DE102006038597A1 - Schallwandler und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
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Abstract
Ein Ultraschallwandler (1) weist eine Basiselektrode (4) auf, die von Leiterbahnen (3) auf einer Leiterplatte (2) gebildet ist. Der Ultraschallwandler (1) zeichnet sich durch eine einfache Herstellbarkeit aus. Außerdem können kompakte Baugruppen mit Ultraschallwandlern (1) erstellt werden, da auf der Leiterplatte (2) auch weitere Bauelemente (12) angeordnet werden können.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Schallwandler mit einer schwingfähigen Membranelektrode und mit einer im Abstand zur Membranelektrode angeordneten Basiselektrode.
- Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Schallwandlers.
- Ein derartiger Schallwandler ist aus der
EP 0 825 585 A2 bekannt. Bei dem bekannten Schallwandler handelt es sich um einen elektrostatischen Ultraschallwandler, bei dem eine dünne leitfähige Membranelektrode gegenüber einer massiven Basiselektrode angeordnet ist. Wenn für die Membranelektrode eine einseitig metallisierte Kunststofffolie verwendet wird, die unmittelbar auf der Basiselektrode aufliegt, ergibt sich ein so genannter Sellwandler, bei dem die Membranelektrode auf winzigen Erhebungen der Basiselektrode aufliegt. Zwischen der Basiselektrode und der Membranelektrode bleibt immer ein dünnes Luftpolster, auf dem die Membranelektrode schwingen kann. Die Oberflächenbeschaffenheit der Basiselektrode ist für die Grenzfrequenz und die Empfindlichkeit des Ultraschallwandlers maßgeblich. Bei glatten hochglanzpolierten Basiselektroden erstreckt sich der Frequenzbereich bei verhältnismäßig geringer Empfindlichkeit bis etwa 500 kHz. Aufgeraute oder mit Rillen versehene Basiselektroden führen zu niedrigeren Grenzfrequenzen bei erhöhter Empfindlichkeit. Als Basiselektrode kann zum Beispiel auch ein feinmaschiges Drahtgewebe verwendet werden. - Die bekannten Ultraschallwandler werden beispielsweise in der Automobiltechnik als Distanzsensoren verwendet.
- Ein Nachteil des bekannten Schallwandlers ist, dass neben dem eigentlichen Schallwandler eine weitere Baugruppe für die Aufnahme der zum Betrieb des Schallwandlers erforderlichen Ansteuerelektronik vorzusehen ist. Es besteht aber Bedarf an möglichst kompakten Schallwandlermodulen, bei denen der Schallwandler zusammen mit der Ansteuerelektronik in eine Baugruppe integriert ist.
- Aus der
US 2004/0085858 A1 ist ein in Mikrosystemtechnik gefertigter Schallwandler bekannt, bei dem ein Wafer als Basiselektrode und eine durch eine Oxidschicht auf Abstand gehaltene Membran, die mit Metallisierungen versehen ist, als Membranelektrode dient. Der bekannte Schallsensor kann als integriertes Bauelement auf einer Leiterplatte mit einer Schaltung zur Ansteuerung des Schallwandlers angeordnet werden. - Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen für eine kompakte Bauform geeigneten Schallwandler zu schaffen. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.
- Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
- Der Schallsensor zeichnet sich dadurch aus, dass die Basiselektrode von wenigstens einem auf dem Schaltungsträger angeordneten Leiterbahnzug gebildet ist. Ein derartiger Schallwandler ist auf einfache Weise herstellbar, da die zum Strukturieren der Leiterbahnzüge auf dem Schaltungsträger verwendeten Prozesse auch dazu verwendet werden können, die Basiselektrode zu strukturieren. Ferner kann auf dem Schaltungsträger auch die Ansteuerschaltung für den Schallwandler ausgebildet werden, so dass sich eine kompakte Baueinheit ergibt, die sowohl den eigentlichen Schallwandler als auch die dazugehörige Ansteuerelektronik umfasst.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schaltungsträger eine Leiterplatte, und die Basiselektrode von wenigstens einem metallischen Leiterbahnzug gebildet. In diesem Fall können die Standardmethoden zum Strukturieren von Leiterbahnzügen auf Leiterplatten zur Strukturierung der Basiselektrode verwendet werden.
- Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Basiselektrode von einer Deckschicht bedeckt, die die Membranelektrode zur Basiselektrode auf Abstand hält. Bei der Deckschicht handelt es sich vorzugsweise um eine Lötstoppschicht In diesem Fall brauchen keine weiteren Abstandshalter ausgebildet werden.
