DE102019104093B3 - Ultrasonic transducer with improved sensitivity and sound radiation - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang von Schallwellen in einem Fluid (HO) mit einem piezoelektrischen Schallwandlerelement (PZT) und mit einem ersten schallwellenoptischen Funktionselement (PEI, 92). Das piezoelektrische Schallwandlerelement (PZT) ist dazu ausgebildet und vorgesehen, bei einer ersten Resonanzfrequenz (f) seiner Resonanzfrequenzen betrieben zu werden. Das schallwellenoptischen Funktionselement (200) ist zwischen Schallwandlerelement (PZT) und Fluid (HO) platziert. Das schallwellenoptischen Funktionselement (200) ist dabei aus dem Material (31) des Gehäuses gefertigt.The invention relates to an ultrasound transducer for emitting and receiving sound waves in a fluid (HO) with a piezoelectric sound transducer element (PZT) and with a first sound wave optical functional element (PEI, 92). The piezoelectric sound transducer element (PZT) is designed and intended to be operated at a first resonance frequency (f) of its resonance frequencies. The sound wave optical functional element (200) is placed between the sound transducer element (PZT) and fluid (HO). The sound wave optical functional element (200) is made from the material (31) of the housing.

Description

OberbegriffGeneric term

Die Erfindung richtet sich auf einen Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang von Schallwellen in einem Fluid.The invention is directed to an ultrasonic transducer for emitting and receiving sound waves in a fluid.

Allgemeine EinleitungGeneral introduction

Die Ultraschallmessung basiert auf der Schallgeschwindigkeit. Schall kann als Messmittel verwendet werden, da zwischen der Schallerzeugung und dem Schallempfang ein messbarer Zeitabstand besteht. Diese Zeitspanne und die dabei auftretenden zeitabhängigen Dämpfungen können in verwertbare Informationen umgewandelt werden. Ultraschallsender erzeugen ein Schallsignal mit einer Schallfrequenz über 20 KHz und Ultraschallempfänger empfangen das zurückkommende Echosignal und wandeln es in ein jeweiliges Empfangssignal um. Signalprozessoren interpretieren dann den Zeitverlauf des zurückkommenden Echos in Form des zeitlichen Verlaufs dieser Empfangssignale. Bevorzugt wird statteines im Raummultiplex räumlich getrennten Ultraschallsenders und eines Ultraschallempfängers ein kombinierter Schallwandler verwendet, der in verschiedenen Zeitabschnitten mal als Ultraschallsender und ein anderes Mal als Ultraschallempfänger im Zeitmultiplex arbeitet. Wenn in diesem Text von einem Schallwandler die Rede ist, ist daher stets auch die Kombination aus Ultraschallsender und Ultraschallempfänger mitumfasst. Der Schallwandler erzeugt nun ein solches Schallsignal und erfasst das zurückkommende Echo. Dieses wird durch den Schallwandler empfangen und in ein informationsbehaftetes elektrisches Signal, das Empfangssignal, gewandelt, das eine intelligente Verarbeitung der Echoprofile beispielsweise durch eine Analyseschaltung und/oder einen Signalprozessor ermöglicht.The ultrasound measurement is based on the speed of sound. Sound can be used as a measuring device because there is a measurable time interval between sound generation and sound reception. This period of time and the time-dependent damping that occurs can be converted into usable information. Ultrasonic transmitters generate a sound signal with a sound frequency above 20 KHz and ultrasonic receivers receive the returning echo signal and convert it into a respective received signal. Signal processors then interpret the time course of the returning echo in the form of the time course of these received signals. It is preferable to use a combined sound transducer, which is spatially separated in space multiplex and an ultrasound receiver, and which works in different time periods as an ultrasound transmitter and another time as an ultrasound receiver in time multiplex. When speaking of a sound transducer in this text, the combination of ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver is therefore always included. The sound transducer now generates such a sound signal and detects the returning echo. This is received by the sound transducer and converted into an information-bearing electrical signal, the received signal, which enables intelligent processing of the echo profiles, for example by an analysis circuit and / or a signal processor.

Das typische Schallwandlersystem bei einer Ultraschallpegelmessung erfordert einige Komponenten. Einer ist der Schallwandler, der das Ultraschallsignal erzeugt und das Echo empfängt, eine weitere Komponente ist ein Empfangsschaltkreis bzw. der Signalprozessor, der die Daten aus dem elektrischen Empfangssignal ermittelt und ein Messergebnis ableitet. Obwohl Ultraschallvorrichtungen die Komponenten in einer Einheit kombinieren, bleibt die individuelle Funktionalität unterschiedlich. Die Messausgänge kommunizieren in der Regel mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung zur Prozesssteuerung.The typical transducer system for ultrasound level measurement requires some components. One is the sound transducer, which generates the ultrasound signal and receives the echo, another component is a reception circuit or the signal processor, which determines the data from the electrical reception signal and derives a measurement result. Although ultrasound devices combine the components in one unit, the individual functionality remains different. The measurement outputs generally communicate with a programmable logic controller for process control.

Das typische Funktionsprinzip besteht darin, dass ein piezoelektrischer Kristall als piezoelektrisches Schallwandlerelement (PZT) im Inneren des Schallwandlers ein elektrisches Merkmal eines elektrischen Signals, typischerweise die Signalspannung, in Schallenergie umwandelt, wenn eine mechanische Welle in das Messmedium hinein übertragen wird, sich die Schallwelle in dem Messmedium ausbreitet und dann zum Schallwandler zurück reflektiert wird. Der Schallwandler fungiert dann als Empfangsvorrichtung und wandelt die als Echo zurückkehrende Schallenergie zurück in ein Empfangssignal. Ein elektronischer Signalprozessor bzw. eine andere geeignete Empfangsschaltung analysiert das Rückecho, das in dem Empfangssignal des Schallwandlers enthalten ist, und berechnet die Entfernung zwischen dem Schallwandler und dem Ziel, das das Echo verursacht hat. Die Zeitspanne zwischen dem Auslösen des Schallstoßes und dem Empfang des Rückechos ist direkt proportional zum Abstand zwischen dem Schallwandler und echoverursachenden Inhomogenitäten des Schallwellenwiderstands im Messraum, beispielsweise in einem Behälter, dessen Füllstand ermittelt werden soll. Dieses Grundprinzip ist das Herzstück der Ultraschallmesstechnik und wird in der Gleichung veranschaulicht: Abstand = [ ( Schallgeschwindigkeit ) × ( Flugzeit ) ] / 2

Figure DE102019104093B3_0001
The typical operating principle is that a piezoelectric crystal is used as the piezoelectric transducer element ( PZT ) inside the sound transducer converts an electrical feature of an electrical signal, typically the signal voltage, into sound energy when a mechanical wave is transmitted into the measuring medium, the sound wave propagates in the measuring medium and is then reflected back to the sound transducer. The sound transducer then acts as a receiving device and converts the sound energy returning as an echo back into a received signal. An electronic signal processor or other suitable receiving circuitry analyzes the return echo contained in the received signal of the transducer and calculates the distance between the transducer and the target that caused the echo. The time period between the triggering of the sound impulse and the reception of the return echo is directly proportional to the distance between the sound transducer and the echo-causing inhomogeneities of the sound wave resistance in the measuring room, for example in a container whose level is to be determined. This basic principle is at the heart of ultrasonic measurement technology and is illustrated in the equation: distance = [ ( Speed of sound ) × ( Flight time ) ] / 2nd
Figure DE102019104093B3_0001

Es ist hier das Ziel, hier einen Ultraschallwandler zu offenbaren, der Flüssigkeitsstand, Durchfluss und Ölqualität im automobilen Umfeld erfassen kann. Das Ziel ist ein kostengünstiger Wandler für den Durchflussmessungs- und Füllstandsensor-Markt.The aim here is to disclose an ultrasonic transducer that can measure the fluid level, flow rate and oil quality in the automotive environment. The goal is a cost-effective converter for the flow measurement and level sensor market.

Es wird ein Wandler offenbart, der für einen geringen Preis und bei geringen Qualitätsansprüchen an den Piezo-Schwinger als piezoelektrisches Schallwandlerelement (PZT) verkauft werden kann, um die Laufzeit der direkten Impulserkennung zu ermöglichen. Im Ergebnis handelt es sich dann um einen Hochleistungs-Ultraschallwandler. Mit dem offenbarten Hochleistungs-Ultraschallwandler ist eine Anwendung von Flugzeitmesstechniken zum Erfassen von Flüssigkeitsständen, der Flussrate und der Identifizierung der Ölmischung oder -qualität möglich. Geeignete verfügbare Auswerteschaltungen sind beispielsweise die integrierten Elmos Schaltreise E703.15 und der E703.25. Sie verfügen über eine Pikosekunden-Flugzeitauflösung und ein großes Potenzial in Automobil-, Industrie- und medizinischen Anwendungen. Die auf dem Markt befindlichen Ultraschallwandler sind jedoch für diese Anwendungen entweder von schlechter Qualität oder zu teuer. Daher wird hier ein neuartiges Ultraschallwandlerdesign vorschlagen, dass die kostengünstige Massenproduktion von Ultraschallwandlern bei einer Frequenz von 2 MHz ermöglicht.A transducer is disclosed which, for a low price and with low quality demands on the piezo oscillator, is used as a piezoelectric sound transducer element ( PZT ) can be sold to enable the duration of the direct pulse detection. The result is a high-performance ultrasound transducer. The disclosed high performance ultrasonic transducer enables time-of-flight measurement techniques to be used to measure liquid levels, flow rate and identify the oil mixture or quality. Suitable available evaluation circuits are, for example, the integrated Elmos switching circuits E703.15 and E703.25. They have picosecond time-of-flight resolution and great potential in automotive, industrial and medical applications. However, the ultrasound transducers on the market are either of poor quality or too expensive for these applications. Therefore, a new ultrasonic transducer design will be proposed here, which enables the cost-effective mass production of ultrasonic transducers at a frequency of 2 MHz.

Aus der DE 20 2004 002 107 U1 ist ein Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang von Schallwellen in einem Fluid bekannt, mit einem piezoelektrischen Schallwandlerelement und einer ersten akustischen Anpassschicht. Das piezoelektrische Schallwandlerelement ist dazu ausgebildet und vorgesehen, bei einer ersten Resonanzfrequenz (fr) seiner Resonanzfrequenzen betrieben zu werden. Die erste Anpassschicht ist dabei zwischen Schallwandlerelement und Fluid platziert. Die Schichtdicke (d2 ) der ersten Anpassschicht weicht von der Viertelwellenlänge der Wellenlänge des Schalls bei der ersten Resonanzfrequenz (fr ) des piezoelektrischen Schallwandlerelements in der ersten Anpassschicht bevorzugt nur unwesentlich ab. Dieses Prinzip kann für Flüssigkeiten übernommen werden.From the DE 20 2004 002 107 U1 is known an ultrasonic transducer for emitting and receiving sound waves in a fluid, with a piezoelectric sound transducer element and a first acoustic matching layer. The piezoelectric sound transducer element is designed and provided to operate at a first resonance frequency ( fr ) its resonance frequencies to be operated. The first matching layer is placed between the transducer element and the fluid. The layer thickness ( d 2 ) of the first matching layer deviates from the quarter wavelength of the wavelength of the sound at the first resonance frequency ( for r ) of the piezoelectric sound transducer element in the first matching layer preferably only insignificantly. This principle can be applied to liquids.

Eine Vorrichtung mit ähnlichen Merkmalen ist aus der DE 25 41 492 B2 bekannt.A device with similar features is known from the DE 25 41 492 B2 known.

