DE19742294A1 - Schallerzeuger und/oder Schallempfänger und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schallerzeuger und/oder Schallempfänger, vorzugsweise einen Ultraschallwandler, mit einem Gehäuse, das mit einer Schallankopplungsfläche verse­ hen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Schallerzeugers und/oder Schallempfängers.

Ultraschallwandler werden beispielsweise zur Durchfluß­ messung von Fluiden, insbesondere von Gasen, verwendet. Die Schallankopplungsfläche sorgt dafür, daß die vom Schaller­ zeuger erzeugte Schallwelle mit möglichst geringer Dämpfung in das Medium außerhalb des Gehäuses eintritt und daß auch der Empfang einer einlaufenden Schallwelle möglichst wenig bedämpft ist. Die Schallankopplungsfläche kann z. B. von einer Seitenfläche eines in dem Schallerzeuger angeordneten schwingungsfähigen Elementes gebildet werden. Genauso kann ein schwingungsfähiges Element derart in dem Gehäuse ange­ ordnet sein, daß eine Fläche des Gehäuses selbst als Schallankopplungsfläche dient. Auch kann die Schallankopp­ lungsfläche ein mit einem besonders schwingungsfähigen Mate­ rial gefülltes Schallfenster in dem Gehäuse sein.

Nachteilig bei den bekannten Schallerzeugern und/oder -empfängern ist, daß sie bei Einsatz in chemisch aggressiven Medien nur eine begrenzte Standzeit aufweisen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, einen Schallerzeuger und/oder -empfänger zur Verfü­ gung zu stellen, der, insbesondere beim Einsatz in aggressi­ ven Medien, eine höhere Standzeit aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem Schallerzeuger und/oder Schallempfänger der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Gehäuse vollständig mit einer durchgehenden und we­ nigstens im Bereich der Schallankopplungsfläche gleichmäßig dünnen Schutzschicht aus mindestens einem Parylene überzogen ist.

Verfahrensmäßig wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 7.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß die Schwingung des Schallerzeugers und/oder Schallempfängers durch die Schicht aus Parylene lediglich gering, in der Re­ gel vernachlässigbar, bedämpft wird. Die akustische Impedanz der Schutzschicht aus Parylene beträgt ca. 3,2 Mrayl, die Schallgeschwindigkeit 2100 m/sec und die Dämpfung ca. 3 dB/mm MHz. Aufgrund der guten akustischen Eigenschaften der Schutzschicht können alle existierenden Schallerzeuger und/oder Schallempfänger nachträglich mit Parylene überzogen werden, ohne daß das Schwingungsverhalten der in dem Gehäuse angeordneten schwingungsfähigen Elemente neu angepaßt werden muß.

Für die Vergütung insbesondere von Breitband-Ultra­ schallwandlern ist die Präzision der Schichtdicke, vorzugs­ weise im um-Bereich, von besonderer Bedeutung. Es wird da­ durch eine gleichbleibende und bei niederfrequenten Systemen sogar vernachlässigbare Bedämpfung des Schallerzeugers und/oder Empfängers erzielt.

Auch kann die durchgehende Schutzschicht selbst bei ge­ ringer Schichtdicke einfach und ohne besonderen technischen Aufwand realisiert werden, da Parylene gut spaltgängig ist. Die Kosten für die zusätzliche Schutzschicht sind gering.

Die durchgehende Schicht aus Parylene weist nur eine ge­ ringe Permeabilität für Gase und Feuchtigkeit auf und bildet einen porenfreien und gleichmäßigen Überzug. Folglich stellt sie eine wirksame Barriere für anorganische und organische Medien, insbesondere Wasser und Wasserdampf, aber auch für starke Säuren und Laugen, und einen effektiven Kor­ rosionsschutz dar. Darüber hinaus wirkt die Schutzschicht schmutzabweisend.

Zudem hat Parylene günstige, im wesentlichen tempera­ turunabhängige dielektrische Eigenschaften, insbesondere einen geringen dielektrischen Verlustfaktor. Sein hoher spe­ zifischer Oberflächen- und Volumenwiderstand sorgt für eine gute elektrische Isolierung des Schallerzeugers und/oder Schallempfängers. Außerdem weist die Schicht aus Parylene eine hohe Spannungsdurchschlagsfestigkeit auf. Schließlich erlaubt die Schicht aus Parylene Temperaturbelastungen bis zu 200°C.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht wenigstens im Bereich der Schallankopplungsfläche eine Dicke von 0,2 bis 200 µm, vorzugsweise von 30 bis 60 µm aufweist.

