DE102005001899A1

DE102005001899A1 - ultrasound probe

Info

Publication number: DE102005001899A1
Application number: DE200510001899
Authority: DE
Inventors: Stephan Dr. Rother; Ewald Polinski
Original assignee: Landis and Gyr GmbH
Current assignee: Landis and Gyr GmbH
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2025-01-15
Also published as: DE102005001899B4; EP1681104A1

Abstract

Beschrieben wird ein Ultraschallkopf zum Einkoppeln von Ultraschallwellen in ein Medium und/oder zum Empfang von Ultraschallwellen aus einem Medium, mit einem flächig ausgebildeten Piezoelement, das eine Ober- und Unterseite aufweist, auf der jeweils eine Elektrodenstruktur angebracht ist, die jeweils mit einer Anschlusselektrode verbunden ist. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest die Unterseite des Piezoelements samt Elektrodenstruktur in Wirkverbindung steht, das eine dem Piezoelement abgewandte freie Oberfläche aufweist, über die Ultraschallwellen unmittelbar in das Medium entkoppelbar oder aus dem Medium detektierbar sind.An ultrasound head is described for coupling ultrasound waves into a medium and / or for receiving ultrasound waves from a medium, having a planar piezoelement having a top and a bottom side, on each of which an electrode structure is attached, each connected to a connection electrode is. DOLLAR A The invention is characterized in that at least the underside of the piezoelectric element including the electrode structure is in operative connection, which has a piezoelectric element facing away from the free surface over the ultrasonic waves directly in the medium decoupled or detectable from the medium.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallkopf zum Einkoppeln von Ultraschallwellen in ein Medium und/oder zum Empfang von Ultraschallwellen aus einem Medium, mit einem flächig ausgebildeten Piezoelement, das eine Ober- und Unterseite aufweist, auf der jeweils eine Elektrodenstruktur aufgebracht ist, die jeweils mit einer Anschlusselektrode verbunden ist.The The invention relates to an ultrasonic head for coupling of ultrasonic waves in a medium and / or for receiving ultrasonic waves from a medium, with a plane formed piezoelectric element having a top and bottom, on each of which an electrode structure is applied, each connected to a connection electrode.

Ultraschallköpfe der vorstehenden Gattung werden in vielen technischen Anwendungsbereichen eingesetzt, so beispielsweise zur zerstörungsfreien Materialprüfung an Bauteilen und Komponenten beliebiger Art, die mittels Ultraschalldurchschallung auf Risse oder Fremdkörpereinschlüsse untersucht werden können, oder beispielsweise zur hochgenauen und verschleißfreien Durchflussmengenbestimmung von durch Rohre gerichtete Strömungen, oder aber zur Bestimmung des Füllstandes von Behältern, um nur einige wenige Anwendungsbeispiele zu nennen.Ultrasonic heads of the above genus are used in many technical applications, For example, for non-destructive material testing Components and components of any kind, by means of ultrasonic transmission checked for cracks or foreign body inclusions can be or for example for high-precision and wear-free Flow rate determination of pipe-directed flows, or to determine the level of containers, just to name a few application examples.

Allen bekannten Ultraschallköpfen liegt die gemeinsame Aufgabe zugrunde, möglichst verlustfrei hochfrequente akustische Signale, vorzugsweise Ultraschallsignale, in ein zu untersuchendes Medium einzukoppeln und zumeist im Wege des Puls-Echo-Schallprinzips die Laufzeit von innerhalb des Mediums reflektierten Ultraschallwellen zu erfassen. Dies setzt Ultraschallköpfe voraus, deren akustisches Einschallungsvermögen in das zu untersuchende Medium bezüglich geringer Koppelverluste optimiert ist und die aus Gründen einer möglichst exakten Laufzeitbestimmung über ein optimiertes Dämpfungsverhalten und letztlich zum Schutze des Ultraschallkopfes gegenüber das zu untersuchende Medium über eine geeignete Dichtfunktion verfügen.all known ultrasound heads is based on the common task, lossless as possible high-frequency acoustic signals, preferably ultrasonic signals, in a to be examined Medium coupling and mostly by means of the pulse-echo sound principle the transit time of ultrasound waves reflected within the medium capture. This requires ultrasonic heads whose acoustic Einschallungsvermögen optimized in the medium to be examined for low coupling losses is and for reasons one possible exact runtime determination via an optimized damping behavior and ultimately to protect the ultrasound head from the to be examined medium about have a suitable sealing function.

