DE10142563A1

DE10142563A1 - Backingmaterial für Ultraschallwandler, Gradientenschicht und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE10142563A1
Application number: DE2001142563
Authority: DE
Inventors: Rene Dos; Martin Schubert; Peter Seidel
Original assignee: ADVANCED ACOUSTIX GmbH
Current assignee: ADVANCED ACOUSTIX GmbH
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2003-04-03

Abstract

Auf Trocknung oder Aushärtung der Trägerkomponenten basierendes Backingmaterial (z. B. DE 19756577) kann, insbesondere bei sphärischen Ultraschallwandlern, zu mechanischen Verspannungen und zu unberechenbaren Änderungen der Resonanzfrequenz des Schwingers führen. Weiterhin besteht eine akustische Fehlanpassung zwischen Backingmaterial und dem Material des Ultraschallwandlers. DOLLAR A Die Verwendung eines Gels als Basiskomponente ermöglicht das verspannungsfreie Aufbringen des Backingmaterials auf die Rückseite des Ultraschallwandlers. Durch die Verwendung einer Gradientenschicht, die im Gel durch ein thermisches Verfahren hergestellt werden kann, wird die akustisch optimale Anpassung zwischen Backingmaterial und dem Material des Ultraschallwandlers ermöglicht. Das beschriebene Verfahren eignet sich außerdem zur Herstellung einer Schicht maximaler Partikelkonzentration der Additivkomponente. DOLLAR A Mit dem beschriebenen Backingmaterial wird das Schwingverhalten des Ultraschallwandlers in der gewünschten Weise beeinflusst. Zudem wird die Möglichkeit einer optimalen akustischen Anpassung zwischen Backingmaterial und Ultraschallwandler gegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Backingmaterial, d. h. ein akustisch dämpfendes Material für die Rückseite von Ultraschallwandlern. In DE 197 56 577 wird ein Backingmaterial auf der Basis eines Harzes beschrieben.
Der aktive Teil eines Ultraschallwandlers besteht im allgemeinen aus einer Piezokeramik, die bei Zuführung eines elektrischen Impulses einen Ultraschallimpuls aussendet. Unter "Impuls" soll hier gleichermaßen auch die Verwendung einer über mehrere Perioden einer Trägerfrequenz ansteigende und wieder abklingende Wellengruppe verstanden werden. Der Ultraschallimpuls wird bei einer Messung in Reflektion von einem Messobjekt reflektiert und wieder von demselben Ultraschallwandler in ein elektrisches Signal umgesetzt. Bei einer Messung in Transmission wird ein zweiter Ultraschallwandler als Empfänger eingesetzt. So kann beispielsweise der Abstand zu einem Messobjekt, oder dessen akustische Eigenschaften, oder auch Strömungsgeschwindigkeiten von Messmedien gemessen bzw. mehrdimensional dargestellt werden.
Die Aussendung des Ultraschallimpulses erfolgt aber nicht nur in der gewünschten, sondern auch in die entgegengesetzte, vom Messobjekt abgewandte Richtung. Durch Reflexion dieses rückseitigen Impulses an Grenzflächen empfängt der Wandler beispielsweise unerwünschte Ultraschallechos, die sich als sogenannte "ghost-waves" mit dem eigentlichen Messsignal überlagern. Solcherart überlagerte Signale sind nur sehr schwer zu interpretieren. Weiterhin schwingt der Wandler mit einer charakteristischen Zeitkonstanten τ nach dem Abschalten des elektrischen Sendeimpulses nach (Fig. 2). Dieses Nachschwingen limitiert bei hochpräzisen Abstandsmessungen den minimal erfassbaren Abstand, da das reflektierte und empfangene Signal von den Nachschwingungen überlagert wird und daher nicht in der gewünschten Auflösung abtrennbar und auflösbar ist.
Die rückseitig abgestrahlten Ultraschallwellen sollen daher möglichst zuverlässig und vollständig ausgekoppelt werden. Um dies zu erreichen, kann man das Piezoelement rückseitig auf ein akustisch dämpfendes Material aufkleben (DE 197 56 577). Dieses sogenannte Backingmaterial lässt die von dem Ultraschallwandler rückseitig abgestrahlten Ultraschallwellen eindringen, koppelt sie durch Absorption oder diffuse Reflektion aus und verhindert dadurch die beschriebenen Störungen. Geeignete Backingmaterialien müssen also eine möglichst hohe Ultraschallabsorption und eine der Piezokeramik angepasste akustische Impedanz besitzen.
Außer den geforderten Eigenschaften müssen die Backingmaterialien auch noch verarbeitungsbedingte Anforderungen, wie physikalische und chemische Verträglichkeit der Komponenten, thermische, bzw. räumliche und zeitliche Stabilität in Form und Zusammensetzung und bei der Verarbeitung, sowie gute und beständige Haftung auf der Wandlerrückseite erfüllen.
Bei Verwendung eines Backingmaterials auf der Basis eines Harzes (DE 197 56 577) kommt es im Herstellungsprozess, während der Aushärtung des Harzes, zu Schrumpfungen und Verformungen, insbesondere bei sphärischen Ultraschallwandlern. Sphärische Ultraschallwandler werden beispielsweise für die hochpräzise Abstandsmessung (Gudra et al. "Scanning acoustic air microscope" Ultrasonics 34 (1996) 711-719; Kojro et al. "Distance resolution of the scanning acoustic air microscope" Ultrasonics 35 (1998) 563-567; Kojro et al. "Confocal scanning ultrasonic air microscope with phase-contrast" Ultrasonics 36 (1998) 513-516) benötigt. Verformungen bzw. mechanische Verspannungen des sphärischen Ultraschallwandlers führen zu einer unberechenbaren, und insbesondere temperaturabhängigen Veränderung seiner Resonanzfrequenz. Da die Schwingungs- Güte derartiger Ultraschallwandler im allgemeinen sehr hoch ist, kann schon eine geringe Temperaturänderung eine starke Änderung im gesendeten wie auch dem empfangenen Signal bewirken. Das nach