DE102019203829B4 - Method for manufacturing a fluid sensor device and fluid sensor device - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Fluidsensorvorrichtung (100) und eine Fluidsensorvorrichtung (100), die dazu ausgebildet ist, die Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder eine Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Schallwandlermoduls (110), das zumindest einen Schallwandler (10) aufweist, der dazu ausgebildet ist, Schallsignale zu empfangen und auszusenden. Der zumindest eine Schallwandler (10) weist eine zum zumindest teilweise Schwingen ausgebildete Membran (16) auf. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner ein Aufbringen einer Koppelschicht (120) auf dem zumindest einen Schallwandler (110) oder auf einer Wand (130) der Fluidsensorvorrichtung (100) und ein Anbringen des Schallwandlermoduls (110) an der Wand (130) durch Andrücken des Schallwandlermoduls (110) an die Wand (130) mit der Koppelschicht (120) dazwischen derart, dass die Koppelschicht (120) die Membran (16) in eine zumindest teilweise ausgelenkte Stellung vorspannt.The present invention relates to a method for producing a fluid sensor device (100) and a fluid sensor device (100) which is designed to determine the height of a surface of a fluid and / or a quality of the fluid in a fluid container. The method according to the invention comprises providing a sound transducer module (110) which has at least one sound transducer (10) which is designed to receive and transmit sound signals. The at least one sound transducer (10) has a membrane (16) designed to at least partially vibrate. The method according to the invention further comprises applying a coupling layer (120) on the at least one sound transducer (110) or on a wall (130) of the fluid sensor device (100) and attaching the sound transducer module (110) to the wall (130) by pressing the sound transducer module against it (110) on the wall (130) with the coupling layer (120) in between in such a way that the coupling layer (120) biases the membrane (16) into an at least partially deflected position.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Fluidsensorvorrichtung und eine Fluidsensorvorrichtung, die zum Ermitteln der Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder der Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter ausgebildet ist.The present invention relates to a method for producing a fluid sensor device and a fluid sensor device which is designed to determine the height of a surface of a fluid and / or the quality of the fluid in a fluid container.

Zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberfläche und/oder der Fluidqualität in einem Fluidbehälter kann beispielsweise eine akustische Messvorrichtung eingesetzt werden. Ein Schallwandler der akustischen Messvorrichtung kann sowohl als Schallerzeuger als auch als Schallempfänger arbeiten. Für eine Bestimmung der Höhe der Fluidoberfläche in dem Fluidbehälter können mittels des Schallwandlers Schallimpulse bzw. Schallsignale in das zu vermessende Fluid abgegeben werden. Die Schallimpulse bzw. Schallsignale können von der Oberfläche bzw. einer Grenzfläche des Fluids zu einem weiteren Medium reflektiert werden. Aus der Laufzeit der Schallimpulse bzw. Schallsignale können Rückschlüsse auf die Höhe der Fluidoberfläche in dem Fluidbehälter gezogen werden. Bevorzugt liegen die Frequenzen der Schallsignale im Bereich des Ultraschalls.For example, an acoustic measuring device can be used to determine a height of a fluid surface and / or the fluid quality in a fluid container. A sound transducer of the acoustic measuring device can work both as a sound generator and as a sound receiver. To determine the height of the fluid surface in the fluid container, sound pulses or sound signals can be emitted into the fluid to be measured by means of the sound transducer. The sound pulses or sound signals can be reflected from the surface or a boundary surface of the fluid to another medium. Conclusions about the height of the fluid surface in the fluid container can be drawn from the transit time of the sound pulses or sound signals. The frequencies of the sound signals are preferably in the ultrasound range.

Im Stand der Technik ist es zudem bekannt, den bzw. die Schallwandler von dem zu vermessenden Medium durch eine Trennwand, wie beispielsweise eine Sensorgehäusewand oder eine Wand des Fluidbehälters, zu trennen. Hierbei ist es jedoch dann notwendig, den oder die Schallwandler an der Trennwand derart akustisch anzukoppeln, dass die von dem oder den Schalwandlern ausgesendeten bzw. empfangenen Schallsignale beim Übergang vom Schallwandler ins Medium und zurück möglichst wenig gedämpft oder gestört werden. Hierzu ist es bekannt, beispielsweise eine Koppelschicht zwischen der Trennwand und dem oder den Schallwandlern anzubringen. Als Schallwandler können hierbei mikromechanische Schallwandler verwendet werden, die insbesondere als sogenannte CMUT oder PMUT ausgebildet sind. Solche mikromechanischen Schallwandler weisen eine Membran auf, die dazu ausgebildet ist, zumindest teilweise zu schwingen, so dass zumindest Randbereiche der jeweiligen Wandler stationär verbleiben. In einem Fall, bei dem mehrere Schallwandler verwendet werden, bewegen sich entsprechend die jeweiligen Membranen der einzelnen Schallwandler, während Strukturen zwischen den Membranen stationär sind und sich folglich nicht bewegen. Die Koppelschicht zum Ankoppeln der Schallwandler an der Trennwand muss also die Bewegung der einzelnen Membranen aufnehmen und weiterleiten.In the prior art, it is also known to separate the sound transducer or transducers from the medium to be measured by a partition, such as a sensor housing wall or a wall of the fluid container. In this case, however, it is then necessary to acoustically couple the sound transducer or transducers to the partition wall in such a way that the sound signals transmitted or received by the sound transducer or transducers are as little attenuated or disturbed as possible during the transition from the sound transducer to the medium and back. To this end, it is known to apply, for example, a coupling layer between the partition and the sound transducer or transducers. In this case, micromechanical sound converters can be used as sound transducers, which are designed in particular as so-called CMUT or PMUT. Such micromechanical sound transducers have a membrane which is designed to vibrate at least partially, so that at least the edge regions of the respective transducers remain stationary. In a case where multiple transducers are used, the respective diaphragms of the individual transducers move accordingly, while structures between the diaphragms are stationary and consequently do not move. The coupling layer for coupling the sound transducers to the partition wall must therefore absorb and transmit the movement of the individual membranes.

