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Die
Erfindung betrifft eine Ultraschall-Sende- und Empfangsvorrichtung,
mit einer keramischen Schallankopplungsplatte, die auf seiner Breitseite
ein Piezoelement trägt, wobei das Piezoelement elektrisch
leitend mit einer elektrisch leitenden und mechanische Longitudinalschwingungen übertragenden Haftschicht
mit auf der Breitseite angeordneten Leiterbahnen verbunden ist.
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Eine
derartige Ultraschall-Sende- und Empfangsvorrichtung ist aus der
DE 102 00 502 041 A1 vorbekannt.
Die vorbekannte Vorrichtung besitzt eine Schallankopplungsplatte
aus einem keramischen Material. Auf einer Breitseite dieser Schallankopplungsplatte
sind Leiterbahnen aufgebracht. Mit einem Leitkleber ist auf eine
Leiterbahnfläche die Breitseite eines münzförmigen
Piezoelementes aufgeklebt. Die andere Breitseite des Piezoelementes
ist ebenfalls mit einer Leiterbahn kontaktiert. Über die
Leiterbahnen und die sich auf den beiden sich gegenüberliegenden
Breitseiten des Piezoelementes befindenden Elektroden wird elektrische
Energie in das Piezoelement eingekoppelt. Das Piezoelement wirkt
als Schallerreger und ist über die Leitkleberverbindung mechanisch
mit der Schallankopplungsplatte derart verbunden, dass mechanische
Longitudinalwellen, also Schwingungen senkrecht zur Klebeschicht
auf die Schallankopplungsplatte übertragen werden. Über
die Rückseite der Schallankopplungsplatte werden diese
Schwingungen in ein Medium, beispielsweise Öl eingekoppelt,
um mit Hilfe der so erzeugten Ultraschallschwingungen den Füllstand
einer Flüssigkeit zu ermitteln.
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An
dieser an sich in ausreichendem Maße funktionierenden Vorrichtung
wird die Schallankopplung zwischen Piezoelement und Schallankopplungsplatte
als verbesserungswürdig erachtet. Da die Schallgeschwindigkeit
in der aus Epoxydharz bestehenden Haftschicht deutlich geringer
ist als die Schallgeschwin digkeiten im Piezoelement bzw. in der
keramischen Schallankopplungsplatte, treten im Bereich dieser Grenzschicht
Reflektionen und Dämpfungen auf. Zusätzlich kann
es an dieser Grenzschicht zu Phasensprüngen kommen. Des
Weiteren ist die elastische Haftschicht zwar in der Lage Longitudinalschwingungen
zu übertragen, nicht aber Transversalschwingungen. Die Übertragung
derartiger Transversalschwingungen scheitert an der Scherspannungsfestigkeit
der Haftschicht insbesondere bei Temperaturen, die oberhalb der
Glastemperatur des elastisch bzw. plastisch verformbaren Klebers
liegen.
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Es
hat sich herausgestellt, dass je nach Anordnung des Piezoelementes
auf der Schallankopplungsplatte die Übertragung von Transversalschwingungen
zur Erhöhung der Effizienz von Bedeutung ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer
gattungsgemäßen Vorrichtung und deren Energieübertragung
zu verbessern.
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Gelöst
wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene
Erfindung, wobei jeder Anspruch eine eigenständige Lösung
der Aufgabe darstellt und mit jedem anderen Anspruch kombinierbar ist.
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Zunächst
und im Wesentlichen ist vorgesehen, dass die Haftschicht eine verminderte
Dicke aufweist. Während die bekannte Klebeschicht aus einer 20
bis 40 μm starken Epoxydharzschicht besteht, soll jetzt
eine Schichtdicke von kleiner als 15 μm verwendet werden.
Die Schichtdicke liegt bevorzugt zwischen 10 und 12 μm.
Bezogen auf die Schallgeschwindigkeiten von Piezoelement, Haftschicht
und Schallankopplungsplatte soll die Schichtdicke niedriger sein
als ein Viertel der Wellenlänge der niedrigsten Resonanzfrequenz.
