DE4418887C1 - Verfahren zum Herstellen einer Ultraschall-Wandleranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Ultraschall-Wandleranordnung mit einem piezokeramischen Wandlerteil und einer damit verbundenen akustischen Anpas­ sungsschicht, die zusammengesinterte Metallteilchen enthält.

In der Ultraschalltechnik werden Anpassungsschichten ver­ wendet, um möglichst verlustfrei Ultraschallenergie von einem Wandlerteil in ein Untersuchungsobjekt und zurück zu über­ tragen. Eine gute akustische Ankopplung verhindert gleich­ zeitig Artefakte aufgrund von Mehrfachreflexionen. So ist es notwendig, bei einer Ultraschall-Wandleranordnung für medizi­ nische Anwendungen den Wandlerteil an menschliches Gewebe akustisch anzukoppeln.

Aus der EP-A-0 590 176 ist eine Ultraschall-Wandleranordnung der eingangs genannten Art mit einer akustische Anpassungs­ schicht bekannt, die aus gesinterten Metallteilchen besteht. Die Zwischenräume im Sinterkörper sind mit einem aushärtbaren Vergußmaterial gefüllt. Die Verbindung des piezokeramischen Wandlerteils mit der akustischen Anpassungsschicht ist dort durch Verkleben der beiden separat hergestellten Komponenten realisiert. Dazu werden die beiden Komponenten, also der piezokeramische Wandlerteil und die Anpassungsschicht, mit einem dünnflüssigen, nicht leitenden Kleber unter Druck ver­ preßt. Der elektrische Kontakt erfolgt dabei nur über Spitzen von Oberflächenrauhigkeiten der sich berührenden Flächen. Diese Spitzen können jedoch bei hohen Stromdichten verzundern oder wegschmelzen. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung einer leitfähigen Kleberschicht. Hier können eine zu große Schichtdicke oder Schichtdickeninhomogenitäten der Kleberschicht die Übertragung der akustischen Energie zwi­ schen Wandler und Anpassungsschicht stören. Bei beiden Ver­ bindungsarten müssen die zu verbindenden Oberflächen plan sein, sonst besteht die Gefahr von Lufteinschlüssen während des Klebevorgangs. Derartige Lufteinschlüsse verursachen wiederum störende Reflexionen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Ultraschall-Wandleranordnung anzugeben, mit dem eine mechanisch feste, elektrisch gut leitende und akustisch wenig störende Verbindung zwischen dem piezokera­ mischen Wandlerteil und der akustischen Anpassungsschicht hergestellt werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß nachdem auf dem piezo­ keramischen Wandlerteil eine Metallschicht aufgebracht wurde, die Anpassungsschicht mittels eines Sinterprozesses mit der Metallschicht verbunden wird. Durch das Zusammensintern der Anpassungsschicht mit der Metallschicht wird eine ausgezeich­ nete Leitfähigkeit und mechanische Haftung erreicht, ohne daß zusätzlich leitfähige Kleberschichten verwendet werden müs­ sen.

Eine Verbindung ohne Lufteinschlüsse auch bei weniger hohen Anforderungen an die Planheit der Metallschicht wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch hergestellt, daß die Me­ tallteilchen pulverförmig auf die Metallschicht aufgebracht werden und daß im selben Sinterprozeß sowohl die Metallteil­ chen als auch die Verbindung mit der Metallschicht gesintert werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Metallschicht in einer äußeren, dem Wandlerteil abgewandten Lage Gold enthält. Damit ist die für den Sinter­ prozeß wichtige Oberfläche unempfindlich gegen äußere Ein­ flüsse.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung enthalten die Metallteilchen Kupfer. Mit einer aus Kupferpulverteilchen ge­ sinterten Anpassungsschicht läßt sich die akustische Impedanz der Anpassungsschicht mit einer für diagnostische Anwendungen günstigen akustischen Impedanz herstellen. Außerdem kann Kupfer zusammen mit der Gold enthaltenden Metallschicht bei Temperaturen gesintert werden, die die Piezokeramik nicht verändern.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der piezokeramische Teil nach dem Sinterprozeß polarisiert. Damit können Sintertemperaturen verwendet werden, die oberhalb der Curietemperatur der Piezokeramik liegen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die ge­ sinterten Metallteilchen zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Anpassungsschicht mit einer härtbaren Ver­ gußmasse getränkt. Diese füllt die Zwischenräume und steigert die mechanische Haftung der Anpaßschicht auf der Metall­ schicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei Figuren be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm des Herstellungsverfahrens,

Fig. 2 der zeitliche Verlauf eines Sinterprozesses und

Fig. 3 ein Schliffbild einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Ultraschall-Wandleranordnung.