Weiteren Stand der Technik bilden die DE 195 38 696 A1 , US 2004/0 079 149 A1 ; US 2014/0 251 014 A1 , US 2011/0 219 871 A1 ; US 2016/0 161 310 A1 , US 2014/0 260 668 A1 und EP 2 154 491 A1 .Further prior art are the DE 195 38 696 A1 , US 2004/0 079 149 A1 ; US 2014/0 251 014 A1 , US 2011/0 219 871 A1 ; US 2016/0 161 310 A1 , US 2014/0 260 668 A1 and EP 2 154 491 A1 .

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer Fluidsensorvorrichtung und eine Fluidsensorvorrichtung bereitzustellen, die im Hinblick auf den Betrieb und die Genauigkeit optimiert ist.One object of the present invention is to provide a method for producing a fluid sensor device and a fluid sensor device which are optimized with regard to operation and accuracy.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Herstellen einer Fluidsensorvorrichtung gemäß Anspruch 1 und mit einer Fluidsensorvorrichtung gemäß Anspruch 7-gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved with a method for producing a fluid sensor device according to claim 1 and with a fluid sensor device according to claim 7. Preferred configurations are given in the subclaims.

Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zu Grunde, ein Schallwandlermodul, das zumindest einen Schallwandler mit einer schwingenden Membran aufweist, an einer Wand der Fluidsensorvorrichtung mit einer Koppelschicht dazwischen derart anzubringen, dass die Koppelschicht die Membran des zumindest einen Schallwandlers des Schallwandlermoduls zumindest teilweise in eine ausgelenkte Stellung vorspannt. Das heißt, dass in einem unbestromten Zustand der Schallwandler die einzelnen Membranen im Wesentlichen nicht planar, sondern im Wesentlichen zumindest teilweise ausgelenkt bzw. konkav sind. Aufgrund der Vorspannung in eine zumindest teilweise ausgelenkte Stellung kann die elektrische Energie zum Betreiben der Schallwandler reduziert werden, da der Auslenkweg zum Erreichen eines sogenannten kollabierten Zustands der Membran des jeweiligen Schallwandlers zumindest teilweise verkürzt werden kann. Der kollabierte Zustand der Membran liegt dann vor, wenn die Membran des Schallwandlers zumindest in der Mitte mit der darunter liegenden Oberfläche zumindest teilweise in Kontakt steht. Der kollabierte Zustand („collapsed state“) ist für einen CMUT-Wandler ein bevorzugter Zustand zum Betreiben desselben, um eine hohe Schallleistung zu erzielen.The present invention is essentially based on the idea of attaching a sound transducer module, which has at least one sound transducer with a vibrating membrane, to a wall of the fluid sensor device with a coupling layer in between, in such a way that the coupling layer at least partially integrates the membrane of the at least one sound transducer of the sound transducer module biases a deflected position. This means that in a de-energized state of the sound transducer, the individual membranes are essentially not planar, but are essentially at least partially deflected or concave. Due to the bias in an at least partially deflected position, the electrical energy for operating the sound transducer can be reduced, since the deflection path to achieve a so-called collapsed state of the membrane of the respective sound transducer can be at least partially shortened. The collapsed state of the membrane occurs when the membrane of the sound transducer is at least partially in contact with the underlying surface, at least in the middle. The collapsed state ("collapsed state") is a preferred state for a CMUT converter to operate the same in order to achieve a high sound power.

Folglich ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Fluidsensorvorrichtung offenbart, die dazu ausgebildet ist, die Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder einer Qualität des Fluid in einem Fluidbehälter zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Schallwandlermoduls, das zumindest einen Schallwandler aufweist, der dazu ausgebildet ist, Schallsignale zu empfangen und auszusenden. Der zumindest eine Schallwandler weist eine zum zumindest teilweisen Schwingen ausgebildete Membran auf. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner ein Aufbringen einer Koppelschicht auf den zumindest ein Schallwandler oder auf einer Wand der Fluidsensorvorrichtung und ein Anbringen des Schallwandlermoduls an der Wand der Fluidsensorvorrichtung durch Andrücken des Schallwandlermoduls an die Wand mit der Koppelschicht dazwischen derart, dass die Koppelschicht die Membran in in ihren kollabierten Zustand vorspannt. Somit ist die Koppelschicht dazu ausgebildet, die Membran so weit vorzuspannen, dass sich der Schallwandler ohne Beaufschlagung mit elektrischer Energie, wie beispielsweise einer elektrischen Spannung, bereits im kollabierten Zustand befindet.Consequently, according to a first aspect of the present invention, a method for producing a fluid sensor device is disclosed which is designed to determine the height of a surface of a fluid and / or a quality of the fluid in a fluid container. The method according to the invention comprises providing a sound transducer module which has at least one sound transducer which is designed to receive and transmit sound signals. The at least one sound transducer has a membrane designed to vibrate at least partially. The method according to the invention further comprises applying a coupling layer to the at least one sound transducer or on a wall of the fluid sensor device and attaching the sound transducer module to the wall of the fluid sensor device by pressing the sound transducer module against the wall with the coupling layer in between in such a way that the coupling layer prestresses the membrane in its collapsed state. The coupling layer is thus designed to preload the membrane to such an extent that the sound transducer is already in the collapsed state without being subjected to electrical energy, such as an electrical voltage.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Anordnen eines Rahmens auf dem Schallwandlermodul oder der Wand vor dem Aufbringen der Koppelschicht auf dem Schallwandlermodul oder der Wand auf. Der Rahmen ist dazu ausgebildet, einen Füllbereich zu definieren, in den die Koppelschicht in flüssigem Zustand einfüllbar ist. Eine geeignete Klasse von Materialen für die Koppelschicht sind beispielsweise Gele auf Silikonbasis. In einer derart bevorzugten Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zudem ein Aufbringen der Koppelschicht durch Einfüllen derselben in den Füllbereich im flüssigen Zustand und anschließend ein zumindest teilweises Verfestigen der Koppelschicht auf dem zumindest einen Schallwandler oder der Wand. Dafür ist es von Vorteil, wenn das Material der Koppelschicht im flüssigen Zustand thixotrope Eigenschaften aufweist.In a preferred embodiment, the method according to the invention furthermore comprises arranging a frame on the sound transducer module or the wall before the coupling layer is applied to the sound transducer module or the wall. The frame is designed to define a filling area into which the coupling layer can be filled in the liquid state. A suitable class of materials for the coupling layer are, for example, silicone-based gels. In such a preferred embodiment, the method according to the invention also includes applying the coupling layer by filling it into the filling area in the liquid state and then at least partially solidifying the coupling layer on the at least one sound transducer or the wall. For this it is advantageous if the material of the coupling layer has thixotropic properties in the liquid state.

