DE19707933C2 - Ultraschallwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Literatur (Krautkrämer, "Werkstoffprüfung mit Ultraschall" Springer-Verlag Berlin - Heidelberg - New York - London - Paris - Tokyo 1986 und Ludwig Bergmann, "Der Ul­ traschall" S. Hirzel-Verlag Stuttgart 1954 ist bekannt, daß zur besseren akustischen Ankopplung von Ultraschallwand­ ler an angrenzende Medien vorteilhafterweise eine Anpaß­ schicht vorzusehen ist, erstens dessen akustische Impedanz dem geometrischen Mittel der beiden Materialien entspricht und zweitens dessen Dicke einem ungeradzahligen Vielfa­ chen der Wellenlänge beträgt. Die Schwierigkeit besteht darin, daß kaum ein homogenes Material den Forderungen hinsichtlich der akustischen Impedanz entspricht. Bekann­ termaßen könnten hierfür nur Kunststoffe eingesetzt wer­ den. Einerseits sind aber derzeit keine Kunststoffe bekannt, welche den idealen Wert der akustischen Anpassung besit­ zen und andererseits ist es bei Verwendung homogener Kunststoffe nicht möglich, die akustische Impedanz der An­ paßschicht auf den idealen Wert abzustimmen.

Bekannt sind aus der Literatur verschiedene Möglichkei­ ten, geeignete Anpaßschichten herzustellen. In der Offenle­ gungsschrift DE 36 00 639 wird ein porenfreies Glaskera­ mik-Material mit Glimmerkristallen verwendet. In der Of­ fenlegungsschrift DE 42 28 345 schlägt man die Anwen­ dung eines Verbundwerkstoffes, bestehend aus Glasvollku­ geln mit einem Durchmesser kleiner als 0,2 mm, die in einer Epoxydharzmatrix eingebettet sind, vor. Die Herstellung dieser Materialien ist technologisch kompliziert, weshalb die Reproduzierbarkeit der Eigenschaften (Homogenität) derartiger Anpaßschichten begrenzt ist. Hinzu kommt, daß Materialien auf der Basis von Epoxydharzen in bestimmten Medien aufquellen (z. B. in wäßrigen Systeme) oder diese chemisch angegriffen oder sogar zersetzt werden (von orga­ nischen Lösungsmitteln, Säuren, Laugen). All diese Einwir­ kung auf die Sensoroberfläche von Belagsbildung bis hin zur Auflösung der Polymermatrix können die Funktion des Sensors irreversibel verändern bzw. erheblich beeinträchti­ gen.

Ähnliche Nachteile weist auch die in der Offenlegungsschrift JP 520 52 388 A beschriebene Anordnung auf. Hier verwendet man eine Kunstharzbeschichtung mit eingebetteten Teflonpartikeln sowohl zur Erhöhung dessen Korrosionsbeständigkeit eines zylindrischen Schwingers als auch zur Isolation seiner elektrischen Kontakte. Die aus akustischer Sicht notwendige Herstellung einer homogenen Schicht ist technologisch diffizil und die anwendungstechnischen Eigenschaften werden auch hier im wesentlichen durch die gewählte Polymermatrix bestimmt.

Ein weiterer entscheidender Nachteil besteht darin, daß die Anpaßschicht im allgemeinen auf den Ultraschallwand­ ler aufzukleben ist. Die Kleberschicht zeigt ihrerseits eine nicht zu vernachlässigende Wirkung auf das Gesamtverhal­ ten des komplettierten akustischen Sensors. Kommt eine thermische Belastung (große sprungförmige Temperaturän­ derungen) auf den Ultraschallwandler hinzu, ist auch dessen Zerstörung oder das Ablösen des Verbundes zwischen An­ paßschicht und Piezokeramik möglich. Eine möglichst ex­ akte identische Gestaltung der Anpaßschicht und der Klebe­ schicht auf beiden Ultraschallwandlerseiten erweist sich ebenfalls als diffizil. Eine weitere Schallwandlerkonstruk­ tion mit Epoxydharz-Anpaßschicht ist in Ultrasonics, Vol. 25, March, 1987 beschrieben und besitzt ebenfalls die oben beschriebenen Nachteile.