Da zur Ultraschallerzeugung sowie auch -detektion in den üblichen Ultraschallköpfen piezoelektrische keramische Werkstoffe zum Einsatz kommen, deren schallakustische Eigenschaften sich typischerweise stark von denen der zu untersuchenden Medien unterscheiden, treten ohne weitere technische Vorkehrungen erhebliche Leistungsverluste bei der Schalleinkopplung bzw. -auskopplung zwischen Ultraschallkopf und Medium aufgrund auftretender Reflexionen an der Grenzfläche zwischen Ultraschallkopf und Medium auf. Um eine möglichst verlustfreie Einkopplung von Ultraschallwellen zwischen dem Ultraschallkopf und dem zu untersuchenden Medium zu gewährleisten, ist eine akustische Impedanzanpassung zwischen Ultraschallkopf und dem zu untersuchenden Medium erforderlich.There for ultrasound generation as well as detection in the usual ultrasound heads Piezoelectric ceramic materials are used, whose Sound-acoustic properties are typically very different from those distinguish the media to be examined, occur without further technical precautions significant power losses in the sound input or -auskopplung between ultrasound head and medium due to occurring Reflections at the interface between ultrasound head and medium. To one as possible lossless coupling of ultrasonic waves between the ultrasonic head and to ensure the medium to be examined is an acoustic Impedance matching between ultrasound head and the one to be examined Medium required.

Darüber hinaus ist für eine genaue Auswertung der Laufzeiten der in das jeweilige Medium eingekoppelten Ultraschallwellen eine möglichst definierte Ultraschallimpulserzeugung erforderlich. Wird ein Piezoelement durch hochfrequente elektrische Impulse angeregt, beginnt das zumeist plattenförmig ausgebildete Piezoelement Dickenschwingungen auszuführen. Nach Beendigung des anregenden Impulses endet die Schwingung des Piezoelementes nicht abrupt, vielmehr schwingt das Piezoplättchen eine beträchtliche Zeit weiter. Dies führt zu einem Ultraschallsignal, das für eine definierte Bestimmung von Laufzeiten ungeeignet ist. Somit sind Vorkehrungen zu treffen, die ein Nachschwingen des Piezoelementes dämpfen, so dass das erzeugte Ultraschallsignal zeitlich nicht wesentlich von dem anregenden elektrischen Signal abweicht.Furthermore is for an exact evaluation of the maturities of the respective medium coupled ultrasonic waves as defined as possible ultrasonic pulse generation required. Is a piezoelectric element by high-frequency electrical impulses stimulated, begins the plate-shaped piezoelectric element usually formed To perform thick vibrations. After completion of the stimulating pulse, the oscillation of the Piezoelementes not abrupt, but vibrates the piezo plate one considerable Time ahead. this leads to to an ultrasonic signal, which is used for a defined determination of Term is unsuitable. Thus, precautions must be taken dampen a ringing of the piezoelectric element, so that the generated Ultrasound signal is not significantly different in time from the exciting electrical Signal deviates.

Insbesondere bei der Ultraschalluntersuchung an flüssigen Medien muss des weiteren gewährleistet sein, dass eine konstruktiv vorgegebene Abdichtung zwischen dem flüssigen Medium und zumindest dem Piezoelement innerhalb des Ultraschallkopfes besteht, nicht zuletzt auch um elektrische Kurzschlüsse im Bereich der elektrischen Zuleitungen zu vermeiden.Especially in the ultrasonic examination of liquid media must further guaranteed be that a structurally given seal between the liquid Medium and at least the piezoelectric element within the ultrasound head exists, not least also about electrical short circuits in the area to avoid the electrical leads.

Jeweils zwei Ausführungsbeispiele bekannter Ultraschallköpfe sind in den 2a und 2b dargestellt. Im Inneren eines ansonsten hermetisch ausgebildeten Gehäuses 2 ist ein Piezoelement 6 vorgesehen, dessen Oberseite mit einer oberen Elektrodenstruktur 5 und dessen Unterseite mit einer unteren Elektrodenstruktur 7 verbunden ist. Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenstrukturen 5 und 7 dienen jeweils die in den 2a und 2b dargestellten Anschlusselektroden 1 und 4, die getrennt voneinander rückwärtig aus dem Ultraschallkopf zur weiteren elektrischen Kontaktierung ragen. Das Piezoelement 6 wird üblicherweise mittels eines speziellen Klebstoffes 8 im Inneren des Gehäuses 2 fixiert, dessen schallakustische Eigenschaften in Abhängigkeit der eingesetzten Piezokeramik des Piezoelementes 6 und der zu vermessenden Substanz bzw. des zu vermessenden Mediums gewählt wird. Eine unter Umständen erforderliche Abdichtung gegen eine Flüssigkeit wird bei einer derartigen Auslegung des Ultraschallkopfes automatisch durch das hermetisch ausgebildete Gehäuseteil 2 und die zusätzliche Verwendung erforderlicher Standarddichtungen, wie beispielsweise O-Ringe, Schneidringe oder Ähnliches (nicht weiter dargestellt) gewährleistet.In each case two embodiments of known ultrasonic heads are in the 2a and 2 B shown. Inside an otherwise hermetic housing 2 is a piezo element 6 provided, the top with an upper electrode structure 5 and its bottom with a lower electrode structure 7 connected is. For electrical contacting of the electrode structures 5 and 7 each serve in the 2a and 2 B illustrated connection electrodes 1 and 4 , which protrude separately from the rear of the ultrasonic head for further electrical contact. The piezo element 6 is usually by means of a special adhesive 8th inside the case 2 fixed, the sound-acoustic properties depending on the piezoceramic used of the piezoelectric element 6 and the substance to be measured or the medium to be measured is selected. A possibly required sealing against a liquid is automatically in such a design of the ultrasonic head through the hermetically formed housing part 2 and the additional use of required standard seals, such as O-rings, cutting rings or the like (not shown) guaranteed.

