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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallpulsen kurzer Dauer mit hohem Schalldruck sowie einen elektro-thermoakustischen Wandler und dessen Verwendung, beispielsweise für die zerstörungsfreie Materialprüfung.
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Die Erzeugung von Luftultraschall für Zwecke der zerstörungsfreien Materialprüfung wird im Wesentlichen durch zwei Punkte erschwert:
Zum einen hat Luft eine vergleichsweise geringe akustische Impedanz. Daraus ergibt sich ein großer Impedanzunterschied zwischen einem Ultraschallsender bzw. Ultraschallempfänger und der Luft sowie zwischen der Luft und einem zu prüfenden Objekt.
Zum anderen ist es mit bekannten Wandlern bisher nicht gelungen, hinreichend kurze Ultraschall-Pulse in Luft zu erzeugen, wie sie für eine präzise örtliche und zeitliche Auflösung in Prüfverfahren notwendig sind.
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Bei der Verwendung piezokeramischer Wandler mit Luftultraschall haben sich Anpassschichten zur Minderung des großen Impedanzunterschieds zwischen Wandler und Luft bewährt. Diese sorgen dafür, dass die Reflexionen an der Grenze zwischen Luft und Ultraschallwandler verringert werden und Signalverluste vermindert werden können. Auch die thermoakustische Erzeugung von Ultraschall ist bekannt, z.B. mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Metalldrähten [1–2]. Insbesondere sind Schichtsysteme mit Al, Au, Pt und Ni zur thermoakustischen Erzeugung von Ultraschall unterhalb von 100 kHz bekannt [3–5]. So lehrt
EP 1761 105 A1 einen Druckwellenerzeuger und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
EP 1 599 068 A1 lehrt eine thermisch aktivierte Schallerzeugungsvorrichtung.
US 2010 / 0 025 145 A1 lehrt einen Druckwellengenerator und ein Verfahren zur Kontrolle seiner Temperatur. Die Autoren M. Daschewski, R. Boehm, J. Prager, M. Kreutzbruck und A. Harrer beschreiben in J. Appl Phys 114: 114903-1–12 die Physik der thermo-akustischen Schallerzeugung.
US 2010 / 0 110 839 A1 lehrt eine thermoakustische Vorrichtung, umfassend ein IR-Reflektorelement.
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Auf Grund ihrer deutlichen Erwärmung, sind mit bekannten thermoakustischen Wandlerschichten nur kurzzeitig hohe Schalldruckpegel, beispielsweise im Bereich von 100 dB, zu erzielen. Praktische Ultraschall-Anwendungen in der zerstörungsfreien Materialprüfung erfordern jedoch die Erzeugung höherer Frequenzen über längere Zeiträume.
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Vor diesem Hintergrund wird gemäß Anspruch 1 ein elektro-thermo-akustisches Wandlerelement vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und aus den Ausführungsformen.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform wird ein thermoakustisches Wandlerelement vorgeschlagen, das ein dielektrisches Substrat und einen stoffschlüssig auf dem Substrat angeordneten Dünnschichtaufbau umfasst. Der Dünnschichtaufbau umfasst eine elektrisch leitende Dünnschicht mit zwei zueinander beabstandeten Kontakten, die elektrisch leitend mit der elektrisch leitenden Dünnschicht verbunden sind, wobei die Dünnschicht zumindest ein erstes Metall aufweist.
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Die beschriebene Ausführungsform ermöglicht es, im Ergebnis eines zwischen den beabstandeten Kontakten fließenden Stromes die elektrisch leitende Dünnschicht kurzzeitig zu erwärmen, sodass über den bekannten thermoakustischen Effekt ein Schallsignal generiert wird, dessen Frequenz und Amplitude eine Anwendung für die zerstörungsfreie Materialprüfung ermöglicht. Bei geeigneter Auswahl des Substrats hinsichtlich hoher Temperaturstabilität und geringer thermischer Leitfähigkeit können für die zerstörungsfreie Prüfung ausreichend starke Ultraschallsignale erzeugt werden.
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Die Kontakte umfassen eine erste und eine zweite Elektrode, die zueinander zumindest abschnittsweise parallel ausgerichtet sind.