Aus der Gebrauchsmusterbeschreibung DE 296 14 691 U1 ist ebenfalls die Verwendung einer aufgeklebten Teflonfolie zur Isolation eines Schallwandlers von Umgebungseinflüssen bekannt. Die Teflonfolie wird hierzu medienseitig auf der akustischen Anpassschicht, welche rückseitig mit dem Schallwandler verbunden ist, aufgeklebt. Nachteilig ist hierbei einerseits wiederum der mehrschichtige Aufbau, welcher komplizierte Schallausbreitungsverhältnisse verursacht, und andererseits der ungenügend feste (irreversible) Verbund zwischen der Teflon- und akustischen Anpassschicht, welcher insbesondere bei schnellen Temperatur­ änderungen nicht gegeben ist.

Die oben genannten Verfahren zur Herstellung der An­ paßschichten eignen sich auch nicht für Ultraschallwandler mit einer Resonanzfrequenz von einigen MHz, da die opti­ malen Schichtdicken (λ/4-Schicht) zum Beispiel für einen 2 MHz-Ultraschallwandler und einer Anpaßschicht aus Kunststoff (PTFE) im Bereich von weniger als 170 µm lie­ gen. Für vielfältige stoffliche Untersuchungen in Flüssigkei­ ten sind aber gerade die Frequenzbereiche von einigen MHz von besonderem Interesse, da in diesem Frequenzbereich auch die Schallabsorption dominanter bzw. meß- und aus­ wertbar wird (das gilt für eine Vielzahl von wäßrigen Stoff­ systemen). Wird die Anpaßschicht dicker gewählt (üblicher­ weise einem ungeraden Vielfachen eines Viertels der Wel­ lenlänge), macht sich andererseits die meist hohe Dämpfung des Materials der Anpaßschicht (Verbundwerkstoff; Glasku­ geln wirken dabei als Streuzentren) nachteilig bemerkbar.

Teflonschichten (PTFE) werden in der Akustik üblicher­ weise lediglich zur akustischen Entkopplung von schwin­ genden Konstruktionselementen benutzt. Die Verwendung dickerer Teflonschichten als Koppelschicht ist auf Grund der starken Dämpfung akustischer Signale und der nicht ge­ nügenden mechanischen Beständigkeit (Fließeigenschaften in mechanisch gespannten Zustand, z. B. in einer Vorrich­ tung) nicht sinnvoll. Der Einsatz von dünnen selbstkleben­ den Teflonfolien ist bekannt, liefert aber bezüglich der do­ minanten Klebstoffeigenschaften (Langzeitverhalten, ther­ misches Verhalten u. a.) nur unbefriedigende Ergebnisse. Teflonschichten selbst sind auf Grund der besonderen Ei­ genschaften nicht mit anderen Materialien verklebbar.

Eine andere Methode Schallwandler vom zu untersuchen­ den Medium in möglichst definierte Weise zu isolieren, be­ steht darin diese einseitig mit einer Goldschicht zu versehen. Diese Verfahrensweise ist zulässig, wenn der Schallwandler nur einseitigen Medienkontakt hat. Nachteilig ist dabei, daß wegen der sehr guten elektrischen Leitfähigkeit des Goldes zusätzlich Maßnahmen zur Isolation beider Elektroden auf der Piezokeramik notwendig sind (Kurzschluß, Kriech­ ströme). Weiterhin ist die akustische Impedanz von Gold mit 63,8.10⁶ Kg/m².s außerordentlich groß. Aus akusti­ scher Sicht ist die Verwendung einer Goldschicht nicht zu­ friedenstellend.

Die Antihaft-Teflonbeschichtung von passiven und wär­ mebeständigen Konstruktionselementen (Metallen, Kerami­ ken) ist ebenfalls seit einiger Zeit bekannt. Dieser Prozeß läuft bei relativ hohen Temperaturen von ca. 250°C bis 400°C ab. Die Anwendung dieses Beschichtungsverfahrens bei Piezokeramiken ist allerdings nicht bekannt und wegen der damit verbundenen Depolarisation der Piezokeramiken bei den hohen Temperaturen (Überschreitung der Curie- Temperatur der Piezokeramiken bei 150°C bis 350°C) auch nicht naheliegend. Die Beimengung von anorganischen Füllstoffen geschieht dabei heutzutage zur Erhöhung der Abriebfestigkeit der Schicht.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine technologisch ein­ fache und zuverlässige Methode und Vorrichtung zum Sen­ den und Empfangen von hochfrequenten akustischen Wel­ len in beliebigen Fluiden, welche einerseits ohne eine zu­ sätzliche Kleberschicht die akustische Anpassung zwischen dem piezoelektrischen Ultraschallwandler dem zu untersu­ chenden Fluid realisiert und andererseits gleichzeitig eine optimale Schallabstrahlung in das zu untersuchende Me­ dium, eine optimale Bedämpfung des Ultraschallwandlers bei genau symmetrischer Belastung und ohne die Resonanz­ frequenz des piezoelektrischen Ultraschallwandlers zu be­ einflussen sowie eine nahezu allseitige und sehr beständige chemische, mechanische, und elektrische Isolierung des Ul­ traschallwandlers vor äußeren Einflüssen bzw. zum Medium gewährleistet.

