WO2024056273A1 - Transducer component - Google Patents

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WO2024056273A1
WO2024056273A1 PCT/EP2023/071553 EP2023071553W WO2024056273A1 WO 2024056273 A1 WO2024056273 A1 WO 2024056273A1 EP 2023071553 W EP2023071553 W EP 2023071553W WO 2024056273 A1 WO2024056273 A1 WO 2024056273A1
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WO
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electrode
transducer
membrane
component
signal
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PCT/EP2023/071553
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German (de)
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Inventor
Stefan SAX
Amira HEDHILI
Alexander FEDOROVSKIY
Dominik TAFERNER
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Tdk Electronics Ag
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/122—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B06B1/0644—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 a single piezoelectric element
    • B06B1/0662—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 a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/0666—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 a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface used as a diaphragm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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
    • B06B1/0688—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 with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/52004—Means for monitoring or calibrating

Definitions

  • the present invention relates to a transducer component having an electromechanical transducer element for generating an electrical signal from a mechanical vibration or vice versa.
  • This can in particular be an ultrasonic transducer in which a vibration of a mechanical system is generated by an acoustic signal above the human hearing range.
  • Such sound transducers are now used for many measurement tasks, for example for distance measurement.
  • a well-known application example is the parking aid in cars, which is now largely carried out by measuring the running time with ultrasonic transducers in the bumper.
  • DE 10 2010 027 780 A1 discloses a transducer component in which an oscillatable membrane has different thicknesses to generate different resonance frequencies.
  • EP 3 095 530 A1 and JP H05122793 A each disclose transducer components in which different vibration modes are excited by targeted control of structured electrodes. Signals of different amplitude, frequency and phase position are generated via the electrodes and evaluated electronically.
  • EP 0 706 835 A1 discloses a transducer component in which the resonance frequency is adjusted depending on the operation by changing the active electrode surface using external circuitry and control.
  • CN 1 09 225 789 A discloses a MEMS ultrasound transducer having a multi-layered composite structure in which circular electrodes and annular electrodes are controlled with a phase difference in order to improve the transmission performance of the converter.
  • the object of the present invention is to provide a converter component with improved properties.
  • the signal strength of the converter component should be improved.
  • a transducer component has an electromechanical transducer element for generating an electrical signal from a mechanical vibration.
  • This can in particular be an acoustically generated membrane vibration.
  • the converter component can alternatively or additionally also be designed to generate a mechanical vibration from an electrical signal.
  • the transducer element has at least a first electrode, at least a second electrode and at least one transducer layer lying therebetween.
  • the transducer layer is in particular a piezoelectric layer which, when deformed, generates an electrical voltage between the electrodes.
  • the converter layer has a ceramic material or a polymer material.
  • the transducer element can be attached to an oscillatable membrane and designed to detect the vibration.
  • the membrane is held in an edge area by a carrier. It is also possible for the transducer element itself to form an oscillatable membrane and to be held directly by the carrier.
  • the membrane is held in particular at the edge by a carrier.
  • the membrane is attached to the carrier, for example by gluing.
  • the first and second electrodes can be designed in such a way that they do not overlap in areas of the transducer layer and/or the membrane in which different types of deformation occur during vibration.
  • areas of a side on which the transducer element and/or the electrodes are arranged are considered here. In particular, this can be an inside of the membrane that faces an interior of the converter component.
  • the signal strength can be increased with a smaller design of the transducer element or with a smaller design of the electrodes. This is due to the fact that compressed and stretched volume areas lead to signal components of different polarities. When the electrodes overlap in areas of different deformation, the signal components of different polarities add up so that the overall signal is attenuated. By limiting the expansion of the electrodes only to areas of uniform deformation, an attenuation of the signal is avoided. It is also possible for an overlap of the electrodes to extend into a third area that separates the first area from the second area. No signal is generated in the third area.
  • transducer element i.e. both electrodes and the transducer layer
  • the entire transducer element i.e. both electrodes and the transducer layer
  • the different areas of the page can also be characterized by the fact that the curvature of the surface in these areas has a different sign. Between the areas of different curvature there is a third area in which the curvature is zero.
  • the transducer layer, the electrodes and/or the membrane can each have a circular circumferential line. It is also possible that the perimeter lines are not circular.
  • the membrane can be held on the edge by a support, the area held on the edge having a non-circular circumferential line.
  • a circumferential line is in the form of segments of a circular ring.
  • the circumferential line of the membrane and/or the transducer layer and/or the area of the membrane held at the edge has corners, while the circumferential line of the overlap area of the electrodes or the circumferential line of the electrodes has no corners.
  • the transducer layer and/or the membrane and/or the area held at the edge are angular and the electrodes are circular or oval. This can result from the fact that the first and second areas are free of edges even with an angular circumferential line and the overlap areas are adapted accordingly to the areas.
  • the overlap area of the electrodes can exactly cover the first area.
  • the circumferential line of the first area can correspond to the circumferential line of the overlap area.
  • one or both of the electrodes can cover exactly the first area.
  • the overlap area can extend slightly beyond the first area, but it should not extend into the second area.
  • several first electrodes and/or several second electrodes to be present.
  • a further first electrode is present.
  • the further first electrode is arranged in an area of a different type of deformation than the first electrode.
  • the first electrode is arranged in a central region of a membrane and the further first electrode completely surrounds the first electrode in an outer region of the membrane.
  • the second electrode can be designed as a common counter electrode for both first electrodes.
  • the membrane is not held by a carrier in an area between the electrode and the further electrode.
  • the membrane therefore carries out a uniform oscillation in the area of the electrode and the further electrode and is not separated into different areas by being attached to a support.
  • the voltage components generated at the first and further first electrodes can be tapped separately from one another.
  • a first signal, which is picked up at the first electrode can represent the actual measurement signal of the converter component. It is also possible for the measurement signal to be formed as a total signal from the sum of the amounts of the first signal and the further signal. This means that the overall signal is larger than a signal in which both components of a first electrode designed to have a completely flat surface are summed directly.
  • the further first signal can also be used as a control signal. Due to the different type of deformation, the further first signal should be designed to be 180° out of phase with the first signal. If the phase shift is not present, this may be a sign of a fault in the converter element. Overall, the further first electrode is therefore not used for any other type of signal measurement or control of the transducer element. When the transducer element is activated, for example, the further first electrode is supplied with a signal that is phase-shifted by 180°. Overall, the control of the second electrode should not lead to a different type of oscillation; for example, no higher-order oscillation should be excited. Alternatively, when the converter element is activated, no voltage can be applied to the further first electrode. For example, a voltage for error detection can be measured there, while the first electrode is subjected to a voltage and causes an oscillation.
  • a first signal is tapped or applied to the first electrode and a further signal is tapped or applied to the further first electrode.
  • a total signal can be formed from the absolute sum of the signals and/or the additional signal can be used to control the function of the converter component.
  • a method for producing the previously described converter component is specified.
  • a membrane is provided which is held at the edge by a carrier.
  • Types of deformation in the membrane are measured and a first area with a first type of deformation and a second area with a second type of deformation are determined on one side of the membrane, which is designed for attaching the transducer element and/or electrodes.
  • a transducer element or electrodes are then provided and arranged on the membrane so that the membrane overlaps Electrodes are not present in areas of different types of deformation.
  • the present invention encompasses several aspects, particularly devices and methods.
  • the characteristics, properties and described for one of the aspects are
  • Figure 1 shows an embodiment of a converter component in cross section
  • Figure 2 shows a transducer element from Figure 1 in cross section
  • Figure 3 shows a deformation of a membrane of a converter component in cross section and in a top view
  • FIG. 4A shows a non-inventive geometry of a transducer element in the membrane from FIG. 3 in a top view
  • Figure 4B shows a diagram of deflection and sensor voltage for a converter component having the converter element from Figure 4A and the membrane from Figure 3,
  • FIG. 5A shows an embodiment of a converter element in the membrane from FIG. 3,
  • FIG. 5B shows a diagram of deflection and sensor voltage for a converter component having the converter element from FIG. 5A and the membrane from FIG. 3,
  • FIG. 6A shows a further embodiment of a converter component in cross section
  • FIG. 6B shows a top view of the converter in the converter component of FIG. 6A
  • FIG. 6C shows a diagram of deflection and sensor voltage for a converter component according to FIG. 6A
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a converter component in a perspective partial sectional view
  • FIG. 8A shows a further embodiment of a converter component in a perspective view
  • FIG. 8B shows a deformation pattern of a membrane of the converter component from FIG. 8A in a top view
  • FIG. 8C shows a transducer adapted to the deformation pattern from FIG. 8B in a top view
  • Figure 8D shows the structure of the converter element from Figure 8C in an exploded view.
  • the same reference symbols preferably refer to functionally or structurally corresponding parts of the different embodiments.
  • Figure 1 shows an embodiment of a converter component 1 having an electromechanical converter element 2 for converting a vibration into an electrical signal.
  • the transducer component 1 can thus detect mechanical vibrations.
  • the converter component 1 can be used to generate oscillations by applying an electrical voltage.
  • the transducer component 1 has a mechanically oscillatable system 3, which is caused to oscillate by physical influences, such as a pressure wave, sound or structure-borne noise.
  • the oscillatable system 3 has, for example, a membrane 4 which is held in its edge regions by a support 5.
  • the membrane 4 can be fixed to the carrier 5 completely or only partially.
  • the membrane 4 is attached to the carrier by gluing.
  • this is a component that is manufactured using classic joining techniques of the individual parts and not a component in MEMS construction.
  • the membrane 4 can also be formed in one piece with the carrier 5.
  • the carrier 5 is designed in the form of a hollow cylinder.
  • the carrier 5 forms side walls.
  • the oscillation of the membrane 4 can be generated by ultrasonic waves, so that the transducer element is designed as an ultrasonic transducer.
  • the electromechanical converter element 2 is fastened to one side 6 of the membrane 4, in particular fastened in a force-fitting manner. Due to the deformation of the electromechanical transducer element 2 that occurs when the membrane 4 oscillates, an electrical signal is generated at contacts, which is fed to electronic signal processing by means of electrical contacts 14, 15.
  • FIG. 2 shows a structure of an electromechanical converter 2, as can be present, for example, in the converter component 1 of FIG. 1.
  • the transducer element 2 has a transducer layer 7 which is arranged between a first electrode 8 and a second electrode 9 .
  • the transducer layer 7 is piezoelectric and has, for example, a ceramic, a polymer material or a composite material.
  • the electrodes 8 , 9 are electrically conductive and comprise, for example, a metal, polymer or a composite material.
  • the electrodes 8 , 9 are designed in particular as a coating on the converter layer 7 .
