DE102010000391B4

DE102010000391B4 - Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall

Info

Publication number: DE102010000391B4
Application number: DE102010000391.3A
Authority: DE
Inventors: Marc Kreutzbruck; Jens Prager; Joachim Döring
Original assignee: Bundesanstalt fur Mat und Pruefung Bam; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesanstalt fur Mat und Pruefung Bam; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2030-02-12
Also published as: DE102010000391A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall, umfassend:- eine HF-Quelle;- zwei Elektroden (16), die geeignet sind, an die HF-Quelle angeschlossen zu werden; und- eine Schicht (11, 21, 31, 41, 51, 51, 61, 71, 81, 91, 101, 111), umfassend eine elektrisch leitfähige Graphen-Struktur, welche die zwei Elektroden elektrisch leitend miteinander verbindet,wobei die Graphen-Struktur mittels einer Drahtbondverbindung (77, 771, 871, 967) über Öffnungen in der Schicht mit einem Leiterzug (66, 76, 86, 966, 106) eines Substrates (65, 75, 85, 95, 105, 115, 650, 750, 1050, 1150) unter diesen Öffnungen elektrisch leitfähig verbunden ist und/oder an dieser befestigt ist, undwobei die Schicht zwei einander gegenüber liegende Ränder aufweist, die mit jeweils einem Leiterzug auf dem Substrat elektrisch leitfähig verbunden sind und/oderdie Schicht zumindest drei individuelle lokale Drahtbondverbindungen mit jeweils einem anderen Leiterzug aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Prüfkopf zur Erzeugung von Ultraschall, einen Schalldruck-Wandler und dessen Einsatz als Schnellemikrofon sowie deren Verwendung, miteinander kombiniert oder gesondert voneinander, in Vorrichtungen und Verfahren der zerstörungsfreien Materialprüfung.
Gerichteter Ultraschall bietet über die Analyse der bei Wechselwirkung mit einem Prüfling erhaltenen Messsignale die prinzipielle Möglichkeit, Materialarten zu unterscheiden, Positionen, Abstände, Dicken, Fließrichtungen und Fließgeschwindigkeiten zu bestimmen, bzw. Risse, Risstiefen, Delaminationen oder andere Störungen nachzuweisen und darzustellen. Das begründet den Einsatz von Ultraschall u.a. in der zerstörungsfreien Materialprüfung. Im Hinblick auf Anwendungen in der zerstörungsfreien Materialprüfung von Bauteilen oder Konstruktionselementen kommt der Erzeugung und gerichteten Abstrahlung von Ultraschall-Impulsen oder Ultraschall-Frequenz-Sweeps, sowie der Empfindlichkeit der zum Empfang und zur Analyse reflektierter Ultraschallsignale eingesetzten Mikrofone, eine besondere Bedeutung zu.
Zur Verbesserung der Schalleinkopplung werden dabei Koppelmedien verwendet. Koppelmedienfreie (Luftultraschall-)Messungen werden vorrangig zur Ermittlung von Abständen, Füllhöhen oder Geschwindigkeiten, z.B. strömender Medien eingesetzt. Aus dem Flugzeugbau ist die trockene Ultraschallprüfung zum Rissnachweis in mehrlagigen Aluminium-Verbundstrukturen bekannt.
Dabei kommen überwiegend piezoelektrische Wandler auf Basis von Blei-Zirkon-Titanat (PZT) als PZT-Keramiken und PZT-Verbundwerkstoffe, z.B. PZT-Polymerkomposite zum Einsatz. Um koppelmittelfrei arbeiten zu können, werden üblicherweise λ/4 - Anpassschichten eingesetzt, die allerdings schmalbandig sind.
Alternativ zur Ultraschallerzeugung geeignete Elektrete auf Polymerbasis, z.B. Polypropylen (PP) befinden sich noch in der Entwicklungsphase. Ihrer Struktur entsprechend ist die Dichte einer mit Dünnfilmelektroden versehenen PP-Schaumfolie sehr niedrig und die Schallgeschwindigkeit in PP gering. Deshalb kommt ihre akustische Impedanz der von Luft schon relativ nahe. Nachteilig ist jedoch, dass auf PP-Schaumfolien basierende Ultraschallwandler hohe Betriebsspannungen bis 1000 V erfordern.
Trotz einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit bekannter Schallwandler-Architekturen unter Verwendung immer dünnerer Schichten bleiben die trockenen Luftultraschall-Verfahren in der Prüftechnik aber vor allem wegen des geringeren Signal/Rausch Verhältnisses (SNR) hinter den Ultraschallverfahren mit Koppelmittel zurück. Vor diesem Hintergrund besteht Bedarf an einer weiteren Verbesserung.
In DE 31 35 053 C2 wird ein bildgebendes Ultraschalldiagnosegerät beschrieben, das ein inkohärentes Schallfeld mittels eines kontinuierlich Ultraschall sendenden Ultraschallsenders und eines durch diesen bestrahlten und als Verwirbelungskammer ausgebildeten Diffusors erzeugt. Xiao, L.; Chen, Z. et al. (2008) beschreiben in Nano Letters, vol. 8(12), S. 4539-4545 einen flexiblen, dehnbaren und transparenten Kohlenstoff-Nanoröhren-Dünnfilm-Lautsprecher, der beim Anlegen einer Sinus-Spannung klare und laute Töne in alle Richtungen emittieren kann.
Überraschend wurde bei der Beaufschlagung von Filmen mit ungeordneten aber auch gerichtet angeordneten Kohlenstoffnanoröhren ein Anstieg des Schalldrucks (sound pressure level -SPL) um mehr als eine Dekade für Pulsfrequenzen bis 1 MHz erreicht. Dieser überraschend hohe Wert beruht offenbar auf dem besonderen thermischen Verhalten von Kohlenstoffnanoröhren. Erst oberhalb dieser Frequenz scheint die thermische Leitfähigkeit der umgebenden Luft als Tiefpassfilter begrenzend zu wirken. Das eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung eines wirkungsvollen Luftschallerregers für den Ultraschallbereich und dessen Einsatz als Wandler in Prüfköpfen für die zerstörungsfreie Materialprüfung.
Die Verwendung standardisiert herstellbarer Dünnschichten, ihre Beaufschlagung mit hochfrequent gepulstem Gleichstrom und die damit erreichte Erweiterung des Frequenzbereichs über den Hörbereich hinaus bis in den Ultraschallbereich bei 1 MHz erschließt neue Anwendungen der thermo-akustischen Schallerzeugung, u.a. für die zerstörungsfreie Materialprüfung mit Leistungsdaten, die jenen der konventionellen UT-Prüfung (Ultraschall-Prüfung) vergleichbar sind.
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall (Ultraschallwandler) gemäß Anspruch 1, ein Prüfkopf für die zerstörungsfreie Ultraschallprüfung gemäß Anspruch 6, sowie ein Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung gemäß Anspruch 9, sowie die Verwendung einer Vorrichtung zur koppelmittelfreien Materialprüfung gemäß Anspruch 13 vorgeschlagen.
Wie in 12 dargestellt, kann der gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen beschriebene Ultraschallwandler mit einem Schnellemikrofon kombiniert eingesetzt werden. Diese Kombination kann in einem gemeinsamen Gehäuse in Form eines Mess- und Prüfkopfes mit einer gemeinsamen elektronischen Peripherie (Steuer-, Mess- und Auswerte-Einheit) bestehen. Das dabei beispielsweise verwendete Schnellemikrofon kann das nach einer oder mehreren Ausführungsformen beschriebene auf Graphen-Strukturen beruhende Schnellemikrofon für den Hör- und Ultraschallbereich sein.
Unter Graphen-Strukturen werden Modifikationen des Kohlenstoff verstanden, die eine hexagonale Struktur kovalent miteinander verknüpfter Kohlenstoffatome zu flächigen Kristallen aufweisen. Wird die Graphen-Struktur von nur einer Atomlage hexagonal miteinander über sp²-Bindungen verknüpfter Kohlenstoffatome gebildet, so spricht man bei planarer Anordnung von einer einfachen Graphenschicht. Die mehrlagige Anordnung derartiger Schichten übereinander führt zu der vom Graphit her bekannten räumlichen Grundstruktur. Zu einer Zylinderform „aufgerollte“ oder „aufgewickelte“, in sich „geschlossene“ Graphen-Strukturen , die als gerade, gekrümmte oder spiralig geformte Tubuli vorliegen können, werden als Kohlenstoffnanoröhren bezeichnet. Ist die Wandung der Röhre von nur einer Graphenschicht gebildet, so werden diese als einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (single wall CNT, SWCNT) bezeichnet. Tubuli mit einer mehrlagigen Wandung werden als Multiwall-Kohlenstoffnanoröhren (Multiwall CNT, MWCNT) bezeichnet. Dabei bleibt die jeweilige Orientierung der Längsachse der Graphen-Struktur bezüglich der hexagonalen Kristallstruktur der Graphenschicht, bzw. die Chiralität und der Winkel der „Wicklung“ unberücksichtigt. Eine weitere Graphen-Struktur stellen sogenannte Cup Stacked Carbon Nanotubes (CSCNT) dar. CSCNT können als Übergangsform zwischen SWCNT und MWCNT aufgefasst werden. Es handelt sich dabei um Röhren, die aus ineinander „gestapelten“ konusförmigen (oder „torusartigen“) CNT bestehen. Eine Graphen-Struktur nach Art einer aus SWCNT und/oder MWCNT bestehenden „Filz“-Schicht wird als Buckypaper bezeichnet. Buckypaper können herstellungsabhängig zusätzlich Hilfsstoffe aufweisen. Einwandige kugelige Gebilde, die neben der hexagonalen auch pentagonale Kohlenstoff-Verknüpfungen aufweisen können und damit ebenso auf einer netzartigen Grundstruktur miteinander kovalent verbundener Kohlenstoffatome beruhen, werden als Fullerene bezeichnet.