Wesen der Erfindung

Diese oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 5 gelöst, indem der Schallwandler mit einer Teflonschicht geringer Dicke (typi­ scherweise einem Viertel der Wellenlänge oder kleiner; ca. 30 . . . 200 µm) mittels eines Teflon-Spritz-Sinter-Beschich­ tungsverfahrens versehen wird.

Hierbei ist keine zusätzliche Kleberschicht mehr notwen­ dig. Den sicheren Verbund zwischen Teflonschicht und Pie­ zokeramik bzw. dessen Elektroden gewährleistet eine spezielle geringfügig beigemengte Haftvermittlersubstanz. Zur Einstellung der akustischen Impedanz der Anpaßschicht an den idealen Wert sowie zur Verbesserung der mechanischen Stabilität können dem Schichtmaterial anorganische Füll­ stoffe (z. B. Glimmerkristalle) definierter Menge zugefügt werden. Die Schutzschicht ist elektrisch sehr gut isolierend und als sehr beständig zu charakterisieren. Die Teflonschicht stellt einen ausreichenden Schutz vor chemischen (keine Reaktionsneigung, nahezu ideal medienbeständig und me­ dienverträglich) als auch mechanischen Einflüssen (Materi­ alabtrag, Belagsbildung) dar.

Gerade für stoffanalytische Untersuchungen (Konzentra­ tionsmessung) in Lebensmittelsuspensionen, in der Kultur­ brühe von Fermentationsprozessen sowie in der chemischen Industrie die eine hohe Neigung zur Belagsbildung aufwei­ sen, ist der Einsatz dieser Antihaftschicht von großem Vor­ teil. Damit ließen sich an der Sensoroberfläche haftende Luftbläschen, welche die Auswertung der Ultraschall-Emp­ fangssignale oft unmöglich machen, vermeiden.

Andererseits bietet diese Beschichtung eine vorteilhafte akustische Anpassung der akustischen Impedanzen von Pie­ zokeramik (27 . . . 35.10⁶ Kg/m².s) und zu untersuchen­ den flüssigem Medium (0,8 . . . 2,7.10⁶ Kg/m².s). Die akustische Impedanz des Teflon liegt bei ca. 3.10⁶ Kg/m².s und entspricht damit nahezu dem Ideal (. . . dem geometrischen Mittel zwischen Piezokeramiken und dem zu untersuchenden Fluid). Wird die Teflonschicht in einer Schichtdicke von ca. einem Viertel der Wellenlänge bzw. ei­ nem ungradzahlig Vielfachen von dessen Wellenlänge aus­ geführt, ergeben sich nahezu ideale Kopplungsverhältnisse (Transmissionseigenschaften) bei denen die Absorptionsei­ genschaften der Teflonschicht vernachlässigbar werden. Auf Grund der geringen notwendigen Schichtdicke wird das akustische Verhalten insbesondere die Lage der Grundreso­ nanzfrequenz (im Vergleich zu Gold o. a. Materialien) nur unwesentlich beeinflußt. Es ist sogar vorteilhaft, da mit Hilfe der konkreten Schichtdicke das akustische resultie­ rende Verhalten des Schallwandlers in einem sehr geringen Maße gezielt angepaßt werden kann. (Zum Beispiel zum Zwecke der akustischen Anpassung an einen weiteren Schallwandler in einer Paaranordnung.) Auf weitere Schich­ ten, wie Kleberschichten, rückwärtige Dämpfungsschich­ ten, Gehäuse u. ä., kann in diesem Falle verzichtet werden.

