression mold. This is possible in accordance with the described production method in that any three-dimensional structures can be produced by the ablation method and / or the lithography method.
  • An exemplary production process is described in EP 1 084 454 B1.
  • a polymerization method by means of multi-photon absorption can be used according to an exemplary embodiment for the described approach in order to produce microstructures with specific acoustic impedance impedances or acoustic characteristic impedance curves.
  • Methods described herein allow for the creation of feature sizes of at most 500 nanometers and less, for example at most 300 nanometers or at most 100 nanometers or less.
  • the methods provide high flexibility in the design and fabrication of the micro-structures for acoustic impedance matching.
  • the mentioned properties offer the advantage of generating precise, exponential sound characteristics and thus ensuring an ideal coupling between the ultrasonic transducer and the load media.
  • the high resolution low structural expansion
  • the high resolution can be used to greatly reduce the acoustic characteristic impedance at a short distance and thus to a medium such.
  • Diffraction effects and other damping effects, which are normally introduced by microstructures, can be reduced or even prevented by targeted design of the microstructures.
  • Another advantage of the high precision is the possibility to produce a very accurate layer height, which has a strong influence on the transmission behavior.
  • Another advantage is that it is possible to dispense with intermediate and adhesion materials, which were required between individual impedance layers of different matching layers in previous solutions, and this does not preclude an arrangement thereof.
  • the described methods are applicable in principle to any type of sound transducers. Advantages lie in the precision which can be obtained in particular in the case of miniaturized sound transducer elements and transducer systems and thus contribute in particular to MEMS-based sound transducers, sound sensors and sound actuators to an added value.
  • System with a sound characteristic impedance module characterized in that the layer system as in FIG. 2 consists of several layers of constant sound characteristic impedance, the sound characteristic impedance of the individual layers differing and preferably having characteristic values between the sound characteristic impedances of the sound transducer and the medium, preferably air.
  • System characterized in that the sound transducer operates in the ultrasonic frequency range, preferably in the range between 20 kHz and 100 MHz.
  • transducer is based on piezoelectric ceramics and composite materials, for example PZT.
  • the sound transducer as a micromachined sound transducer (MUT); is preferably realized with capacitive (CMUT), piezoelectric (PMUT) and magnetic action principles (MMUT).
  • CMUT capacitive
  • PMUT piezoelectric
  • MMUT magnetic action principles
  • a method for producing a sound characteristic impedance module for the adaptation of the acoustic impedance between a sound transducer and a surrounding medium characterized in that the sound characteristic impedance module has feature sizes below 500 nm.
  • Method in which the typical feature size of the acoustic impedance module is less than or equal to 100 nm.
  • Method characterized in that the adaptation takes place by generating microcavities and in this case the sound characteristic impedance module through cavities, channels or inclusions are varied in its effective density, effective speed of sound and thus sound characteristic impedance.
  • the acoustic characteristic impedance module consists of framework-like gratings with variable skeleton elements, preferably hexagons, hexagons / triangular edges, triangular edges and diamonds.
  • Method characterized in that the adaptation takes place by generating wound structures and in this case the sound characteristic impedance module has coiled or wound structures which increase the transit time of the sound wave.
  • a method using the multiple photon absorption lithography method for generating the acoustic impedance module characterized in that a transfer medium under the targeted action of at least two photons changes its structural composition and generates a mechanically stable structure compared to the environment.
  • the transfer medium consists of liquid and / or solid polymers, metals, gases, ceramics and / or combinations of these materials.
  • SiO2 airgel matched piezo-transducers "Ultrasonics, vol. 32, no. 3, pp. 217-222, 1994.

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Abstract

Eine Impedanzanpassungsvorrichtung zur Anpassung einer Schallkennimpedanz umfasst einen Impedanzanpassungskörper mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Seite. Die Impedanzanpassungsvorrichtung ist ausgebildet, um eine Schallkennimpedanz eines an der ersten Seite kontaktierten Mediums an eine Schallkennimpedanz eines an der zweiten Seite kontaktierten Schallwandlers anzupassen. Der Impedanzanpassungskörper umfasst Mikrostrukturen, die entlang zumindest einer Raumrichtung eine Strukturausdehnung von höchstens 500 Nanometern aufweisen.

Description

IMPEDANZANPASSUNGSVORRICHTUNG, AKUSTISCHE WANDLERVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINER IMPEDANZANPASSUNGSVORRICHTUNG
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Impedanzanpassungsvorrichtung, auf eine Wandlervorrichtung mit einer derartigen Impedanzanpassungsvorrichtung, auf ein System mit einer erwähnten Wandlervorrichtung und auf ein Verfahren zum Herstellen einer Impulsantwort. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Schallkennimpedanzanpassung und insbesondere auf ein System zur Anpassung einer Schallkennimpedanz.
Die Schallkennimpedanz beschreibt den Widerstand eines Mediums entgegen dem akustischen Fluss, welcher durch einen applizierten akustischen Druck entsteht. An Grenzflächen von Materialien mit unterschiedlicher Schallkennimpedanz kommt es zu einer Reflektion eines Teils der akustischen Energie, dessen Anteil sich im Wesentlichen durch die Größe des akustischen Impedanzsprungs ergibt. Infolge verringert sich die zwischen den Schallwandlern und dem akustischen Lastmedium übertragbare Energie, die Effizienz des Systems ist reduziert. Typische Schallwandler mit entsprechenden Schallkennimpedanzen basieren auf Piezokeramiken (Schallkennimpedanz in etwa 33 MRayl = 33 Ns/m3 [1]) oder Piezokompositen (in etwa 7 MRayl [2]). Weitere typische Schallwandler basieren auf Pie- zodünnschichtsystemen und Membranschwingern, etwa CMUT (capacitive micromachined ultrasonic transducer; kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler), deren Schallkennimpedanzen von den Strukturdimensionen abhängen (in etwa 1 bis 5 MRayl [3]). Typische Lastmedien sind Wasser (1 ,48 MRayl [4]), menschliches Gewebe (in etwa 1 ,5 MRayl [4]) und Luft (in etwa 427 Rayl [1]). Für einen optimierten Energietransfer, insbesondere in Luft, sind akustische Anpassschichten essentiell.
Typischerweise werden Schichtsysteme zur Anpassung der Schallkennimpedanz aus konventionellen oder Kompositmaterialien mit möglichst passender Schallkennimpedanz hergestellt. Die Schallkennimpedanz Z ist abhängig von der Dichte p und der Schallgeschwindigkeit c des Materials:
Z = cp
Fig. 9 zeigt drei verschiedene Methoden einer Anpassung der Schallkennimpedanz. Sogenannte Single Step Matching Systems (SMS; Ein-Schrittanpassungssysteme) legen einen Impedanz-Schritt zwischen die Ultraschallwandler-Seite (etwa CMUT) und die Medium- Seite (Load). Multiple Step Matching Systems (MMS; Mehrschrittanpassungssysteme) be- stehen aus zwei oder mehr Impedanz-Schritten. Gradient Matching Systems (GMS; gradi- entenbasierte Anpassungssysteme) beschreiben einen exponentiellen Impedanzverlauf, welcher den besten T ransmissionsgrad ermöglicht. Fig. 9 zeigt hierbei einen Graphen, bei dem an der Abszisse ein Verlauf der Dicke D der Anpassschicht zwischen einem CMUT (D - 0) und der Last-Seite oder Medium-Seite (D - max). An der Ordinate ist die Schallkennimpedanz Z angetragen, die in dem vorliegenden Diagramm zwischen dem CMUT und dem Medium reduziert wird.
An diesem Verlauf ist auch erkennbar, dass der Einfluss der Schallkennimpedanz auf den T ransmissionsgrad steigt, je näher man sich innerhalb des Anpassschichtsystems der Medium-Seite nähert. Im oben genannten Beispiel muss das An passschichtsystem also möglichst niedrige Schallkennimpedanzen erreichen, was mit bekannten Konzepten nicht oder nur in Verbindung mit großen Nachteilen erreichbar ist. Aerogele [5] bieten einen Lösungsansatz. Diese erreichen eine sehr niedrige Schallkennimpedanz, wirken jedoch stark dif- fraktiv und lassen sich nur in einzelnen Schritten (MMS) mit zwischengelagerten Verbindungsmaterialien aufbringen, welche wiederum das T ransmissionsverhalten stören. Ähnliche Nachteile haben Kompositmaterialien aus eingelassenen Partikeln in einer Matrix [6],
Es gibt eine Vielzahl mikrostrukturierter Materialien, welche mit Methoden aus der Halbleiterindustrie hergestellt werden. Zu diesen Methoden gehören Beschichtungsverfahren, Strukturierung mittels Lithographie und Ätzprozesse. Beispielsweise wurde mittels dieser drei Prozesse eine Schallkennimpedanzanpassung erzeugt, um auf einem Silizium-Wafer Siliziumoxid zu strukturieren. Anschließend wurde ein Polymer mittels Beschichtungsverfahren aufgetragen und an einen Ultraschallwandler fixiert [7], In einem weiteren Beispiel wurden anisotrope Ätzprozesse angewandt, um Silizium in Pfosten mit hohem Aspektverhältnis zu trennen und die Zwischenräume anschließend mit Epoxidharz zu füllen (Kompo- sit), um eine Schallkennimpedanzanpassung zu erzeugen [8] Ein gradueller Verlauf wird mit genannten Methoden ermöglicht. In einem Beispiel wurden runde, sich konisch verjüngende Siliziumstäbe erzeugt und wiederum in Epoxid eingelassen [9] Ein anderes Beispiel für graduelle Schallkennimpedanzanpassung arbeitet mit nicht weiter spezifiziertem Mikrobearbeitungsverfahren, um ein strukturiertes Schichtsystem aus Kupfer, PZT (Blei-Zirkonat- Titanat) und Parylene zu erzeugen [10].