  • the converter layer 7, for example, is not a thin layer in the one- to lower two-digit pm range, but rather a thicker layer that can be attached to the carrier 5 using classic fastening techniques, i.e. no semiconductor manufacturing processes.
  • the stack of first electrode 8, converter layer 7 and second electrode 9 can be arranged on a substrate 10.
  • the substrate 10 can on the one hand Serve to produce the stack and on the other hand serve to attach it to the oscillatable system 3.
  • the substrate 10 can be attached directly to a membrane 4. It is also possible that the substrate 10 is not present and the stack with the second electrode 9 is attached directly to a membrane 4.
  • the substrate 10 comprises, for example, plastic, a metal or a composite material.
  • the electrodes 8 , 9 are preferably not electrically connected to the substrate 10 .
  • the transducer layer 7 may directly form an oscillatable membrane, so that the additional membrane 4 from Figure 1 is not present and the transducer layer 7 is held on the edge by the carrier 5.
  • the transducer element 2 can also be formed from several partial transducers stacked one above the other with several transducer layers 7 stacked one above the other and electrodes 8, 9 lying between them.
  • the electrodes 8, 9 can be connected to one another in parallel or in series.
  • An overlap area is created by the fact that when looking at the main surface of the membrane in the resting state, the electrodes overlap.
  • Figure 3 shows a mechanical pre-shaping of the converter component 1 from Figure 1 with representation of the different types of deformation.
  • the converter component 1 as in the figure 1 shown in cross section, once dashed without deformation and in different shades with deformation. The shades indicate the type of deformation that occurs, such as compression and expansion.
  • the illustration below shows a view of the membrane 4 from below, also showing the different types of deformation.
  • the deformation pattern can be determined in a simulation.
  • the deflection and frequency at selected points can be determined using measurements.
  • the outer circular ring thus corresponds to a second region 12 of a second type of deformation. Accordingly, there is a compression on the top of the membrane 4.
  • the third area 13 can be referred to as a node area.
  • the third area 13 can be a turning area in which the curvature of the membrane 4 changes its sign.
  • the third area 13 separates the areas 11 , 12 of different types of deformation from one another.
  • a voltage is generated in an electromechanical converter element 2 that has a different polarity than in the second area 12.
  • the size and arrangement of the electromagnetic transducer element 2 can be selected such that the transducer layer 7 is arranged completely in one of the regions 11, 12 of a uniform type of deformation on the membrane 4.
  • FIG 4A shows an example not according to the invention of an electromagnetic converter element 2 for a component 1.
  • the transducer element 2 has a stacked arrangement of first electrode 8, second electrode 9 and transducer layer 7 lying between them.
  • the first electrode 8 can be seen completely here in the top view.
  • the first electrode 8 has a contact 14.
  • the first electrode 8 completely covers the converter layer 7.
  • the converter layer 7 is therefore only indicated by dashed lines.
  • the diameter D of an overlap area of the electrodes 8, 9 corresponds here to the diameter of the converter layer 7 and the diameter of the circular area of the first electrode 8. Only the contact 15 of the second electrode 9 is closed see .
  • the second electrode 9 has the same geometry as the first electrode 8.
  • the transducer element 2 is arranged on the membrane 4 as in FIG. 3, but the transducer layer 7 completely covers the inside of the membrane 4.
  • the diameter D of the overlap area therefore corresponds to the outside diameter Dg of the second area 12.
  • the diameter Dg 10 mm.
  • the electrodes 8 , 9 thus overlap both in an area 11 of a first type of deformation and in an area 12 of a second type of deformation. In this case, two signal components with opposite signs occur in the same converter element, which reduce the overall signal.
  • FIG. 4B shows a diagram of deflection d and sensor voltage U over time t of a component with a full-surface transducer layer 7 according to FIG. 4A.
  • a deflection of approx. 2 ⁇ m results in a voltage signal of several 10 mV.
  • the electrodes 8, 9 only overlap in the area 11 of expansion during outward movement and compression during backward movement.
  • the entire transducer element 2 only covers this area. The simultaneous occurrence of electrical voltage signal components with the opposite sign in the same transducer element 2 is thus avoided here, so that no reduction in the overall signal occurs within the electromagnetic transducer element 2.
  • 5B shows a diagram of deflection d and sensor voltage U over time t of a converter component 1 with a converter element 2 according to FIG. 5A, the active area of which only covers the first area 11 of the membrane 4.
  • Figure 6A shows a further embodiment of a converter component 1.
  • Figure 6B shows the transducer element 2 used there in a top view.
  • the transducer element 2 has a plurality of first electrodes 8, 16, each of which is only arranged in one of the regions 11, 12 of a type of deformation.
  • the first electrodes 8, 16 are not electrically connected to one another.
  • the membrane 4 is not attached to the carrier 5 between the electrodes 8, 16.
  • FIGS. 6C shows a diagram of deflection d and sensor voltage U over time t of a component with a full-surface transducer layer 7 according to FIGS. 6A and 6B.
  • the diagram shows a first voltage signal Ug, which is tapped at the first electrode 8, and a second voltage signal Ug, which is tapped at the further first electrode 16.
  • the second electrode 9 is designed as a common counter electrode of the first electrode 8 and the further first electrode 16. The respective voltage signals are therefore always a voltage occurring between one of the first electrodes 8, 16 and the second electrode 9.
  • the sign of the voltage Ug tapped between the further first electrode 16 and the second electrode 9 can be changed electronically and added to the voltage Ug tapped between the first electrode 8 and the second electrode 9. This means that a signal increase can be achieved without an active amplifier.
  • the voltage signal of the further first electrode 16 can be used to check the function of the converter component 1.
  • the voltage signal should be 180° out of phase with the signal that is above the first electrode 8 is tapped. If this signal is not present, an error can be concluded.
  • the electrodes there are several second electrodes, each of which is only arranged in areas 11, 12 of one type of deformation. It is also possible for the electrodes to be divided on both sides. In addition, it is also possible to provide several separate transducers 2, so that the transducer layer 7 also has a subdivision, with partial areas then only being arranged in areas 11, 12 of one type of deformation.
  • the active area and the volume of the transducer element 2, in particular the transducer layer 7, can be reduced and at the same time the signal quality can be improved.
  • the component design is adapted to the deformation pattern of the mechanical system 3 by adapting the external shape of the transducer layer and/or the electrodes.
  • the converter element 2 can therefore be produced in a resource-saving and cost-effective manner.
  • the overall signal can be improved.
  • additional information can also be generated.
  • the measurement signal can be increased, so that the system sensitivity can be increased with the same electronics or the requirements on the electronics can be reduced.
  • the increase in signal strength is achieved without additional electrodes, so that the existing control electronics (AS IC) can be used.
  • Figure 7 shows a further embodiment of a converter component 1.
  • the converter component 1 is designed according to the embodiment of FIGS. 1, 2, 5A and 5B.
  • the shape of the transducer layer 7 and the electrodes 8, 9 is adapted to the deformation pattern of the membrane 4, so that only a first region 11 of a first type of deformation is covered by the transducer layer 7 and the electrodes 8, 9.
  • the substrate 10 is led out here on the inner side walls of the carrier 5 and thus also serves to lead out the contacts 14, 15.
  • the converter component 1 is designed to be rotationally symmetrical. Alternatively, contacts can also be formed using separate wires.
  • FIGS 8A to 8D show a further embodiment of a converter component 1 as well as steps in the production of a converter component 1.
  • the membrane 4 here does not have a circular shape. This is intended to make it clear that the invention does not apply to a circular membrane 4 and/or a circular region attached to a support Membrane 4 is limited, but rather a membrane 4 or the attached area of the membrane 4 can be chosen to have any other shape.
  • the converter component 1 can have several membranes 4.
  • Figure 8A shows the transducer component 1, in which a plurality of membranes 4 in the form of segments of a circular ring are clamped in a carrier 5.
  • FIG. 8B shows a deformation pattern of the membrane 4 on a side 6 on which the transducer element 2 is arranged.
  • a first region 11 there is again a first type of deformation and in a second region 12 there is a second type of deformation.
  • the areas 11 , 12 are separated from one another by a third area 13 .
  • FIG. 8C shows a transducer 2 whose geometry is adjusted after determining the deformation pattern of the membrane 4, so that an overlap area of the electrodes 8, 9 only exists in the first area 11. It is also possible that, in addition, the converter layer 7 is only arranged in the first region 11 or that only one of the electrodes 8, 9 is limited to only one of the regions 11, 12.
  • Figure 8D shows the structure of the converter element 2 in an exploded view.
  • the electrodes 8, 9 have an approximately oval shape. Both that in Fig. 8A shown traveling component 1 with multiple membranes 4 as well as only one of the membranes 4 with the respective transducer element 2 can be viewed as a traveling component 1. reference symbol

Abstract

A transducer component (1) has an electromechanical transducer element (2) comprising at least one first electrode (8, 16), at least one second electrode (9) and at least one transducer layer (7) situated in between, the transducer component (1) having a diaphragm (4), which is capable of oscillating, to which the transducer element (2) is attached, or the transducer element (2) being designed for mechanical oscillation directly, wherein the first and second electrodes (8, 9, 16) do not overlap in regions (11, 12) of a side (6) of the diaphragm (4) and/or of the transducer layer (7) that have different types of deformation, the different types of deformation being compression or elongation.

Description

Beschreibung Description
Wandlerbauteil Transducer component
Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Wandlerbauteil aufweisend ein elektromechanisches Wandlerelement zur Erzeugung eines elektrischen Signals aus einer mechanischen Schwingung oder umgekehrt . Es kann sich dabei insbesondere um einen Ultraschallwandler handeln, bei dem eine Schwingung eines mechanischen Systems durch ein akustisches Signal oberhalb des menschlichen Hörbereichs erzeugt wird . Derartige Schallwandler werden heutzutage für viele Mess-Aufgaben eingesetzt , beispielsweise zur Distanzmessung . Ein bekanntes Anwendungsbeispiel ist die Einparkhil fe in PKWs , die heute größtenteils durch Lauf zeitmessung mit Ultraschall-Wandlern in der Stoßstange vorgenommen wird . The present invention relates to a transducer component having an electromechanical transducer element for generating an electrical signal from a mechanical vibration or vice versa. This can in particular be an ultrasonic transducer in which a vibration of a mechanical system is generated by an acoustic signal above the human hearing range. Such sound transducers are now used for many measurement tasks, for example for distance measurement. A well-known application example is the parking aid in cars, which is now largely carried out by measuring the running time with ultrasonic transducers in the bumper.
