DE102012207871A1

DE102012207871A1 - Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers zum Einsatz in einem fluiden Medium

Info

Publication number: DE102012207871A1
Application number: DE201210207871
Authority: DE
Inventors: Tobias Lang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2013-11-14

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (110) zum Einsatz in einem fluiden Medium (112) vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: – Bereitstellen mindestens eines elektromechanischen Wandlerelements (114), – Bereitstellen mindestens eines Anpasskörpers (116) zur Begünstigung einer akustischen Schwingungskopplung zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement (114) und dem fluiden Medium (112), – Einbringen mindestens eines Zwischenelements (122) zwischen das elektromechanische Wandlerelement (114) und den Anpasskörper (116), wobei das Zwischenelement (122) zumindest teilweise transparent für Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 500 nm ist, und – Verkleben des Zwischenelements (122) mit mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus dem elektromechanischen Wandlerelement (114) und dem Anpasskörper (116) unter Verwendung mindestens eines photochemisch aushärtenden Klebstoffes (126), wobei der Klebstoff (126) zum Aushärten mit Anregungslicht (144) bestrahlt wird, wobei das Anregungslicht (144) das Zwischenelement (122) zumindest teilweise durchdringt.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Ultraschallwandler bekannt, welche eingerichtet sind, um elektrische Signale in akustische Signale in Form von Ultraschallsignalen umzuwandeln oder umgekehrt. Derartige Ultraschallwandler werden beispielsweise in Füllstandsmessern, Abstandsmessern oder auch in Ultraschall-Durchflussmessern (ultrasonic flow meters, UFM) eingesetzt. Beispielsweise werden UFMs in der Verfahrenstechnik und/oder im Automobilbereich eingesetzt, beispielsweise im Ansaugtrakt und/oder Abgastrakt von Verbrennungsmotoren, insbesondere zur Volumenstrommessung, zur Massenstrommessung oder zur Geschwindigkeitsmessung. Derartige Ultraschallwandler können allgemein in fluiden Medien eingesetzt werden, also in Gasen und/oder Flüssigkeiten, beispielsweise in Luft.
Derartige Ultraschallwandler weisen in der Regel mindestens ein elektromechanisches Wandlerelement, beispielsweise ein piezoelektrisches Wandlerelement auf, welches beispielsweise in Dickenresonanz, Planarresonanz oder Biegeresonanz betrieben werden kann. Weiterhin ist bekannt, zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement und dem fluiden Medium mindestens ein weiteres Element vorzusehen, beispielsweise mindestens eine Membran. Zudem ist es bekannt, zur Verbesserung der akustischen Kopplung zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement und dem fluiden Medium mindestens einen Anpasskörper einzusetzen, dessen akustische Impedanz zwischen derjenigen des elektromechanischen Wandlerelements und derjenigen des fluiden Mediums liegt. Derartige Anpasskörper sind beispielsweise aus DE 10 2008 055 116 A1 oder aus DE 10 2008 055 123 B3 bekannt. Beispielsweise kann mittels derartiger Anpasskörper eine Impedanzanpassung erfolgen, beispielsweise eine so genannte Lambda/4-Impedanzanpassung. Zu diesem Zweck können beispielsweise Anpasskörper eingesetzt werden, welche porös sind und/oder welche Hohlräume aufweisen und/oder welche mit mindestens einem Füllmaterial gefüllt sind. Beispielsweise lassen sich mit Glashohlkugeln oder anderen Füllstoffen gefüllte Epoxidharze einsetzen, wie beispielsweise in DE 10 2008 055 123 B3 beschrieben. Alternativ oder zusätzlich lassen sich porös gesinterte Polyimide einsetzen, wie beispielsweise in DE 10 2008 055 116 A1 beschrieben.
Weiterhin ist es bekannt, zwischen dem Anpasskörper und dem elektromechanischen Wandlerelement mindestens einen Ausgleichkörper vorzusehen. Dieser Ausgleichkörper kann insbesondere eingerichtet sein, um thermische Spannungen zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement und dem Anpasskörper zu reduzieren, wie beispielsweise in DE 10 2008 055 123 B3 beschrieben.
Zur Verbindung des Ausgleichkörpers mit dem elektromechanischen Wandlerelement kommen insbesondere formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindungsverfahren in Betracht. Derartige Verbindungsverfahren werden beispielsweise in DE 10 2008 055 123 B3 beschrieben. Nach wie vor besteht jedoch ein Optimierungspotenzial hinsichtlich der verwendeten Verbindungstechniken des beschriebenen Schichtaufbaus. So können beispielsweise bei üblichen stoffschlüssigen Verbindungsverfahren, beispielsweise mittels thermisch härtender oder strahlenhärtender Klebstoffe, die verwendeten Verbindungsmaterialien in Poren des Anpasskörpers eindringen und dadurch beispielsweise die akustischen Eigenschaften des Anpasskörpers verändern.
Offenbarung der Erfindung
Es wird dementsprechend ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen, welches die oben genannten technischen Herausforderungen zumindest weitgehend vermeidet. Unter einem Ultraschallwandler ist dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um elektrische Signale in akustische Signale umzuwandeln und/oder umgekehrt. Der Ultraschallwandler kann insbesondere für einen oder mehrere der oben genannten Zwecke eingesetzt werden. Insbesondere kann der Ultraschallwandler in Ultraschall-Durchflussmessern eingesetzt werden, beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik, beispielsweise zur Messung eines Volumenstroms und/oder eines Massenstroms und/oder einer Geschwindigkeit eines Gases, insbesondere Luft, beispielsweise in einem Ansaugtrakt und/oder Abgastrakt einer Brennkraftmaschine.
Das vorgeschlagene Herstellungsverfahren umfasst die nachfolgend beschriebenen Schritte. Diese Verfahrensschritte können beispielsweise in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden. Weiterhin ist grundsätzlich auch eine andere Reihenfolge als die dargestellte Reihenfolge möglich. Zudem können einer oder mehrere der genannten Verfahrensschritte gleichzeitig und/oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können einer oder mehrere der genannten Verfahrensschritte wiederholt durchgeführt werden. Zudem kann das Verfahren einen oder mehrere zusätzliche Verfahrensschritte umfassen, welche im Folgenden nicht dargestellt sind.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– Bereitstellen mindestens eines elektromechanischen Wandlerelements, insbesondere mindestens eines elektroakustischen Wandlerelements und besonders bevorzugt mindestens eines piezoelektrischen Wandlerelements,
– Bereitstellen mindestens eines Anpasskörpers zur Begünstigung einer akustischen Schwingungskopplung zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement und dem fluiden Medium,
– Einbringen mindestens eines Zwischenelements zwischen das elektromechanische Wandlerelement und den Anpasskörper, wobei das Zwischenelement zumindest teilweise transparent für Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 500 nm ist, und
– Verkleben des Zwischenelements mit mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus dem elektromechanischen Wandlerelement und dem Anpasskörper unter Verwendung mindestens eines photochemisch aushärtenden Klebstoffs, wobei der Klebstoff zum Aushärten mit Anregungslicht bestrahlt wird, wobei das Anregungslicht das Zwischenelement zumindest teilweise durchdringt.