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen können die verwendeten Graphen-Strukturen als einlagige oder mehrlagige Schichten vorliegen. Gemäß einer oder mehrerer weiterer Ausführungsformen können die verwendeten Graphen-Strukturen einwandige und/oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren und/oder Fullerene aufweisen.
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen können die benannten Graphen-Strukturen allein oder als von ihnen gebildete Überstrukturen oder in Form ihrer Gemische verwendet werden. Dabei kann es sich beispielsweise um faserförmige, fädige, fibrilläre, drahtähnliche, stäbchenförmige, nadelartig kristalline, bändchenförmige, streifenförmige oder kabelartige Formen, oder um Fasern, Fäden, Garne, Fibrillen, Stäbe, Nadeln, Bänder, Streifen, Drähte oder Kabel handeln. Die Graphen-Strukturen können in Form einer papierartigen oder filzartigen Schicht vorliegen.
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen kann auch eine ungeordnete Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren, beispielsweise in Form einer papierartigen Schicht die hier als Buckypaper bezeichnet wird, für eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung oder zum Einsatz in der medizinischen Diagnostik oder Therapie verwendet werden.
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen werden verschiedene, auf einer Graphen-Struktur beruhende und elektrisch leitfähige Kohlenstoff-Materialien in Vorrichtungen und Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall eingesetzt. Dabei kann die Graphen-Struktur beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe planarer einlagiger Graphenschichten, mehrlagiger Graphenschichten, einwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNT), mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT), cup stacked Kohlenstoff-Nanoröhren (CSCNT) und/oder Buckypaper. Ebenso können andere kohlenstoffhaltige, eine oder mehrere der genannten Strukturen aufweisende Materialien verwendet werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten, Aspekte und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.
Der Prüfkopf gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen besteht aus einem Gehäuse und einem Wandler. Die Funktionsweise des Wandlers beruht auf einer mit zwei Kontakten ausgestatteten dünnen Schicht die eine Graphen-Struktur aufweist. Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen enthält diese Schicht elektrisch leitfahige Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nano Tube = CNT).
Unter Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden aus ein- und mehrlagigen Graphenschichten bestehende Röhrchen oder Tubuli mit Dicken zwischen 1 nm und etwa 100 Nanometer verstanden. Die Länge einzelner Kohlenstoffnanoröhren oder Röhrenbündel kann dabei einige mm und mehr als 1 cm betragen. Röhrenbündel können entsprechend höhere Durchmesser aufweisen und auch aus unterschiedlichen Graphen-Strukturen bestehen. Ebenso sind verzweigte Kohlenstoff-Nanoröhrchen bekannt und können, beispielsweise zu Fäden gezogen oder miteinander zu Fäden versponnen, für die hier beschriebenen Anwendungen verwendet werden. Werden Graphen-Streifen oder Bändchen eingesetzt, so kann ihre Breite mindestens 40 nm, beispielsweise 100 nm bis 5 µm, insbesondere mehr als 60 nm und weniger als 10 µm betragen.
Von der atomaren Struktur her bestehen CNT aus „aufgerollten“ und in sich geschlossenen Graphenschichten. Das hier beschriebene Ultraschallmikrofon kann sowohl mit CNT als auch mit schmalen Graphen-Bändchen oder -Streifen aufgebaut werden. Der Vorteil der letztgenannten Ausführungsformen besteht darin, dass sich die strukturierte Abscheidung von Graphenschichten problemlos in gängige Planar-Technologien zur Strukturierung von Chipsubstraten integrieren lässt. Besonders eine anisotrope Ätzung des Trägersubstrates kann zur Schaffung einer die Sensitivität des Schnellemikrofons günstig beeinflussenden Geometrie genutzt werden. So können Ätzbedingungen gewählt werden, unter denen die Graphen-Strukturen nicht in Mitleidenschaft gezogen werden.
Basierend auf einer elektro-thermo-akustischen Energiewandlung beispielsweise hochfrequent gepulsten Gleichstroms, wird vom stromdurchflossenen Areal des CNT-Films Ultraschall erzeugt. Der Wandler wirkt dabei als Aktor. Im Weiteren wird dieser CNT-Film, wie in der Fachliteratur üblich, als Buckypaper bezeichnet. Der vom Buckypaper erzeugte Ultraschall wird über den Prüfkopf gerichtet mit hohem Schalldruck abgestrahlt. Dadurch kann ein derartiger Prüfkopf für die trockene bzw. koppelmittelfreie Ultraschallprüfung eingesetzt werden. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthaltende Dünnschicht kann dazu mit elektrischen Signalen geeigneter Frequenz beaufschlagt werden.
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen ist dazu ein CNT-haltiger Film (Buckypaper) an zwei Positionen, z.B. an einander gegenüber liegenden Rändern elektrisch kontaktiert. Die Kontakte müssen nicht unbedingt am Rand der verwendeten CNT-Schicht angebracht sein. Es ist ebenso möglich, dass die CNT-Schicht (Buckypaper) weit größer ist, als der Abstand der beiden Elektrodenkontakte zueinander. Im Gehäuse entsprechend untergebracht, erfüllt das Buckypaper die Funktion eines in einem Prüfkopf angeordneten Wandlers für die Ultraschall-Erzeugung, z.B. zur Luftultraschall-gestützten Materialprüfung.
Es ist ebenso möglich, einen Wandler als Sensor in Form eines Schallschnellemikrofons zu betreiben. Das Schallschnellemikrofon beruht auf dem Prinzip der frequenzabhängigen Kühlwirkung eines einfallenden Schallfeldes. Durch einfallenden Schall verursachte Widerstandsänderungen eines vorgeheizten Drähtchens oder die Änderungen der zur Kompensation einer Widerstandsänderung erforderlichen Spannung können erfasst und in ein messbares elektrisches Signal umgewandelt werden. Einen derartigen Sensor stellt beispielsweise ein von Fomin et al. beschriebenes Hitzdraht Anemometer dar.
Für den Einsatz als Schnellemikrofon können zwei oder mehrere unabhängig voneinander kontaktierte Drähtchen nebeneinander eingesetzt werden. Das eröffnet die Möglichkeit, die Richtung aus der das Schallsignal einfällt, zu bestimmen. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Drähten kann im Bereich weniger µm liegen.
Werden derartige Schnellemikrofone in Form eines Array angeordnet, lässt sich eine Schallquelle präzise orten. Die arrayartige Anordnung der hier beschriebenen Messköpfe bietet die Möglichkeit einer bildgebenden Bauteilprüfung.
Die Nutzung des genannten Sensor-Prinzips in Ultraschall-gestützten Verfahren der zerstörungsfreien Materialprüfung mit Hilfe von nahezu masselosen CNT bzw. Graphen-Bändchen in Verbindung mit einer Verstärker-Schaltung nach Art einer Wheatston 'schen Messbrücke wird in Ausführungsbeispielen ausführlich beschrieben.
Technische Vorteile bestehen in einer gegenüber bekannten Schnelle-Mikrofonen erweiterten Einsetzbarkeit für Frequenzen im unteren Ultraschallbereich bei gleichzeitig erhöhter Empfindlichkeit. Darüberhinaus können mit den in den Ansprüchen beschriebenen Schnellemikrofonen Ultraschallsignale nahezu unabhängig von der Außentemperatur analysiert werden. Sie sind damit auch bei tiefen oder sehr hohen Temperaturen, wie sie unter Praxisbedingungen anzutreffen sind, einsetzbar.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen werden Drähte oder Leiter aus ein- oder mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) verwendet, die einen Durchmessers im Bereich von etwa 3 nm bis 30 nm, insbesondere etwa 16 nm aufweisen. Alternativ können CNT-Bündel und elektrisch leitfähige CNTs enthaltende Fäden oder Filamente verwendet werden. Die Graphen-Strukturen überbrücken mindestens zwei zum Heizen und zur Widerstandsmessung verwendete Elektroden bzw. Elektrodenkontakte. Die Elektroden sind dazu an eine Stromquelle und ein geeignetes Messinstrument angeschlossen. Als unmittelbare Anschlussstrukturen der Elektroden kommen metallische oder halbleitende Kontakte in Betracht, die mittels der in der Mikroelektronik üblichen Technologien auf einem starren Substrat aufgebracht werden. Dafür geeignete Metalle sind beispielsweise Gold, Silber, Platin, Kupfer, Nickel, Palladium, Niobium und Aluminium oder diese enthaltende Legierungen.
