DE4142372A1 - Ultraschall-wandlerarray - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Wandlerarray mit neben­ einander angeordneten Elementarwandlern, die eine metallisierte Vorderseite und eine der Vorderseite gegenüberliegende metalli­ sierte Rückseite aufweisen, die mit einem ersten bzw. zweiten elektrischen Anschluß verbunden sind.

In der medizinischen Ultraschalldiagnostik sind Ultraschall­ applikatoren mit elektronischer Abtastung weit verbreitet. Sie umfassen ein Ultraschall-Wandlerarray mit einer Reihe von nebeneinander angeordneten Elementarwandlern. Die Reihe der Elementarwandler kann sowohl in einer Ebene als auch auf einem Kreisbogen angeordnet sein. Die Abtastung erfolgt durch eine entsprechende zeitliche Ansteuerung der Elementarwandler.

Ebenso sind Wandlerarrays bekannt, wobei die Elementarwandler anstatt in einer Reihe in einer Fläche mosaikförmig ange­ ordnet sind.

Ein Ultraschall-Wandlerarray der eingangs genannten Art ist in der EP-OS 00 05 071 offenbart. Die Elementarwandler sind dort in einer Reihe angeordnet. Bei entsprechender Ansteuerung kann eine Sektorabtastung oder eine Linearabtastung durchge­ führt werden. Um ein derartiges Ultraschall-Wandlerarray her­ zustellen, wird eine Platte eines piezokeramischen Materials auf der Vorder- und Rückseite metallisiert, wobei die Größe der Platte der Größe des Wandlerarrays entspricht. Dann wird die Platte mit ihrer Rückseite auf einem Ultraschall absor­ bierenden Trägermaterial befestigt, das bei den fertigen Wandlerarrays das Backing bildet. Die mit dem Trägermaterial verbundene keramische Platte wird nun einschließlich der Me­ tallisierungen durch Sägen oder Trennschleifen in die ge­ wünschte Anzahl von Elementarwandlern geteilt. Die unabhängigen Elementarwandler werden dann mit ersten und zweiten elektri­ schen Anschlüssen versehen.