Unter einem elektromechanischen Wandlerelement kann allgemein ein Element verstanden werden, welches eingerichtet ist, um elektrische Signale in mechanische Signale umzuwandeln, insbesondere in akustische Signale und besonders bevorzugt in Ultraschallsignale. Unter einem Bereitstellen des mindestens einen elektromechanischen Wandlerelements kann dabei allgemein eine beliebige Art der Zurverfügungstellung des elektromechanischen Wandlerelements verstanden werden, welche beispielsweise eine Herstellung des elektromechanischen Wandlerelements umfassen kann, welche jedoch auch lediglich eine Zurverfügungstellung eines bereits fertig hergestellten, beispielsweise kommerziellen, elektromechanischen Wandlerelements für eine nachfolgende Verarbeitung im Rahmen des vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens umfassen kann.
Unter einem Anpasskörper ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein einteiliges oder mehrteiliges Element zu verstehen, welches eine akustische Impedanz aufweist, die zwischen der akustischen Impedanz des elektromechanischen Wandlerelements und der akustischen Impedanz des fluiden Mediums, beispielsweise der Luft, liegt. Insbesondere kann der Anpasskörper bezüglich seiner Materialeigenschaften und seiner Dicke derart gewählt werden, dass dieser eine Schallimpedanz oder Schallkennimpedanz aufweist, welche zumindest näherungsweise dem geometrischen Mittel der Impedanzen des elektromechanischen, insbesondere piezoelektrischen, Wandlerelements und des fluiden Mediums entspricht. Unter „zumindest näherungsweise“ können dabei beispielsweise noch Abweichungen um beispielsweise etwa eine Zehnerpotenz, d.h. von nicht mehr als dem 15fachen, vorzugsweise von nicht mehr als dem 10fachen und besonders bevorzugt von nicht mehr als dem 8fachen dieses geometrischen Mittels toleriert werden. Weiterhin kann der Anpasskörper beispielsweise eine Dicke senkrecht zu einer Abstrahlfläche des Ultraschallwandlers aufweisen, welche zumindest näherungsweise einer Viertelwellenlänge der Ultraschallsignale entspricht, beispielsweise mit einer Abweichung von nicht mehr als 50%, vorzugsweise von nicht mehr als 20%. Auch andere Ausgestaltungen des Anpasskörpers sind jedoch grundsätzlich möglich. Bezüglich möglicher Materialien und/oder geometrischer Ausgestaltungen des Anpasskörpers kann beispielsweise auf die oben genannten DE 10 2008 055 116 A1 und/oder DE 10 2008 055 123 B3 verwiesen werden. Die dort verwendeten Materialien und/oder Herstellungsverfahren für den Anpasskörper können grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich.
Unter einer Bereitstellung des Anpasskörpers kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung wiederum eine beliebige Art der Zurverfügungstellung des Anpasskörpers für das Herstellungsverfahren verstanden werden. Das Bereitstellen kann wiederum auch eine Herstellung des Anpasskörpers umfassen, wobei jedoch auch bereits fertig hergestellte Anpasskörper für das Verfahren bereitgestellt werden können. Insbesondere kann die Bereitstellung derart erfolgen, dass der Anpasskörper zum Zeitpunkt der Bereitstellung für das vorgeschlagene Verfahren bereits seine fertige geometrische Form aufweist. Beispielsweise kann der Anpasskörper eine Scheibenform aufweisen, beispielsweise in Form einer ebenen Scheibe mit einer runden und/oder polygonalen Grundfläche.
Unter einem Zwischenelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Element zu verstehen, welches die genannten optischen Transparenzeigenschaften aufweist und welches zwischen das elektromechanische Wandlerelement und den Anpasskörper eingebracht wird. Unter einem Einbringen ist dabei ein Vorgang zu verstehen, welcher in einer Anordnung resultiert, bei welcher das mindestens eine Zwischenelement zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement und dem Anpasskörper angeordnet ist. Dieser Vorgang kann selbst einen oder mehrere Verfahrensschritte umfassen. So kann das Zwischenelement direkt oder indirekt mit dem elektromechanischen Wandlerelement verbunden sein, also indem das Zwischenelement in direktem Kontakt mit dem elektromechanischen Wandlerelement steht und/oder indem das Zwischenelement über mindestens ein weiteres Element mit dem elektromechanischen Wandlerelement verbunden ist, beispielsweise den photochemisch aushärtenden Klebstoff (im Folgenden auch einfach als Klebstoff bezeichnet). Weiterhin kann das Zwischenelement direkt oder indirekt mit dem Anpasskörper verbunden werden. Das Zwischenelement kann also in unmittelbarem Kontakt mit dem Anpasskörper stehen, kann jedoch auch über mindestens ein weiteres Element, beispielsweise den Klebstoff, mit dem Anpasskörper verbunden sein. Das direkte oder indirekte Verbinden des Zwischenelements mit dem elektromechanischen Wandlerelement und das direkte oder indirekte Verbinden des Zwischenelements mit dem Anpasskörper können in einem oder mehreren Verfahrensschritten bewirkt werden, wobei diese Verfahrensschritte zeitlich getrennt voneinander, zeitlich überlappend oder auch ganz oder teilweise gleichzeitig durchgeführt werden können. Das Zwischenelement wird mit dem elektromechanischen Wandlerelement und/oder dem Anpasskörper mittels des photochemisch aushärtenden Klebstoffs verbunden. Der Klebstoff kann also zwischen dem Anpasskörper und dem Zwischenelement eingebracht sein und/oder zwischen dem Zwischenelement und dem elektromechanischen Wandlerelement. Besonders bevorzugt ist es, wenn zumindest zwischen dem Zwischenelement und dem Anpasskörper der Klebstoff eingebracht ist.
Das Zwischenelement kann grundsätzlich eine beliebige geometrische Gestalt aufweisen. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Zwischenelement für das Verfahren in einer Form bereitgestellt wird, welche bereits der endgültigen geometrischen Form des Zwischenelements nach Herstellung des Ultraschallwandlers entspricht. Beispielsweise kann das Zwischenelement wiederum eine Scheibenform aufweisen, also die Form eines Zylinders, vorzugsweise mit parallelen Grundflächen, wobei die Grundflächen grundsätzlich eine beliebige Gestalt aufweisen können, beispielsweise eine runde und/oder polygonale Gestalt.
Unter einer zumindest teilweisen Transparenz für Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 500 nm ist dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine optische Eigenschaft des Zwischenelements oder zumindest eines Teilbereichs des Zwischenelements zu verstehen, bei welcher Licht mit der Wellenlänge von weniger als 500 nm, beispielsweise ultraviolettes Licht und/oder blaues Licht und/oder Licht im kurzwelligen grünen Spektralbereich, das Zwischenelement oder zumindest einen Abschnitt des Zwischenelements mit oder ohne Abschwächung durchdringen kann.