Dabei kann es bevorzugt sein, dass der Rahmen aus einem elastischen Material geformt und dazu ausgebildet ist, sich beim Aufbringen einer Kraft zumindest teilweise elastisch zu verformen. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn der Rahmen nach dem zumindest teilweisen Verfestigen der Koppelschicht in der Fluidsensorvorrichtung verbleibt und folglich beim Andrücken des Schallwandlermoduls an der Wand die Vorspannung der Membranen durch die Koppelschicht nicht beeinträchtigen soll. Bevorzugt weist der Rahmen einen Elastizitätsmodul auf, der im Wesentlichen kleiner oder gleich dem Elastizitätsmodul der Koppelschicht ist.It can be preferred that the frame is formed from an elastic material and designed to at least partially deform elastically when a force is applied. This is particularly necessary if the frame remains in the fluid sensor device after the at least partial solidification of the coupling layer and consequently should not impair the pre-tensioning of the membranes by the coupling layer when the sound transducer module is pressed against the wall. The frame preferably has a modulus of elasticity that is essentially less than or equal to the modulus of elasticity of the coupling layer.

In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner ein Entfernen des Rahmens nach dem zumindest teilweisen Verfestigen der Koppelschicht vorgesehen. Damit ist es möglich, einen biegestreifen, nicht elastischen Rahmen vorzusehen, der durch das Entfernen desselben vor dem Anbringen des Schallwandlermoduls an der Wand das Vorspannen der Membranen mittels der Koppelschicht nicht beeinträchtigen kann.In an alternative embodiment of the method according to the invention, the frame is also removed after the coupling layer has at least partially solidified. It is thus possible to provide a flexurally streaked, non-elastic frame which, by removing it before attaching the sound transducer module to the wall, cannot impair the prestressing of the membranes by means of the coupling layer.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Koppelschicht ein dauerelastisches, chemisch beständiges und/oder temperaturbeständiges Material, wie beispielsweise Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM).In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the coupling layer is a permanently elastic, chemically resistant and / or temperature-resistant material, such as, for example, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM).

An dieser Stelle sei festgehalten, dass das Schallwandlermodul an der Wand mittels einer dazu ausgebildeten Vorrichtung dauerhaft angedrückt wird. Folglich ist es von Vorteil, wenn die Vorrichtung beispielsweise Schrauben aufweist, die dazu ausgebildet sind, das Schallwandlermodul an der Wand dauerhaft anzudrücken. Vorzugsweise wird das Schallwandlermodul derart dauerhaft an der Wand angedrückt, dass die dazwischen angeordnete Koppelschicht eine vorbestimmte Dicke aufweist. Das Andrücken erfolgt somit bevorzugt weggesteuert über die gewünschte Dicke der Koppelschicht.It should be noted at this point that the sound transducer module is permanently pressed against the wall by means of a device designed for this purpose. Consequently, it is advantageous if the device has screws, for example, which are designed to press the sound transducer module permanently onto the wall. The sound transducer module is preferably pressed permanently against the wall in such a way that the coupling layer arranged between them has a predetermined thickness. The pressing is thus preferably carried out in a path-controlled manner over the desired thickness of the coupling layer.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der zumindest ein Schallwandler ein sogenannter kapazitiver mikromechanischer Ultraschallwandler (CMUT). Dabei ist es insbesondere bevorzugt, dass die Koppelschicht die Membran des zumindest einen CMUT derart in die ausgelenkte Stellung vorspannt, dass sich die Membran des zumindest einen CMUT in ihrem sogenannten kollabierten Zustand befindet. Dadurch kann die elektrische Energie zum Betreiben des Schallwandlers maximal reduziert werden.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the at least one sound transducer is a so-called capacitive micromechanical ultrasonic transducer (CMUT). It is particularly preferred that the coupling layer prestresses the membrane of the at least one CMUT in the deflected position in such a way that the membrane of the at least one CMUT is in its so-called collapsed state. As a result, the electrical energy for operating the sound transducer can be reduced to a maximum.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Fluidsensorvorrichtung zum Bestimmen der Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder einer Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter offenbart. Die erfindungsgemäße Fluidsensorvorrichtung umfasst ein Schallwandlermodul, das zumindest einen Schallwandler aufweist, das dazu ausgebildet ist, Schallsignale zu empfangen und auszusenden. Dabei weist der zumindest eine Schallwandler eine zum zumindest teilweise Schwingen ausgebildete Membran auf. Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Fluidsensorvorrichtung zumindest eine Wand, an der das Schallwandlermodul angebracht ist, und eine zwischen der Wand und dem Schallwandlermodul angeordnete Koppelschicht, die dazu ausgebildet ist, für die von den zumindest ein Schallwandler ausgesendeten Schallsignale durchlässig zu sein. Dabei ist das Schallwandlermodul an der Wand durch Andrücken desselben derart befestigt, dass die Koppelschicht die Membran in ihren kollabierten Zustand vorspannt.According to a further aspect of the present invention, a fluid sensor device for determining the height of a surface of a fluid and / or a quality of the fluid in a fluid container is disclosed. The fluid sensor device according to the invention comprises a sound transducer module which has at least one sound transducer which is designed to receive and transmit sound signals. In this case, the at least one sound transducer has a membrane designed to at least partially vibrate. In addition, the fluid sensor device according to the invention comprises at least one wall on which the sound transducer module is attached and a coupling layer arranged between the wall and the sound transducer module, which coupling layer is designed to be permeable to the sound signals emitted by the at least one sound transducer. The sound transducer module is fastened to the wall by pressing it against it in such a way that the coupling layer pretensions the membrane in its collapsed state.

