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Patent Searching and Data


Title:
SURFACE MICRO-MECHANIC ULTRASONIC TRANSDUCER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1998/019140
Kind Code:
A2
Abstract:
A silicon substrate (1) comprising an integrated doped area (5), a spacing layer (7) with an etched out cavity (8) and a membrane (2) placed on top on the spacing layer. The doped area and the membrane are electronically connected to electronic components (13) by means of terminal contacts (4, 6), which electronic components are also integrated in the substrate (1). The electronic components are part of the operating connection, which can also be used to control the membrane and evaluate membrane vibrations. Their integration enables the micro-mechanical transducer components to be arranged as an array which can electronically controlled as a phased-array.

Inventors:
ECCARDT PETER-CHRISTIAN (DE)
NIEDERER KURT (DE)
SCHEITER THOMAS (DE)
VOSSIEK MARTIN (DE)
KOELPIN THOMAS (DE)
Application Number:
PCT/DE1997/002505
Publication Date:
May 07, 1998
Filing Date:
October 28, 1997
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
ECCARDT PETER CHRISTIAN (DE)
NIEDERER KURT (DE)
SCHEITER THOMAS (DE)
VOSSIEK MARTIN (DE)
KOELPIN THOMAS (DE)
International Classes:
G01H11/06; H01L41/09; H04R17/00; H04R31/00; (IPC1-7): G01H11/06
Foreign References:
DE4318466A11994-12-08
EP0102069A21984-03-07
US4699009A1987-10-13
US4873871A1989-10-17
Other References:
LADABAUM I ET AL: "Micromachined ultrasonic transducers (MUTs)" 1995 IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM. PROCEEDINGS. AN INTERNATIONAL SYMPOSIUM (CAT. NO.95CH35844), 1995 IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM. PROCEEDINGS. AN INTERNATIONAL SYMPOSIUM, SEATTLE, WA, USA, 7-10 NOV. 1995, ISBN 0-7803-2940-6, 1995, NEW YORK, NY, USA, IEEE, USA, Seiten 501-504 vol.1, XP002063789 in der Anmeldung erw{hnt
KUEHNEL W: "SILICON CONDENSER MICROPHONE WITH INTEGRATED FIELD-EFFECT TRANSISTOR" SENSORS AND ACTUATORS A, Bd. A26, Nr. 1 / 03, 1.M{rz 1991, Seiten 521-525, XP000246508
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Claims:
Patentansprüche
1. Ultraschallwandler auf einem Substrat (1), bei dem in dem Substrat ein dotierter Bereich (5) ausgebil det ist, bei dem auf einer Abstandsschicht (7) im Abstand zu diesem Bereich eine mikromechanische Membran (2) angeordnet ist, bei dem zwischen dem dotierten Bereich und der Membran ein Hohlraum (8) vorhanden ist, der eine vorgesehene maximale Auslenkung der Membran zum Substrat hin ermöglicht, bei dem die Membran elektrisch leitend ist oder mit einer im Bereich der Membranfläche angeordneten elektrisch lei tenden Schicht (15) mechanisch verbunden ist, bei dem die Membran oder die damit verbundene elektrisch leitende Schicht und der dotierte Bereich mit je einem An schlußkontakt (4,6) versehen sind, bei dem elektronische Bauelemente auf dem Substrat inte griert sind und bei dem diese Bauelemente so miteinander und mit den An schlußkontakten verbunden sind, daß eine Betriebsund An steuerschaltung gebildet wird, mit der es möglich ist, die Membran zu Ultraschallschwingungen anzuregen oder vorhan dene Ultraschallschwingungen der Membran zu detektieren.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, bei dem die Membran Silizium oder Polysilizium ist oder einen Schichtanteil aus Silizium oder Polysilizium besitzt.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Membran zumindest auf einer für den Betrieb des Ultraschallwandlers vorgesehenen Fläche mit einer Deckschicht (15) aus einem von Silizium verschiedenen Material versehen ist.
4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein stempelartiger Aufsatz (10) in einem mittleren Anteil der für den Betrieb des Ultraschallwandlers vorgese henen Fläche der Membran vorhanden ist.
5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem als elektronische Bauelemente komplementäre MOSFETs oder/und Bipolartransistoren vorhanden sind.
6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Ansteuerschaltung für Sendebetrieb konzipiert und dafür vorgesehen ist, an die Anschlußkontakte (4,6) eine Gleichspannung (U=) und eine für die Anregung einer Ultra schallschwingung vorgesehene Wechselspannung (U) anzulegen, und bei dem die Gleichspannung (U=) so hoch gewählt wird, daß eine vorgesehene Amplitude der Wechselspannung (U) minde stens eine vorgesehene Amplitude der Membranschwingung be wirkt.
