WO2005075113A1 - Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen wandlerelement, verfahren zum herstellen des wandlerelements und verwendung des ultraschallwandlers - Google Patents

Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen wandlerelement, verfahren zum herstellen des wandlerelements und verwendung des ultraschallwandlers Download PDF

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WO2005075113A1
WO2005075113A1 PCT/EP2005/050469 EP2005050469W WO2005075113A1 WO 2005075113 A1 WO2005075113 A1 WO 2005075113A1 EP 2005050469 W EP2005050469 W EP 2005050469W WO 2005075113 A1 WO2005075113 A1 WO 2005075113A1
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WO
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stack
electrode layers
ultrasonic transducer
piezoelectric
layers
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Application number
PCT/EP2005/050469
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Hermann BÖDINGER
Karl Lubitz
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0611—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/06—Forming electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/872—Connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices, e.g. external electrodes

Definitions

  • Ultrasonic transducer with: a piezoelectric transducer element, method for producing the transducer element and use of the ultrasonic transducer
  • the invention relates to an ultrasonic transducer with at least one piezoelectric transducer element, which has a multilayer capacitor structure with a stack of alternately arranged electrode layers and piezoelectric
  • each of the electrode layers of the stack extends to at least one lateral insulation surface section of the stack and for electrical insulation of each of the electrode layers on the respective lateral insulation surface section of the
  • Stack of electrical insulation material is arranged.
  • a method for producing the transducer element of the ultrasonic transducer and a use of the ultrasonic transducer are specified.
  • An ultrasonic transducer of the type mentioned is known, for example, from R.L. Goldberg et al., IEEE Ultrasonic Symposium, 1993, pp. 1103 to 1106.
  • the ultrasonic transducer is a so-called 2D ultrasonic transducer. With the well-known 2D
  • Ultrasonic transducers are arranged 3 x 43 individual transducer elements to form a transducer element matrix.
  • Each of the converter elements has a multilayer capacitor structure with a stack of capacitor elements arranged one above the other and connected in parallel.
  • Each of the capacitor elements has a piezoelectric layer. Electrode layers are arranged on main surfaces of the piezoelectric layer which face away from one another. In the stack, adjacent capacitor elements each have a common electrode layer.
  • a piezoelectric material of the piezoelectric layers is lead zirconate titanate (PZT).
  • a stack height of the stack is, for example, 660 ⁇ m.
  • a base area of the stack is 370 ⁇ m x 3,500 ⁇ m.
  • Electrode layers (inner electrodes) made of silver-palladium and piezoelectric layers made of PZT are arranged alternately one above the other to form a monolithic stack.
  • a stack height is 500 ⁇ m to 1000 ⁇ m.
  • adjacent electrode layers are alternately guided in the stacking direction to two side contact surface sections of the stack which are electrically insulated from one another and to each of which an external metallization is attached.
  • Electrode layers of a capacitor element do not extend over the entire main surface of the respective piezoelectric layer.
  • the areas with the two outer metallizations are referred to as contact zones of the transducer element.
  • the piezoelectric layer and thus the transducer element is piezoelectrically inactive. Due to the electrical control of the electrode layers, an electrical field is coupled into the piezoelectric layer, which leads to the deflection of the piezoelectric layer.
  • an electrical field is coupled into a piezoelectrically inactive region of the piezoelectric layer that differs significantly from the electrical field that is coupled into a piezoelectrically active region of the piezoelectric layer.
  • the piezoelectrically active area of the piezoelectric layer is located directly between the adjacent electrode layers. With the electrical Activation of the electrode layers, ie during polarization and / or during operation of the transducer element, leads to different deflections of the piezoelectric layer in the piezoelectrically active area and in the piezoelectrically inactive area due to the different electric fields.
  • the known ultrasonic transducers are used in medical diagnostics.
  • the ultrasonic transducer acts as an antenna, which emits or receives short sound pulses.
  • a thickness (stack height) of the transducer elements determines an operating frequency of the antenna. In the case of converter elements in a monolithic multilayer construction, the operating frequency is between 1 MHz and 10 MHz.
  • Transducer elements represent a measure of a lateral resolution of the antenna.
  • a high resolution is necessary for the creation of three-dimensional images.
  • a monolithic multilayer actuator which has a stack of piezoceramic layers and electrode layers.
  • 100 piezoceramic layers, each with a layer thickness of approximately 100 ⁇ m, are arranged with the electrode layers to form a stack with a height of approximately 15 mm.
  • This stack contains a hole with a diameter of approximately 3.0 mm.
  • the electrode layers are guided up to the side surfaces of the bore.
  • glass particles are electrophoretically deposited on the end faces of the electrode layers and then baked at a temperature of 650 ° C. This creates an insulation layer of around 50 ⁇ m.
  • the electrode layers of the multi-layer actuator are operated with a DC voltage of approximately 150 V.
  • the object of the present invention is to show how the transducer elements of a 2D ultrasound transducer are to be designed, so that, in spite of a greater degree of miniaturization, a smaller fluctuation in capacitance, signal and / or sensitivity occurs in comparison with the prior art.
  • an ultrasonic transducer is provided with at least one piezoelectric transducer element, which has a multilayer capacitor structure with a stack of electrode layers and piezoelectric layers arranged alternately one above the other, each of the electrode layers of the stack extending to at least one lateral insulation surface section of the stack and to electrical insulation of each of the electrode layers at the respective side insulation surface portion of the stack Insulation material is arranged.
  • the ultrasonic transducer is characterized in that the electrical
  • Insulation material is formed from an electrochemical deposition on the lateral insulation surface section.
  • a method for producing the transducer element of the ultrasonic transducer is also specified with the following method steps: a) providing a stack of electrode layers and piezoelectric layers arranged one above the other, each of the electrode layers extending to a lateral insulation surface section, and b) electrochemical deposition of Insulation material on the respective insulation surface sections.
  • the ultrasound transducer has, for example, 64 x 64 individual transducer elements.
  • a base area of the transducer elements is square and is, for example, 250 ⁇ m ⁇ 250 ⁇ m.
  • the height of the transducer elements is, for example, 500 ⁇ m.
  • Each of the transducer elements is constructed, for example, from piezoelectric layers with a layer thickness of approximately 50 ⁇ m each and electrode layers with a layer thickness of approximately 1 ⁇ m to 2 ⁇ m in each case.
  • the converter elements each have a multilayer capacitor structure. In contrast to the prior art, no piezoelectrically inactive areas are necessary to ensure electrical insulation of adjacent electrode layers from one another.
  • the electrical insulation material is arranged on the respective lateral insulation surface section in such a way that adjacent ones in the stacking direction of the stack
  • Electrode layers are electrically insulated from one another by the electrical insulation material.
  • the piezoelectric layers of the transducer elements can thus have larger piezoelectrically active regions than comparable piezoelectric layers of known transducer elements.