Der Trennvorgang der Elementarwandler aus der piezokeramischen Platte ist fertigungstechnisch nicht einfach. Da die Elementar­ wandler vollständig voneinander getrennt sein müssen, kann nicht vermieden werden, daß auch der Träger mit einer kleinen Nut versehen wird. Das Trennwerkzeug muß somit sowohl die harte Keramik als auch das relativ weiche Trägermaterial, das größtenteils aus Kunststoff besteht, bearbeiten können. Dabei muß zum einen vermieden werden, daß der kunststoffhaltige Träger durch Überhitzung beschädigt wird, so daß die Trenn­ geschwindigkeit begrenzt ist. Zum anderen kann das Trennwerk­ zeug durch den kunststoffhaltigen Träger beschädigt werden, so daß der Trennvorgang laufend überwacht werden muß. Die für das Trennen benötigte Zeit ist entsprechend lang.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall- Wandlerarray anzugeben, das mit hoher Genauigkeit hergestellt werden kann und dessen Fertigungszeit kurz ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jeder Elementarwandler mit den angrenzenden Elementarwandlern auf der Rückseite mit jeweils einem piezokeramischen Verbindungselement verbunden ist. Bei der Herstellung eines derartigen Wandlerarrays kann von einer piezokeramischen Platte ausgegangen werden, die jedoch anstatt mit einem dämpfenden Trägermaterial mit einem piezokeramischen Träger verbunden ist. Beim Unterteilen der metallisierten piezokeramischen Platte in einzelne Wandler­ elemente kann ein speziell für keramische Werkstoffe geeignetes Trennwerkzeug eingesetzt werden. Damit sind hohe Trennge­ schwindigkeiten möglich. Außerdem wird die Lebensdauer des Trennwerkzeugs nicht durch anhalftende Kunststoffpartikel her­ abgesetzt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß sich auf der Rückseite der Wandlerelemente zwischen den Ver­ bindungselementen ein Zwischenraum befindet und daß der zwei­ te elektrische Anschluß über den Zwischenraum geführt ist. Es ist vorteilhaft, den piezokeramischen Träger vor dem Untertei­ len in Einzelwandler ebenfalls mit Einschnitten zu versehen. Damit werden in der piezokeramischen Trägerplatte Zwischen­ räume geschaffen, um die zweiten Anschlüsse für die Elementar­ wandler herzustellen und um die akustische Verkopplung zwischen den Elementarwandlern zu verringern. Die akustischen Eigen­ schaften lassen sich über die Breite der Einschnitte im piezo­ keramischen Träger beeinflussen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß sich der Zwischenraum in einer Ausnehmung im Elemen­ tarwandler fortsetzt und daß der Zwischenraum und die Ausneh­ mung mit einer Metallisierung versehen sind, die mit dem zweiten elektrischen Anschluß verbunden ist. Der Zwischenraum oder Einschnitt durchtrennt den piezokeramischen Träger voll­ ständig, so daß einzelne Verbindungselemente gebildet sind. Die Toleranz der Schnitttiefe für die Einschnitte im piezo­ keramischen Träger kann somit relativ hoch sein. Die Metalli­ sierung der Rückseite des Elementarwandlers mündet nun seit­ lich in den Zwischenraum. Der zweite elektrische Anschluß er­ folgt über die Metallisierung des Zwischenraumes und der Aus­ nehmung, die dann mit der metallisierten Rückseite in elek­ trischem Kontakt steht. Obwohl die elektrische Verbindung der beiden Metallisierungen nur über eine Stoßstelle, deren Höhe der Dicke der Metallisierung auf der Rückseite entspricht, er­ folgt, kann doch über die Länge des Zwischenraumes eine sichere elektrische Verbindung erzeugt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Metallisierung des Zwischenraums auf der dem Elementarwandler abgewandten Rückseite der angrenzenden piezo­ keramischen Verbindungselemente in einer weiteren Metalli­ sierung fortsetzt und daß der zweite elektrische Anschluß mit der weiteren Metallisierung auf der abgewandten Seite des Verbindungselementes verbunden ist. Damit können die meist als Anschlußfahnen ausgebildeten elektrischen Anschlüsse einfach und sicher elektrisch leitend mit den Elementarwandlern ver­ bunden werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die zweiten elektrischen Anschlüsse einer Gruppe von Elementarwandlern über eine sich über die Rückseiten mehreren Verbindungselemente er­ streckenden Metallisierung mit einem gemeinsamen elektrischen Anschluß verbunden. Diese Gruppenbildung von Elementarwandlern ist auch unter dem Namen Feinteilung bekannt. Die feingeteilten Elementarwandler sind gegenüber einem herkömmlichen Elementar­ wandler wesentlich schmaler, so daß die Breite einer Gruppe von feingeteilten Elementarwandlern etwa der Breite eines her­ kömmlichen Elementarwandlers entspricht.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen anhand von drei Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht mehrere nebeneinander an­ geordnete Elementarwandler eines Wandlerarrays,

Fig. 2 in perspektivischer Ansicht eine Gruppe von feinge­ teilten Elementarwandlern und

Fig. 3 in perspektivischer Ansicht eine Verbundplatte, aus der drei Wandlerarrays hergestellt werden.

Das in Fig. 1 im Ausschnitt gezeigte Ultraschall-Wandlerarray besteht aus einer Reihe nebeneinander angeordneter Elementar­ wandler 2, die jeweils eine metallisierte Vorderseite 4 und eine der Vorderseite gegegenüberliegende metallisierte Rück­ seite 6 aufweisen. Die Metallisierungen 4 und 6 bilden die Elektroden der Elementarwandler 2, über die dem Elementar­ wandler 2 ein elektrisches Signal zugeführt oder abgegriffen werden kann. Dazu sind die Metallisierungen 4 und 6 mit einem ersten bzw. zweiten elektrischen Anschluß 5 bzw. 7 verbunden. Der erste elektrische Anschluß 5 ist für alle Elementarwand­ ler 2 gemeinsam. Beispielhaft sind hier vier Elementarwandler 2 aus einer Reihe von z. B. 128 gleichartigen Wandlerelementen 2 mit einer Breite W und einer Länge L gezeigt. Benachbarte Elementarwandler 2 sind auf der metallisierten Rückseite 6 über jeweils ein piezokeramisches Verbindungselement 8 verbunden. Hier entspricht die Länge des Verbindungselements 8 der Länge L der Elementarwandler 2.

In der Mitte der Rückseite der Elementarwandler 2 ist ein Zwi­ schenraum 10 zwischen den Verbindungselementen 8 vorgesehen, um die metallisierte Rückseite 6 der Elementarwandler 2 mit einem zweiten elektrischen Anschluß 7 zu verbinden. Der Zwi­ schenraum 10 hat hier die Form einer rechteckigen Trennfuge der Breite B und erstreckt sich über die gesamte Länge L eines Elementarwandlers 2. Der Zwischenraum 10 zwischen den Verbin­ dungselementen 8 setzt sich im Elementarwandler 2 in einer Aus­ nehmung 12 fort.