Unter einem Verkleben ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Prozess zu verstehen, bei welchem eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den miteinander zu verklebenden Elementen erfolgt, unter Verwendung eines Klebstoffs. Unter einem photochemisch aushärtenden Klebstoff ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Klebstoff zu verstehen, welcher, angeregt durch Licht, aushärtet, beispielsweise vernetzt. Derartige photochemisch aushärtende Klebstoffe sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, beispielsweise in Form photochemisch aushärtender Epoxidharze. Der Aushärtungsvorgang kann dabei vollständig oder auch teilweise erfolgen. Das photochemische Aushärten kann optional zusätzlich durch eine thermische Einwirkung unterstützt und/oder ergänzt werden, beispielsweise durch eine Erhitzung mittels mindestens einer Heizplatte und/oder mittels infraroter Strahlung und/oder mittels eines Ofens. Unter Anregungslicht ist dabei allgemein Licht zu verstehen, insbesondere im ultravioletten und/oder blauen und/oder kurzwelligen grünen Spektralbereich, welches geeignet ist, um den photochemischen Aushärtungsprozess des Klebstoffs zu initiieren und/oder zu beschleunigen.
Zum Zwecke der Verklebung des Zwischenelements mit dem elektromechanischen Wandlerelement und/oder mit dem Anpasskörper können verschiedene Verfahrensschritte eingesetzt werden. So kann der Klebstoff beispielsweise auf das Zwischenelement aufgetragen werden, wobei mindestens eine Klebeschicht auf dem Zwischenelement entsteht, wobei anschließend das Zwischenelement mit der Klebeschicht mit dem Anpasskörper und/oder mit dem elektromechanischen Wandlerelement kontaktiert wird. Alternativ oder zusätzlich ist für die Verklebung jedoch auch ein Verfahren denkbar, bei welchem mindestens eine Klebeschicht des Klebstoffs auf den Anpasskörper und/oder auf das elektromechanische Wandlerelement aufgetragen wird, wobei anschließend das elektromechanische Wandlerelement bzw. der Anpasskörper mit der Klebeschicht mit dem Zwischenelement kontaktiert wird. Während des Auftragens des photochemisch aushärtenden Klebstoffs auf das Zwischenelement und/oder das elektromechanische Wandlerelement und/oder den Anpasskörper ist der Klebstoff vorzugsweise nicht ausgehärtet und/oder zumindest nicht vollständig ausgehärtet, also beispielsweise in einem flüssigen Zustand.
Das Anregungslicht durchdringt das Zwischenelement zumindest teilweise. Dementsprechend wird zumindest eine Strecke innerhalb des Zwischenelements von dem Anregungslicht durchdrungen. Dabei kann das Anregungslicht geradlinig durch das Zwischenelement hindurchtreten und/oder kann ein- oder mehrmals reflektiert und/oder gestreut werden.
Das Anregungslicht kann insbesondere mindestens eine Wellenlänge von weniger als 500 nm aufweisen. Dabei kann das Anregungslicht beispielsweise schmalbandig sein, beispielsweise in Form von Laserlicht, oder auch breitbandig sein, mit einer spektralen Breite von 5 nm oder mehr. Das Spektrum des Anregungslichts weist dabei mindestens in einem spektralen Bereich eine messbare Intensität bei einer Wellenlänge von weniger als 500 nm auf. Beispielsweise kann das Anregungslicht derart ausgestaltet werden, dass mindestens 80 % der gesamten Strahlungsintensität in einem Spektralbereich von weniger als 500 nm auftreten.
Das Zwischenelement kann insbesondere in mindestens einem Wellenlängenbereich von weniger als 500 nm eine Transmission von mindestens 5 % aufweisen, insbesondere eine Transmission von mindestens 25 % und besonders bevorzugt eine Transmission von mindestens 80 %. Unter einer Transmission ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Transmissionsgrad T zu verstehen, welcher ein Verhältnis einer Intensität des Anregungslichts nach Durchtritt durch das Zwischenelement zur eingestrahlten Intensität vor Durchtritt durch das Zwischenelement beschreibt. Beispielsweise kann dieser Transmissionsgrad bezogen werden auf einen vollständigen Durchtritt durch das Zwischenelement von einer dem elektromechanischen Wandlerelement zuweisenden Seite hin zu einer dem Anpasskörper zuweisenden Seite des Zwischenelements, also beispielsweise zwischen zwei ebenen Oberflächen des Zwischenelements. Beispielsweise kann von einer dieser Oberflächen Licht mit einer Intensität I₀ eingestrahlt werden, und auf einer gegenüberliegenden Seite Licht der Intensität I detektiert werden, wobei die Transmission, gleichbedeutend dem Transmissionsgrad, bestimmt wird durch den Quotienten I/I₀. Diese Messung kann auch spektral aufgelöst durchgeführt werden, beispielsweise mittels eines entsprechenden Spektrometers.
Das Zwischenelement kann insbesondere ganz oder teilweise aus mindestens einem anorganischen Material hergestellt sein. Insbesondere kann mindestens ein anorganisches Material verwendet werden, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Glas und einem Kristall. So kann beispielsweise ein vollständig oder teilweise kristallines Material verwendet werden. Das Zwischenelement kann beispielsweise mindestens ein Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fensterglas, BK7-Glas, Borsilikatglas, Duranglas, Pyrex und Quarzglas. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Fensterglas und/oder Quarzglas. Auch andere Materialien sind jedoch grundsätzlich alternativ oder zusätzlich einsetzbar.
Das Zwischenelement kann, zusätzlich zu den oben genannten Transparenzeigenschaften, auch lichtstreuende Eigenschaften aufweisen. So kann das Zwischenelement beispielsweise Streuzentren umfassen, an denen das Anregungslicht beim Durchtritt durch das Zwischenelement gestreut wird. So kann das Anregungslicht allgemein insbesondere mindestens einmal innerhalb des Zwischenelements gestreut und/oder reflektiert werden.
Alternativ oder zusätzlich zu lichtstreuenden Eigenschaften kann das Zwischenelement auch beispielsweise lumineszierende Eigenschaften aufweisen, insbesondere fluoreszierende Eigenschaften.