Die Materialeigenschaft der Haftschicht soll so gewählt
sein, dass eine derartige mechanische Scherspannungsfestigkeit besteht, dass
neben den mechanischen Longitudinalschwingungen auch mechanische
Transversalschwingungen zwischen Pie zoelement und Schallankopplungsplatte übertragen
werden. Es werden somit auch solche Schwingungen übertragen,
die in der Ebene der aneinander angrenzenden Flächen schwingen.
Das im MHz-Bereich angeregte Piezoelement vollführt eine
Fassschwingung, die sowohl einen longitudinalen Schwingungsanteil
als auch einen transversalen Schwingungsanteil besitzt. Zufolge
der scherspannungsfesten Ankopplung des Piezoelementes an die Schallankopplungsplatte
kann diese komplexe Schwingung auf die Schallankopplungsplatte übertragen
werden. Die Schallankopplungsplatte bildet zusammen mit dem Piezoelement
einen schallfesten Klangkörper, indem die einzelnen Klangkörperbestandteile
im Wesentlichen dämpfungsfrei derart aneinander gekoppelt
sind, dass auch Reflektionen oder Phasensprünge im Bereich
der Grenzfläche vermieden sind. Die Fläche der
Verbindungsbreitseite, mit der das Piezoelement, also der Schwingungserreger
mit der Schallankopplungsplatte verbunden ist, ist größer
als die korrespondierende Fläche der Schallankopplungsplatte.
Sowohl das Piezoelement als auch die Schallankopplungsplatte können
beliebige Konturen aufweisen. Bevorzugt weist das Piezoelement eine
kreisrunde Umfangskontur auf und besitzt die Schallankopplungsplatte
eine anders gestaltete, insbesondere rechteckige Umrisskontur. Das
Piezoelement ist im Wesentlichen mit seiner gesamten Breitseitenfläche
mit nur einem Teilbereich der korrespondierenden Breitseitenfläche
der Schallankopplungsplatte verbunden. Der Verbindungsbereich, mit dem
die Breitseitenfläche der Schallankopplungsplatte mit dem
Piezoelement verbunden ist, stellt nur einen Bruchteil der gesamten
Breitseitenfläche der Schallankopplungsplatte dar. Aufgrund
dieser Flächenverhältnisse bekommt die erfindungsgemäße ermöglichte Übertragung
auf transversaler Schwingungen eine besondere akustische Bedeutung.
Zur Verbindung von Piezoelement mit Schallankopplungsplatte wird
ein Verfahren verwendet, bei dem Temperaturen auftreten, die deutlich
niedriger sind als die Curietemperatur des Piezoelementes, also insbesondere
geringer als 250°C sind. Als besonders bevorzugt wird ein
Sinterverfahren angesehen, bei denen nanokristalline Metallpulver,
insbesondere ein Silber enthaltendes Metallpulver verwendet wird. Dieses
als Paste applizierbare Pulver wird im Siebdruckverfahren auf die
Oberfläche der insbesondere als Al2O3 bestehenden Schallankopplungsplatte aufgebracht.
Unter Druck und Temperaturen bis unterhalb der Curietemperatur erfolgt
dann die Versinterung, also beispielsweise bei Temperaturen zwischen 70°C
und 250°C. Die mittlere Korngröße ist
so gewählt, dass die Oberflächenenergie und die
Volumenenergie der Nanoteilchen in einem günstigen Verhältnis
zueinander stehen. Die Korngröße kann zwischen
einigen hundert nm und einigen μm betragen. Das Al2O3-Substrat kann
eine Dicke von 500 bis 1000 μm betragen. Bevorzugt trägt
die Dicke der Schallankopplungsplatte 630 μm. Je nach bevorzugter
Frequenz kann die Schichtdicke des münzenförmigen Piezoelementes
zwischen 250 μm und 1000 μm betragen. Die Resonanzfrequenzen
können über die geometrischen Abmessungen und
insbesondere die Longitudinalfrequenz über die Dicken von
Piezoelement und Schallankopplungsplatte eingestellt werden. Insofern
sind die zuvor genannten Dickenangaben als typische Werte anzusehen.