Die mit den bekannten Verfahren hergestellten Strukturen leiden jedoch an einer geringen Effizienz. Wünschenswert wären demnach Schallkennimpedanzanpassungsvorrichtungen, die eine Anpassung der Schallkennimpedanz mit einer hohen Effizienz ermöglichen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Schallkennimpe- danzanpassungsvorrichtung, eine Wandlervorrichtung, ein System mit einer derartigen Wandlervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Schallkennimpedanzanpassungsvorrichtung zu schaffen, die eine effiziente Schallkennimpedanzanpassung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch Ausbilden von Mikrostrukturen mit geringen Abmes- sungen im Sub-Mikrometerbereich eine äußerst exakte und somit effiziente Schallkennim- pedanzanpassung erfolgen kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Impedanzanpassungsvorrichtung zur An- passung einer Schallkennimpedanz einen Impedanzanpassungskörper mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite. Die Impedanzanpassungsvorrichtung ist ausgebildet, um eine Schallkennimpedanz eines an der zweiten Seite kontaktierten Mediums an eine Schallkennimpedanz eines an der ersten Seite kontaktierten Schallwandlers anzupassen. Der Impedanzanpassungskörper umfasst Mikrostrukturen, die entlang zumin- dest einer Raumrichtung eine Strukturausdehnung von höchstens 500 Nanometern auf- weist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Impe- danzanpassungsvorrichtung einen Schritt mit einem Bereitstellen eines Impedanzanpassungskörpers mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Seite, der ausgebildet ist, um eine Schallkennimpedanz eines an der ersten Seite kontaktierten Mediums, an eine Schallkennimpedanz eines an der zweiten Seite kontaktierten Schallwandlers anzupassen; so dass der Impedanzanpassungskörpers Mikrostrukturen umfasst, die entlang zumindest einer Raumrichtung eine Strukturausdehnung von höchstens 500 nm aufweisen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind der Gegenstand der abhängigen Patenansprüche.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Impedanzanpassungsvorrichtung zur An- passung einer Schallkennimpedanz gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Seitenschnittansicht einer Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der eine Vielzahl von Mikrostrukturen angeordnet ist, die als verzweigte Kanalstrukturen angeordnet sind;
Fig. 3 eine schematische Seitenschnittansicht einer Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die Mikrostrukturen als hin zu einer Seite eines Anpassungskörpers sich verjüngende Strukturen gebildet sind;
Fig. 4a eine schematische Seitenschnittansicht einer Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der der Impedanzanpassungskörper so gebildet ist, dass die Mikrostrukturen eine hexagonale Gitterstruktur bilden;
Fig. 4b eine schematische Seitenschnittansicht einer Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die Mikrostrukturen ein hexagonales/Dreieck-Muster bilden;
Fig. 4c eine schematische Seitenschnittansicht einer Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die Mikrostrukturen in einem Dreieck- Gittermuster angeordnet sind, sodass Kavitäten eine dreieckige Form aufweisen;
Fig. 4d eine schematische Seitenschnittansicht einer Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die Mikrostrukturen eine Gitterstruktur gemäß einem Diamant-Muster bilden;
Fig. 5 eine schematische Seitenschnittansicht einer Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die Mikrostrukturen einen akustischen Pfad definieren;
Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild einer Wandlervorrichtung gemäß einem Aus- führungsbeispiel; Fig. 7 ein schematisches Blockschaltbild eines Systems gemäß einem Ausführungsbei- spiel;
Fig. 8 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungs- beispiel zum Herstellen einer Impedanzanpassungsvorrichtung; und
Fig. 9 eine schematische Darstellung von drei bekannten Methoden einer Anpassung der Schallkennimpedanz.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, sodass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dar- gestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Impedanzanpassungsvorrichtung 10 zur Anpassung einer Schallkennimpedanz. Die Impedanzanpassungsvorrichtung umfasst einen Impedanzanpassungskörper 12 mit einer ersten Seite 14 und einer zweiten Seite 16. Die Seiten 14 und 16 sind einander gegenüberliegend angeordnet. Die Impedanzanpas- sungsvorrichtung kann ausgebildet sein, um von einem Schall, d. h. einer akustischen Welle, von der Seite 14 zu der Seite 16 entlang einer Schalldurchlaufrichtung 18a durch- laufen zu werden und/oder, um von einer Schallwelle von der Seite 16 zu der Seite 14 entlang einer entgegengesetzten Schalldurchlaufrichtung 18b durchlaufen zu werden. Bei- spielsweise kann die Schallwelle von einem Schaliwandler erzeugbar sein, der mit der Seite 14 kontaktierbar ist. Die Seite 16 kann mit einem Medium, beispielsweise einem menschli- chen Körper, einer Flüssigkeit oder Luft oder dergleichen kontaktierbar sein. Die Impedanzanpassungsvorrichtung 10 kann ausgebildet sein, um eine Schallkennimpedanz des Mediums an eine Schallkennimpedanz des Schallwandlers und/oder umgekehrt anzupas- sen. Hierfür kann der Impedanzanpassungskörper 12 in einem Bereich der Seite 14 beispielsweise eine Schallkennimpedanz aufweisen, die an den Schallwandler angepasst ist und ferner im Bereich der Seite 16 eine Schallkennimpedanz aufweisen, die an das Ziel- medium angepasst ist.
Hieraus kann sich ergeben, dass der Impedanzanpassungskörper im Bereich der Seite 14 eine höhere Schallkennimpedanz aufweist als im Bereich der Seite 16, wobei dies nicht erforderlich ist. Der Impedanzanpassungskörper 12 umfasst Mikrostrukturen, beispielsweise verästelte Mikrostrukturen 22i und 222 und/oder In-Plane-Mikrostrukturen 223. Die Mikrostrukturen 22i, 222 und/oder 223 können als Kavitäten in einem Material des Impedanzanpassungs- körpers 12 gebildet sein, wobei die Kavitäten gefüllt oder ungefüllt sein können. Eine Fül- lung der Kavitäten kann ganz oder teilweise ein anderes Material aufweisen als ein Basis- material oder restliches Material 24 des Impedanzanpassungskörpers 12. Das bedeutet, die Mikrostrukturen 22i bis 223 können als Hohlraum, eine Kanalstruktur und/oder ein Einschluss in dem Material 24 verstanden werden.
Die Mikrostrukturen 22i bis 223 können jede für sich einzeln oder gemeinsam so gebildet sein, dass sie entlang zumindest einer Raumrichtung eine Strukturausdehnung 26i, 262 und/oder 263 aufweisen, die höchstens 500 Nanometer, bevorzugt höchstens 300 Nanometer und besonders bevorzugt höchstens 100 Nanometer beträgt. Die Strukturausdehnung 26i, 262 und/oder 263 kann dabei als längster Abstand zweier beliebiger Punkte einer äußeren Fläche der Mikrostruktur verstanden werden, wobei die zwei beliebigen Punkte in einem Querschnitt der Mikrostruktur 22i bis 22s gegenüberliegend sind. Die Strukturausdehnungen können entlang einer beliebigen Raumrichtung x, y und/oder z angeordnet sein. Ist die Mikrostruktur beispielsweise eine röhrenartige Struktur, so können die Punkte in einem Längsschnitt oder Querschnitt angeordnet sein, wobei der Längsschnitt beispielsweise durch eine Ebene verläuft, die durch den Durchmesser der Röhrenstruktur gebildet wird, bestimmt ist. Vereinfacht ausgedrückt kann die Strukturausdehnung einer oder mehrerer Mikrostrukturen eine Abmessung derselben senkrecht zu einer axialen Erstreckungsrichtung der jeweiligen Mikrostruktur sein. Eine Idee der vorliegenden Ausführungsbeispiele liegt im Nutzes des Auslösungsvermögen eines hierin beschriebenen Verfahrens, das bspw. 100 nm betragen kann oder weniger, um Strukturen präzise, d.h. mit hoher Auflösung zu fertigen.
Vereinfacht ausgedrückt kann in einem derartigen Fall die Strukturausdehnung der Durchmesser einer runden Mikrostruktur 22 sein.
Die Mikrostruktur 222 kann mit der Mikrostruktur 22i fluidisch gekoppelt sein, sodass ein Durchschnittswert eines Volumens, das durch die Mikrostrukturen 22i und 222 belegt ist, von der Seite 14 ausgehend zu der Seite 16 hin zunimmt, alternativ aber auch abnehmen kann, das bedeutet, ein Durchschnittswert der Schallkennimpedanz kann hin zu der Seite 14 zunehmen oder abnehmen, alternativ auch konstant sein, wie es im Zusammenhang mit den Fig. 4a bis 4d beschrieben ist. Dies kann eine veränderliche Dichte p des Materials 24 und somit eine Veränderung der Schallkennimpedanz zwischen den Seiten 14 und 16 bewirken. Weist ein Material oder eine Füllung der Mikrostrukturen 22i und 222 eine größere Materialdichte auf als das Material 24, so kann die Schallkennimpedanz der Impedanzan- passungsvorrichtung 10 von der Seite 14 zur Seite 16 zunehmen. Ist die Dichte beispiels- weise geringer, so kann eine abnehmende Schallkennimpedanz entlang der Schalldurch- laufrichtung 18a erhalten werden. Das bedeutet, dass die Mikrostrukturen ein erstes Impedanzanpassungsmaterial aufweisen können und dass in Zwischenbereichen zwischen den Mikrostrukturen ein zweites Impedanzanpassungsmaterial, beispielsweise das Material 24, angeordnet sein kann. Die Mikrostrukturen können beispielsweise aus einem ausgehärte- ten Polymermaterial oder einem Metallmaterial gebildet sein. Alternativ kann auch ein be- liebiges anderes Material verwendet werden. Beschriebene Polymermaterialien und/oder Metallmaterialien können exakt prozessiert werden und so direkt als Mikrostrukturen ein- setzbar sein, wie es im Zusammenhang mit hierin beschriebenen Herstellungsverfahren beschrieben ist. Alternativ können derartige Strukturen auch als Vorlage oder Negativform dienen, um die Abformung anderer Materialien zu ermöglichen.
Alternativ zu einer Anordnung parallel oder schräg zu einer Schalldurchlaufrichtung 18a oder 18b kann zumindest eine Mikrostruktur auch senkrecht hierzu angeordnet sein, bei- spielsweise parallel zu einer x-Richtung, die beispielsweise senkrecht zu einer Oberflächen- normalen der ersten Seite 14 und/oder der zweiten Seite 16 angeordnet sein kann.