Im Stand der Technik sind Wandlerbauteile of fenbart , bei denen eine Verbesserung der Messqualität durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden soll . In der DE 10 2010 027 780 Al ist ein Wandlerbauteil of fenbart , bei dem eine schwingfähige Membran zur Erzeugung unterschiedlicher Resonanz frequenzen unterschiedliche Dicken aufweist . In der EP 3 095 530 Al und JP H05122793 A sind j eweils Wandlerbauteile of fenbart , bei denen durch gezielte Ansteuerung strukturierter Elektroden verschiedene Schwingungsmoden angeregt werden . Dabei werden über die Elektroden Signale unterschiedlicher Amplitude , Frequenz und Phasenlage erzeugt und elektronisch ausgewertet . In der EP 0 706 835 Al ist ein Wandlerbauteil of fenbart , bei dem betriebsabhängig die Resonanz frequenz durch Veränderung der aktiven Elektrodenfläche mittels äußerer Verschaltung und Steuerung angepasst wird . In der CN 1 09 225 789 A ist ein MEMS-Ultraschallwandler aufweisend eine vielschichtige Kompositstruktur of fenbart , bei dem kreis förmige Elektroden und kreisringförmige Elektroden mit einem Phasenunterschied angesteuert werden, um die Übertragungsleistung des Wandlers zu verbessern . The prior art discloses transducer components in which an improvement in the measurement quality is to be achieved through various measures. DE 10 2010 027 780 A1 discloses a transducer component in which an oscillatable membrane has different thicknesses to generate different resonance frequencies. EP 3 095 530 A1 and JP H05122793 A each disclose transducer components in which different vibration modes are excited by targeted control of structured electrodes. Signals of different amplitude, frequency and phase position are generated via the electrodes and evaluated electronically. EP 0 706 835 A1 discloses a transducer component in which the resonance frequency is adjusted depending on the operation by changing the active electrode surface using external circuitry and control. CN 1 09 225 789 A discloses a MEMS ultrasound transducer having a multi-layered composite structure in which circular electrodes and annular electrodes are controlled with a phase difference in order to improve the transmission performance of the converter.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , ein Wandlerbauteil mit verbesserten Eigenschaften anzugeben . Insbesondere soll die Signalstärke des Wandlerbauteils verbessert werden . The object of the present invention is to provide a converter component with improved properties. In particular, the signal strength of the converter component should be improved.
Gemäß einem ersten Aspekt weist ein Wandlerbauteil ein elektromechanisches Wandlerelement zur Erzeugung eines elektrischen Signals aus einer mechanischen Schwingung auf . Dabei kann es sich insbesondere um eine akustisch erzeugte Membranschwingung handeln . Das Wandlerbauteil kann alternativ oder zusätzlich auch zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung aus einem elektrischen Signal ausgebildet sein . According to a first aspect, a transducer component has an electromechanical transducer element for generating an electrical signal from a mechanical vibration. This can in particular be an acoustically generated membrane vibration. The converter component can alternatively or additionally also be designed to generate a mechanical vibration from an electrical signal.
Das Wandlerelement weist wenigstens eine erste Elektrode , wenigstens eine zweite Elektrode und wenigstens eine dazwischen liegende Wandlerschicht auf . Bei der Wandlerschicht handelt es sich insbesondere um eine piezoelektrische Schicht , die bei Verformung eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden generiert . Beispielsweise weist die Wandlerschicht ein keramisches Material oder ein Polymermaterial auf . The transducer element has at least a first electrode, at least a second electrode and at least one transducer layer lying therebetween. The transducer layer is in particular a piezoelectric layer which, when deformed, generates an electrical voltage between the electrodes. For example, the converter layer has a ceramic material or a polymer material.
Das Wandlerelement kann an einer schwingfähigen Membran befestigt sein und zur Detektion der Schwingung ausgebildet sein . Die Membran ist in einem Randbereich von einem Träger gehalten . Es ist auch möglich, dass das Wandlerelement selbst eine schwingfähige Membran bildet und direkt vom Träger gehalten wird . Die Membran ist insbesondere randseitig von einem Träger gehalten . Die Membran ist am Träger, beispielsweise durch Kleben, befestigt . Bei einer Membranschwingung, beispielsweise in Eigenfrequenz , gibt es erste und zweite Bereiche der Membran, in denen zur gleichen Zeit unterschiedliche Verformungsarten vorliegen . Die Verformungsarten können dabei eine Stauchung oder eine Dehnung eines Volumenanteils darstellen . Beispielsweise liegt im ersten Bereich eine Dehnung vor, während im zweiten Bereich zeitgleich eine Stauchung vorliegt . The transducer element can be attached to an oscillatable membrane and designed to detect the vibration. The membrane is held in an edge area by a carrier. It is also possible for the transducer element itself to form an oscillatable membrane and to be held directly by the carrier. The membrane is held in particular at the edge by a carrier. The membrane is attached to the carrier, for example by gluing. When a membrane oscillates, for example at natural frequency, there are first and second areas of the membrane in which different types of deformation occur at the same time. The types of deformation can represent a compression or an expansion of a volume fraction. For example, there is an expansion in the first area, while at the same time there is a compression in the second area.
Die ersten und zweiten Elektroden können derart ausgebildet sein dass sie sich nicht in Bereichen der Wandlerschicht und/oder der Membran überlappen, in denen bei einer Schwingung unterschiedliche Verformungsarten vorliegen . Beispielsweise werden hier Bereiche einer Seite betrachtet , an denen das Wandlerelement und/oder die Elektroden angeordnet sind . Insbesondere kann es sich hier um eine Innenseite der Membran handeln, die einem Innenraum des Wandlerbauteils zugewandt ist . The first and second electrodes can be designed in such a way that they do not overlap in areas of the transducer layer and/or the membrane in which different types of deformation occur during vibration. For example, areas of a side on which the transducer element and/or the electrodes are arranged are considered here. In particular, this can be an inside of the membrane that faces an interior of the converter component.
Auf diese Weise kann die Signalstärke bei kleinerer Ausbildung des Wandlerelements oder bei kleinerer Ausbildung der Elektroden erhöht werden . Dies beruht darauf , dass gestauchte und gedehnte Volumenbereiche zu Signalanteilen unterschiedlicher Polarität führen . Bei einer Überlappung der Elektroden in Bereichen unterschiedlicher Verformung addieren sich die Signalanteile unterschiedlicher Polarität so , dass das Gesamtsignal abgeschwächt wird . Durch eine Beschränkung der Ausdehnung der Elektroden nur auf Bereiche einheitlicher Verformung wird eine Abschwächung des Signals vermieden . Es ist auch möglich, dass eine Überlappung der Elektroden auch in einen dritten Bereich hineinreicht , der den ersten Bereich vom zweiten Bereich trennt . Im dritten Bereich wird kein Signal erzeugt . In this way, the signal strength can be increased with a smaller design of the transducer element or with a smaller design of the electrodes. This is due to the fact that compressed and stretched volume areas lead to signal components of different polarities. When the electrodes overlap in areas of different deformation, the signal components of different polarities add up so that the overall signal is attenuated. By limiting the expansion of the electrodes only to areas of uniform deformation, an attenuation of the signal is avoided. It is also possible for an overlap of the electrodes to extend into a third area that separates the first area from the second area. No signal is generated in the third area.
Dabei ist es möglich, das gesamte Wandlerelement , also beide Elektroden und die Wandlerschicht , auf den Bereich einer Verformungsart zu beschränken . Es ist auch möglich, nur eine oder beide Elektroden auf diesen Bereich zu beschränken, während die Wandlerschicht weiter ausgedehnt ist . It is possible to limit the entire transducer element, i.e. both electrodes and the transducer layer, to the range of one type of deformation. It is also possible to have just one or to limit both electrodes to this area while the transducer layer is further expanded.
Die unterschiedlichen Bereiche der Seite können auch dadurch charakterisiert sein, dass die Krümmung der Oberfläche in diesen Bereichen ein unterschiedliches Vorzeichen aufweist . Zwischen den Bereichen unterschiedlicher Krümmung liegt ein dritter Bereich, in dem die Krümmung Null ist . The different areas of the page can also be characterized by the fact that the curvature of the surface in these areas has a different sign. Between the areas of different curvature there is a third area in which the curvature is zero.
Die Wandlerschicht , die Elektroden und/oder die Membran können j eweils eine kreis förmige Umfangslinie aufweisen . Es ist auch möglich, dass die Umfangslinien nicht kreis förmig sind . Insbesondere kann die Membran randseitig von einem Träger gehalten sein, wobei der randseitig gehaltene Bereich eine nicht-kreis förmige Umfangslinie aufweist . Beispielsweise liegt eine Umfangslinie in Form von Segmenten eines Kreisrings vor . Beispielsweise weist die Umfangslinie der Membran und/oder der Wandlerschicht und/oder des randseitig gehaltenen Bereichs der Membran Ecken auf , während die Umfangslinie des Uberlappungsbereichs der Elektroden oder die Umfangslinie der Elektroden keine Ecken aufweist . Beispielsweise sind die Wandlerschicht und/oder die Membran und/oder der randseitig gehaltene Bereich eckig und die Elektroden kreis förmig oder oval ausgebildet . Dies kann daraus resultieren, dass die ersten und zweiten Bereiche auch bei kantiger Umfangslinie kantenfrei sind und die Uberlappungsbereiche entsprechend an die Bereiche angepasst sind . The transducer layer, the electrodes and/or the membrane can each have a circular circumferential line. It is also possible that the perimeter lines are not circular. In particular, the membrane can be held on the edge by a support, the area held on the edge having a non-circular circumferential line. For example, a circumferential line is in the form of segments of a circular ring. For example, the circumferential line of the membrane and/or the transducer layer and/or the area of the membrane held at the edge has corners, while the circumferential line of the overlap area of the electrodes or the circumferential line of the electrodes has no corners. For example, the transducer layer and/or the membrane and/or the area held at the edge are angular and the electrodes are circular or oval. This can result from the fact that the first and second areas are free of edges even with an angular circumferential line and the overlap areas are adapted accordingly to the areas.