Wie oben ausgeführt, kann das Zwischenelement weiterhin hinsichtlich seiner akustischen Impedanz angepasst oder sogar optimiert werden, um einen Durchtritt akustischer Signale von dem elektromechanischen Wandlerelement hin zu dem fluiden Medium oder umgekehrt zu verbessern, insbesondere zu optimieren. So kann das Zwischenelement beispielsweise eine akustische Impedanz aufweisen, welche zwischen einer akustischen Impedanz des elektromechanischen Wandlerelements und einer akustischen Impedanz des Anpasskörpers liegt. Beispielsweise kann das Zwischenelement derart gewählt werden, dass dieses eine akustische Impedanz aufweist, welche zumindest näherungsweise dem geometrischen Mittel der akustischen Impedanz des elektromechanischen Wandlerelements und der akustischen Impedanz des Anpasskörpers entspricht. Unter „zumindest näherungsweise“ können dabei beispielsweise noch Abweichungen um beispielsweise etwa eine Zehnerpotenz, d.h. von nicht mehr als dem 15fachen, vorzugsweise von nicht mehr als dem 10fachen und besonders bevorzugt von nicht mehr als dem 8fachen dieses geometrischen Mittels toleriert werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Weiterhin kann das Zwischenelement, alternativ oder zusätzlich zu der oben beschriebenen Ausgestaltung der akustischen Impedanz, auch hinsichtlich seiner thermischen Eigenschaften und/oder thermomechanischen Eigenschaften verbessert werden. Beispielsweise kann das Zwischenelement allgemein einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, welcher um höchstens 20 ppm/K von einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des elektromechanischen Wandlerelements abweicht, vorzugsweise um höchstens 10 ppm/K. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Weitere optionale Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung betreffen den Auftrag des photochemisch aushärtenden Klebstoffs. Diesbezüglich wurden oben bereits einige bevorzugte Ausgestaltungen beschrieben. Der photochemisch aushärtende Klebstoff kann insbesondere in nicht-ausgehärtetem Zustand, d.h. vollständig unausgehärtet oder lediglich teilweise ausgehärtet, also beispielsweise vor-ausgehärtet, als Klebeschicht auf das Zwischenelement aufgetragen werden. Beispielsweise kann dieser Auftrag in flüssiger und/oder pastöser Form erfolgen. Dabei kann das Zwischenelement vollständig oder teilweise von der Klebeschicht bedeckt werden. Beispielsweise kann mindestens eine Oberfläche des Zwischenelements, beispielsweise eine dem elektromechanischen Wandlerelement zuweisende und/oder eine dem Anpasskörper zuweisende Oberfläche, vollständig oder teilweise mit der Klebeschicht bedeckt werden. Anschließend kann das mindestens eine Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus dem elektromechanischen Wandlerelement und dem Anpasskörper, also das elektromechanische Wandlerelement und/oder der Anpasskörper, mit der Klebeschicht kontaktiert werden. Die Klebeschicht kann mit dem Anregungslicht bestrahlt werden, wobei das Anregungslicht zumindest teilweise das Zwischenelement durchdringt. Dieses Bestrahlen kann unmittelbar vor und/oder während und/oder nach dem Kontaktieren des elektromechanischen Wandlerelements und/oder des Anpasskörpers erfolgen.
Zum Auftragen des photochemisch aushärtenden Klebstoffs in dem nicht-ausgehärteten Zustand, also vollständig unausgehärtet oder auch lediglich teilweise ausgehärtet, können verschiedene Techniken eingesetzt werden. So können beispielsweise verschiedene Dosierverfahren eingesetzt werden, beispielsweise Sprühverfahren und/oder Dispenserverfahren. Alternativ oder zusätzlich können Tauchverfahren und/oder Druckverfahren eingesetzt werden, wie beispielsweise Siebdruck, Tampondruck, Schablonendruck oder andere Druckverfahren. Wiederum alternativ oder zusätzlich können beispielsweise Rakelverfahren eingesetzt werden. Auch andere Techniken sind jedoch grundsätzlich alternativ oder zusätzlich einsetzbar.
Wie oben ausgeführt, kann die Verklebung mittels des mindestens einen photochemisch aushärtenden Klebstoffs zwischen dem Zwischenelement und einem oder mehreren der Elemente Anpasskörper und elektromechanisches Wandlerelement erfolgen. So können der Anpasskörper und das Zwischenelement miteinander verklebt sein, und/oder es können das elektromechanische Wandlerelement und das Zwischenelement miteinander verklebt sein. Auch eine Kombination beider Möglichkeiten ist denkbar. So können beispielsweise sowohl das elektromechanische Wandlerelement als auch der Anpasskörper jeweils mit dem Zwischenelement verklebt werden. Beispielsweise kann das Zwischenelement eine erste Oberfläche aufweisen, welche über die Klebeschicht mit dem elektromechanischen Wandlerelement verbunden ist, beispielsweise eine ebene Oberfläche, sowie mindestens eine zweite Oberfläche, beispielsweise wiederum eine ebene zweite Oberfläche, wobei die zweite Oberfläche mit dem Anpasskörper verklebt ist.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen, welcher nach einem Verfahren gemäß einer oder mehreren der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen herstellbar ist. Der Ultraschallwandler weist mindestens ein elektromechanisches Wandlerelement und mindestens einen Anpasskörper zur Begünstigung einer akustischen Schwingungskopplung zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement und dem fluiden Medium auf. Unter einer Begünstigung einer Schwingungskopplung ist dabei ein Vorgang zu verstehen, bei welchem akustische Signale, die von dem elektromechanischen Wandlerelement in das fluide Medium eingekoppelt werden, und/oder akustische Signale, die von dem fluiden Medium in das elektromechanische Wandlerelement eingekoppelt werden, durch den Anpasskörper in geringerer Weise Verluste erleiden als in einem äquivalenten Aufbau ohne den genannten Anpasskörper.
Der Ultraschallwandler weist weiterhin zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement und dem Anpasskörper mindestens ein Zwischenelement auf. Das Zwischenelement ist zumindest teilweise transparent für Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 500 nm. Das Zwischenelement ist mit mindestens einem der Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus dem elektromechanischen Wandlerelement und dem Anpasskörper mittels mindestens eines photochemisch aushärtenden Klebstoffs verklebt. Für weitere Einzelheiten möglicher Ausgestaltungen des Ultraschallwandlers kann auf die obige oder nachfolgende Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen werden.
Vorteile der Erfindung
Das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung des Ultraschallwandlers sowie der vorgeschlagene Ultraschallwandler weisen gegenüber bekannten Verfahren und Ultraschallwandlern eine Vielzahl von Vorteilen auf. So lassen sich grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannte elektromechanische Wandlerelemente verwenden, beispielsweise mit elektrisch leitfähigen Elektroden. Beispielsweise können Piezokeramiken und/oder Piezokristalle eingesetzt werden. Das mindestens eine Zwischenelement kann auf wirksame Weise die oben genannten Aufgaben erfüllen. Der Anpasskörper kann zur akustischen Kopplung zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement und dem fluiden Medium hinsichtlich seiner Materialeigenschaften angepasst sein, um eine optimale Einkopplung und/oder Auskopplung zu gewährleisten. So können grundsätzlich beliebige Messmedien als fluide Medien eingesetzt werden, beispielsweise Gase, Gasmischungen und insbesondere Luft. Der Anpasskörper kann beispielsweise als Kopplungsschicht ausgestaltet sein und für eine akustisch optimale Kopplung optimiert sein. Beispielsweise kann der Anpasskörper schichtartig ausgestaltet sein, beispielsweise als Membran ausgeformt sein und/oder als Impedanzanpassungsschicht zur Verbesserung der Schwingungskopplung. Insbesondere kann der Anpasskörper ganz oder teilweise als so genannte Lambda/4-Schicht ausgestaltet sein, beispielsweise wie in dem oben genannten Stand der Technik beschrieben. Insbesondere kann der Anpasskörper zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften ganz oder teilweise als poröses und/oder offenporiges Material ausgestaltet sein. Durch Verwendung des vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens und der beschriebenen photochemischen Aushärtung unter Durchleuchtung des Zwischenelements können dabei die Eigenschaften des Anpasskörpers optimal ausgewählt werden, ohne dass beispielsweise in verstärkter Weise auf ein Eindringen des photochemisch aushärtenden Klebstoffs in den Anpasskörper geachtet werden muss. Dieses Eindringen kann durch eine geeignete Auswahl der Bedingungen der photochemischen Aushärtung effizient verhindert werden.