Aus der US 2002 / 0 114 217 A1 ist eine Methode zur elektrischen Kontaktierung eines akustischen Transducers bekannt.A method for the electrical contacting of an acoustic transducer is known from US 2002/0 114 217 A1.

Aus der EP 1 769 854 A1 ist die Ausformung einer akustischen Linse (Bezugszeichen 3 der EP 1 769 854 A1 ) bekannt, die die Schallausbreitung und Schallabstrahlung modifiziert. Die in den Figuren der EP 1 769 854 A1 offengelegte Montagetechnik ist relativ kompliziert. Es besteht jedoch der Bedarf an einem besser gekapselten Gehäuse, das sicherstellt, dass keine Feuchtigkeit oder ggf. korrosive Flüssigkeit in das Gehäuse eindringen kann. Dies ist bei einem Gehäuse gemäß der technischen Lehre der EP 1 769 854 A1 nicht sichergestellt.From the EP 1 769 854 A1 is the shape of an acoustic lens (reference number 3 of the EP 1 769 854 A1 ) known that modifies sound propagation and sound radiation. The in the figures of the EP 1 769 854 A1 disclosed assembly technology is relatively complicated. However, there is a need for a better encapsulated housing that ensures that no moisture or possibly corrosive liquid can enter the housing. This is the case with a housing according to the technical teaching of EP 1 769 854 A1 not ensured.

Auch aus der DE 198 33 213 A1 ist die Ausformung einer Linse als akustooptisches Funktionslelement bekannt. Hier gelten die gleichen Nachteile, wie bei der technischen Lehre der EP 1 769 854 A1 .Also from the DE 198 33 213 A1 the formation of a lens is known as an acousto-optical functional element. The same disadvantages apply here as with the technical teaching of EP 1 769 854 A1 .

Aus der US 2017 / 0 018 700 A1 beispielsweise ist das Umspritzen elektronischer Bauteile mit Mold-Masse bekannt.For example, the encapsulation of electronic components with mold compound is known from US 2017/0 018 700 A1.

Weitere Informationen über Ultraschallwandler können unter www.wikipedia.de gefunden werden-More information about ultrasonic transducers can be found at www.wikipedia.de

Aufgabetask

Es soll eine Konstruktion für einen kostengünstigen Schallwandler für einen Durchflussmesser und/oder einen Füllstandssensor angegeben werden.A design for an inexpensive sound transducer for a flow meter and / or a level sensor is to be specified.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 6 gelöst.This object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 6.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Die Grundidee ist, den Ultraschallsensor durch einen PEI-Kunststoffspritzguss basierenden Herstellungsprozess zu fertigen. Hierbei steht die Abkürzung PEI für Polyetherimide (Kurzzeichen PEI). Sie zählen zu den Polyimiden und sind Polymere mit Imid- und Ether-Gruppen in den Hauptketten. Sie sind hochtemperaturbeständig, transparent und haben typischerweise einen goldgelben Farbton. Farb- und Zusatzstoffe können die Eigenschaften modifizieren.The basic idea is to manufacture the ultrasonic sensor using a manufacturing process based on PEI plastic injection molding. Here is the abbreviation PEI for polyetherimides (abbreviation PEI ). They are polyimides and are polymers with imide and ether groups in the main chains. They are resistant to high temperatures, transparent and typically have a golden yellow color. Dyes and additives can modify the properties.

Das Polyetherimid wird hier im Spritzgießverfahren verarbeitet. Die Verarbeitungstemperatur liegt je nach Typ zwischen 320 und 400 °C, die Werkzeugtemperatur zwischen 120 und 180 °C. Das Granulat muss vor der Verarbeitung auf einen Feuchtigkeitsgehalt von maximal 0,05 % getrocknet werden. Die erfindungsgemäßen Bauteile aus PEI können beispielsweise mittels Induktion, Vibration oder Ultraschall verschweißt oder beispielsweise mit Epoxy-, Polyurethan- oder Siliconkleber verklebt werden.The polyetherimide is processed here by injection molding. Depending on the type, the processing temperature is between 320 and 400 ° C, the tool temperature between 120 and 180 ° C. The granulate must be dried to a maximum moisture content of 0.05% before processing. The components according to the invention PEI can be welded, for example, by induction, vibration or ultrasound, or glued, for example, with epoxy, polyurethane or silicone adhesive.

Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist es, eine λ/4 Anpassungsschicht zur Anpassung des akustischen Wellenwiderstands des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) an das zu vermessende flüssige Medium vorzusehen und hierfür das für die Gehäusung benutzte PEI-Kunststoffmaterial zu verwenden. Durch die in der Konsequenz verbesserte Schallein- und auskopplung wird die abgestrahlte Schallleistung und die Empfangsempfindlichkeit des Ultraschallwandlers maximiert. In letzter Konsequenz ist somit der Basisgedanke der Erfindung der durch die Anwendung wellenoptischer Funktionselemente, die aus dem PEI-Gehäusematerial einer elektromechanischen Vorrichtung im Rahmen des Gehäusungsprozesses der elektromechanischen Vorrichtung gleich mitgefertigt werden, die akustischen Empfangs- und Sendeeigenschaften zu modifizieren.Another basic idea of the invention is a λ / 4 Adaptation layer for adapting the acoustic wave resistance of the piezoelectric sound transducer element ( PZT ) to the liquid medium to be measured and to do this using the PEI plastic material used for the housing. The consequently improved sound coupling and decoupling maximizes the radiated sound power and the sensitivity of the ultrasound transducer. Ultimately, the basic idea of the invention is to modify the acoustic reception and transmission properties through the use of wave-optical functional elements, which are made from the PEI housing material of an electromechanical device as part of the housing process of the electromechanical device.

Als akustowellenoptische Funktionselemente kommen digitale Optiken, wie beispielsweise Linse, Fresnellinsen, phononische Kristalle etc. in Frage.Digital optics, such as, for example, lenses, Fresnel lenses, phononic crystals, etc., are suitable as acoustic wave-optical functional elements.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren erläutert.The invention is explained below with reference to the figures.

Die auf dem Elmos E703.15 / E703.25 basierende Erfindung integriert Durchfluss- und Temperaturmesseinheiten mit einem voll ausgestatteten 16-Bit-Mikrocontroller. Alle analogen Eingangsschaltkreise sind ebenfalls in die Elmos E703.15 / E703.25 integriert. Die Durchflussmessung basiert auf dem oben bereits beschriebenen Flugzeitprinzip. Ein Zeit-zu-Digital-Wandler, englisch Time-to-Digital-Converter (TDC), misst die Laufzeit in Aufwärts- und Abwärtsrichtung mit Pikosekundengenauigkeit. Ein in die Elmos E703.15 / E703.25 integrierter Empfangsverstärker verwendet die Impulsformung um den Jitter zu minimieren. Der integrierte 16-Bit-Mikrocontroller verarbeitet die rohen Durchfluss- und Temperaturmessdaten zum jeweiligen Messergebnis. Eine Softwarebibliothek in einem in den Elmos E703.15 / E703.25 integrierten Lesespeicher (ROM) ermöglicht die Ermittlung und Übertragung sofort verwendbarer Messergebnisse durch den16-Bit-Mikrocontroller.The invention based on the Elmos E703.15 / E703.25 integrates flow and temperature measurement units with a fully equipped 16-bit microcontroller. All analog input circuits are also integrated in the Elmos E703.15 / E703.25. The flow measurement is based on the time of flight principle already described above. A time-to-digital converter, English time-to-digital converter ( TDC ), measures the runtime in upward and downward direction with picosecond accuracy. An integrated in the Elmos E703.15 / E703.25 Receive amplifier uses pulse shaping to minimize jitter. The integrated 16-bit microcontroller processes the raw flow and temperature measurement data for the respective measurement result. A software library in a read-only memory (ROM) integrated in the Elmos E703.15 / E703.25 enables the 16-bit microcontroller to determine and transfer immediately usable measurement results.

Figur 1Figure 1

Wir nehmen für die folgenden Ausführungen an, dass das piezoelektrische Schallwandlerelement (PZT) eine rechteckige Form mit einer Höhe a in z-Richtung, eine Breite b in x-Richtung und eine Tiefe c in y-Richtung besitzt. Die Höhe a sei geringer als die Breite b und die Tiefe c. Bei geeigneter Kristallausrichtung sind zwei Schwingungsmodi möglich, wenn eine Wechselspannung längs der z-Achse an den Kristall angelegt wird. Beispielhafte piezoelektrische Schallwandlerelemente (auch piezoelektrische Schwingelemente genannt) haben eine Höhe a von beispielsweise 1mm, eine beispielhafte Breite b von 7mm und eine beispielhafte Tiefe c von 5mm.For the following explanations, we assume that the piezoelectric sound transducer element ( PZT ) a rectangular shape with a height a in the z direction, a width b in the x direction and a depth c in the y direction. The height a be less than the width b and the depth c . With a suitable crystal alignment, two oscillation modes are possible if an AC voltage is applied to the crystal along the z-axis. Exemplary piezoelectric sound transducer elements (also called piezoelectric vibrating elements) have a height a of, for example, 1mm, an exemplary width b of 7mm and an exemplary depth c of 5mm.

Figur 1aFigure 1a

1a zeigt einen hier als Quermodus bezeichneten ersten Schwingungsmodus. 1a shows a first vibration mode referred to here as transverse mode.

Figur 1bFigure 1b

1b zeigt einen hier als Längsmodus bezeichneten zweiten Schwingungsmodus. 1b shows a second mode of vibration referred to here as the longitudinal mode.

Im Rahmen der Ausarbeitung der Erfindung wurde erkannt, dass der Quermodus einige Vorteile aufweist, wenn das piezoelektrische Schallwandlerelement (PZT) selbst direkt ohne Umweg über eine in Schwingung versetzte Membrane oder dergleichen mit dem zu vermessenden Fluid wechselwirken soll.In the course of the elaboration of the invention it was recognized that the transverse mode has some advantages if the piezoelectric sound transducer element ( PZT ) should interact directly with the fluid to be measured even without a detour via a vibrated membrane or the like.

Als Erstes ist hier die vergrößerte Fläche zu nennen, die die Verwendung einer Membrane überflüssigmacht.The first thing to mention here is the enlarged surface, which makes the use of a membrane superfluous.

Als Zweites ist hier Stärke und die Breite der Querresonanz im Quermodus zu nennen, die in 2 gestrichelt umrandet ist und mit einem Pfeil markiert ist. Die große Breite ermöglicht auf der einen Seite die Abstrahlung komplexerer Sendesignale zur besseren Analyse der reflektierenden Objekte und auf der anderen Seite den Empfang kürzerer Ultraschall-Bursts und damit eine verbesserte Auflösung.Secondly, the strength and the width of the transverse resonance in transverse mode are to be mentioned, which in 2nd is outlined in dashed lines and marked with an arrow. The large width enables on the one hand the emission of more complex transmission signals for better analysis of the reflecting objects and on the other hand the reception of shorter ultrasound bursts and thus an improved resolution.

FERTIGUNGSPROZESSMANUFACTURING PROCESS

Die erfindungsgemäße Konstruktion des vorgeschlagenen Ultraschallwandlers wird anhand einer Beschreibung des Fertigungsprozesses deutlicher.The construction of the proposed ultrasonic transducer according to the invention will become clearer from a description of the manufacturing process.