Als Substrate können die in der Mikroelektronik üblichen einkristallinen Wafer-Materialien verwendet werden, beispielsweise Silizium oder Siliziumnitrid.
Die als Drähte eingesetzten und Kohlenstoffnanoröhren aufweisenden Filamente oder Fasern können individuelle und durchgängige Kohlenstoffnanoröhren sein. Ebenso können die Drähte Kabel oder CNT-Bündel darstellen, die mehrere solche Kohlenstoffnanoröhren aufweisen.
Zum Schutz der Kontaktierung der Graphen-Strukturen und zur Erhöhung der mechanischen Stabilität können geeignet gefüllte Polymermischungen verwendet werden. Bevorzugt werden dafür die in der Mikroelektronik üblichen thermisch härtenden Verkapselungsmassen. Eine bei der partiellen Verkapselung erfolgende Durchtränkung der Kohlenstoff-Strukturen mit Polymerkomponenten kann sich vorteilhaft auf die Standzeit oder auf eine bevorzugte Bandbreite auswirken. Ebenso können während der Herstellung entstandene Polymerspuren auf Grund der hohen Stromtragfähigkeit der Graphen-Strukturen leicht ausgeheizt werden.
Die orientierte Anordnung elektrisch leitfahiger Kohlenstoff-Strukturen im jeweiligen, ihnen zugedachten Elektrodenspalt eines Schnellemikrofons erfolgt in Abhängigkeit von den jeweiligen Abmessungen über- oder nebeneinander.
Das genannte Sensor-Prinzip kann in Ultraschall-gestützten Verfahren der zerstörungsfreien Materialprüfung, aber auch im medizinischen Bereich zur Diagnose und Therapie, mit Hilfe von nahezu masselosen CNT bzw. Graphen- Bändchen in Verbindung mit einer Verstärker-Schaltung nach Art einer Wheatston 'schen Messbrücke genutzt werden.
Durch die Möglichkeit, ohne Koppelmedium zu arbeiten, können mit dem erfindungsgemäßen Prüfkopf (Aktor) und dem Schnellemikrofon (Sensor) attraktive Applikationsfelder z.B. für die zerstörungsfreie Materialprüfung erschlossen werden. Anwendungsgebiete dafür liegen insbesondere im Bereich Transport (Automobil und Luftfahrt) und Energie. Technische Vorteile bestehen z.B. in der berührungs- bzw. kontaktfreien Prüfung auf Distanz, insbesondere unter Vermeidung von Oberflächenkontaminationen korrosionsanfälliger Werkstoffe, einem vereinfachten Aufbau der Prüfsysteme sowie des vereinfachten Ablaufs der Prüfung selbst.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung sollen unter Ultraschall allgemein Schall und Schallsignale mit Frequenzen oberhalb des Hörbereichs des Menschen, hier oberhalb 50 KHz verstanden werden. Der Hörbereich des Menschen wird typischerweise mit etwa 20 Hz bis 20 kHz angesetzt. Unter Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) werden aus ein- und mehrlagigen Graphenschichten bestehende Röhrchen oder Tubuli verstanden. Es können ein- und mehrwandige CNTs mit Dicken zwischen 0,4 und etwa 100 Nanometer verwendet werden. Die Länge einzelner CNTs können Längen von einigen mm und von mehr als 10 cm für Röhrenbündel betragen.
Die individuell nur schwierig handhabbaren CNTs können auch in Form von sogenanntem Buckypaper einer Nutzung zugänglich gemacht werden. Unter Buckypaper wird ein ungeordnetes Netzwerk von Kohlenstoffnanoröhrchen verstanden, die eine dünne zusammenhängende Schicht im Sinne eines Filmes nach Art von Papier bilden. Buckypaper stellt somit eine Art Filz dar, der aus aggregierten Kohlenstoffnanoröhrchen besteht.
Unter einem Signal soll die zeitliche Abfolge eines am Ausgang eines Hochfrequenzgenerators bereitgestellten oder in einem Schaltkreis transportieren Amplitudenwertes verstanden werden, der sich sowohl auf die Stromstärke, als auch auf die Spannung beziehen kann. Unter Hochfrequenz wird hier eine Signalfolge verstanden, die zur Erzeugung von Ultraschall oberhalb von 50 kHz führt.
Graphen-basierte Materialien zeichnen sich durch hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe Stromtragfähigkeit, ausgeprägte Temperaturbeständigkeit, geringe Wärmekapazität und hohe mechanische Festigkeit aus. Derartige Graphen-Strukturen können beispielsweise für den Aufbau eines Schnellemikrofons für den Ultraschallbereich verwendet werden. Dabei können jegliche durch Strukturierung oder durch strukturierte Abscheidung erzeugte Graphen-Bänder oder -Filamente, aber auch aus Fullerenen aufgebaute Drähte zum Einsatz kommen.
Werden Graphen-Strukturen in Form von planaren Streifen oder Bändchen eingesetzt, so kann ihre Breite mindestens 40 nm, beispielsweise 100 nm bis 5 µm, insbesondere mehr als 60 nm und weniger als 10 µm betragen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, Kohlenstoffnanoröhren für den Aufbau eines Luftschallsenders für den Ultraschallbereich zu verwenden. Die Vorteile dieser Ausführungsformen bestehen beispielsweise darin, dass dieser

- unabhängig von der Wellenimpedanz der Schallwelle ist, und
- ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) zeigt,
- eine geringe Betriebsspannung erfordert,
- über einen breiten dynamischen Bereich verfügt, um Bursts unterschiedlicher Frequenz aussenden zu können, sowie
- keine Resonanz und eine gute elektromechanische Kopplung zeigt und so
- die vorgenannten Nachteile piezoelektrischer Wandler für den Ultraschallbereich und
- Nachteile thermoelektrischer Wandler für den Bereich hörbaren Schalls überwindet,

Eine oder mehrere weitere Ausführungsformen betreffen ein Schnellemikrofon, das auf der Verwendung von Graphen-Strukturen, insbesondere von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) und aus solchen bestehenden Drähten sowie aus Graphen bestehenden Bändchen beruht. Der Impedanzunterschied zwischen Luft und Wandlermaterial hat beispielsweise bei herkömmlichen PZT-Wandlern zur Folge, dass der größte Teil der Schallenergie, die auf den Wandler trifft, wieder reflektiert wird. Nur ein kleiner Prozentsatz des Signals kann in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Das auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen basierende Schnellemikrofon weist eine gegenüber PZT-Wandlern gesteigerte Empfindlichkeit auf. Das Verfahren zu dessen Herstellung eröffnet Möglichkeiten zur Fertigung von miniaturisierten Schnellemikrofonen für den Ultraschallbereich in integrierten Schaltkreisen.
Kennzeichnend für die Funktionsweise des Schnellemikrofons für den Hör- und Ultraschallbereich wie auch des Luftschallsenders für den Ultraschallbereich ist, dass die genutzten Graphen-Strukturen, z.B. Nanoröhrchen, aus einer oder mehreren Graphenschichten bestehende Streifen oder Bändchen, oder Graphen-Strukturen aufweisende Filamente, oder Aneinanderreihungen von Fullerenen, oder Buckypaper elektrisch leitend sind.
Das genannte Schnellemikrofon, insbesondere ein Luftschalldetektor für den Hör- und Ultraschallbereich kann ausführungsabhängig u.a. folgende Vorteile aufweisen:

- eine Unabhängigkeit von der Wellenimpedanz der Schallwelle,
- ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis (SNR),
- erfordert geringe Betriebsspannung,
- breiter dynamischer Bereich / hohe Bandbreite, sowie
- keine Resonanz und eine gute elektromechanische Kopplung und
- mit gewähltem Gehäuse frei gestaltbarer Öffnungswinkel
- Überwinden der Nachteile bekannter Schnelle-Mikrofone,

Vor diesem Hintergrund wird ein Luftschallsender (Aktor) für den Ultraschallbereich, sowie ein Prüfkopf (Sensor) für den Hör- und Ultraschallbereich und ein Verfahren zu deren Anwendung gesondert voneinander oder / und in Kombination miteinander für die zerstörungsfreie Prüfung von Festkörpern bzw. Konstruktionselementen technischer Systeme ohne ein zusätzliches Koppelmedium bereitgestellt.