Der Uberlappungsbereich der Elektroden kann genau den ersten Bereich abdecken . So kann insbesondere die Umfangslinie des ersten Bereichs der Umfangslinie des Uberlappungsbereichs entsprechen . Es können insbesondere eine oder beide der Elektroden genau den ersten Bereich abdecken . Es ist auch möglich, dass der Uberlappungsbereich etwas über den ersten Bereich hinausragt , j edoch sollte er nicht in den zweiten Bereich hineinragen . Es ist auch möglich, dass mehrere erste Elektroden und/oder mehrere zweite Elektroden vorhanden sind . Beispielsweise ist zusätzlich zur ersten Elektrode eine weitere erste Elektrode vorhanden . Die weitere erste Elektrode ist dabei in einem Bereich einer anderen Verformungsart angeordnet als die erste Elektrode . Beispielsweise ist die erste Elektrode in einem zentralen Bereich einer Membran angeordnet und die weitere erste Elektrode umgibt die erste Elektrode vollständig in einem äußeren Bereich der Membran . Die zweite Elektrode kann als gemeinsame Gegenelektrode für beide ersten Elektroden ausgebildet sein . The overlap area of the electrodes can exactly cover the first area. In particular, the circumferential line of the first area can correspond to the circumferential line of the overlap area. In particular, one or both of the electrodes can cover exactly the first area. It is also possible for the overlap area to extend slightly beyond the first area, but it should not extend into the second area. It is also possible for several first electrodes and/or several second electrodes to be present. For example, in addition to the first electrode, a further first electrode is present. The further first electrode is arranged in an area of a different type of deformation than the first electrode. For example, the first electrode is arranged in a central region of a membrane and the further first electrode completely surrounds the first electrode in an outer region of the membrane. The second electrode can be designed as a common counter electrode for both first electrodes.
Beispielsweise ist die Membran in einem Bereich zwischen der Elektrode und der weiteren Elektrode nicht von einem Träger gehalten . Die Membran führt also im Bereich der Elektrode und der weiteren Elektrode eine einheitliche Schwingung aus und ist nicht durch Befestigung an einem Träger dort in verschiedene Bereiche separiert . For example, the membrane is not held by a carrier in an area between the electrode and the further electrode. The membrane therefore carries out a uniform oscillation in the area of the electrode and the further electrode and is not separated into different areas by being attached to a support.
Im Betrieb können die an der ersten und weiteren ersten Elektrode erzeugten Spannungsanteile separat voneinander abgegri f fen werden . Dabei kann ein erstes Signal , das an der ersten Elektrode abgegri f fen wird, das eigentliche Messsignal des Wandlerbauteils darstellen . Es ist auch möglich, dass das Messsignal als Gesamtsignals aus der Summe der Beträge des ersten Signals und des weiteren Signals gebildet wird . Damit ist das Gesamtsignal größer als ein Signal , bei denen beide Anteile einer ganz flächig ausgebildeten ersten Elektrode direkt summiert werden . During operation, the voltage components generated at the first and further first electrodes can be tapped separately from one another. A first signal, which is picked up at the first electrode, can represent the actual measurement signal of the converter component. It is also possible for the measurement signal to be formed as a total signal from the sum of the amounts of the first signal and the further signal. This means that the overall signal is larger than a signal in which both components of a first electrode designed to have a completely flat surface are summed directly.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann das weitere erste Signal auch als Kontrollsignal verwendet werden . Das weitere erste Signal sollte aufgrund der anderen Verformungsart um 180 ° zum ersten Signal phasenverschoben ausgebildet sein . I st die Phasenverschiebung nicht gegeben, so kann dies ein Zeichen für ein Fehler im Wandlerelement sein . Insgesamt dient die weitere erste Elektrode somit nicht zu einer andersartigen Signalmessung oder Ansteuerung des Wandlerelements . Bei einer Ansteuerung des Wandlerelements wird beispielsweise die weitere erste Elektrode mit einem um 180 ° phasenverschobenen Signal beaufschlagt . Insgesamt soll die Ansteuerung der zweiten Elektrode dabei nicht zu einer unterschiedlichen Schwingungsart führen, beispielsweise soll keine Schwingung höherer Ordnung angeregt werden . Alternativ kann bei einer Ansteuerung des Wandlerelements die weitere erste Elektrode mit keiner Spannung beaufschlagt werden . Beispielsweise kann dort eine Spannung zur Fehlererkennung gemessen werden, während die erste Elektrode mit einer Spannung beaufschlagt wird und eine Schwingung hervorruft . Alternatively or in addition to this, the further first signal can also be used as a control signal. Due to the different type of deformation, the further first signal should be designed to be 180° out of phase with the first signal. If the phase shift is not present, this may be a sign of a fault in the converter element. Overall, the further first electrode is therefore not used for any other type of signal measurement or control of the transducer element. When the transducer element is activated, for example, the further first electrode is supplied with a signal that is phase-shifted by 180°. Overall, the control of the second electrode should not lead to a different type of oscillation; for example, no higher-order oscillation should be excited. Alternatively, when the converter element is activated, no voltage can be applied to the further first electrode. For example, a voltage for error detection can be measured there, while the first electrode is subjected to a voltage and causes an oscillation.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird in einem Verfahren zum Betrieb des Wandlerbauteils an der ersten Elektrode ein erstes Signal und an der weiteren ersten Elektrode ein weiteres Signal abgegri f fen oder angelegt . Wie vorhergehend beschrieben, kann dabei ein Gesamtsignal aus der betragsmäßigen Summe der Signale gebildet werden und/oder es kann das weitere Signal zur Kontrolle der Funktion des Wandlerbauteils verwendet werden . According to a further aspect, in a method for operating the converter component, a first signal is tapped or applied to the first electrode and a further signal is tapped or applied to the further first electrode. As described above, a total signal can be formed from the absolute sum of the signals and/or the additional signal can be used to control the function of the converter component.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung des vorhergehend beschriebenen Wandlerbauteils angegeben . Im Verfahren wird eine Membran bereitgestellt , die randseitig von einem Träger gehalten wird . Es werden Verformungsarten in der Membran gemessen und es wird ein erster Bereich mit einer ersten Verformungsart und ein zweiter Bereich mit einer zweiten Verformungsart an einer Seite der Membran bestimmt , die zur Anbringung des Wandlerelements und/oder Elektroden ausgebildet ist . Danach werden ein Wandlerelement oder Elektroden bereitgestellt und an der Membran angeordnet , so dass eine Überlappung der Elektroden nicht in Bereichen unterschiedlicher Verformungsart vorliegt . According to a further aspect, a method for producing the previously described converter component is specified. In the process, a membrane is provided which is held at the edge by a carrier. Types of deformation in the membrane are measured and a first area with a first type of deformation and a second area with a second type of deformation are determined on one side of the membrane, which is designed for attaching the transducer element and/or electrodes. A transducer element or electrodes are then provided and arranged on the membrane so that the membrane overlaps Electrodes are not present in areas of different types of deformation.
Die vorliegende Erfindung umfasst mehrere Aspekte , insbesondere Vorrichtungen und Verfahren . Die für einen der Aspekte beschriebenen Merkmale , Eigenschaften und The present invention encompasses several aspects, particularly devices and methods. The characteristics, properties and described for one of the aspects
Aus führungs formen sollen entsprechend auch für den anderen Aspekt gelten . Implementation forms should also apply accordingly to the other aspect.
Zudem ist die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände nicht auf die speziellen Aus führungs formen beschränkt . In addition, the description of the items specified here is not limited to the specific embodiments.
Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Aus führungs formenRather, the characteristics of the individual embodiments can shape management
- soweit technisch sinnvoll - miteinander kombiniert werden . - as far as technically sensible - can be combined with one another.
Im Folgenden werden die hier beschriebenen Gegenstände anhand schematischer Aus führungsbeispiele näher erläutert . The items described here are explained in more detail below using schematic exemplary embodiments.
Es zeigen : Show it :
Figur 1 eine Aus führungs form eines Wandlerbauteils im Querschnitt , Figure 1 shows an embodiment of a converter component in cross section,
Figur 2 ein Wandlerelement aus Figur 1 im Querschnitt , Figure 2 shows a transducer element from Figure 1 in cross section,
Figur 3 eine Verformung einer Membran eines Wandlerbauteils im Querschnitt und in einer Aufsicht , Figure 3 shows a deformation of a membrane of a converter component in cross section and in a top view,
Figur 4A eine nicht-erfindungsgemäße Geometrie eines Wandlerelements bei der Membran aus Figur 3 in einer Aufsicht , 4A shows a non-inventive geometry of a transducer element in the membrane from FIG. 3 in a top view,
Figur 4B ein Diagramm von Auslenkung und Sensorspannung für ein Wandlerbauteil aufweisend das Wandlerelement aus Figur 4A und die Membran aus Figur 3 , Figure 4B shows a diagram of deflection and sensor voltage for a converter component having the converter element from Figure 4A and the membrane from Figure 3,
Figur 5A eine Aus führungs form eines Wandlerelements bei der Membran aus Figur 3 , 5A shows an embodiment of a converter element in the membrane from FIG. 3,
Figur 5B ein Diagramm von Auslenkung und Sensorspannung für ein Wandlerbauteil aufweisend das Wandlerelement aus Figur 5A und die Membran aus Figur 3 , 5B shows a diagram of deflection and sensor voltage for a converter component having the converter element from FIG. 5A and the membrane from FIG. 3,
Figur 6A eine weitere Aus führungs form eines Wandlerbauteils im Querschnitt , 6A shows a further embodiment of a converter component in cross section,
Figur 6B eine Aufsicht auf den Wandler im Wandlerbauteil der Figur 6A, 6B shows a top view of the converter in the converter component of FIG. 6A,
Figur 6C ein Diagramm von Auslenkung und Sensorspannung für ein Wandlerbauteil gemäß Figur 6A, 6C shows a diagram of deflection and sensor voltage for a converter component according to FIG. 6A,
Figur 7 eine weitere Aus führungs form eines Wandlerbauteils in perspektivischer Teil-Schnittansicht , 7 shows a further embodiment of a converter component in a perspective partial sectional view,
Figur 8A eine weitere Aus führungs form eines Wandlerbauteils in perspektivischer Ansicht , 8A shows a further embodiment of a converter component in a perspective view,
Figur 8B ein Verformungsmuster einer Membran des Wandlerbauteils aus Figur 8A in einer Aufsicht , 8B shows a deformation pattern of a membrane of the converter component from FIG. 8A in a top view,
Figur 8C ein an das Verformungsmuster aus Figur 8B angepasster Wandler in einer Aufsicht , 8C shows a transducer adapted to the deformation pattern from FIG. 8B in a top view,
Figur 8D der Aufbau des Wandlerelements aus Figur 8C in einer Explosionsdarstellung . Vorzugsweise verweisen in den folgenden Figuren gleiche Bezugs zeichen auf funktionell oder strukturell entsprechende Teile der verschiedenen Aus führungs formen . Figure 8D shows the structure of the converter element from Figure 8C in an exploded view. In the following figures, the same reference symbols preferably refer to functionally or structurally corresponding parts of the different embodiments.