Durch die Ausbildung der Mikrostrukturen mit der definierten Strukturausdehnung von höchstens 500 Nanometer, bevorzugt höchstens 300 Nanometer oder bevorzugt höchstens 100 Nanometer, kann eine äußerst feine und somit exakte Einstellung der Schallkennimpe- danz entlang der Schalldurchlaufrichtung 18a und/oder 18b eingestellt werden. Dies ermög- licht einen effizienten Betrieb der Impedanzanpassungsvorrichtung selbst bei geringen Ab- messungen der Impedanzanpassungsvorrichtung 10.
Ausführungsbeispiele ermöglichen einen kontinuierlichen Übergang zwischen den jeweiligen Impedanzwerten, beispielsweise dem Medium und dem Schallwandler, was in bekann- ten Konzepten nicht oder nur schwer realisierbar ist. Ausführungsbeispiele schaffen Kon- zepte für eine akustische Impulsantwort sowie deren Herstellungsverfahren, beispielsweise oder gar vorrangig unter Verwendung des Multiple-Photonen-Absorptions-Lithographiever- fahrens zur Erzeugung von Schichtsystemen, welche die akustische Schallkennimpedanz zwischen Schallwandlern und Medium anpassen. Ein Ziel ist eine ideale Kopplung der akustischen Energie vom Schallwandler in das Lastmedium (Sendefall) und/oder aus dem Lastmedium in den Schallwandler (Empfangsfall). Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Impedanzanpassungsvorrichtung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der eine Vielzahl von Mikrostrukturen 22, mit i = 1 ,..,6, angeordnet ist, die als verzweigte Kanalstrukturen zwischen den Seiten 14 und 16 angeordnet sind, wobei eine hohe Anzahl von mehr als 6 Mikrostrukturen angeordnet ist. So kann sich beispielsweise eine einzelne Kanalstruktur 22i im Bereich der Seite 14 in eine Vielzahl von Kanalstrukturen aufzweigen, etwa im Sinne eines Flussdeltas. Ein Material oder die Abwesenheit von Material kann als zumindest lokale Materialdichte p2 beschrei- ben werden, die von einer Materialdichte pi des Materials 24 verschieden ist.
Der zunehmende Volumenanteil der Mikrostrukturen 22, ermöglicht eine entlang der Schall- durchlaufrichtung 18a zunehmend von den Mikrostrukturen 22 beeinflusste Gesamtdichte des Impedanzanpassungskörpers 10, die die Schallkennimpedanz beeinflussen oder be- stimmen kann und beschreibt somit eine zunehmende Beeinflussung der Schallkennimpe- danz durch ein derartiges Material.
Die Mikrostrukturen 22 können Kavitäten definieren. Eine effektive Materialdichte des Impedanzanpassungskörpers 12 kann zwischen den Seiten 14 und 16 durch die Kavitäten monoton veränderlich sein. Das Impedanzanpassungsmaterial 24 mit einer Dichte pi kann zunehmend von dem Impedanzanpassungsmaterial p2 durchzogen sein, so dass in einem räumlichen Mittel eine veränderliche Effektive Dichte des Impedanzanpassungskörpers erhalten wird. Die monotone Zunahme bzw. Abnahme des Volumens der Mikrostrukturen kann so zu einer monotonen Veränderung der Dichte des Materials 24 führen, um die An- passung der Schallkennimpedanz zu bewirken. Die Kavitäten können bspw. von den Mik- rostrukturen gebildet oder umschlossen sein. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine der Mikrostrukturen 22 einen Bereich außerhalb einer Kavität definieren, so dass die Kavität abseits der Mikrostrukturen 22 gebildet ist.
Wie es anhand der Fig. 2 beispielhaft dargestellt ist, können die Mikrostrukturen 22 ver- zweigte Mikrokanäle definieren, deren Anzahl zwischen den Seiten 14 und 16 monoton veränderlich ist, um die Veränderung der Dichte des Materials 24 zu bewirken.
In anderen Worten zeigt Fig. 2 Mikrokavitäten, die in einem Schichtsystem, das durch Hohlräume, Kanäle oder Einschlüsse in seiner effektiven Dichte und damit Schallkennimpedanz verändert wird. Der gewünschte Schallkennimpedanzverlauf kann durch verbundene Hohlräume 22 erzeugt werden. Die größte Menge der Kanäle und damit die niedrigste Schallkennimpedanz kann auf der Mediumseite des Schichtsystems, d. h. der Seite 16, angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich zu der Anzahl der Mikrokanäle kann auch zumindest eine andere Eigenschaft wie die Form, die Position und/oder das Volumen der Mikrostrukturen verän- derlich sein, um die im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene veränderliche Dichte oder Materialdichte zu erhalten. Diese Veränderung der Dichte kann monoton sein, wie es bspw. durch die beschriebene monoton veränderliche Anzahl der Mikrokanäle erhalten werden kann. Die Veränderung sämtlicher Eigenschaften kann gleichmäßig sein, d. h., mit einer gleichen Veränderungsrate entlang der Schalldurchlaufrichtung. Alternativ hierzu kann eine veränderliche Veränderungsrate eingerichtet sein. Die Veränderungsrate einer, mehrerer oder aller Eigenschaften innerhalb des Impedanzanpassungskörpers kann determinierbar, d. h., vorherbestimmbar sein und durch entsprechende akustische Berechnungen und/oder Simulationen vorteilhaft gestaltet werden, was eine gute oder verbesserte Schallübertra- gung ermöglichen kann. Bei Beispielen kann eine Positionsvarianz der Mikrostrukturen durch das Abstandsverhältnis der Strukturen untereinander entstehen, oder durch das Verhältnis der Position der Strukturen gegenüber einer von äußeren Wänden des Impedanzan- passungkörpers. So kann eine gezielte Positionierung der Strukturen in einer, sich konzent- risch verändernden Art und Weise, die Erzeugung einer fokussierenden Schicht ermöglichen, welche keine Krümmung der äußeren Wände aufweist. Bei Beispielen kann der Im- pedanzanpssungskörper einen vom Zentrum abnehmenden Abstand in Abstrahlungsrichtung zwischen den einzelnen Strukturen aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich zu der Ausformung der Mikrostrukturen als Mikrokanäle gleichen oder veränderlichen Querschnitts können die Mikrokanäle auch andere Formen aufweisen, etwa Formen wie Spiralen, runder oder nichtrunder Tropfen, Kuben oder dergleichen. Die Mikrostrukturen können alle gleichförmig aber auch absichtlich unterschiedlich bzgl. der Form und/oder Größe gebildet sein. Dabei kann eine derartige Form die Mikrostruktur als Ganzes bezeichnen, es sind aber auch Kombinationen möglich, etwa ein Mikrokanal, der stellenweise oder bereichsweise einen Tropfen, eine runde oder nicht runde Kavität oder einen Kubus, d. h., polygone Oberflächen aufweisend bildet oder umfasst und/oder einen Mikrokanal der in einer Spiralform verläuft. Ein Tropfen kann als nichtlineare und/oder kon- tinuierliche Änderung des Querschnitts verstanden werden, wobei eine Kugel eine der mög- liche Formen ist, die aber auch longitudinal gestreckt sein kann. Die Form kann alternativ oder zusätzlich entlang des bspw. spiralförmigen Verlaufs eine veränderliche Ausformung/Querschnitt implementiert aufweisen und/oder die beispielhafte Spirale kann an zumindest einem Ende oder entlang eines Verlaufs mit weiteren Mikrostrukturen verbunden ist. Dies ist lediglich beispielhaft zu verstehen, es können eine oder mehrere beliebige Formen mit einander kombiniert werden. Fig. 3 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Impedanzanpassungsvorrichtung 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die Mikrostrukturen als hin zur Seite 14 sich verjüngende Strukturen gebildet sind. Die sich verjüngenden Strukturen können Bereiche 28i in minimaler Ausdehnung aufweisen, wobei die Bereiche 28, minimale Ausdehnung auf die Strukturausdehnung bezogen sind. Beispielsweise können sich die Mikrostrukturen 22, konisch verjüngen, sodass die Bereiche 28 die Enden oder Spitzen der konischen Struktu- ren darstellen können. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen sind die Mikrostrukturen einzeln oder in Kombination beispielsweise pyramidenförmig, kegelförmig oder anders verjüngend gebildet.
In anderen Worten veranschaulicht Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit Verjüngungsstruktu- ren, bei dem sich das Hauptmaterial 24 in sich ebenfalls konisch verjüngende Strukturen unterteilt, wobei die Verjüngung des Materials 24 hin zur Seite 16 erfolgen kann. Die Ver- jüngung kann unmittelbar an den Seiten 14 bzw. 16 einsetzen, kann alternativ aber auch hiervon beabstandet sein. Der gewünschte Schallkennimpedanzverlauf wird beispielsweise durch mehrere, sich konisch verjüngende Volumen der Mikrostrukturen 22i erzeugt. Das kann bewirken, dass sich die niedrigste Schallkennimpedanz des Impedanzanpassungskörpers an der Seite 16 befindet.
Während die Ausführungsbeispiele gemäß der Fig. 2 und/oder der Fig. 3 als GMS-Anpas- sungsstrukturen eingesetzt werden können, können die Mikrostrukturen 22 gemäß anderer Ausführungsbeispiele auch als SMS und/oder MMS eingesetzt werden.
Fig. 4a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Impedanzanpassungsvorrichtung 40a, bei der der Impedanzanpassungskörper so gebildet ist, dass die Mikrostrukturen 22 eine Gitterstruktur bilden, die sich entlang einer Richtung senkrecht zu den Schalldurchlaufrichtungen 18a und/oder 18b erstreckt. Beispielsweise erfolgt innerhalb des Impedanzanpassungskörpers 12 von der Seite 14 hin zu der Seite 16 und umgekehrt keine Änderung der mittleren Dichte und/oder der Schallkennimpedanz. Das bedeutet, der Impedanzanpassungskörper 12 kann eine im Mittel unveränderte oder konstante Schallkennimpedanz aufweisen, die beispielsweise geringer ist als die höhere der an den Seiten 14 und 16 angeordnete Schallkennimpedanz und/oder höher ist als die geringere dieser Schallkennimpedanzen. Beispielsweise können die Mikrostrukturen 22 im dargestellten Seitenschnitt ein hexagonales Gitter bzw. eine Wabenstruktur bilden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ermöglicht die Impedanzanpassungsvorrichtung 40a eine SMS.