Das mindestens eine Zwischenelement, welches beispielsweise als mindestens eine Zwischenschicht ausgestaltet sein kann, welches zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement und dem mindestens einen Anpasskörper angeordnet ist, kann insbesondere hinsichtlich seiner akustischen Impedanz geeignet ausgewählt und sogar optimiert sein. Unter einer akustischen Impedanz ist dabei allgemein die Größe Z = E·rho zu verstehen, wobei E das Elastizitätsmodul des jeweiligen Elements bezeichnet und rho dessen Dichte. Hierbei kann insbesondere für das Elastizitätsmodul der für die genutzte Frequenz gültige Wert zu verwenden, der in der Regel deutlich höher ist, beispielsweise um ein bis zwei Zehnerpotenzen, als der mit niederfrequenteren Standard-Methoden zur Materialcharakterisierung ermittelte Wert. Die akustische Impedanz des mindestens einen Zwischenelements kann beispielsweise, wie oben ausgeführt, zwischen den jeweiligen akustischen Impedanzen des elektromechanischen Wandlerelements und des Anpasskörpers liegen. Auf diese Weise können akustische Verluste an den Grenzflächen zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement und dem Anpasskörper wirksam verhindert werden. Weiterhin lassen sich mittels des mindestens einen Zwischenelements auch thermomechanische Spannungen effizient vermeiden oder zumindest verringern. Durch die oben beschriebene Auswahl des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), welche bevorzugt um höchstens 20 ppm/K vom jeweiligen Wert des elektromechanischen Wandlerelements abweicht, insbesondere um nicht mehr als 10 ppm/K, lassen sich auf günstige Weise Spannungen ausgleichen.
Gleichzeitig lässt sich das Verfahren durch die zumindest teilweise Transparenz des Zwischenelements für das Anregungslicht wirksam gestalten und auch großtechnisch auf einfache Weise umsetzen. Die genannten Wellenlängen sind allgemein dabei als Wellenlängen in Luft zu verstehen.
Die Anpassung der akustischen Impedanzen des Zwischenelements ermöglicht, wie oben ausgeführt, eine gute Schwingungskopplung zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement und dem Anpasskörper und/oder dem fluiden Medium. Gleichzeitig lässt sich durch das Zwischenelement und dessen Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wirksam das elektromechanische Wandlerelement vor Verspannungen schützen. Die Strahlungsdurchlässigkeit des Zwischenelements ermöglicht auf einfache Weise eine Verklebung mit einem strahlenhärtenden Klebstoff und demzufolge eine schnellere Aushärtung, so dass die oben genannten Fügeparameter während des Verklebungsprozesses nicht lange aneinandergedrückt werden müssen, beispielsweise in einem Ofenprozess. Auf diese Weise kann insbesondere wirksam verhindert oder zumindest vermindert werden, dass der Klebstoff in einen offenporigen Anpasskörper, beispielsweise in eine offenporige Impedanzanpassungsschicht, eindringen kann, wodurch sich dessen akustisches Verhalten ändern könnte. Insgesamt lässt sich somit ein kostengünstiger, großtechnisch leicht umsetzbarer und robuster Fertigungsprozess gewährleisten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Einzelheiten und mögliche Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, welche schematisch in den Figuren dargestellt sind. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
Im Einzelnen zeigen:
1 einen möglichen Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers; und
2 Verfahrensschritte einer möglichen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens in einem schematischen Flussdiagramm.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 110 zum Einsatz in einem fluiden Medium in einer Schnittdarstellung von der Seite gezeigt. Das fluide Medium ist in dieser Darstellung symbolisch mit der Bezugsziffer 112 bezeichnet. Beispielsweise kann es sich bei diesem fluiden Medium um Luft handeln.
Der Ultraschallwandler 110 weist mindestens ein elektromechanisches Wandlerelement 114 auf, beispielsweise mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement, welches eingerichtet ist, um elektrische Signale in akustische Signale und insbesondere in Ultraschallsignale umzuwandeln.
Weiterhin weist der Ultraschallwandler 110 mindestens einen Anpasskörper 116 zur Verbesserung einer akustischen Kopplung zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement 114 und dem fluiden Medium auf. Beispielsweise kann dieser Anpasskörper 116 als akustische Koppelschicht ausgestaltet sein, beispielsweise als Lambda/4-Schicht, insbesondere aus porösem Polyimid. Mögliche Ausgestaltungen werden unten noch näher beschrieben. Der Anpasskörper 116 weist beispielsweise mindestens eine Koppelfläche 118 auf, welche dem fluiden Medium zuweist. Auf dieser Koppelfläche 118 kann der Anpasskörper 116 optional zusätzlich mit mindestens einer Schutzschicht 120 versehen sein, beispielsweise einer Folie und/oder einem Lack. Auch eine andere Ausgestaltung ist denkbar. Weiterhin weist der Ultraschallwandler 110 zwischen dem Anpasskörper 116 und dem elektromechanischen Wandlerelement 114 mindestens ein Zwischenelement 122 auf. Dieses Zwischenelement weist in einem spektralen Bereich < 500 nm, wie unten noch näher ausgeführt wird, eine zumindest teilweise Transparenz für Anregungslicht auf. Das Zwischenelement 122 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel über mindestens eine Klebeschicht 124 mindestens eines photochemisch aushärtenden Klebstoffs 126 mit dem elektromechanischen Wandlerelement 114 verbunden und/oder ist über mindestens eine Klebeschicht 128 des photochemisch aushärtenden Klebstoffs 126 mit dem Anpasskörper 116 verbunden. In 1 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem beide Möglichkeiten realisiert sind, also sowohl eine Verklebung mit dem elektromechanischen Wandlerelement 114 über die Klebeschicht 124 als auch eine Verklebung mit dem Anpasskörper 116 über die Klebeschicht 128.
Der Ultraschallwandler 110 kann weitere Bauelemente aufweisen, welche in 1 nicht dargestellt sind. So kann der Ultraschallwandler 110 beispielsweise in mindestens einem Gehäuse aufgenommen sein, welches den dargestellten Schichtaufbau umgibt. Dabei ist vorzugsweise die Koppelfläche 118 freibleibend, so dass diese mit dem fluiden Medium 112 in Kontakt stehen kann, zum Austausch akustischer Signale. Der Ultraschallwandler 110 kann beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt werden, insbesondere in einem Durchflussmesser.
1 zeigt somit eine mögliche Ausgestaltung eines prinzipiellen Aufbaus des Ultraschallwandlers 110 in einer möglichen Schichtabfolge. Das eigentliche elektromechanische Wandlerelement 114 kann beispielsweise in Form einer Piezokeramik ausgestaltet sein und kann über das Zwischenelement 122 und die beiden Klebeschichten 124, 128 mit dem Anpasskörper, beispielsweise einer Lambda/4-Schicht aus porösem Polyimid, verbunden sein. Für mögliche Werkstoffe des Anpasskörpers 116 kann beispielsweise auf die obige Beschreibung verwiesen werden.