Figur 3Figure 3

In einem ersten Schritt (100) wird mittels eines Stanz- oder Ätzprozesses oder eines anderen geeigneten Prozesses aus einem Kupferblech oder einem anderen geeigneten Material ein sogenannter Leadframe (1) gefertigt. 3 zeigt einen ersten beispielhaften Leadframe (1) für einen beispielhaften erfindungsgemäßen Ultraschallsensor. Der Leadframe (1) weist ein erstes Anschlussbein (2) und ein zweites Anschlussbein (3) auf, die die spätere Durchsteckmontage bei Verwendung des beispielhaften Ultraschallsensors in einer gedruckten Schaltung (PCB) ermöglichen. Andere Montagetechniken, wie beispielsweise SMD-Techniken sind natürlich auch möglich und sind von der Beanspruchung mit umfasst. Die Durchsteckmontage ist also nur beispielhaft. Sowohl das erste Anschlussbein (2) als auch das zweite Anschlussbein (3) weisen jeweils einen Verdickungspunkt (15) auf, der ein tieferes Einsacken des beispielhaften, erfindungsgemäßen Ultraschallsensors in die Bohrungen der gedruckten Schaltung nach dem Bestücken und vor dem Verlöten in der späteren Fertigung bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors verhindert. Zu diesem Zeitpunkt sind das erste Anschlussbein (2) und das zweite Anschlussbein (3) durch einen Steg (5) mechanisch miteinander verbunden, der in einem späteren Verfahrensschritt durch einen Schnitt (30) wieder elektrisch und mechanisch getrennt wird. Das zweite Anschlussbein (3) endet in einer Anschlussplatte (4). Das erste Anschlussbein (2) geht in einen rechteckigen mechanischen Halterahmen, den äußeren Rahmen (6), über, der die eigentliche Schwingelementhalterung (7, 8, 9) umrahmt. Die Schwingelementhalterung (7, 8, 9) umfasst hier einen ersten Steg als erstes Federelement (7) und einen ersten Steg als zweites Federelement (8) und einen inneren Rahmen (9), der gegenüber dem äußeren Rahmen (6) durch das erste Federelement (7) und das zweite Federelement (8) in gewissen Grenzen federnd aufgehängt ist. Eine nur durch das erste Federelement (7) und das zweite Federelement (8) unterbrochene umlaufende Lücke (13) trennt den inneren Rahmen (9) vom äußeren Rahmen (6). Der innere Rahmen (9) weist einen zentralen Durchbruch (14) auf. Der beispielhafte Leadframe (1) der 3 weist darüber hinaus eine Montageplatte (10) als Montagehilfe auf, die mit dem äußeren Rahmen (6) verbunden ist. Die Montageplatte (10) ist in dem Beispiel eines Leadframes (1) mit einem Montageloch (11) für eine Schraube versehen. Einkerbungen (12) geben der später in nachfolgenden Prozessschritten hinzugefügten Masse halt.In a first step ( 100 ) a so-called lead frame is made from a copper sheet or another suitable material by means of a stamping or etching process or another suitable process ( 1 ) manufactured. 3rd shows a first exemplary leadframe ( 1 ) for an exemplary ultrasonic sensor according to the invention. The leadframe ( 1 ) has a first connection leg ( 2nd ) and a second connection leg ( 3rd ), which enable later push-through installation when using the exemplary ultrasonic sensor in a printed circuit (PCB). Other assembly techniques, such as SMD techniques are of course also possible and are covered by the stress. The push-through installation is only an example. Both the first leg ( 2nd ) as well as the second connection leg ( 3rd ) each have a thickening point ( 15 ), which prevents the exemplary ultrasonic sensor according to the invention from sinking deeper into the holes in the printed circuit after assembly and before soldering in later manufacture when using the ultrasonic sensor according to the invention. At this point, the first leg ( 2nd ) and the second connection leg ( 3rd ) by a footbridge ( 5 ) mechanically connected to each other, which in a later process step is cut ( 30th ) is again electrically and mechanically separated. The second connection leg ( 3rd ) ends in a connection plate ( 4th ). The first leg ( 2nd ) goes into a rectangular mechanical holding frame, the outer frame ( 6 ), above which the actual vibrating element holder ( 7 , 8th , 9 ) framed. The vibrating element holder ( 7 , 8th , 9 ) comprises a first web as the first spring element ( 7 ) and a first web as a second spring element ( 8th ) and an inner frame ( 9 ) opposite the outer frame ( 6 ) by the first spring element ( 7 ) and the second spring element ( 8th ) is suspended within certain limits. One only through the first spring element ( 7 ) and the second spring element ( 8th ) interrupted circumferential gap ( 13 ) separates the inner frame ( 9 ) from the outer frame ( 6 ). The inner frame ( 9 ) has a key breakthrough ( 14 ) on. The exemplary lead frame ( 1 ) the 3rd also has a mounting plate ( 10th ) as an assembly aid, which is connected to the outer frame ( 6 ) connected is. The mounting plate ( 10th ) is in the example of a lead frame ( 1 ) with a mounting hole ( 11 ) for a screw. Notches ( 12 ) stop the mass added later in subsequent process steps.

Figur 4 Figure 4

4 zeigt den beispielhaften Leadframe der 3 als beispielhaft bemaßte Konstruktionszeichnung. 4th shows the exemplary lead frame of 3rd as an exemplary dimensioned construction drawing.

Figur 5Figure 5

Ein weiterer Prozessschritt betrifft einen ersten Spritzgießschritt. In diesem wird die Kupferunterkonstruktion in Form des Leadframes (1) mit seinen Substrukturen mit PEI-Kunststoffmasse (31) umspritzt und zumindest teilweise umkleidet. In dem Beispiel der 5 werden das erste Federelement (7) mit einem ersten Kunststoffblock (32) aus PEI-Kunststoffmasse (31) und das zweite Federelement (8) mit einem zweiten Kunststoffblock (33) aus PEI-Kunststoffmasse (31) umkleidet. In dem Beispiel der 5 wird der äußere Rahmen (6) zunächst nur im unteren Teil durch den ersten Kunststoffblock (32) umkleidet. Der innere Rahmen (9) wird nicht mit Kunststoffmasse (31) bedeckt und bleibt für die Montage des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) frei. Die Öffnung (14) innerhalb des inneren Rahmens (6) wird jedoch mit PEI-Kunststoffmasse (31) während dieses Spritzgussvorgangs gefüllt. Die Oberfläche dieser Kunststoffmasse (35) bildet mit der Oberfläche des inneren Rahmens (6) bevorzugt eine Ebene, die die Montagefläche für das später zu montierende piezoelektrische Schallwandlerelement (PZT) darstellt. Bei diesem beispielhaften Umspritzen mit PEI-Kunststoffmasse (31) wird ein zusätzlicher Rahmen (34) hergestellt, der den äußeren Rahmen (6) mechanisch weiter stabilisiert. Das Montageloch (11) bleibt frei, um die spätere Verwendung einer Schraube zu ermöglichen. Die Konstruktion der PEI-Kunststoffmasse (31) hat bevorzugt eine erste Dicke (d1 ). Man beachte den Montagekanal (36) durch den später die elektrische Drahtverbindung von der Anschlussplatte (4) zur Oberseite des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) gezogen wird.Another process step relates to a first injection molding step. The copper substructure in the form of the lead frame ( 1 ) with its substructures with PEI plastic mass ( 31 ) molded and at least partially covered. In the example of the 5 become the first spring element ( 7 ) with a first plastic block ( 32 ) made of PEI plastic mass (31) and the second spring element ( 8th ) with a second plastic block ( 33 ) made of PEI plastic (31). In the example of the 5 the outer frame ( 6 ) initially only in the lower part through the first plastic block ( 32 ) dresses. The inner frame ( 9 ) is not with plastic mass ( 31 ) covered and remains for the assembly of the piezoelectric transducer element ( PZT ) free. The opening ( 14 ) inside the inner frame ( 6 ) is, however, with PEI plastic mass ( 31 ) filled during this injection molding process. The surface of this plastic mass ( 35 ) forms with the surface of the inner frame ( 6 ) preferably a plane that the mounting surface for the piezoelectric sound transducer element to be assembled later ( PZT ) represents. In this exemplary extrusion coating with PEI plastic compound ( 31 ) an additional frame ( 34 ) made of the outer frame ( 6 ) further mechanically stabilized. The mounting hole ( 11 ) remains free to enable the later use of a screw. The construction of the PEI plastic mass ( 31 ) preferably has a first thickness ( d 1 ). Note the assembly channel ( 36 ) through which the electrical wire connection from the connection plate ( 4th ) to the top of the piezoelectric transducer element ( PZT ) is pulled.

Neben dem Prozessschritt des Umspritzens mit PEI-Kunststoff wird in einem weiteren Prozessschritt, der mit dem Prozessschritt des Umspritzens in einem Werkzeug ggf. kombiniert werden kann der sogenannte „Trim & Form“ Prozess ausgeführt, bei dem beispielsweise der Steg (5) der 3 durch einen Schnitt (30) elektrisch und mechanisch getrennt wird.In addition to the process step of overmolding with PEI plastic, the so-called "Trim &Form" process is carried out in a further process step, which can be combined with the process step of overmolding in a tool, where 5 ) the 3rd through a cut ( 30th ) is separated electrically and mechanically.

Figur 6Figure 6

6 zeigt das Halbzeug aus 5 mit beispielhaften Bemaßungen. 6 shows the semi-finished product 5 with exemplary dimensions.

Figur 7Figure 7

7 zeigt das Halbzeug aus 5 wobei nun das piezoelektrische Schallwandlerelement (PZT) mittels eines Schwingelementmontageschritts auf die Montagefläche bestehend aus der Oberfläche des inneren Rahmens (6) und der Oberfläche der PEI-Füllung (35) montiert ist. Diese Montage kann beispielsweise mittels Klebung, bevorzugt mit einem elektrisch leitfähigen Kleber erfolgen. Dieser stellt in dieser beispielhaften Montageform der elektrisch leitfähigen Klebung den elektrischen Rückseitenkontakt zwischen der Unterseite des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) und dem inneren Rahmen (6) her, der wiederum mit dem ersten Anschlussbein (2) über das entsprechende Segment des Leadframes (1) elektrisch und mechanisch verbunden ist. 7 shows the semi-finished product 5 the piezoelectric sound transducer element ( PZT ) by means of a vibration element assembly step on the assembly surface consisting of the surface of the inner frame ( 6 ) and the surface of the PEI filling ( 35 ) is mounted. This assembly can take place, for example, by means of adhesive, preferably using an electrically conductive adhesive. In this exemplary form of assembly of the electrically conductive adhesive, this provides the electrical rear contact between the underside of the piezoelectric sound transducer element ( PZT ) and the inner frame ( 6 ), which in turn with the first connection leg ( 2nd ) via the corresponding segment of the lead frame ( 1 ) is electrically and mechanically connected.