7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Ansteuerschaltung für Empfangsbetrieb konzipiert und dafür vorgesehen ist, an die Anschlußkontakte (4,6) eine Gleichspannung (U=) anzulegen, die so hoch gewählt wird, daß eine vorgegebene maximale Auslenkung der Membran mindestens eine vorgesehene Änderung des Wertes dieser Gleichspannung und/oder einen hervorgerufenen elektrischen Strom mit minde stens einer vorgesehenen Stromstärke bewirkt, und bei dem ein Anschlußkontakt (4) mit einem als Verstärker (20) vorgesehenen Teil der Ansteuerschaltung verbunden ist.
8. Ultraschallwandler nach Anspruch 7, bei dem der Eingangswiderstand (R) des Verstärkers (20) so eingestellt ist, daß damit eine vorgesehene Bandbreite des Empfängers bewirkt ist.
9. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem ein Anschlußkontakt über Dioden (18,19) derart mit Betriebspotentialen einer Versorgungsspannung verbunden ist, daß ein an diesem Anschlußkontakt anliegendes Potential, das außerhalb des von diesen Betriebspotentialen begrenzten In tervalles liegt, zu einem der Betriebspotentiale hin kurzge schlossen wird.
10. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Ansteuerschaltung für alternativen Sendeund Empfangsbetrieb als Multiplexer konzipiert ist und bei dem ein Schalter als Bestandteil der Ansteuerschaltung vorhanden ist, der eine Umschaltung zwischen Sendeund Emp fangsbetrieb ermöglicht.
11. Anordnung mehrerer Ultraschallwandler nach einem der An sprüche 1 bis 10 auf demselben Substrat, bei der die Ansteuerschaltungen dafür eingerichtet sind, die Ultraschallwandler miteinander koordiniert auf Sendebzw. Empfangsbetrieb zu schalten.
12. Anordnung nach Anspruch 11, bei der die Ansteuerschaltungen dafür eingerichtet sind, die Ultraschallwandler in einer vorgegebenen zeitlichen Reihen folge einzeln oder in Gruppen auf Betrieb zu schalten oder abzuschalten.
13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, bei der die Gesamtheit der vorhandenen Ultraschallwandler fest in Gruppen von Ultraschallwandlern eingeteilt ist und bei der die Ansteuerschaltungen dafür eingerichtet sind, die Ultraschallwandler jeder Gruppe simultan auf Betrieb zu schalten oder abzuschalten.
14. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, bei der die Ansteuerschaltungen dafür eingerichtet sind, eine zeitlich variierende Gruppe aus der Gesamtheit der Ultra schallwandler auf Betrieb zu schalten, wobei diese Gruppe in der Weise variiert wird, daß in vorge gebenen Zeitabständen ein Anteil der auf Betrieb geschalteten Ultraschallwandler abgeschaltet wird und eine Anzahl weiterer Ultraschallwandler auf Betrieb geschaltet wird.
15. Anordnung nach Anspruch 11, bei der die Ansteuerschaltungen dafür eingerichtet sind, die Ultraschallwandler derart im Sendebetrieb zu betreiben, daß durch die relativen Phasen oder zeitlichen Abfolgen der den einzelnen Ultraschallwandlern zugeführten Signale eine Richt wirkung des abgestrahlten Ultraschalls bewirkt wird.
16. Anordnung nach Anspruch 11, bei der die Ansteuerschaltungen dafür eingerichtet sind, die Ultraschallwandler derart im Empfangsbetrieb zu betreiben, daß durch eine rechnerische Überlagerung der relativen Phasen oder zeitlichen Abfolgen der von den einzelnen Ultraschall wandlern empfangenen Signale eine Richtungserkennung des emp fangenen Ultraschalls bewirkt wird.
17. Anordnung nach Anspruch 15 oder 16, bei der die Ansteuerschaltungen mindestens ein Schieberegi ster umfassen.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei der die Ultraschallwandler in einem zumindest in einer Richtung periodischen ebenen Raster und dieses Raster füllend angeordnet sind.
19. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, bei der die Ultraschallwandler in einem zumindest in einer Richtung periodischen ebenen Raster angeordnet sind und bei der die Gruppen von Ultraschallwandlern, die jeweils ge meinsam auf Betrieb geschaltet werden, einen jeweiligen Aus schnitt aus dem Raster füllen.
20. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei der die Ultraschallwandler in Quadraten oder regelmäßigen Sechsecken, die eine lückenlose Parkettierung der Ebene bilden, angeordnet sind und bei der die für den Betrieb der Ultraschallwandler vorgesehe nen Flächen der Membranen jeweils Quadrate bzw. Sechsecke sind.
21. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei der die Ultraschallwandler so angeordnet sind, daß in je der Richtung eine Periodizität der Anordnung vermieden ist.
Description:
Beschreibung Ultraschallwandler in Oberflächen-Mikromechanik Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, der mit den Mitteln der Oberflächen-Mikromechanik (surface micromachining) hergestellt ist.