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Daraus ergibt sich der Vorteil, dass Bereiche der Dünnschicht zwischen jenen parallel zueinander angeordneten Elektrodenabschnitten gleichmässig erwärmt werden, folglich die sie umgebende Luft ähnlich homogen erwärmt wird und das bei hochfrequenter elektrischer Ansteuerung generierte Ultraschallsignal im bevorzugten Frequenzbereich oberhalb 100 kHz liegt.
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Weiter umfasst das thermoakustische Wandlerelement eine dritte Elektrode, die auf der dem flächigen Schichtaufbau gegenüber liegenden Substratseite angeordnet ist, wobei die dritte Elektrode ein zweites Metall und/oder ein kohlenstoffhaltiges Material und/oder ein elektrisch leitfähiges Oxid, ausgewählt unter In2O:Sn und/oder SnO2:F und/oder ZnO:Al und/oder SnO2:Sb umfasst. Optional ist das elektrisch leitfähige Material ausgewählt unter einem kohlenstoffhaltigen Material, insbesondere unter Diamant, diamantartigem Kohlenstoff, Graphen, Graphit, oder Kohlenstoffnanoröhren.
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Vorteile ergeben sich daraus, dass der Wandler bei geeigneter Gestaltung und Ansteuerung nicht nur als Ultraschallsender, sondern auch als Ultraschallempfänger verwendet kann, da vom Substrat empfangene mechanische Schwingungen mit Hilfe der dritten Elektrode auf dem piezoelektrischen Substrat (z.B. Keramik- oder Elektretfolie) in ein elektrisches Signal umgewandelt werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Wandlerelement vorgeschlagen, wobei das zumindest erste Metall der Dünnschicht ausgewählt ist unter Indium oder einem hochschmelzenden Ventilmetall, wie Titan, Tantal, Niob, Wolfram oder Molybdän.
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Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich daraus, dass die besagten Metalle unter geeigneten Bedingungen und ohne aufwendige zusätzliche Maßnahmen an ihrer Oberfläche eine Schicht ausbilden können, beispielsweise eine Oxidschicht oder eine Nitridschicht. Ebenso sind die besagten Metalle gut geeignet, um als Dünnschichten reproduzierbar auf einem Substrat aufgebracht werden zu können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Dünnschichtaufbau der Vorrichtung eine Oxidschicht oder eine Metallnitridschicht umfasst, wobei das Oxid der Oxidschicht ausgewählt ist unter: In2O:Sn, bzw. mit Zinn dotiertem Indiumoxid; SnO2:F, bzw. mit Fluor dotiertem Zinn(IV)-oxid; ZnO:Al, bzw. mit Aluminium dotiertem Zinkoxid; SnO2:Sb, bzw. mit Antimon dotiertem Zinn(IV)-oxid; Indiumzinnoxid; Titanoxid; Tantaloxid; Nioboxid; Wolframoxid; oder Molybdänoxid.
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Die genannten Verbindungen sind entweder selbst elektrisch leitend und können mithin zur Erzeugung des Ultraschallsignals beitragen. Ebenso können die Oxid- und Nitrid-Schichten auf den entsprechenden Metallen mit einer bevorzugten Stärke (Dicke) erzeugt werden oder bilden sich unter geeigneten Bedingungen spontan in einer bevorzugten Stärke aus. Sie sind zudem hinreichend hart, um als Schutzschicht dienen zu können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen Wandlerelements ist die Metallnitridschicht als oberste Schicht des Dünnschichtaufbaus auf der vom Substrat abgewandten Seite und unmittelbar auf der Dünnschicht angeordnet. Damit wird eine Schichtstruktur Substrat-Dünnschichtmetall-Dünnschichtmetallnitrid vorgeschlagen.
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Ein Vorteil einer Metallnitridschicht gegenüber einer Metalloxidschicht ist deren größere Härte und damit erreichbare Schutzwirkung sowie ihre Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt eine Stärke (Dicke) der Metallnitridschicht in einem Bereich von 2 bis 500 nm, bevorzugt bei oder zwischen 3 bis 100 nm, und beträgt weiter bevorzugt 4 bis 10 nm.