Vorzugsweise ist der zumindest ein Schallwandler ein sogenannter kapazitiver mikromechanischer Ultraschallwandler (CMUT).The at least one sound transducer is preferably a so-called capacitive micromechanical ultrasonic transducer (CMUT).

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Fluidsensorvorrichtung ferner einen Rahmen, der zumindest teilweise um die Koppelschicht herum angeordnet ist. Der Rahmen ist dabei aus einem elastischen Material geformt und in der fertig montierten Fluidsensorvorrichtung zumindest teilweise elastisch verformt.In a further preferred embodiment, the fluid sensor device according to the invention further comprises a frame which is at least partially arranged around the coupling layer. The frame is formed from an elastic material and is at least partially elastically deformed in the fully assembled fluid sensor device.

Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:

  • 1 eine schematische Ansicht eines kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlers (CMUT) zeigt,
  • 2 eine schematische Ansicht des CMUT der 1 in seinem kollabierten Zustand zeigt,
  • 3 eine erfindungsgemäße Fluidsensorvorrichtung zeigt, und
  • 4 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Fluidsensorvorrichtung zeigt.
Other objects and features of the present invention will be apparent to those skilled in the art Practicing the present teaching and viewing the accompanying drawings, in which:
  • 1 shows a schematic view of a capacitive micromechanical ultrasonic transducer (CMUT),
  • 2 a schematic view of the CMUT of FIG 1 shows in its collapsed state
  • 3 shows a fluid sensor device according to the invention, and
  • 4th shows an exemplary flow chart of a method according to the invention for producing a fluid sensor device.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Elements of the same construction or function are provided with the same reference symbols in all the figures.

Unter Verweis auf 1 und 2 ist ein beispielhafter Schallwandler in der Form eines kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlers 10 (CMUT = capacitive micromachined ultrasonic transducer) gezeigt, der in einer erfindungsgemäßen Fluidsensorvorrichtung 100 (siehe 3) verwendet werden kann. Der CMUT 10 ist eine mikromechanische Struktur, die zur Erzeugung und zum Empfang akustischer Signale im Schallbereich, vorzugsweise Ultraschallbereich, eingesetzt werden kann. Der CMUT 10 ist vom Grundaufbau her eine MEMS-Struktur, die aus zwei gegenüberliegenden Elektroden 12, 14 besteht. Dabei ist die Elektrode 14 starr, die andere Elektrode 12 relativ zur starren Elektrode 14 beweglich auf einer Membran 16 angeordnet. Zwischen den beiden Elektroden 12, 14 befinden sich die Membran 16 und ein Zwischenraum 18. Der CMUT 10 kann sowohl Senden als auch Empfangen, indem durch Verschiebung der beweglichen Elektrode 12 relativ zur starren Elektrode 14 elektrische in akustische Energien umwandeln werden oder umgekehrt.With reference to 1 and 2 is an exemplary sound transducer in the form of a capacitive micromechanical ultrasonic transducer 10 (CMUT = capacitive micromachined ultrasonic transducer) shown in a fluid sensor device according to the invention 100 (please refer 3 ) can be used. The CMUT 10 is a micromechanical structure that can be used to generate and receive acoustic signals in the acoustic range, preferably ultrasound. The CMUT 10 is basically a MEMS structure consisting of two opposing electrodes 12 , 14th consists. Here is the electrode 14th rigid, the other electrode 12 relative to the rigid electrode 14th movable on a membrane 16 arranged. Between the two electrodes 12 , 14th are the membrane 16 and a space 18th . The CMUT 10 can send as well as receive by moving the movable electrode 12 relative to the rigid electrode 14th convert electrical energy into acoustic energy or vice versa.