Gemäß einer oder mehrerer weiterer Ausführungsformen wird ein Luftschallsender für den Einsatz in der medizinischen Diagnostik oder/und Therapie bereitgestellt.
In Analogie zur strukturierten Graphen-Abscheidung stellt die gerichtete (in situ) Abscheidung von CNT im Elektrodenspalt eine Alternative für den Aufbau eines SchnelleMikrofons dar. In Kombination mit Methoden zur lokalen Metallabscheidung (Ionenstrahltechniken, chemically enhanced vapor phase deposition / CEVD) können so abgeschiedene CNT-Fasern und Faserbündel verlässlich kontaktiert werden.
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen kann ein auf Graphen-Strukturen basierendes Mikrofon, beispielsweise ein CNT-Mikrofon, beispielsweise individuelle CNTs oder CNT-Fasern aufweisen, die von einander gegenüber liegenden Anschlussstrukturen kontaktiert werden. Diese CNT überbrücken so einen Elektrodenspalt. Die Form des sich gegebenenfalls sogar in das Substrat fortsetzenden Elektrodenspaltes richtet sich nach der zur Substratstrukturierung eingesetzten Technik. Generell kommen für die Substratstrukturierung und die Herstellung der Anschlussstrukturen die in der Mikroelektronik und Silizium-Technologie üblichen lithografischen Verfahren in Betracht. Der unter der Elektrodenebene liegende Graben kann beispielsweise in Form einer Grube ausgebildet sein. Durch die Kristallinität des Substrats bzw. das gewählte (anisotrope) Ätzverfahren bedingt, kann der Graben, bzw. die Grube, geneigte Wände aufweisen, die die Sensitivität der Struktur vorteilhaft beeinflussen.
Die den Schall aufnehmenden und über eine Änderung des Widerstandes in eine elektrische Messgröße wandelnden vorgeheizten Graphen-Strukturen, beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren, können sowohl individuelle CNTs sein oder als aus solchen bestehende Kabel ausgebildet sein. Sie überbrücken den Elektrodenspalt zwischen den Anschlussstrukturen und gewährleisten deren elektrischen Kontakt zueinander. Die Anschlussstrukturen ihrerseits werden geeignet, beispielsweise mittels Draht-Bondtechniken, mit der messtechnischen Peripherie bzw. der den Heizstrom liefernden Stromquelle elektrisch leitend verbunden. Das starre Substrat sichert die Lagestabilität des Aufbaus. Der Träger kann seinerseits auf einem Chipträger, beispielsweise auf einem keramischen Chipträger (chip carrier) oder einem metallischen Träger montiert sein. Die gezeigten Strukturen können ohne zusätzliche Verkapselung „nackt“ montiert werden, z.B. in einem üblichen keramischen ChipTräger. Eine zusätzliche Verkapselung der Anschlussstrukturen kann die Handhabbarkeit des Mikrofons verbessern. Als Verkapselungsmaterialien kommen vorrangig keramische Massen aber auch die bekannten thermisch polymerisierenden (härtenden) Polymer-Mischungen und Verguss-Massen, insbesondere gefüllte Verguss-Massen in Betracht.
Eine oder mehrere Ausführungsformen des CNT-Ultraschall-Schnellemikrofons stellen kompakte SMD-Komponenten dar. Die Kohlenstoffnanoröhren bzw. diese aufweisenden Kabel sind in diesen Komponenten in einer nach außen offenen Vertiefung des Gehäuses angeordnet. Die elektrische Kontaktierung der CNT zu den Anschlussstrukturen des Trägersubstrates kann durch eine Verguss-Masse bzw. eine Keramik (im Falle der Ausführung als LTCC - Komponente) zusätzlich fixiert und gesichert werden.
Vor dem Verkapselungsschritt (Verguss) kann die kontaktierte Filament-Struktur durch eine temporäre Abdeckmasse geschützt werden, die nach dem Aushärten (curing) der Verguss-Masse wieder entfernt wird. Dabei oder während der Verkapselung der Anschlussstrukturen kann Polymer auf den Filamenten haften bleiben oder durch Kapillarkräfte aufgenommen werden.
Durch einen Ausheizschritt, beispielsweise mit einem über die Filamente fließenden Heizstrom oder aber durch Exposition mit einem IR-Laser, können diese Polymerüberzüge entfernt werden. Die Größe und Beschaffenheit der dabei jeweils am Eintrittsort der Filamente in die Verguss-Masse gebildeten Zonen kann über das Ausheizen zusätzlich beeinflusst werden. Ein geregeltes Ausheizen erlaubt es beispielsweise, die Frequenzempfindlichkeit benachbarter Filamente abgestuft festzulegen und zu kalibrieren.
Die elektrischen Kontakte der Filamente zu den Elektroden werden wie bei SMD-Komponenten, bzw. gehäusten Chips üblich, nach außen geführt. Die als Steck-Kontakte (Pins) oder als Lotfahnen ausgebildeten Kontakte dienen zur Verbindung mit der elektronischen Peripherie bzw. dem Messaufbau. Weitere Komponenten des Messaufbaus sind eine Stromquelle zum Heizen der Drähte und eine Messschaltung zum empfindlichen Nachweis von zeitaufgelöst erfassten und/oder aufgezeichneten Widerstandsänderungen.
Eine oder mehrere Ausführungsformen des Schnellemikrofons sind vollständig in Planar-Technologie durch lithographische Strukturierung zu bewerkstelligen. Beispielsweise können sowohl Graphen-Strukturen (z.B. Bändchen oder Filamente) als auch die diese kontaktierenden Metall-Strukturen lithografisch erzeugt werden. Eine oder mehrere Ausführungsformen des Ultraschallmikrofons mit Graphen-Streifen oder -Bändchen beruhen auf einer strukturierten Graphen-Abscheidung auf einem Halbleitersubstrat. Zusätzlich kann in einem anschließenden selektiven Ätzschritt die Graphen-Struktur unterätzt und selektiv freigestellt werden.
Die Lage der Basis der dabei oder gesondert erzeugten Grube oder eines Grabens, bzw. deren Tiefe und Form können so gewählt werden, dass die Sensitivität des Mikrofons empfindlichkeitssteigernd beeinflusst wird. Eine oder mehrere Ausführungsformen umfassen durch den Ätzschritt die Erzeugung einer durchgehenden Öffnung im Substrat. So kann beispielsweise eine über einer offenen Pore aufgespannte Graphen-Struktur erzeugt werden, die als Schnellemikrofon nutzbar ist. Vorteile derartiger Schnellemikrofone bestehen in ihrer Einsetzbarkeit in miniaturisierten Messsystemen.
Genauso können auch mehr als zwei, auch unterschiedlich lange und unterschiedlich ausgerichtete Bändchen in einem Aufbau kontaktiert vorliegen. Ebenso kann sich die Breite benachbarter Bändchen unterscheiden, wie sich im Übrigen auch die Stärke der in einem Mikrofon verwendeten Kohlenstoffnanoröhrchen aufweisenden Drähte unterscheiden kann.
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen wird eine Umhäusung bzw. teilweise Verkapselung des Ultraschallmikrofons mit LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) vorgenommen. Das LTCC-Gehäuse bildet einen zuverlässigen Schutz der filigranen Kohlenstoff-Strukturen des Mikrofons und gewährleistet eine zuverlässige Kontaktierung zur messtechnischen Peripherie. Diese Kontaktierung kann beispielsweise über Kontaktpads oder -Fahnen erfolgen. Sowohl die Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) oder diese aufweisenden Kabel oder Drähte des Schnellemikrofons, als auch die Graphen-Bändchen oder -Streifen des Schnellemikrofons können eine unterschiedliche Orientierung und entsprechend unterschiedliche Maße aufweisen. Ihre Anordnung nebeneinander und/oder übereinander ermöglicht die zuverlässige Messung auch schwacher Ultraschallsignale.
Im Herstellungsprozess werden zur Verkapselung entsprechend geformte Lagen grüner Keramik mit dem, ggf. lediglich vorgesägten Wafermaterial, und den darauf vorliegenden Kohlenstoff-Strukturen mit jeweiligen Anschlussstrukturen verpresst und bei einer Temperatur, die die Graphen-Strukturen (beispielsweise CNT und/oder Graphen-Bändchen oder -Streifen) nicht schädigen, gebrannt oder gesintert. Danach können die Strukturen freigeätzt oder anderweitig freigelegt bzw. vereinzelt werden. Entsprechende Kontakte, welche die spätere Montage in einem angepassten Messaufbau gewährleisten, sind vorgesehen und werden in üblicher Art und Weise realisiert. Es kann sich dabei z.B. um Leiterzüge handeln, die als Lötfahnen, Klemm- oder Steck-Kontakte dienen. Ebenso können auch andere aus der mikroelektronischen Aufbau- und Verbindungstechnik bekannte Strukturen verwendet werden. Ihre Größe und Anordnung richtet sich nach der Zahl der notwendigen Kontakte.