  • the result is a higher capacitance in the respective multilayer capacitor structure than in a comparable, known one Multilayer capacitor structure. This leads to a higher sensitivity compared to the prior art.
  • a degree of miniaturization required for high resolution can be achieved without fluctuations in capacitance, signal and sensitivity.
  • a base area of the electrode layers of the stack of the transducer element essentially corresponds to a base area of the piezoelectric layers of the stack of the transducer element.
  • the piezoelectrically active region extends over the entire piezoelectric layer.
  • the stack has an outer metallization on a lateral contact surface section.
  • the electrode layer is led up to the contact surface section of the stack and is connected there to the outer metallization.
  • the adjacent electrode layer which is also led to the edge of the stack, is covered with electrical insulation material.
  • the outer metallization is a surface metallization on one side of the stack.
  • the surface metallization is applied over a height of the stack that results from the electrode layers to be contacted.
  • the electrode layers are alternately covered with the insulation material.
  • every first electrode layer is electrically contacted with the surface metallization.
  • Every second electrode layer is electrically isolated from the surface metallization.
  • the insulation material is arranged between the surface metallization and every second electrode layer.
  • the base area of the electrode layers and the base area of the piezoelectric layers have a lateral extent that extends from the region from 50 ⁇ m up to and including 500 ⁇ m is selected.
  • the extension of the base areas is preferably selected from the range from 50 ⁇ m to 250 ⁇ m.
  • the base areas can have any shape.
  • the base areas are rectangular, square or trapezoidal.
  • the lateral extent of the layers and thus a lateral extent of the transducer elements is a length or a width of the layers or a length or width of the transducer elements.
  • a different stack height of the stack is selected, which forms the multilayer capacitor structure.
  • a stack height of the stack is preferably selected from the range from 100 ⁇ m up to and including 1000 ⁇ m. These stacking heights result in working frequencies in the one to two-digit MHz range.
  • the piezoelectric layers can have any piezoelectric material.
  • the piezoelectric material is a plastic such as polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the piezoelectric layers of the transducer element have a piezoceramic.
  • the piezoceramic is preferably a perovskite.
  • the piezoceramic is a PZT.
  • the piezoelectric layers and the electrode layers can be laminated one above the other.
  • the converter element preferably has a monolithic one
  • the piezoceramic layers and the electrode layers form a firmly connected Composite.
  • the electrode material of the electrode layers is, for example, a silver-palladium alloy. Other electrode materials are also conceivable.
  • the following method steps are preferably carried out: c) printing ceramic green foils with electrode material, d) stacking the printed ceramic green foils, e) sintering the stacked green foils to form a plate and f) producing the stack from the plate.
  • Unprinted green foils can also be used. For example, an unprinted green sheet is arranged between two printed green sheets. This reduces the probability of an electrical short circuit occurring due to the piezoelectric layer obtained therefrom. After this
  • Laminating is usually debinding.
  • An organic binder contained in the ceramic green sheet is burned out by increasing the temperature.
  • the stack is sintered.
  • a monolithic plate is created from alternately stacked piezoceramic layers and electrode layers. This slab is sawn in the further course, the transducer elements being obtained in a monolithic multilayer construction.
  • the converter elements can be separated.
  • the transducer elements are separated from one another. It is also conceivable that trenches are sawn into the plate so that individual transducer elements are created, but the transducer elements are still connected by the common plate.
  • the plate is only structured.
  • the electrical insulation material is applied.
  • the electrical insulation material and / or a precursor of the electrical insulation material is electrochemically deposited on the insulation surface portion of the stack.
  • Electrochemical deposition is based on the migration of electrically charged ones Particles that are in a liquid and that are exposed to an electric field. The electrically charged particles are moved in the electric field in the direction of the insulation surface section and are deposited there. The deposition can be associated with a redox reaction of the particles.
  • the electrochemical deposition is an electrophoretic deposition. Electrophoretic deposition is carried out for electrochemical deposition. Dispersed and / or colloidally dissolved particles move in the electric field.
  • the insulation material can be used directly for the electrochemical deposition.
  • a preliminary stage of the insulation material can also be used. This means that during or after the deposition of the precursor of the insulation material, the precursor of the insulation material is converted into the actual insulation material.
  • the conversion may include a redox reaction or a polymerization. It can also be just a
  • Compress the deposited material There is no material conversion.
  • a heat treatment of the stack is carried out after the deposition and / or during the deposition, so that an insulation layer is formed from the deposited insulation material.
  • the insulation layer leads to the electrical insulation of the corresponding electrode layer.
  • insulation material is at least one material selected from the group consisting of glass and / or ceramic and / or plastic.
  • plastic polymerizable starting compounds of the plastic can be deposited. The polymerization is initiated after or during the deposition. Initiation takes place, for example, by heat treatment. It is also conceivable that already polymerized spheres are deposited from a thermoplastic, which are compressed by subsequent heat treatment.
  • the material glass (Si0 2 ) as an insulation material is particularly suitable when using a piezoceramic as a piezoelectric material.
  • the glass is dispersed in water as a fine powder.
  • a particle diameter of the glass particles is chosen so that a dense insulation layer can be formed from the deposited glass particles.
  • the glass particles are as far as possible none.
  • Glass particles which are as small as possible are also advantageous for producing a dispersion from which the electrophoretic deposition takes place. Small glass particles can be used to produce a dense dispersion with the highest possible solids content without sedimentation taking place.
  • small glass particles are particularly suitable because they adhere very well to the insulation surface section after electrophoretic deposition.
  • glass powders whose average particle size (dso value) is selected from the range from 0.5 ⁇ m to 2.0 ⁇ m are particularly suitable. Larger and smaller average particle sizes are also conceivable.
  • the dispersed glass particles are charged with an electrical charge on the particle surface.
  • the charged glass particles migrate to the correspondingly charged electrode layer and become on the insulation surface section of the
  • Electrode layer or the stack deposited.
  • the separated glass particles are then burned in. A heat treatment takes place.
  • the glass particles are compacted by viscous flow. At the same time, an intimate connection of the
  • a large number of transducer elements are combined to form a transducer element matrix.
  • a 2D ultrasound transducer is implemented.
  • the 2D ultrasound transducer has, for example, a transducer element matrix with 64 x 64 transducer elements.
  • the plurality of transducer elements is preferably arranged on a common carrier body.
  • the carrier body is a substrate which has corresponding electrical conductor tracks for controlling the converter elements.
  • the transducer elements can be separated from one another, that is to say they can be arranged individually on the common carrier body. In particular, it is also conceivable for the individual transducer elements to be arranged in a coherent manner on the carrier body as being not separate from one another.
  • a monolithic plate is structured using trenches in such a way that coherent transducer elements are created.
  • a width of the trenches is selected, for example, from the range from 10 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • Each of the converter elements is separately electrically controlled via the carrier body with suitable electrical conductor tracks.
  • the ultrasonic transducer described is preferably used in medical diagnostics or in non-destructive material testing (ultrasonic testing).