Die elektrische Kontaktierung des Piezoelementes 6 erfolgt in Abhängigkeit der Ausbildung und Anbringung von Elektrodenstrukturen auf dem Piezoelement. Grundsätzlich können Piezoelemente werkseitig in zwei unterschiedlichen Varianten bezogen werden: Wird ein flächig ausgebildetes Piezoelement 6 getrennt voneinander an seiner Ober- und Unterseite mit einer Elektrodenstruktur 5, 7 beaufschlagt, so gilt es zur elektrischen Kontaktierung der jeweiligen Elektrodenstrukturen Anschlusselektroden 1, 4 vorzusehen, gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2a. Wird hingegen die Elektrodenstruktur 7 der Unterseite des Piezoelementes 6 über die Seitenkanten auf die Oberseite des Piezoelementes 6 erweitert, wie im Fallbeispiel gemäß 2b, so ist es möglich, die Anschlusselektroden 1, 4 jeweils von einer einzigen Seite des Piezoelementes vorzusehen. In beiden der gezeigten Ausführungsbeispiele kann die Kontaktierung der Elektrodenstrukturen 5, 7 durch Auflöten von Drähten oder durch Aufkleben entsprechend elektrisch leitender Materialien realisiert werden.The electrical contacting of the piezoelectric element 6 occurs as a function of the formation and attachment of electrode structures on the piezoelectric element. In principle, piezo elements can be factory-ordered in two different variants: becomes a flat piezo element 6 separated from each other at its top and bottom with an electrode structure 5 . 7 acted upon, it applies to the electrical contact of the respective electrode structures connecting electrodes 1 . 4 to provide, according to the embodiment in 2a , On the other hand, the electrode structure becomes 7 the bottom of the piezo element 6 over the side edges on top of the piezo element 6 extended, as in the case example according to 2 B so it is possible the connection electrodes 1 . 4 each provided by a single side of the piezoelectric element. In both of the embodiments shown, the contacting of the electrode structures 5 . 7 be realized by soldering wires or by gluing according to electrically conductive materials.

Um eine Dämpfung des Piezoelementes 6 zu erreichen und somit ein Nachschwingen nach Abklingen der elektrischen Anregung zu verhindern, wird im Innenbereich des Gehäuseteils 2 Dämpfungsmaterial 3 vorgesehen, das je nach gewünschter Dämpfungsstärke und schalltechnischen Eigenschaften gewählt wird. Derartige Schallerzeuger stellen kompakte Ultraschallköpfe dar und vermögen senkrecht aus der Auskoppelfläche austretende Ultraschallwellen 9 in ein zu untersuchendes Medium einzukoppeln sowie auch Ultraschallwellen aus dem jeweiligen Medium zu detektieren. Bezüglich den Darstellungen in den 2a und b sei angenommen, dass das zu untersuchende Medium an der Aussenwand des Gehäuseteils 2 unmittelbar angrenzt, vorzugsweise an der unteren Gehäusewandfläche an der der die Ultraschallwellen symbolisierende Pfeil 9 dargestellt ist.To a damping of the piezo element 6 To achieve and thus to prevent ringing after decay of the electrical stimulation is in the interior of the housing part 2 damping material 3 provided, which is selected depending on the desired damping strength and acoustic properties. Such sound generators represent compact ultrasound heads and are capable of perpendicularly emerging from the decoupling surface ultrasonic waves 9 to couple into a medium to be examined as well as to detect ultrasonic waves from the respective medium. Regarding the representations in the 2a and b is assumed that the medium to be examined on the outer wall of the housing part 2 immediately adjacent, preferably on the lower housing wall surface on which the ultrasonic waves symbolizing arrow 9 is shown.