Für das elektromechanische Wandlerelement 114 lassen sich grundsätzlich beispielsweise bekannte Piezokeramiken einsetzen. Beispielsweise können so genannte weiche Piezokeramiken und/oder Piezokeramiken aus der Werkstoffklasse "Navy Type II" eingesetzt werden, beispielsweise der Werkstoff "PZT-5A" und/oder ein vergleichbares Material. Alternativ oder zusätzlich lassen sich auch Piezokeramiken aus der Werkstoffklasse "Navy Type VI" einsetzen, beispielsweise der Werkstoff "PZT-5H" und/oder vergleichbare Materialien. Die Piezokeramik kann insbesondere mit mindestens zwei leitfähigen Elektroden versehen sein, beispielsweise mit aufgesputterten und/oder durch Siebdruckverfahren aufgedruckten und/oder eingebrannten metallischen oder metallhaltigen Elektroden. Die Piezokeramik kann beispielsweise eine zylindrische Form aufweisen. Je nach Keramikeigenschaften ergibt sich dann bei einem Durchmesser von beispielsweise 8 mm eine Planarresonanz im Bereich beispielsweise von ca. 200 kHz und ca. 350 kHz. Eine hiervon abweichende Auslegung, beispielsweise bei der statt der Planarresonanz eine Dickenschwingung und/oder eine andere Frequenz genutzt wird, ist jedoch ebenso möglich.
Wird beispielsweise eine Planarresonanz im oben angegebenen Frequenzbereich genutzt, dann stellt sich in der Regel je nach gewünschtem Schwingungsverhalten eine Dicke des Piezoelements im Bereich von beispielsweise ca. 0,1 mm bis 3,0 mm als vorteilhaft heraus, beispielsweise je nach Schwingungsamplitude, Temperaturgang, Dämpfbarkeit, Entkoppelbarkeit, Nachschwingungen oder ähnlichen gewünschten Parametern.
Je dicker die Keramik des piezoelektrischen Wandlerelements ist, desto geringer fällt in der Regel deren Biegefähigkeit aus und desto geringer reagiert diese in der Regel auf Verspannungen aufgrund thermischer Ausdehnungen und/oder Kontraktion des Anpasskörpers 116. Mit zunehmender Keramikdicke sollte also auch die Dicke des mindestens einen Zwischenelements 122 erhöht werden, um über diese Dicke die Verspannung abzubauen. Die Dicke des Zwischenelements 122, beispielsweise der Zwischenschicht, kann beispielsweise unabhängig von deren Material und von den Materialien und/oder Geometrien des elektromechanischen Wandlerelements 114 und/oder des Anpasskörpers 116 gewählt werden, beispielsweise im Bereich von ca. 0,5 mm bis ca. 4,0 mm.
Der Anpasskörper 116, beispielsweise die Impedanzanpassungsschicht, hat in der Regel eine Impedanz Z = c·rho, wobei c die Schallgeschwindigkeit und rho die Dichte des Anpasskörpers 116 ist. Diese Impedanz des Anpasskörpers 116 sollte zwischen der Impedanz des elektromechanischen Wandlerelements 114 und der Impedanz des fluiden Mediums 112 liegen. Dabei hängt in der Regel die Schallgeschwindigkeit c direkt mit dem Elastizitätsmodul E zusammen, welches in der Regel frequenzabhängig ist. Um für den Anpasskörper 116 eine möglichst niedrige Impedanz zu erzielen, kann beispielsweise die Dichte rho des Anpasskörpers 116 mit Hilfe einer Porosität des gewählten Materials des Anpasskörpers reduziert werden. Die sich dann ergebende Schallgeschwindigkeit legt zusammen mit der Frequenz des elektromechanischen Wandlerelements 114 in der Regel die Wellenlänge der akustischen Signale fest. Die Dicke des Anpasskörpers 116 kann dann beispielsweise auf ca. 1/4 der Wellenlänge festgelegt werden. Bei einer Verwendung von beispielsweise porös gesintertem Polyimid, wie beispielsweise dem Material Vespel^® der DuPont GmbH Deutschland, können beispielsweise Dichten von ca. 0,8 g/cm³ erreicht werden. Mit den oben genannten Dimensionen des elektromechanischen Wandlerelements 114 kann dann beispielsweise eine Dicke des Anpasskörpers 116 senkrecht zur Koppelfläche 118 von 0,6 mm bis 1,4 mm als optimale Dicke verwendet werden.
Der verwendete Klebstoff 126 ist, wie oben ausgeführt, ein photochemisch aushärtender Klebstoff, auch als strahlenhärtender Klebstoff bezeichnet. Beispielsweise können strahlenhärtende Kunststoffe eingesetzt werden. Hierfür kommen beispielsweise sowohl Stoffe in Frage, die mit UV-Strahlung ausgehärtet und/oder aktiviert werden können, als auch Stoffe, die beispielsweise zum Teil auch mit eher kurzwelligem sichtbaren Licht ausgehärtet werden können, beispielsweise mit Licht im grünen, blauen und violetten Spektralbereich. Als Beispiel eines möglichen einsetzbaren Klebstoffs 126 kann der Epoxy-Klebstoff Katiobond GE680 der DELO Industrie Klebstoffe GmbH & Co KGaA, 86949 Windach, Deutschland, genannt werden.
Damit das Anregungslicht, welches die Aushärtung des Klebstoffs 126 initiiert und/oder bewirkt, zu einer oder mehreren der Klebeschichten 124, 128 gelangen kann, wird, wie oben ausgeführt, für das Zwischenelement 122 ein geeignetes Material gewählt, welches die benötigten Lichtwellenlängen ausreichend transmittiert. Hierzu sollte mindestens eine Transmission von ca. 5 % erzielt werden, vorteilhafterweise eine Transmission von mindestens 25 % oder sogar von mindestens 80 %. Die Strahlung des Anregungslichts kann durch das mindestens eine Zwischenelement 122 direkt auf die Klebeschichten 124 und/oder 128 gelangen. Zusätzlich oder alternativ kann die Strahlung des Anregungslichts die mindestens eine Klebeschicht 124, 128 jedoch auch über eine oder mehrere Reflexionen an den Begrenzungen des Zwischenelements 122 erreichen und/oder durch Streuung innerhalb des Zwischenelements 122 und/oder durch Beugung und/oder Lumineszenz, beispielsweise Fluoreszenz. Die genannten Vorgänge lassen dabei vorzugsweise die Wellenlänge der Strahlung des Anregungslichts gleich oder unverändert. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch Vorgänge eingesetzt werden, bei welchen die Wellenlänge des Anregungslichts verändert wird, beispielsweise Fluoreszenzvorgänge.
Für das mindestens eine Zwischenelement 122 lassen sich grundsätzlich verschiedene Werkstoffe mit den genannten Transparenzeigenschaften und vorzugsweise auch mit den genannten thermomechanischen und/oder akustischen Eigenschaften einsetzen. Wird beispielsweise der sichtbare Lichtbereich für das Anregungslicht genutzt, so kann beispielsweise Fensterglas eingesetzt werden, welches einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE von 7,6 ppm/K aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann auch so genanntes BK7-Glas eingesetzt werden, welches einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von CTE = 7,1 ppm/K aufweist. Beide Ausdehnungskoeffizienten passen beispielsweise gut zu üblichen Piezokeramiken mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von typischerweise CTE ≈ 7 ppm/K. Wird beispielsweise ein UV-aushärtender Klebstoff 126 verwendet, so können, je nach benötigtem Spektrum, auch andere Glastypen alternativ oder zusätzlich eingesetzt werden. Beispielsweise können allgemein auch so genannte Borsilikatgläser eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können Glas vom Typ Duran^®, erhältlich bei der Duran Group GmbH, Deutschland, und/oder Pyrex^®, erhältlich bei United Kingdom Pyrex, UK, verwendet werden. Derartige Borsilikatgläser, Durangläser oder Pyrex-Gläser weisen typischerweise Ausdehnungskoeffizienten von ca. 3 ppm/K auf. Auch diese Ausdehnungskoeffizienten könnten, je nach Typ des elektromechanischen Wandlerelements 114 und insbesondere je nach Typ des piezoelektrischen Wandlerelements, und je nach gewünschtem Temperaturbereich, noch gut vor Verspannungen schützen. Insbesondere Quarzglas weist in der Regel eine gute UV-Transmission auf, weist jedoch in vielen Fällen einen nochmals geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, typischerweise bei 0 ppm/K, was aber ebenfalls noch in vielen Fällen ausreichenden Schutz bietet.