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Ein Vorteil derartig dünner Schichten ist ein günstiges Dicken-Verhältnis Metallschicht:Schutzschicht, das einerseits eine gute elektrische Leitfähigkeit, andererseits aber auch eine bevorzugte Wärmeabstrahlung an die unmittelbar umgebende Fluidschicht gewährleistet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Oxidschicht zuoberst auf dem Dünnschichtaufbau, auf der vom Substrat abgewandten Seite der Dünnschicht, umfassend das erste Metall und somit unmittelbar auf jener angeordnet.
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Daraus ergibt sich vorteilhaft ein besonders kompakter Schichtaufbau.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Dünnschichtaufbau des vorgeschlagenen Wandlerelements eine thermische Isolierschicht und/oder einen IR-Reflektorschichtaufbau, die jeweils zwischen dem Substrat und der elektrisch leitenden Dünnschicht angeordnet sind, sodass eine von der elektrisch leitenden Dünnschicht in Richtung zum Substrat abgestrahlte Wärmemenge zumindest teilweise reflektierbar ist.
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Resultierende Vorteile umfassen einerseits vor allem den Schutz des dielektrischen Substrates vor übermäßiger Erwärmung und andererseits die effektive Erwärmung der unmittelbar anliegenden Fluidschicht. Der IR-Reflektorschichtaufbau ist an einen, beispielsweise durch die Art des Substrates vorgegebenen, potentiellen Arbeitstemperaturbereich des Wandlers angepasst. Insbesondere ist die thermische Isolierschicht bzw. die IR-Reflektorschicht so ausgewählt, den Wärmefluss in das Substrat zu unterbinden und in das Fluid zu lenken und für den nachfolgend noch erläuterten Fall der Ausführungsform des Wandlers als Sender und als Empfänger, eine nachteilige Erwärmung des Substrates in den Bereich seiner Glasübergangstemperatur auch bei hoher Intensität oder Pulsfolge abgestrahlten Ultraschalls zuverlässig zu unterbinden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Wandlerelements umfasst die thermische Isolierschicht und/oder der IR-Reflektorschichtaufbau eine Aneinanderreihung verschiedener und unterschiedlich starker, aber hinsichtlich ihrer Dicke aufeinander und auf den Temperaturbereich abgestimmter metallischer oder halbleitender Schichten mit einer Dicke von 0,2 bis 10 µm, insbesondere einer Dicke von 0,5 bis 8 µm, insbesondere zwischen 0,8 und 4 µm.
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Resultierende Vorteile sind eine Erhöhung des Wirkungsgrades und der thermischen Stabilität des Wandlerelements.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Wandlerelement vorgeschlagen, wobei ein ohmscher Widerstand zwischen den zwei zueinander beabstandeten Kontakten im Wesentlichen über einen Flächenwiderstand der elektrisch leitenden Dünnschicht und damit über die Dicke des Dünnschichtaufbaus abzüglich einer Schichtdicke einer Ventilmetalloxid-Schicht, einer Metallnitridschicht und/oder der thermischen Isolierschicht und des IR-Reflektorschichtaufbaus vorgebbar ist.
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Umfasst der Dünnschichtaufbau eine Schutzschicht (Metalloxid und/oder Metallnitrid) und eine thermische Isolierschicht und/oder IR-Reflektorschicht, so wird der Flächenwiderstand im Wesentlichen über die Dicke der elektrisch leitenden Schichten definiert. Da sich deren Schichtdicke herstellungsbedingt einstellen lässt, ist der Schichtwiderstand vorgebbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat des vorgeschlagenen Wandlerelements ausgewählt unter einer Platte, einer Folie oder einem Laminat. Bevorzugt umfasst das Substrat einen piezoelektrischen Werkstoff ausgewählt unter einer piezoelektrischen Keramik oder einem Elektret-Material.
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Das Substrat ist insbesondere ein organisches oder anorganisches Substrat geringer Temperaturleitfähigkeit, insbesondere Quarzglas, Polycarbonat, ein Polymer, beispielsweise zelluläres Polypropylen.