Figur 8Figure 8

8 entspricht der 7 nach einem Bondverbindungsschritt. In diesem wird die Oberseite des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) mittels eines Drahtes (80), der bevorzugt ein typischerweise aus Gold bestehender Bond-Draht ist, durch den Verdrahtungskanal (36) mit der Anschlussfläche (4) elektrisch verbunden. Diese wiederum ist mit dem zweiten Anschlussbein (3) über das entsprechende Segment des Leadframes (1) elektrisch und mechanisch verbunden. Somit ist das piezoelektische Schallwandlerelement (PZT) zum Ersten über das erste Anschlussbein (2) an seiner Rückseite elektrisch kontaktiert und über das zweite Anschlussbein (3) an seiner Vorderseite elektrisch kontaktiert und mittels des besagten beispielhaften Klebers mechanisch an dem inneren Rahmen (6) und der PEI-Füllung (35) befestigt, womit seine Montage und sein Anschluss abgeschlossen sind. 8th equals to 7 after a bond joining step. In this the top of the piezoelectric transducer element ( PZT ) by means of a wire ( 80 ), which is preferably a bond wire typically made of gold, through the wiring channel ( 36 ) with the connection surface ( 4th ) electrically connected. This in turn is connected to the second connection leg ( 3rd ) via the corresponding segment of the lead frame ( 1 ) electrically and mechanically connected. The piezoelectric sound transducer element ( PZT ) first over the first connection leg ( 2nd ) electrically contacted on the back and via the second connection leg ( 3rd ) electrically contacted on its front and mechanically on the inner frame by means of said exemplary adhesive ( 6 ) and the PEI filling ( 35 ), which completes its installation and connection.

Figur 9Figure 9

Im nächsten Verfahrensschritt wird in einem zweiten Spritzgussprozessschritt das Halbzeug aus 8 mit einer zweiten Menge an PEI-Kunststoffmaterial (90) umhüllt. Das PEI-Kunststoffmaterial (90) dieses zweiten Spritzgussschrittes muss nicht unbedingt gleich dem Material des ersten Spritzgussschrittes sein. Es kann beispielsweise in seinen Füllstoffen und seiner Zusammensetzung und chemischen Struktur abweichen. In dem Beispiel der 9 wird die Oberseite mit einer zweiten Schichtdicke (d2 ) an PEI-kunststoffmaterial (92) als erste Anpassschicht bedeckt und die Rückseite mit einer dritten Schichtdicke (d3 ) an PEI-Kunststoffmaterial als zweite Anpassschicht (93) bedeckt. Wir setzen hier voraus, dass die Oberfläche des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) mit der Oberfläche des Kunststoffrahmens (34) fluchtet, was nicht zwingend der Fall sein muss. Im Sinne dieser Offenlegung ist die zweite Schichtdicke (d2 ) die Schichtdicke des PEI-Materials (92), das auf die Oberfläche des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) aufgebracht wird. Im Sinne dieser Offenlegung ist die dritte Schichtdicke (d3 ) die Schichtdicke des PEI-Materials (93), das auf die Unterseite des Leadframes (1) aufgebracht wird. Die Montagebohrung (11) für das Befestigen mittels einer Schraube bleibt wieder frei.In the next process step, the semi-finished product is made in a second injection molding process step 8th with a second amount of PEI plastic material ( 90 ) envelops. The PEI plastic material ( 90 ) this second injection molding step does not necessarily have to be the same as the material of the first injection molding step. For example, it may differ in its fillers and its composition and chemical structure. In the example of the 9 cover the top with a second layer thickness ( d 2 ) on PEI plastic material ( 92 ) covered as the first matching layer and the back with a third layer thickness ( d 3 ) at PEI - plastic material as a second matching layer ( 93 ) covered. We assume that the surface of the piezoelectric transducer element ( PZT ) with the surface of the plastic frame ( 34 ) is in alignment, which is not necessarily the case. For the purposes of this disclosure, the second layer thickness ( d 2 ) the layer thickness of the PEI material ( 92 ) on the surface of the piezoelectric transducer element ( PZT ) is applied. For the purposes of this disclosure, the third layer thickness ( d 3 ) the layer thickness of the PEI material ( 93 ) that on the bottom of the leadframe ( 1 ) is applied. The mounting hole ( 11 ) remains free for fastening with a screw.

Wichtig ist nun, dass erkannt wurde, dass die zweite Schichtdicke (d2 ) für die akustische Kopplung zwischen zu vermessendem Medium (z.B. Wasser) und dem piezoelektrischen Schallwandlerelement (PZT) kritisch ist und bevorzugt λPEI/4 betragen sollte, wobei λPEI die Wellenlänge des Schalls in der ersten Anpassschicht (92) bei der Resonanzfrequenz fr des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) in der oben beschriebenen Konstruktion im Quermodus ist. Um diese Dicke gut einstellen zu können und andererseits eine gute mechanische Stabilität der Befestigung des ersten Anschlussbeins (2) und des zweiten Anschlussbeins (3) zu erhalten, sind die Bereiche der mechanischen Befestigung des ersten Anschlussbeins (2) und des zweiten Anschlussbeins (3) dicker ausgeführt als die Bereiche, die den Ultraschall abstrahlen sollen. Daher weist der beispielhafte Ultraschallwandler der 9 eine Stufe (91) an seiner Oberseite auf, die die zweite Schichtdicke (d2 ) im Bereich der Schallabstrahlung, das ist der Bereich über der Oberfläche des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT), auf den besonders bevorzugten Wert von λPEP/4 reduziert.It is now important that it has been recognized that the second layer thickness ( d 2 ) for the acoustic coupling between the medium to be measured (e.g. water) and the piezoelectric transducer element ( PZT ) is critical and preferred λ PEI / 4 should be, where λ PEI the wavelength of the sound in the first matching layer ( 92 ) at the resonance frequency for r the piezoelectric transducer element ( PZT ) is in landscape mode in the construction described above. In order to be able to set this thickness well and, on the other hand, good mechanical stability of the attachment of the first connection leg ( 2nd ) and the second connection leg ( 3rd ) the areas of mechanical attachment of the first connection leg ( 2nd ) and the second connection leg ( 3rd ) made thicker than the areas that should emit the ultrasound. Therefore, the exemplary ultrasonic transducer has 9 a step ( 91 ) on its top, which is the second layer thickness ( d 2 ) in the area of sound radiation, that is the area above the surface of the piezoelectric sound transducer element ( PZT ), to the particularly preferred value of λ PEP / 4 reduced.

Figur 10Figure 10

10 zeigt eine isometrische nicht maßstabsgerechte, vereinfachte Zeichnung der Vorrichtung aus 9. 10th shows an isometric, not to scale, simplified drawing of the device 9 .

Figur 11Figure 11

11 fasst noch einmal den Fertigungsprozess vereinfacht in den wesentlichen Schritten zusammen. Der Prozess beginnt mit der Bereitstellung (100) des Leadframes (1) und dessen Strukturierung beispielsweise durch Stanzen und/oder Ätzen. Bevorzugt erfolgt noch eine Beschichtung (101) zu benetzender Flächen des Leadframes mit Epoxidharz, wobei elektrische Kontaktflächen ausgespart bleiben müssen. Ggf. erfolgt noch eine Veredelung der Oberfläche, beispielsweise durch Goldbeschichtung etc. Daraufhin erfolgt bevorzugt der erste Spritzgussschritt (102), der zu dem Halbzeug der 5 führt. Es erfolgt die Montage (103) und der elektrische Anschluss des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) in dem Halbzeug der 5, beispielsweise durch Kleben und Bondung, was zu dem Halbzeug der 8 führt. Mit dem zweiten Spritzgussschritt (104) wird das Gehäuse des erfindungsgemäßen Schallwandlers fertiggestellt. Dabei beträgt die zweite Schichtdicke (d2 ) über der Oberfläche des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) innerhalb des Ultraschallwandlers bevorzugt nur ein Viertel der Schallwellenlänge (λPEI/4) in dem PEI-Material (92). 11 summarizes the manufacturing process again in a simplified manner in the essential steps. The process begins with the deployment ( 100 ) of the leadframe ( 1 ) and its structuring, for example by punching and / or etching. Another coating is preferably carried out ( 101 ) surfaces of the leadframe to be wetted with epoxy resin, whereby electrical contact surfaces must be left out. Possibly. the surface is further refined, for example by gold plating etc. The first injection molding step is then preferably carried out ( 102 ) that is related to the semi - finished product of 5 leads. The assembly takes place ( 103 ) and the electrical connection of the piezoelectric sound transducer element ( PZT ) in the semi-finished product of 5 , for example by gluing and bonding, resulting in the semi-finished product 8th leads. With the second injection molding step ( 104 ) the housing of the sound transducer according to the invention is completed. The second layer thickness is ( d 2 ) above the surface of the piezoelectric transducer element ( PZT ) within the ultrasonic transducer preferably only a quarter of the sound wavelength ( λ PEI / 4 ) in the PEI material ( 92 ).

Figur 12Figure 12

12 zeigt eine weitere beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung. Vorzugsweise wird die dritte Schichtdicke (d3 ) so gewählt, dass die Anpassung im Gegensatz zur anderen Seite besonders schlecht ist. Dies führt zu einer Richtwirkung in der Abstrahlung der Ultraschallwellen und in dem Empfang der Ultraschallwellen, wobei die Seite mit der zweiten Schichtdicke (d2 ) aufgrund der besseren akustischen Wellenwiderstandsanpassung bevorzugt ist. Da die Seite der Vorrichtung mit der dritten Schichtdicke (d3 ) auch den Leadframe (1) und damit eine Störung der Homogenität dieser Schicht, der zweiten Anpassschicht (93), aufweist, muss durch Simulation und/oder einen DOE (DOE=Design of Experiment=experimentelle Versuchsreihe) die optimale dritte Schichtdicke (d3 ) je nach Bauart etc. ermittelt werden. 12 shows a further exemplary device according to the invention. The third layer thickness ( d 3 ) chosen so that the adjustment is particularly bad in contrast to the other side. This leads to a directivity in the radiation of the ultrasound waves and in the reception of the ultrasound waves, the side with the second layer thickness ( d 2 ) is preferred due to the better acoustic impedance matching. Since the side of the device with the third layer thickness ( d 3 ) also the leadframe ( 1 ) and thus a disturbance of the homogeneity of this layer, the second matching layer ( 93 ), the optimal third layer thickness must be obtained by simulation and / or a DOE (DOE = Design of Experiment = experimental series of experiments) ( d 3 ) depending on the type, etc.

Figur 13Figure 13

13 verdeutlicht noch einmal das grundsätzliche Prinzip. Durch die angelegte Wechselspannung wird in dem piezoelektrischen Schallwandlerelement (PZT) eine akustische Welle erzeugt. An den Grenzflächen wird diese reflektiert. Um ein Maximum an Energie in das zu vermessende Medium, hier beispielhaft Wasser (H2O) übertragen zu können, fungiert das Schichtmaterial (PEI) in der Schicht, der ersten Anpassschicht (92), zwischen piezoelektrischem Schallwandlerelement (PZT) und dem zu vermessenden Medium (H2O) als Wellenanpassglied, dass die Stoßstellen und die Reflektionen minimiert. 13 illustrates the basic principle again. The applied AC voltage in the piezoelectric sound transducer element ( PZT ) generates an acoustic wave. This is reflected at the interfaces. In order to achieve maximum energy in the medium to be measured, here, for example, water ( H 2 O ) the layer material acts ( PEI ) in the layer, the first adaptation layer ( 92 ), between the piezoelectric transducer element ( PZT ) and the medium to be measured ( H 2 O ) as a shaft adapter that minimizes the joints and reflections.

Die Verminderung des Reflexionsgrades an der durch das PEI-Material vergüteten Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements wird durch eine destruktive Interferenz der reflektierten akustischen Wellen erreicht.The reduction in the degree of reflection on the surface of the piezoelectric oscillating element coated by the PEI material is achieved by destructive interference of the reflected acoustic waves.

Natürlich ist es denkbar, mehr als eine Schicht zu verwenden. Hier wird zur Vereinfachung aber nur von einer einzigen Schicht (92) einer zweiten Schichtdicke (d2 ) ausgegangen.Of course, it is conceivable to use more than one layer. To simplify matters, only one layer ( 92 ) a second layer thickness ( d 2 ) went out.