In der Veröffentlichung von I. Ladabaum e. a. :"Micromachined Ultrasonic Transducers (MUTs)"in 1995 IEEE Ultrasonics Sym- posium, Seiten 501 bis 504, ist ein Ultraschallwandler be- schrieben, der mit Methoden der Oberflächen-Mikromechanik hergestellt wurde. Abstrahlende Membranen werden auf einem Siliziumsubstrat durch Ausätzen von 1 ym dicken Oxidschichten hergestellt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten und für weitergehende Integration brauchbaren Ultraschall- wandler anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit dem Ultraschallwandler mit den Merkma- len des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler verwendet die Metho- den der Oberflächen-Mikromechanik, wie sie im Rahmen eines VLSI-Prozesses, insbesondere eines CMOS-Prozesses verwendet werden, um mikromechanische Komponenten zusammen mit An- steuerelektronik auf einem Chip zu integrieren. Als Membran des Ultraschallwandlers wird eine dünne Schicht, die vorzugs- weise Polysilizium ist, aber z. B. zumindest in Schichtantei- len auch Siliziumnitrid sein kann, verwendet. Diese Schicht wird auf einer Hilfsschicht hergestellt, so daß durch Ausät- zen der Hilfsschicht ein geringer Zwischenraum zwischen der Membran und dem Substrat hergestellt werden kann. Die Anre- gung der Ultraschallschwingungen erfolgt elektrostatisch, in- dem die Membran elektrisch leitend hergestellt wird (durch

Dotieren des Polysiliziums oder durch Aufbringen einer leit- fähigen Schicht) und im Substrat ein elektrisch leitender Be- reich durch Dotieren ausgebildet wird. Prinzipiell können die bisher für Ultraschallwandler eingesetzten elektronischen Schaltungen auch hier verwendet werden. Die mikromechanischen Wandler haben den Vorteil, daß sie mit den elektronischen An- steuerkomponenten auf demselben Substrat integriert werden können. Hierdurch ergeben sich neue Anwendungsmöglichkeiten, die im Gegensatz zu bisherigen, nicht integrierten Lösungen kostengünstig und schaltungstechnisch zuverlässig zu reali- sieren sind. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht zusätzli- che Schutzmaßnahmen vor, die die Betriebsschaltung des Wand- lers von einer Ansteuer-oder Auswerteschaltung soweit ent- koppeln, daß die empfindlicheren Bauelemente gegen Überspan- nungen geschützt sind. Alternative Ausführungsformen sehen zusätzliche Maßnahmen vor, mit denen die Leitfähigkeit oder Steifigkeit der Membran angepaßt werden. Besonders gut geeig- net ist der erfindungsgemäße Wandler als Array, d. h. als rasterförmige Anordnung einer Vielzahl von Einzelwandlern, die bei Bedarf einzeln oder in Gruppen angesteuert werden können. Die weitgehende Integration des erfindungsgemäßen Ul- traschallwandlers ermöglicht es, ein solches Array auf ver- gleichsweise einfache Art an elektronische Schaltungen anzu- schließen. Wegen der mikromechanischen Ausführung des Wand- lers selbst kann der Wandler in einer Vielzahl von Ausfüh- rungsformen bereitgestellt werden, insbesondere in weitgehend miniaturisierter Abmessung. Durch die Integration der erfor- derlichen Ansteuer-und Auswerteschaltungen auf dem Substrat werden Einflüsse äußerer Störungen minimiert ; eine kompli- zierte elektrische Verdrahtung entfällt ; eine sensorspezifi- sche Signalverarbeitung auf dem Chip ist möglich, was die An- steuerung von außen weiter vereinfacht ; und die Wandler sind in großer Stückzahl kostengünstig und mit geringen Ferti- gungstoleranzen herstellbar.