In einem Messverfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung werden die Graphen-Filamente mit Gleichspannungssignalen geheizt. Die erreichte Temperatur der Graphen-Filamente liegt bevorzugt 50 Grad Celsius über der Temperatur der Messumgebung. Der im Verhältnis zum Heiz-Signal gemessene Widerstandsverlauf, bzw. dessen erste Ableitung werden zur Kalibrierung des Mikrofons für verschiedene Heizstrombereiche aufgezeichnet und elektronisch als Kennlinie gespeichert. Die beim Auftreffen eines (Ultra-) Schallsignals festgestellte Abweichungen von dieser Kennlinie werden gemessen und als Frequenzspektrum erfasst bzw. aufgezeichnet und/oder grafisch dargestellt.
Die Auswertung der erhaltenen Signale und Spektren gestattet Aussagen über die Homogenität eines geprüften Volumenelements des Prüflings bzw. über das Vorhandensein von Störstellen, wie z.B. Delaminationen und Versetzungen. Dabei muss das geprüfte Konstruktionselement nicht aus seinem Verbund gelöst oder anderweitig präpariert werden. Ebenso ist es möglich, Materialzusammensetzungen aus einer Auswahl bekannter Materialien zu identifizieren und sowohl laterale Ausdehnungen als auch Schichtdicken interessierender Probenareale zu messen.
Eine oder mehrere Ausführungsformen eines auf der Kontaktierung von Graphen-Strukturen beruhenden Schnellemikrofons für den Hör- und Ultraschallbereich sind beispielsweise:

a) Ein Schnellemikrofon zur Detektion von Ultraschallsignalen, insbesondere in der Luft, umfassend zwei Elektroden und zumindest eine frei tragende Graphen-Struktur, welche zwei Elektroden elektrisch leitend verbindet.
b) Ein Schnellemikrofon wie unter a), wobei die Graphen-Struktur Kohlenstoffnanoröhrchen aufweist.
c) Ein Schnellemikrofon wie unter b), wobei die Graphen- Struktur als einzelner Draht oder aus einem oder mehreren Kohlenstoffnanoröhrchen bestehendes Kabel vorliegen.
d) Ein Schnellemikrofon wie unter a), wobei die Graphen-Struktur eine Bändchenform aufweist.
e) Ein Schnellemikrofon wie unter a) bis d), wobei die Elektroden eingerichtet sind einen Heizstrom über die sie verbindende Struktur zu leiten.
f) Ein Verfahren zur Herstellung eines Schnellemikrofons, umfassend die Verwendung von Graphen-Strukturen ausgewählt aus der Gruppe: einfache Graphenschicht, mehrlagige Graphenschicht, einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (SWCNT), mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (MWCNT), „cup stacked carbon nano tubes“ (CSCNT), Graphenbändchen, Buckypaper, Fullerene.
g) Ein Verfahren wie unter f), wobei die Graphen-Strukturen zur Kontaktierung in das duktile Metall zumindest eines Elektrodenkontaktes eingepresst werden.
h) Ein Verfahren wie unter f), wobei grüne Keramik zumindest zur teilweisen Abdeckung des Substrates eingesetzt wird.
i) Ein Verfahren wie unter f), wobei ein Epoxid-Gruppen aufweisendes Polymer zumindest zur teilweisen Abdeckung des Substrates eingesetzt wird.
k) Ein Verfahren wie unter f), wobei ein anorganisch gefülltes Polymer zumindest zur teilweisen Abdeckung des Substrates eingesetzt wird.
l) Die Verwendung eines Schnellemikrofons, umfassend zwei Elektroden und zumindest eine Graphen-Struktur, welche zumindest zwei Elektroden elektrisch leitend verbindet zum koppelmittelfreien Empfang von Ultraschallsignalen.
m) Ein Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall, umfassend ein Schnellemikrofon zur Detektion von Ultraschallsignalen, wobei das Schnellemikrofon zumindest eine mit zwei Elektroden elektrisch leitend verbundene Graphen-Struktur aufweist, ausgewählt aus der Gruppe: einfache Graphenschicht, mehrlagige Graphenschicht, einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (SWCNT), mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (MWCNT), „cup stacked carbon nano tubes“ (CSCNT), Graphenbändchen, Buckypaper, Fullerene.
n) Ein Verfahren wie unter m), wobei ein von auftreffendem Schall generiertes elektrisches Messsignal registriert, mit einem elektronisch gespeicherten Signal verglichen und seine Abweichung von diesem Signal als Frequenzspektrum dargestellt wird.
o) Ein Verfahren wie unter m) oder n), wobei die Darstellung des Spektrums in bildlicher Form oder als Grafik erfolgt.

Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der Umsetzung des eingangs genannten (Aktor-)Prinzips zur Schallerzeugung mit Hilfe von CNT-Geflechten, -Fliesen, -Filmen, bzw. -Folien oder Schichten in Form sogenannten Buckypapers und die Kombination der Verwendung eines Luftschallsenders für den Ultraschallbereich bzw. Prüfkopfes zur Ultraschallerzeugung (Aktor) mit einem Schnellemikrofon in koppelmittelfreien Verfahren der zerstörungsfreien Materialprüfung erläutert.
Dabei zeigt:

1 die schematisch Darstellung einer Bauform des erfindungsgemäßen Wandlers als Prüfkopf mit elektrischen Leitern (Drähten) zu dessen Kontaktierung;
2 die schematische Ansicht eines Prüfkopfes mit verkapselter Transducer-Schicht (Buckypaper) mit geschlitztem Gehäuse zur gerichteten Abstrahlung;
3 die schematische Ansicht von Prüfkopf-Geometrien als gerichtete Punktschallquellen;
4 die schematische Ansicht von unterschiedlichen Geometrien der als transducer versenkt im Prüfkopf angeordneten Buckypaper-Schicht;
5 alternative Repräsentationen von die Abstrahlcharakteristik beeinflussenden quaderförmigen Gehäuseformen für Punktschallquellen;
6 Ansichten zum schematischen Schichtaufbau der Kontaktierung eines CNT Buckypaper-Films mittels Kontaktbalken auf einem Chipsubstrat;
7 Ansichten zum schematischen Schichtaufbau der Kontaktierung eines CNT Buckypaper-Films mittels Drahtbond (sogenanntes studbumping) auf einem Chipsubstrat;
8 die Aufsicht einer zur Kontaktierung mittels Drahtbond (studbumping) auf einem Chipsubstrat angeordneten kreisförmigen CNT-Buckypaper-Schicht zur Modifizierung der Abstrahlcharakteristik;
9 schematische Ansichten des Schichtaufbaus zur Kontaktierung einer lokal perforierten CNT-Buckypaper-Schicht mittels Drahtbondtechnik;
10 schematische Querschnitte des Schichtaufbaus unter dem Buckypaper zur Verbesserung der Abstrahlcharakteristik;
11 schematische Querschnitte alternativer Varianten des Schichtaufbaus unter dem Buckypaper zur Verbesserung der Abstrahlcharakteristik;
12 Varianten des Einsatzes eines Buckypaper-Luftschallsenders (Ultraschall-Prüfkopfes) und eines auf der Verwendung kontaktierter Graphen-Strukturen beruhenden Schnellemikrofons zur zerstörungs- und koppelmittelfreien Materialprüfung.

1 zeigt den Aufbau eines im Sensorkopf komplett assemblierten CNT-Buckypaper Ultraschall-Wandlers gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Ein CNT-Film ist auf geeignete Weise elektrisch kontaktiert. Die Kontaktierung der geeignet gehäusten CNT-Folie (des eigentlichen Wandlers) wird über elektrische Anschlusskontakte aus dem Gehäuse geführt. Die Kontakte können dabei als Drähte, so wie dargestellt, ebenso aber, wie für die SMD-Technik in der Mikroelektronik üblich, auch als Kontaktflächen (pads) von chip size packages (CSP), Kontaktfahnen, sowie flache oder stiftförmige Steckkontakte ausgeführt sein. Dementsprechend wird die eigentliche Kontaktierung des Sensorkopfes im Gehäuse vorgenommen, und zwar durch Weich- oder Hartlöten, Schweissen, Reibschweissen, Draht- oder Bändchenbonden, Crimp-, Klemm- oder Presskontakt um nur einige zu nennen.
Details zur Kontaktierung der CNT-Filme im Gehäuse sind in den 6 - 9 gezeigt. Die Form des letztlich zur Verkapselung genutzten Gehäuses, insbesondere die Form seiner an der Vorderseite über dem Wandler gelegenen Öffnung beeinflusst die Abstrahlcharakteristik des Prüfkopfes. Der Prüfkopf kann zusätzlich einen oder mehrere Detektoren für die Messung des vom geprüften Material zu empfangenden Schallmusters tragen. Dementsprechend sind dann auch Kontakte zur Weiterleitung und Verarbeitung dieser Signale vorgesehen.