Ein Ultraschallkopf der vorstehenden Art ist beispielsweise der EP 0 858 844 A2 zu entnehmen. Der bekannte Ultraschallkopf weist systembedingt jedoch den Nachteil auf, dass nicht nur das elektronisch angesteuerte Piezoelement an der Ausbildung der Ultraschallwellen beteiligt ist. Aufgrund der direkten körperlichen Kopplung bzw. Verklebung zwischen dem Piezoelement und dem übrigen Gehäuseteil schwingt das gesamte System bestehend aus dem Piezoelement und den Wandbereichen des Gehäuseteils inklusive der dazwischen befindlichen, aus einer Klebeschicht bestehenden Ankoppelschicht entsprechend der an das Piezoelement anliegenden elektrischen Signale mit. Die schallakustischen Eigenschaften der auf diese Weise generierbaren Ultraschallwellen werden somit nicht nur durch Material- und Geometriewahl des Piezoelementes selbst, sondern durch das Gesamtsystem bestimmt. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einem so genannten „Compound-Schwingungssystem".An ultrasonic head of the above type is for example the EP 0 858 844 A2 refer to. However, due to the system, the known ultrasound head has the disadvantage that not only the electronically controlled piezo element is involved in the formation of the ultrasound waves. Due to the direct physical coupling or bonding between the piezoelectric element and the remaining housing part, the entire system including the piezoelectric element and the wall regions of the housing part, including the coupling layer consisting of an adhesive layer, oscillates in accordance with the electrical signals applied to the piezoelectric element. The sound-acoustic properties of the ultrasound waves that can be generated in this way are thus determined not only by the choice of material and geometry of the piezoelectric element itself, but by the overall system. In this context, one speaks of a so-called "compound vibration system".

Bei der Planung und Konstruktion derartiger Ultraschallköpfe sind somit sehr viele Parameter zu berücksichtigen, die die schalltechnischen Eigenschaften der Ultraschallwellen beschreiben. Bereits geringste Abweichungen in der Geometrie jedes einzelnen Bauteils können unter Umständen erhebliche veränderte Schalleigenschaften nach sich ziehen, die den gesamten Ultraschallkopf unbrauchbar machen können. Hinzu kommt, dass derartige kompakte Ultraschallköpfe in der Herstellung kosten- und montageintensiv sind, zumal zahlreiche Komponenten beschafft und passgenau und maßhaltig zusammen gefügt werden müssen.at the design and construction of such ultrasonic heads are Thus, many parameters have to be taken into account, which are the sound engineering Describe properties of ultrasonic waves. Already the slightest Deviations in the geometry of each individual component can under circumstances significant changes Sound properties entail the entire ultrasound head can make us unusable. In addition, such compact ultrasonic heads in the Manufacture cost and installation are intensive, especially as numerous components procured and accurate and dimensionally accurate joined together Need to become.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallkopf der vorstehend genannten Gattung derart weiterzubilden, dass Ultraschallwellen unter Maßgabe der an sich bekannten Forderungen nach Reduzierung von Koppelverlusten, einer effektiven Dämpfung bezüglich einer Anregungssignal getreuen Generierung von Ultraschallwellen sowie einer ausreichenden Abdichtung gegenüber dem zu untersuchenden Medium, mit wunschgemäßen schallakustischen Eigenschaften mit einem möglichst geringen aparativen sowie Kosten reduzierten Aufwand herstellbar sein sollen.Of the Invention is based on the object, an ultrasonic head of educate the aforementioned type such that ultrasonic waves under proviso the known demands for reducing coupling losses, an effective damping in terms of an excitation signal faithful generation of ultrasonic waves and a sufficient seal against the medium to be examined, with desired sound-acoustic Properties with one possible low cost and cost reduced effort produced should be.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.The solution the object underlying the invention is specified in claim 1. The concept of the invention advantageously further-forming features Subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß ist ein Ultraschallkopf nach den Merkmalen des Anspruches 1 derart ausgebildet, dass zumindest die Unterseite des Piezoelementes samt Elektrodenstruktur mit einem Koppelmedium in Wirkverbindung steht. Das Koppelmedium weist dabei eine dem Piezoelement abgewandte freie Oberfläche auf, über die die Ultraschallwellen unmittelbar in das Medium einkoppelbar oder aus dem Medium detektierbar sind.According to the invention is a Ultrasonic head according to the features of claim 1 designed such that at least the underside of the piezoelectric element including the electrode structure is in operative connection with a coupling medium. The coupling medium has while a remote from the piezoelectric element free surface, on the the ultrasonic waves can be coupled directly into the medium or are detectable from the medium.