  • An ultrasonic transducer is provided with transducer elements that have almost identical electrical, piezoelectric and ultrasonic properties.
  • FIG. 1A shows a piezoelectric transducer element of an ultrasonic transducer in a lateral cross section.
  • FIG. 1B shows a top view of an electrode layer of the transducer element.
  • FIG. IC shows a section of the converter element from FIG. 1A.
  • FIG. 2A shows a piezoelectric transducer element of an ultrasonic transducer according to the prior art in a lateral cross section.
  • FIG. 2B shows a top view of an electrode layer of the converter element according to the prior art.
  • FIG. 2C shows a section of the converter element from FIG. 2A.
  • FIG. 3 shows a plate made of sintered piezoelectric layers and electrode layers.
  • FIG. 4 shows a strip sawn from the sheet of Figure 3.
  • FIG. 5 shows the plate from FIG. 3, into which trenches have been sawn
  • FIG. 6 shows a section of a converter element matrix from above.
  • the ultrasonic transducer 1 is a 2D ultrasonic antenna.
  • This 2D ultrasound antenna consists of 64 x 64 individual piezoelectric transducer elements 2 (FIG. 6).
  • the transducer elements are combined to form a transducer element matrix 3 containing 64 x 64 elements.
  • the plurality of transducer elements is arranged on a common carrier body 4.
  • the carrier body serves, among other things, for the electrical control of the converter elements.
  • Each of the transducer elements is a multilayer transducer element (mini multilayer actuator) with a multilayer capacitor structure (FIGS. 1A and IC).
  • Each multilayer capacitor structure has a stack 20 of electrode layers 22 and 23 and piezoelectric layers 24 which are in the stacking direction
  • the piezoelectric layers are made of a PZT.
  • the electrode layers are made of a silver-palladium alloy.
  • Each of the electrode layers extends on at least one lateral insulation surface portion 25 and 26 of the stack.
  • each of the electrode layers extends to all four lateral ones
  • Electrochemical depositions 27 and 28 made of an insulation material.
  • the electrochemical deposits are each an electrophoretic deposit.
  • the insulation material is a glass.
  • each of the piezoelectric layers has a piezoelectrically inactive region 17 in the contact zone. In the remaining area 16, each piezoelectric layer 16 is piezoelectrically active.
  • Electrode layers 22 or further electrode layers 23 are guided only on the edge surface 41 and 42.
  • the electrode layers are alternately guided to the edge surfaces 41 and 42.
  • Subsequent debinding and sintering of the entire stack leads to a monolithic ceramic plate 40 (FIG. 3).
  • the plate thickness corresponds to the later thickness of the transducer elements.
  • Reference number 48 indicates the dimension of the 2D ultrasonic transducer, which becomes plate 40 through the process steps described below.
  • the edge surfaces 41 and 42 are metallized over the entire area for electrical contacting of the respective electrode layers.
  • the plate 40 is subsequently sawn into strips 411 (FIG. 4).
  • One of the side surfaces 44 or 47 is covered.
  • the glass is deposited electrophoretically from an aqueous dispersion of a glass powder on the free electrode layers.
  • the glass powder has an average particle size of 2.0 ⁇ m.
  • the cover is removed and the other side surface 47 or 44 is covered. Then glass is electrophoretically deposited on the now free electrode layers. After removing the cover, the strip becomes a
  • the glass is baked at a temperature of around 700 ° C. A dense electrical insulation layer forms.
  • the side surfaces 47 and 49 of the strip 411 are metallized together.
  • the side surfaces 43 and 44 are also metallized together.
  • the side surfaces 43, 44, 47 and 49 are metallized together.
  • the side surfaces 47 and 49 are subsequently separated from the side surfaces 43 and 44. The separation is done by laser structuring.
  • the side surfaces are covered, so that either the side surfaces 47 and 49 or the side surfaces 43 and 44 are metallized.
  • the strips are used on a common carrier body with spacers.
  • the sintered plate is not sawn into strips.
  • trenches 45 are sawn into the plate (FIG. 5).
  • the trenches have a trench width of approximately 40 ⁇ m.
  • the glass deposits obtained in this way are baked again.
  • the side surfaces 43 and 49 and the surfaces of the trenches 45 are subsequently metallized.
  • the resulting plate 40 is glued to a carrier body.
  • the remaining webs remaining during partial sawing are removed by a further sawing step.
  • a further trench with a trench width of approximately 20 ⁇ m is sawn into each of the existing trenches.
  • the remaining webs are retained.
  • the converter elements are not completely separated from one another.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit mindestens einem piezoelektrischen Wandlerelement, das eine Vielschicht-Kondensatorstruktur mit einem Stapel abwechselnd angeordneter Elektrodenschichten (22, 23) und piezoelektrischer Schichten (24) aufweist, wobei sich jede der Elektrodenschichten des Stapels bis an jeweils mindestens einen seitlichen Isolationsoberflächenabschnitt des Stapels erstreckt und zur elektrischen Isolierung jeder der Elektrodenschichten am jeweiligen seitlichen Isolationsoberflächenabschnitt (25, 26) des Stapels elektrisches Isolationsmaterial (27) angeordnet ist. Der Ultraschallwandler ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Isolationsmaterial (27) aus einer elektrochemischen Abscheidung am seitlichen Isolationsoberflächenabschnitt gebildet ist. Der Ultraschallwandler besteht aus MiniVielschichtpiezoaktoren. Dabei weisen die piezoelektrischen Schichten keine oder nahezu keine piezoelektrisch inaktiven Bereiche auf. Der Ultraschallwandler wird in der medizinischen Diagnostik oder zur zerstörungsfreien Werkstoffanalyse verwendet.

Description

Beschreibung
Ultraschallwandler mit: einem piezoelektrischen Wandlerelement, Verfahren zum Herstellen des Wandlerelements und Verwendung des Ultraschallwandlers
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit mindestens einem piezoelektrischen Wandlerelement, das eine Vielschicht-Kondensatorstruktur mit einem Stapel abwechselnd angeordneter Elektrodenschichten und piezoelektrischer
Schichten aufweist, wobei sich jede der Elektrodenschichten des Stapels bis an jeweils mindestens einen seitlichen Isolationsoberflächenabschnitt des Stapels erstreckt und zur elektrischen Isolierung jeder der Elektrodenschichten am jeweiligen seitlichen Isolationsoberflächenabschnitt des
Stapels elektrisches Isolationsmaterial angeordnet ist. Neben dem Ultraschallwandler mit dem piezoelektrischen Wandlerelement wird ein Verfahren zum Herstellen des Wandlerelements des Ultraschallwandlers sowie eine Verwendung des Ultraschallwandlers angegeben.