Wenn die Breite B und Tiefe T der Ausnehmungen 12 im Ele­ mentarwandler 2 kleiner als 50 µm sind, wird die Resonanz­ frequenz des Elementarwandlers 2 gegenüger einem Elementar­ wandler ohne Ausnehmung 12 nicht verändert. Die Ausnehmung 12 kann jedoch auch vergrößert und so ausgeformt werden, daß der Elementarwandler 2 z. B. zwei Resonanzfrequenzen aufweist, die erste Resonanzfrequenz ist durch die Dicke D1 und die zweite Resonanzfrequenz ist durch die Dicke D2 bestimmt.

Die dem Zwischenraum 10 zugewandten Seitenflächen der Ver­ bindungselemente 8 sowie die Ausnehmung 12 sind mit einer Me­ tallisierung 14 versehen.

Um auf einfache Weise die Kontaktierung mit dem zweiten elek­ trischen Anschluß 7 zu ermöglichen, setzt sich die Metalli­ sierung 14 auf der dem Elementarwandler 2 abgewandten Seite des Verbindungselementes 8 in einer Metallisierung 15 fort. Über die Metallisierungen 14 und 15 ist die metallisierte Rückseite 6 von jedem Elementarwandler 2 jeweils mit dem zweiten elek­ trischen Anschluß 7 elektrisch leitend verbunden. Damit kann die Kontaktierung mit dem zweiten elektrischen Anschluß un­ abhängig von der Breite B des Zwischenraumes 10 oder der Trennfuge auf der dem Elementarwandler 2 abgewandten Seite des Verbindungselements 8 erfolgen.

Die Metallisierungen 15 sind in der Mitte der Verbindungsele­ mente 8 durch eine Trennfuge 16 unterbrochen, die sich über die gesamte Länge L des Verbindungselements 8 erstreckt. Die Trenn­ fuge 16 ist vorzugsweise nur so tief, daß die Metallisierungen 15 sicher elektrisch getrennt sind. Damit können die Elemen­ tarwandler 2 über die zweiten elektrischen Anschlüsse 7 in­ dividuell angesteuert werden.

Der Zwischenraum 10 ist mit einem akustischen Dämpfungsmaterial 17 gefüllt, um akustische Kopplungen zwischen den Elementarwand­ lern 2 herabzusetzen. Die Metallisierung 15 kann dann auch das Dämpfungsmaterial 17 abdecken.

Ein Zwischenraum 18 zwischen den Elementarwandlern 2 hat eben­ falls die Form einer Trennfuge, die sich in einer Ausnehmung 20 im Verbindungselement 8 fortsetzt. Auch hier ist die Ausnehmung 20 nur so tief, daß die Metallisierungen 6 der Elementarwandler 2 elektrisch voneinander getrennt sind.

Der Zwischenraum 18 ist mit einem elektrischen Isoliermaterial 22 soweit gefüllt, daß die seitlich in den Zwischenraum 18 mündenden Metallisierungen 6 sicher elektrisch getrennt werden können, wenn die Seitenwände des Zwischenraums 18 einschließ­ lich des Isoliermaterials 22 mit einer Metallisierung 24 ab­ gedeckt werden, die mit den Metallisierungen 4 elektrisch leitend verbunden sind. Durch die Metallisierungen 24 zwischen den Elementarwandlern 2 sind alle Metallisierungen 4 auf der Vorderseite der Elementarwandler 2 elektrisch miteinander und mit dem gemeinsamen ersten elektrischen Anschluß 5 verbunden.

Ein Beispiel für ein Wandlerarray mit Feinteilung ist in Fig. 2 dargestellt. Die Breite WF des dort dargestellten Elementarwand­ lers 26 ist wesentlich kleiner als die Breite W des in Fig. 1 dargestellten Elementarwandlers 2. Die Breite WF ist hier so groß, daß eine Gruppe von z. B. vier nebeneinander angeordneten feingeteilten Elementarwandlern 26 einschließlich der Zwischen­ räume 18 die Breite W eines Elementarwandlers 2 nach Fig. 1 er­ gibt. Die Elementarwandler 26 einer Gruppe sind elektrisch parallel geschaltet und werden somit über den jeweiligen zwei­ ten Anschluß 7 gleich angesteuert. Dazu sind die Trennfugen 16 in der Metallisierung 15 nicht auf jeden Verbindungselement 8, wie in Fig. 1, sondern hier nur auf jedem vierten Verbindungsele­ ment 8 angeordnet. Außerdem ist dort die Ausnehmung 12 von jedem Wandlerelement 26 so ausgebildet, daß es drei ausgeprägte Resonanzfrequenzen aufweist, die durch die Dicken D1, D2 und D3 bestimmt sind. Der übrige Aufbau des Wandlerarrays in Fig. 2 entspricht dem Wandlerarray nach Fig. 1.