Eine Fehlanpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten kann hingegen vor allem bei wiederholten Temperaturschockwechseln, beispielsweise bei Temperaturschockwechseln von –40 °C nach 140 °C innerhalb von beispielsweise 5 s und zurück, zu einer Schädigung des elektromechanischen Wandlerelements 114, insbesondere des Piezos, führen. So können beispielsweise Risse und/oder Depolarisationen auftreten.
Anstelle eines glasartigen und/oder vollständig durchsichtigen Werkstoffs für das Zwischenelement 122 können, alternativ oder zusätzlich, auch teiltransparente und/oder streuende und/oder fluoreszierende Werkstoffe eingesetzt werden, solange durch das Zwischenelement 122 hindurch ausreichend Anregungslicht zu dem Klebstoff 122 gelangen kann. Sämtliche der genannten Möglichkeiten sollen unter dem Begriff "zumindest teilweise transparent" umfasst sein.
Durch die Wahl eines photochemisch aushärtbaren und insbesondere strahlungshärtenden Klebstoffs kann der Prozess des Zusammenfügens der genannten Elemente derart ausgeführt werden, dass die Fügepartner lediglich während der Bestrahlung mit dem Anregungslicht miteinander kontaktiert, beispielsweise zusammengedrückt, werden müssen. Ein länger dauernder Ofenprozess kann auf diese Weise insbesondere vermieden werden, was für eine Großserienfertigung günstig ist. Außerdem führt die schnelle Aushärtung in der Regel dazu, dass der Klebstoff 126 nicht oder lediglich in stark verringertem Maße in den Anpasskörper 116, beispielsweise in eine offenporige Impedanzanpassungsschicht, eindringen kann, was das Schwingungsverhalten des Anpasskörpers 116 negativ beeinflussen könnte.
In 2 ist in einem schematischen Ablaufdiagramm eine mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Ultraschallwandlers 110, beispielsweise gemäß der in 1 beschriebenen Ausgestaltung, dargestellt. Das Verfahren umfasst einen Verfahrensschritt einer Bereitstellung eines Anpasskörpers 116 (Verfahrensschritt 130). Zu diesem Zweck kann der Anpasskörper 116 beispielsweise mittels eines Sauggreifers 132 gehandhabt werden. Beispielsweise kann der Anpasskörper 130 zum Zweck der Bereitstellung aus einem Werkstückträger 134 und/oder aus einer anderen Art einer Positionierung entnommen werden.
Weiterhin umfasst das dargestellte Verfahren einen Verfahrensschritt einer Bereitstellung eines Zwischenelements 122 (Verfahrensschritt 136), beispielsweise eines Glasscheibchens und/oder einer anderen Art von Zwischenelement 122. Die Bereitstellung 136 kann beispielsweise wiederum mit Hilfe eines Werkstückträgers 134 und/oder einer anderen Art der Aufnahme erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Zwischenelement 122 auch ganz oder teilweise in einer Verpackung positioniert sein, beispielsweise in einem so genannten Blister Pack. Alternativ oder zusätzlich kann das Zwischenelement 122 in der in 2 gezeigten Position auch fixiert sein, beispielsweise durch ein Ansaugen in dem Werkstückträger 134. Weiterhin umfasst der in 2 dargestellte Verfahrensschritt 136 auch einen Auftrag des Klebstoffs 126 auf das Zwischenelement 122, beispielsweise mittels mindestens eines Dispensers 138. Auf diese Weise wird das Zwischenelement 122 vollständig oder teilweise mit einer Klebeschicht 128 bedeckt.
Das in 2 dargestellte Verfahren umfasst weiterhin einen Fügeschritt 140. In diesem Fügeschritt 140 werden die Klebeschicht 128 und der Anpasskörper 116 miteinander kontaktiert. Beispielsweise kann zu diesem Zweck wiederum ein Sauggreifer 132 verwendet werden und/oder eine andere Art der Aktorik. Dabei kann das Zwischenelement 122 mit der Klebeschicht 128 dem Anpasskörper 116 zugeführt werden und/oder umgekehrt. Während des in 2 dargestellten Fügeschritts 140 können die dargestellten Bauteile locker aufeinander gelegt werden oder auch zusammengepresst werden.
Weiterhin umfasst das in 2 dargestellte Verfahren einen Bestrahlungsschritt 142. Bei diesem Bestrahlungsschritt 142 wird die Klebeschicht 128 mit mindestens einem Anregungslicht 144 bestrahlt, wobei das Anregungslicht 144 zumindest einen Teilbereich des Zwischenelements 122 durchdringt. Der Bestrahlungsschritt 142 kann vorzugsweise gleichzeitig und/oder zeitlich überlappend mit einem Aufsetzen und/oder Andrücken der Fügepartner 116, 122 erfolgen. Die Bestrahlung kann jedoch auch in einem Zeitfenster vor und/oder nach dem in 2 mit 140 bezeichneten Fügeschritt beginnen und/oder enden, beispielsweise in einem Zeitfenster ±50 s, bevorzugt ±20 s, vorzugsweise ±10 s. Durch eine Optimierung des Zeitpunkts, des Zeitraums, der Intensität und/oder des Spektrums der Bestrahlung kann insbesondere verhindert werden, dass der Klebstoff 126 zu tief in die optionalen Poren des Anpasskörpers 116 eindringen kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Zeitraum der Bestrahlung auch derart kurz gewählt werden, dass der Klebstoff 126 nur zu reagieren und/oder auszuhärten beginnt und dadurch nicht mehr in Poren eindringt. Eine vollständige Aushärtung oder Endaushärtung kann dann zu einem späterem Zeitpunkt beispielsweise thermisch erfolgen, beispielsweise durch Verwendung einer Infrarotlampe oder/oder eines Ofens.
Weiterhin umfasst das in 2 dargestellte Verfahren einen Verfahrensschritt einer Bereitstellung des elektromechanischen Wandlerelements sowie, gleichzeitig oder zeitversetzt, eines Auftrags des Klebstoffs 126 auf das elektromechanische Wandlerelement 114. Dieser Verfahrensschritt und/oder diese Kombination aus Verfahrensschritten sind in 2 mit der Bezugsziffer 146 bezeichnet. Wiederum kann für die Bereitstellung des elektromechanischen Wandlerelements 114 beispielsweise ein Werkstückträger 134 eingesetzt werden, optional mit einer Fixierung des elektromechanischen Wandlerelements 114, beispielsweise wiederum durch eine Ansaugung und/oder durch eine andere Art der Fixierung. Alternativ oder zusätzlich zu einem Werkstückträger 134 kann das elektromechanische Wandlerelement 114 auch ganz oder teilweise in einer Verpackung aufgenommen sein, beispielsweise in einem Blister Pack.