Ein Ultraschallwandler der genannten Art ist beispielsweise aus R. L. Goldberg et al., IEEE Ultrasonic Symposium, 1993, S. 1103 bis 1106 bekannt. Der Ultraschallwandler ist ein sogenannter 2D-Ultraschallwander. Bei dem bekannten 2D-
Ultraschallwandler sind 3 x 43 einzelne Wandlerelemente zu einer Wandlerelementmatrix angeordnet. Jedes der Wandlerelemente weist eine Vielschicht-Kondensatorstruktur mit einem Stapel aus übereinander angeordneten, elektrisch parallel geschalteten Kondensatorelementen auf. Jedes der Kondensatorelemente verfügt über eine piezoelektrische Schicht. An einander abgekehrten Hauptflächen der piezoelektrischen Schicht sind Elektrodenschichten angeordnet. Im Stapel benachbarte Kondensatorelemente weisen jeweils eine gemeinsam Elektrodenschicht auf. Ein piezoelektrisches Material der piezoelektrischen Schichten ist Bleizirkonattitanat (PZT) . Eine Stapelhöhe des Stapels beträgt beispielsweise 660 μm. Eine Grundfläche des Stapels beträgt 370 μm x 3.500 μm.
Aus der US 5,329,496 ist ein Ultraschallwandler mit Wandlerelementen in monolithischer Vielschichtbauweise bekannt. Zum Herstellen der Wandlerelemente werden beispielsweise keramische Grünfolien mit PZT, die in einem Siebdruckverfahren mit einer Silber-Palladium-Paste bedruckt sind, übereinander gestapelt, entbindert und gemeinsam gesintert. Es entsteht ein Stapel, bei dem
Elektrodenschichten (Innenelektroden) aus Silber-Palladium und piezoelektrische Schichten aus PZT abwechselnd übereinander zu einem monolithischen Stapel angeordnet sind. Eine Stapelhöhe betragt dabei 500 μm bis 1000 μm.
Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten sind in Stapelrichtung benachbarte Elektrodenschichten abwechselnd an zwei elektrisch voneinander isolierte, seitliche Kontaktoberflächenabschnitte des Stapels geführt, an denen jeweils eine Außenmetallisierung angebracht ist. Jede der
Elektrodenschichten eines Kondensatorelements erstreckt sich dabei nicht über die gesamte Hauptfläche der jeweiligen piezoelektrischen Schicht. Die Bereiche mit den beiden Außenmetallisierungen werden als Kontaktzonen des Wandlerelements bezeichnet. Im Bereich dieser Kontaktzonen ist die piezoelektrische Schicht und damit das Wandlerelement piezoelektrisch inaktiv. Durch die elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten wird in die piezoelektrische Schicht ein elektrisches Feld eingekoppelt, das zur Auslenkung der piezoelektrischen Schicht führt. In einen piezoelektrisch inaktiven Bereich der piezoelektrischen Schicht wird dabei ein elektrisches Feld eingekoppelt, das sich deutlich von dem elektrischen Feld unterscheidet, das in einen piezoelektrisch aktiven Bereich der piezoelektrischen Schicht eingekoppelt wird. Der piezoelektrisch aktive Bereich der piezoelektrischen Schicht befindet sich direkt zwischen den benachbarten Elektrodenschichten. Bei der elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten, also beim Polarisieren und/oder im Betrieb des Wandlerelements, kommt es aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Felder zu unterschiedlichen Auslenkungen der piezoelektrischen Schicht im piezoelektrisch aktiven Bereich und im piezoelektrisch inaktiven Bereich.
Die bekannten Ultraschallwandler werden in der medizinischen Diagnostik eingesetzt. Dabei fungiert der Ultraschallwandler als Antenne, die kurze Schallimpulse aussendet beziehungsweise empfängt. Eine Dicke (Stapelhöhe) der Wandlerelemente bestimmt eine Arbeitsfrequenz der Antenne. Im Fall der Wandlerelemente in monolithischer Vielschichtbauweise beträgt die Arbeitsfrequenz zwischen 1 MHz und 10 MHz. Eine Länge und eine Breite der
Wandlerelemente stellen ein Maß für eine laterale Auflösung der Antenne dar. Je kleiner eine Stapellänge und je kleiner eine Stapelbreite der die Wandlerelemente bildenden Stapel aus Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten sind, desto höher ist die Auflösung. Eine hohe Auflösung ist für eine Erstellung von dreidimensionalen Abbildungen notwendig.
Aufgrund der Art der Kontaktierung der Elektrodenschichten sind einer Miniaturisierung Grenzen gesetzt. Mit genügend groß dimensionierten Kontaktzonen muss immer dafür gesorgt werden, dass die Elektrodenschichten abwechselnd mit den Außenmetallisierungen kontaktiert werden. Dies bedeutet, dass sich mit zunehmender Miniaturisierung ein Verhältnis von piezoelektrisch aktivem Bereich zum piezoelektrisch inaktivem Bereich verkleinert. Eine Empfindlichkeit der Wandlerelemente nimmt ab. Darüber hinaus nimmt herstellungsbedingt die Wahrscheinlichkeit für relative Schwankungen bezüglich der Abmessungen der inaktiven Kontaktzonen zu. Diese Schwankungen können ihre Ursache in einer Genauigkeitsgrenze des Siebdruckverfahrens haben, mit dem eine Elektrodenpaste auf eine keramische Grünfolie gedruckt wird. Ebenso kann es zu Schwankungen durch Schwundvariation und Schwundinhomogenitäten beim Sintern kommen. Aus diesen Schwankungen ergeben sich starke Kapazitäts-, Signal- und Empfindlichkeitsschwankungen .
Aus der US 5,568,679 ist ein monolithischer Vielschichtaktor bekannt, der einen Stapel aus piezokeramischen Schichten und Elektrodenschichten aufweist. Dabei sind 100 piezokeramische Schichten, die jeweils eine Schichtdicke von etwa 100 μm aufweisen, mit den Elektrodenschichten zu einem Stapel mit einer Höhe von etwa 15 mm angeordnet. In diesem Stapel ist eine Bohrung mit einem Durchmesser von etwa 3,0 mm enthalten. Die Elektrodenschichten sind bis an Seitenflächen der Bohrung geführt. Zur elektrischen Isolierung werden an den Endflächen der Elektrodenschichten Glaspartikel elektrophoretisch abgeschieden und anschließend bei einer Temperatur von 650° C eingebrannt. Dabei entsteht eine Isolationsschicht von etwa 50 μm. Im Betrieb werden die Elektrodenschichten des Vielschichtaktors mit einer Gleichspannung von etwa 150 V betrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie die Wandlerelemente eines 2D-Ultraschallwandlers auszugestalten ist, so dass trotz größerem Miniaturisierungsgrad eine im Vergleich zum Stand der Technik kleinere Kapazitäts-, Signal- und/oder Empfindlichkeitsschwankung auftritt .