Fig. 4b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Impedanzanpassungsvorrichtung 40b gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die Mikrostrukturen ein hexagonales/Dreikanten-Muster bilden, beispielsweise durch Ausbildung mehrerer In- Plane Mikrostrukturen, wie die Mikrostruktur 22i senkrecht zu den Schalldurchlaufrichtun- gen 18a und/oder 18b und mehrere in unterschiedlichen Richtungen senkrecht hierzu angeordneten Mikrostrukturen, die die In-Plane Mikrostruktur diagonal schneiden, entweder die Mikrostruktur 22z und/oder 223, die sich in einer schrägen Anordnung zwischen den Seiten 14 und 16 erstrecken.
Fig. 4c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Impedanzanpassungsvorrich- tung 40c gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die Mikrostrukturen in einem Dreikant- Gittermuster angeordnet sind, sodass Kavitäten 32 in der dargestellten Seitenschnittansicht eine dreieckige Form aufweisen. Die Mikrostrukturen 22 können beispielsweise aus dem Material 24 gebildet sein, wobei die Kavitäten 32 gefüllte oder ungefüllte Hohlräume darstellen können.
Fig. 4d zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Impedanzanpassungsvorrich- tung 40d gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die Mikrostrukturen 22i bis 22a eben- falls eine Gitterstruktur bilden, wobei die Gitterstruktur gemäß einem Diamant-Muster gebildet ist.
Die Impedanzanpassungsvorrichtungen 40a, 40b, 40c und/oder 40d können eine im We- sentlichen homogene oder konstante Schallkennimpedanz zwischen den Seiten 14 und 16 aufweisen. Ausführungsbeispiele sehen vor, dass eine Impedanzanpassungsvorrichtung einen Impedanzanpassungskörper aufweist, der mehrschichtig gebildet ist und zumindest eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweist, die aneinander angeordnet sind. Die erste Schicht kann eine erste Schichtkennimpedanz und die zweite Schicht kann eine zweite Schichtkennimpedanz aufweisen, wobei die beiden Schichtkennimpedanzen gleich, bevorzugt jedoch voneinander verschieden sind. Hierfür können gleiche Muster gemäß den Fig. 4a bis 4d genutzt werden, beispielsweise basierend auf unterschiedlichen Öffnungs- querschnitten der Kavitäten 32 und/oder es können unterschiedliche Muster genutzt wer- den, beispielsweise durch Anordnen unterschiedlicher Impedanzanpassungskörper 12.
Gemäß den Fig. 4a bis 4d können die Mikrostrukturen 22 eine Gitterstruktur ausbilden, ent- lang einer Richtung senkrecht zu den Schalldurchlaufrichtungen angeordnet ist und sich entlang dieser Richtung erstreckt, beispielsweise entlang der x-Richtung. Die Kavitäten 32 können sich entlang derselben oder einer anderen Richtung senkrecht zu den Schalldurch- laufrichtungen 18a und 18b in dem Impedanzanpassungskörper erstrecken, beispielsweise entlang der y-Richtung. Die Kavitäten können basierend auf einer Anordnung der Mikro- strukturen 22 einen polygonalen Querschnitt aufweisen, alternativ kann der Querschnitt auch gemäß einer Freiformfläche gebildet sein, elliptisch gebildet sein oder gar rund gebil- det sein.
In anderen Worten zeigen die Fig. 4a bis 4c die Implementierung eines Mikrogitters. Das Anpassschichtsystem umfasst hierbei ein gerüstartiges Gitter mit variablen Gerüstelemen- ten. Die genannten Mikrogitter sind in den Fig. 4a bis 4d als Schnittbilder verschiedener Gitterstrukturen gezeigt, wobei Fig. 4a ein hexagonales Gitter, Fig. 4b ein hexagona- les/Dreikanten-Gitter, Fig. 4c ein Dreikanten-Gitter und Fig. 4d ein Diamant-Gitter zeigen. Die Gitter können in Gitterebenen angeordnet sein, wobei die Gitterebenen bspw. parallel zu den Seiten 14 und/oder 16 verlaufen können, wobei eine Impedanzanpassungsvorrich- tung eine oder mehrere Gitterebenen aufweisen kann. Der gewünschte Schallkennimpe- danzverlauf kann durch verschieden ausgerichtete und verbundene Verbindungsstücke erzeugt werden. Durch Änderung der Abstände und/oder Gitterstrukturen und/oder Verbin- dungsstückdicken kann die Schallkennimpedanz weiter verändert werden. Die Gitterstruk- turen können zweidimensionale oder dreidimensionale Gitterstrukturen gebildet sein. Dreidimensionale Gitterstrukturen können sich durch Veränderung der Gitterkonstante und/oder der Dicke und Form der Verbindungen auszeichnen. Dies ermöglicht eine hohe Steifigkeit gegenüber konisch zulaufenden Strukturen und/oder eine leichte Verarbeitung mit dem Verfahren, da die Struktur einfach mit einer Entwicklerlösung zu durchsetzbar ist.
Fig. 5 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Impedanzanpassungsvorrichtung 50 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die Mikrostrukturen 22i bis 223 einen akustischen Pfad 34 zwischen den Seiten 14 und 16 definieren. Beispielsweise kann der akustische Pfad 34 durch die Kavität 32 verlaufen, die durch die Mikrostrukturen 22i bis 223 definiert wird. In der Kavität 32 kann ein Vakuum, ein Fluid, beispielsweise ein Gas, und/oder ein Festkörper angeordnet sein, wobei bevorzugt ein Material der Mikrostrukturen 22i bis 223 eine höhere Schallkennimpedanz aufweist als der Impedanzanpassungskörper 12 in einem Bereich des akustischen Pfades, beispielsweise der Kavität 32. Verglichen mit einer direkten oder kürzesten Wegstrecke 36 zwischen den Seiten 14 und 16 kann der akustische Pfad 34 eine Laufzeitverlängerung für durch den akustischen Pfad 34 gesendeten Schall bereitstellen. Die Laufzeitverlängerung kann basierend auf einer Wegverlängerung verglichen mit der direkten Verbindung 36 bereitgestellt werden, das bedeutet, durch die längere Wegstrecke bzw. die Wegverlängerung des akustischen Pfades 34 kann die Laufzeitverlängerung und mithin eine Phasenverschiebung erhalten werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der akustische Pfad 34 eine Mehrzahl oder Vielzahl von Pfadabschnitten 38i bis 384 aufweisen. Obwohl die Impedanzanpassungsvorrichtung 50 so dargestellt ist, dass vier Pfadabschnitte 38i bis 384 seriell hintereinander angeordnet sind, kann eine andere Anzahl von zumindest einem Pfadabschnitt, zumindest zwei Pfadabschnitten, zumindest drei Pfadabschnitten, zumindest fünf Pfadabschnitten, beispielsweise sechs, acht oder zehn Pfadabschnitten oder mehr implementiert sein. Bezüglich einem oder mehr Pfadabschnitten können auch parallele Pfadabschnitte angeordnet sein. Die Pfadabschnitte 38i bis 384 können einzeln, gruppenweise oder insgesamt senkrecht zu den Schalldurchlaufrichtungen 18a und/oder 18b angeordnet sein, sodass der akustische Pfad 34 im Bereich der Pfadabschnitte 38i bis 384 senkrecht zu den Schalldurchlaufrich- tungen 18a und/oder 18b verläuft oder zumindest eine Richtungskomponente senkrecht zu den Schalldurchlaufrichtungen 18a und/oder 18b aufweist. Die Pfadabschnitte können sich in unterschiedlichen Ebenen des Impedanzanpassungskörpers 12 zwischen den Seiten 14 und 16 erstrecken, beispielsweise wenn die Ebenen als parallel zu den Seiten 14 und/oder 16 betrachtet werden.
Die Pfadabschnitte 38i, 382, 383 und 384 können jeweils einen akustisch wirksamen Quer- schnitt 42i, 422, 423 bzw. 42 aufweisen, der durch die Größe oder Ausdehnung der Kavität 32 in dem Bereich des jeweiligen Pfadabschnitts 38i bis 38 beeinflusst sein kann. Bei- spielsweise kann der akustisch wirksame Querschnitt 42j eines Pfadabschnitts 38, von einem Abstand benachbarter Mikrostrukturen 22i und 222, 222 und 223 und/oder einer Mikro- struktur 22i bzw. 223 zu seiner Seite 14 bzw. 16 bestimmt oder beeinflusst sein. Die akus- tisch wirksamen Querschnitte 42i bis 42 können gleich oder voneinander verschieden sein, wobei beispielsweise ein entlang einer Schalldurchlaufrichtung 18a oder 18b abnehmender akustischer Querschnitt eine Zunahme einer akustischen Schallkennimpedanz bewirken kann. Zwischen zwei möglicherweise aufeinander folgende Pfadabschnitte 38i und 382, 382 und 383 und/oder 383 und 384 kann eine Verjüngung 44i, 442 und/oder 443 des akustischen Pfades 34 bzw. des akustisch wirksamen Querschnitts angeordnet sein. Eine derartige Verjüngung kann beispielsweise durch einen Abstand zwischen den Mikrostrukturen und Be- grenzungsstrukturen 46i und/oder 462 erhalten werden, beispielsweise Seitenwandstruktu- ren. Alternativ ist es ebenfalls möglich, eine Verjüngung 44 zwischen zwei benachbarten Mikrostrukturen 22 vorzusehen, beispielsweise zwischen den Mikrostrukturen 22i und 222 zum Erhalt einer Verjüngung 444. Hierfür können Mikrostrukturen 224 und/oder 225 vorge- sehen sein, wobei auch andere Materialien und/oder Abmessungen und/oder Geometrien verwendet werden können, solange diese Strukturen eine höhere Schallkennimpedanz auf- weisen als die Kavität 32 im Bereich des entsprechenden Pfadabschnittes. Obwohl die zusätzliche Anordnung der Mikrostrukturen 224 und 225 einen entsprechenden Fertigungsaufwand mit sich bringt, ermöglicht dies eine präzise Einstellung der Schallkennimpedanz der Impedanzanpassungsvorrichtung 50. Dem gegenüber können die Verjüngungen 44i bis 443 einfach hergestellt werden, da sie sich beispielsweise aus einem Abstand zwischen den Mikrostrukturen 22i bis 223 zu den Begrenzungsstrukturen 46i und/oder 462 ergeben kön- nen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein akustisch wirksamer Querschnitt 42i zumindest eines Pfadabschnitts 38i über dessen axiale Erstreckung, beispielsweise entlang der x-Richtung veränderlich sein. Dies kann beispielsweise durch eine veränderliche Abmessung zumindest einer der Mikrostrukturen 22i, 222 und/oder 223 entlang der Schalldurch laufrichtung 18a und/oder 18b erhalten werden, alternativ oder zusätzlich können auch zusätzliche Strukturen im Verlauf des Pfadabschnitts 38i vorgesehen sein. Die akustisch wirksamen Querschnitte 42j können einzeln, gruppenweise oder insgesamt gleich eingestellt werden. Das bedeutet, dass ein akustisch wirksamer Querschnitt zweier aneinander grenzender Pfadabschnitte voneinander verschieden sein kann.