In der 1 ist dargestellt, dass die Membran 16 dadurch zum Schwingen gebracht werden kann, dass zwischen den Elektroden 12, 14 ein elektrisches Potenzial aufgebaut wird, so dass die elektrostatische Kraft die bewegliche Elektrode 12 zur starren Elektrode 14 hin ablenkt. Wenn dieses Potential periodisch verändert wird, kann dadurch eine Schallwelle mit der entsprechenden Frequenz erzeugt werden. Im spannungslosen Zustand wäre die Membran 16 mit der Elektrode 12 nicht gekrümmt und parallel zur starren Elektrode 14.In the 1 is shown that the membrane 16 can be made to oscillate that between the electrodes 12 , 14th an electrical potential is built up, so that the electrostatic force affects the movable electrode 12 to the rigid electrode 14th distracts. If this potential is changed periodically, a sound wave with the corresponding frequency can be generated. The membrane would be in the de-energized state 16 with the electrode 12 not curved and parallel to the rigid electrode 14th .

Die 2 zeigt den CMUT 10 in der sogenannten kollabierten Stellung („collapsed state“). Genauer gesagt ist die Membran 16 des CMUT 10 so weit ausgelenkt, dass die Membran 16 auf der darunterliegenden starren Elektrode 14 aufliegt. In diesem kollabierten Zustand wird bei elektrischer Energieaufbringung auf die Elektroden 12, 14 lediglich ein ringförmiger Bereich zum Schwingen angeregt, wodurch Schallwellen, vorzugsweise Ultraschallwellen, erzeugt werden können. Das Schwingen des ringförmigen Bereichs ist mittels der Pfeile 11, 13 in der 2 angedeutet.The 2 shows the CMUT 10 in the so-called "collapsed state". More precisely is the membrane 16 of the CMUT 10 deflected so far that the membrane 16 on the rigid electrode below 14th rests. In this collapsed state, when electrical energy is applied to the electrodes 12 , 14th only a ring-shaped area is excited to vibrate, whereby sound waves, preferably ultrasonic waves, can be generated. The swing of the annular area is indicated by the arrows 11 , 13th in the 2 indicated.

Unter weiterem Verweis auf die 3 ist eine erfindungsgemäße Fluidsensorvorrichtung 100 gezeigt, die ein Schallwandlermodul 110, das in der Ausgestaltung der 3 lediglich einen Schallwandler 10 aufweist, umfasst. Das Schallwandlermodul 110 ist mittels einer Koppelschicht 120 an einer Wand 130 der Fluidsensorvorrichtung 100 angebracht. Es ist selbstredend, dass das Schallwandlermodul 110 aus mehr als einem Schallwandler 10 bestehen kann. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, eine Vielzahl von Schallwandlern 10 in einer Matrix anzuordnen und als Schallwandlermodul mittels der Koppelschicht 120 an der Wand 130 zu befestigen. Das Schallwandlermodul 110 kann auch als Schallwandler-Array 110 bezeichnet werden.With further reference to the 3 is a fluid sensor device according to the invention 100 shown having a transducer module 110 that is part of the design of the 3 just a transducer 10 has, includes. The transducer module 110 is by means of a coupling layer 120 on a wall 130 the fluid sensor device 100 appropriate. It goes without saying that the transducer module 110 from more than one transducer 10 can exist. For example, it can be advantageous to have a large number of sound transducers 10 to be arranged in a matrix and as a sound transducer module by means of the coupling layer 120 on the wall 130 to fix. The transducer module 110 can also be used as a transducer array 110 are designated.

Die Wand 130 kann beispielsweise eine Wandung eines Elektronikgehäuses der Fluidsensorvorrichtung 100 sein. Alternativ kann die Wand 130 auch ein Wandbereich eines Fluidbehälters sein, in dem sich das Fluid befindet, dessen Füllstand und/oder dessen Qualität mittels der Fluidsensorvorrichtung 100 bestimmt werden soll.The wall 130 For example, a wall of an electronics housing of the fluid sensor device 100 be. Alternatively, the wall 130 also be a wall area of a fluid container in which the fluid is located, its level and / or its quality by means of the fluid sensor device 100 should be determined.

Die Koppelschicht 120 ist dazu ausgebildet, für die von dem zumindest ein Schallwandler 110 erzeugten Schallwellen durchlässig zu sein und somit die Schallwellen in die Wand 130 und somit in das Fluid ein- und auszukoppeln. Vorzugsweise ist die Koppelschicht 120 ein dauerelastisches, chemisch beständiges und/oder temperaturbeständiges Material, wie beispielsweise Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), oder auch ein auf Silikon basierendes Vergussmaterial.The coupling layer 120 is designed for the at least one sound transducer 110 generated sound waves to be permeable and thus the sound waves into the wall 130 and thus coupling in and out of the fluid. The coupling layer is preferred 120 a permanently elastic, chemically resistant and / or temperature-resistant material, such as ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), or a silicone-based potting material.

Die Fluidsensorvorrichtung 100 umfasst zudem einen (optionalen) Rahmen 140, der zwischen dem Schallwandlermodul 110 und der Wand 130 derart angeordnet ist, dass diese die Koppelschicht 120 zumindest teilweise umgibt. Insbesondere dient der Rahmen 140 dazu, während der Herstellung der Fluidsensorvorrichtung 100 einen Füllbereich dazwischen zu definieren, in den die Koppelschicht 120 im flüssigen Zustand eingefüllt werden kann. Vorzugsweise ist der Rahmen 140 aus einem elastischen Material gebildet, das vorzugsweise weicher ist als das Material der Koppelschicht 120.The fluid sensor device 100 also includes an (optional) frame 140 between the transducer module 110 and the wall 130 is arranged such that this is the coupling layer 120 at least partially surrounds. In particular, the frame is used 140 in addition, during the manufacture of the fluid sensor device 100 to define a filling area in between, in which the coupling layer 120 can be filled in the liquid state. Preferably the frame is 140 formed from an elastic material which is preferably softer than the material of the coupling layer 120 .