- Bei der Membranelektrode handelt es sich vorzugsweise um eine Kunststoffmembran, die mit einer leitfähigen Schicht beschichtet ist. Eine derartige Membranelektrode kann an den Rändern mit dem Schaltungsträger verklebt werden. Für die Funktion des Schallwandlers ist es von Vorteil, wenn die leitfähige Schicht der Membranelektrode auf der von der Lötstoppschicht gebildeten Deckschicht aufliegt. In diesem Fall kann die leitfähige Schicht mit Hilfe von spitz zulaufenden Kontaktzungen kontaktiert werden. Derartige Kontaktzungen können den Kunststoff der Membranelektrode durchdringen und auf diese Weise den Kontakt mit der leitfähigen Schicht der Membranelektrode herstellen.
- Die Herstellung des Schallwandlers erfolgt vorzugsweise durch Verfahrensschritte, die auch zum Strukturieren von Leiterbahnzügen auf Schaltungsträgern eingesetzt werden. Dazu können handelsübliche kaschierte Leiterplatten verwendet werden, deren Metallschicht sich mit den üblichen Belichtungs- und Ätztechniken strukturieren lassen.
- Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
-
1 einen Querschnitt durch einen Schallwandler; -
2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Querschnittsansicht gemäß1 ; und -
3 eine Aufsicht auf eine Basiselektrode des Schallwandlers aus den1 und2 . -
1 zeigt einen Ultraschallwandler1 , der auf einer Leiterplatte2 ausgebildet ist. Bei der Leiterplatte2 kann es sich um eine handelsübliche Leiterplatte, die auf der Basis eines Kunststoffs hergestellt worden ist, oder um eine keramische Leiterplatte2 handeln. Auf der Leiterplatte2 sind Leiterbahnen3 ausgebildet, die zusammen eine Basiselektrode4 des Ultraschallwandlers1 bilden. Auf der Basiselektrode4 liegt eine Membranelektrode5 auf, die eine Trägerschicht6 aufweist. Auf der der Basiselektrode4 zugewandten Seite der Trägerschicht6 ist auf der Trägerschicht6 eine Metallschicht7 ausgebildet. An den Rändern ist die Membranelektrode5 mit Hilfe von Klebstoff8 an der Leiterplatte2 befestigt. Neben der Verwendung von Klebstoff kommen noch weitere Arten der Befestigung, beispielsweise durch Klemmung, infrage. Schließlich kann auch daran gedacht werden, die Membranelektrode5 in eine Halterung einzuspannen und die Halterung auf die Leiterplatte2 aufzulöten. - Die Kontaktierung der Metallschicht
7 kann beispielsweise mit spitz zulaufenden Federelementen9 erfolgen, die auf der Leiterplatte2 befestigt sind und die die Trägerschicht6 von der der Basiselektrode4 abgewandten Seite her bis zur Metallschicht7 durchdringen. Das Widerlager der Metallschicht7 kann dabei vom Klebstoff8 oder der Leiterplatte2 gebildet werden. - Die Kontaktierung der Leiterbahnen
3 erfolgt, indem eine Leiterbahn durch den vom Klebstoff8 gebildeten Rahmen hindurch nach außen in einen Bereich geführt ist, der von der Membranelektrode5 nicht mehr abgedeckt ist. An dieser Stelle kann eine Kontaktierung mit einem externen Anschluss10 erfolgen. Genauso kann das Federelement9 mit einem externen Anschluss11 verbunden werden. - Daneben ist es möglich, auf der Leiterplatte
2 weitere Leiterbahnen auszubilden, die zu Bauelementen12 führen, die für eine Ansteuerschaltung des Ultraschallwandlers1 erforderlich sind. In1 ist ein derartiges Bauelement12 angedeutet. - Es sei angemerkt, dass die Bauelemente
12 und zugehörige Leiterbahnen auch auf der Rückseite der Leiterplatte2 angeordnet sein können. -
2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der in1 dargestellten Querschnittsansicht. Anhand von2 wird deutlich, dass eine auf die Leiterbahnen3 aufgebrachte Lötstoppschicht13 die Basiselektrode4 und die Membranelektrode5 auf Abstand hält. Ferner sind in2 Lufttaschen14 erkennbar, die eine Bewegung der Membranelektrode5 ermöglichen. -
3 zeigt eine Aufsicht auf die Struktur der Leiterbahnen3 , falls eine symmetrische Schallkeule erzielt werden soll. Bei dem in3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Leiterbahnen3 in konzentrischen Kreisbahnen angeordnet, die durch radiale Leiterbahnen15 verbunden sind. Ferner ist in3 eine externe Kontaktleiterbahn16 dargestellt, die zur Kontaktierung der Basiselektrode4 verwendet werden kann. - Anstelle des Federelements