In anderen Worten zeigt Fig. 5 eine aufgewickelte Struktur, bei der das Anpassungsschicht system aus aufgespulten oder aufgewickelten Strukturen besteht, welche die Laufzeit der Schallwelle erhöhen. In Fig. 5 sind die aufgewickelten Strukturen als Schnitt durch eine Elementarzelle eines auf einem Schallwandler aufgetragenen Schichtsystems dargestellt. Der gewünschte Schallkennimpedanzverlauf kann durch mehrere, ineinander verwundene Kanäle erzeugt werden. Damit kann die Schallkennimpedanz über die Schallgeschwindigkeit durch die Wellenlaufzeit beeinflusst werden, bis die Welle auf der Mediumseite des Schichtsystems ankommt.
Vorangehend erläuterte Ausführungsbeispiele beschreiben unterschiedliche Ausgestaltungen der Mikrostrukturen in dem Impedanzanpassungskörper. Wie es dargelegt ist, kann jedes dieser Ausführungsbeispiele einen einstufigen, mehrstufigen oder gradientenähnlichen Verlauf der Schallkennimpedanzanpassung bereitstellen. Die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele sind beliebig miteinander kombinierbar, sodass in unterschiedlichen Ebenen senkrecht zur Schalldurchlaufrichtung und/oder parallel hierzu unterschiedlich gebildete Mikrostrukturen und/oder Gitterstrukturen angeordnet sein können. Dies kann beispielsweise einstückig erfolgen, etwa indem die Mikrostrukturen in unterschiedlichen Bereichen des Impedanzanpassungskörpers unterschiedlich gebildet werden. Alternativ kann auch eine mehrstückige Anordnung erfolgen, etwa indem Impedanzanpassungskörper gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen mechanisch und/oder akustisch miteinander gekoppelt werden und jeweils eine Schicht eines mehrschichtigen Impedanzanpassungskörpers bilden. Durch unterschiedliche Ausgestaltungen wird es ermöglicht, dass ein Verlauf der Schall- kennimpedanz zwischen der ersten Seite 14 und der zweiten Seite 16 des insgesamt er- haltenen Impedanzanpassungskörpers kontinuierlich oder diskontinuierlich ist. Ein Beispiel für einen kontinuierlichen Verlauf kann eine lineare und/oder exponentielle Ausbildung des Verlaufs der Schallkennimpedanz entlang der Schalldurchlaufrichtung 18a und/oder 18b sein.
Ausführungsbeispiele sehen vor, dass die Impedanzanpassungsvorrichtung so ausgestal- tet ist, dass der Impedanzanpassungskörper an den unterschiedlichen Seiten unterschied- liche Schallkennimpedanzen aufweist. Eine der Seiten kann beispielsweise an eine Schall- kennimpedanz eines MUT-Schallwandlers angepasst sein, sodass die Schallkennimpe- danz des Impedanzanpassungskörpers mit der Schallkennimpedanz des MUT-Schallwand- lers innerhalb eines Toleranzbereichs von ±50 %, ±25 % oder ±10 % übereinstimmt, das bedeutet, die Werte der Schallkennimpedanz, die Schallkennimpedanzwerte stimmen über- ein. Ein beispielhafter Wert hierfür ist 1-35 MRayl. Ein Bereich von 1-5 MRayl kann gut für Membranschwinger zutreffen, zu denen die MUT-Wandler zählen. Der Bereich von 1-35 MRayl umfasst auch die Keramiken, und Komposit-Wandler, bspw. PZT-basierte Wandlerklassen. Die Schallkennimpedanz an der anderen Seite kann mit der Schallkennimpedanz eines Zielmediums nach Möglichkeit übereinstimmen oder dieser zumindest angenähert sein, beispielsweise ein Fluid, etwa Luft.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Wandlervorrichtung 60 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Wandlervorrichtung 60 umfasst beispielsweise die Impedanzanpassungsvorrichtung 10. Die Wandlervorrichtung 60 umfasst ferner ein Schallwandlerelement 48, das sowohl konfiguriert sein kann, um basierend auf einem Ansteuersignal eine Schallwelle zu erzeugen als auch alternativ oder zusätzlich konfiguriert sein kann, um basierend auf einer eintreffenden Schallwelle ein elektrisches Signal bereitzustellen. Das be- deutet, das Wandlerelement 48 kann als Schallaktuator und/oder Schallsensor implementiert sein oder diesen umfassen.
Die Impedanzanpassungsvorrichtung 10 ist beispielsweise an der Seite 14 mit dem Schallwandlerelement 48 gekoppelt, beispielsweise indem der Impedanzanpassungskörper me- chanisch fest mit dem Schallwandlerelement 48 gekoppelt ist. Beispielsweise kann die Impedanzanpassungsvorrichtung 10 auf dem Schallwandlerelement 48 abgeschieden sein o- der umgekehrt. Obwohl die Wandlervorrichtung 60 so beschrieben ist, dass das Schallwandlerelement 48 mit der Seite 14 akustisch gekoppelt ist, kann das Schallwandlerelement 48 alternativ auch mit der Seite 16 akustisch gekoppelt sein. Die jeweils andere Seite 16 bzw. 14 kann konfiguriert sein, um mit einem Medium kontaktiert zu werden, in das eine Schallwelle auszusenden ist oder aus dem eine Schallwelle empfangen werden soll. Alternativ kann auch eine andere akustisch wirksame Struktur, beispielsweise ein weiteres Schallwandlerelement, an der anderen Seite akustisch gekoppelt sein, sodass basierend auf der Impedanzanpassungsvorrichtung 10 eine Impedanzanpassung zwischen zwei Schallwandlerelementen erfolgen kann.
Bevorzugt weist die akustische Kopplung zwischen dem Schallwandlerelement 48 und der Seite 14 einen stetigen Übergang der Schallkennimpedanz auf, das bedeutet, innerhalb des Toleranzbereichs von ±50 %, ±25 % oder ±10 % ist die Schallkennimpedanz des Schallwandlerelements 48 in Übereinstimmung mit der Schallkennimpedanz der Impedanzanpassungsvorrichtung an der Seite 14.
Das Schallwandlerelement 48 kann ein piezoelektrisches Keramikmaterial und/oder ein Kompositmaterial umfassen. Insbesondere kann das Schallwandlerelement 48 ein piezoe- lektrisches Dünnschichtmaterial, etwa PVDF (Polyvinylidenfluorid) umfassen. Gemäß ei- nem Ausführungsbeispiel umfasst das Schallwandlerelement 48 einen mikrotechnisch her- gestellten Ultraschallwandler (micromachined ultrasonic transducer), beispielsweise einen kapazitiven MUT (CMUT) einem piezoelektrischen MUT (PMUT) oder einem magnetischen MUT (MMUT).
Obwohl die Wandlervorrichtung 60 so beschreiben ist, dass die Impedanzanpassungsvor- richtung 10 angeordnet ist, kann alternativ oder zusätzlich auch eine weitere und/oder andere Impedanzanpassungsvorrichtung angeordnet sein kann, beispielsweise die Impe- danzanpassungsvorrichtung 10, 20, 30, 40a, 40b, 40c, 40d und/oder 50. Beispielsweise können Impedanzanpassungsvorrichtung angeordnet sein, die eine Kombination unterschiedlicher Schichten mit je zumindest einer Impedanzanpassungsvorrichtung oder Impe- danzanpassungskörper aufweisen, wobei bspw. eine Impedanzanpassungsvorrichtung 40a, 40b, 40c, 40d eine Schicht des gemeinsamen Körpers mit, zumindest im räumlichen Mittel konstante Schallkennimpedanz bereitstellen kann.
In anderen Worten können die beschriebenen Anpassungsstrukturen in einem Ausfüh- rungsbeispiel auf ein- und mehrkanalige beispielsweise luftgekoppelte CMUT-Bauteile und CMUT-Systeme integriert werden, um die Wandlerreichweite, Sensitivität und Bandbreite zu erhöhen. Derartige Systeme können als miniaturisierte Sensoren für Abstands- und Be- wegungsdetektion sowie Bildgebung optimiert werden und ermöglichen im Weiteren beispielsweise die Gestensteuerung im Fahrzeuginnenraum (automotive) sowie die kontaktlose Steuerung von Haushaltsgeräten (consumer; Konsumenten), sowie die Sensoranwendungen in der Medizintechnik und die Integration in mobilen Anwendungen in Service- und Industrierobotern (Industrie).
Fig. 7 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Systems gemäß einem Ausführungs- beispiel, das beispielsweise die Wandlervorrichtung 60 und eine Steuereinheit 52 umfasst. Die Steuereinheit 52 ist ausgebildet, um das Schallwandlerelement 48 zu betreiben, das bedeutet, dem Schallwandlerelement 48 ein Ansteuersignal 541 bereitzustellen, um das Schallwandlerelement 48 zum Aussenden einer Schallwandler 56i anzuregen und/oder, um ein Schallwandlersignal 542 von dem Schallwandlerelement 48 zu empfangen das dieses basierend auf einer eintreffenden Schallwelle 562 bereitstellt.