Dem lösungsgemäßen Ultraschallkopf liegt die Idee zugrunde, auf das bisher übliche Gehäuseteil, in dessen Inneren das Piezoelement samt elektronischer Anschlussstrukturen enthalten sind, zu verzichten. Um dennoch einen sowohl mechanischen als auch gegenüber äußeren chemischen Einflüssen resistenten Schutz für das Piezoelement samt elektrischer Anschlussstrukturen zu gewährleisten, wird das Piezoelement samt elektronischer Anschlussstrukturen von einem vorzugsweise aus Silikon oder silikonhaltigem Material bestehenden Koppelmedium zumindest in jenem Bereich umgeben, der in Kontakt mit dem zu untersuchenden Medium tritt. Auf diese Weise ist es möglich, durch entsprechende Materialwahl des Koppelmediums einerseits die schallakustische Ankopplung zwischen dem aus keramischem Material bestehenden Piezoelement und dem zu überprüfenden Medium hinsichtlich auftretender Koppelverluste zu optimieren, andererseits mitschwingende Komponenten und damit die schallakustischen Eigenschaften des Ultraschallkopfes mitbestimmende Komponenten zu vermeiden. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die schallakustischen Eigenschaften des Ultraschallkopfes ausschließlich durch die des Piezoelementes bestimmt sind.The ultrasound head according to the invention is based on the idea of dispensing with the hitherto customary housing part, in the interior of which the piezo element together with electronic connection structures are contained. In order nevertheless to ensure protection both mechanically and against external chemical influences for the piezoelectric element including electrical connection structures, the piezoelectric element including electronic connection structures is surrounded by a preferably silicone or silicone-containing material coupling medium at least in that area in contact with the examining medium occurs. In this way it is possible to optimize by appropriate choice of material of the coupling medium on the one hand, the sound-acoustic coupling between the ceramic material consisting of piezoelectric element and the medium to be checked for coupling losses occurring, on the other hand resonating components and thus the sound-acoustic properties of the Ultraschallkop to avoid co-determining components. In this way it is ensured that the sound-acoustic properties of the ultrasound head are determined exclusively by that of the piezoelectric element.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des lösungsgemäßen Ultraschallkopfes sieht die Verbindung des Piezoelementes auf einem Trägersubstrat vor, das selbst in Art einer mit elektrischen Leiterbahnstrukturen versehenen Leiterplatine ausgebildet ist. In einem derartigen Ausführungsbeispiel ist die mit einer Elektrodenstruktur versehene Oberseite eines Piezoelementes mit Hilfe eines elektrisch leitfähigen Haftvermittlers, vorzugsweise eines selbst härtenden Klebstoffes, mit einem ersten Bereich einer auf dem Trägersubstrat vorgesehenen elektrischen Leiterstruktur verbunden. Die dem Trägersubstrat abgewandte Unterseite des Piezoelementes ist ebenfalls mit einer Elektrodenstruktur versehen, die über eine Anschlusselektrode mit einem zweiten Bereich der trägersubstratseitigen elektrischen Leiterbahnstruktur verbunden ist. Das auf dem Trägersubstrat aufgebrachte Piezoelement samt der für die elektrische Anregung erforderlichen Leiterstrukturen ist zumindest an der dem Trägersubstrat abgewandten Seite mit einem Koppelmedium belegt oder im Falle eines fließfähigen Koppelmediums, das über selbst erstarrende Eigenschaften verfügt, vollständig vergossen. Zur Einkopplung von Ultraschallwellen in ein zu prüfendes Medium gilt es lediglich, das Koppelmedium mit dem innen liegenden Piezoelement mit dem Medium zu kontaktieren, sollte es sich um eine Flüssigkeit handeln, in das Medium einzutauchen.One preferred embodiment of the ultrasonic transducer according to the invention provides the connection of the piezoelectric element on a carrier substrate, even in the manner of one provided with electrical conductor structures Printed circuit board is formed. In such an embodiment is the top of a piezoelectric element provided with an electrode structure with the help of an electrically conductive Adhesive, preferably a self-curing adhesive, with a first region of a on the carrier substrate provided electrical conductor structure connected. The the carrier substrate opposite bottom of the piezoelectric element is also with a Electrode structure provided via a connection electrode with a second region of the carrier substrate side electrical conductor track structure is connected. That on the carrier substrate applied piezoelectric element together with that for the electrical excitation required conductor structures is at least on the carrier substrate facing away from a coupling medium or in the case of a flowable coupling medium, that about yourself has solidifying properties, completely shed. For coupling ultrasonic waves into a medium to be tested it is only necessary, the coupling medium with the internal piezoelectric element with to contact the medium, it should be a liquid act to immerse yourself in the medium.