Es folgt eine genauere Beschreibung der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 6.

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wandler mit elektroni- schen Komponenten integriert im Querschnitt.

Figur 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der mikromecha- nischen Komponente.

Figur 3 zeigt das Schema einer Anordnung mehrerer Wandler im Querschnitt.

Figur 4 zeigt das Raster eines Wandler-Arrays in Aufsicht.

Figur 5 zeigt die mikromechanische Komponente im Querschnitt zusammen mit dem Schaltbild für Sendebetrieb.

Figur 6 wie vor für Empfangsbetrieb.

In Figur 1 ist der Aufbau eines erfindungsgemäßen Wandlers im Querschnitt dargestellt. In einem Substrat 1, vorzugsweise aus Silizium, ist ein dotierter Bereich 5 ausgebildet. Eine Membran 2 befindet sich auf einer Abstandsschicht 7, in der ein Hohlraum 8 ausgebildet ist. Dieser Hohlraum bildet einen Zwischenraum zwischen dem dotierten Bereich 5 und der Membran 2 und kann z. B. dadurch hergestellt werden, daß durch in der Membran 2 hergestellte Ätzöffnungen 9 das Material der Ab- standsschicht 7, die zunächst als Hilfsschicht oder Opfer- schicht hergestellt wird, ausgeätzt wird. Wenn diese Opfer- schicht aus Siliziumoxid z. B. durch lokale Oxidation der Si- liziumoberfläche (LOCOS) hergestellt wird, ist als Ätzmittel HF in wäßriger Lösung geeignet ; es kann auch Plasmaätzen an- gewendet werden. Die Ätzöffnungen 9 werden mit einer Ver- schlußschicht verschlossen. Die Herstellung vereinfacht sich dadurch, daß als solche Verschlußschicht die Planarisierungs- schicht 11 verwendet wird, die auch für die Bedeckung der elektronischen Bauelemente verwendet wird. Vorzugsweise wird für die Planarisierungsschicht 11 BPSG (Borphosphorsilikat- glas) verwendet, das bei thermischem Verfließen eine glatte Oberfläche liefert. In dem Substrat 1 sind als Beispiel in Figur 1 MOSFETs 13 als Bauelemente dargestellt, die als kom- plementäre MOSFETs im Rahmen des CMOS-Prozesses hergestellt werden können. Es ist daher möglich, den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler vollständig zusammen mit allen für die An- steuerelektronik erforderlichen Bauelementen zu integrieren.

Der elektrische Anschluß erfolgt durch vertikale leitende Verbindungen, die in der Planarisierungsschicht 11 vorhanden sind. Diese Leiter werden z. B. hergestellt, indem Kontakt- löcher geätzt werden und diese Kontaktlöcher mit geeignetem Metall aufgefüllt werden. Auf die Oberseite der Schicht 11 wird eine erste Metallisierungsebene, ggf. im selben Verfah- rensschritt mit der Kontaktlochfüllung, aufgebracht und strukturiert. Es können dann weitere Zwischenoxidschichten 12 aufgebracht werden, um mehrere Metallisierungsebenen zu realisieren. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist die Membran aus dotiertem Polysilizium hergestellt, das z. B. zusammen mit den Polysilizumstreifen, die als Gate- Elektroden der Transistoren vorgesehen sind, aufgebracht wer- den kann. Dieses dotierte Polysilizium der Membran 2 ist mit einem Anschlußkontakt 4 versehen. Der dotierte Bereich 5 ist als Gegenelektrode zu der Membran mit einem Kontakt 6 verse- hen. Ein restlicher Anteil der Planarisierungsschicht 11 und darauf abgeschiedener weiterer Schichten ist bei diesem Aus- führungsbeispiel auf der Membran 2 als Stempel 10 belassen worden. Mit diesem Stempel werden die Ätzöffnungen 9 ver- schlossen und gleichzeitig eine Versteifung der Membran 2 be- wirkt. Die Dicke dieses Stempels kann je nach den betreffen- den Anforderungen gewählt werden.