DE 197 56 577 beschriebene Backingmaterial ist also beispielsweise für die hochpräzise Abstandsmessung unbrauchbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Backingmaterial, d. h. ein Material zur Dämpfung akustischer Wellen anzugeben, das sowohl die geforderten Ultraschalleigenschaften (Dämpfung und Impedanz) als auch gute Stabilität in seiner Form und seinen akustischen Eigenschaften besitzt, ohne jedoch die beschriebenen Nachteile hinsichtlich der temperaturabhängigen Veränderung der Resonanzfrequenz von DE 197 56 577 aufzuweisen. Weiterhin soll das Backingmaterial leicht verarbeitbar sein und eine gute physikalische und chemische Verträglichkeit mit anderen bei Ultraschallwandlern Verwendung findenden Materialien besitzen. Außerdem soll das Backingmaterial in seinen akustischen Eigenschaften einstellbar und auf den jeweils verwendeten Ultraschallwandler anpassbar sein.
Dies wird erfindungsgemäß durch ein Backingmaterial erreicht, dessen Grundmaterial aus einem Gel besteht. Im Folgenden wird dieses Material als "Basis-Gel" bezeichnet. Dem Basis-Gel relativ geringer akustischer Impedanz wird ein Additiv hoher akustischer Impedanz zugemischt. Das so erhaltene Backingmaterial wird im folgenden als "Dämpfungs-Gel" bezeichnet. Das Dämpfungs-Gel wird direkt koppelnd auf die Rückseite des Ultraschallwandlers aufgebracht. Vorteilhafterweise wird es von einem geeigneten Gehäuse umschlossen. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausführungen des Dämpfungs-Gels zur Verwendung als Backingmaterial beschrieben. Das Dämpfungs-Gel unterliegt keinem Aushärtungs-Prozess und entwickelt keine Eigenspannung, sodass eine mechanische Verspannung des Ultraschallwandlers ausbleibt und es nicht zu der oben beschriebenen unberechenbaren Verschiebung seiner Resonanzfrequenz kommt. Es ist beispielsweise als Backingmaterial für Ultraschallwandler im Zusammenhang mit hochpräzisen Abstandsmessungen einsetzbar. Das Dämpfungs-Gel erfüllt die geforderten Ultraschalleigenschaften wie auch die Forderung nach guter physikalischer und chemischer Verträglichkeit mit anderen bei Ultraschallwandlern Verwendung findenden Materialien, nach leichter Verarbeitbarkeit und Anpassbarkeit auf den jeweiligen Ultraschallwandler.
Eine optimale und reflektionsfreie Impedanzanpassung des Dämpfungs-Gels an den Ultraschallwandler wird bei gleichen akustischen Impedanzen beider Materialien erreicht. Das Basis-Gel besitzt eine niedrigere akustische Impedanz als das (Festkörper-)Material des Ultraschallwandlers. Damit die akustische Impedanz des Dämpfungs-Gels den Wert der akustischen Impedanz des Ultraschallwandler- Materials erreichen kann, muss wegen der Mischung mit dem Basis-Gel die akustische Impedanz des Additivs deutlich größer, und zwar mindestens so groß wie die des Ultraschallwandler-Materials sein.
Die Verwendung eines Gels als Grundstoff für das Backingmaterial erlaubt die Herstellung einer Gradientenschicht (Fig. 1). Dazu wird zunächst ein homogenes Gemisch aus Basis-Gel und Additiv-Pulver hergestellt und dann für eine bestimmte Zeit auf eine Temperatur T oberhalb der Erstarrungstemperatur T_G des Gels erwärmt. Durch die auftretende Partikeldiffusion bzw. -sedimentation der Additiv-Partikel im Gel im Schwerefeld der Erde bzw. einer Zentrifuge stellt sich eine höhenabhängige Partikelkonzentration und damit Dämpfung und akustische Impedanz ein, die durch Abkühlen unter die Erstarrungstemperatur eingefroren wird.
Ist die effektive (um den Auftrieb durch das umgebende Basis-Gel bereinigte) Masse m* der Additiv-Partikel sehr groß gegen kT/gh, wobei k = 1,38 E - 23 J/K für die Boltzmann-Konstante, T (in K) für die Temperatur während der Herstellung der Gradientenschicht, g die dabei auftretende Beschleunigung (z. B. g₀ = 9,81 m/s²) und h (in m) für die charakteristische Abmessung des Dämpfungs-Gels in seiner Gesamthöhe steht, so tritt Sedimentation ein. Gilt dagegen m*gh ≍ kT so ist die Diffusion der bestimmende physikalische Prozess während der Herstellung der Gradientenschicht. Die Diffusion liefert im Thermischen Gleichgewicht einen exponentiell abfallenden Verlauf der Partikeldichte im Dämpfungs-Gel über der Höhe. Die Zeit bis zum Thermischen Gleichgewicht ist durch die Einsteinsche Diffusionskonstante D = µ/kT maßgeblich bestimmt, wobei µ für die Partikelbeweglichkeit im Gel steht. Durch Temperaturerhöhung kann der Diffusionsprozess, durch die Verwendung einer Ultrazentrifuge der Sedimentationsprozess beschleunigt werden.
Der Vorteil der Gradientenschicht liegt erstens darin, dass die akustische Impedanz in Abhängigkeit von der Entfernung von der Oberfläche des Ultraschallwandlers eingestellt werden kann und so eine schallweiche Bedämpfung bzw. Auskoppelung möglich ist. Außerdem kann der Wert der akustischen Impedanz an der Grenzfläche Ultraschallwandler/Dämpfungs-Gel beliebig durch Temperatur und Einwirkungszeit eingestellt und damit genau auf den Wert der akustischen Impedanz des Ultraschallwandler-Materials abgeglichen werden. Weiterhin liefert dieses Verfahren eine Möglichkeit, die maximale Partikelsättigung von Additiv im Gel herzustellen, und zwar als Bodensediment der Gradientenschicht.
Durch das beschriebene Backingmaterial wird die Rückseite des Ultraschallwandlers verspannungsfrei in der geforderten Weise bedämpft, sodass zum einen unerwünschte Ultraschallechos ("ghost-waves") ausbleiben und zum anderen die Nachschwingzeit des Ultraschallwandlers deutlich reduziert wird.