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Ultraschallwandler mit mindestens einem piezoelektrischen Wandlerelement angegeben, das eine Vielschicht-Kondensatorstruktur mit einem Stapel abwechselnd übereinander angeordneter Elektrodenschichten und piezoelektrischer Schichten aufweist, wobei sich jede der Elektrodenschichten des Stapels bis an jeweils mindestens einen seitlichen Isolationsoberflächenabschnitt des Stapels erstreckt und zur elektrischen Isolierung jeder der Elektrodenschichten am jeweiligen seitlichen Isolationsoberflächenabschnitt des Stapels elektrisches Isolationsmaterial angeordnet ist. Der Ultraschallwandler ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische
Isolationsmaterial aus einer elektrochemischen Abscheidung am seitlichen Isolationsoberflächenabschnitt gebildet ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen des Wandlerelements des Ultraschallwandlers mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen eines Stapels aus übereinander angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten, wobei sich jede der Elektrodenschichten an jeweils einen seitlichen Isolationsoberflächenabschnitt erstreckt, und b) elektrochemisches Abscheiden von Isolationsmaterial an den jeweiligen Isolationsoberflächenabschnitten.
Der Ultraschallwandler weist beispielsweise 64 x 64 einzelne Wandlerelemente auf. Eine Grundfläche der Wandlerelemente ist quadratisch und beträgt beispielsweise 250 μm x 250 μm. Die Höhe der Wandlerelemente beträgt beispielsweise 500 μm. Jedes der Wandlerelemente ist beispielsweise aus piezoelektrischen Schichten mit einer Schichtdicke von jeweils etwa 50 μm und Elektrodenschichten mit einer Schichtdicke von jeweils etwa 1 μm bis 2 μm aufgebaut. Die Wandlerelemente verfügen jeweils über eine Vielschicht-Kondensatorstruktur. Im Gegensatz zum Stand der Technik sind keine piezoelektrisch inaktiven Bereiche notwendig, um eine elektrische Isolierung benachbarter Elektrodenschichten gegeneinander zu gewährleisten. Das elektrische Isolationsmaterial ist derart am jeweiligen seitlichen Isolationsoberflächenabschnitt angeordnet, dass in Stapelrichtung des Stapels benachbarte
Elektrodenschichten durch das elektrische Isolationsmaterial voneinander elektrische isoliert sind. Somit können die piezoelektrischen Schichten der Wandlerelemente größere piezoelektrisch aktiven Bereiche aufweisen als vergleichbare piezoelektrische Schichten bekannter Wandlerelemente. Es resultiert eine höhere Kapazität der jeweiligen Vielschicht- Kondensatorstruktur als bei einer vergleichbaren, bekannten Vielschicht-Kondensatorstruktur. Dies führt zu einer im Vergleich zum Stand der Technik höheren Empfindlichkeit. Darüber hinaus kann ein für eine hohe Auflösung notwendiger Miniaturisierungsgrad ohne Kapazitäts-, Signal- und Empfindlichkeitsschwankungen erzielt werden.
In einer besonderen Ausgestaltung entspricht eine Grundfläche der Elektrodenschichten des Stapels des Wandlerelements im Wesentlichen einer Grundfläche der piezoelektrischen Schichten des Stapels des Wandlerelements. Dies bedeutet, dass sich der piezoelektrisch aktive Bereich jeweils über die gesamte piezoelektrische Schicht erstreckt. Zur elektrischen Kontaktierung einer Elektrodenschicht weist der Stapel an einem seitlichen Kontaktoberflächenabschnitt eine Außenmetallisierung auf. Die Elektrodenschicht ist bis an den Kontaktoberflächenabschnitt des Stapels geführt und dort mit der Außenmetallisierung verbunden. Um zu verhindern, dass eine benachbarte Elektrodenschicht mit dieser Außenmetallisierung kontaktiert wird, ist die benachbarte Elektrodenschicht, die ebenfalls bis an den Rand des Stapels geführt ist, mit elektrischem Isolationsmaterial abgedeckt. Beispielsweise ist die Außenmetallisierung eine Oberflächenmetallisierung an einer Seite des Stapels . Die Oberflächenmetallisierung ist über eine Höhe des Stapels angebracht, die sich durch die zu kontaktierenden Elektrodenschichten ergibt. Alternierend werden die Elektrodenschichten mit dem Isolationsmaterial abgedeckt. Somit ist jede erste Elektrodenschicht mit der Oberflächenmetallisierung elektrisch kontaktiert. Jede zweite Elektrodenschicht ist von der Oberflächenmetallisierung elektrisch isoliert. Zwischen der Oberflächenmetallisierung und jeder zweiten Elektrodenschicht ist jeweils das Isolationsmaterial angeordnet.
In einer besonderen Ausgestaltung weisen die Grundfläche der Elektrodenschichten und die Grundfläche der piezoelektrischen Schichten eine laterale Ausdehnung auf, die aus dem Bereich von einschließlich 50 μm bis einschließlich 500 μm ausgewählt ist. Vorzugsweise ist die Ausdehnung der Grundflächen aus dem Bereich von 50 μm bis 250 μm ausgewählt. Die Grundflächen können beliebig geformt sein. Beispielsweise sind die Grundflächen rechteckig, quadratisch oder trapezförmig. Bei einer rechteckigen Grundfläche ist die laterale Ausdehnung der Schichten und damit eine laterale Ausdehnung der Wandlerelemente eine Länge oder eine Breite der Schichten beziehungsweise eine Länge oder Breite der Wandlerelemente.
Je nach gewünschter Arbeitsfrequenz des Ultraschallwandlers wird eine unterschiedliche Stapelhöhe des Stapels gewählt, der die Vielschicht-Kondensatorstruktur bildet. Vorzugsweise ist aber ist eine Stapelhöhe des Stapels aus dem Bereich von einschließlich 100 μm bis einschließlich 1000 μm ausgewählt. Mit diesen Stapelhöhen ergeben sich Arbeitsfrequenzen im ein- bis zweistelligen MHz-Bereich.
Die piezoelektrischen Schichten können ein beliebiges piezoelektrisches Material aufweisen. Beispielsweise ist das piezoelektrische Material ein Kunststoff wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) . Zum Herstellen der Wandlerelemente wird beispielsweise eine entsprechende Anzahl von PVDF-Folien, die mit Elektrodenmaterial bedruckt sind, übereinander gestapelt und laminiert. Anschließend wird der Stapel aus den PVDF-Folien in einzelne Wandlerelemente zerteilt.