Die Haftschicht wird bevorzugt auf eine zuvor auf die Breitseite
der Schallankopplungsplatte aufgebrachte Leiterbahn aufgebracht.
Bei dieser Leiterbahn kann es sich um eine ebenfalls aufgesinterte
Metallschicht handeln, die die Elemente Au, Ag, Pt und Pd enthält.
Die nanokristalline Metallsschicht kann dieselben Elemente beinhalten.
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Die
erfindungsgemäße Ultraschall-Sende- und Empfangsvorrichtung
wird bevorzugt als Ultraschallfüllstandssensor verwendet,
wie er in der
DE 103 60 107 bzw.
der
DE 10 2005
012 041 A1 beschrieben wird, weshalb diese Druckschriften
mit in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung einbezogen werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Herstellung
einer derartigen Ultraschall-Sende- und Empfangsvorrichtung. Wesentlich
ist die Verwendung eines nanokristallinen Metallpulvers, welches auf
einen Abschnitt der Leiterbahn aufgebracht wird. Dieses nanokristalline
Metallpulver bzw. die nanokristalline Metallpulverpaste liegt zwischen
Piezoelement und Schallankopplungsplatte.
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Durch
Aufbringen einer Kraft in Richtung der Breitseitenflächennormalen
des Piezoelementes wird innerhalb der nanokristallinen Metallpulverschicht
ein Druck aufgebaut. Dies erfolgt bei einer Temperatur, die unterhalb
der Curietemperatur des Piezoelementes liegt. Bei diesen Fertigungsparametern
entsteht zwischen Piezoelement und Schallankopplungsplatte eine
dünne gesinterte Schicht, die eine ausreichende Festigkeit
hat, Transversalschwingungen zwischen Piezoelement und Schallankopplungsplatte
zu übertragen.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine
grob schematische perspektivische Darstellung einer Ultraschall-Sende-
und Empfangsvorrichtung,
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2 eine
Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 1 und
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3 einen
Schnitt gemäß der Linie III-III in 1.
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Die
in den Zeichnungen dargestellte Ultraschall-Sende- und Empfangsvorrichtung
besteht aus einem Al2O3-Substrat
von einer Materialstärke von etwa 630 μm. Auf
einer der beiden Breitseiten 1' dieser Schallankopplungsplatte 1 sind
Leiterbahnen 3, 4 aus einer Metalllegierung aufgesintert.
Die Leiterbahn 3 bildet eine Kontaktfläche aus,
die etwa der Grundrisskontur des als Flachzylinder ausgebildeten Piezoelementes 2 besitzt.
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Das
Piezoelement 2 ist mit seiner gesamten, eine kreisrunde
Umrisskontur aufweisenden Breitseitenfläche mit der Schallankopplungsplatte 1 verbunden.
Die Breitseitenfläche der Schallankopplungsplatte 1 ist
um mehr das Doppelte größer als die Breitseitenfläche
des Piezoelementes. Die Breitseitenfläche der Schallankopplungsplatte 1 besitzt
darüber hinaus auch eine andere Umrisskon tur. Sie ist rechteckig.
Sie kann aber auch rund sein oder eine andere Umrisskontur aufweisen.
Die erfindungsgemäße Eigenschaft der Haftschicht 7,
auch transversale Schwingungen zu übertragen, ermöglicht
es, dass das Piezoelement 2 außerzentrisch mit
der Schallankopplungsplatte 1 verbunden ist. Mit der Bezugsziffer 6 ist
ein verlängerter Abschnitt der Leiterbahn 4 bezeichnet,
der den Umfangsrand des Piezoelementes überbrückt
und eine runde Kontaktfläche ausbildet. Über diese
Kontaktfläche 6 und die erwähnte Goldschicht
wird das Piezoelement 2 mit elektrischer Energie versorgt.
Die gegenüberliegende Seite besitzt ebenfalls eine nicht
dargestellte Goldschicht, mit der die Leitverbindung über
die Haftschicht 7 zur Leiterbahn 3 hergestellt
ist.