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Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich aus der besonderen Eignung der besagten Dielektrika für die Erzeugung von Ultraschall.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Dünnschichtaufbau, umfassend die elektrisch leitfähige Dünnschicht mit dem zumindest ersten Metall eine laterale Strukturierung auf und ist über die erste und die zweite Elektrode, die elektrisch leitend mit dem Metall verbunden sind, mit einem elektrischen Signal beaufschlagbar. So wird erreicht, dass in Abhängigkeit von Frequenz, Amplitude, und/oder einer Dauer des elektrischen Signals ein Ultraschallsignal vorgebbarer Charakteristik wiederholt und reproduzierbar erzeugbar ist.
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Vorteile einer lateralen Strukturierung umfassen eine Anpassung der Ultraschall-Abstrahlcharakteristik sowie eine zuverlässige Kontaktierung. Vorteilhafterweise haben die Elektroden einen direkten elektrischen Kontakt zur elektrisch leitenden Dünnschicht, insbesondere zu einer Metallschicht derselben. Die Schutzschicht hingegen grenzt an die Elektroden an oder bedeckt diese und die Dünnschicht gleichermaßen. Mögliche Vorteile einer lateralen Strukturierung bestehen beispielsweise in einer günstigen Beeinflussung des Schwingungsverhaltens des Dielektrikums.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Wandlerelement vorgeschlagen, wobei die thermische Isolierschicht eine poröse Schicht umfasst und Poren, welche dem Dünnschichtaufbau zugewandt sind, mit einem dielektrischen Füllstoff gefüllt sind, sodass die elektrisch leitende Dünnschicht zu einer im wesentlichen planaren Oberfläche benachbart und selbst im wesentlichen planar ist.
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Aus der Einebnung des Substrates ergeben sich Vorteile für die Planarität der auf der Isolierschicht direkt aufliegenden elektrisch leitenden Dünnschicht. Dies wiederum begünstigt das Ultraschall-Abstrahlverhalten der Wandlerschicht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Wandlerelement vorgeschlagen, wobei Wandlerelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Wandlerelement angepasst ist zur Erzeugung von Luftultraschall mit einer Frequenz bis mindestens 100 kHz, bevorzugt mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 4 MHz mit einer Leistung, die zur zerstörungsfreien Materialprüfung geeignet ist, wobei ein Schalldruckpegel des erzeugten Luftultraschalls im Bereich von 50 dB bis 250 dB, insbesondere im Bereich von 70 dB bis 200 dB liegt.
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Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich zum einen aus dem für die zerstörungsfreie Materialprüfung vorteilhaft einsetzbaren Frequenzbereich. Weitere Vorteile umfassen die Möglichkeit eines gewissen Abstandes des Wandlerelements zum Prüfkörper auf Grund des Schalldruckpegels. Mit einem derartigen Wandlerelement können beispielsweise für die Prozessmesstechnik erforderliche Strömungsmessungen eines Fluids, beispielsweise in einer Röhre, vorgenommen werden. Ebenso kann beispielsweise die Dicke einer Eisschicht auf einem Gewässer bestimmt oder ein technologischer Prozess, beispielsweise zur Schichtabscheidung, oder zum Entfernen einer Schicht während eines Reinigungsverfahrens oder während eines Ätzverfahrens von fern überwacht werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Wandlerelement vorgeschlagen, wobei das Wandlerelement angepasst ist, um Schallimpulse für eine kurze Impulsanregung eines Prüfkörpers mit Impulslängen zwischen 1 ns und 10 µs, bevorzugt im Bereich zwischen 250 ns und 5 µs, insbesondere im Bereich von 400 ns bis 2,5 µs, vorzugsweise im Bereich von 500 ns bis 1 µs abzugeben.
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Vorteile dieser Ausführungsform betreffen die Erzeugung von kurzen Prüfimpulsen hoher Intensität, beispielsweise eines frequenzmodulierten Signals mit einstellbarem Frequenzhub (Sweep).
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Wandlerelement vorgeschlagen, wobei das Substrat so geformt ist, dass sich eine fokussierende Wirkung für eine abgestrahlte Schallwelle ergibt.
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Vorteile dieser Ausführungsform bestehen in einer erleichterten Ausrichtung des erzeugten Schallsignals auf den Prüfkörper und, beim Betrieb als Empfänger, der verbesserten Empfangsleistung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Wandlerelement vorgeschlagen, wobei das Wandlerelement Bestandteil eines Impuls-Echo-Prüfkopfes ist.