In einer besonderen Ausgestaltung weisen die piezoelektrischen Schichten des Wandlerelements eine Piezokeramik auf. Die Piezokeramik ist bevorzugt ein Perowskit. Insbesondere ist die Piezokeramik ein PZT. Dabei können die piezoelektrischen Schichten und die Elektrodenschichten übereinander laminiert sein. Vorzugsweise aber weist das Wandlerelement eine monolithische
Vielschichtbauweise auf. Die piezokeramischen Schichten und die Elektrodenschichten bilden eine fest zusammenhängenden Verbund. Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten ist beispielsweise eine Silber-Palladium-Legierung. Andere Elektrodenmaterialien sind ebenfalls denkbar. Zum Bereitstellen eines das Wandlerelement bildenden Stapels aus piezoelektrischen Schichten und Elektrodenschichten werden bevorzugt folgende Verfahrensschritte durchgeführt: c) Bedrucken von keramischen Grünfolien mit Elektrodenmaterial, d) Stapeln der bedruckten keramischen Grünfolien, e) Sintern der gestapelten Grünfolien zu einer Platte und f) Erzeugen des Stapels aus der Platte. Zusätzlich können unbedruckte Grünfolien verwendet werden. Beispielsweise wird eine unbedruckte Grünfolie zwischen zwei bedruckten Grünfolien angeordnet. Dadurch verringert sich die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines elektrischen Kurzschlusses durch die daraus erhaltene piezoelektrische Schicht. Nach dem
Laminieren erfolgt in der Regel ein Entbindern . Ein in den keramischen Grünfolie enthaltener organischer Binder wird durch Temperaturerhöhung ausgebrannt. Nach dem Entbindern wird der Stapel gesintert. Es entsteht eine monolithische Platte aus abwechselnd gestapelten piezokeramischen Schichten und Elektrodenschichten. Diese Platte wird im weiteren Verlauf zersägt, wobei die Wandlerelemente in monolithischer Vielschichtbauweise erhalten werden. Dabei können die Wandlerelemente vereinzelt werden. Die Wandlerelemente werden voneinander getrennt. Denkbar ist auch, dass in die Platte Gräben gesägt werden, so dass zwar einzelne Wandlerelemente entstehen, die Wandlerelemente durch die gemeinsame Platte aber noch verbunden sind. Die Platte wird lediglich strukturiert .
Nach dem Zerteilen in einzelne Wandlerelemente beziehungsweise nach dem Strukturieren der Platte wird das elektrische Isolationsmaterial aufgebracht. Das elektrische Isolationsmaterial und/oder eine Vorstufe des elektrischen Isolationsmaterial wird am Isolationsoberflächenabschnitt des Stapels elektrochemisch abgeschieden. Das elektrochemische Abscheiden basiert auf der Wanderung von elektrisch geladenen Teilchen, die sich in einer Flüssigkeit befinden und die einem elektrischen Feld ausgesetzt sind. Die elektrisch geladenen Teilchen werden im elektrischen Feld in Richtung des Isolationsoberflächenabschnitts bewegt und dort abgeschieden. Das Abscheiden kann mit einer Redoxreaktion der Teilchen verbunden sein. In einer besonderen Ausgestaltung ist die elektrochemische Abscheidung eine elektrophoretische Abscheidung. Zum elektrochemischen Abscheiden wird ein elektrophoretisches Abscheiden durchgeführt. Dabei wandern dispergierte und/oder kolloidal gelöste Teilchen im elektrischen Feld.
Für die elektrochemische Abscheiden kann direkt das Isolationsmaterial verwendet werden. Ebenso kann eine Vorstufe des Isolationsmaterials verwendet werden. Dies bedeutet, dass während oder nach dem Abscheiden der Vorstufe des Isolationsmaterials ein Umwandeln der Vorstufe des Isolationsmaterials in das eigentliche Isolationsmaterial durchgeführt wird. Das Umwandeln kann eine Redoxreaktion oder eine Polymerisation umfassen. Es kann auch lediglich ein
Verdichten des abgeschiedenen Material beinhalten. Es findet keine StoffUmwandlung statt. In einer besonderen Ausgestaltung wird nach dem Abscheiden und/oder während des Abscheidens eine Wärmebehandlung des Stapels durchgeführt, so dass sich aus dem abgeschiedenen Isolationsmaterial eine Isolationsschicht bildet. Die Isolationsschicht führt zur elektrischen Isolierung der entsprechenden Elektrodenschicht.
Als Isolationsmaterial eignet sich jeder Werkstoff, der aus Partikeln besteht, die sich elektrostatisch aufladen lassen. In einer besonderen Ausgestaltung ist das Isolationsmaterial zumindest ein aus der Gruppe Glas und/oder Keramik und/oder Kunststoff ausgewählter Werkstoff. Beim Kunststoff können polymerisierbare Ausgangsverbindungen des Kunststoffs abgeschieden werden. Nach oder während dem Abscheiden wird die Polymerisierung initiiert. Das Initiieren erfolgt beispielsweise durch eine Wärmebehandlung. Denkbar ist auch, dass bereits polymerisierte Kügelchen aus einem thermoplastischen Kunststoff abgeschieden werden, die durch nachfolgende Wärmebehandlung verdichtet werden.
Der Werkstoff Glas (Si02) als Isolationsmaterial eignet sich besonders bei der Verwendung einer Piezokeramik als piezoelektrisches Material. Das Glas wird beispielsweise als feines Pulver in Wasser dispergiert. Ein Partikeldurchmesser der Glaspartikel ist dabei so gewählt, dass aus den abgeschiedenen Glaspartikeln eine dichte Isolationsschicht gebildet werden kann. Dazu sind die Glaspartikel möglichst kein. Möglichst kleine Glaspartikel sind auch zum Herstellen einer Dispersion vorteilhaft, aus der die elektrophoretische Abscheidung stattfindet. Mit kleinen Glaspartikeln kann eine dichte Dispersion mit einem möglichst hohen Feststoffanteil hergestellt werden, ohne dass Sedimentation statt findet. Darüber hinaus eignen sich kleine Glaspartikel besonders, da sie nach dem elektrophoretischen Abscheiden sehr gut am Isolationsoberflächenabschnitt haften. Bei einer Schichtdicke einer zu isolierenden Elektrodenschicht von etwa 5 μm eignen sich solche Glaspulver besonders, deren durchschnittlicher Partikelgröße (dso~Wert) aus dem Bereich von 0,5 μm bis 2,0 μm ausgewählt ist. Größere und kleinere durchschnittliche Partikelgrößen sind ebenfalls denkbar.
Die dispergierten Glaspartikel werden an der Partikeloberfläche mit einem elektrischen Ladung beaufschlagt. Die geladenen Glaspartikel wandern zur entsprechend mit Spannung beaufschlagten Elektrodenschicht und werden am Isolationsoberflächenabschnitt der
Elektrodenschicht beziehungsweise des Stapels abgeschieden. Nachfolgend werden die abgeschiedenen Glaspartikel eingebrannt. Es findet eine Wärmebehandlung statt. Es erfolgt ein Verdichten der Glaspartikel durch viskoses Fließen. Gleichzeitig entsteht eine innige Verbindung des
Isolationsmaterials mit der Piezokeramik des Wandlerelements. Es resultiert eine feste und zuverlässige elektrische Isolierung der Elektrodenschicht.