Es wurde gefunden, daß bereits oberhalb einer Schicht­ dicke von 0,2 µm die Schutzschicht aus Parylene poren- und pinholefrei auf das Gehäuse aufgebracht werden kann. Beson­ ders vorteilhaft ist es, das gesamte Gehäuse mit einer ent­ sprechend dünnen und gleichmäßigen Schutzschicht zu über­ ziehen. Bei dieser Dimensionierung kann eine ungünstige me­ chanische Belastung des Ultraschallwandlers so gut wie voll­ ständig ausgeschlossen werden. Außerdem sind die akustischen Transmissionseigenschaften des Schallerzeugers und/oder -empfängers bei dieser Ausführungsform besonders gut.

Vorteilhafterweise wird die Schutzschicht mit Hilfe eines Niedertemperatur-Vakuumbeschichtungsverfahrens herge­ stellt. Auf diese Weise wird der Schallerzeuger und/oder Schallempfänger während der Beschichtung keiner zusätzlichen thermischen Belastung ausgesetzt. Die Niedertemperatur-Vaku­ umbeschichtungsverfahren sind besonders für Ultraschallwand­ ler geeignet, da diese häufig Materialien und Verbindungs­ technologien enthalten, die nur bis zu Prozeßtemperaturen von 120°C temperaturbeständig sind.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse aus einem Epoxydverbundwerkstoff, vorzugsweise aus einem Luft/Epoxyd- oder einem Glashohlku­ gel/Epoxyd-Verbundwerkstoff besteht. Es hat sich gezeigt, daß derartige Gehäuse eine besonders gute Schallankopplung zwischen dem Schallerzeuger und/oder Schallempfänger und dem angrenzenden Medium ermöglichen. Zwar weisen die Epoxyd-Ver­ bundwerkstoffe eine nur geringe chemische Beständigkeit und ein nur geringes elektrisches Isolationsvermögen sowie nach ihrer mechanischen Bearbeitung in der Regel eine rauhe Ober­ fläche auf, jedoch können diese ungünstigen Eigenschaften durch die Schutzschicht aus Parylene wirksam kompensiert werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist da­ durch gekennzeichnet, daß das Gehäuse auf seiner Außenseite mit vorzugsweise festen Noppen versehen ist und daß die Schutzschicht die Noppen überdeckt. Die Noppen erlauben eine körperschallentkoppelte Aufhängung des Schallerzeugers und/oder Schallempfängers, z. B. in einem Meßgerät.

Eine sehr günstige akustische Entkopplung des Schaller­ zeugers und/oder Schallempfängers ergibt sich dadurch, daß die Noppen an einem Schallknoten des Gehäuses positioniert sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Aus­ führungsbeispiele im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch eine erste Aus­ führungsform;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt entsprechend Fig. 1 durch eine zweite Ausführungsform;

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in allen Figuren die Gehäuseeinbauten fortgelassen worden.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen USW (Ultraschallwandler) 1, der ein Gehäuse 2 aufweist. Aus dem Umfang des Gehäuses 2 sind drei Noppen 3 aus festem Material befestigt. Das Ge­ häuse 2 mit den Noppen 3 ist mit einer Schutzschicht 4 aus einem Parylene überzogen. Die aus Gründen der Übersichtlich­ keit in der Zeichnung unproportional dick dargestellte Schutzschicht 4 hat eine Schichtdicke von ca. 30 µm.

Die Noppen 3 sind in eine Nut 5 eingeklippt, die in der elastischen Wand einer Aufnahmeöffnung 6 ausgebildet ist.

Die auch über die Noppen 3 hinweg durchgehende Schutz­ schicht 4 schützt den Ultraschallwandler wirksam vor in die Aufnahmeöffnung 6 eintretenden Fluiden. Aufgrund der gleich­ mäßigen und dünnen Schichtdicke des Parylene auch an den Kanten wird der Ulraschallwandler dabei weder ungünstig me­ chanisch belastet noch seine akustische Wirksamkeit beein­ trächtigt.

Die Ausführungsform hat den zusätzlichen Vorteil, daß der USW allseitig mit dem Betriebsdruck des Meßfluids beauf­ schlagt wird, so daß keine Differenzdrücke auftreten können.