Die Dicke der im Betrieb des Wandlers als Membran fungieren- den Schicht oder Schichtfolge (Membran 2 und ggf. weitere Schichten, z. B. der Stempel 10) beträgt bei bevorzugten Aus- führungsbeispielen typisch etwa 0,5 Hm bis 5 ym, was im ein- zelnen von der Verwendung einer zusätzlichen Versteifung der Membran, wie z. B. dem Stempel 10, abhängt. Die für den Schallwandler verwendeten Membranen können unterschiedliche Formen aufweisen (z. B. quadratisch, rechteckig, sechseckig, achteckig, rund). Typische Abmessungen liegen im Bereich von 20 bis 200 ym (größte Ausdehnung des für die Schallabstrah- lung vorgesehenen Anteils der Membranschicht).

In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem zusätzlich zu dem Substrat 1, der Membran 2, dem dotierten Bereich 5, dem darauf aufgebrachten Kontakt 6, der Abstands- schicht 7, dem Hohlraum 8, den Ätzöffnungen 9, der Planari- sierungsschicht 11, und dem Zwischenoxid 12 eine Passivie- rungsschicht 14 auf der Oberseite, eine Deckschicht 15, die z. B. aus Aluminium bestehen kann, aber der Membran und ein Anschlußkontakt 16, der die Membran 2 und die Deckschicht 15 miteinander leitend verbindet, eingezeichnet. Bei diesem Aus- führungsbeispiel kann die Membran 2 sehr dünn hergestellt werden, wobei gleichzeitig eine ausreichende mechanische Sta- bilität und Steifigkeit der Membran durch die aufgebrachte Deckschicht 15 bewirkt ist. Die Deckschicht 15 kann direkt auf der Membran 2 aufgebracht sein oder, wie eingezeichnet, auf der unteren Planarisierungsschicht 11. Die Deckschicht 15 wird dann z. B. zusammen mit der ersten Metallage im Anschluß an die Kontaktlochfüllungen aufgebracht. Die Deckschicht kann also Bestandteil der ersten Metallisierungsebene, die für die Strukturierung von Leiterbahnen verwendet wird, sein. Wenn für den kapazitiven Betrieb des Wandlers der dotierte Bereich 5 und eine leitfähige Deckschicht 15 (z. B. aus Metall) ver- wendet werden, braucht die Membran 2 nicht elektrisch leitend zu sein, und der Kontakt 16 kann entfallen. Bei dem Ausfüh- rungsbeispiel der Figur 2 wird die Deckschicht aus Aluminium direkt an die erste Leiterbahnebene angeschlossen und der Kontakt 16 weggelassen.

Die weitgehend miniaturisierte Ausführung und die vollstän- dige Integration mit den elektronischen Komponenten ermög- licht es, den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler als Ein- zelkomponente in einem Array, d. h. einer Anordnung einer Vielzahl solcher Einzelkomponenten, vorzusehen. Im Prinzip ist eine solche Anordnung im Querschnitt in Figur 3 darge- stellt. Es sind dort mehrere Einzelwandler 17 im Schema im Querschnitt gezeichnet. Diese Wandler können z. B. in einem quadratischen Raster angeordnet sein, das in Figur 4 in Auf- sicht im Ausschnitt dargestellt ist. Die Abstrahlflächen der

Einzelwandler 31 sind dort quadratisch eingezeichnet. Die Ab- strahlflächen der Membranen der Einzelwandler können statt dessen eine andere geometrische Form haben, z. B. eine der obengenannten geometrischen Formen. Eine besonders geeignete Ausführungsform des Arrays sieht ein hexagonales Raster und regelmäßige Sechsecke als Abstrahlflächen vor.

Die Abstrahlflächen müssen nicht alle gleich sein, sondern können unterschiedliche Formen und Größen aufweisen. Seitlich zu der rasterförmigen Anordnung befindet sich in dem darge- stellten Beispiel ein Bereich 32, der für elektronische Kom- ponenten vorgesehen ist. Es ist vorteilhaft, wenn auch in den Zwischenräumen zwischen den Einzelwandlern 31 elektronische Bauelemente angeordnet sind, um die elektrischen Verbindungen zwischen den Einzelwandlern und den elektronischen Bauelemen- ten zu verkürzen und zu vereinfachen. Die Anordnung als Ra- ster braucht insbesondere nicht periodisch zu sein, es braucht also nicht an jedem Punkt des Rasters ein Einzelwand- ler vorhanden zu sein. Eine Anordnung, die aus einer Vielzahl von Einzelwandlern besteht und die keinerlei Periodizität aufweist, kann für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein.

Bei einem Array können die Wandler z. B. aber eine mit der elektronischen Schaltung integrierte Multiplexeranordnung einzeln oder in Gruppen zu einem oder mehreren Eingängen bzw.