Figur 1 zeigt eine Aus führungs form eines Wandlerbauteils 1 aufweisend ein elektromechanisches Wandlerelement 2 zur Umwandlung einer Schwingung in ein elektrisches Signal . Das Wandlerbauteil 1 kann somit mechanische Schwingungen detektieren . Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Wandlerbauteil 1 zur Erzeugung von Schwingungen durch Anlegen einer elektrischen Spannung eingesetzt werden . Figure 1 shows an embodiment of a converter component 1 having an electromechanical converter element 2 for converting a vibration into an electrical signal. The transducer component 1 can thus detect mechanical vibrations. Alternatively or additionally, the converter component 1 can be used to generate oscillations by applying an electrical voltage.
Das Wandlerbauteil 1 weist ein mechanisch schwingfähiges System 3 auf , das durch physikalische Einwirkung, wie beispielsweise eine Druckwelle , Schall oder Körperschall , in eine Schwingung versetzt wird . Das schwingfähige System 3 weist beispielsweise eine Membran 4 auf , die in ihren Randbereichen von einem Träger 5 gehalten ist . Die Membran 4 kann vollumfänglich oder nur teilweise am Träger 5 fixiert sein . Beispielsweise ist die Membran 4 durch Kleben am Träger befestigt . Es handelt sich hier beispielsweise um ein Bauteil , das durch klassische Fügetechniken der Einzelteile hergestellt ist und nicht um ein Bauteil in MEMS-Bauweise . Die Membran 4 kann auch einteilig mit dem Träger 5 ausgebildet sein . The transducer component 1 has a mechanically oscillatable system 3, which is caused to oscillate by physical influences, such as a pressure wave, sound or structure-borne noise. The oscillatable system 3 has, for example, a membrane 4 which is held in its edge regions by a support 5. The membrane 4 can be fixed to the carrier 5 completely or only partially. For example, the membrane 4 is attached to the carrier by gluing. For example, this is a component that is manufactured using classic joining techniques of the individual parts and not a component in MEMS construction. The membrane 4 can also be formed in one piece with the carrier 5.
Beispielsweise ist der Träger 5 in Form eines Hohl zylinders ausgebildet . Der Träger 5 bildet dabei Seitenwände . Die Schwingung der Membran 4 kann durch Ultraschallwellen erzeugt werden, so dass das Wandlerelement als Ultraschallwandler ausgebildet ist . Das elektromechanische Wandlerelement 2 ist an einer Seite 6 der Membran 4 befestigt , insbesondere kraf tschlüssig befestigt . Durch die bei der Schwingung der Membran 4 entstehende Verformung des elektromechanischen Wandlerelements 2 wird an Kontakten ein elektrisches Signal erzeugt , welches mittels elektrischer Kontaktierungen 14 , 15 einer elektronischen Signalverarbeitung zugeführt wird . For example, the carrier 5 is designed in the form of a hollow cylinder. The carrier 5 forms side walls. The oscillation of the membrane 4 can be generated by ultrasonic waves, so that the transducer element is designed as an ultrasonic transducer. The electromechanical converter element 2 is fastened to one side 6 of the membrane 4, in particular fastened in a force-fitting manner. Due to the deformation of the electromechanical transducer element 2 that occurs when the membrane 4 oscillates, an electrical signal is generated at contacts, which is fed to electronic signal processing by means of electrical contacts 14, 15.
Figur 2 zeigt einen Aufbau eines elektromechanischen Wandlers 2 , wie er beispielsweise im Wandlerbauteil 1 der Figur 1 vorliegen kann . FIG. 2 shows a structure of an electromechanical converter 2, as can be present, for example, in the converter component 1 of FIG. 1.
Das Wandlerelement 2 weist eine Wandlerschicht 7 auf , die zwischen einer ersten Elektrode 8 und einer zweiten Elektrode 9 angeordnet ist . Bei Verformung der Wandlerschicht 7 wird eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden 8 , 9 erzeugt . Umgekehrt führt eine elektrische Spannung zu einer Verformung der Wandlerschicht 7 . Die Wandlerschicht 7 ist piezoelektrisch ausgebildet und weist beispielsweise eine Keramik, ein Polymermaterial oder ein Kompositmaterial auf . Die Elektroden 8 , 9 sind elektrisch leitfähig und weisen beispielsweise ein Metall , Polymer oder ein Kompositmaterial auf . Die Elektroden 8 , 9 sind insbesondere als Beschichtung der Wandlerschicht 7 ausgebildet . Es handelt sich bei der Wandlerschicht 7 beispielsweise nicht um eine Dünnschicht im ein- bis unteren zweistelligen pm-Bereich, sondern um eine dickere Schicht , die durch klassische Bef estigungstechniken, also keine Halbleiterf ertigungsverf ahren, am Träger 5 befestigt sein kann . The transducer element 2 has a transducer layer 7 which is arranged between a first electrode 8 and a second electrode 9 . When the converter layer 7 is deformed, an electrical voltage is generated between the electrodes 8, 9. Conversely, an electrical voltage leads to a deformation of the converter layer 7. The transducer layer 7 is piezoelectric and has, for example, a ceramic, a polymer material or a composite material. The electrodes 8 , 9 are electrically conductive and comprise, for example, a metal, polymer or a composite material. The electrodes 8 , 9 are designed in particular as a coating on the converter layer 7 . The converter layer 7, for example, is not a thin layer in the one- to lower two-digit pm range, but rather a thicker layer that can be attached to the carrier 5 using classic fastening techniques, i.e. no semiconductor manufacturing processes.
Optional kann der Stapel aus erster Elektrode 8 , Wandlerschicht 7 und zweiter Elektrode 9 auf einem Substrat 10 angeordnet sein . Das Substrat 10 kann zum einen der Herstellung des Stapels dienen und andererseits zur Befestigung an dem schwingfähigen System 3 dienen . Dabei kann das Substrat 10 direkt an einer Membran 4 befestigt sein . Es ist auch möglich, dass das Substrat 10 nicht vorhanden ist und der Stapel mit der zweiten Elektrode 9 direkt an einer Membran 4 befestigt ist . Das Substrat 10 weist beispielsweise Kunststof f , ein Metall oder einen Verbundwerkstof f auf . Die Elektroden 8 , 9 sind dabei vorzugsweise nicht mit dem Substrat 10 elektrisch verbunden . Optionally, the stack of first electrode 8, converter layer 7 and second electrode 9 can be arranged on a substrate 10. The substrate 10 can on the one hand Serve to produce the stack and on the other hand serve to attach it to the oscillatable system 3. The substrate 10 can be attached directly to a membrane 4. It is also possible that the substrate 10 is not present and the stack with the second electrode 9 is attached directly to a membrane 4. The substrate 10 comprises, for example, plastic, a metal or a composite material. The electrodes 8 , 9 are preferably not electrically connected to the substrate 10 .
Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die Wandlerschicht 7 direkt eine schwingfähige Membran bildet , so dass die zusätzliche Membran 4 aus Figur 1 nicht vorhanden ist und die Wandlerschicht 7 randseitig vom Träger 5 gehalten wird . In addition, it is also possible for the transducer layer 7 to directly form an oscillatable membrane, so that the additional membrane 4 from Figure 1 is not present and the transducer layer 7 is held on the edge by the carrier 5.
Zudem kann das Wandlerelement 2 auch aus mehreren übereinander gestapelten Teil-Wandlern mit mehreren übereinander gestapelten Wandlerschichten 7 und dazwischen liegenden Elektroden 8 , 9 gebildet sein . Die Elektroden 8 , 9 können parallel oder seriell miteinander verbunden werden . In addition, the transducer element 2 can also be formed from several partial transducers stacked one above the other with several transducer layers 7 stacked one above the other and electrodes 8, 9 lying between them. The electrodes 8, 9 can be connected to one another in parallel or in series.
Wie anhand der nachfolgenden Figuren im Detail erläutert wird, weist das Wandlerelement 2 innerhalb des Wandlerbauteil 1 der Figur 1 eine derartige Geometrie auf , dass bei einer Schwingung des schwingfähigen Systems 3 in j edem Überlappungsbereich der Elektroden 8 , 9 ein Signalanteil gleicher Polarität erzeugt wird . Ein Überlappungsbereich ist dadurch gegeben, dass sich bei Aufsicht auf die Membran- Hauptfläche im Ruhezustand die Elektroden überlappen . As will be explained in detail with reference to the following figures, the transducer element 2 within the transducer component 1 of FIG. An overlap area is created by the fact that when looking at the main surface of the membrane in the resting state, the electrodes overlap.
Figur 3 zeigt eine mechanische Vorformung des Wandlerbauteils 1 aus Figur 1 mit Darstellung der unterschiedlichen Verformungsarten . Oben ist das Wandlerbauteil 1 wie in Figur 1 im Querschnitt gezeigt , einmal gestrichelt ohne Verformung und in unterschiedlichen Schattierungen mit Verformung . Die Schattierungen geben die auftretende Verformungsart wie Stauchung und Dehnung an . In der unteren Darstellung ist eine Ansicht auf die Membran 4 von unten gezeigt , ebenfalls mit einer Darstellung der unterschiedlichen Verformungsarten . Figure 3 shows a mechanical pre-shaping of the converter component 1 from Figure 1 with representation of the different types of deformation. Above is the converter component 1 as in the figure 1 shown in cross section, once dashed without deformation and in different shades with deformation. The shades indicate the type of deformation that occurs, such as compression and expansion. The illustration below shows a view of the membrane 4 from below, also showing the different types of deformation.
Das Verformungsmuster kann in einer Simulation ermittelt werden . Darüber hinaus kann die Auslenkung und Frequenz an ausgewählten Punkten messtechnisch ermittelt werden . The deformation pattern can be determined in a simulation. In addition, the deflection and frequency at selected points can be determined using measurements.