Der Ultraschallwandler kann als einzelne Punkt-Quelle aber auch in Vielzahl in Form eines Arrays eingesetzt werden. Der Aufbau entsprechender Arrays erfolgt angepasst an die Anforderungen der jeweiligen Messaufgabe und soll hier nicht weiter erläutert werden. Jedoch wird hervorgehoben, dass die Form des zur Schallerzeugung genutzten Buckypapers, die unmittelbare Gestaltung seiner Kontaktierung (Punkt- oder Längskontakt und die Form des letzteren) wie auch die mögliche Verkapselung der Kontakte in einem Primärgehäuse die Abstrahlcharakteristik des Wandlers und die des Prüfkopfes bestimmen und daher auf die spezifischen Anforderungen der jeweilige Anwendung angepasst werden können. Details zur Bauform des Sensorkopfes sind in den 2 - 5 dargestellt. Verschiedene Prinzipien des Schichtaufbaus unter dem CNT-Film sind in den 6, 7, 10 und 11 gezeigt. Der prinzipielle Aufbau eines Messplatzes zur koppelmittelfreien Materialprüfung ist in 12 gezeigt. Eine Ausführungsform zur zusätzlichen Modulation der Abstrahlcharakteristik durch verschiedene schallerzeugende Areale auf einem gemeinsamen CNT-Film ist in 8 gezeigt.
Für den thermoakustischen Wandler bzw. der auf ihm beruhenden Prüfköpfe werden Buckypaper mit elektrisch leitenden Nanoröhrchen eingesetzt. Für vorteilhafte Ausführungsformen wird ein Kohlenstoff-Nanoröhren-Film („CNT-Schicht“) von etwa 100 µm Dicke verwendet, der einwandige CNT eines Durchmessers im Bereich von etwa 3 nm bis 30 nm, insbesondere etwa 16 nm enthält. Alternativ kann sogenanntes Buckypaper einer Stärke im Bereich von 0,025 µm - 500 µm, insbesondere im Bereich von 0,05 µm - 250 µm, beispielsweise im Größenbereich 0,1 µm- 100 µm eingesetzt werden, um eine möglichst geringe flächenbezogenen Wärmekapazität zu erreichen. Die Schicht bzw. das Buckypaper ist elektrisch leitend und wird an zwei einander gegenüberliegenden oder benachbarten Rändern, zumindest aber mit zwei miteinander durch Buckypaper überbrückten Kontakten versehen. Die elektrische Anregung kann mit einem pulsierenden Gleichstrom erfolgen, der die Folie erwärmt. Es ist auch möglich, Wechselstrom einzusetzen. Die Temperatur der Folie schwankt entsprechend des Stromflusses um einen Mittelwert. Die mittlere Temperatur auf der Oberfläche der Folie liegt typischerweise ausreichend weit oberhalb der Umgebungstemperatur, z.B. 50°C, so dass eine zufriedenstellende Linearität des vom Wandler generierten Ultraschall-Signals erreicht wird.
Die Länge der im Buckypaper vorliegenden Nanoröhrchen hat keinen signifikanten Einfluss auf dessen Funktion. Sie kann im Bereich < 100 µm liegen, kann aber auch davon abweichen. Bevorzugt variiert die Länge der in der CNT-Folie enthaltenen CNT über einen Bereich von 10 µm - 10000 µm. Als Nanoröhrchen können sowohl einwandige (Single-walled / SW-) CNTs von einigen Nanometern Durchmesser, als auch mehrwandige (Multi-walled / MW-) CNTs von einigen Zehn Nanometern Durchmesser zum Einsatz kommen. Einwandige CNTs erlauben wegen ihres geringeren Querschnitts eine höhere obere Frequenzgrenze des Wandlers.
Die 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Wandlers (Prüfkopfes), der an seiner Vorderseite 22 einen Schlitz 24 aufweist, an dessen Basis sich der CNT-Film 21 befindet. Die Tiefe, Breite und eventuelle Neigung der Wände des Schlitzes zur Basis hin beeinflusst die Abstrahlcharakteristik nach Art eines in der Akustik üblichen Horns. Die äußere Kontur des Sensorkopfes 27 kann auch als zylinderförmiges Segment (d.h. als Teilansicht) eines sich über eine größere Länge erstreckenden Ultraschall-Schlitzemitters aufgefasst werden. Das zum Aufbau des Prüfkopfes verwendete Material dient dem Schutz der CNT-Schicht, insbesondere dem Schutz ihrer Kontaktierung. Dazu kann sowohl ein gegenüber der Wandler-Folie elektrisch isoliert montiertes Metallgehäuse, oder ein aus einzelnen Segmenten bestehendes Metallgehäuse genutzt werden, wobei ein oder mehrere Segmente zur gleichzeitigen Kontaktierung der Wandler-Folie dienen. Ebenso können z.B. Polymer- oder Keramik-Materialien genutzt werden.
In 3a und b ist die bereits in 2 gezeigte Gestaltung eines Horns über die Form der Vertiefung an der Vorderseite des Prüfkopfes schematisch verdeutlicht. Auch hier bestimmt die Lage des CNT-Films 31 zur Vorderseite 32 die Neigung der Innenwandung 34 der im Beispiel runden Öffnung und nimmt somit Einfluss auf die Abstrahlcharakteristik des generierten Ultraschall-Signals.
Wie in den 4a und 4b gezeigt, kann die Kontur 48 der Öffnung 44 an der Vorderseite 42 des Prüfkopfes der jeweiligen Anwendung angepasst werden. Beide Beispiele zeigen eine übereinstimmende geometrische Grundform und Größe der Kontur der Öffnung an der Vorderseite und in Richtung zur Rückseite 43, bzw. der an der Basis der Öffnung befindlichen Wandler-Schicht 49. Ohne hier gesondert dargestellt zu werden, sind genauso auch Hornformen möglich, die sich durch einen hinsichtlich Größe und Form an Vorder- und Rückseite der Öffnung unterschiedliche Kontur auszeichnen.
Auch die äußere Form des Prüfkopfes bzw. des vollständig verkapselten Wandlers im Gehäuse kann der beabsichtigten Anwendung angepasst sein. Eine rechte Winkel aufweisende, z.B. eine quadratische Grundform kann die Assemblierung mehrerer Wandler in Form eines Arrays erleichtern. Ein derartig aufgebauter Prüfkopf bietet die Vorteile bekannter Array-Architekturen.
Die elektrische Kontaktierung der Buckypaper-Schicht erfolgt beispielsweise durch Bond- und Reibschweiss-Techniken. Dazu werden die entsprechenden Ränder des Films 61 entweder auf bzw. über den entsprechend konfigurierten Leiterzügen auf einem Trägersubstrat 65 angeordnet und, wie in 6 dargestellt, mit einem den Kontakt herstellenden Metall-Stück 67 verpresst. Als geeignetes Metall kommt ein duktiles Material, beispielsweise Gold als Bändchen oder z.B. ein entsprechend dimensionierter metallischer Bonddraht in Betracht. Wie im Mikroelektronik-Packaging üblich, können unterschiedliche Metalle, z.B. auch Aluminium oder Legierungen, beispielsweise von Al, Au, Pt, Cu als Drähte, Bändchen oder Folien eingesetzt werden. Die hohe Temperaturbeständigkeit von CNT-Filmen (Buckypaper) gestattet ebenso den Einsatz von Leit- und Druckpasten, die zur Verfestigung der erreichten Bindung und zur zuverlässigen Kontaktierung zusätzlich umgeschmolzen oder gesintert werden können. Das Dispense- oder Druckbild 67 des aufgebrachten Precursors, z.B. einer Paste, überlappt den Kontaktbereich 611 des CNT-Films 61 mit der Elektrode bzw. dem Elektroden-Kontakt 66 und vermittelt so den elektrischen Kontakt zwischen beiden. Die auf dem Substrat vorhandenen Kontaktflächen können als Leiterzüge ausgeführt sein und sind den traditionellen Techniken zur Kontaktierung mit der Peripherie des Messaufbaus zugänglich.
Auf diese Art und Weise werden einander gegenüber liegenden Ränder einer Buckypaper-Schicht geeigneter Abmessungen zwischen den zu deren Kontaktierung vorgesehenen Kontaktflächen oder den Kontaktflächen von Leiterzügen eines Trägersubstrats fixiert und quasi „aufgespannt“. Der Raum zwischen den Kontakten, der vom CNT-Buckypaper unmittelbar überspannt und bedeckt wird, kann aus dem gleichen Material bestehen, wie das Substrat 65 selbst (6b). Zur Steuerung des Schalldruckes (SPL) kann der Wandler aber auch über einem Dielektrikum 650 gelagert sein. Das Dielektrikum 650 kann eine durch die Höhe der Kontaktflächen definierte Luftschicht (6c) zwischen Buckypaper und Substratoberfläche oder ein im „Elektrodenspalt“ gesondert aufgebrachtes Material oder eine, z.B. durch Oxidation erzeugte Modifikation des Substratmaterials darstellen (6d).