Für diesen beispielhaften einfachsten Fall einer einzelnen, homogenen Vergütungsschicht (92), bevorzugt aus PEI-Material betrachten wir eine akustische Welle einer beliebigen Wellenlänge λ0 , der senkrecht auf die Oberfläche des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) von rechtskommend einfällt. Sie wird teilweise an der Grenzfläche zwischen der Oberfläche der Vergütungsschicht in Form der PEI-Schicht und der Wasseroberfläche reflektiert. Teilweise passiert sie jedoch diese erste Grenzfläche (PEI/H2O) und wird dann an der nächsten Grenzfläche zwischen dem PIE-Material (PEI, 92) und dem Material des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) teilweise reflektiert. Damit die beiden reflektierten Teilwellen vollständig destruktiv interferieren und somit ein vollständiger Transport der akustischen Wellenenergie aus dem flüssigen Medium (H2O) in das piezoelektrische Schallwandlerelement (PZT) erfolgt, müssen die Amplituden der reflektierten Wellen gleich groß (Amplitudenbedingung) und gegenphasig (Phasenunterschied π) zueinander sein (Phasenbedingung).For this exemplary simplest case of a single, homogeneous compensation layer ( 92 ), preferably made of PEI material, we consider an acoustic wave of any wavelength λ 0 perpendicular to the surface of the piezoelectric transducer element ( PZT ) comes from the right. It is partially reflected at the interface between the surface of the coating layer in the form of the PEI layer and the water surface. In part, however, it passes through this first interface (PEI / H 2 O) and is then at the next interface between the PIE material ( PEI , 92 ) and the material of the piezoelectric transducer element ( PZT ) partially reflected. So that interfere completely destructively with both reflected partial waves and thus a complete transport of the acoustic wave energy from the liquid medium ( H 2 O ) in the piezoelectric transducer element ( PZT ), the amplitudes of the reflected waves must be the same size (amplitude condition) and opposite in phase (phase difference π) to each other (phase condition).

Aus den Fresnel'schen Formeln ergibt sich, dass der akustische Brechungsindex nPEI der Vergütungsschicht bei der Resonanzfrequenz fr , also der PEI-Schicht (PEI, 92) sich berechnen lässt zu: n P E I = n P Z T n H 20

Figure DE102019104093B3_0002
Durch diese Bedingung wird die Amplitudengleichheit der beiden reflektierten Wellen sichergestellt. Hierbei steht nPZT für den akustischen Brechungsindex des piezoelektrischen Schwingelements und nH2O für den akustischen Brechungsindex des Fluids oder flüssigen Mediums, das zu vermessen ist.From the Fresnel formulas it follows that the acoustic refractive index n PEI of the coating layer at the resonance frequency for r , i.e. the PEI layer ( PEI , 92 ) can be calculated for: n P E I. = n P Z T n H 20th
Figure DE102019104093B3_0002
This condition ensures the amplitude equality of the two reflected waves. Here n PZT stands for the acoustic refractive index of the piezoelectric vibrating element and n H2O for the acoustic refractive index of the fluid or liquid medium that is to be measured.

Im Rahmen dieser Offenlegung definieren wir übrigens den akustischen Brechungsindex n eines Stoffes als Verhältnis der Schallgeschwindigkeit c0 in einem Referenzmedium (z.B. synthetischer Luft be 1 Bar und 20°C) zur Schallgeschwindigkeit in dem betreffenden Medium (CH2O in H2O; cPZT im Material des piezeoelektrischen Schallwandlerelements (PZT); cPEI im PEI-Kunststoffmaterial). Damit finden wir: n H2O = c 0 / c H2O ;

Figure DE102019104093B3_0003
n PEI = c 0 / c PEI ;
Figure DE102019104093B3_0004
n PZT = c 0 / c PZT ;
Figure DE102019104093B3_0005
Mehrfachreflektionen werden hier vernachlässigt.Incidentally, within the scope of this disclosure, we define the acoustic refractive index n of a substance as the ratio of the speed of sound c 0 in a reference medium (e.g. synthetic air at 1 bar and 20 ° C) to the speed of sound in the medium in question ( C H2O in H 2 O ; c PZT in the material of the piezoelectric acoustic transducer element ( PZT ); c PEI in PEI plastic material). We find: n H2O = c 0 / c H2O ;
Figure DE102019104093B3_0003
n PEI = c 0 / c PEI ;
Figure DE102019104093B3_0004
n PZT = c 0 / c PZT ;
Figure DE102019104093B3_0005
Multiple reflections are neglected here.

Die typischerweise angenommene Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt bei 20 °C ca. 343,2 m/s (1236 km/h). Die transversale Schalgeschwindigkeit in Quarz 3750 m/s. (Wir nehmen hier an, dass das piezoelektrische Schwingelement aus Quarz gefertigt ist.) Für das PEI-Material können wir ca. 2390m/s als Schallgeschwindigkeit annehmen.The typically assumed speed of sound in air at 20 ° C is approx. 343.2 m / s (1236 km / h). The transverse formwork speed in quartz 3750 m / s. (We assume here that the piezoelectric vibrating element is made of quartz.) For the PEI material, we can assume about 2390m / s as the speed of sound.

Somit finden wir die Beziehung nPZT<nPEI<nH2O. Aufgrund dieser Beziehung findet an beiden Grenzschichten ([PZT/PEI], [PEI/H2O]) jeweils ein Phasensprung von -π statt, was genaugenommen einer Reflektion mit Vorzeichenwechsel entspricht. Dies hat auf die Interferenz jedoch keinen Einfluss.Thus we find the relationship n PZT <n PEI <n H2O . Because of this relationship, a phase shift of -π takes place at both boundary layers ([PZT / PEI], [PEI / H 2 O]), which strictly corresponds to a reflection with a change of sign. However, this has no influence on the interference.

Für den nötigen Phasenunterschied von π muss also die akustische Weglänge Δ der Welle in der Vergütungsschicht, also der PEI-Schicht (92) der Formel Δ=kλ/2 mit k=1, 3, 5, ... genügen.For the necessary phase difference of π, the acoustic path length Δ of the wave in the coating layer, i.e. the PEI layer ( 92 ) of the formula Δ = kλ / 2 with k = 1, 3, 5, ... are sufficient.

Wenn man die dünnste mögliche Schicht verwendet (k = 1), ergibt sich mit Δ= 2*d2*nPEI für die optimale zweite Schichtdicke d2 der PEI-Schicht (PEI, 92) über dem piezoelektrischen Schallwandlerelement (PZT): d 2 = λ 0 / ( 4 * n PEI )

Figure DE102019104093B3_0006
If one uses the thinnest possible layer (k = 1), the result is Δ = 2 * d 2 * n PEI for the optimal second layer thickness d 2 the PEI layer ( PEI , 92 ) over the piezoelectric transducer element ( PZT ): d 2nd = λ 0 / ( 4th * n PEI )
Figure DE102019104093B3_0006

Dabei ist λ0 die Wellenlänge in dem Referenzmedium bei Referenzbedingungen.It is λ 0 the wavelength in the reference medium at reference conditions.

Für die Wellenlänge im PEI-Material λPEI können wir angeben: λPEI=cPEI/fr For the wavelength in the PEI material λ PEI we can specify: λ PEI = c PEI / f r

Wenn wir annehmen, dass eine beispielhafte Resonanzfrequenz fr für das piezoelektrische Schallwandlerelement (PZT) bei fr=2,2MHz liegt, so erhalten wir mit cPEI=2390m/s als Wellenlänge λPEI im PEI-Material (PEI, 92) λPEI=1,086mm. Damit erhalten wir als optimale zweite Schichtdicke (d2 ) der PEI-Schicht (92) über dem piezoelektrischen Schallwandlerelement (PZT) d2= λPEI /4=271,5µm.If we assume an exemplary resonance frequency for r for the piezoelectric transducer element ( PZT ) at f r = 2.2MHz, we get with c PEI = 2390m / s as wavelength λ PEI in PEI material ( PEI , 92 ) λ PEI = 1.086mm. This gives us the optimal second layer thickness ( d 2 ) of the PEI layer ( 92 ) over the piezoelectric transducer element ( PZT ) d 2 = λ PEI / 4 = 271.5 µm.

Man beachte, dass diese Optimierung nur für Wellen optimal ist, die senkrecht auf die Oberfläche des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) auftreffen. Für andere Winkel muss die Dicke entsprechend angepasst werden.Note that this optimization is only optimal for waves that are perpendicular to the surface of the piezoelectric transducer element ( PZT ) hit. The thickness must be adjusted accordingly for other angles.

Wenn der Strahl nicht senkrecht, sondern unter dem Winkel α auf die Fläche trifft, verändert sich bei gleicher Schichtdicke die akustische Weglänge in der PEI-Beschichtung nach dem Snellius'schen Brechungsgesetz und außerhalb durch den seitlich versetzten Austritt, so dass sich eine höhere optimale zweite Schichtdicke d2 ergibt bzw. bei gegebenen zweiten Schichtdicke d2 eine Verkürzung der passenden Wellenlänge. Dies kann genutzt werden, um die räumliche Ausrichtung des Ultraschallsystems durch Frequenzänderung zu manipulieren.If the beam does not hit the surface perpendicularly, but at an angle α, the acoustic path length in the PEI coating changes according to Snellius' law of refraction and outside with the same layer thickness due to the laterally offset exit, so that a higher optimal second Layer thickness d 2 results or at a given second layer thickness d 2 a shortening of the appropriate wavelength. This can be used to manipulate the spatial orientation of the ultrasound system by changing the frequency.

Abweichende Wellenlängen werden zunehmend doch reflektiert bzw. interferieren nicht vollständig destruktiv.Deviating wavelengths are increasingly reflected or do not interfere completely destructively.

Figur 14Figure 14

14 zeigt das Prinzip eines akustooptischen Funltionselements anhandeiner Anpassschicht mit einem modifizierten akustischen Brechungsindex (nPEI' ). Die Anpassschicht (200) ist nun beispielhaft auf der Seite des zu Vermessenden Mediums (H2O) strukturiert. Es sind Rillen (201) vorgesehen. In dem Beispiel der 14 ist die Breite der Rillen konstant und kleiner als die Wellenlänge λPEI im Material der modifizierten Anpassschicht (200) und kleiner als die die Wellenlänge λH2O im Material des zu vermessenden Mediums (H2O). Bevorzugt wird die Breite der Rillen konstant und kleiner als 10% der Wellenlänge λPEI im Material der modifizierten Anpassschicht (200) und kleiner als 10% der Wellenlänge λH2O im Material des zu vermessenden Mediums (H2O) gewählt, um die Streueffekte klein zu halten. 14 shows the principle of an acousto-optical function element using an adaptation layer with a modified acoustic refractive index ( n PEI ' ). The matching layer ( 200 ) is now exemplary on the side of the medium to be measured ( H 2 O ) structured. They are grooves ( 201 ) intended. In the example of the 14 is the Width of the grooves constant and smaller than the wavelength λ PEI in the material of the modified matching layer ( 200 ) and smaller than the wavelength λ H2O in the material of the medium to be measured ( H 2 O ). The width of the grooves is preferably constant and less than 10% of the wavelength λ PEI in the material of the modified matching layer ( 200 ) and less than 10% of the wavelength λ H2O in the material of the medium to be measured ( H 2 O ) was chosen to keep the scattering effects small.