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Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich aus der Möglichkeit einer integrierten Bauweise eines Wandlers für die zerstörungsfreie Prüfung.
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Neben den erwähnten Substraten kann auch ein anderes Polymer als Elektret ausgebildet und als Substrat verwendet werden. Beispielsweise ist Polyethylenterephthalat, Polyethylen, Dichloroethylenpolysulphid oder Vinylacetat zur Ausbildung eines Elektrets geeignet und kommt für den beschriebenen Wandler in Betracht.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden. Dabei können Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen ausgewählt und miteinander kombiniert werden.
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Überraschend erwies sich, dass Ventilmetall-Schichten oder Schichten, welche ein Ventilmetall umfassen auf Grund ihrer gegenüber Kupfer oder Silber deutlich geringeren elektrischen Leitfähigkeit einen ausreichend großen ohmschen Widerstand gewährleisten und als Dünnfilmschichten für die thermo-elektrische Erzeugung von Ultraschall besonders geeignet sind. Insbesondere gestatten sie die thermo-akustische Erzeugung von Ultraschallsignalen mit ausreichend hohem Schalldruck auch im Frequenzbereich oberhalb von 100 kHz.
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Der eingangs geschilderten Aufgabenstellung entsprechend, wird vorgeschlagen, die betreffenden Schichten mit kurzen Signalpulsen zu betreiben, wobei eine Puls-Wiederholrate bzw. ein Puls: Pause-Verhältnis auf die jeweilige Pulsdauer abgestimmt wird, sodass Ultraschall oberhalb 100 kHz mit einem für praktische Anwendungen ausreichendem Schalldruck auch über hinreichend lange Zeiträume bereitgestellt werden kann. Beispielsweise kann eine Puls-Wiederholrate von 100 Hz bis 10 kHz ausgewählt werden. Zusätzlich gestattet die Ausrüstung der thermoakustisch aktiven Schicht mit einer zusätzlichen Schutzschicht eine erhöhte Beständigkeit und gleichzeitig eine verbesserte Ankopplung an das umgebende Fluid. Die Schutzschicht bildet sich gemäß bevorzugter Ausführungsformen selbstständig im Kontakt mit der Luft aus.
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Die zum Aufbau der beschriebenen Schichten eingesetzten Materialien sind wie beschrieben entweder elektrisch leitend und haben damit typischerweise eine spezifische Leitfähigkeiten oberhalb von 106 S/m oder sie sind Isolatoren, und haben damit typischerweise eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10–8 S/m. Ein typisches Beispiel eines für den Aufbau eines elektro-thermoakustischen Wandlerelements geeigneten dielektrisches Substrat ist Quarzglas, das eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1,4 W/m/K hat, oder auch Polycarbonat mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,2 W/m/K.
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Ebenso ist aber auch Keramik verwendbar, die optional mit einer porösen Zwischenschicht zwischen Keramik und Dünnfilmelektrode ausgestattet ist. Geeignete Keramiken haben typischerweise eine Wärmeleitfähigkeit von > 20 W/m/K. Im Vergleich dazu haben Metalle typischerweise eine Wärmeleitfähigkeit weit oberhalb von 20 W/m/K.
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Das Fluid, über welches das thermoakustisch erzeugte Ultraschall-Signal direkt in den Prüfling eingekoppelt wird, ist vorzugsweise Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, ein Edelgas oder ein Gasgemisch jeweils in deren gasförmigem oder auch verflüssigtem Zustand, kann ebenso aber auch Wasser, eine wässrige Lösung, ein Öl oder eine Schmelze sein.
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Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen des vorgeschlagenen Verfahrens und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
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1 zeigt beispielhaft ein Wandlerelement mit einer elektrisch leitfähigen Dünnschicht, die von zwei Elektroden kontaktiert wird.
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2 zeigt eine Weiterbildung des in 1 dargestellten Wandlerelements.
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3 zeigt ein Wandlerelement, das angepasst ist zum Senden und zum Empfangen von Ultraschall, indem es eine dritte Elektrode auf der Rückseite des Substrates aufweist.
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4 zeigt eine Weiterbildung des in 3 dargestellten Wandlerelements.