Wegen der piezokeramischen Verbindungselemente 8 lassen sich die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Wandlerarrays besonders einfach und in kurzer Zeit herstellen. Die früher zeitauf­ wendigen Schritte des Unterteilens einer piezokeramischen Platte in die Elementarwandler 2 oder 26 eines Wandler­ arrays können nun schneller ausgeführt werden, weil nur ein einheitliches Material bearbeitet werden muß.

Bei der Herstellung geht man von einer polarisierten piezo­ keramischen Platte 30 aus, deren gegenüberliegende Flachseiten durchgehend mit der Metallisierung 4 und 6 versehen ist. Die Länge der Platte entspricht der Anzahl der Elementarwandler in einem Wandlerarray und ist in Fig. 3 beispielhaft für ein Wand­ lerarray für 128 Elementarwandlern 2 dargestellt. Die Breite der Platte ist in Fig. 3 dreimal so breit wie die Länge L eines einzigen Elementarwandlers 2. Somit können mehrere Wandler­ arrays gleichzeitig hergestellt werden. Im Beispiel nach Fig. 3 ergeben sich drei Wandlerarrays.

An die Metallisierung 6 der polarisierte piezokeramischen Platte 30 wird nun eine Platte 32 aus unpolarisierter Piezo­ keramik befestigt, wobei die Platte 32 ebenfalls metallisiert sein kann. Die Verbindung zu der Verbundplatte kann durch Kleben oder, wenn die Platte 32 ebenfalls metallisiert ist, auch durch Löten erfolgen. Wichtig im ersten Fertigungsschritt ist, daß die Metallisierung 6 zwischen der polarisierten und der unpolarisierten Keramikplatte 30 bzw. 32 angeordnet ist. Die äußeren Metallisierungen können nachträglich aufgebracht werden.

Im zweiten Fertigungsschritt werden parallel zueinander an­ geordnete Trennfugen in die unpolarisierte Keramikplatte 32 eingebracht, die nachher den Zwischenraum 10 zwischen den Verbindungselementen 8 bilden. Die Trennfugen 10 müssen ebenfalls die Metallisierung 6 durchtrennen, so daß sich die Zwischenräume 10 in den Ausnehmungen 12 in der Platte 30 fortsetzen.

Vorzugsweise schließt sich in einem weiteren Bearbeitungs­ schritt gleich das Herstellen der Zwischenräume 18 zwischen den Elementarwandler 2 bzw. 26 an. Auch hier ist durch die Ausnehmung 20 sichergestellt, daß die Metallisierung 6 auf der Rückseite der Wandlerelemente unterbrochen ist, um eine in­ dividuelle Ansteuerung zu ermöglichen. Die Zwischenräume 18 sind gegenüber den Zwischenräumen 10 versetzt, so daß der Zwischenraum 10 ungefähr in der Mitte der Elementarwandler 2 bzw. 26 liegt.

Das Trennen der Elementarwandler 2 bzw. 26 und der Verbin­ dungselemente 8 erfolgt durch Sägen oder Trennschleifen. Die Zwischenräume 10 werden vorzugsweise zuerst eingebracht, weil sie normalerweise breiter sind als die Zwischenräume 18 und weil dadurch die mechanische Beanspruchung beim Be­ arbeiten größer ist.

In einem weiteren Schritt werden die an die Zwischenräume 10 angrenzenden Seiten der nun voneinander getrennten Ver­ bindungselemente 8 sowie die Ausnehmung 12 metallisiert.

Die metallisierten Zwischenräume 10 werden dann mit dem akustischen Dämpfungsmaterial ausgefüllt. Ebenfalls werden die Zwischenräume 18 so weit mit dem Isoliermaterial 22 aus­ gefüllt daß die in den Zwischenraum 18 einmündenden Metalli­ sierungen 6 abgedeckt sind.

Es folgt eine Metallisierung der Ober- und Unterseite der Verbundplatte, wobei die Vorderseiten der Elementarwandler 4 elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Die Unter­ seite wird ebenfalls metallisiert. In einer ersten Alternative können die Unterbrechungen 16 zwischen den Metallisierungen 15 durch Abdecken beim Metallisieren hergestellt werden. In einer zweiten Alternative kann zunächst die Unterseite der Platte 32 vollständig metallisiert werden, wobei dann nachträglich die Ausnehmungen 16 eingebracht werden, die die Metallisierungen 15 voneinander trennen.