Die Tiefe der ungestörten modifizierten Anpassschicht (d2a) und die Gesamtdicke der modifizierten Anpassschicht (d2b) können dann so gewählt werden, dass für die Resonanzfrequenz fr des piezoelektrischen Schwingelements (PZT) in dem so modifizierten Aufbau Die Phasen und die Amplitudenbedingung gleichzeitig erfüllt werden können. Es ergibt sich dann eine effektive Dicke (d2eff ) der modifizierten Anpassschicht mit einer effektiven Schallgeschwindigkeit (cPEIeff ) innerhalb dieser modifizierten Anpassschicht (200). Ggf. können Füllstoffe im PIE-Material der modifizierten Anpassschicht (200) vorgesehen werden, um die mittlere Schallgeschwindigkeit weiter anzupassen. Auf diese Weise kann nicht nur die Phasenbedingung erfüllt werden, sondern beide Bedingungen können erfüllt werden.The depth of the undisturbed modified matching layer ( d2a ) and the total thickness of the modified matching layer ( d2b ) can then be chosen so that for the resonance frequency for r the piezoelectric vibrating element ( PZT ) in the construction modified in this way, the phases and the amplitude condition can be fulfilled simultaneously. This results in an effective thickness ( d2 eff ) the modified matching layer with an effective speed of sound ( c PEIeff ) within this modified adaptation layer ( 200 ). Possibly. fillers in the PIE material of the modified matching layer ( 200 ) can be provided to further adjust the average speed of sound. In this way, not only the phase condition can be met, but both conditions can be met.

Figur 15Figure 15

15 entspricht der 14 mit dem Unterschied, dass die Breite der Rillen (201) nun räumlich moduliert ist und typischerweise größer als die Wellenlänge und/oder größer als 10% der Wellenlänge gewählt wird. 15 stellt ein Beispiel für digitale akustische Wellenoptik dar. 15 equals to 14 with the difference that the width of the grooves ( 201 ) is now spatially modulated and is typically chosen to be larger than the wavelength and / or larger than 10% of the wavelength. 15 is an example of digital acoustic wave optics.

Durch die Profilierung wird die Schallausbreitung durch konstruktive und destruktive Interferenz moduliert. Statt der hier parallel zu Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (PZT) gezeichneten oberflächen können diese auch gekippt oder gekrümmt sein. Es können auf diese Weise Linsen und/oder Fresnellinsen etc. erzeugt werden.Profiling modulates sound propagation through constructive and destructive interference. Instead of the parallel to the surface of the piezoelectric vibrating element ( PZT ) Drawn surfaces can also be tilted or curved. In this way, lenses and / or Fresnel lenses etc. can be produced.

ZusammenfassungSummary

Die Erfindung betrifft also einen Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang von Schallwellen in einem Fluid (H2O) mit einem piezoelektrischen Schallwandlerelement (PZT) und einer ersten akustischen Anpassschicht (PEI, 92). Das piezoelektrische Schallwandlerelement (PZT) ist dazu ausgebildet und vorgesehen ist, bei einer ersten Resonanzfrequenz (fr ) seiner Resonanzfrequenzen betrieben zu werden. Die erste Anpassschicht (PEI, 92) ist zwischen Schallwandlerelement (PZT) und Fluid (H2O) platziert. Die Schichtdicke (d2 ) der ersten Anpassschicht (PEI, 92) weicht dabei nicht mehr als +/- 25%, besser nicht mehr als +/- 10%, besser nicht mehr als +/- 5%, besser nicht mehr als +/- 2%, besser nicht mehr als +/- 1% von der Viertelwellenlänge (λPEI/4) der Wellenlänge (λPEI/4) des Schalls bei der ersten Resonanzfrequenz (fr ) des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) in der ersten Anpassschicht (92) ab.The invention thus relates to an ultrasonic transducer for transmitting and receiving sound waves in a fluid ( H 2 O ) with a piezoelectric transducer element ( PZT ) and a first acoustic matching layer ( PEI , 92 ). The piezoelectric transducer element ( PZT ) is designed and provided for at a first resonance frequency ( for r ) its resonance frequencies to be operated. The first adjustment layer ( PEI , 92 ) is between the transducer element ( PZT ) and fluid ( H 2 O ) placed. The layer thickness ( d 2 ) the first matching layer ( PEI , 92 ) does not deviate more than +/- 25%, better not more than +/- 10%, better no more than +/- 5%, better no more than +/- 2%, better no more than +/- 1 % of the quarter wavelength ( λ PEI / 4 ) the wavelength ( λ PEI / 4 ) of the sound at the first resonance frequency ( for r ) of the piezoelectric transducer element ( PZT ) in the first adjustment layer ( 92 ).

Bevorzugt verfügt der erfindungsgemäße Ultraschallwandler über eine zweite Anpassschicht (93), die bezüglich des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) auf der der ersten Anpassschicht (PEI, 92) gegenüberliegenden Seite des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) liegt. Die Schichtdicke (d3 ) der zweiten Anpassschicht (93) ist dann bevorzugt so gestaltet, dass die Empfangsempfindlichkeit des Ultraschallwandlers in Richtung dieser zweiten Anpassschicht (93) vom piezoelektrischen Schallwandlerelement (PZT) aus gesehen weniger als 50%, besser weniger als 20%, besser weniger als 10% der Empfangsempfindlichkeit des Ultraschallwandlers in Richtung der ersten Anpassschicht (PEI, 93) vom piezoelektrischen Schallwandlerelement (PZT) aus gesehen beträgt.The ultrasonic transducer according to the invention preferably has a second matching layer ( 93 ) related to the piezoelectric transducer element ( PZT ) on the first matching layer ( PEI , 92 ) opposite side of the piezoelectric sound transducer element ( PZT ) lies. The layer thickness ( d 3 ) the second matching layer ( 93 ) is then preferably designed such that the reception sensitivity of the ultrasound transducer in the direction of this second matching layer ( 93 ) from the piezoelectric transducer element ( PZT seen less than 50%, better less than 20%, better less than 10% of the reception sensitivity of the ultrasonic transducer in the direction of the first matching layer ( PEI , 93 ) from the piezoelectric transducer element ( PZT seen from.

Bevorzugt sind in dem Ultraschallwandler die erste Anpassschicht (92) und/oder die zweite Anpassschicht (93) aus PIE-Kunststoffmaterial gefertigt.In the ultrasonic transducer, the first matching layer ( 92 ) and / or the second matching layer ( 93 ) made of PIE plastic material.

Des Weiteren umfasst der Ultraschallwandler einen Leadframe (1) mit einem äußeren Rahmen (6) und mit einem inneren Rahmen (9) und mit einem ersten Federelement (7) und mit einem zweiten Federelement (8). Dabei ist bevorzugt der innere Rahmen (9) über das erste Federelement (7) und das zweite Federelement (8) mit dem äußeren Rahmen (6) verbunden. Bevorzugt ist an dem inneren Rahmen das piezoelektrische Schallwandlerelement (PZT) befestigt.The ultrasonic transducer also includes a lead frame ( 1 ) with an outer frame ( 6 ) and with an inner frame ( 9 ) and with a first spring element ( 7 ) and with a second spring element ( 8th ). The inner frame is preferred ( 9 ) via the first spring element ( 7 ) and the second spring element ( 8th ) with the outer frame ( 6 ) connected. The piezoelectric sound transducer element ( PZT ) attached.

Ebenso bevorzugt wird die Öffnung (14) des inneren Rahmens (9) mit dem Material (PEI) der ersten Anpassschicht (92) gefüllt.The opening ( 14 ) of the inner frame ( 9 ) with the material ( PEI ) the first matching layer ( 92 ) filled.

Der oben beschriebene Ultraschallwandler kann aufgrund der Breitbandigkeit im Quermodus bei einer ersten Frequenz fr1 und einer zweiten Frequenz fr2 betrieben werden. Daher ist ein Verfahren möglich, das ein Betreiben des Ultraschallwandlers bei einer ersten Frequenz fr1 und ein Erfassen eines ersten Reflexionssignals S1 und ein Betreiben des Ultraschallwandlers bei einer zweiten Frequenz fr2 , die von der ersten Frequenz fr1 verschieden ist, und ein Erfassen eines zweiten Reflexionssignals S2 ermöglicht. Auf Basis dieser Ergebnisse ist dann die Berechnung eines ersten Abstands a1 für einen ersten Winkel θ1 in Abhängigkeit vom ersten Reflexionssignal S1 uns vom zweiten Reflexionssignal S2 und die Berechnung eines zweiten Abstands a2 für einen zweiten Winkel θ2 , der vom ersten Winkel θ1 verschieden ist, in Abhängigkeit vom ersten Reflexionssignal S1 uns vom zweiten Reflexionssignal S2 .The ultrasound transducer described above can be in the transverse mode at a first frequency due to the broadband f r1 and a second frequency f r2 operate. Therefore, a method is possible that operates the ultrasound transducer at a first frequency f r1 and detecting a first reflection signal S 1 and operating the ultrasound transducer at a second frequency f r2 that from the first frequency f r1 is different, and detecting a second reflection signal S 2 enables. The first distance is then calculated on the basis of these results a 1 for a first angle θ 1 depending on the first reflection signal S 1 us from the second reflection signal S 2 and the calculation of a second distance a 2 for a second angle θ 2 from the first angle θ 1 is different, depending on the first reflection signal S 1 us from the second reflection signal S 2 .

Neben diesem Verfahren zum Betreiben des Ultraschallsensors umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors. Dieses Verfahren umfasst das Bereitstellen (100) eines Leadframes (1), die selektive Oberflächenvergütung (101) des Leadframes (1), die Durchführung eines ersten Spritzgussschrittes (102), die Montage (103) und elektrischer Anschluss des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) mit der Resonanzfrequenz (fr ) und die Durchführung (104) eines zweiten Spritzgussschritts. Dabei wird im zweiten Spritzgussschritt (104) die erste Anpassschicht (92) gefertigt, die bezüglich der ersten Resonanzfrequenz (fr ) die Schichtdicke (d2 ) aufweist, die nicht mehr als +/- 25% und/oder nicht mehr als +/- 10% und/oder nicht mehr als +/- 5% und/oder nicht mehr als +/- 2% und/oder nicht mehr als +/- 1% von der Viertelwellenlänge (λPEI/4) der Wellenlänge (λPEI/4) des Schalls bei der ersten Resonanzfrequenz (fr ) des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) in der ersten Anpassschicht (92) abweicht.In addition to this method for operating the ultrasonic sensor, the invention also includes a method for producing an ultrasonic sensor according to the invention. This process includes providing ( 100 ) of a lead frame ( 1 ), the selective surface treatment ( 101 ) of the leadframe ( 1 ), performing a first injection molding step ( 102 ), the assembly ( 103 ) and electrical connection of the piezoelectric transducer element ( PZT ) with the resonance frequency ( for r ) and the implementation ( 104 ) a second injection molding step. In the second injection molding step ( 104 ) the first matching layer ( 92 ) manufactured with respect to the first resonance frequency ( for r ) the layer thickness ( d 2 ) which has no more than +/- 25% and / or no more than +/- 10% and / or no more than +/- 5% and / or no more than +/- 2% and / or no more as +/- 1% of the quarter wavelength ( λ PEI / 4 ) the wavelength ( λ PEI / 4 ) of the sound at the first resonance frequency ( for r ) of the piezoelectric transducer element ( PZT ) in the first adjustment layer ( 92 ) deviates.