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Insbesondere zeigt 1 ein Blockschema einer ersten Ausführungsform des vorgeschlagenen Wandlerelements 100. Ein planares Substrat 10 weist an einer Seite eine elektrisch leitende Dünnschicht 20 auf, die mit Hilfe von zwei einander gegenüber liegenden und zueinander beabstandeten Elektroden 31, 32 über Kontakte 60 kontaktiert ist. Die Kontakte sind hier als fest mit den Elektroden 31 verbundene Drähte gezeigt, können jedoch auch in Form von Federklemmen vorliegen, oder auf eine andere dem Fachmann bekannte Art und Weise realisiert sein.
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2 zeigt eine Weiterbildung 101 dieses Wandlers, umfassend eine zwischen Substrat 10 und leitender Dünnschicht 20 angeordnete thermische Isolierschicht 20 oder IR-Reflexionsschicht 20. Die Rückseite 12 des Substrates 10 ist wie auch im Wandler 100 unbeschichtet. Auch hier können die Kontakte 60 auf eine dem Fachmann bekannte Art und Weise ausgeführt sein. Insbesondere können die Kontakte 60 an eine Form und/oder ein Design des Gehäuses zur Halterung des Wandlerelements 101 angepasst sein und Federkontakte, eine Lotverbindung, eine elektrisch leitende Klebeverbindung oder ähnliches umfassen.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Wandlers 102. Wie ersichtlich ist die erste Seite des Substrates 15 wie beim Wandler 100 aus 1 mit einer elektrisch leitenden Dünnschicht 20 ausgerüstet. Diese ist mit zwei Elektroden 31, 32 kontaktiert, sodass bei Beaufschlagung der Dünnschicht 20 mit geeigneten Spannungspulsen, sodass der zwischen den Elektroden 31, 32 über die Dünnschicht 20 fließende Strom die Dünnschicht kurzzeitig erhitzt und einen Ultraschallimpuls auslöst. Die zweite Seite des Substrates 15 ist mit einer dritten Elektrode 50, insbesondere einer Dünnfilmelektrode 50 ausgerüstet. Diese ist ebenso geeignet kontaktiert, beispielsweise mit einer Bondverbindung. In diesem Fall wäre das mit dem Bezugszeichen 33 versehene Element als Bondbump anzusehen. Der Kontakt zur dritten Elektrode 50 kann aber beispielsweise auch als am äußeren Rand umlaufender Ring ausgeführt sein. In diesem Fall wäre 33 als Querschnitt durch einen nur einseitig gezeigten Ringkontakt 33 zu interpretieren. Das Substrat 15 umfasst im Falle der hier gezeigten Ausführungsform des Wandlers 102 vorteilhafterweise ein piezoelektrisches Material oder ein Polymerelektret. Eine durch einstrahlenden Schall erfolgende (hochfrequente) mechanische Deformation der Membran verursacht in dem Substrat den Aufbau eines elektrischen Potentialverlaufs, der sich über die dritte Elektrode gegen die erste 31 und zweite Elektrode 32 abgreifen lässt und, geeignet verstärkt, auf einer Ausgabeeinheit darstellbar ist.
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4 zeigt schematisch eine Weiterbildung des in 3 gezeigten Wandlers. Der Wandler 103 umfasst zusätzlich eine thermische Isolierschicht 40 oder eine IR-Reflexionsschicht 40. Dadurch wird eine übermäßige Erhitzung des Substrates zuverlässig verhindert. Es versteht sich von selbst, dass diese Isolier- oder IR-Reflektorschicht in sich weiter strukturiert sein kann. Insbesondere kann eine unmittelbar dem Substrat 15 aufliegende Verbindungsschicht die thermische Isolier- bzw. IR-Reflektorschicht auf dem Substrat verankern. Ebenso kann die Schicht 40 zumindest teilweise Poren aufweisen, die zur elektrisch leitenden Dünnschicht 20 hin mit einem geeigneten Dielektrikum verfüllt sind.
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Im Hinblick auf die Beaufschlagung von Prüfkörpern für Belange der Materialprüfung sind das Impuls-Echo-Verfahren und das Transmissionsverfahren bekannt.