Ausgängen der Ansteuerschaltung zuschaltbar sein. Eine solche alternierende Verbindung wird am besten durch elektronische Schalter, die z. B. durch komplementäre MOSFETs gebildet sind, realisiert.

Der Betrieb eines solchen Arrays kann auf sehr verschiedene Weise und für verschiedene Anwendungszwecke unterschiedlich erfolgen. Wenn alle Einzelwandler simultan betrieben werden, zu welchem Zweck die Einzelkomponenten aber die Leiterbahn- ebenen fest elektrisch miteinander verbunden sein können, er- hält man einen Ultraschallwandler, der bei vergrößerter Ab- strahlfläche und Abstrahlleistung die Vorzüge der mikromecha-

nisch hergestellten Einzelwandler aufweist. Statt dessen kön- nen durch Ansteuern jeweils einer Anzahl von aufeinanderfol- genden Zeilen und Spalten des Rasters der Anordnung jeweils die einer Untergruppe vorgegebener Größe zugehörigen Einzel- wandler aktiviert werden. Es können z. B. bei dem quadrati- schen Raster jeweils in beiden Richtungen aufeinanderfolgende Einzelwandler in bestimmter Anzahl aktiviert werden (z. B. quadratische Teil-Arrays von 3x3 oder 10x10 Einzelwandlern).

Diese Teil-Arrays können in einem übergeordneten Raster fest eingestellt sein, oder die Auswahl der Teil-Arrays erfolgt gleitend, indem an einer Seite der ausgewählten Untergruppe von Einzelwandlern die Wandler deaktiviert, also abgeschaltet werden und auf der anderen Seite eine Zeile oder Spalte von Einzelwandlern zugeschaltet wird. Entsprechendes gilt für eine andere Rasterform oder allgemein eine andere Anordnung der Einzelwandler.

Zusätzliche Vorteile bieten pseudo-zufällige Wandleranordnun- gen, sogenannte Random-Arrays. Hiermit können unter Einsatz vergleichsweise weniger Einzelwandler Richtdiagramme erzeugt werden, die ein ausgeprägtes Hauptmaximum und sehr niedrige Nebenmaxima aufweisen. Eine solche Wandleranordnung erhält man z. B. dadurch, daß die Wandler in einem Raster angeordnet werden und dabei einzelne Rasterpunkte, die nach pseudo-zu- fälligen Auswahlkriterien bestimmt werden, ausgelassen wer- den. In den Lücken in der Besetzung des Rasters können dann elektronische Bauelemente angeordnet sein. Eine unregelmäßige Verteilung der Einzelwandler kann auch dazu genutzt werden, Einzelwandler mit unterschiedlicher Größe und Form der Ab- strahlflächen vorzusehen.

Durch die mechanische und/oder elektrische Ausgestaltung- z. B. durch geeignete Wahl von Parametern wie der Dicke und Steifigkeit der Membran und der Größe und Form der Abstrahl- flächen-können erfindungsgemäße Wandler unterschiedlicher Resonanzfrequenzen realisiert werden. Es können insbesondere die Resonanzfrequenzen der Wandler eines Arrays untereinander

verschieden sein. Eine stochastische Verteilung der Einzel- wandler unterschiedlicher Resonanzfrequenzen auf einem Ra- ster, auf einem unterbrochenen Raster (Random-Array) oder in völlig unperiodischer Anordnung liefert ein Array mit wesent- lich größerer Bandbreite, wie sie insbesondere bei Abstrah- lung in Luft erwünscht sein kann.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Arrays kann z. B. vorsehen, eine quadratische Anordnung aus 100x100 Ar- rays in 10x10 quadratische Anordnungen aus jeweils 10x10 Ein- zelwandlern zu unterteilen. Diese Teil-Arrays aus jeweils 100 Einzelwandlern können dann unabhängig voneinander simultan aktiviert werden, oder es ist möglich, in jedem dieser Teil- Arrays eine gleitende Ansteuerung von z. B. jeweils 4 im Qua- drat angeordneten Einzelwandlern vorzunehmen. Statt dessen kann auf eine feste Einteilung des Rasters verzichtet werden.