Bei Verformung der kreis förmigen Membran 4 nach oben ergibt sich innerhalb einer inneren Kreis fläche mit Durchmesser Dl eine Stauchung an der Seite 6 der Membran 4 , an der das Wandlerelement 2 angeordnet ist . Im Fall einer direkten Ausbildung der Wandlerschicht 7 als schwingfähige Membran 4 , ist an dieser Seite 6 die erste oder zweite Elektrode 8 , 9 angeordnet . Die Innenseite ist hier die Seite , die einem vom Träger 5 umschlossenen Bereich zugewandt ist . An der Außenseite ergibt sich hier eine Dehnung der Membran 4 . Die Außenseite ist hier die Seite , die einem vom Träger 5 umschlossenen Bereich abgewandt ist . Weiter zum Träger 5 hin ändert sich das Vorzeichen der Krümmung und entsprechend die mechanische Verformung auf der Membranfläche . Innerhalb eines äußeren Kreisrings mit einem Innendurchmesser D2 und einem Außendurchmesser D3 ergibt sich eine Dehnung an der Seite 6 der Membran 4 , an der das Wandlerelement 2 angeordnet ist . Somit entspricht der äußere Kreisring einem zweiten Bereich 12 einer zweiten Verformungsart . Entsprechend ergibt sich hier eine Stauchung an der Oberseite der Membran 4 . Bei Wölbung der Membran 4 nach innen kehren sich die Verformungsarten in den Bereichen 11 , 12 um . Zwischen dem ersten Bereich 11 und dem zweiten Bereich 12 liegt ein dritter Bereich 13 , in dem weder eine Stauchung noch eine Dehnung vorliegt . Der dritte Bereich 13 kann als Knotenfläche bezeichnet werden . Insbesondere kann der dritte Bereich 13 ein Wendebereich sein, in dem die Krümmung der Membran 4 ihr Vorzeichen ändert . Der dritte Bereich 13 trennt die Bereiche 11 , 12 unterschiedlicher Verformungsarten voneinander . When the circular membrane 4 is deformed upwards, a compression occurs within an inner circular surface with diameter Dl on the side 6 of the membrane 4 on which the transducer element 2 is arranged. If the transducer layer 7 is formed directly as an oscillatable membrane 4, the first or second electrode 8, 9 is arranged on this side 6. The inside here is the side that faces an area enclosed by the carrier 5 . The membrane 4 is stretched on the outside. The outside here is the side that faces away from an area enclosed by the carrier 5 . Further towards the carrier 5 the sign of the curvature changes and accordingly the mechanical deformation on the membrane surface. Within an outer circular ring with an inner diameter D2 and an outer diameter D3, there is an expansion on side 6 of the membrane 4 on which the transducer element 2 is arranged. The outer circular ring thus corresponds to a second region 12 of a second type of deformation. Accordingly, there is a compression on the top of the membrane 4. When the membrane 4 is curved inwards, the types of deformation in the areas 11, 12 are reversed. Between the first area 11 and the second area 12 there is a third area 13 in which there is neither compression nor expansion. The third area 13 can be referred to as a node area. In particular, the third area 13 can be a turning area in which the curvature of the membrane 4 changes its sign. The third area 13 separates the areas 11 , 12 of different types of deformation from one another.
Im ersten Bereich 11 wird in einem elektromechanischen Wandlerelement 2 eine Spannung erzeugt , die eine andere Polarität hat als im zweiten Bereich 12 . Zur Maximierung des elektrischen Signals kann die Größe und Anordnung des elektromagnetischen Wandlerelements 2 derart gewählt sein, dass die Wandlerschicht 7 vollständig in einem der Bereiche 11 , 12 einer einheitlichen Verformungsart an der Membran 4 angeordnet ist . In the first area 11, a voltage is generated in an electromechanical converter element 2 that has a different polarity than in the second area 12. To maximize the electrical signal, the size and arrangement of the electromagnetic transducer element 2 can be selected such that the transducer layer 7 is arranged completely in one of the regions 11, 12 of a uniform type of deformation on the membrane 4.
Figur 4A zeigt ein nicht-erfindungsgemäßes Beispiel eines elektromagnetischen Wandlerelements 2 für ein Bauteil 1 . Das Wandlerelement 2 weist eine gestapelte Anordnung aus erster Elektrode 8 , zweiter Elektrode 9 und dazwischen liegender Wandlerschicht 7 auf . Die erste Elektrode 8 ist hier in der Aufsicht vollständig zu sehen . Zur Weiterleitung eines elektrischen Signals weist die erste Elektrode 8 eine Kontaktierung 14 auf . Die erste Elektrode 8 bedeckt die Wandlerschicht 7 vollständig . Die Wandlerschicht 7 ist somit nur gestrichelt angedeutet . Der Durchmesser D eines Überlappungsbereichs der Elektroden 8 , 9 entspricht hier dem Durchmesser der Wandlerschicht 7 und dem Durchmesser des kreis förmigen Bereichs der ersten Elektrode 8 . Von der zweiten Elektrode 9 ist lediglich die Kontaktierung 15 zu sehen . Die zweite Elektrode 9 weist die gleiche Geometrie wie die erste Elektrode 8 auf . Figure 4A shows an example not according to the invention of an electromagnetic converter element 2 for a component 1. The transducer element 2 has a stacked arrangement of first electrode 8, second electrode 9 and transducer layer 7 lying between them. The first electrode 8 can be seen completely here in the top view. To transmit an electrical signal, the first electrode 8 has a contact 14. The first electrode 8 completely covers the converter layer 7. The converter layer 7 is therefore only indicated by dashed lines. The diameter D of an overlap area of the electrodes 8, 9 corresponds here to the diameter of the converter layer 7 and the diameter of the circular area of the first electrode 8. Only the contact 15 of the second electrode 9 is closed see . The second electrode 9 has the same geometry as the first electrode 8.
Das Wandlerelement 2 ist wie in Figur 3 an der Membran 4 angeordnet , j edoch bedeckt die Wandlerschicht 7 die Innenseite der Membran 4 vollständig . Der Durchmesser D des Überlappungsbereichs entspricht somit dem Außendurchmesser Dg des zweiten Bereichs 12 . Beispielsweise beträgt der Durchmesser Dg = 10 mm . The transducer element 2 is arranged on the membrane 4 as in FIG. 3, but the transducer layer 7 completely covers the inside of the membrane 4. The diameter D of the overlap area therefore corresponds to the outside diameter Dg of the second area 12. For example, the diameter Dg = 10 mm.
Somit überlappen sich die Elektroden 8 , 9 sowohl in einem Bereich 11 einer ersten Verformungsart als auch in einem Bereich 12 einer zweiten Verformungsart . In diesem Fall treten im selben Wandlerelement 2 Signalanteile mit entgegengesetztem Vorzeichen auf , die das Gesamtsignal reduzieren . The electrodes 8 , 9 thus overlap both in an area 11 of a first type of deformation and in an area 12 of a second type of deformation. In this case, two signal components with opposite signs occur in the same converter element, which reduce the overall signal.
Figur 4B zeigt ein Diagramm von Auslenkung d und Sensorspannung U über Zeit t eines Bauteils mit voll flächiger ausgebildeter Wandlerschicht 7 gemäß Figur 4A. Bei einer Auslenkung von ca . 2 um ergibt sich ein Spannungssignal von mehreren 10 mV . 4B shows a diagram of deflection d and sensor voltage U over time t of a component with a full-surface transducer layer 7 according to FIG. 4A. With a deflection of approx. 2 μm results in a voltage signal of several 10 mV.
Figur 5A zeigt ein krümmungsoptimiertes Wandlerelement 2 für ein Bauteil gemäß Figur 3 , bei dem der Überlappungsbereich der Elektroden 8 , 9 und auch die Wandlerschicht 7 , also die aktive Sensorfläche , nur innerhalb des ersten Bereichs 11 liegt . Der aktive Bereich kann sich auch in den dritten Bereich 13 erstrecken . Jedoch erstreckt sich der aktive Bereich nicht in den zweiten Bereich 12 hinein . Das Wandlerelement 2 weist beispielsweise einen Durchmesser D auf , der dem Durchmesser Dj_ des ersten Bereichs 11 entspricht oder etwas kleiner ist wie in Figur 3 gezeigt . Beispielsweise beträgt der Durchmesser D = 4 mm . 5A shows a curvature-optimized transducer element 2 for a component according to FIG. The active area can also extend into the third area 13. However, the active area does not extend into the second area 12. The transducer element 2 has, for example, a diameter D which corresponds to the diameter Dj_ of the first region 11 or is slightly smaller as shown in Figure 3. For example, the diameter is D = 4 mm.
Somit überlappen sich die Elektroden 8 , 9 lediglich im Bereich 11 einer Dehnung bei Auswärtsbewegung und einer Stauchung bei Rückbewegung . Vorliegend bedeckt das gesamte Wandlerelement 2 nur diesen Bereich . Somit wird hier das zeitgleiche Auftreten elektrischen Spannungssignal-Anteile mit entgegengesetztem Vorzeichen im selben Wandlerelement 2 vermieden, so dass keine Reduktion des Gesamtsignals innerhalb des elektromagnetischen Wandlerelements 2 auf tritt . Thus, the electrodes 8, 9 only overlap in the area 11 of expansion during outward movement and compression during backward movement. In the present case, the entire transducer element 2 only covers this area. The simultaneous occurrence of electrical voltage signal components with the opposite sign in the same transducer element 2 is thus avoided here, so that no reduction in the overall signal occurs within the electromagnetic transducer element 2.
Figur 5B zeigt ein Diagramm von Auslenkung d und Sensorspannung U über Zeit t eines Wandlerbauteils 1 mit einem Wandlerelement 2 gemäß Figur 5A, dessen aktiver Bereich nur den ersten Bereich 11 der Membran 4 bedeckt . Bei einer Auslenkung von ca . 1 , 5 um ergibt sich ein Spannungssignal von mehreren 100 mV und somit ein deutlich höheres Signal als bei der voll flächigen Wandlerschicht 7 . 5B shows a diagram of deflection d and sensor voltage U over time t of a converter component 1 with a converter element 2 according to FIG. 5A, the active area of which only covers the first area 11 of the membrane 4. With a deflection of approx. 1.5 μm results in a voltage signal of several 100 mV and thus a significantly higher signal than with the full-surface converter layer 7.
Figur 6A zeigt eine weitere Aus führungs form eines Wandlerbauteils 1 . Figur 6B zeigt das dort eingesetzte Wandlerelement 2 in einer Aufsicht . Figure 6A shows a further embodiment of a converter component 1. Figure 6B shows the transducer element 2 used there in a top view.
Im Unterschied zur Aus führungs form der Figuren 1 , 2 und 5A weist das Wandlerelement 2 mehrere erste Elektroden 8 , 16 auf , die j eweils nur in einem der Bereiche 11 , 12 einer Verformungsart angeordnet sind . Die ersten Elektroden 8 , 16 sind nicht elektrisch miteinander verbunden . Die Membran 4 ist zwischen den Elektroden 8 , 16 nicht am Träger 5 befestigt . Durch eine derartige Unterteilung von Elektroden auf mindestens einer Seite des Wandlerelements 2 können Signalanteile unterschiedlichen Vorzeichens getrennt abgegri f fen werden . Die Signale der ersten Elektrode 8 und der weiteren ersten Elektrode 16 werden durch separate Kontaktierungen 14 , 17 abgegri f fen . Auch in dieser Aus führungs form kann optional ein Substrat zwischen der zweiten Elektrode 9 und der Membran 4 vorhanden sein . In contrast to the embodiment of FIGS. 1, 2 and 5A, the transducer element 2 has a plurality of first electrodes 8, 16, each of which is only arranged in one of the regions 11, 12 of a type of deformation. The first electrodes 8, 16 are not electrically connected to one another. The membrane 4 is not attached to the carrier 5 between the electrodes 8, 16. By dividing electrodes on at least one side of the transducer element 2 in this way, signal components of different signs can be picked up separately. The signals from the first electrode 8 and the further first electrode 16 are picked up by separate contacts 14, 17. In this embodiment too, a substrate can optionally be present between the second electrode 9 and the membrane 4.