Alternativ zur Kontaktierung über Bond- und Reibschweiss-Techniken können lithografisch, z.B. mittels strukturierter Resistmaterialien (Fotoresiste oder RIE-Resiste) zunächst temporäre Masken erzeugt werden. Die temporäre Maske wird dann zur Aufbringung einer den elektrischen Kontakt zwischen Buckypaper-Schicht und Leiterzügen bzw. deren dafür vorgesehenen Kontaktflächen herstellenden weiteren elektrisch leitfähigen Schicht verwendet. Zur Schichtabscheidung eignen sich prinzipiell alle geeigneten Verfahren wie etwa CVD, PECVD, oder Sputter-Techniken. Ebenso ist es möglich, den Kontakt über eine galvanisch aufgebrachte Schicht zu realisieren. Nach der Schichtabscheidung, kann die temporäre Maske restlos entfernt werden. Durch die ausgezeichnete thermische und chemische Beständigkeit der Graphen-Struktur, beispielsweise einer Graphenschicht oder eines Buckypaper-Films gelingt das ohne deren thermoakustische Qualität zu beeinträchtigen.
Wie in 7 dargestellt, kann der elektrische Kontakt zur CNT-Schicht 71 zu metallischen Anschlussstrukturen 76 beispielsweise durch Verpressen mit dem duktilen Metall der Anschlussstrukturen hergestellt werden. Ebenso kann der Kontakt auch über Bondverbindungen 77, insbesondere stud-bumps 711 hergestellt werden. Ebenso ist die Kontaktierung mit geeigneten metallgefüllten Polymeren oder Polymerlösungen, z.B. Leitpasten möglich.
In beiden Fällen fixiert der realisierte Punktkontakt die Wandler-Folie über dem Elektroden-Zwischenraum. Wie bereits im Zusammenhang mit 6 erläutert, können die Art, Zusammensetzung oder Kristallinität des Materials zwischen der die Graphen-Struktur aufweisenden Schicht und dem Substrat modifiziert und der jeweiligen Anwendung angepasst werden. So kann es von Vorteil für gesteigerte SPL-Werte sein, wenn im Elektrodenspalt z.B. eine nanokristalline Schicht eines Materials mit gegenüber dem Substrat verringerter spezifischer Wärmekapazität vorliegt. Als ein solches Material kann eine gesputterte nanokristalline Schicht, z.B. Silizium oder Diamant verwendet werden.
8 zeigt eine Ausführungsform des Wandlers als mehrfach mit Drahtbonds direkt zu metallischen Leiterzügen kontaktierter Film 81. Die Leiterzüge laufen an der Peripherie des Substrates (Hier in Form eines Chips) in Kontaktpads 86 aus, die mit geeigneten Techniken der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) kontaktiert werden. Die Bondkontakte sind als stud-bumps (im Bild nicht gezeigt) an Öffnungen im Film 871 ausgeführt. Alternativ dazu können jeweils einzelne Bonddrähte zwischen isolierten metallischen Inseln auf dem Substrat unter den Öffnungen im Film den Kontakt zwischen dem Film an dieser Stelle und peripheren Kontaktpads auf dem Substrat herstellen. Diese Ausführungsform erspart die aufwendige spezifische Strukturierung des Substrates und erlaubt eine flexible Wahl der jeweils zur Schallerzeugung genutzten Areale der CNT-Schicht.
9 zeigt die zuvor beschriebene Kontaktierung einer CNT-Schicht 91 mit einem stud-bump 967 (9a) bzw. mittels Bonddraht 968 (9b). In 9a stellt die mit Bezugszeichen 966 bezeichnete Struktur den an die Peripherie des Substrates 95 reichenden Leiterzug dar. In 9b ist die unter 8 erläuterte metallische Inselstruktur mit dem Bezugszeichen 966 bezeichnet. Beiden Ausführungsformen ist die vorausgehende Perforation der CNT-Schicht 91 am Ort des gewünschten Kontaktes gemeinsam. Durch die sich im Bondprozess ausbildende Kontaktzone 967b zwischen der metallischen Struktur 966 und dem Bonddraht 968 in der durch die Bondkapillare ausgeformten Deformationszone 967 wird der Film am Substrat / bzw. den Kontakten quasi angenietet. Es sind lediglich schematische Ansichten mit einer gedachten Bruchlinie 951 im Substrat 95 gezeigt. Wie in Anspruch 4 formuliert, kann die Verbindung mittels Stud-bump auch zur einfachen Fixierung der die Graphen-Struktur aufweisenden Schicht, z.B. des Buckypapers, vor dessen Kontaktierung genutzt werden.
Zusätzlich zur Art und Morphologie des Substrates 105 in unmittelbarem Kontakt zum Buckypaper 1050, hat die Geometrie dieses Substratareals Einfluss auf die Abstrahlcharakteristik des Wandlers. In den 10 und 11 sind unterschiedliche Ausführungsformen, wieder als schematische Teilansicht an gedachten Bruchlinien 1051 und 1151, gezeigt. Die Konturen 1050a einer beispielsweise durch verringerte Wärmekapazität gekennzeichneten Kontaktzone können kantig (10) oder gekrümmt (11) verlaufen. Diese Konturen 1050a können mehr oder weniger weit in die Tiefe des Substrates hineinreichen. Ist das Substrat unter der die Graphen-Struktur, beispielsweise unter dem Buckypaper, partiell durch anisotropes Ätzen entfernt worden (Vgl. 10c, 1050 und 11c, 1050), so kann ein in die Ätzgrube eingebrachtes Material oder die zwischen Ätzgrube und CNT-Schicht eingeschlossene Luft zur vorteilhaften Beeinflussung der Abstrahlcharakteristik des Wandlers genutzt werden. Diese Beeinflussung kann eine Fokussierung des abgestrahlten Schallsignals bewirken.
Die Ultraschallwandler können prinzipiell direkt auf einem Wafer gefertigt werden (on-wafer-Schaltung), können aber ebenso als einfache bedrahtete Komponenten sowie als SMD (surface mount device) Bauteile oder chip size packages (CSP-Komponenten) ausgeführt werden. Im Falle der Ausführungsform als SMD- oder CSP- Bauteil können für einen robusten und kompakten Aufbau der Ultraschallwandler dabei Verkapselungsmaterialien (Umspritzung mit geeigneten Vergussmassen) oder andere im Mikroelektronik-Packaging gängige Materialkombinationen, z.B. LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) zum Einsatz kommen. Die Fertigung der LTCC Komponenten kann dafür vorteilhafterweise in LTCC-Multilayertechnik erfolgen, da Graphen-basierte Materialien eine ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit aufweisen.
Gemäß einer oder weiteren Ausführungsformen kann der Ultraschallwandler in Form eines Arrays angeordnet und betrieben werden, beispielsweise in Form eines sogenannten phased array.
12 zeigt Messprinzipien der koppelmittelfreien zerstörungsfreien Materialprüfung. Wie in 12 A gezeigt, kann der hier beispielhaft beschriebene Buckypaper-Luftschallsender zur Erzeugung und gerichteten Abstrahlung eines Ultraschallsignals genutzt werden. Das nach Wechselwirkung mit den inneren Strukturen des Prüflings von diesem reflektierte Signal wird durch Mikrofon für den Ultraschallbereich, das Graphen-Strukturen aufweist, empfangen und von einem Messgerät, beispielsweise in Form einer integrierten Schaltung, in ein elektrisches Messsignal transformiert. Eine angeschlossene Auswerteeinheit kann durch Vergleich mit gespeicherten Kennwerten eine bildliche Darstellung, beispielsweise auf einem Display erzeugen. Die gestrichelte Linie, welche den Luftschallsender und das Schnellemikrofon einschließt deutet an, dass beide unabhängig oder in Kombination miteinander, auch in Form eines kombinierten Prüfkopfes betrieben werden können.
12 B zeigt die Kombination eines Buckypaper-Luftschallsenders mit einem Schnellemikrofon beliebiger Bauart miteinander gemeinsam in einem Prüfkopf kombiniert oder voneinander unabhängig in einem Messaufbau zur koppelmittelfreien zerstörungsfreien Materialprüfung.
12 C zeigt die Kombination eines auf Graphen-Strukturen, beispielsweise CNTs oder Graphen-Bändchen basierenden Schnellemikrofons mit einem Luftschallsender beliebiger Bauart miteinander in einem Prüfkopf kombiniert oder voneinander unabhängig in einem Messaufbau zur koppelmittelfreien zerstörungsfreien Materialprüfung.