In einer besonderen Ausgestaltung ist eine Vielzahl von Wandlerelementen zu einer Wandlerelementmatrix zusammengefasst . Es wird ein 2D-Ultraschallwandler realisiert. Der 2D-Ultraschallwandler weist beispielsweise eine Wandlerelementmatrix mit 64 x 64 Wandlerelementen auf.. Vorzugsweise ist dabei die Vielzahl von Wandlerelementen auf einem gemeinsamen Trägerkörper angeordnet. Der Trägerkörper ist ein Substrat, das entsprechende elektrische Leiterbahnen zur Ansteuerung der Wandlerelemente aufweist. Die Wandlerelemente können voneinander getrennt, also vereinzelt auf dem gemeinsamen Trägerkörper angeordnet sein. Denkbar ist insbesondere auch, dass die einzelnen Wandlerelemente zusammenhängend, als nicht voneinander getrennt auf dem Trägerkörper angeordnet sind. Beispielsweise wird eine monolithische Platte mit Hilfe von Gräben derart strukturiert, dass zusammenhängende Wandlerelemente entstehen. Eine Weite der Gräben ist beispielsweise aus dem Bereich von 10 μm bis 50 μm ausgewählt. Jedes der Wandlerelemente wird über den Trägerkörper mit passenden elektrischen Leiterbahnen separat elektrisch angesteuert.
Der beschriebene Ultraschallwandler wird bevorzugt in der medizinischen Diagnostik oder in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (Ultraschallprüfung) verwendet.
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:
- Es wird ein Ultraschallwandler mit Wandlerelementen bereitgestellt, die nahezu identische elektrische, piezoelektrische und Ultraschalleigenschaften aufweisen.
Aufgrund der effizienten elektrischen Isolierung der Elektrodenschichten ist die Wahrscheinlichkeit für den Ausfall von einzelnen Wandlerelementen durch Kurzschluss erniedrigt. Damit kommt es zu keinen Artefakten in einer Bildrekonstruktion.
- Es ist eine im Vergleich zum Stand der Technik höhere Auflösung möglich.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Figur 1A zeigt ein piezoelektrisches Wandlerelement eines Ultraschallwandlers in einem seitlichen Querschnitt.
Figur 1B zeigt eine Elektrodenschicht des Wandlerelements in Aufsicht.
Figur IC zeigt einen Ausschnitt des Wandlerelements aus Figur 1A.
Figur 2A zeigt ein piezoelektrisches Wandlerelement eines Ultraschallwandlers gemäß Stand der Technik in einem seitlichen Querschnitt.
Figur 2B zeigt eine Elektrodenschicht des Wandlerelements gemäß Stand der Technik in Aufsicht.
Figur 2C zeigt einen Ausschnitt des Wandlerelements aus Figur 2A.
Figur 3 zeigt eine Platte aus gesinterten piezoelektrischen Schichten und Elektrodenschichten.
Figur 4 zeigt einen aus der Platte aus Figur 3 gesägten Streifen. Figur 5 zeigt die Platte aus Figur 3, in die Gräben gesägt sind
Figur 6 zeigt einen Ausschnitt einer Wandlerelementmatrix von oben .
Der Ultraschallwandler 1 ist eine 2D-Ultraschallantenne. Diese 2D-Ultraschallantenne besteht aus 64 x 64 einzelnen piezoelektrischen Wandlerelementen 2 (Figur 6) . Die Wandlerelemente sind zu einer 64 x 64 Elemente enthaltenden Wandlerelementmatrix 3 zusammengefasst. Die Vielzahl der Wandlerelemente ist auf einem gemeinsamen Trägerkörper 4 angeordnet. Der Trägerkörper dient unter anderem der elektrischen Ansteuerung der Wandlerelemente.
Jedes der Wandlerelemente ist ein Vielschicht-Wandlerelement (Mini-Vielschichtaktor) mit Vielschicht-Kondensatorstruktur (Figuren 1A und IC) . Jede Vielschicht-Kondensatorstruktur verfügt über einen Stapel 20 aus Elektrodenschichten 22 und 23 und piezoelektrischen Schichten 24, die in Stapelrichtung
21 des Stapels abwechselnd angeordnet sind. Die piezoelektrischen Schichten sind aus einem PZT. Die Elektrodenschichten sind aus einer Silber-Palladium- Legierung. Die Grundfläche 241 der piezoelektrischen Schichten 24 und die Grundfläche 221 der Elektrodenschichten
22 und 23 sind quadratisch und im Wesentlichen gleich (Figur 1B) . Eine Kantenlänge 222 und 242 der jeweiligen Grundfläche 221 und 241 beträgt jeweils etwa 250 μm. Die Stapelhöhe entlang der Stapelrichtung 21 beträgt 500 μm. Jede der Elektrodenschichten erstreckt sich mindestens an jeweils einem seitlichen Isolationsoberflächenabschnitt 25 und 26 des Stapels .
Im vorliegenden Fall erstreckt sich jede der Elektrodenschichten an alle vier seitlichen
Oberflächenabschnitte des Stapels. Zur elektrischen Isolierung jeder der Elektrodenschichten sind an den Isolationsoberflächenabschnitten, bis zu denen sich die Elektrodenschichten erstrecken, elektrochemische Abscheidungen 27 und 28 aus einem Isolationsmaterial angebracht. Die elektrochemischen Abscheidungen sind jeweils eine elektrophoretische Abscheidung. Das Isolationsmaterial ist ein Glas.
Zur elektrischen Kontaktierung sind an
Kontaktoberflächenabschnitten 29 und 30, die den jeweiligen Isolationsoberflächenabschnitten 27 und 28 abgekehrt sind, elektrische Außenmetallisierungen 31 und 32 angebracht.
Zur Verdeutlichung ist in den Figuren 2A bis 2C der Stand der Technik gezeigt. Jede der piezoelektrischen Schichten weist in der Kontaktzone einen piezoelektrisch inaktiven Bereich 17 auf. Im übrigen Bereich 16 ist jede piezoelektrischen Schichten 16 piezoelektrisch aktiv.
Zum Herstellen der Wandlerelemente des Ultraschallwandlers werden keramische Grünfolien mit Elektrodenmaterial bedruckt und übereinander gestapelt. Dabei ist dafür gesorgt, dass nur an die Kantenfläche 41 und 42 entweder Elektrodenschichten 22 oder weitere Elektrodenschichten 23 geführt sind. Die Elektrodenschichten sind abwechselnd an die Kantenflächen 41 und 42 geführt. Nachfolgendes Entbindern und Sintern des Gesamtstapels führt zu einer monolithischen keramischen Platte 40 (Figur 3) . Die Plattendicke entspricht der späteren Dicke der Wandlerelemente. Mit dem Bezugszeichen 48 ist die Abmessung des 2D-Ultraschallwanders angedeutet, der aus der Platte 40 durch die nachfolgend beschriebenen Prozessschritte wird.