Die 4 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Fluidsensorvorrichtung, wie beispielsweise der Fluidsensorvorrichtung 100 der 3. Das Verfahren der 4 startet beim Schritt 200 und gelangt dann zum Schritt 210, bei dem ein Schallwandlermodul 110 bereitgestellt wird, das zumindest einen Schallwandler 10 aufweist. Wie bereits oben erwähnt besteht das Schallwandlermodul 110 vorzugsweise aus einer Vielzahl von Schallwandlern 10.The 4th shows an exemplary flow chart of a method according to the invention for producing a fluid sensor device, such as the fluid sensor device 100 the 3 . The procedure of 4th starts at step 200 and then comes to the step 210 , at which a Transducer module 110 is provided that at least one sound transducer 10 having. As mentioned above, there is the sound transducer module 110 preferably from a variety of transducers 10 .

In einem darauffolgenden Schritt 220 wird auf dem Schallwandlermodul 110 der Rahmen 140 angeordnet, der einen Füllbereich definiert. Der Rahmen 140 ist vorzugsweise derart angeordnet, dass der Füllbereich die zumindest eine Membran 16 bzw. die mehreren Membranen 16 der mehreren Schallwandler 10 bedeckt.In a subsequent step 220 is on the transducer module 110 the frame 140 arranged, which defines a fill area. The frame 140 is preferably arranged such that the filling area contains the at least one membrane 16 or the multiple membranes 16 the multiple transducers 10 covered.

In einem darauffolgenden Schritt 230 wird die Koppelschicht 120 auf dem Schallwandlermodul 110 dadurch aufgebracht, dass die Koppelschicht 120 in einem flüssigen Zustand in den vom Rahmen 140 definierten Füllbereich eingegossen wird. Dabei ist es bevorzugt, dass der gesamte, vom Rahmen 140 definierte Füllbereich mit der Koppelschicht 120 ausgefüllt oder unter Ausnutzung der Oberflächenspannung sogar leicht überfüllt wird. Das heißt dass die Füllstandshöhe der Koppelschicht 120 im Füllbereich zumindest gleich der Höhe des Rahmens 140 ist oder sogar leicht darüber liegt.In a subsequent step 230 becomes the coupling layer 120 on the transducer module 110 applied in that the coupling layer 120 in a liquid state in the frame 140 defined filling area is poured. It is preferred that the entire frame 140 defined filling area with the coupling layer 120 is filled in or is even slightly overfilled using the surface tension. That means that the filling level of the coupling layer 120 in the filling area at least equal to the height of the frame 140 is or is even slightly above.

In einem darauffolgenden Schritt 240 wird die Koppelschicht 120 zumindest teilweise auf dem Schallwandlermodul 110 verfestigt. Diese Verfestigung kann beispielsweise thermisch oder durch UV-Licht aktiviert werden.In a subsequent step 240 becomes the coupling layer 120 at least partially on the transducer module 110 solidified. This consolidation can be activated thermally or by UV light, for example.

In einem weiteren Schritt 250 wird die Einheit bestehend aus Schallwandlermodul 110, zumindest teilweise verfestigter Koppelschicht 120 und Rahmen 140 an der Wand 130 der Fluidsensorvorrichtung 100 durch Andrücken des Schallwandlermoduls 110 an die Wand 130 mit der Koppelschicht 120 dazwischen derart angebracht, dass, wie in der 3 gezeigt, die Koppelschicht 120 die Membran 16 in eine zumindest teilweise ausgelenkte Stellung vorspannt. Das Anbringen des Schallwandlermoduls 110 an der Wand 130 durch Andrücken kann beispielsweise durch eine Vorrichtung erfolgen, die die vorbestimmte Kraft dauerhaft auf das Schallwandlermodul 110 aufbringen kann. Somit kann sichergestellt werden, dass die Koppelschicht 120 die Membran 16 oder die mehreren Membranen 16 dauerhaft in die jeweilige zumindest teilweise ausgelenkte Stellung vorspannt. Um dies zu bewerkstelligen ist es von Vorteil, wenn der Rahmen 140 aus einem elastischen Material gebildet ist, vorzugsweise aus einem elastischen Material mit einem Elastizitätsmodul kleiner oder gleich dem Elastizitätsmodul der Koppelschicht 120.In a further step 250 becomes the unit consisting of the transducer module 110 , at least partially solidified coupling layer 120 and frame 140 on the wall 130 the fluid sensor device 100 by pressing the transducer module 110 On Wall 130 with the coupling layer 120 placed between them so that, as in the 3 shown the coupling layer 120 the membrane 16 biased into an at least partially deflected position. Attaching the transducer module 110 on the wall 130 by pressing, for example, a device can apply the predetermined force permanently to the transducer module 110 can muster. It can thus be ensured that the coupling layer 120 the membrane 16 or the multiple membranes 16 permanently biased into the respective at least partially deflected position. To do this it is advantageous if the frame 140 is formed from an elastic material, preferably from an elastic material with a modulus of elasticity less than or equal to the modulus of elasticity of the coupling layer 120 .

Dadurch, dass die Koppelschicht 120 die zumindest eine Membran 16 des zumindest einen Schallwandlers 10 des Schallwandlermoduls 110 in eine zumindest teilweise ausgelenkte Stellung vorspannt, kann der Auslenkungsweg der Membran 16 bis zum Erreichen der bevorzugten kollabierten Stellung reduziert werden, wodurch auch die elektrische Energie zum Betreiben der einzelnen Schallwandler 10 zumindest teilweise reduziert werden kann.In that the coupling layer 120 the at least one membrane 16 of at least one transducer 10 of the transducer module 110 biased into an at least partially deflected position, the deflection path of the membrane 16 can be reduced until the preferred collapsed position is reached, thereby also reducing the electrical energy required to operate the individual sound transducers 10 can be at least partially reduced.