Die vollständige bzw. beidseitige Beschichtung der Pie­ zokeramik gestattet auch die beidseitige Abstrahlung na­ hezu identischer Schallsignale in beliebigen Flüssigkeiten. Auf eine rückwärtige bzw. zusätzliche Dämpfungsschicht kann in diesem Falle ebenfalls verzichtet werden und die er­ haltenen Signalformen sind in erheblichen Maße besser aus­ wertbar, da die mechanische Energie effizienter und in defi­ nierter Weise aus dem Schallwandler ausgekoppelt wird. Vollständig isolierte Vorrichtungen, wie in Anspruch 4 be­ schrieben, erlauben dabei den direkten Einsatz des Ultra­ schallsensors auch in elektrisch leitenden Flüssigkeiten.

Die Eigenschaften der mit einer Teflonschicht isolierten Piezokeramik ist hinsichtlich thermischer Beanspruchung erheblich verbessert. Die Eigentemperatur des Schallwand­ lers kann wesentlich schneller der Medientemperatur fol­ gen, da keine weiteren Konstruktionselemente das thermi­ sche Verhalten beeinflussen. Die thermische Einschwingzeit des Sensors verbessert sich damit deutlich. Sprungförmig auftretende Temperaturänderungen können wegen der ela­ stischen Eigenschaften der Teflonschicht nicht zur unmittel­ baren Zerstörung des Schallwandlers führen.

Die Aufbringung der Teflonschicht auf die hat meist eine Depolarisation der Piezokeramik zur Folge (Überschreitung der Curie-Temperatur). Nach dem Beschichtungsvorgang kann aber ohne Probleme eine Neupolarisation der Piezoke­ ramik ausgeführt werden. Voraussetzung dafür ist, daß auf der Oberfläche der Piezokeramik die elektrisch leitenden Elektroden zuvor aufgebracht worden und auch noch nach dem Beschichtungsvorgang teilweise zugänglich (elektrisch kontaktierbar) sind.

Interessant ist diese Methode der Isolierung und akusti­ schen Anpassung insbesondere für die Zukunft, da vielfach an der Entwicklung hochtemperaturbeständiger Schall­ wandler, z. B. auf der Basis von Wolframtitanat, Lithium­ niobat u. a. gearbeitet wird. Die Curie-Temperaturen derar­ tiger Piezokeramiken liegen weit über den Prozeßtempera­ turen des Teflon-Spritz-Sinter-Beschichtungsverfahrens. Das heißt, daß dieses Beschichtungsverfahren nachträglich genutzt werden könnte, ohne die Eigenschaften der Piezoke­ ramik zu beeinflussen oder diese neu zu polarisieren.

Ökonomische Relevanz der Erfindung

Die Konstruktion von akustischen Sensoren, insbeson­ dere für stoffanalytische Untersuchungen vereinfachen sich mittels Teflonschicht versiegelter Oberflächen deutlich. Die Zuverlässigkeit derartiger Sensoren wird mit der hervorra­ genden chemischen, mechanischen und thermischen Be­ ständigkeit von Teflonschichten kombiniert und somit we­ sentlich erhöht. Die Schutzfunktion des Teflon wird hier mit den hervorragenden Antihafteigenschaften derartiger Schichten sowie einer optimalen akustischen Anpassung vorteilhaft kombiniert.

Hierdurch wird insbesondere die Einsetzbarkeit von Ul­ traschallsensoren in biologischen aber auch in komplizierten chemischen Stoffsystemen möglich und somit werden neue Anwendungsfelder erschlossen, die für die Sensorik als auch für die Aktorik (das Einstrahlen von Leistungsschall in Flüssigkeiten) von großer Bedeutung sind.

Erstmals wird es dadurch möglich, Piezokeramiken ohne komplizierte Gehäuse (aufwendige Konstruktionen) in be­ liebigen (also auch in elektrisch leitfähigen) Medien einzu­ setzen. Die aus akustischer Sicht ausgesprochen schwierig zu realisierende Anpaßschicht (Ausrichtung, Planparalleli­ tät) und dessen Verbund mittels Kleberschicht wären über­ flüssig. Die Beschichtung des Schallwandlers mittels einer Teflonschicht ist insbesondere für die Realisierung von klei­ nen Labormeßgeräten mit miniaturisierten Schallwandler­ konstruktionen zukünftig von großer Bedeutung.