Mit dem auf thermoakustischen Effekten an kommerziell verfügbaren CNT-Schichten beruhenden Konzept können insbesondere durch den möglichen Verzicht auf ein Koppelmedium wie Wasser oder Öl neue attraktive Applikationsfelder für die zerstörungsfreie Ultraschall-Prüfung erschlossen werden. Technische Vorteile bestehen z.B. in reproduzierbaren Koppelbedingungen, der Möglichkeit zur Prüfung auch bei tiefen oder sehr hohen Temperaturen, der Zugänglichkeit einer Prüfung korrosionsanfälliger Werkstoffe und einem einfacheren Aufbau der Prüfsysteme. Insgesamt bewirkt das einerseits eine deutliche qualitative Erweiterung der eingesetzten Technologien und stellt andererseits einen sicherheitstechnischen Gewinn für die betreffenden Anwendungen dar.
Durch das Ultraschall-Prüfverfahren gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Bestimmung von Störstellen eines Schichtaufbaus mit hoher Empfindlichkeit, hoher Selektivität und relativ unabhängig von der Materialart der am Schichtaufbau beteiligten Stoffe erfolgen. Gleichzeitig ist unter Verwendung einer geeigneten Messumgebung und einer geeigneten Software zur Datenverarbeitung und Darstellung aktueller Messwerte die berührungslose Vermessung von Störstellen und Defekten auf Distanz möglich. Als Vorteile eines Analyseverfahrens gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispiel(en) der vorliegenden Erfindung ergeben sich daher ein geringer Messaufwand, hohe Selektivität, hohe Messempfindlichkeit sowie die simultane Bestimmung mehrerer Materialdaten, wie etwa Materialzusammensetzung und Lokalisation von Defekten, Einschlüssen, oder Verunreinigungen. Diese erfindungsgemäßen Vorteile bieten Verbesserungen sowie Erleichterungen bei der zerstörungsfreien Bestimmung von Defekten und Materialinhomogenitäten, insbesondere in Multischichtaufbauten mittels Luftultraschallprüfung. Sie können aber ebenso zur Prospektion und Ferndiagnose genutzt werden. Ebenso sind Anwendungen in der medizinischen Diagnostik und Therapie unter Verzicht auf ein zusätzliches Koppelmittel, oder bei entsprechender Ausführung des Prüfkopfes, auch mit Koppelmittel möglich.
Das Anwendungspotential von Ultraschall-Prüftechniken wird im praktischen Einsatz häufig durch die Notwendigkeit eines Koppelmediums eingeschränkt. Als Beispiel sei die Prüfung von Pipelines genannt, die unter Feldbedingungen bei Temperaturen typischerweise zwischen -50°C und +50°C durchgeführt werden muss. Bei produktionsbegleitenden Prüfungen von Bauteilen komplexer Geometrie z. B. für Sicherheitsfahrgastzellen der Automobilindustrie, stellen Koppelmedien ebenfalls ein Problem dar. Ihre Verwendung verursacht einerseits Kosten und führt andererseits zu Verschmutzungen, die aufwendig entfernt werden müssen, um folgende Prozessschritte nicht negativ zu beeinflussen oder in der Folge mögliche Korrosionsschäden zu vermeiden.
Mit den hier beschriebenen thermoakustischen Wandlern gelingt es, die vorstehend benannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Beispielsweise können mit Hilfe des hier beschriebenen elektroakustischen Wandlers Materialermüdungen wie Brüche und Versetzungen, lokale Rekristallisationen, das Vorliegen von Kavitäten, wie z.B. Kirkendall-Voids, und andere Schädigungen wie Delaminationen und unerwünschter Materialabtrag oder Korrosionsherde nachgewiesen werden.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.
REFERENZEN

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Bezugszeichenliste

11, 21, 31, 41, 51, 51, 61, 71, 81, 91, 101, 111: Graphen-Struktur / Buckypaper-Schicht
12, 22, 32, 42, 52,: Frontseite (Vorderseite)
52a: Außenseite (Kontur) der Frontseite
13,23,43,: Rückseite (Unterseite)
14, 24, 34,44, 54: Öffnung über der Buckypaper-Schicht
54a: Innenfläche der Öffnung
15,: Substrat (Außenseite)
16,: Kontakte
27, 47, 57: Kontur der Außenseite
48, 58: Kontur der Öffnung an Vorderseite
49, 59: Kontur der Buckypaper-Schicht am Boden
65, 75, 85, 95, 105, 115: Trägersubstrat (Chip)
66, 76,86, 966, 106,: Leiterzug (ggf. vergraben)
67: Kontaktbalken
611, 711: Kontaktzone des CNT-Films
77, 771, 871, 967: Bump (studbump)
967a: abgerissener Bonddraht
967b: Kontaktzone zum Bondpad (landing)
968: Bonddraht
650, 750, 1050, 1150: Substrat unter Buckypaper
1050a, 1150a: Substratgrenze unter Buckypaper
116, 951, 1051, 1151, 1161: Außengrenze (der Schnittansicht)
1061: Grenze des Leiterzugs zum Substrat

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall, umfassend: - eine HF-Quelle; - zwei Elektroden (16), die geeignet sind, an die HF-Quelle angeschlossen zu werden; und - eine Schicht (11, 21, 31, 41, 51, 51, 61, 71, 81, 91, 101, 111), umfassend eine elektrisch leitfähige Graphen-Struktur, welche die zwei Elektroden elektrisch leitend miteinander verbindet, wobei die Graphen-Struktur mittels einer Drahtbondverbindung (77, 771, 871, 967) über Öffnungen in der Schicht mit einem Leiterzug (66, 76, 86, 966, 106) eines Substrates (65, 75, 85, 95, 105, 115, 650, 750, 1050, 1150) unter diesen Öffnungen elektrisch leitfähig verbunden ist und/oder an dieser befestigt ist, und wobei die Schicht zwei einander gegenüber liegende Ränder aufweist, die mit jeweils einem Leiterzug auf dem Substrat elektrisch leitfähig verbunden sind und/oder die Schicht zumindest drei individuelle lokale Drahtbondverbindungen mit jeweils einem anderen Leiterzug aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Graphen-Struktur in Form einer frei tragenden flächigen Schicht vorliegt und ungeordnete, geordnete, oder gekämmte einwandige und/oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhrchen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Graphen-Struktur als Film auf dem starren Substrat vorliegt und zumindest zwei elektrisch leitfähige Verbindungen mit voneinander elektrisch isolierten Leiterzügen auf diesem Substrat aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Graphen-Struktur zumindest drei individuelle lokale Kontaktierungen mit jeweils einem anderen Leiterzug aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wenn abhängig von Anspruch 3, wobei das starre Substrat unter der Graphen-Struktur zumindest ein Areal aufweist, das sich in seinen dielektrischen Eigenschaften vom übrigen Substrat unterscheidet und eine geringere Wärmekapazität als das starre Substrat aufweist.
Prüfkopf, für die zerstörungsfreie Materialprüfung mit Ultraschall und/oder für medizinische Ultraschallanwendungen, angepasst für die Verbindung mit einer HF-Quelle, umfassend - eine Graphen-Struktur, die zwei Elektroden elektrisch leitend miteinander verbindet, - ein Gehäuse, mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei die Graphen-Struktur so angeordnet ist, dass Ultraschall von der Vorderseite aus gerichtet abgestrahlt werden kann.
Prüfkopf nach Anspruch 6, wobei der Prüfkopf angepasst ist, ein Ultraschallsignal zu empfangen und in ein elektrisches Messsignal zu transformieren.
Prüfkopf nach Anspruch 7, wobei die Vorderseite ein Horn zur akustisch optimierten und gerichteten Abstrahlung von Ultraschall bildet und/oder für den Anschluss an ein Horn adaptiert ist.
Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung, zur medizinischen Diagnose oder zur Therapie mit einem Prüfkopf, der eine Graphen -Struktur aufweist, die zwei Elektroden miteinander elektrisch leitend verbindet, umfassend: - Erzeugen und gerichtetes Abstrahlen eines Ultraschallsignals, - Empfangen des vom Prüfling oder Untersuchungsobjekt reflektierten Ultraschallsignals, - Vergleich des empfangenen mit dem abgestrahlten Ultraschallsignal, - Darstellung ermittelter Unterschiede hinsichtlich Phasenlage und/oder Amplitude und/oder Spektrum.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei mehrere Areale der Graphen-Struktur synchron oder zeitlich versetzt zur Ultraschallerzeugung genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Ultraschallprüfkopf ein Schnelle-Mikrofon aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Ultraschallsignal einen Frequenzbereich oberhalb von 50 kHz bis 1 MHz umfasst und das erzeugte und gerichtet abgestrahlte Ultraschallsignal einen Ultraschall-Impuls oder einen Ultraschall-Frequenz-Sweep umfasst.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur koppelmittelfreien Materialprüfung oder koppelmittelfreien medizinischen Diagnose oder Therapie.