Alternativ zum Schritt 220 kann es vorteilhaft sein, dass der Rahmen 140 nicht auf dem Schallwandlermodul 110, sondern zunächst an der Wand 130 angebracht wird und dann die Koppelschicht 120 in den dort gebildeten Füllbereich in flüssigem Zustand eingefüllt wird. Nach dem zumindest teilweisen Verfestigen der Koppelschicht 120 an der Wand 130 kann dann das Schallwandlermodul 110 angedrückt werden, sodass auch dann wieder die Koppelschicht 120 die zumindest eine Membran 16 in eine zumindest teilweise ausgelenkte Stellung vorspannt.Alternative to the step 220 it can be advantageous that the frame 140 not on the transducer module 110 but first on the wall 130 is attached and then the coupling layer 120 is filled into the filling area formed there in the liquid state. After the at least partial solidification of the coupling layer 120 on the wall 130 can then use the transducer module 110 are pressed on, so that the coupling layer is also then again 120 the at least one membrane 16 biased into an at least partially deflected position.

Ferner kann es bevorzugt sein, dass nach dem zumindest teilweisen Verfestigen der Koppelschicht 120 am Schallwandlermodul 110 oder an der Wand 130 der Rahmen 140 wieder entfernt wird, bevor das Schallwandlermodul 110 an der Wand 130 mit der dazwischen angeordneten Koppelschicht 120 angebracht wird.Furthermore, it can be preferred that after the at least partial solidification of the coupling layer 120 on the transducer module 110 or on the wall 130 the frame 140 is removed again before the transducer module 110 on the wall 130 with the coupling layer arranged in between 120 is attached.

Die Verwendung eines thixotropen Materials ist für den Fertigungsprozess der Koppelschicht 120 vorteilhaft. Ebenso ist die Koppelschicht 120 bevorzugt aus einem Material gebildet, das eine geringe Härte und eine hohe Elastizität aufweist, wie beispielsweise ein Silikongel, welches über einen weiten Temperaturbereich elastisch bleibt und gleichzeitig chemisch stabil ist.The use of a thixotropic material is for the manufacturing process of the coupling layer 120 advantageous. Likewise is the coupling layer 120 preferably formed from a material that has a low hardness and high elasticity, such as a silicone gel, which remains elastic over a wide temperature range and at the same time is chemically stable.

Ein weiterer Vorteil kann darin bestehen, dass durch das direkte Verpressen der Koppelschicht mittels einer vorbestimmten Kraft oder auf eine vorbestimmte Dicke die Schallübertragungseigenschaften der Koppelschicht 120 wie gewünscht eingestellt werden können.Another advantage can consist in the fact that the sound transmission properties of the coupling layer are improved by the direct pressing of the coupling layer by means of a predetermined force or to a predetermined thickness 120 can be set as desired.

Zudem ist bei einer Fertigung der Koppelschicht 120 auf dem Schallwandler 10 oder auf der Wand 130 eine direkte optische Kontrolle der Koppelschichtqualität möglich, beispielsweise durch eine optische Kontrolle auf eingeschlossene Luftblasen.In addition, when the coupling layer is manufactured 120 on the transducer 10 or on the wall 130 a direct optical control of the coupling layer quality is possible, for example by an optical control for enclosed air bubbles.

Wie bereits erwähnt besteht der Hauptvorteil der zumindest teilweise ausgelenkten Membran 16 mittels der Verpressung des Schallwandlermoduls 110 an der Wand 130 mit der Koppelschicht 120 dazwischen darin, dass die zum Erreichen des kollabierten Zustands notwendige elektrische Energie, vorzugsweise elektrische Spannung, reduziert werden kann, wodurch eine Anwendung im Pkw, bei dem häufig nur geringe Versorgungsspannungen vorhanden sind, erleichtert wird. Zudem sind bei integrierten Schaltkreisen, wie zum Beispiel einem ASIC, zur Ansteuerung der Wandler, je nach verwendeter Technologie den verwendeten Spannungen und Strömen zum Teil enge Grenzen gesetzt, die nur teilweise durch zusätzliche elektrische Bauteile umgangen werden können, so dass auch unter diesem Gesichtspunkt eine Reduzierung der für den kollabierten Zustand notwendige Spannung von Vorteil wäre.As already mentioned, the main advantage is the at least partially deflected membrane 16 by pressing the transducer module 110 on the wall 130 with the coupling layer 120 in between the fact that the electrical energy, preferably electrical voltage, required to reach the collapsed state can be reduced, which makes it easier to use in cars, where often only low supply voltages are available. In addition, with integrated circuits, such as an ASIC, for controlling the converters, depending on the technology used, the voltages and currents used are sometimes tight limits, which can only be partially circumvented by additional electrical components, so that from this point of view, a Reducing the tension required for the collapsed state would be beneficial.