9 kann auch eine Kontaktierung über einen Leitlack oder Leitkleber vorgesehen sein. Insbesondere kann es sich bei dem Klebstoff8 um einen Leitkleber handeln. - Zur Herstellung des Ultraschallwandlers
1 werden zunächst die Leiterbahnen3 ,15 und16 mit Hilfe der üblichen Strukturierungstechniken herausgebildet. Dazu wird eine Photolackschicht mit Hilfe einer Maske belichtet und anschließend die auf die Leiterplatte2 aufkaschierte Metallschicht in einem Ätzverfahren strukturiert. - In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Lötstoppschicht
13 aufgebracht, wobei Kontaktflächen, auf die Bauteile aufzulöten sind, frei gehalten werden. Anschließend kann die Membranelektrode5 auf die Basiselektrode4 aufgebracht und an der Leiterplatte2 befestigt werden. Dabei kann auch die Bestückung mit den Bauelementen12 vorgenommen werden. - Der hier beschriebene Ultraschallwandler
1 weist eine Reihe von Vorteilen auf. - Da die Ausbildung der Basiselektrode
4 zusammen mit der Strukturierung der Leiterbahnen auf der Leiterplatte2 erfolgt, sind keine zusätzlichen Verfahrensschritte zur Ausbildung der Basiselektrode4 erforderlich. Ferner ermöglicht der Ultraschallwandler1 eine kompakte Bauform, da die Bauelemente für die zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers1 erforderliche Ansteuerschaltung ebenfalls auf der Leiterplatte2 angeordnet werden können. - Es sei darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, außer wenn dies aus Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist.
- Schließlich wird darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.
-
- 1
- Ultraschallwandler
- 2
- Leiterplatte
- 3
- Leiterbahn
- 4
- Basiselektrode
- 5
- Membranelektrode
- 6
- Trägerschicht
- 7
- Metallschicht
- 8
- Klebstoff
- 9
- Federelement
- 10
- externer Anschluss
- 11
- externer Anschluss
- 12
- Bauelement
- 13
- Lötstoppschicht
- 14
- Lufttasche
- 15
- Leiterbahn
- 16
- Kontaktleiterbahn
Claims (13)
- Schallwandler mit einer schwingfähigen Membranelektrode (
5 ) und mit einer im Abstand zur Membranelektrode (5 ) angeordneten Basiselektrode (4 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Basiselektrode (4 ) von wenigstens einem auf einem Schaltungsträger (2 ) angeordneten Leiterbahnzug (3 ) gebildet ist. - Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger eine Leiterplatte (
2 ) ist. - Schallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiselektrode (
4 ) in einer zur Strukturierung von Leiterbahnzügen auf dem Schaltungsträger (2 ) verwendeten Metallschicht ausgebildet ist. - Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiselektrode (
4 ) von einer Deckschicht (13 ) abgedeckt ist. - Schallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht eine Lötstoppschicht (
13 ) ist. - Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranelektrode (
5 ) eine Trägerschicht (6 ) und eine darauf aufgebrachte leitfähige Schicht (7 ) umfasst. - Schallwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (
7 ) auf der der Basiselektrode (4 ) zugewandten Seite der Membranelektrode (5 ) ausgebildet ist. - Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranelektrode (
5 ) auf die Leiterplatte (2 ) aufgeklebt ist. - Schallwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranelektrode (
5 ) mit Hilfe eines Leitklebers auf den Schaltungsträger (2 ) aufgeklebt ist. - Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranelektrode (
5 ) mit Hilfe eines an dem Schaltungsträger (2 ) angebrachten Federelements (9 ) kontaktiert ist. - Verfahren zur Herstellung eines Schallwandlers, bei dem eine Membranelektrode (
5 ) auf eine Basiselektrode (4 ) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiselektrode (4 ) als Leiterbahn (3 ) auf einem Schaltungsträger (2 ) strukturiert wird. - Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiselektrode (
4 ) in einer zum Ausbilden von Leiterbahnzügen (3 ,15 ,16 ) vorgesehenen Metallschicht einer Leiterplatte (2 ) strukturiert wird. - Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiselektrode (
4 ) anschließend mit einer Lötstoppschicht (13 ) überzogen wird.
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