Die Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 unterscheidet von der nach den Fig. 1 und 2 dadurch, daß der Freiraum zwi­ schen der Wand der Aufnahmeöffnung 6 und dem mit der Paryle­ neschutzschicht 4 überzogenen USW mit verdrängendem Material 7 gefüllt ist. Dadurch wird verhindert, daß Wasser, andere Kondensate sowie feste oder flüssige Schmutzstoffe in diesen Raum eindringen und die Körperschallentkopplung unwirksam machen. Das verdrängende Material besteht aus dauer­ elastischem geschlossenporigem Polyurethanschaum und besitzt den Vorteil, daß es akustisch isolierend wirkt, aber den USW 1 nicht starr einspannt oder bedämpft.

Im Rahmen der Erfindung sind vielfältige Abwandlungsmög­ lichkeiten gegeben. Die Schichtdicke kann für den jeweiligen Anwendungsfall speziell angepaßt werden. Insbesondere kann die Schutzschicht auch mit variierender Schichtdicke auf dem Gehäuse aufgebracht werden. Wenn einzelne Seiten des Gehäu­ ses nicht mit dem Fluid in Kontakt stehen und insofern kei­ nes Schutzes bedürfen, kann die Schutzschicht aus Parylene selbstverständlich auch auf die verbleibenden Flächen des Gehäuses beschränkt werden. Ferner können die Noppen auch aus elastischem Material bestehen. Schließlich können an­ stelle der Noppen beliebige Befestigungsvorrichtungen mit dem Gehäuse verbunden werden und anschließend gemeinsam mit dem Gehäuse mit einem gleichmäßig dünnen und porenfreien Überzug aus einem Parylene versehen werden.

Claims (12)

1. Schallerzeuger und/oder Schallempfänger, vorzugsweise Ultraschallwandler, mit einem Gehäuse (2), das mit einer Schallankopplungsfläche versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse vollständig mit einer durchgehenden und wenigstens im Bereich der Schallankopplungsfläche gleichmä­ ßig dünnen Schutzschicht (4) aus mindestens einem Parylene überzogen ist.

2. Schallerzeuger und/oder Schallempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (4) wenig­ stens im Bereich der Schallankopplungsfläche eine Dicke von 0,2 bis 200 µm, vorzugsweise von 30 bis 60 µm aufweist.

3. Schallerzeuger und/oder Schallempfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (4) mit Hilfe eines Niedertemperatur-Vakuumbeschichtungsverfah­ rens hergestellt ist.

4. Schallerzeuger und/oder Schallempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge­ häuse (2) aus einem Epoxydverbundwerkstoff, vorzugsweise aus einem Luft/Epoxyd- oder einem Glashohlkugel/Epoxyd-Verbund­ werkstoff besteht.

5. Schallerzeuger und/oder Schallempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge­ häuse (2) auf seiner Außenseite mit vorzugsweise festen Noppen (3) versehen ist und daß die Schutzschicht (4) die Noppen überdeckt.

6. Schallerzeuger und/oder Schallempfänger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Noppen (3) an einem Schallknoten des Gehäuses (2) positioniert sind.

7. Verfahren zur Herstellung eines Schallerzeugers und/oder Schallempfängers, vorzugsweise eines Ultraschall­ wandlers, mit einem Gehäuse (2), das mit einer Schallankopp­ lungsfläche versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) vollständig mit einer durchgehenden und wenigstens im Bereich der Schallankopplungsfläche gleichmäßig dünnen Schutzschicht (4) aus mindestens einem Parylene überzogen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht wenigstens im Bereich der Schallan­ kopplungsfläche mit einer Dicke von 0,2 bis 200 µm, vorzugs­ weise von 30 bis 60 µm, aufgetragen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schutzschicht mit Hilfe eines Niedertempe­ ratur-Vakuumbeschichtungsverfahrens hergestellt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Gehäuse ein Epoxyd­ verbundwerkstoff, vorzugsweise ein Luft/Epoxyd- oder ein Glashohlkugel/Epoxyd-Verbundwerkstoff verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenseite des Gehäuses vorzugs­ weise feste Noppen befestigt werden, bevor das Gehäuse und die Noppen mit der Schutzschicht überzogen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Noppen an einem Schallknoten des Gehäuses positio­ niert werden.