Claims (9)

Verfahren zum Herstellen einer Fluidsensorvorrichtung (100), die dazu ausgebildet ist, die Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder eine Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter zu bestimmen, wobei das Verfahren aufweist: - Bereitstellen eines Schallwandlermoduls (110), das zumindest einen Schallwandler (10) aufweist, der dazu ausgebildet ist, Schallsignale zu empfangen und auszusenden, wobei der zumindest eine Schallwandler (10) eine zum zumindest teilweise Schwingen ausgebildete Membran (16) aufweist, - Aufbringen einer Koppelschicht (120) auf dem zumindest einen Schallwandler (10) oder auf einer Wand (130) der Fluidsensorvorrichtung (100), und - Anbringen des Schallwandlermoduls (110) an der Wand (130) durch Andrücken des Schallwandlermoduls (110) an die Wand (130) mit der Koppelschicht (120) dazwischen derart, dass die Koppelschicht (120) die Membran (16) in ihren kollabierten Zustand vorspannt.A method for producing a fluid sensor device (100) which is designed to determine the height of a surface of a fluid and / or a quality of the fluid in a fluid container, the method comprising: - Providing a sound transducer module (110) which has at least one sound transducer (10) which is designed to receive and transmit sound signals, the at least one sound transducer (10) having a membrane (16) designed for at least partial vibration, - applying a coupling layer (120) on the at least one sound transducer (10) or on a wall (130) of the fluid sensor device (100), and - Attaching the sound transducer module (110) to the wall (130) by pressing the sound transducer module (110) against the wall (130) with the coupling layer (120) in between such that the coupling layer (120) puts the membrane (16) in its collapsed state biases. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit: - Anordnen eines Rahmens (140) auf dem Schallwandlermodul (110) oder der Wand (130) vor dem Aufbringen der Koppelschicht (120), wobei der Rahmen (140) dazu ausgebildet ist, einen Füllbereich zu definieren, in den die Koppelschicht (120) im flüssigen Zustand einfüllbar ist, - Aufbringen der Koppelschicht (120) durch Einfüllen derselben in den Füllbereich im flüssigen Zustand, und - zumindest teilweises Verfestigen der Koppelschicht (120).Procedure according to Claim 1 , further comprising: - Arranging a frame (140) on the sound transducer module (110) or the wall (130) before the coupling layer (120) is applied, the frame (140) being designed to define a filling area into which the Coupling layer (120) can be filled in the liquid state, - applying the coupling layer (120) by filling it into the filling area in the liquid state, and - at least partially solidifying the coupling layer (120). Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Rahmen (140) aus einem elastischen Material geformt und dazu ausgebildet ist, sich beim Anbringen des Schallwandlermoduls (110) an der Wand (130) zumindest teilweise elastisch zu verformen.Procedure according to Claim 2 wherein the frame (140) is formed from an elastic material and is designed to be at least partially elastically deformed when the sound transducer module (110) is attached to the wall (130). Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit: - Entfernen des Rahmens (140) nach dem zumindest teilweisen Verfestigen der Koppelschicht (120).Procedure according to Claim 2 , further comprising: removing the frame (140) after the at least partial solidification of the coupling layer (120). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Koppelschicht (120) ein dauerelastisches, chemisch beständiges und/oder temperaturbeständiges Material, wie beispielsweise Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder ein auf Silikon basierendes Vergussmaterial, ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the coupling layer (120) is a permanently elastic, chemically resistant and / or temperature-resistant material such as ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) or a silicone-based potting material. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Schallwandler ein kapazitiver mikromechanischer Ultraschallwandler (10) ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the at least one sound transducer is a capacitive micromechanical ultrasonic transducer (10). Fluidsensorvorrichtung (100) zum Bestimmen der Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder einer Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter, wobei die Fluidsensorvorrichtung (100) aufweist: - ein Schallwandlermodul (110), das zumindest einen Schallwandler (10) aufweist, der dazu ausgebildet ist, Schallsignale zu empfangen und auszusenden, wobei der zumindest eine Schallwandler (10) eine zum zumindest teilweise Schwingen ausgebildete Membran (16) aufweist, - zumindest eine Wand (130), an der das Schallwandlermodul (110) angebracht ist, und - eine zwischen der Wand (130) und dem Schallwandlermodul (110) angeordnete Koppelschicht (120), die dazu ausgebildet ist, für die von dem zumindest einen Schallwandler (10) ausgesendeten Schallsignale durchlässig zu sein, wobei das Schallwandlermodul (110) an der Wand (130) durch Andrücken desselben derart daran befestigt ist, dass die Koppelschicht (120) die Membran (16) in ihren kollabierten Zustand vorspannt.Fluid sensor device (100) for determining the height of a surface of a fluid and / or a quality of the fluid in a fluid container, the fluid sensor device (100) having: - A sound transducer module (110) which has at least one sound transducer (10) which is designed to receive and emit sound signals, the at least one sound transducer (10) having a membrane (16) designed to at least partially vibrate, - At least one wall (130) to which the sound transducer module (110) is attached, and - A coupling layer (120) arranged between the wall (130) and the sound transducer module (110) which is designed to be permeable to the sound signals emitted by the at least one sound transducer (10), the sound transducer module (110) on the wall (130) is attached by pressing the same thereon in such a way that the coupling layer (120) prestresses the membrane (16) in its collapsed state. Fluidsensorvorrichtung (110) nach Anspruch 7, wobei der zumindest eine Schallwandler ein kapazitiver mikromechanischer Ultraschallwandler (10) ist.Fluid sensor device (110) according to Claim 7 , wherein the at least one sound transducer is a capacitive micromechanical ultrasonic transducer (10). Fluidsensorvorrichtung (100) nach Anspruch 7 oder 8, ferner mit: - einem Rahmen (140), der zumindest teilweise um die Koppelschicht (120) herum angeordnet ist, wobei der Rahmen (140) aus einem elastischen Material geformt und im montierten Zustand zumindest teilweise elastisch verformt ist.Fluid sensor device (100) according to Claim 7 or 8th , further comprising: a frame (140) which is arranged at least partially around the coupling layer (120), the frame (140) being formed from an elastic material and being at least partially elastically deformed in the assembled state.
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