Figur 6C zeigt ein Diagramm von Auslenkung d und Sensorspannung U über Zeit t eines Bauteils mit voll flächiger ausgebildeter Wandlerschicht 7 gemäß den Figuren 6A und 6B . Das Diagramm zeigt ein erstes Spannungssignal Ug , welches an der ersten Elektrode 8 abgegri f fen wird, und ein zweites Spannungssignal Ug , welches an der weiteren ersten Elektrode 16 abgegri f fen wird . Die zweite Elektrode 9 ist als gemeinsame Gegenelektrode der ersten Elektrode 8 und der weiteren ersten Elektrode 16 ausgebildet . Die j eweiligen Spannungssignale sind somit immer eine auftretende Spannung zwischen einer der ersten Elektroden 8 , 16 und der zweiten Elektrode 9 . 6C shows a diagram of deflection d and sensor voltage U over time t of a component with a full-surface transducer layer 7 according to FIGS. 6A and 6B. The diagram shows a first voltage signal Ug, which is tapped at the first electrode 8, and a second voltage signal Ug, which is tapped at the further first electrode 16. The second electrode 9 is designed as a common counter electrode of the first electrode 8 and the further first electrode 16. The respective voltage signals are therefore always a voltage occurring between one of the first electrodes 8, 16 and the second electrode 9.
Die zwischen der weiteren ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 9 abgegri f fene Spannung Ug kann elektronisch in ihrem Vorzeichen verändert und zu der zwischen der ersten Elektrode 8 und der zweiten Elektrode 9 abgegri f fen Spannung Ug addiert werden . Somit kann eine Signalerhöhung ohne aktiven Verstärker erreicht werden . The sign of the voltage Ug tapped between the further first electrode 16 and the second electrode 9 can be changed electronically and added to the voltage Ug tapped between the first electrode 8 and the second electrode 9. This means that a signal increase can be achieved without an active amplifier.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Spannungssignal der weiteren ersten Elektrode 16 zur Überprüfung der Funktion des Wandlerbauteils 1 herangezogen werden . Das Spannungssignal sollte um 180 ° phasenverschoben zum Signal sein, dass über die erste Elektrode 8 abgegri f fen wird . Liegt dieses Signal nicht entsprechend vor, kann auf einen Fehler geschlossen werden . Alternatively or additionally, the voltage signal of the further first electrode 16 can be used to check the function of the converter component 1. The voltage signal should be 180° out of phase with the signal that is above the first electrode 8 is tapped. If this signal is not present, an error can be concluded.
Es ist auch möglich, dass alternativ oder zusätzlich mehrere zweite Elektroden vorhanden sind, die j eweils nur in Bereichen 11 , 12 einer Verformungsart angeordnet sind . Es ist auch möglich, dass beidseitig eine Unterteilung der Elektroden vorliegt . Zudem ist es auch möglich, mehrere separate Wandler 2 vorzusehen, so dass auch die Wandlerschicht 7 eine Unterteilung aufweist , wobei Teilbereiche dann nur in Bereichen 11 , 12 einer Verformungsart angeordnet sind . It is also possible that, alternatively or additionally, there are several second electrodes, each of which is only arranged in areas 11, 12 of one type of deformation. It is also possible for the electrodes to be divided on both sides. In addition, it is also possible to provide several separate transducers 2, so that the transducer layer 7 also has a subdivision, with partial areas then only being arranged in areas 11, 12 of one type of deformation.
Insgesamt kann durch das optimierte Bauteildesign die Aktivfläche und das Volumen des Wandlerelements 2 , insbesondere der Wandlerschicht 7 , reduziert werden und gleichzeitig die Signalqualität verbessert werden . Das Bauteildesign wird dabei durch die Anpassung der äußeren Form das Wandlerschicht und/oder der Elektroden an das Verformungsmuster des mechanischen Systems 3 angepasst . Das Wandlerelement 2 ist somit ressourcenschonend und kostengünstig herstellbar . Durch das Wegfällen des zeitgleichen Entstehens von Signalen unterschiedlicher Polarität in einem Wandlerelement 2 , so wie es in der Overall, thanks to the optimized component design, the active area and the volume of the transducer element 2, in particular the transducer layer 7, can be reduced and at the same time the signal quality can be improved. The component design is adapted to the deformation pattern of the mechanical system 3 by adapting the external shape of the transducer layer and/or the electrodes. The converter element 2 can therefore be produced in a resource-saving and cost-effective manner. By eliminating the simultaneous emergence of signals of different polarities in a converter element 2, as in the
Aus führungs form der Figuren 1 , 2 , 5A und 5B gezeigt ist , oder durch des gezielte getrennte Abgrei fen von Signalen unterschiedlicher Polarität durch eine entsprechend der Verformung getrennte Elektrodenstrukturierung, wie es in der Aus führungs form der Figur 6A bis 6C gezeigt ist , kann das Gesamtsignal verbessert werden . Bei einer getrennten Elektrodenstruktur können zudem zusätzliche Informationen generiert werden . Somit kann bei gleicher Sensitivität und Genauigkeit wie bei einem Wandlerelement 2 , bei dem die aktive Fläche maximiert wird, das Messsignal erhöht werden, so dass die Systemsensitivität bei gleicher Elektronik erhöht oder die Anforderungen an die Elektronik reduziert werden können . Bei den Aus führungs formen ohne Strukturierung wird die Erhöhung der Signalstärke ohne zusätzliche Elektroden erreicht , so dass die bereits bestehende Steuerelektronik (AS IC ) verwendet werden kann . From the embodiment of Figures 1, 2, 5A and 5B is shown, or by the targeted separate tapping of signals of different polarity through an electrode structuring separated according to the deformation, as shown in the embodiment of Figures 6A to 6C the overall signal can be improved. With a separate electrode structure, additional information can also be generated. Thus, with the same sensitivity and accuracy as with a transducer element 2 in which the active area is maximized, the measurement signal can be increased, so that the system sensitivity can be increased with the same electronics or the requirements on the electronics can be reduced. In the embodiments without structuring, the increase in signal strength is achieved without additional electrodes, so that the existing control electronics (AS IC) can be used.
Figur 7 zeigt eine weitere Aus führungs form eines Wandlerbauteils 1 . Das Wandlerbauteil 1 ist entsprechend der Aus führungs form der Figuren 1 , 2 , 5A und 5B ausgebildet . Die Wandlerschicht 7 und die Elektroden 8 , 9 sind in ihrer Formgebung an das Verformungsmuster der Membran 4 angepasst , so dass nur ein erster Bereich 11 einer ersten Verformungsart von der Wandlerschicht 7 und den Elektroden 8 , 9 bedeckt ist . Figure 7 shows a further embodiment of a converter component 1. The converter component 1 is designed according to the embodiment of FIGS. 1, 2, 5A and 5B. The shape of the transducer layer 7 and the electrodes 8, 9 is adapted to the deformation pattern of the membrane 4, so that only a first region 11 of a first type of deformation is covered by the transducer layer 7 and the electrodes 8, 9.
Das Substrat 10 ist hier an inneren Seitenwänden des Trägers 5 herausgeführt und dient damit auch zur Heraus führung der Kontaktierungen 14 , 15 . Das Wandlerbauteil 1 ist rotationssymmetrisch ausgebildet . Alternativ können Kontaktierungen auch mittels separater Drähte ausgebildet sein . The substrate 10 is led out here on the inner side walls of the carrier 5 and thus also serves to lead out the contacts 14, 15. The converter component 1 is designed to be rotationally symmetrical. Alternatively, contacts can also be formed using separate wires.
Die Figuren 8A bis 8D zeigen eine weitere Aus führungs form eines Wandlerbauteils 1 sowie Schritte bei der Herstellung eines Wandlerbauteils 1 . Im Unterschied zu den vorhergehend gezeigten Aus führungs formen weist die Membran 4 hier keine Kreis form auf . Dadurch soll verdeutlicht werden, dass die Erfindung nicht auf eine kreis förmige Membran 4 und/oder einen an einem Träger befestigten, kreis förmigen Bereich der Membran 4 beschränkt ist , sondern für alle Aus führungs formen eine Membran 4 bzw . des befestigten Bereichs der Membran 4 einer beliebigen anderen Form gewählt werden kann . Zudem kann das Wandlerbauteil 1 mehrere Membranen 4 aufweisen . Figures 8A to 8D show a further embodiment of a converter component 1 as well as steps in the production of a converter component 1. In contrast to the previously shown embodiments, the membrane 4 here does not have a circular shape. This is intended to make it clear that the invention does not apply to a circular membrane 4 and/or a circular region attached to a support Membrane 4 is limited, but rather a membrane 4 or the attached area of the membrane 4 can be chosen to have any other shape. In addition, the converter component 1 can have several membranes 4.
Figur 8A zeigt das Wandlerbauteil 1 , bei dem in einem Träger 5 mehrere Membranen 4 in Form von Segmenten eines Kreisrings eingespannt sind . Figure 8A shows the transducer component 1, in which a plurality of membranes 4 in the form of segments of a circular ring are clamped in a carrier 5.
Figur 8B zeigt ein Verformungsmuster der Membran 4 an einer Seite 6 , an der das Wandlerelement 2 angeordnet wird . In einem ersten Bereich 11 liegt wieder eine erste Verformungsart vor und in einem zweiten Bereich 12 liegt eine zweite Verformungsart vor . Die Bereiche 11 , 12 sind durch einen dritten Bereich 13 voneinander getrennt . FIG. 8B shows a deformation pattern of the membrane 4 on a side 6 on which the transducer element 2 is arranged. In a first region 11 there is again a first type of deformation and in a second region 12 there is a second type of deformation. The areas 11 , 12 are separated from one another by a third area 13 .