Anwendungsbeispiel

Die akustische Impedanz des Piezomaterials PZT5A (Blei-Zirkonat-Titanat) beträgt 30,5 MRay, die des verwendeten hydrophoben Basis-Gels (Gelatum basalis hydrophobicum) ist mit 1,29 MRay vergleichsweise gering (Tabelle 1). Die Erstarrungstemperatur des hydrophoben Basis-Gels beträgt 78°C.
Als Additiv kann zum Beispiel Gipspulver (CaSO₄), vorzugsweise aber Wolframpulver verwendet werden. Für die in Tabelle 1 angegebenen Mischungen wurde Wolframpulver mit 12 micron (m* = 1.2 E - 10 kg) Korngröße verwendet. Wolframpulver der Korngröße 0,6-1 micron (Mittelwert 0,77 micron, entsprechend m* = 3 E - 14 kg) wurde ebenfalls untersucht. Das in Fig. 2 gezeigte exponentielle Profil entspricht dem Diffusions-Profil im Thermischen Gleichgewicht für eine effektive Masse m* = 5 E - 19 kg, für Wolframpulver entsprechend 0,05 micron Korngröße.
Es konnten Mischungen von Basis-Gel: Wolframpulver bis zu 89-Masse-% an Wolfram hergestellt werden, mit akustischen Eigenschaften, wie sie beispielsweise in Tabelle 1 angegeben sind.
Fig. 2 zeigt beispielhaft die Auswirkung eines Backingmaterials auf das Nachschwingverhalten eines Ultraschallwandlers bei 2 MHz. Es wurde eine Verbesserung der charakteristischen Zeitkonstanten von τ ≍ 2,2 µs (ohne Backingmaterial) auf τ ≍ 1,2 µs erreicht. Das auf dem hydrophoben Basis-Gel basierende Backingmaterial erwies sich für die hochpräzise Messung von Entfernungen mit Auflösungen im < 1 µm-Bereich als gut geeignet. Die Erstarrungstemperatur des hydrophoben Basis-Gels von 78°C ist unkritisch, da für die genannten Messungen der Messaufbau auf 19 . . . 24°C temperiert wird.
Die Erfindung zeichnet sich somit durch die folgenden Vorteile aus:

- Vermeiden von Verspannungen und Verformungen des Ultraschallwandlers durch Nichtvorhandensein eines Aushärtungsprozesses des Backingmaterials, dadurch Vermeidung unberechenbarer und temperaturabhängiger Veränderungen der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers und Vermeidung des Unbrauchbarwerden des Backingmaterials beispielsweise für hochpräzise Abstandsmessungen
- Verbesserung des Nachschwingverhaltens, deutliche Verringerung der charakteristischen Zeitkonstanten
- Möglichkeit der Herstellung einer Gradientenschicht über ein einfaches thermisches Verfahren, dadurch Möglichkeit der schallweichen Auskopplung
- Möglichkeit der optimalen akustischen Impedanzanpassung an den Ultraschallwandler durch geeignete Wahl des thermischen Prozesses zur Herstellung der Gradientenschicht
- Möglichkeit der Herstellung einer Schicht maximaler Additiv-Partikelkonzentration als Bodensediment der Gradientenschicht

Tabelle 1

Akustische Eigenschaften beispielhaft verwendeter Backingmaterialien

Verzeichnis der Abbildungen

Fig. 1 Herstellung und Partikeldichteverteilung einer Gradientenschicht durch Sedimentation bzw. Diffusion der Additivpartikel während der thermischen Behandlung des Gels
Fig. 2 Verbesserung des Nachschwing-Verhaltens am Beispiel eines Ultraschallwandlers für 2 MHz im Vergleich für (a) ohne Backingmaterial (b) mit reinem Basis-Gel ohne Additiv (c) mit Dämpfungs-Gel, 86-Masse-% Wolfram

Claims

1. Akustisch dämpfendes Backingmaterial für Ultraschallwandler, gekennzeichnet durch ein Basis-Gel, das ein in dem Basis-Gel eingebrachtes Additiv enthält, dessen akustische Impedanz mindestens so groß wie die des Ultraschallwandler-Materials ist.

2. Backingmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Dämpfungs-Gel direkt akustisch koppelnd auf die Rückseite des Ultraschallwandlers aufgebracht wird.

3. Backingmaterial nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen kein Trocknungsprozess stattfindet, keine Eigenspannung entwickelt und somit keine mechanische Verspannung des Ultraschallwandlers entsteht.

4. Backingmaterial nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Gel hydrophob und unempfindlich auf Luftfeuchtigkeitsveränderungen ist.

5. Backingmaterial nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Dämpfungs-Gel als Gradientenschicht hergestellt wird.

6. Backingmaterial nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die akustischen Eigenschaften der Gradientenschicht durch eine thermische Behandlung des Dämpfungs-Gels oberhalb dessen Erstarrungstemperatur und damit verbundener teilweiser Sedimentation bzw. Diffusion der Additiv-Partikel im Schwerefeld der Erde oder einer Zentrifuge eingestellt werden.

7. Backingmaterial nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal mögliche Partikeldichte im Dämpfungs-Gel durch Verwendung der nach Anspruch 6 im thermischen Gleichgewicht entstehenden Bodenschicht erhalten wird.

8. Backingmaterial nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optimale akustische Ankoppelung vom Ultraschallwandler an die oberste Schicht des Backingmaterials durch die geeignete Wahl des thermischen Einstellungsverfahrens nach Anspruch 6 realisiert wird.

9. Backingmaterial nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Dämpfungs-Gel von einem Behälter umschlossen ist, sodass eine nachträgliche Formveränderung der Gel-Masse vermieden wird und das Gel stabil in seiner Form auf dem Ultraschallwandler verbleibt und die Kopplung an den Ultraschallwandler garantiert wird.

10. Backingmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Basis-Gel enthaltene Additiv ein Metallpulver hoher Massedichte ist.

11. Backingmaterial nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelgröße des in dem Basis-Gel enthaltenen Metallpulvers kleiner als die verwendete Wellenlänge ist.

12. Backingmaterial nach Ansprüchen 1, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver aus Wolfram oder einem physikalisch und chemisch ähnlichem Metall besteht.

13. Backingmaterial nach Ansprüchen 1 und 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Metallpulvers mehr als 50 Masse-% beträgt.

14. Backingmaterial nach Ansprüchen 1-7 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Wolframpulvers vorzugsweise bis zu 89 Masse-% beträgt.