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Die
beiden voneinander wegweisenden Breitseiten des Piezoelementes 2 können
eine Metallschicht, beispielsweise eine dünne Goldschicht tragen,
die kontaktvermittelnd wirkt. Mit der Bezugsziffer 6 ist
ein verlängerter Abschnitt der Leiterbahn 4 bezeichnet,
der den Umfangsrand des Piezoelementes überbrückt
und eine runde Kontaktfläche ausbildet. Über diese
Kontaktfläche 6 und die erwähnte Goldschicht
wird das Piezoelement 2 mit elektrischer Energie versorgt.
Die gegenüberliegende Seite besitzt ebenfalls eine nicht
dargestellte Goldschicht, mit der die Leitverbindung über
die Haftschicht 7 zur Leiterbahn 3 hergestellt
ist.
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Zur
Befestigung des Piezoelementes 2 mit der Kontaktfläche 5 ist
eine Haftschicht 7 vorgesehen, die eine Schichtdicke von
10 bis 12 μm besitzt. Diese Haftschicht hat eine metallähnliche
Eigenschaft. Sie ist in der Lage Transversalschwingungen T und Longitudinalschwingungen
L vom Piezoelement 2 auf die Schallankopplungsplatte 1 und
in Gegenrichtung zu übertragen. Die so ausgebildete Ultraschall-Sende-
und Empfangsvorrichtung ist somit in der Lage, einerseits Schallwellen
auszusenden und andererseits Schallwellen zu empfangen. Als Schallankopplungsfläche
dient die rückwärtige Breitseitenfläche 1'' der Schallankopplungsplatte 1.
Diese steht in Flächenkontakt mit einem Medium, bei dem es
sich beispielsweise um Öl handeln kann.
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Die
Fertigung der Haftschicht 7 erfolgt durch ein Sinterverfahren.
Zunächst wird beispielsweise im Siebdruck eine Paste aus
nanokristallinem Metallpulver, insbesondere Silber auf die Kontaktfläche 5 aufgebracht.
Unter Ausübung eines Drucks und einer Temperatur, die geringer
ist als die Curietemperatur des Piezoelementes also geringer als
250°C, wird diese Paste dann derart in einem Sinterprozess
verhärtet, dass eine Scherspannungsfestigkeit erreicht ist,
die hoch genug ist, um Schwingungen zu übertragen, die
in der Grenzflächenebene schwingen.
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Auf
die von der Haftschicht 7 wegweisende Breitseite des Piezoelementes 2 ist
die oben erwähnte weitere Kontaktfläche 6 aufgebracht,
die in leitender Verbindung mit der Leiterbahn 4 steht.
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Materialstärke
des Piezoelementes 2 liegt im Bereich zwischen 250 und
1000 μm.
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Das
Piezoelement kann auch aus einem anderen Material als Al2O3 gefertigt werden,
beispielsweise auch aus FR4. Beispielhaft werden nachfolgend physikalische
Eigenschaften eines geeigneten Piezoelementes bzw. einer geeigneten
Schallankopplungsplatte genannt:
Das Piezoelement hat ein Elastizitätsmodul
von etwa 125.000 MPa. Die Al2O3-Schicht
hat ein Elastizitätsmodul von etwa 370.000 MPa. Die im
Wesentlichen aus Silber bestehende Haftschicht besitzt ein Elastizitätsmodul
von etwa 80.000 MPA. Die entsprechenden Schallgeschwindigkeiten
betragen etwa 4.000 m/s, 10.000 m/s bzw. 2.800 m/s. Wesentlich,
dass die Schallgeschwindigkeit der Haftschicht größer
ist als 2.000 m/s. Sie soll bevorzugt größer sein,
als die Hälfte der Schallgeschwindigkeit des Piezoelementes.
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Alle
offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich.
In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt
der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen
(Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch
zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender
Anmeldung mit aufzunehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10200502041
A1 [0002]
- - DE 10360107 [0008]
- - DE 102005012041 A1 [0008]