Fig. 1 zeigt in Form eines Blockdiagramms die einzelnen Ver­ fahrensschritte zum Herstellen einer Ultraschall-Wandleran­ ordnung. Ausgegangen wird von einer plangeschliffenen Piezo­ keramikscheibe 2, deren Dicke gleich der Dicke des herzu­ stellenden piezokeramischen Wandlerteiles ist. In einem ersten Verfahrensschritt 4 wird auf die Keramikscheibe 2 auf beiden Seiten eine Metallschicht von wenigen µm Dicke mittels eines Sprühverfahrens aufgebracht. Die Metallschicht kann aus mehreren Lagen verschiedener Metalle oder Metallegierungen bestehen. Eine dreilagige Schicht ist z. B. wie folgt auf­ gebaut: unmittelbar auf der Piezokeramikscheibe 2 ist eine 100 nm dicke Chromlage aufgebracht, darauf befindet sich eine 100 nm dicke Platinlage und darauf eine 200 nm dicke Gold­ lage. Danach wird in einem zweiten Verfahrensschritt 6 ein Metallpulver auf einer Seite der metallisierten Keramik 2 aufgesiebt. Die Dicke der Metallpulverschicht liegt in der Größenordnung von 0,5 mm. Sie ist etwas größer gewählt als die Dicke der fertigen akustischen Anpassungsschicht. Als Metallpulver kommt z. B. Kupfer mit einer Teilchengröße zwischen 20 und 100 µm in Frage. Über die Auswahl des Me­ talls, der Teilchengröße und der Teilchenform läßt sich die akustische Impedanz der Anpassungsschicht einstellen. Die Keramikscheibe 2 mit dem aufgesiebten Metallpulver wird dann in einem dritten Verfahrensschritt einem Sinterprozeß 8 unterworfen, dessen Temperaturverlauf in Fig. 2 angegeben ist. Nach dem Sintern 8 wird die Piezokeramikscheibe 2 in einem vierten Verfahrensschritt 10 polarisiert. Danach wird das gesinterte Metallpulver mit den zusammengesinterten Metall­ teilchen in einem fünften Verfahrensschritt 12 mit einer gut klebenden, aushärtenden Vergußmasse, z. B. Araldit, vergos­ sen. Schließlich wird in einem sechsten Verfahrensschritt 14 die Oberfläche des gesinterten und vergossenen Metallpulvers auf die gewünschte Schichtdicke der Anpassungsschicht ge­ schliffen.

Fig. 2 zeigt nun den Temperaturverlauf des gewählten Sinter­ prozesses 8 über der Zeit t. Die Zeit t ist auf der senk­ rechten Achse während die Temperatur Temp auf der waage­ rechten Achse des Koordinatenkreuzes aufgetragen ist. Ge­ sintert wurde hier Kupferpulver auf eine Goldschicht unter einem Schutzgas. Als Schutzgas kann z. B. Stickstoff oder Argon verwendet werden. Ebenfalls könnte der Sinterprozeß in einen Vakuum ablaufen. Die Sintertemperatur wurde linear hochgefahren bis 400°C und dort ca. 30 min gehalten, um die Materialien ausgasen zu lassen. Danach wurde die Temperatur mit derselben Steigung wie zu Beginn auf 740°C erhöht. Bei dieser Temperatur fand der eigentliche Sinterprozeß statt. Abgeschlossen war der Sinterprozeß nach 20 min, worauf der Sinterofen abgeschaltet wurde und das gesinterte Teil ab­ kühlte. Über die Sintertemperatur und Sinterdauer läßt sich die akustische Impedanz der Anpassungsschicht weiter beein­ flussen.

Fig. 3 zeigt in einem Schliffbild in einer 500fachen Vergröße­ rung eine Verbindung eines piezokeramischen Wandlerteils 16 mit einer aus gesintertem Metallpulver bestehenden und ver­ gossenen Anpassungsschicht nach der Herstellung. Eine im Ver­ fahrensschritt 4 aufgesputterte Goldschicht zeigt sich im Schliffbild als unregelmäßige streifenförmige helle Fläche und ist mit dem Bezugszeichen 18 versehen. In der mit der Metallschicht 18 versinterten Anpassungsschicht 20 sind Kupferpulverteilchen 22 hell und die Vergußmasse 24 dunkel zu erkennen.

Die so hergestellte Wandleranordnung kann entweder zu einem Einzelwandler oder auch zu einem Wandlerarray zum Einsatz in der diagnostischen Ultraschalltechnik weiterverarbeitet werden. Gleichfalls wäre bei entsprechender Dimensionierung eine Verwendung in der therapeutischen Ultraschalltechnik ge­ geben. Ausgenutzt wird in beiden Fällen die gut elektrisch leitende Verbindung zwischen der Metallschicht 18 und dem gesinterten Metallpulver 22 in der Anpassungssicht 20.

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen einer Ultraschall-Wandleranord­ nung mit einem piezokeramischen Wandlerteil (16) und einer damit verbundenen akustischen Anpassungsschicht (20), die gesinterte Metallteilchen (22) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß nachdem auf dem piezo­ keramischen Wandlerteil (16) eine Metallschicht (18) aufge­ bracht wurde, die Anpassungsschicht (20) mittels eines Sinterprozesses (8) mit der Metallschicht (18) verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Metallteilchen (22) pulverförmig auf die Metallschicht (18) aufgebracht werden und daß im selben Sinterprozeß (8) sowohl die Metallteilchen (22) als auch die Verbindung mit der Metallschicht (18) gesintert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Metallteilchen (22) auf die Me­ tallschicht (18) gesiebt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Me­ tallteilchen (22) Kupfer enthalten.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sinter­ temperatur unterhalb einer Schmelztemperatur von Phasen der verwendeten Metalle und deren intermetallischen Verbindungen liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Metall­ schicht (18) auf den piezokeramischen Wandlerteil (16) mit­ tels eines Sprühverfahrens aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Metall­ schicht (18) in einer äußeren dem Wandlerteil abgewandten Lage Gold enthält.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der piezo­ keramische Wandlerteil (16) nach dem Sinterprozeß (8) polari­ siert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die ge­ sinterten Metallteilchen (22) mit einer härtbaren Vergußmasse (24) getränkt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gesinterten Metallteilchen (22) mit der ausgehärteten Vergußmasse (24) plangeschliffen wer­ den.