Die Steuereinheit 52 kann ausgebildet sein, um das Schallwandlerelement 48 in einem Ultraschall-Frequenzbereich zu betreiben, das bedeutet, in einem Frequenzbereich von zumindest 20 Kilohertz. Beispielsweise kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um das Schallwandlerelement 48 in einem Frequenzbereich von zumindest 20 Kilohertz und höchs- tens 200 Megahertz, zumindest 20 Kilohertz und höchstens 150 Megahertz oder von zumindest 20 Kilohertz und höchstens 100 Megahertz zu betreiben.
Fig. 8 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Herstellen einer Impedanzanpassungsvorrichtung, beispielsweise der Impedanzanpassungsvorrichtung 10, 20, 30, 40a, 40b, 40c, 40d und/oder 50.
Das Verfahren 800 umfasst einen Schritt 810. In dem Schritt 810 erfolgt ein Bereitstellen eines Impedanzanpassungskörpers mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Seite. Der Impedanzanpassungskörper ist ausgebildet, um eine Schallkennimpedanz eines an der ersten Seite kontaktierten Mediums an eine Schallkennimpedanz eines an der zweiten Seite kontaktierten Schallwandlers anzupassen, sodass der Impedanzanpassungskörper Mikrostrukturen umfasst, die entlang zumindest einer Raumrichtung eine Strukturausdehnung von höchstens 500 Nanometern aufweisen.
Für das Verfahren 800 kann der Impedanzanpassungskörper hergestellt werden, beispielsweise, indem er direkt an oder auf einem Schallwandler angeordnet wird oder als eigenes Bauelement hergestellt wird.
Die Herstellung des Impedanzanpassungskörpers kann ein Bereitstellen eines Transfermaterials umfassen. In dem Transfermaterial kann eine Positivform oder eine Negativform der Mikrostrukturen herausgebildet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Transfermaterial ein aushärtbares Polymermaterial, insbesondere ein Polymermaterial, das im Zusammenhang mit einer Multiplen-Photonen-Absorptions-Lithographie verwendbar ist, beispielsweise SU-8 und/oder Ormocere. Das Erzeugen der Positivform oder der Negativ- form kann durch Beaufschlagen des Transfermaterials mit zumindest zwei Photonen an einer Stelle erfolgen, sodass dort eine lokale Änderung einer strukturellen Zusammensetzung des Transfermaterials bewirkt wird, das bedeutet, eine Aushärtung oder alternativ Ver- flüssigung des Polymermaterials. Die Multiplen-Photonen-Absorptions-Lithographie kann die Strukturgrößen von höchstens 500 Nanometer, höchstens 300 oder höchstens 100 Nanometer bereitstellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Transfermaterial ein Metallmaterial, bei dem beispielsweise durch ein Ablationsverfahren durch multiple-Photonen-Absorption, insbesondere ein Laserablationsverfahren, die Positivform oder die Negativform der Mikro- strukturen erhalten werden kann. Das Transfermaterial ist jedoch nicht auf ein Metallmate- rial beschränkt sondern kann auch für das (Laser-)Ablationsverfahren durch multiple-Pho- tonen-Absorption gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ein anderes Material in einem festen oder flüssigen Zustand aufweisen und bspw. ein Fluid, beispielsweise ein polymerisierbares Fluid oder ein Fluid in festem Zustand, ein Halbleitermaterial, zumindest eine organische Verbindung und/oder ein Keramikmaterial umfassen.
Mikrostrukturen mit unterschiedlichen Materialien können hierbei miteinander kombiniert werden, sodass sowohl die Verwendung eines Metallmaterials als auch die Verwendung eines Polymermaterials als auch die Verwendung des Fluids in festem oder flüssigem Zustand und/oder des Keramikmaterials in festem oder flüssigem Zustand beliebig miteinander kombinierbar ist, etwa in unterschiedlichen Schichten des Impedanzanpassungskörpers.
Die erhaltene Positivform oder Negativform kann weiter verarbeitet werden. Hierfür kann das Herstellen beispielsweise einen Schritt des Beschichtens der Positivform oder Negativform umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Invertieren der Positivform oder Negativform ausgeführt werden. Unter Invertieren kann eine Materialänderung der Positivform oder Negativform verstanden werden. Beispielsweise kann die Positivform oder Negativform beschichtet werden, dann das Material der Positivform bzw. Negativform herausgelöst werden, etwa durch ein Lösungsmittel oder ein Ätzverfahren und anschließend die erhaltene Kavität mit einem beliebigen Material nachgefüllt oder aufgefüllt werden. Die durch das Multiple-Photonen-Lithographieverfahren und/oder die Laserablation durch das Multiple- Photonen-Absorption erhaltenen geringen Strukturgrößen können dabei erhalten bleiben, sodass auch in Materialien, die beispielsweise durch subtraktive Verfahren nicht derart exakt bearbeitet werden können, solch geringe Strukturgrößen hergestellt werden können. Die Nachbearbeitung kann ferner ein Abgießen der Positivform oder Negativform umfas- sen. Unter Abgießen kann eine Formübertragung aus der Positivform oder Negativform in eine entsprechende andere Form verstanden werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Einschließen der Positivform oder Negativform erfolgen, in welcher beispielsweise die zuvor hergestellte Positivform oder Negativform als Kern erhalten bleibt. Unter beispielhafter Bezugnahme auf Fig. 3 kann beispielsweise das Material 24 durch ein Lithographieverfah- ren ausgehärtet werden und als Positivform verwendet werden, wobei ein Auffüllen mit an- deren Materialien möglich ist. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise der Impe- danzanpassungskörper 30 durch Erzeugen von Kavitäten erhalten werden, in welche spä- ter das Material 24 hineingefüllt wird. Das bedeutet, das Herstellen des Impedanzanpassungskörpers kann ein Erzeugen von Mikrostrukturen umfassen und zwar derart, dass diese als sich verjüngende Mikrostrukturen gebildet sind, was sowohl für die Bereiche mit dem Material 24 zutreffend ist als auch für die Zwischenräume dazwischen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Herstellen des Impedanzanpassungskörpers ein Erzeugen zumindest einer Kavität umfassen, die in dem Impedanzanpassungskörper angeordnet ist und dort ein Ändern einer effektiven Dichte des Impedanzanpassungskörpers bewirken kann. Das Erzeugen einer Kavität kann dabei sowohl das Aushärten zum späteren Verbleib eines Materials als auch das Herauslösen eines Materials umfassen und beschreibt beispielsweise das Erzeugen unterschiedlicher Materialien und/oder Dichten in dem Impedanzanpassungskörper in einem räumlichen Mittel zum Verändern der Dichte des Impedanzanpassungskörpers in dem räumlichen Mittel.
Wie es im Zusammenhang mit den Fig. 4a, 4b, 4c und 4d beschrieben ist, kann ein Herstellen des Impedanzanpassungskörpers ein Erzeugen der Mikrostrukturen als eine Gitterstruktur umfassen. Die Gitterstruktur kann aus einem Impedanzanpassungsmaterial des Impedanzanpassungskörpers gebildet sein und Kavitäten definieren, die sich entlang der Richtung senkrecht zu der Schalldurchlaufrichtung in dem Impedanzanpassungskörper erstrecken. Die Kavitäten können beispielsweise einen polygonalen Querschnitt mit drei, vier, fünf oder sechs, sieben oder einer höheren Anzahl von Ecken und/oder Kanten aufweisen, wobei die Strukturen mit einander kombinierbar sind. Die Mikrostrukturen in den Fig. 4a, 4b, 4c und/oder 4d können somit aus ausgehärtetem Polymermaterial und/oder dem Metallmaterial gebildet sein, können jedoch auch ein Material umfassen, welches in eine entsprechende Negativform eingegeben wurde, wobei das Transfermaterial zum Definieren dieser Strukturen später herausgelöst sein kann oder verbleiben kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Herstellen ein Erzeugen der Mikrostrukturen derart, dass die Mikrostrukturen einen akustischen Pfad zwischen den Seiten des Impedanzanpassungskörpers definieren, wie es beispielsweise im Zusammenhang der Fig. 5 beschrieben ist. Ein Material der Mikrostrukturen kann eine höhere Schallkennimpedanz aufweisen als der Impedanzanpassungskörper in einem Bereich des akustischen Pfades. Der akustische Pfad kann verglichen mit einer direkten Verbindung zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite eine Laufzeitverlängerung für durch den akustischen Pfad gesendeten Schall bereitstellen.
In anderen Worten bietet ein Ansatz der vorliegenden Erfindung besonders gegenüber bekannten Mikrostrukturen und Verfahren zur Herstellung derselben den Vorteil, dreidimensionale Strukturen nahezu beliebiger Form und vor allem großzügige Hinterschnitte zu ermöglichen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Impedanzanpassungskörper einen Hinterschnitt bzw. eine Hinterschneidung, das bedeutet, er umfasst eine Form mit einem Abschnitt, die eine Entfernung von einer Gussform oder einer Abdrucksform verhindern würde. Dies ist gemäß den beschriebenen Herstellungsverfahren dadurch möglich, dass durch die Ablationsverfahren und/oder Lithographieverfahren beliebige dreidimensionale Strukturen herstellbar sind.
Ein beispielhaftes Herstellungsverfahren wird in EP 1 084 454 B1 beschrieben. Ein Polymerisationsverfahren mittels Multi-Photonen-Absorption kann gemäß einem Ausführungsbeispiel für den beschriebenen Lösungsansatz genutzt werden, um Mikrostrukturen mit bestimmten Schallkennimpedanzen bzw. Schallkennimpedanzverläufen zu erzeugen. Hierin beschriebene Verfahren erlauben die Erzeugung von Strukturgrößen von höchstens 500 Nanometer und weniger, beispielsweise höchstens 300 Nanometer oder höchstens 100 Nanometer oder weniger. Die Verfahren bieten eine hohe Flexibilität im Design und der Fertigung der Mikrostrukturen zur akustischen Impedanzanpassung.