Figur 8C zeigt einen Wandler 2 , der nach Ermittlung des Verformungsmusters der Membran 4 in seiner Geometrie angepasst ist , so dass ein Überlappungsbereich der Elektroden 8 , 9 nur im ersten Bereich 11 vorliegt . Es ist auch möglich, dass zusätzlich die Wandlerschicht 7 nur im ersten Bereich 11 angeordnet ist oder nur eine der Elektroden 8 , 9 nur auf einen der Bereich 11 , 12 beschränkt ist . FIG. 8C shows a transducer 2 whose geometry is adjusted after determining the deformation pattern of the membrane 4, so that an overlap area of the electrodes 8, 9 only exists in the first area 11. It is also possible that, in addition, the converter layer 7 is only arranged in the first region 11 or that only one of the electrodes 8, 9 is limited to only one of the regions 11, 12.
Figur 8D zeigt den Aufbau des Wandlerelements 2 in einer Explosionsdarstellung . Die Elektroden 8 , 9 haben eine in etwa ovale Form . Sowohl das in Fig . 8A gezeigte Wanderbauteil 1 mit mehrfachen Membranen 4 als auch nur eine der Membrane 4 mit dem j eweiligen Wandlerelement 2 kann als Wanderbauteil 1 angesehen werden . Be zugs Zeichen Figure 8D shows the structure of the converter element 2 in an exploded view. The electrodes 8, 9 have an approximately oval shape. Both that in Fig. 8A shown traveling component 1 with multiple membranes 4 as well as only one of the membranes 4 with the respective transducer element 2 can be viewed as a traveling component 1. reference symbol
1 Wandlerbauteil 1 converter component
2 Wandlerelement 2 transducer element
3 schwingfähiges System 3 swingable system
4 Membran 4 membrane
5 Träger 5 carriers
6 Seite 6 page
7 Wandlerschicht 7 converter layer
8 erste Elektrode 8 first electrode
9 zweite Elektrode 9 second electrode
10 Substrat 10 substrate
11 erster Bereich ( erste Verformungsart )11 first area (first type of deformation)
12 zweiter Bereich ( zweite Verformungsart )12 second area (second type of deformation)
13 dritter Bereich (Wendebereich) 13 third area (turning area)
14 Kontaktierung erste Elektrode 14 Contacting the first electrode
15 Kontaktierung zweite Elektrode 15 contacting second electrode
16 weitere erste Elektrode 16 more first electrode
17 Kontaktierung weitere erste Elektrode17 Contacting another first electrode
U Spannungssignal U voltage signal
Uj_ erstes Spannungssignal Uj_ first voltage signal
Ug zweites Spannungssignal Ug second voltage signal
D Durchmesser D diameter
Dl Durchmesser erster Bereich Dl diameter first area
D2 Innendurchmesser zweiter Bereich D2 inner diameter second area
D3 Außendurchmesser zweiter Bereich d Auslenkung t Zeit D3 outside diameter second area d deflection t time

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Wandlerbauteil (1) aufweisend ein elektromechanisches Wandlerelement (2) aufweisend wenigstens eine erste Elektrode (8, 16) , wenigstens eine zweite Elektrode (9) , und wenigstens eine dazwischen liegende Wandlerschicht (7) , wobei das Wandlerbauteil (1) eine schwingfähige Membran (4) aufweist, an der das Wandlerelement (2) befestigt ist oder wobei das Wandlerelement (2) direkt zur mechanischen Schwingung ausgebildet ist, wobei sich die ersten und zweiten Elektroden (8, 9, 16) nicht in Bereichen (11, 12) einer Seite (6) der Membran (4) und/oder der Wandlerschicht (7) überlappen, an denen unterschiedliche Verformungsarten vorliegen, wobei die unterschiedlichen Verformungsarten eine Stauchung oder eine Dehnung sind. 1. Transducer component (1) having an electromechanical transducer element (2) having at least one first electrode (8, 16), at least one second electrode (9), and at least one transducer layer (7) located therebetween, the transducer component (1) having an oscillatable Has a membrane (4) to which the transducer element (2) is attached or wherein the transducer element (2) is designed directly for mechanical vibration, the first and second electrodes (8, 9, 16) not being in areas (11, 12 ) one side (6) of the membrane (4) and / or the transducer layer (7) overlap, on which different types of deformation are present, the different types of deformation being a compression or an expansion.
2. Wandlerbauteil (1) nach Anspruch 1, aufweisend eine weitere erste Elektrode (16) , die in einem Bereich (13) einer anderen Verformungsart angeordnet ist als die erste Elektrode (8) . 2. Transducer component (1) according to claim 1, comprising a further first electrode (16) which is arranged in a region (13) of a different type of deformation than the first electrode (8).
3. Wandlerbauteil (1) nach Anspruch 2, bei dem die Membran (4) zwischen der Elektrode (6) und der weiteren Elektrode (16) nicht von einem Träger (5) gehalten ist . 3. Transducer component (1) according to claim 2, in which the membrane (4) between the electrode (6) and the further electrode (16) is not held by a carrier (5).
4. Wandlerbauteil (1) nach einem der vorhergehenden4. Transducer component (1) according to one of the preceding
Ansprüche, bei dem sich die ersten und zweiten Elektroden (8, 9, 16) nur in Bereichen (11, 12) einer Seite (6) der Membran (4) und/oder der Wandlerschicht (7) überlappen, in denen eine Krümmung einer Oberfläche der Seite (6) dasselbe Vorzeichen aufweist . Claims, in which the first and second electrodes (8, 9, 16) only overlap in areas (11, 12) of one side (6) of the membrane (4) and / or the transducer layer (7), in which one Curvature of a surface of side (6) has the same sign.
5. Wandlerbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das gesamte Wandlerelement (2) nur in Bereichen (11, 12) einer Seite (6) der Membran (4) angeordnet ist, in denen eine Krümmung einer Oberfläche der Seite (6) dasselbe Vorzeichen aufweist. 5. Transducer component (1) according to one of the preceding claims, in which the entire transducer element (2) is arranged only in areas (11, 12) of a side (6) of the membrane (4), in which a curvature of a surface of the side ( 6) has the same sign.
6. Wandlerbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Membran (4) randseitig von einem Träger (5) gehalten ist, wobei der randseitig gehaltene Bereich eine kreisförmige Umfangslinie aufweist. 6. Transducer component (1) according to one of the preceding claims, in which the membrane (4) is held on the edge by a carrier (5), the area held on the edge having a circular circumferential line.
7. Wandlerbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Membran (4) randseitig von einem Träger (5) gehalten ist, wobei der randseitig gehaltene Bereich eine nichtkreisförmig Umfangslinie aufweist. 7. Transducer component (1) according to one of claims 1 to 5, in which the membrane (4) is held on the edge by a carrier (5), the area held on the edge having a non-circular circumferential line.
8. Wandlerbauteil nach Anspruch 7, bei dem der randseitig gehaltene Bereich eine Umfangslinie mit Ecken aufweist und der Uberlappungsbereich der Elektroden (8, 9) eine eckenfreie Umfangslinie aufweist. 8. Transducer component according to claim 7, in which the area held at the edge has a peripheral line with corners and the overlap area of the electrodes (8, 9) has a corner-free peripheral line.
9. Wandlerbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Elektrode (8) in Form einer Kreisscheibe ausgebildet ist und die weitere erste Elektrode (16) in Form eines Kreisrings ausgebildet ist. 9. Transducer component (1) according to one of the preceding claims, in which the first electrode (8) is designed in the form of a circular disk and the further first electrode (16) is designed in the form of a circular ring.
10. Wandlerbauteil (1) nach Anspruch 9, aufweisend getrennte Kontaktierungen (14, 17) für die erste Elektrode (8) und für die weitere erste Elektrode (16) . 10. Transducer component (1) according to claim 9, having separate contacts (14, 17) for the first electrode (8) and for the further first electrode (16).
11. Wandlerbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Seite (6) der Membran (4) eine Innenseite des Wandlerbauteil (1) ist. 11. Transducer component (1) according to one of the preceding claims, in which the side (6) of the membrane (4) is an inside of the transducer component (1).
12. Verfahren zum Betrieb des Wandlerbauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an der ersten Elektrode (8) ein erstes Signal (Ul) und an der weiteren ersten Elektrode (16) ein weiteres Signal (U2) abgegriffen oder angelegt wird. 12. A method for operating the converter component according to one of the preceding claims, in which a first signal (U1) is tapped or applied to the first electrode (8) and a further signal (U2) is tapped or applied to the further first electrode (16).
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein Gesamtsignal (U) aus der Summe der Beträge des ersten Signals (Ul) und des weiteren Signals (U2) gebildet wird. 13. The method according to claim 12, wherein a total signal (U) is formed from the sum of the amounts of the first signal (Ul) and the further signal (U2).
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem an der ersten Elektrode (8) ein erstes Signal (Ul) und an der weiteren ersten Elektrode (16) ein weiteres Signal (U2) abgegriffen wird, wobei das weitere Signal (U2) zur Kontrolle der Korrektheit des ersten Signals (Ul) verwendet wird . 14. The method according to any one of claims 12 or 13, in which a first signal (U1) is tapped at the first electrode (8) and a further signal (U2) is tapped at the further first electrode (16), the further signal (U2 ) is used to check the correctness of the first signal (Ul).
15. Verfahren zur Herstellung des Wandlerbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 11, aufweisend die Schritte: 15. A method for producing the converter component according to one of claims 1 to 11, comprising the steps:
A) Bereitstellen einer Membran (3) , die randseitig von einem Träger (5) gehalten wird, A) providing a membrane (3) which is held at the edge by a carrier (5),
B) Messen von Verformungsarten in der Membran (3) und Bestimmen eines ersten Bereichs (11) mit einer ersten Verformungsart und einem zweiten Bereich (12) mit einer zweiten Verformungsart an der Seite der Membran (3) , die zur Anbringung des Wandlerelements (2) und/oder von ElektrodenB) measuring types of deformation in the membrane (3) and determining a first area (11) with a first type of deformation and a second area (12) with a second type of deformation on the side of the membrane (3), which is used to attach the transducer element (2 ) and/or electrodes
(8, 9) ausgebildet ist, (8, 9) is designed,
C) Bereitstellen eines Wandlerelements (2) und/oder von Elektroden (8, 9) und Anordnen an der Membran (3) , so dass eine Überlappung der Elektroden (8, 9) nicht in BereichenC) Providing a transducer element (2) and/or electrodes (8, 9) and arranging them on the membrane (3) so that an overlap of the electrodes (8, 9) does not occur in areas
(11, 12) unterschiedlicher Verformungsart vorliegt. (11, 12) different types of deformation are present.
PCT/EP2023/071553 2022-09-14 2023-08-03 Transducer component WO2024056273A1 (en)

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