Für bestimmte Anwendungen kann es vorteilhaft sein, wenn ein Teilraster aus z. B. jeweils 100 im Quadrat angeordneten Ein- zelwandlern aktiviert wird, wobei dann jeweils eine äußere Zeile oder Spalte dieses Arrays abgeschaltet und dafür an der anderen Seite eine weitere Zeile oder Spalte aus 10 Einzel- wandlern dem Teil-Array zugeschaltet werden. Auf diese Weise kann die räumliche Abstrahlung des gesamten Arrays gesteuert werden. Die Hauptabstrahlrichtung befindet sich jeweils senk- recht aber der Ebene der Anordnung. Bei dem quadratischen Ra- ster befindet sich das Maximum des Schalldruckes bei Abstrah- lung etwa aber der Mitte des betreffenden Teil-Arrays. Eine gleitende Ansteuerung des Arrays läßt daher das Maximum des abgestrahlten Schalldruckes ("Sendekeule") räumlich wandern.

Mit einer zeilenweisen und spaltenweisen Ansteuerung von Ein- zelwandlern oder kleinen Untergruppen von Einzelwandlern las- sen sich praktisch alle Anwendungen von an sich bekannten Phased-Arrays realisieren. Das Prinzip des Phased-Array ba- siert darauf, daß mehrere Ultraschallwandler mit Signalen an- geregt werden, die in ihrer Phasenlage bzw. in ihrer zeitli- chen Lage und/oder in ihrer Amplitude gesteuert werden. Eine

Vielzahl von Wandlern wird gleichzeitig betrieben, die anlie- genden Signale sind aber z. B. in einer Richtung der Anord- nung um eine bestimmte Phasendifferenz gegeneinander verscho- ben. Hierdurch kann der Schallstrahl bei Sendebetrieb ge- schwenkt werden, können definierte Richtdiagramme erzeugt werden, und es kann der Strahl auf bestimmte Raumpunkte fo- kussiert werden. Dieselben Möglichkeiten können auch rechne- risch durch Überlagerung der Empfangssignale realisiert wer- den. Damit ist sowohl eine Richtwirkung bei Sendebetrieb als auch eine Detektion der Richtung, aus der eine Schallwelle auftrifft, bei Empfang möglich. Eine geeignete Auswerteschal- tung läßt daher die Bestimmung aller derjenigen Informationen zu, die bei Ultraschallempfang mit einem derartigen Array de- tektiert werden können.

Die Ansteuerung einer als Phased-Array betriebenen Wandler- Anordnung kann analog oder digital durch ein Schieberegister, das z. B. sehr zweckmäßig in dem in Figur 4 eingezeichneten, an das eigentliche Array seitlich angrenzenden Bereich 32 an- geordnet sein kann, realisiert werden. Bei Verwendung eines Schieberegisters für Sendebetrieb wird das Sendesignal an den Eingang des Schieberegisters angelegt. Die Ausgänge der Schieberegisterzellen werden auf Zeilen oder Spalten von Wandlern in dem Array geführt. Durch Änderung der Taktfre- quenz im Schieberegister kann die Phasendifferenz zwischen den jeweils gemeinsam adressierten Wandlern und somit der Ab- strahlwinkel im Raum variiert werden. Bei einem Array mit ro- tationssymmetrischer Anordnung der Einzelwandler können die auf konzentrischen Ringen um das Symmetriezentrum der Anord- nung liegenden Einzelwandler gleichphasig betrieben werden ; die Wandler auf weiter außen liegenden Ringen laufen vor, um die größere Weglänge der Signale zu einem Punkt über dem Mit- telpunkt der Anordnung auszugleichen. Damit ist auch die Ent- fernung des Fokus des abgestrahlten Ultraschalls einstellbar.

Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Ultraschall- wandlers sieht eine verbesserte Betriebsschaltung vor. In

denjenigen Fällen, in denen die Höhe des Hohlraumes 8 unter der Membran 2 (s. Figur 1) nicht ausreichend gering herge- stellt werden kann, ist eine relativ hohe Gleichspannung als Vorspannung zwischen Membran und dotiertem Bereich 5 erfor- derlich. Eine solche Vorspannung erhöht die Empfindlichkeit des Wandlers. Vorzugsweise wird eine solche Vorspannung im Bereich von 10 Volt bis 200 Volt gewählt. Ein typischer Wert bei einer Membranabmessung von 50 ym bis 100 ym ist 100 Volt.

Die Empfindlichkeit des Wandlers hängt von verschiedenen Pa- rametern ab. Die Dicke und Steifigkeit der Membran sind we- sentlich, ebenso wie die Abmessungen der Abstrahlfläche. Ein in dem Hohlraum 8 eingeschlossenes Gas versteift die Membran.