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In der Impuls-Echo-Konfiguration sind Sender und Empfänger auf derselben Seite des Prüfkörpers positioniert. Nachdem ein kurzer Ultraschallpuls in das Material gesendet wird, wird seine Reflexionen vom Empfänger erfasst, wodurch Informationen über die Lage von Fehlern in der Probe oder auch über Schichtdicken gewonnen werden können. Bisher gibt es kein funktionierendes Impuls-Echo-Verfahren in der Luftultraschalltechnik, was ein großer Nachteil der bislang eingesetzten Lösungen ist.
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Beim Transmissionsverfahren dagegen sind Sender und Empfänger bezüglich der Probe auf gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Der vom Sender erzeugte Schall durchdringt die Probe und wird auf der anderen Seite vom Empfänger detektiert. Die Tiefenlage der Fehler im Prüfobjekt kann nicht bestimmt werden. Bei Prüfproblemen mit einseitiger Zugänglichkeit ist diese Technik nicht anwendbar.
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Gemäß konkreten praktischen Ausführungsbeispielen wurden jeweils rechteckige Substrate aus Quarzglas und Polycarbonat mit einer Beschichtung aus ITO oder Titan mit natürlicher Titanoxid-Schicht versehen. Die Kontaktierung der Schichten erfolgte mit Golddrähten, die an den Rändern der jeweiligen Schicht mit Kontaktkleber oder Leitsilber befestigt wurden. Die beschichteten Substrate werden von einem Halterahmen gehalten. Der Betrieb der erhaltenen thermoakustischen Ultraschallwandler erfolgte durch Beaufschlagung mit Gleichspannungsimpulsen einer Impulsbreite von 500 ns und einer Amplitude von 200 V. Der emittierte Schalldruck in 6 cm Abstand betrug im Fall beider Proben > 120 dB. Die Bandbreite ergibt sich dabei aus der Impulsbreite der Anregung.
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Über das Einstellen einer geringen Schichtdicke der Dünnfilmelektrode und deren gepulsten Betrieb kann eine übermäßige Erwärmung des dielektrischen Substrates bei der Erzeugung von Ultraschall (Sende-Modus) verhindert werden. Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn beispielsweise ein Polymerelektret als das dielektrisches Substrat dient, oder das Substrat eine eingeschränkte thermische Stabilität aufweist.
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Die Eignung des Wandlers für Belange der Materialprüfung kann weiter verbessert werden, wenn die Dünnfilmelektrode durch eine IR-Reflektorschicht vom Substrat isoliert ist. Handelt es sich bei der IR-Reflektorschicht um einen elektrischen Leiter, beispielsweise um ein Metall, so ist diese IR-Reflektorschicht von der Elektrode elektrisch isoliert. So kann beispielsweise eine mit Zinn dotierte Indiumoxidschicht (In2O:Sn) oder eine metallische Au, Ag, Cu, Cr oder Al Schicht in Kombination mit dielektrischen Filmen aus Titanoxid (TiO2) und/oder Siliziumoxid (SiO2) als IR-Reflektorschicht dienen. Beispielsweise ist eine 100 nm starke Au Schicht überdeckt mit einer 20 bis 50 nm starken SiO2 Dünnschicht als IR-Reflektor geeignet. Die IR-Reflektorschicht ermöglicht eine Steigerung der Intensität des erzeugten bzw. gesendeten Ultraschalls. Die hier benannten Schichtdicken stellen lediglich beispielhafte Angaben dar. Ebenso kann eine dielektrische IR-Reflektorschicht bestehend aus einem Schichtsystem aus mehreren SiO2 und TiO2 Schichten mit geeigneten Schichtdicken von jeweils zwischen 10 und 120 nm verwendet werden.
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Ein Wandlerelement mit einer Ventilmetallschicht weist beispielsweise den folgenden Schichtaufbau auf:
| Zweite Schicht: | Ventilmetallnitrid / -oxid | 4–6 nm |
| Erste Schicht: | Ventilmetall | 100 nm |
| Isolationsschicht: | Ventilmetallnitrid / -oxid | 10–30 nm |
| IR-Reflektorschicht: | Au | 100–150 nm |
| Dielektrisches Substrat: | z.B. Quartz, Polymer oder Elektret | 1 mm |
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Die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals ergibt sich aus der Frequenz des zur elektrothermischen Anregung genutzten Gleichspannungssignals. Zur Kontrolle der tatsächlich erreichten Ultraschallfrequenz wurde eine beschallte Polymerfolie mittels Laservibrometrie vermessen.