Für den Auftrag des Klebstoffs 126 kann beispielsweise wiederum ein Dispenser verwendet werden. Dabei wird eine Oberfläche des elektromechanischen Wandlerelements 114 vollständig oder teilweise mit dem Klebstoff 126 bedeckt, wobei eine Klebeschicht 124 entsteht. Bei dem Klebstoff 126 der Klebeschicht 124 kann es sich um denselben Klebstoff handeln, der auch in Verfahrensschritt 136 verwendet wird. Auch eine unterschiedliche Ausgestaltung der Klebstoffe 126 ist denkbar.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die in Verfahrensschritt 142 erzeugte Baugruppe mit der Klebeschicht 124, die in Verfahrensschritt 146 erzeugt wurde, kontaktiert. Dieser Verfahrensschritt ist in 2 als Fügeschritt 148 bezeichnet. Diese Fügung kann beispielsweise wieder dadurch erfolgen, dass die Baugruppe aus Verfahrensschritt 142 der Baugruppe aus Verfahrensschritt 146 zugeführt wird und/oder umgekehrt. Beispielsweise kann wiederum, wie in 2 dargestellt, ein Sauggreifer 132 verwendet werden. Auch andere Aktoren sind jedoch grundsätzlich alternativ oder zusätzlich einsetzbar.
In dem Fügeschritt 148 wird die Klebeschicht 124 mit dem Zwischenelement 122 kontaktiert. Dabei erfolgt, wie in 2 durch die Bezugsziffer 150 beschrieben, ein Aufsetzen und optional ein Aufpressen des Zwischenelements 122 auf die Klebeschicht 124. Je nach Art des Klebstoffs 126 der Klebeschicht 124 kann dabei optional wiederum eine Bestrahlung mit Anregungslicht 144 erfolgen, wobei das Anregungslicht optional wiederum das Zwischenelement 122 durchdringen kann. Alternativ oder zusätzlich könnte jedoch auch eine andere Art von Klebstoff 126 für die Klebeschicht 124 verwendet werden, beispielsweise ein thermisch aushärtender Klebstoff.
Es wird darauf hingewiesen, dass die in 2 dargestellten Verfahrensschritte auch in einer anderen Reihenfolge als der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden könnten. So könnte beispielsweise erst eine Verklebung des elektromechanischen Wandlerelements 114 mit dem Zwischenelement 122 erfolgen und anschließend eine Verklebung des Zwischenelements 122 mit dem Anpasskörper 116. Auch eine gleichzeitige Verklebung dieser drei Elemente wäre grundsätzlich denkbar. Weiterhin könnte auch ein Schichtaufbau in einer umgekehrten Reihenfolge wie in 2 dargestellt erfolgen.
Das gemäß Verfahrensschritt 150 der 2 hergestellte Zwischenelement des Ultraschallwandlers 110 kann dann als fertiger Ultraschallwandler 110 eingesetzt werden oder kann einem oder mehreren weiteren Verarbeitungsschritten unterzogen werden. Beispielsweise könnte das in 2 im Verfahrensschritt 150 dargestellte Zwischenelement in ein oder mehrere Gehäusebauteile eingesetzt werden und/oder in ein oder mehrere weitere Elemente des Ultraschallwandlers 110 eingesetzt oder eingebracht werden. Beispielsweise könnte ein Einbringen der dargestellten Baugruppe in ein Gehäuse erfolgen, gefolgt beispielsweise von einem Verguss mindestens eines Hohlraums zwischen der dargestellten Baugruppe und dem Gehäuse. Verschiedene weitere Ausgestaltungen sind denkbar und dem Fachmann grundsätzlich zu erschließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008055116 A1 [0002, 0002, 0009]
DE 102008055123 B3 [0002, 0002, 0003, 0004, 0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (110) zum Einsatz in einem fluiden Medium (112), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Bereitstellen mindestens eines elektromechanischen Wandlerelements (114), – Bereitstellen mindestens eines Anpasskörpers (116) zur Begünstigung einer akustischen Schwingungskopplung zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement (114) und dem fluiden Medium (112), und – Einbringen mindestens eines Zwischenelements (122) zwischen das elektromechanische Wandlerelement (114) und den Anpasskörper (116), wobei das Zwischenelement (122) zumindest teilweise transparent für Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 500 nm ist, gekennzeichnet durch weiterhin folgenden Verfahrensschritt: – Verkleben des Zwischenelements (122) mit mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus dem elektromechanischen Wandlerelement (114) und dem Anpasskörper (116) unter Verwendung mindestens eines photochemisch aushärtenden Klebstoffes (126), wobei der Klebstoff (126) zum Aushärten mit Anregungslicht (144) bestrahlt wird, wobei das Anregungslicht (144) das Zwischenelement (122) zumindest teilweise durchdringt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Zwischenelement (122) in mindestens einem Wellenlängenbereich unterhalb von 500 nm eine Transmission von mindestens 5 % aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zwischenelement (122) ganz oder teilweise aus mindestens einem anorganischen Material hergestellt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zwischenelement (122) Licht streuende Eigenschaften aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zwischenelement (122) lumineszierende Eigenschaften aufweist, insbesondere fluoreszierende Eigenschaften.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zwischenelement (122) eine akustische Impedanz aufweist, welche zwischen einer akustischen Impedanz des elektromechanischen Wandlerelements (114) und einer akustischen Impedanz des Anpasskörpers (116) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zwischenelement (122) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, welcher um höchstens 20 ppm/K von einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des elektromechanischen Wandlerelements (114) abweicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der photochemisch aushärtende Klebstoff (126) in nicht-ausgehärtetem Zustand als Klebeschicht (124, 128) auf das Zwischenelement (122) aufgetragen wird, wobei anschließend das mindestens eine Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus dem elektromechanischen Wandlerelement (114) und dem Anpasskörper (116) mit der Klebeschicht (124, 128) kontaktiert wird und wobei die Klebeschicht (124, 128) mit dem Anregungslicht (144) bestrahlt wird, wobei das Anregungslicht (144) zumindest teilweise das Zwischenelement (122) durchdringt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sowohl das elektromechanische Wandlerelement (114) als auch der Anpasskörper (116) mit dem Zwischenelement (122) verklebt werden.
Ultraschallwandler (110) zum Einsatz in einem fluiden Medium, herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ultraschallwandler (110) mindestens ein elektromechanisches Wandlerelement (114) und mindestens einen Anpasskörper (116) zur Begünstigung einer akustischen Schwingungskopplung zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement (114) und dem fluiden Medium (112) aufweist, wobei der Ultraschallwandler (110) weiterhin zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement (114) und dem Anpasskörper (116) mindestens ein Zwischenelement (122) aufweist, wobei das Zwischenelement (122) zumindest teilweise transparent für Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 500 nm ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (122) mit mindestens einem der Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus dem elektromechanischen Wandlerelement (114) und dem Anpasskörper (116) mittels mindestens eines photochemisch aushärtenden Klebstoffes (126) verklebt ist.