Der lösungsgemäße Ultraschallkopf, der im Weiteren unter Bezugnahme auf zwei in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert wird, weist gegenüber herkömmlichen Ultraschallprüfköpfen folgende Vorteile auf:
Durch Vorsehen eines Koppelmediums um das Piezoelement samt der für die elektrische Ansteuerung des Piezoelementes erforderlichen elektrischen Anschlussstrukturen, können eine schalltechnische Anpassung sowie zugleich eine fluiddichte Abdichtung gegenüber eines zu vermessenden Mediums mit nur einer einzigen Koppelschicht realisiert werden. Die schalltechnische Beschreibung des Ultraschallkopfes vereinfacht sich deutlich gegenüber herkömmlichen Ultraschallköpfen, da der lösungsgemäß ausgebildete Ultraschallkopf kein Compound-Schwingungssystem, wie eingangs beschrieben, darstellt, sondern lediglich ein einzelnes Piezoelement vorsieht, das für die Schallerzeugung verantwortlich ist.The ultrasound head according to the invention, which is explained in more detail below with reference to two embodiments shown in the figures, has the following advantages over conventional ultrasonic probes:
By providing a coupling medium around the piezoelectric element, including the electrical connection structures required for the electrical control of the piezoelectric element, it is possible to realize a sound-related adaptation as well as a fluid-tight seal with respect to a medium to be measured with only a single coupling layer. The sonic description of the ultrasound head is simplified significantly compared to conventional ultrasound heads, since the ultrasound transducer designed in accordance with the invention does not constitute a compound vibration system, as described above, but merely provides a single piezoelectric element which is responsible for the generation of sound.

Wird als Koppelmedium ein fließfähiges und über Erstarrungseigenschaften verfügendes Material eingesetzt, wie beispielsweise Silikon oder silikonhaltige Werkstoffe, so ist die Herstellung des Ultraschallkopfes einfach und kostengünstig, Zudem ist es möglich, die äußere Formgebung des Koppelmediums frei und flexibel vorzunehmen, ein Freiheitsgrad, der insbesondere bei der Kopplung von Ultraschallwellen in Prüfmedien mit unebenen Koppelflächen von besonderem Interesse ist.Becomes as a coupling medium a flowable and over solidification properties verfügendes Material used, such as silicone or silicone-containing Materials, so the production of the ultrasonic head is easy and inexpensive, It is also possible the outer shape the coupling medium free and flexible, one degree of freedom, in particular in the coupling of ultrasonic waves in test media with uneven coupling surfaces is of particular interest.

Wird das Piezoelement samt seiner für die elektronische Ansteuerung erforderlichen elektrischen Anschlussstrukturen mit einem als elektrische Leiterplatine ausgebildeten Trägersubstrat verbunden, so sind extrem kurze Leitungslängen zur elektrischen Ansteuerung des Piezoelementes möglich. Für die Dämpfung des Piezoelementes extra vorzusehende Materialkomponenten in Verbindung mit dem Trägersubstrat sind nicht erforderlich, zumal die Dämpfungsaufgaben vom Trägersubstrat selbst übernommen werden können. Hierzu gilt es, das Material des Trägersubstrats geeignet zu wählen.Becomes the piezo element including its for the electronic control required electrical connection structures with a carrier substrate designed as an electrical printed circuit board connected, so are extremely short cable lengths for electrical control of the piezoelectric element possible. For the damping of the Piezoelementes extra material components to be provided in connection with the carrier substrate are not required, especially since the damping tasks from the carrier substrate taken himself can be. For this purpose, it is necessary to choose the material of the carrier substrate suitable.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of drawing

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen: The Invention will be described below without limiting the general inventive concept of exemplary embodiments described by way of example with reference to the drawings. It demonstrate:

1a, b schematisierte Querschnittsdarstellung zweier lösungsgemäß ausgebildeter Ultraschallköpfe, sowie 1a , b is a schematic cross-sectional view of two solution-trained ultrasound heads, as well as

2a, b schematisierte Querschnittsdarstellung durch zwei an sich bekannte Ultraschallköpfe nach Stand der Technik. 2a , b shows a schematic cross-sectional representation through two prior art ultrasonic heads known per se.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays to execute the Invention, industrial applicability

Der in 1a in Querschnittsdarstellung gezeigte Ultraschallkopf weist ein flächig ausgebildetes Piezoelement 6 auf, mit einer Oberseite, auf der eine Elektrodenstruktur 5, und einer Unterseite, auf der eine Elektrodenstruktur 7 aufgebracht ist. Beide Elektrodenstrukturen 5, 7 erstrecken sich ganzflächig über die jeweilige Ober- und Unterseite des Piezoelementes 6. Zur elektrischen Kontaktierung befindet sich auf der an der Oberseite des Piezoelementes 6 aufgebrachten Elektrodenstruktur 5 eine Anschlusselektrode 4, entsprechend ist die Elektrodenstruktur 7 mit einer Anschlusselektrode 1 versehen. Die Anschlusselektroden 1, 4 können beispielsweise in Form dünner Anschlussdrähte ausgebildet sein.The in 1a shown in cross-sectional view ultrasonic head has a flat piezoelectric element 6 on, with a top on which an electrode structure 5 , and a bottom surface on which an electrode structure 7 is applied. Both electrode structures 5 . 7 extend over the entire surface over the respective top and bottom of the piezoelectric element 6 , For electrical contacting is located on the at the top of the piezoelectric element 6 applied electrode structure 5 a connection electrode 4 , corresponding to the electrode structure 7 with a connection electrode 1 Mistake. The connection electrodes 1 . 4 can be formed for example in the form of thin connecting wires.