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Gemeinsame Vorteile der beschriebenen Ausführungsformen bestehen insbesondere darin, dass gemäß der vorstehenden Beschreibung und der Ausführungsbeispiele ein kostengünstiger, robuster, kurzpulsiger und leistungsstarker Luftultraschallwandler für die Materialprüfung, -charakterisierung und Sensorik bereitgestellt wird, der auch für die Ultraschall-Impuls-Echo-Technik und damit insbesondere für die zerstörungsfreie Materialprüfung geeignet ist.
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Beispiele hierfür sind Schichtdickenuntersuchungen oder Untersuchungen der Tiefenlage von Fehlern in Materialien. Auch die thermoakustische Erzeugung von Ultraschall selbst kann mit der vorliegenden Erfindung noch näher untersucht werden. Im Hinblick auf die wirtschaftliche Relevanz wird vor allem auf neuartige Leichtbaumaterialien, insbesondere kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK), glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) und Verbundstoffe in Sandwichstruktur hingewiesen. Diese Materialien finden in zunehmendem Maße Verwendung im Transportsektor (Schiff-, Flugzeug- und Fahrzeugbau) und darüber hinaus beispielsweise im Windenergieanlagenbau. Der sich daraus ergebende Bedarf an leistungsfähigen Prüfverfahren zur Qualitätssicherung von Leichtbauwerkstoffen kann mit dem vorstehend beschriebenen Wandler und dem darauf basierenden Messverfahren bedient werden.
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Das vorgeschlagene elektro-thermo-akustische Wandlerelement umfasst gemäß bevorzugten Ausführungsformen ein zumindest in einer Schichtebene strukturierbares Dünnschichtsystem, das auf einem durch eine geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit charakterisierten organischen oder anorganischen Substrat aufgebaut ist.
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Mindestens eine Schicht des beschriebenen Dünnschichtsystems ist eine Metallschicht, die als elektro-thermische Wandlerschicht fungiert, wobei eine hinreichend temperaturstabile, sich natürlich ausbildende bzw. künstlich verstärkte oder künstlich hinzugefügte Schutzschicht den metallischen Leiter des Wandlerelements zur Umgebung hin abschließt. Gemäß einer Modifikation des vorgeschlagenen Wandlerelements umfasst der metallische Leiter solche chemischen Elemente, die zur Gruppe der hochschmelzenden Ventilmetalle oder der Gruppe der Nitride bildenden Metalle gehören. Insbesondere kann die metallische Dünnschicht Titan, Tantal, Niob, Wolfram, Molybdän und Iridium umfassen, so dass – ausgehend von einem in der Schicht vorliegenden Element – eine Schutzschicht durch zumindest ein Metalloxid oder eine Metallnitridverbindung dieses Elements ausgebildet werden kann. Die Impedanz der Metallschicht bzw. einer Legierungsschicht, umfassend eines der benannten Elemente, ist über den Flächenwiderstand und damit über die Dicke der Beschichtung abzüglich der Schichtdicke der oxidischen oder nitridischen Schutzschicht vorgebbar.
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Ein wesentlicher Vorteil des vorgeschlagenen Wandlerelements besteht in der Möglichkeit der Volumenprüfung in Impuls-Echo-Technik, wie sie konventionelle, berührende Ultraschallverfahren bieten. Während die bekannten Ultraschallprüftechniken flüssige Koppelmittel zur Ankopplung der Ultraschallprüfköpfe an die Materialoberfläche benötigen, dürfen die Oberflächen von Faserverbundwerkstoffen jedoch meist nicht mit einem Koppelmittel in Kontakt kommen. Das hohe wirtschaftliche Potenzial einer effizienten Luftultraschallprüfung in Impuls-Echo-Technik ist schon jetzt absehbar, wenn man berücksichtigt, dass sich bis zum Jahr 2030 das weltweite Volumen an CFK im Vergleich zur Gegenwart mehr als verzehnfacht haben wird, bisher jedoch noch keine adäquaten Prüfmethoden zur Verfügung standen.
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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.
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Referenzen
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