Wenn Ultraschall in Luft abgestrahlt werden soll, ist eine Membrangröße mit 100 ßm bis 200 ym als größte Abmessung der Abstrahlfläche bevorzugt. Je größer die Höhe des Hohlraumes 8 ist, um so größer muß der Wert der Vorspannung gewählt wer- den, um einen rauschfreien Betrieb des Wandlers zu ermögli- chen. Wegen der hohen erforderlichen Gleichspannung ist ein Schutz der elektronischen Komponenten der Ansteuerschaltung erforderlich.

In den Figuren 5 und 6 sind solche speziellen Schaltungen für Sendebetrieb und Empfangsbetrieb des Wandlers dargestellt.

Eine Gleichspannung U= wird zwischen die Anschlüsse der Mem- bran (bzw. der leitfähigen Deckschicht) und des dotierten Be- reiches als Vorspannung angelegt. Sowohl im Sende-als auch im Empfangsbetrieb verbessert sich die Empfindlichkeit des Wandlers mit Erhöhung der elektrischen Feldstärke zwischen den Kondensatorelektroden (zwischen der Membran und dem do- tierten Bereich in der beschriebenen Ausführungsform). Die Größe der maximal zulässigen Feldstärke wird durch die physi- kalischen Eigenschaften der verwendeten Materialien oder die erlaubte maximale Auslenkung begrenzt. Zweck der Vorspannung ist die Erzielung eines möglichst großen elektromechanischen Kopplungsfaktors und damit einer möglichst hohen Empfindlich- keit des Wandlers. Der Kopplungsfaktor erreicht dann seinen größten Wert eins, wenn die Membran durch die Vorspannung bis

zu dem durch den nichtlinearen elektrostatischen Effekt be- dingten labilen Punkt hin ausgelenkt wird. Der maximale Wert der durch eine Vorspannung bedingten Auslenkung liegt im Fall einer koplanaren Auslenkung der Membran (Plattenkondensator mit variablem Plattenabstand) bei 33% und bei den Membranen des erfindungsgemäßen Wandlers, die beim Auslenken gewölbt werden, entsprechend dauber. Gute Wirkungsgrade bei stabilem Arbeitsverhalten im Betrieb ergeben sich bei vorspannungsbe- dingten statischen Auslenkungen von 1% bis 20%.

Die für den Sendebetrieb vorgesehene Wechselspannung U wird an einen der beiden Anschlüsse, im Beispiel der Figur 5 den Anschluß der Membran, angelegt. Über Dioden 18,19 ist dieser Anschluß mit den Betriebspotentialen-UB und +UB der elektro- nischen Schaltung verbunden. Eventuell dort anliegende Poten- tiale, die z. B. durch Ladungsträgerinfluenz als Folge von Auf-und Abbau der hohen Gleichspannung U= dort aufgebaut werden, werden so zu einem der Betriebspotentiale hin kurzge- schlossen. Die Gleichspannung U= wird so hoch gewählt, daß eine vorgesehene Amplitude der Wechselspannung U-mindestens eine vorgesehene Amplitude der Membranschwingung bewirkt.

Figur 6 zeigt eine entsprechende Schaltung für Empfangsbe- trieb. Die anzuschließende Wechselspannung ist dort durch eine geeignete Transistor-Vorverstärkerschaltung ersetzt, die in Figur 6 durch eine Operationsverstärkerschaltung 20 symbo- lisiert ist. Zur Erzielung einer möglichst hohen Empfindlich- keit und zur Eliminierung des Einflusses von schaltungstech- nisch bedingten oder parasitären Kapazitäten ist die Schal- tung eingangsseitig möglichst niederohmig als Stromverstärker ausgelegt. Zur Erhöhung der Bandbreite kann es aber auch zweckmäßig sein, den Eingangswiderstand R der Schaltung in Verbindung mit dem Wert der Gleichspannung U= so einzustel- len, daß die Bedämpfung der mechanischen Komponente optimal erfolgt. Die Gleichspannung für Empfangsbetrieb liegt vor- zugsweise auch zwischen 10 Volt und 200 Volt. Die Gleichspan- nung wird so hoch gewählt, daß eine vorgegebene maximale Aus- lenkung der Membran mindestens eine vorgesehene Änderung des Wertes dieser Gleichspannung und/oder einen hervorgerufenen elektrischen Strom mit mindestens einer vorgesehenen Strom- stärke bewirkt.