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 (
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 (
Aus der
Eine Vorrichtung mit ähnlichen Merkmalen ist aus der
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
Auch aus der
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
Lösung der AufgabeSolution of the task
Die Grundidee ist, den Ultraschallsensor durch einen PEI-Kunststoffspritzguss basierenden Herstellungsprozess zu fertigen. Hierbei steht die Abkürzung
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
Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist es, eine
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 (
Figur 1Figure 1
Wir nehmen für die folgenden Ausführungen an, dass das piezoelektrische Schallwandlerelement (
Figur 1aFigure 1a
Figur 1bFigure 1b
Im Rahmen der Ausarbeitung der Erfindung wurde erkannt, dass der Quermodus einige Vorteile aufweist, wenn das piezoelektrische Schallwandlerelement (
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
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 (
Figur 4 Figure 4
Figur 5Figure 5
Ein weiterer Prozessschritt betrifft einen ersten Spritzgießschritt. In diesem wird die Kupferunterkonstruktion in Form des Leadframes (
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 (
Figur 6Figure 6
Figur 7Figure 7
Figur 8Figure 8
Figur 9Figure 9
Im nächsten Verfahrensschritt wird in einem zweiten Spritzgussprozessschritt das Halbzeug aus
Wichtig ist nun, dass erkannt wurde, dass die zweite Schichtdicke (
Figur 10Figure 10
Figur 11Figure 11
Figur 12Figure 12
Figur 13Figure 13
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 (
Für diesen beispielhaften einfachsten Fall einer einzelnen, homogenen Vergütungsschicht (
Aus den Fresnel'schen Formeln ergibt sich, dass der akustische Brechungsindex nPEI der Vergütungsschicht bei der Resonanzfrequenz
Im Rahmen dieser Offenlegung definieren wir übrigens den akustischen Brechungsindex n eines Stoffes als Verhältnis der Schallgeschwindigkeit
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 (
Wenn man die dünnste mögliche Schicht verwendet (k = 1), ergibt sich mit Δ= 2*d2*nPEI für die optimale zweite Schichtdicke
Dabei ist
Für die Wellenlänge im PEI-Material
Wenn wir annehmen, dass eine beispielhafte Resonanzfrequenz
Man beachte, dass diese Optimierung nur für Wellen optimal ist, die senkrecht auf die Oberfläche des piezoelektrischen Schallwandlerelements (
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
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
Die Tiefe der ungestörten modifizierten Anpassschicht (
Figur 15Figure 15
Durch die Profilierung wird die Schallausbreitung durch konstruktive und destruktive Interferenz moduliert. Statt der hier parallel zu Oberfläche des piezoelektrischen Schwingelements (
ZusammenfassungSummary
Die Erfindung betrifft also einen Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang von Schallwellen in einem Fluid (
Bevorzugt verfügt der erfindungsgemäße Ultraschallwandler über eine zweite Anpassschicht (
Bevorzugt sind in dem Ultraschallwandler die erste Anpassschicht (
Des Weiteren umfasst der Ultraschallwandler einen Leadframe (
Ebenso bevorzugt wird die Öffnung (
Der oben beschriebene Ultraschallwandler kann aufgrund der Breitbandigkeit im Quermodus bei einer ersten Frequenz
Neben diesem Verfahren zum Betreiben des Ultraschallsensors umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors. Dieses Verfahren umfasst das Bereitstellen (
Ganz allgemein wird hier en Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang von Schallwellen in einem Fluid (
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 der3 als beispielhaft bemaßte Konstruktionszeichnung.4th 4th shows the exemplary lead frame of3rd 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 aus5 mit beispielhaften Bemaßungen.6 6 shows thesemi-finished product 5 with exemplary dimensions. -
7 7 zeigt das Halbzeug aus5 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 thesemi-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 der7 nach einem Bondverbindungsschritt.8th 8th equals to7 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 aus9 .10th 10th shows an isometric, not to scale, simplified drawing of thedevice 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 der14 mit dem Unterschied, dass die Breite der Rillen (201 ) moduliert ist15 15 equals to14 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)
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WIKIPEDIA: Ultraschall; 6. Februar 2019; URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Ultraschall&oldid=185430248 ; recherchiert am 23.12.2019 * |
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CN111570243B (en) | 2021-10-08 |
CN111570243A (en) | 2020-08-25 |
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