Zur Befestigung des Piezoelementes 6 nebst der vorstehend beschriebenen elektronischen Anschlüsse an ein Trägersubstrat 10, das vorzugsweise in Form einer Platte ausgebildet ist, dient eine Haft vermittelnde Schicht 8, beispielsweise eine Klebstoffschicht. Sowohl zur schallakustischen Ankopplung als auch zur Abdichtung gegenüber der Umgebung sind das mit dem Trägersubstrat 10 über die Haft vermittelnde Schicht 8 verbundene Piezoelement 6 und die damit verbundenen elektrischen Anschlussstrukturen mit einem Koppelmedium 11 hermetisch umgeben, dessen schallakustische Eigenschaften unter Berücksichtigung des Piezoelementes 6 sowie des zu untersuchenden Mediums ausgewählt sind. Weitere Komponenten sind zur Schalleinkopplung in ein, das Koppelmedium 11 umgebende Medium nicht erforderlich. Zur elektrischen Ansteuerung überragen die Anschlusselektroden 1, 4 das Koppelmedium 1 seitlich und können mit entsprechenden Ansteuerelektroden verbunden werden.For fastening the piezo element 6 together with the above-described electronic connections to a carrier substrate 10 , which is preferably formed in the form of a plate, serves a detention mediating layer 8th , For example, an adhesive layer. Both for sound-acoustic coupling as well as for sealing against the environment with the support substrate 10 on the detention layer 8th connected piezo element 6 and the associated electrical connection structures with a coupling medium 11 hermetically surrounded, whose sound-acoustic properties taking into account the piezoelectric element 6 and the medium to be examined are selected. Other components are for sound coupling in one, the coupling medium 11 surrounding medium not required. For electrical control, the connection electrodes protrude beyond 1 . 4 the coupling medium 1 laterally and can be connected to corresponding drive electrodes.

Das in 1b dargestellte Ausführungsbeispiel weist als Trägersubstrat 10 eine Leiterplatte, vorzugsweise aus Epoxidharz, auf und sieht kupferbeschichtete Leiterbahnstrukturen 13 vor. In diesem Ausführungsbeispiel ist zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenstruktur 5 die Haft vermittelnde Klebeschicht 8 aus elektrisch leitfähigem Material gewählt, so dass der Leiterbahnbereich 13 die an der Oberseite des Piezoelementes 6 vorgesehene Elektrodenstruktur 5 mit elektrisch kontaktiert. Die an der Unterseite des Piezoelementes 6 vorgesehene Elektrodenstruktur 7 ist direkt mit einer Anschlusselektrode 1 verbunden, die ihrerseits mit einem anderen Leiterbahnabschnitt 13' der Leiterplatte 10 verbunden ist. Auch im Falle des Ausführungsbeispieles gemäß 1b umgibt das Koppelmedium 11 das Piezoelement 6 mit sämtlichen elektrischen Anschlussstrukturen hermetisch, so dass das Piezoelement vollständig gegenüber einem äußeren zu untersuchenden Medium abgedichtet ist.This in 1b illustrated embodiment has as a carrier substrate 10 a printed circuit board, preferably made of epoxy resin, and sees copper-coated interconnect structures 13 in front. In this embodiment is for electrical contacting of the electrode structure 5 the adhesion-promoting adhesive layer 8th chosen from electrically conductive material, so that the conductor track area 13 at the top of the piezoelectric element 6 provided electrode structure 5 contacted with electrical. The at the bottom of the piezo element 6 provided electrode structure 7 is directly with a connection electrode 1 connected, in turn, with another track section 13 ' the circuit board 10 connected is. Also in the case of the embodiment according to 1b surrounds the coupling medium 11 the piezo element 6 with all electrical connection structures hermetically, so that the piezoelectric element is completely sealed against an outer medium to be examined.