Die genannten Eigenschaften bieten den Vorteil, präzise, exponentielle Schallkennverläufe zu erzeugen und so eine ideale Kopplung zwischen Ultraschallwandler und Lastmedien zu gewährleisten. Außerdem kann die hohe Auflösung (geringe Strukturausdehnung) genutzt werden, um die Schallkennimpedanz auf kurzer Distanz stark zu verringern und damit an ein Medium wie z. B. Luft anzupassen. Diffraktionseffekte und andere Dämpfungseffekte, wie sie normalerweise durch Mikrostrukturen eingebracht werden, können durch gezieltes Design der Mikrostrukturen verringert oder sogar verhindert werden. Ein weiterer Vorteil der hohen Präzision ist die Möglichkeit, eine sehr genaue Schichtsystemhöhe zu erzeugen, welche starken Einfluss auf das Transmissionsverhalten ausübt. Ein weiterer Vorteil ist, dass auf Zwischen- und Adhäsionsmaterialien, welche zwischen einzelnen Impedanz schichten verschiedener Anpassungsschichten in bisherigen Lösungen nötig waren, verzichtet werden kann, wobei dies eine Anordnung derselben nicht ausschließt. Dadurch können jedoch deren negative und ungewollte Einflüsse auf die Schallübertragung entfallen und komplexe sowie arbeitsintensive Depositionsschritte entfallen. Die beschriebenen Verfahren sind prinzipiell auf jede Art von Schallwandlern anwendbar. Vorteile liegen in der Präzision, die insbesondere bei miniaturisierten Schallwandlerelementen und Wandlersys- temen erhalten werden können und somit insbesondere auf MEMS-basierten Schallwandlern, Schallsensoren und Schallaktuatoren zu einem Mehrwert beitragen.
Aspekte der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich unter anderem auf folgende Merkmale:
1. System mit einem mindestens einkanaligen Schallwandler und einem Schallkennimpe- danzmoduls für die Anpassung der akustischen Impedanz zwischen einem Schallwandler und einem Umgebungsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallkennimpedanzmodul Strukturgrößen unterhalb von 500 nm aufweist.
2. System, bei dem die typische Strukturgröße des Schallkennimpedanzmoduls kleiner gleich 100 nm beträgt.
3. System, mit einem Schallkennimpedanzmodul, dadurch gekennzeichnet, dass es einen homogenen oder inhomogenen Verlauf der Schallkennimpedanz aufweist.
4. System, mit einem Schallkennimpedanzmodul, dadurch gekennzeichnet, homogene Schallkennimpedanz zwischen Wandler und der Umgebungsmedium aufzuweisen, vorzugsweise mit Kenngrößen der Schallkennimpedanz zwischen der des Wandlers und der des Umgebungsmediums, vorzugsweise Luft.
5. System, mit einem Schallkennimpedanzmodul, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem wie in 2, aus mehreren Schichten konstanter Schallkennimpedanz besteht, wobei sich die Schallkennimpedanz der einzelnen Schichten unterscheiden und vorzugsweise Kenngrößen zwischen den Schallkennimpedanzen des Schallwandlers und des Medium, vorzugsweise Luft, aufweisen.
6. System, mit einem Schallkennimpedanzmodul, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallkennimpedanzmodul einen linearen Verlauf der Schallkennimpedanz aufweist, vorzugsweise mit einem stetigen Übergang der Schallkennimpedanz zwischen Wandler und dem Schallkennimpedanzmodul sowie zwischen dem Schallkennimpedanzmodul und dem Lastmedium. 7. System, mit einem Schallkennimpedanzmodul, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallkennimpedanzmodul einen exponentiellen Verlauf der Schallkennimpedanz auf- weist, vorzugsweise mit einem stetigen Übergang der Schallkennimpedanz zwischen Wandler und dem Schallkennimpedanzmodul sowie zwischen dem Schallkennimpe- danzmodul und dem Lastmedium.
8. System, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler als Schallaktuator betrieben wird.
9. System, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler als Schallsensor betrieben wird.
10. System, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler sowohl als Schallaktuator, als auch als Schallsensor betrieben wird.
11. System, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler im Ultraschallfrequenzbereich agiert, vorzugsweise im Bereich zwischen 20 kHz und 100 MHz.
12. System, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler auf piezoelektrischen Kera- miken und Kompositmaterialien basiert, beispielsweise PZT.
13. System, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler auf mit Dünnschichtverfah- ren aufgebrachten piezoelektrischen Materialien basiert, beispielsweise PVDF.
14. System, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler als mikromaschinell gefer- tigte Schallwandler (MUT); vorzugsweise mit kapazitivem (CMUT), piezoelektrischem (PMUT) und magnetischem Wirkprinzipien (MMUT), realisiert ist.
15. Verfahren zu Herstellung eines Schallkennimpedanzmoduls für die Anpassung der akustischen Impedanz zwischen einem Schallwandler und einem Umgebungsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallkennimpedanzmodul Strukturgrößen unterhalb von 500 nm aufweist.
16. Verfahren, bei dem die typische Strukturgröße des Schallkennimpedanzmoduls kleiner gleich 100 nm beträgt.
17. Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung durch Erzeugung von Mikro- kavitäten erfolgt und hierbei das Schallkennimpedanzmodul durch Hohlräume, Kanäle oder Einschlüsse in seiner effektiven Dichte, effektiven Schallgeschwindigkeit und da- mit Schallkennimpedanz verändert wird.
18. Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung durch Erzeugung von Ver- jüngungsstrukturen erfolgt und hierbei das Schallkennimpedanzmodul in mehrere, sich konisch verjüngende Volumen aufteilt und folglich in seiner effektiven Dichte, effektiven Schallgeschwindigkeit und damit Schallkennimpedanz verändert wird.
19. Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung durch Erzeugung von Mikro- gittern erfolgt und hierbei das Schallkennimpedanzmodul aus gerüstartigen Gittern mit variablen Gerüstelementen, vorzugsweise Hexagone, Hexagone/Dreikante, Dreikante und Diamanten besteht.
20. Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung durch Erzeugung von aufge- wickelten Strukturen erfolgt und hierbei das Schallkennimpedanzmodul aufgespulten oder aufgewickelten Strukturen besteht, welche die Laufzeit der Schallwelle erhöhen.
21. Verfahren unter Verwendung des multiple-Photonen-Absorption-Lithographieverfah- rens zur Erzeugung des Schallkennimpedanzmoduls, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transfermedium unter gezielter Wirkung von mindestens zwei Photonen seine strukturelle Zusammensetzung verändert und eine im Vergleich zur Umgebung mecha- nisch stabile Struktur erzeugt.
22. Verfahren, bei dem das Transfermedium bestehend aus flüssigen und/oder festen Polymeren, Metallen, Gasen, Keramiken und/oder Kombinationen dieser Materialien besteht.
23. Verfahren, bei dem die erzeugten Strukturen, vorzugsweise durch Beschichtung, Inver- sion, Abgüsse und Einschlüsse nachbearbeitet wird.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfah- rens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrens- schritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten ein- leuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutz- umfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Claims

Patentansprüche
1. Impedanzanpassungsvorrichtung zur Anpassung einer Schallkennimpedanz mit: einem Impedanzanpassungskörper (12) mit einer ersten Seite (14) und einer gegen- überliegenden zweiten Seite (16), wobei die Impedanzanpassungsvorrichtung ausgebildet ist, um eine Schallkennimpe- danz eines an der zweiten Seite (16) kontaktierten Mediums an eine Schallkennimpedanz eines an der ersten Seite (14) kontaktierten Schallwandlers (48) anzupassen; wobei der Impedanzanpassungskörper (12) Mikrostrukturen (22) umfasst, die entlang zumindest einer Raumrichtung eine Strukturausdehnung (26) von höchstens 500 nm aufweisen.
2. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 , bei der die Mikrostrukturen (22) umfassend ein Impedanzanpassungsmaterial umfassend ein Metallmaterial, ein Halbleitermaterial, eine organische Verbindung, ein Keramikmaterial oder umfassend ein Polymermaterial gebildet sind.
3. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Mikrostrukturen (22) umfassend ein erstes Impedanzanpassungsmaterial gebildet sind, wobei in Zwischenbereichen zwischen den Mikrostrukturen (22) ein zweites Impedanzan- passungsmateria! (24) angeordnet ist.
4. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Strukturausdehnung (26) zumindest einer Mikrostruktur (22) senkrecht zu einer axialen Erstreckungsrichtung der Mikrostrukturen (22) ist.
5 Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Mikrostrukturen (22) Kavitäten definieren, wobei eine effektive Materialdichte eines Impedanzanpassungsmaterials des Impedanzanpassungskörpers (12) zwischen der ersten Seite (14) und der zweiten Seite (16) durch die Kavitäten monoton veränderlich ist, und die Anpassung der Schallkennimpedanz bewirkt.
6. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der die Mikrostrukturen (22) verzweigte Mikrokanäle definieren, deren Anzahl zwischen der ersten und der zweiten Seite (16) monoton veränderlich ist.
7. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, bei der die Mikrostrukturen (22) zwischen der ersten Seite (14) und der zweiten Seite (16) bezüglich der Form einzelner Mikrostrukturen, der Position und/oder des Volumens der einzelnen Mikrostrukturen veränderlich sind.
8. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der zumindest eine der Mikrostrukturen (22) zumindest eines aus einer Spiralform, einer Tropfenform, einer Kubusform oder einer Kanalform aufweist.
9. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Mikrostrukturen (22) als sich hin zur ersten (14) oder hin zur zweiten Seite (16) verjüngende Strukturen gebildet sind, und zumindest in einem Bereich minimaler Ausdehnung (28) die Strukturausdehnung (26) aufweisen.
10. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die sich die Mikrostrukturen (22) konisch verjüngen.
11. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Mikrostrukturen (22) eine Gitterstruktur ausbilden, die sich entlang einer Richtung senkrecht zu einer Schalldurchlaufrichtung (18a, 18b) zwischen der ersten Seite (14) und der zweiten Seite (16) des Impedanzanpassungskörpers (12) in dem Impedanzanpassungskörper (12) erstreckt.
12. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß Anspruch 11 , bei der die Gitterstruktur aus einem Impedanzanpassungsmaterial des Impedanzanpassungskörpers (12) gebildet ist und Kavitäten definiert, die sich entlang der Richtung (x, y) senkrecht zu einer Schalldurchlaufrichtung (18a, 18b) in dem Impedanzanpassungskörper (12) erstrecken, wobei die Kavitäten einen polygonalen Querschnitt aufweisen.
13. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Mikrostrukturen (22) einen akustischen Pfad (34) zwischen der ersten Seite (14) und der zweiten Seite (16) definieren, wobei ein Material der Mikrostrukturen (22) eine höhere Schallkennimpedanz aufweist als der Impedanzanpassungskörper (12) in einem Bereich des akustischen Pfades (34), wobei der akustische Pfad (34) vergli- chen mit einer direkten Verbindung zwischen der ersten Seite (14) und der zweiten Seite (16) eine Laufzeitverlängerung für durch den akustischen Pfad (34) gesendeten Schall bereitstellt.
14. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß Anspruch 13, bei der der akustische Pfad (34) als gefaltete Struktur mit einer Mehrzahl von Pfadabschnitten (38) gebildet ist, wobei die Mehrzahl von Pfadabschnitte (38) senkrecht zu einer Schalldurchlaufrich- tung (18a, 18b) zwischen der ersten Seite (14) und der zweiten Seite (16) in dem Impedanzanpassungskörper (12) in von einander verschiedenen Ebenen senkrecht zur Schalldurchlaufrichtung (18a, 18b) erstrecken.
15. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der zwischen einem ersten Pfadabschnitt (38i) der Mehrzahl von Pfadabschnitten, der einen ersten akustisch wirksamen Querschnitt (42 ) aufweist, und einem zweiten Pfadabschnitt (382) der Mehrzahl von Pfadabschnitten, der einen zweiten akustischen wirksamen Querschnitt (422) aufweist, eine Verjüngung (44 ) des akustisch wirksamen Querschnitts angeordnet ist.
16. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß Anspruch 14 oder 15, bei der ein akustisch wirksamer Querschnitt (44) zumindest eines Pfadabschnitts (38) der Mehrzahl von Pfadabschnitten über dessen axiale Erstreckung veränderlich ist.
17. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der ein akustisch wirksamer Querschnitt (42i) eines ersten Pfadabschnitts (380 der Mehrzahl von Pfadabschnitten und ein akustisch wirksamer Querschnitt (422) eines angrenzenden zweiten Pfadabschnitts (422) der Mehrzahl von Pfadabschnitten von einander verschieden sind.
18. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Mikrostrukturen (22) zumindest innerhalb einer Schicht des Impedanzanpassungskörpers (12) einstückig gebildet sind.
19. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Strukturausdehnung (26) höchstens 100 nm beträgt.
20. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der ein Verlauf der Schallkennimpedanz zwischen der ersten Seite (14) und der zwei- ten Seite (16) kontinuierlich oder diskontinuierlich ist.
21. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß Anspruch 20, bei der der Verlauf der Schall- kennimpedanz exponentiell ist.
22. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Impedanzanpassungskörper (12) an der ersten Seite (14) einen ersten Schallkennimpedanzwert aufweist und an der zweiten Seite (16) einen zweiten Schallken- nimpedanzwert aufweist, wobei entweder der erste Schallkennimpedanzwert oder der zweite Schallkennimpedanzwert mit einem Schallkennimpedanzwert eines MUT- Schallwandlers innerhalb eines Toleranzbereichs von ±50 % übereinstimmt.
23. I mpedanzanpassungsvorrichtung gemäß Anspruch 22, bei der das Zielmedium Luft ist.
24. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der Impedanzanpassungskörper (12) mehrschichtig umfassend zumindest eine erste Schicht mit einer ersten Schichtkennimpedanz und eine zweite Schicht mit einer zwei- ten Schichtkennimpedanz gebildet ist, die von der ersten Schichtkennimpedanz verschieden ist.
25. Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Impedanzanpassungskörper (12) eine Hinterschneidung aufweist
26. Wandlervorrichtung mit: einer Impedanzanpassungsvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprü- che; und einem Schallwandlerelement (48), das entweder mit der ersten Seite (14) oder der zweiten Seite (16) des Impedanzanpassungskörpers (12) durch eine akustische Kopplung akustisch gekoppelt ist.
27. Wandlervorrichtung gemäß Anspruch 26, bei der die akustische Kopplung einen stetigen Übergang der Schallkennimpedanz aufweist.
28. Wandlervorrichtung gemäß Anspruch 26 oder 27, bei der das Schallwandlerelement (48) einen Schallaktuator und/oder einen Schallsensor umfasst.
29. Wandlervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 26 bis 28, bei der das Schallwandlerelement (48) ein piezoelektrisches Keramikmaterial und/oder ein Kompositmaterial umfasst.
30. Wandlervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 26 bis 29, bei der das Schallwandlerelement (48) ein piezoelektrisches Dünnschichtmaterial, insbesondere ein Polyvi- nylidenfluorid-Material umfasst.
31. Wandlervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 26 bis 30, bei der das Schallwandlerelement (48) einen MUT-Schallwandler umfasst.
32. System mit: einer Wandlervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 26 bis 31 ; und einer Steuereinheit (52), die ausgebiidet ist, um das Schallwandlerelement (48) zu betreiben.
33. System gemäß Anspruch 32, bei der die Steuereinheit (52) ausgebildet ist, um das Schallwandlerelement (48) in einem Ultraschall-Frequenzbereich zu betrieben.
34. Verfahren (800) zum Herstellen einer Impedanzanpassungsvorrichtung mit folgendem Schritt:
Bereitstellen (810) eines Impedanzanpassungskörpers (12) mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Seite (16), der ausgebildet ist, um eine Schallkennimpedanz eines an der zweiten Seite (16) kontaktierten Mediums, an eine Schallkennimpedanz eines an der ersten Seite (14) kontaktierten Schallwandlers (48) anzupas- sen; so dass der Impedanzanpassungskörper (12) Mikrostrukturen (22) umfasst, die entlang zumindest einer Raumrichtung eine Strukturausdehnung (26) von höchstens 500 nm aufweisen.
35. Verfahren gemäß Anspruch 34, bei dem das Bereitstellen (810) des Impedanzanpas- sungskörpers (12) eine Herstellung desselben mit folgenden Schritten aufweist:
Bereitstellen eines Transfermaterials;
Erzeugen einer Positivform oder einer Negativform der Mikrostrukturen (22) in dem Transfermaterial.
36. Verfahren gemäß Anspruch 35, bei dem das Transfermaterial ein aushärtbares Transfermaterial ist und bei dem das Erzeugen der Positivform oder Negativform der Mikrostrukturen (22) in dem aushärtbaren Transfermaterial durch Aushärten dessel- ben unter Ausführung einer multiple-Photonen-Absorptions-Lithographie erfolgt, die eine lokale Änderung einer strukturellen Zusammensetzung des aushärtbaren Trans- fermaterials bewirkt.
37. Verfahren gemäß Anspruch 35 oder 36, bei dem T ransfermaterial einen festen oder flüssigen Zustand aufweist und zumindest eines aus einem Metallmaterial, einem Halbleitermaterial, einer organischen Verbindung, einem Keramikmaterial und einem Polymermaterial einem Fluid und einem Keramikmaterial umfasst.
38. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 35 bis 37, bei dem das Bereitstellen (810) des Impedanzanpassungskörpers (12) eine Herstellung desselben mit folgenden Schritten umfasst:
Bereitstellen eines Transfermaterials;
Erzeugen einer Positivform oder einer Negativform der Mikrostrukturen (22) in dem Metallmaterial durch Laserablation durch multiple-Photonen-Absorption desselben.
39. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 35 bis 38, bei dem das Bereitstellen (810) des Impedanzanpassungskörpers (12) eine Herstellung desselben mit zumindest ei- nem der folgenden Schritte umfasst: Beschichten der Positivform oder Negativform; und/oder
Invertieren der Positivform oder Negativform; und/oder Abgießen der Positivform oder Negativform; und/oder Einschließen der Positivform oder Negativform.
40. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 35 bis 39, bei dem das Bereitstellen (810) des Impedanzanpassungskörpers (12) ein Herstellen desselben umfasst, wobei das Herstellen ein Erzeugen zumindest einer Kavität in dem Impedanzanpassungskörper (12) zum Ändern einer effektiven Dichte des Impedanzanpassungskörpers (12) um- fasst.
41. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 35 bis 40, bei dem das Bereitstellen (810) des Impedanzanpassungskörpers (12) ein Herstellen desselben umfasst, wobei das Herstellen ein Erzeugen der Mikrostrukturen (22) derart umfasst, dass diese als sich verjüngende Mikrostrukturen (22) gebildet sind.
42. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 35 bis 41 , bei dem das Bereitstellen (810) des Impedanzanpassungskörpers (12) ein Herstellen desselben umfasst, wobei das Herstellen ein Erzeugen der Mikrostrukturen (22) als eine Gitterstruktur umfasst, so dass die Gitterstruktur aus einem Impedanzanpassungsmaterial des Impedanzanpassungskörpers (12) gebildet ist und Kavitäten definiert, die sich entlang der Rich- tung senkrecht zu einer Schalldurchlaufrichtung (18a, 18b) in dem Impedanzanpas- sungskörper (12) erstrecken, wobei die Kavitäten einen polygonalen Querschnitt aufweisen.
43. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 35 bis 42, bei dem das Bereitstellen (810) des Impedanzanpassungskörpers (12) ein Herstellen desselben umfasst, wobei das Herstellen ein Erzeugen eines der Mikrostrukturen (22) derart umfasst, die Mikro- strukturen (22) einen akustischen Pfad zwischen der ersten Seite (14) und der zwei- ten Seite (16) definieren, so dass ein Material der Mikrostrukturen (22) eine höhere Schallkennimpedanz aufweist als der Impedanzanpassungskörper (12) in einem Bereich des akustischen Pfades, so dass der akustische Pfad verglichen mit einer direkten Verbindung zwischen der ersten Seite (14) und der zweiten Seite (16) eine Laufzeitverlängerung für durch den akustischen Pfad gesendeten Schall bereitstellt.
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