Der Schallenergieeintrag in die zu untersuchende Flüssig­ keit wird durch die akustische Anpassung optimal gewähr­ leistet.

Die Meßfehler bei der Erfassung akustischer Stoffkenn­ größen in Fluiden in Folge einer Temperaturänderung des Mediums lassen sich mit Hilfe dieses Schallwandleraufbaus verringern. Temperatureinflüsse insbesondere auch bei sprungförmiger Änderung führen nicht unmittelbar zu einer Zerstörung, wie beispielsweise bei starren mechanischen Konstruktionen (Die linearen Ausdehnungskoeffizienten von Piezokeramiken und Stahl können entgegengesetzt sein!). Derartige Sensoren könnten bei beidseitigen Medien­ kontakt auch unter hohen Drücken eingesetzt werden. Die Auswertung der akustischen Signale vereinfacht sich und die erreichbaren Meßunsicherheiten können reduziert wer­ den. Die Ansteuerung der Schallwandler vereinfacht sich ebenfalls, da in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vor­ richtung die mechanische Energie effizient ausgekoppelt wird.

Die Tatsache, daß bei einigen piezokeramischen Materia­ lien deren Curie-Temperatur unter bzw. im Bereich der Pro­ zeßtemperatur beim Spritz-Sinter-Beschichtungsverfahren liegen, eine Depolarisation auftritt, daß heißt die Piezokera­ miken ihre elektro-akustischen Eigenschaften verlieren, ist in so weit unproblematisch, da in diesem Fall die Elektroden teilweise zugänglich bleiben und so eine Neupolarisation der Piezokeramiken erfolgen kann. Uneingeschränkt sind dabei Piezokeramiken mit hoher Curie-Temperatur (Lithi­ umniobat, Wolframtitanat), welche derzeit vielerorts ent­ wickelt werden, nutzbar.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Senden und Empfangen von hochfrequenten akustischen Wellen in Flüssigkeiten und Flüssigkeitsgemischen, wie Suspensionen, Emulsionen, Dispersionen, insbesondere blasenbehafteten Flüssigkeiten, flüssige Medien mit Mikroorganismen oder die an Grenzflächen zur Belagsbildung neigen, mit einem scheiben-, quader-, zylinder- oder rohrförmigen, piezoelektrischen Ultraschallwandler, der frontseitig, rückseitig oder allseitig von einer Anpaßschicht eingeschlossen wird, welche den stofflichen Kontakt des Ultraschallwandlers zur zu untersuchenden Flüssigkeit bildet, wobei die Anpaßschicht durch eine Teflonschicht gleichmäßiger und geringer Dicke gebildet wird, welche in einem Spritz-Sinter-Verfahren ohne eine zusätzliche Kleberschicht auf den Ultraschallwandler aufgebracht wird und dessen akustische Impedanz durch die Beimengung von Glimmerkristallen oder anderen Füllstoffen auf die Impedanz des zu untersuchenden Mediums abgestimmt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Teflonschicht eine Dicke von einem Viertel bzw. einem Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des erzeugten oder empfangenen Schallsignals aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2 gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden des piezoelektrischen Ultraschallwandlers mit einem elektrischen Leiter, der gleichzeitig die Halterung bildet oder mit einer Halterung kombiniert wird, und mit einer elektrischen Schaltung verbunden sind, wobei der Kontakt zwischen den Elektroden und dem elektrischen Leiter vorzugsweise durch Klammern, Klemmen oder mittels eines tempera­ turbeständigen elektrisch leitenden Klebers bzw. einer Lötverbindung hergestellt wird, ganzheitlich mit einer Teflonschicht versehen ist und diese die vollständige Verkapselung des Ultraschallwandlers darstellt, um eine ungestörte Schallausbreitung in das zu untersuchende Medium zu gewährleisten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler nur front- bzw. einseitig mit einer Teflonschicht versehen wird, welche an die zu untersuchende Flüssigkeit angrenzt und rückseitig mit einem anderen Material bzw. Medium verbunden ist, welches beispielsweise die rückseitig abgestrahlte mechanische Energie aufnimmt bzw. absorbiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß zur gegebenenfalls notwendigen Neupolarisation des Ultraschallwandlers nach der Spritz-Sinter- Beschichtung die Kontaktflächen der Elektroden des Ultraschallwandlers, vorzugsweise nicht in den schallabstrahlenden Richtungen, freiliegend sind.