Der in 1b dargestellte Ultraschallkopf sieht eine besonders kompakte elektrische Zuleitungsanordnung vor, die aufgrund minimaler Leitungslängen sehr unauffällig gegen äußere Störspannungen ist. Außerdem vermag ein aus Silikon gewähltes Koppelmedium 11 den Schall lediglich weiterzuleiten und trägt selbst nicht zur Schallerzeugung bzw. -beeinträchtigung bei. Die schalltechnische Beschreibung des Ultraschallkopfes ist somit deutlich vereinfacht, da kein erzeugendes Gesamtgebilde, wie bei einem Compound-Schwinger vorgesehen ist, sondern lediglich die Piezokeramik selbst zu betrachten ist.The in 1b illustrated ultrasound head provides a particularly compact electrical supply arrangement, which is very inconspicuous against external interference due to minimal cable lengths. In addition, a selected from silicone coupling medium 11 only forward the sound and does not itself contribute to the sound generation or impairment. The sonic description of the ultrasound head is thus significantly simplified, since no generating overall structure, as in a compound oscillator is provided, but only the piezoceramic itself is to be considered.

Der lösungsgemäße Ultraschallkopf stellt somit ein akustisches Gebilde dar, dessen schalltechnischen Eigenschaften lediglich durch ein einziges Bauteil beschrieben werden kann. Im Fertigungsprozess müssen somit lediglich die genauen Maße des Piezoelementes garantiert werden. Sollten die Dämpfungseigenschaften des Trägersubstrates 10 nicht in der gewünschten Weise ausreichen, so ist es möglich, auf der, dem Ultraschallkopf abgewandten Rückseite des Trägersubstrates 10 ein zusätzliches Dämpfungselement 12 vorzusehen.The ultrasound head according to the invention thus represents an acoustic structure whose sonic properties can only be described by a single component. In the manufacturing process, therefore, only the exact dimensions of the piezo element must be guaranteed. Should the damping properties of the carrier substrate 10 not sufficient in the desired manner, it is possible on the, the ultrasound head remote from the rear side of the carrier substrate 10 an additional damping element 12 provided.

11: Anschlusselektrodeterminal electrode
22: Gehäusecasing
33: Dämpfungsmaterialdamping material
44: Anschlusselektrodeterminal electrode
55: Elektrodenstrukturelectrode structure
66: Piezoelementpiezo element
77: Elektrodenstrukturelectrode structure
88th: HaftvermittlungsschichtBonding layer
99: Ultraschallwellenultrasonic waves
1010: Trägersubstratcarrier substrate
1111: Kopplungsmediumcoupling medium
1212: Dämpfungselementdamping element
1313: LeiterbahnstrukturenInterconnect structures
13'13 ': LeiterbahnstrukturenInterconnect structures

Claims

Ultrasonic head for coupling ultrasonic waves in a medium and / or for receiving ultrasonic waves from a medium having a planar piezoelectric element having a top and bottom, on each of which an electrode structure is attached, which is in each case connected to a connection electrode, characterized characterized in that at least the underside of the piezoelectric element together with the electrode structure is in operative connection with a coupling medium, wherein the coupling medium has a piezoelement facing away from the free surface via which ultrasonic waves can be coupled directly into the medium or detected from the medium.

Ultrasonic head according to claim 1, characterized that the piezo element with the top along with the applied on this Electrode structure medium or directly with a carrier substrate connected is.

Ultrasonic head according to claim 2, characterized that the coupling medium, the underside of the piezoelectric element together with the projected laterally on this applied electrode structure and a fluid-tight medium or directly opposite the carrier substrate Connection is received.

Ultrasonic head according to claim 3, characterized in that that the terminal electrodes of the with the top and bottom of the piezoelectric element connected electrode structures laterally project beyond the coupling medium.

Ultrasonic head according to claim 3, characterized in that the connection electrodes in each case over the entire surface with those on the top and bottom brought electrode structures are connected, and that between the top of the piezoelectric element associated terminal electrode and the carrier substrate, a primer layer is provided.

Ultrasonic head according to claim 2 or 3, characterized that the carrier substrate has an electrical conductor structure, and that the connection electrodes are connected to areas of the electrical conductor structure.

Ultrasonic head according to claim 6, characterized, that between the electrode structure of the upper side of the piezoelectric element and a portion of the electrical conductor pattern on the carrier substrate a bonding agent layer is provided, that the primer layer electrically conductive is and as a connection electrode for the provided at the top of the piezoelectric element electrode structure is used, and that provided with the at the bottom of the piezoelectric element Electrode structure connected terminal electrode with another Area of the electrical conductor structure is connected to the carrier substrate.

Ultrasonic head according to one of claims 1 to 7, characterized in that the carrier plate of a vibration damping Material selected is.

Ultrasonic head according to one of claims 1 to 8, characterized in that facing away from the piezoelectric element surface of the carrier substrate a damping element is provided.

Ultrasonic head according to one of claims 1 to 9, characterized in that the coupling medium in accordance with a acoustic impedance matching to the respective medium and hermetic sealing of the piezoelectric element and chemical resistance to the Medium selected is.