Ganz allgemein wird hier en Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang von Schallwellen in einem Fluid (H2O) mit einem piezoelektrischen Schallwandlerelement (PZT) einem ersten schallwellenoptischen Funktionselement (PEI, 92) offenbart. Das piezoelektrische Schallwandlerelement (PZT) ist ganz allgemein dazu ausgebildet und vorgesehen, bei einer ersten Resonanzfrequenz (fr ) seiner Resonanzfrequenzen betrieben zu werden. Ein schallwellenoptisches Funktionselement (200) ist zwischen einer Oberfläche des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) und dem Messmedium, typischerweise einem Fluid (H2O) platziert. Hierbei ist erfindungsgemäß das schallwellenoptischen Funktionselement (200) aus dem Material (31) des Gehäuses des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers gefertigt ist. Dies hat den Vorteil, dass das schalloptische Funktionselement zusammen mit dem Gehäuse des Ultraschallwandlers in einem Spritzgussgang gefertigt werden kann. Daher ist bevorzugt das Material des Gehäuses des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers aus PEI-Kunststoff gefertigt. Die besagte Oberfläche des schallwellenoptischen Funktionselements (201) kann von einer Parallelfläche zur Oberfläche des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) abweichen, um beispielsweise schallwellenoptische Fresnellinsen, schalwellenoptische Linsen etc. zu bilden. Wird die Dicke d2a sehr groß gewählt ist auch die Ausbildung von schallwellenoptischen Gittern für schalwellenoptische Spektrometer denkbar. Es kann sich bei einem solchen Schallwellenoptischen Funktionselement (200) als beispielsweise um eine schallwellenoptische Linse ist und/oder eine schalwellenoptische λ/4-Platte ist und/oder ein schallwellenoptisches Phasenanpassglied ist und/oder eine schalwellenoptische Fresnel-Linse handeln. Beispielsweise kann das schallwellenoptische Funktionselement (201) Rillen (201) oder funktionsähnliche Vertiefungen aufweisen. Es handelt sich im weitesten Sinne um räumliche oder flächenhafte Modulationen der Schallausbreitungsgeschwindigkeit innerhalb der modifizierten Anpassschicht (200), die von dem Begriff Rillen hier mitumfasst sein solle.In general, ultrasonic transducers for transmitting and receiving sound waves in a fluid ( H 2 O ) with a piezoelectric transducer element ( PZT ) a first sound wave optical functional element ( PEI , 92 ) disclosed. The piezoelectric transducer element ( PZT ) is generally designed and provided for at a first resonance frequency ( for r ) its resonance frequencies to be operated. A sound wave optical functional element ( 200 ) is between a surface of the piezoelectric transducer element ( PZT ) and the measuring medium, typically a fluid ( H 2 O ) placed. According to the invention, the sound wave optical functional element ( 200 ) from the material ( 31 ) of the housing of the ultrasonic transducer according to the invention is manufactured. This has the advantage that the sound-optical functional element can be manufactured in an injection molding process together with the housing of the ultrasonic transducer. Therefore, the material of the housing of the ultrasonic transducer according to the invention is preferably made of PEI plastic. The said surface of the sound wave optical functional element ( 201 ) can be from a surface parallel to the surface of the piezoelectric transducer element ( PZT ) deviate to form, for example, sound wave optical Fresnel lenses, sound wave optical lenses etc. Will the thickness d2a the design of sound wave optical grids for sound wave optical spectrometers is also very large. Such a sound wave optical functional element ( 200 ) than is, for example, a sound wave optical lens and / or is a sound wave optical λ / 4 plate and / or is a sound wave optical phase adjustment element and / or act as a sound wave optical Fresnel lens. For example, the sound wave optical functional element ( 201 ) Grooves ( 201 ) or have functionally similar depressions. In the broadest sense, these are spatial or areal modulations of the speed of sound propagation within the modified adaptation layer ( 200 ), which should be included here by the term creasing.

Vorteiladvantage

Ein solcher Ultraschallwandler ermöglicht zumindest in einigen Realisierungen eine erhöhte Empfindlichkeit und eine verbesserte Schallabstrahlung. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.Such an ultrasonic transducer enables increased sensitivity and improved sound radiation, at least in some implementations. The advantages are not limited to this.

In einer Realisierung ermöglicht dieser eine Betriebsfrequenzabhängige Richtungsabhängigkeit der Abstrahlung.In one implementation, this enables an operating frequency-dependent directional dependence of the radiation.

FigurenlisteFigure list

  • 1 1 zeigt die aus dem Stand der Technik bekannten Schwingungsmodi eines piezoelektrischen Schwingelementplätchens. 1 1 shows the vibration modes of a piezoelectric vibrating element chip known from the prior art.
  • 2 2 zeigt in prinzipieller Form den Amplitudengang und den Phasengang eines typischen piezoelektrischen Schwingelements. 2nd 2nd shows in principle the amplitude response and the phase response of a typical piezoelectric vibrating element.
  • 3 3 zeigt einen ersten beispielhaften Leadframe (1) für einen beispielhaften erfindungsgemäßen Ultraschallsensor. 3rd 3rd shows a first exemplary leadframe ( 1 ) for an exemplary ultrasonic sensor according to the invention.
  • 4 4 zeigt den beispielhaften Leadframe der 3 als beispielhaft bemaßte Konstruktionszeichnung. 4th 4th shows the exemplary lead frame of 3rd as an exemplary dimensioned construction drawing.
  • 5 5 zeigt das Halbzeug nach dem ersten Spritzgießschritt. 5 5 shows the semi-finished product after the first injection molding step.
  • 6 6 zeigt das Halbzeug aus 5 mit beispielhaften Bemaßungen. 6 6 shows the semi-finished product 5 with exemplary dimensions.
  • 7 7 zeigt das Halbzeug aus 5 wobei nun das piezoelektrische Schallwandlerelement (PZT) mittels eines Schwingelementmontageschritts auf die Montagefläche bestehend aus der Oberfläche des inneren Rahmens (6) und der Oberfläche der PEI-Füllung (35) montiert ist. 7 7 shows the semi-finished product 5 the piezoelectric sound transducer element ( PZT ) by means of a vibration element assembly step on the assembly surface consisting of the surface of the inner frame ( 6 ) and the surface of the PEI filling ( 35 ) is mounted.
  • 8 8 entspricht der 7 nach einem Bondverbindungsschritt. 8th 8th equals to 7 after a bond joining step.
  • 9 9 zeigt das Halbzeug nach dem zweiten Spritzgießschritt. 9 9 shows the semi-finished product after the second injection molding step.
  • 10 10 zeigt eine isometrische nicht maßstabsgerechte, vereinfachte Zeichnung der Vorrichtung aus 9. 10th 10th shows an isometric, not to scale, simplified drawing of the device 9 .
  • 11 11 stelle den Fertigungsprozess vereinfachen in den wesentlichen Schritten dar. 11 11 represent the manufacturing process simplified in the essential steps.
  • 12 12 zeigt eine weitere beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung. 12 12 shows a further exemplary device according to the invention.
  • 13 13 verdeutlicht noch einmal das grundsätzliche Prinzip der Anpassschicht (PEI, 92). 13 13 illustrates once again the basic principle of the adaptation layer ( PEI , 92 ).
  • 14 14 zeigt das Prinzip eines akustooptischen Funltionselements anhandeiner Anpassschicht mit einem modifizierten akustischen Brechungsindex (nPEI' ). 14 14 shows the principle of an acousto-optical function element using an adaptation layer with a modified acoustic refractive index ( n PEI ' ).
  • 15 15 entspricht der 14 mit dem Unterschied, dass die Breite der Rillen (201) moduliert ist 15 15 equals to 14 with the difference that the width of the grooves ( 201 ) is modulated

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
Leadframe;Leadframe;
22nd
erstes Anschlussbein;first connection leg;
33rd
zweites Anschlussbein;second leg;
44th
Anschlussplatte;Connection plate;
55
Verbindungssteg zur mechanischen Verbindung des ersten Anschlussbeins (2) und des dritten Anschlussbeins (3) in den ersten Herstellungsprozessschritten;Connection bridge for mechanical connection of the first connection leg ( 2nd ) and the third connecting leg ( 3rd ) in the first manufacturing process steps;
66
äußerer Rahmen;outer frame;
77
erstes Federelement;first spring element;
88th
zweites federelement;second spring element;
99
innerer Rahmen;inner frame;
1010th
Montageplatte;Mounting plate;
1111
Montageloch;Mounting hole;
1212
Einkerbungen;Notches;
1313
Lücke;Gap;
1414
zentraler Durchbruch;central breakthrough;
1515
Verdickung im ersten Anschlussbein (2) und dem zweiten Anschlussbein (3);Thickening in the first leg ( 2nd ) and the second connection leg ( 3rd );
3030th
Schnitt im Steg (5);Cut in the jetty ( 5 );
3131
PEI-Kunststoffmasse;PEI plastic mass;
3232
erster Kunststoffblock;first plastic block;
3333
zweiter Kunststoffblock;second plastic block;
3434
zusätzlicher Rahmen;additional frame;
3535
Kunststoffmasse im Innern (14) des inneren Rahmens (9);Plastic mass inside ( 14 ) of the inner frame ( 9 );
3636
Montagekanal;Assembly channel;
9090
zweiten Menge an PEI-Kunststoffmaterial;second amount of PEI plastic material;
9191
Stufe zur Anpassung der zweiten Schichtdicke (d2 );Level to adjust the second layer thickness ( d 2 );
9292
erste Anpassschicht;first matching layer;
9393
zweite Anpassschicht;second matching layer;
100100
Bereitstellung des Leadframes (1);Provision of the lead frame ( 1 );
101101
Vergütung der Oberfläche des Leadframes (1);Remuneration for the surface of the lead frame ( 1 );
102102
erster Spritzgussschritt;first injection molding step;
103103
Montageschritt für das piezoelektrische Schallwandlerelement (PZT);Assembly step for the piezoelectric transducer element ( PZT );
104104
zweiter Spritzgussschritt;second injection molding step;
aa
Höhe des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT);Height of the piezoelectric transducer element ( PZT );
bb
Breite des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT);Width of the piezoelectric transducer element ( PZT );
cc
Tiefe des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT);Depth of piezoelectric transducer element ( PZT );
d1 d 1
erste Schichtdicke;first layer thickness;
d2 d 2
zweite Schichtdicke;second layer thickness;
d3 d 3
dritte Schichtdicke;third layer thickness;
H2OH 2 O
Wasser;Water;
PEIPEI
Polyetherimid oder funktionsähnliches Element;Polyetherimide or function-like element;
PZTPZT
Schallwandlerelement;Sound transducer element;
TDCTDC
Time-to-Digital-Converter;Time-to-digital converter;

Claims (12)

Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang von Schallwellen in einem Fluid (H2O) mit einem piezoelektrischen Schallwandlerelement (PZT) und mit einer ersten akustischen Anpassschicht (PEI, 92) und wobei das piezoelektrische Schallwandlerelement (PZT) dazu ausgebildet und vorgesehen ist, bei einer ersten Resonanzfrequenz (fr) seiner Resonanzfrequenzen betrieben zu werden und wobei die erste Anpassschicht (PEI, 92) zwischen Schallwandlerelement (PZT) und Fluid (H2O) platziert ist und wobei die Schichtdicke (d2) der ersten Anpassschicht (PEI, 92) nicht mehr als +/- 25% und/oder nicht mehr als +/- 10% und/oder nicht mehr als +/- 5% und/oder nicht mehr als +/- 2% und/oder nicht mehr als +/- 1% von der Viertelwellenlänge (λPEI/4) der Wellenlänge (λPEI) des Schalls bei der ersten Resonanzfrequenz (fr) des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) in der ersten Anpassschicht (92) abweicht. dadurch gekennzeichnet, - dass er über eine zweite Anpassschicht (93) verfügt, die bezüglich des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) auf der der ersten Anpassschicht (PEI, 92) gegenüberliegenden Seite des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) liegt und - dass die Schichtdicke (d3) der zweiten Anpassschicht (93) so gestaltet ist, dass die Empfangsempfindlichkeit des Ultraschallwandlers in Richtung dieser zweiten Anpassschicht (93) vom piezoelektrischen Schallwandlerelement (PZT) aus gesehen weniger als 50% und/oder weniger als 20% und/oder weniger als 10% der Empfangsempfindlichkeit des Ultraschallwandlers in Richtung der ersten Anpassschicht (PEI, 93) vom piezoelektrischen Schallwandlerelement (PZT) aus gesehen beträgt.Ultrasonic transducer for emitting and receiving sound waves in a fluid (H 2 O) with a piezoelectric sound transducer element (PZT) and with a first acoustic matching layer (PEI, 92) and wherein the piezoelectric sound transducer element (PZT) is designed and provided for this purpose in one first resonance frequency (f r ) of its resonance frequencies to be operated and wherein the first matching layer (PEI, 92) is placed between sound transducer element (PZT) and fluid (H 2 O) and the layer thickness (d 2 ) of the first matching layer (PEI, 92) not more than +/- 25% and / or not more than +/- 10% and / or not more than +/- 5% and / or no more as +/- 2% and / or not more than +/- 1% of the quarter wavelength (λ PEI / 4) of the wavelength (λ PEI ) of the sound at the first resonance frequency (f r ) of the piezoelectric sound transducer element (PZT) in the deviates first matching layer (92). characterized in that - it has a second matching layer (93) which, with respect to the piezoelectric sound transducer element (PZT), lies on the side of the piezoelectric sound transducer element (PZT) opposite the first matching layer (PEI, 92) and - that the layer thickness (d 3 ) of the second matching layer (93) is designed such that the reception sensitivity of the ultrasonic transducer in the direction of this second matching layer (93) from the piezoelectric sound transducer element (PZT) is less than 50% and / or less than 20% and / or less than 10% the reception sensitivity of the ultrasonic transducer in the direction of the first matching layer (PEI, 93) from the piezoelectric sound transducer element (PZT). Ultraschallwandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet - dass die erste Anpassschicht (92) und/oder die zweite Anpassschicht (93) aus PEI-Kunststoffmaterial gefertigt ist.Ultrasonic transducer after Claim 1 characterized in that the first matching layer (92) and / or the second matching layer (93) is made of PEI plastic material. Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, - dass er einen Leadframe (1) - mit einem äußeren Rahmen (6) und - mit einem inneren Rahmen (9) und - mit einem ersten Federelement (7) und - mit einem zweiten Federelement (8) aufweist und - dass der innere Rahmen (9) über das erste Federelement (7) und das zweite Federelement (8) mit dem äußeren Rahmen (6) verbunden ist und - dass an dem inneren Rahmen das piezoelektrische Schallwandlerelement (PZT) befestigt ist.Ultrasonic transducer according to one or more of the Claims 1 to 2nd characterized in that - it has a lead frame (1) - with an outer frame (6) and - with an inner frame (9) and - with a first spring element (7) and - with a second spring element (8) and - that the inner frame (9) is connected to the outer frame (6) via the first spring element (7) and the second spring element (8) and - that the piezoelectric sound transducer element (PZT) is fastened to the inner frame. Ultraschallwandler nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, - dass die Öffnung (14) des inneren Rahmens (9) mit dem Material (PEI) der ersten Anpassschicht (92) gefüllt ist.Ultrasonic transducer after Claim 3 characterized in that - the opening (14) of the inner frame (9) is filled with the material (PEI) of the first matching layer (92). Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 umfassend die Schritte: - Betreiben des Ultraschallwandlers bei einer ersten Frequenz fr1 und Erfassen eines ersten Reflexionssignals S1; - Betreiben des Ultraschallwandlers bei einer zweiten Frequenz fr2, die von der ersten Frequenz fr1 verschieden ist, und Erfassen eines zweiten Reflexionssignals S2; - Berechnung eines ersten Abstands a1 für einen ersten Winkel θ1 in Abhängigkeit vom ersten Reflexionssignal S1 und vom zweiten Reflexionssignal S2 und - Berechnung eines zweiten Abstands a2 für einen zweiten Winkel θ2, der vom ersten Winkel θ1 verschieden ist, in Abhängigkeit vom ersten Reflexionssignal S1 und vom zweiten Reflexionssignal S2.Method for operating an ultrasonic transducer according to one or more of the Claims 1 to 4th comprising the steps of: operating the ultrasound transducer at a first frequency f r1 and detecting a first reflection signal S 1 ; Operating the ultrasonic transducer at a second frequency f r2 , which is different from the first frequency f r1 , and detecting a second reflection signal S 2 ; Calculating a first distance a 1 for a first angle θ 1 as a function of the first reflection signal S 1 and the second reflection signal S 2 and - calculating a second distance a 2 for a second angle θ 2 , which is different from the first angle θ 1 , as a function of the first reflection signal S 1 and the second reflection signal S 2 . Verfahren zum Herstellen eines Ultraschallsensors nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 umfassend die Schritte: - Bereitstellen (100) eines Leadframes (1); - selektive Oberflächenvergütung (101) des Leadframes (1); - Durchführung eines ersten Spritzgussschrittes (102); - Montage (103) und elektrischer Anschluss des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) mit der Resonanzfrequenz (fr); - Durchführung (104) eines zweiten Spritzgussschritts; gekennzeichnet dadurch - dass im zweiten Spritzgussschritt (104) die erste Anpassschicht (92) gefertigt wird, die bezüglich der ersten Resonanzfrequenz (fr) eine zweite Schichtdicke (d2) aufweist, die nicht mehr als +/- 25% und/oder nicht mehr als +/- 10% und/oder nicht mehr als +/- 5% und/oder nicht mehr als +/- 2% und/oder nicht mehr als +/-1% von der Viertelwellenlänge (λPEI/4) der Wellenlänge (λPEI) des Schalls bei der ersten Resonanzfrequenz (fr) des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) in der ersten Anpassschicht (92) abweicht und - dass im zweiten Spritzgussschritt (104) die zweite Anpassschicht (93) gefertigt wird und - dass die zweite Anpassschicht (93) bezüglich des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) auf der der ersten Anpassschicht (PEI, 92) gegenüberliegenden Seite des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) liegt und - dass die Schichtdicke (d3) der zweiten Anpassschicht (93) so gestaltet ist, dass die Empfangsempfindlichkeit des Ultraschallwandlers in Richtung dieser zweiten Anpassschicht (93) vom piezoelektrischen Schallwandlerelement (PZT) aus gesehen weniger als 50% und/oder weniger als 20% und/oder weniger als 10% der Empfangsempfindlichkeit des Ultraschallwandlers in Richtung der ersten Anpassschicht (PEI, 93) vom piezoelektrischen Schallwandlerelement (PZT) aus gesehen beträgt.Method of manufacturing an ultrasonic sensor according to one or more of the Claims 1 to 4th comprising the steps: - providing (100) a lead frame (1); - Selective surface coating (101) of the lead frame (1); - performing a first injection molding step (102); - Assembly (103) and electrical connection of the piezoelectric transducer element (PZT) with the resonance frequency (f r ); - performing (104) a second injection molding step; characterized in that - in the second injection molding step (104) the first matching layer (92) is produced, which has a second layer thickness (d 2 ) with respect to the first resonance frequency (f r ), which does not exceed +/- 25% and / or not more than +/- 10% and / or no more than +/- 5% and / or no more than +/- 2% and / or no more than +/- 1% of the quarter wavelength (λ PEI / 4) of Wavelength (λ PEI ) of the sound at the first resonance frequency (f r ) of the piezoelectric sound transducer element (PZT) in the first matching layer (92) and - that in the second injection molding step (104) the second matching layer (93) is produced and - that the second matching layer (93) with respect to the piezoelectric sound transducer element (PZT) lies on the side of the piezoelectric sound transducer element (PZT) opposite the first matching layer (PEI, 92) and - that the layer thickness (d 3 ) of the second matching layer (93) is designed in such a way that the reception sensitivity of the Ultra sound transducer in the direction of this second matching layer (93) from the piezoelectric sound transducer element (PZT) seen less than 50% and / or less than 20% and / or less than 10% of the reception sensitivity of the ultrasonic transducer in the direction of the first matching layer (PEI, 93) from Piezoelectric transducer element (PZT) seen from. Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang von Schallwellen in einem Fluid (H2O) mit einem piezoelektrischen Schallwandlerelement (PZT) und mit einem ersten schallwellenoptischen Funktionselement (PEI, 92) und wobei das piezoelektrische Schallwandlerelement (PZT) dazu ausgebildet und vorgesehen ist, bei einer ersten Resonanzfrequenz (fr) seiner Resonanzfrequenzen betrieben zu werden und wobei das schallwellenoptischen Funktionselement (200) zwischen Schallwandlerelement (PZT) und Fluid (H2O) platziert ist dadurch gekennzeichnet, dass das schallwellenoptischen Funktionselement (200) aus dem Material (31) des Gehäuses gefertigt ist und wobei das Material (31) des Gehäuses das Schallwandlerelement (PTZ) zumindest ringförmig umfasst und wobei das schallwellenoptische Funktionselement (200) Teil des Gehäuses ist und mit diesem eine Einheit bildet.Ultrasonic transducer for emitting and receiving sound waves in a fluid (H 2 O) with a piezoelectric sound transducer element (PZT) and with a first sound wave optical functional element (PEI, 92) and wherein the piezoelectric sound transducer element (PZT) is designed and provided for this purpose a first resonance frequency (f r ) of its resonance frequencies to be operated and wherein the sound wave optical functional element (200) is placed between sound transducer element (PZT) and fluid (H 2 O), characterized in that the sound wave optical functional element (200) is made of the material (31) of the housing is manufactured and the material (31) of the housing comprises the sound transducer element (PTZ) at least in a ring shape and the sound wave optical functional element (200) is part of the housing and forms a unit with it. Ultraschallwandler nach Anspruch 7 wobei das Material (31) des Gehäuses aus PEI-Kunststoff ist.Ultrasonic transducer after Claim 7 the material (31) of the housing made of PEI plastic. Ultraschalwandler nach Anspruch 7 oder 8 wobei eine Oberfläche des schallwellenoptischen Funktionselements (201) abweichend von einer Parallelfläche zur Oberfläche des piezoelektrischen Schallwandlerelements (PZT) geformt ist.Ultrasonic transducer after Claim 7 or 8th wherein a surface of the sound wave optical functional element (201) is shaped differently from a parallel surface to the surface of the piezoelectric sound transducer element (PZT). Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9 wobei das schallwellenoptische Funktionselement ein Phasenanpassglied ist.Ultrasonic transducer according to one or more of the Claims 7 to 9 wherein the sound wave optical functional element is a phase adapter. Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10 wobei das schallwellenoptische Funktionselement eine Fresnel-Linse ist.Ultrasonic transducer according to one or more of the Claims 7 to 10th wherein the sound wave optical functional element is a Fresnel lens. Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11 wobei das schallwellenoptische Funktionselement (201) Rillen (201) oder funktionsähnliche Vertiefungen aufweist.Ultrasonic transducer according to one or more of the Claims 7 to 11 wherein the sound wave optical functional element (201) has grooves (201) or functionally similar depressions.
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