Im nächsten Schritt werden die Kantenflächen 41 und 42 zur elektrischen Kontaktierung der jeweiligen Elektrodenschichten ganzflächig metallisiert. Nachfolgend wird die Platte 40 in Streifen 411 zersägt (Figur 4) . Eine der Seitenflächen 44 oder 47 wird abgedeckt. Nachfolgend wird das Glas elektrophoretisch aus einer wässrigen Dispersion eines Glaspulvers an den freien Elektrodenschichten abgeschieden. Das Glaspulver weist eine durchschnittliche Partikelgröße von 2,0 μm auf. Im Folgenden wird die Abdeckung entfernt und die andere Seitenfläche 47 oder 44 abgedeckt. Anschließend wird an den nun freien Elektrodenschichten Glas elektrophoretisch abgeschieden. Nach Entfernen der Abdeckung wird der Streifen einer
Wärmebehandlung unterzogen. Bei einer Temperatur von etwa 700 °C wird das Glas eingebrannt. Es bildet sich eine dichte elektrische Isolationsschicht.
Im nächsten Schritt werden die Seitenflächen 47 und 49 des Streifens 411 gemeinsam metallisiert. Ebenfalls werden die Seitenflächen 43 und 44 gemeinsam metallisiert. Das Metallisieren der Seitenflächen 43, 44, 47, und 49 erfolgt in einer ersten Ausführungsform gemeinsam. Nachfolgend werden die Seitenflächen 47 und 49 von den Seitenflächen 43 und 44 getrennt. Das Trennen erfolgt durch Laserstrukturierung. In einer dazu alternativen Ausführungsform werden die Seitenflächen abgedeckt, so dass entweder die Seitenflächen 47 und 49 oder die Seitenflächen 43 und 44 metallisiert werden.
Im Weiteren werden die Streifen auf einen gemeinsamen Trägerkörper mit Abstandshaltern eingesetzt. Zur Fertigstellung der Ultraschallantenne werden Verkleben, Polarisieren, Aufbringen weiterer elektrischer
Kontaktierungen und Quersägen (Figur 4, Bezugszeichen 46) in einzelnen Wandlerelemente durchgeführt.
In einer alternativen Ausführungsform wird die gesinterte Platte nicht in Streifen zersägt. In einem Sägeschritt werden Gräben 45 in die Platte eingesägt (Figur 5) . Eine Grabenweite der Gräben beträgt etwa 40 μm. Im Weiteren wird je ein Graben abgedeckt und im nicht abgedeckten Graben Glas an den Elektroden elektrophoretisch abgeschieden. Die so erhaltenen Glasabscheidungen werden wieder eingebrannt. Nachfolgend werden die Seitenflächen 43 und 49 und die Flächen der Gräben 45 metallisiert. Die so resultierende Platte 40 wird auf einen Trägerkörper aufgeklebt . Neben dem bereits oben beschriebenen Polarisieren, Aufbringen weiterer elektrischer Kontaktierungen und Quersägen werden die beim Teileinsägen stehen gebliebenen Reststege durch einen weiteren Sägeschritt entfernt. Zum Trennen der Reststege wird in jeden der bestehenden Gräben ein weiterer Graben mit einer Grabenweite von etwa 20 μm eingesägt. In einer dazu alternativen Ausführungsform bleiben die Reststege erhalten. Die Wandlerelemente werden nicht komplett voneinander getrennt.

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschallwandler (1) mit mindestens einem piezoelektrischen Wandlerelement (2) , das - eine Vielschichtkondensatorstruktur mit einem Stapel (20) abwechselnd übereinander angeordneter Elektrodenschichten (22, 23) und piezoelektrischer Schichten (24) aufweist, wobei sich jede der Elektrodenschichten des Stapels bis an jeweils mindestens einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Stapels erstreckt und zur elektrischen Isolierung jeder der Elektrodenschichten am jeweiligen seitlichen Isolationsoberflächenabschnitt des Stapels elektrisches Isolationsmaterial angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Isolationsmaterial aus einer elektrochemischen Abscheidung am seitlichen Isolationsoberflächenabschnitt gebildet ist.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei das elektrische Isolationsmaterial derart am jeweiligen seitlichen Isolationsoberflächenabschnitt angeordnet ist, dass in Stapelrichtung (21) des Stapels benachbarte Elektrodenschichten durch das elektrische Isolationsmaterial voneinander elektrische isoliert sind.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2 , wobei eine Grundfläche (221) der Elektrodenschichten des Stapels des Wandlerelements im Wesentlichen einer Grundfläche (241) der piezoelektrischen Schichten des Stapels des Wandlerelements entspricht.
4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, wobei die Grundfläche der Elektrodenschichten und die Grundfläche der piezoelektrischen Schichten eine laterale Ausdehnung (222, 242) aufweisen, die aus dem Bereich von einschließlich 50 μm bis einschließlich 500 μm ausgewählt ist.
5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Stapelhöhe des Stapels aus dem Bereich von einschließlich 100 μm bis einschließlich 1000 um ausgewählt ist.
6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die piezoelektrischen Schichten des Wandlerelements eine Piezokeramik aufweisen.
7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Wandlerelement eine monolithische Vielschichtbauweise aufweist.
8. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die elektrochemische Abscheidung eine elektrophoretische Abscheidung ist.
9. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Isolationsmaterial zumindest ein aus der Gruppe Glas und/oder Keramik und/oder Kunststoff ausgewählter Werkstoff ist.
10. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Vielzahl von Wandlerelementen zu einer Wandlerelementmatrix (3) zusammengefasst ist.
11. Ultraschallwandler nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Wandlerelementen auf einem gemeinsamen Trägerkörper (4) angeordnet ist.
12. Verfahren zum Herstellen des Wandlerelements des Ultraschallwandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines Stapels aus übereinander angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten, wobei sich jede der Elektrodenschichten an jeweils einen seitlichen Isolationsoberflächenabschnitt erstreckt, und b) elektrochemisches Abscheiden von Isolationsmaterial an den jeweiligen Isolationsoberflächenabschnitten.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei nach dem Abscheiden und/oder während dem Abscheiden eine Wärmebehandlung des Stapels durchgeführt wird, so dass sich aus dem abgeschiedenen Isolationsmaterial eine Isolationsschicht bildet.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei zum elektrochemischen Abscheiden ein elektrophoretisches Abscheiden durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, als Isolationsmaterial ein aus der Gruppe Glas und/oder Keramik und/oder Kunststoff ausgewählter Werkstoff verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei zum Bereitstellen des Stapels folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: c) Bedrucken von keramischen Grünfolien mit Elektrodenmaterial, d) Stapeln der bedruckten keramischen Grünfolien, e) Sintern der gestapelten Grünfolien zu einer Platte und f) Erzeugen des Stapels aus der Platte.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei zum Erzeugen des Stapels die Platte in eine Vielzahl von Stapeln zersägt wird.
8. Verwendung des Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in der medizinischen Diagnostik oder in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.
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