In einem letzten Bearbeitungsschritt werden nun die drei Wandlerarrays aus der Platte getrennt.

In weiteren Herstellschritten werden elektrische Anschlüsse kontaktiert, Ankoppelschichten auf der metallisierten Vor­ derseite 4 und auf der Rückseite des Wandlerarrays das akustisch dämpfende Backing angebracht. Ergänzend kann die Vorderseite auch mit einer akustischen Linse versehen werden.

Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine ebene Anordnung von Elementarwandlern. Selbstver­ ständlich ist es auch möglich, analog die Elementarwandler auf einem Kreisbogen anzuordnen. Dann muß bei der Herstel­ lung nicht von ebenen, sondern von gebogenen piezokerami­ schen Platten ausgegangen werden. Außerdem lassen sich auch zweidimensionale Wandlerarrays aufbauen, bei dem benachbarte Elementarwandler mit piezokeramischen Verbindungselementen verbunden sind. Die zweidimensionalen Wandlerarrays sind ebenfalls nicht auf ebene Anordnungen beschränkt.

Claims (11)

1. Ultraschall-Wandlerarray mit nebeneinander angeordneten Elementarwandlern (2, 26), die eine metallisierte Vorderseite (4) und eine der Vorderseite (4) gegenüberliegende metalli­ sierte Rückseite (6) aufweisen, die jeweils mit einem ersten bzw. zweiten elektrischen Anschluß (5 bzw.7) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß be­ nachbarte Elementarwandler (2, 26) auf der Rückseite (6) über jeweils ein piezokeramisches Verbindungselement (8) verbunden sind.

2. Wandlerarray nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich auf der Rückseite (6) der Wandlerelemente (2) zwischen den Verbindungselementen (8) ein Zwischenraum (10) befindet und daß der zweite elek­ trische Anschluß (7) über den Zwischenraum (10) geführt ist.

3. Wandlerarray nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zwischenraum (10) in der Mitte der Wandlerelemente (2, 26) angeordnet ist.

4. Wandlerarray nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, deß der Zwischenraum (10) die Form einer rechteckigen Trennfuge aufweist.

5. Wandlerarray nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a durch gekennzeichnet, daß das Verbin­ dungselement (8) quaderförmig ist.

6. Wandlerarray nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß sich der Zwischenraum (10) in einer Ausnehmung (12) im Elementarwandler (2) fortsetzt und daß der Zwischenraum (10) und die Ausnehmung (12) mit einer Metallisierung versehen sind, die die Metalli­ sierung (14) der Rückseite (6) jedes Elementarwandlers (8) jeweils mit dem zweiten elektrischen Anschluß (7) elektrisch leitend verbindet.

7. Ultraschall-Array nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die Metallisierung (14) des Zwischenraumes (10) auf der dem Elementarwandler (2) abge­ wandten Rückseite der angrenzenden Verbindungselemente (8) in einer weiteren Metallisierung (15) fortsetzt und daß der zweite elektrische Anschluß (7) mit der weiteren Metallisierung (15) auf der abgewandten Seite des Verbindungselements (8) verbunden ist.

8. Ultraschall-Array nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweiten elektrischen An­ schlüsse (7) einer Gruppe von Elementarwandlern (26) über eine sich über die Rückseiten mehrerer Verbindungselemente (8) er­ streckende Metallisierung (15) mit einem gemeinsamen zweiten elektrischen Anschluß (7) verbunden sind.

9. Ultraschall-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (8) aus unpolarisierter Keramik bestehen.

10. Ultraschall-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zwi­ schenräume (18) zwischen den Elementarwandlern so weit mit einem Isoliermaterial (22) aufgefüllt sind, daß die in die Zwischenräume (18) einmündende Metallisierung der Rückseite (6) durch das Isoliermaterial (22) abgedeckt ist, und daß die Vorderseiten (4) aller Elementarwandler (2) mit einer gemeinsamen Metallisierung versehen sind, die mit einem für alle Elementarwandler (2) gemeinsamen ersten elektrischen Anschluß (5) verbunden ist.

11. Ultraschall-Array nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Metalli­ sierung (4) der Vorderseite der Elementarwandler (2) auch die Wände der Zwischenräume (18) zwischen den Wandlern (2, 26) und das Isoliermaterial (22) bedeckt.