DE19820208C2 - Piezoelektrischer Schwinger - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektri­ schen Schwinger, wie er als Ultraschallwandler zum Ein­ satz kommen kann.

Die Effekte der Ultraschallausbreitung, insbesondere die Schallgeschwindigkeit und die Schalldämpfung sind tempe­ raturabhängig. Weiterhin ist bei den sehr häufig in Ul­ traschallwandlern als Materialien zur elektromechanischen Energiekonversion eingesetzten Piezokeramiken eine deut­ liche Temperaturabhängigkeit der piezoelektrischen Kon­ stanten vorhanden. Dadurch ergibt sich bei piezokerami­ schen Ultraschallwandlern oder Schwingern ein tempera­ turabhängiges akustisches Übertragungsverhalten.

Bei akustischen Durchflußmeßgeräten und Füllstandsdetek­ toren, die unter Verwendung von Ultraschallwandlern ar­ beiten, ist daher in der Regel vor oder während des Be­ triebes eine Temperaturmessung erforderlich.

Im Stand der Technik wird die Temperatur hierbei in vie­ len Fällen durch einen externen Temperatursensor reali­ siert. Allerdings muß in einem solchen Fall der externe Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur direkt an der akustischen Meßstelle neben dem Ultraschallwandler an die Meßstelle geführt werden. Dies erfordert eine zusätz­ liche Verkabelung und verkompliziert die gesamte Anord­ nung.

Aus der DE-GM 92 09 977 ist ein Ultraschall-Wandler mit einer Membran und einem Piezoschwinger in einer Halterung bekannt, bei dem auf der Membran ein Temperaturfühler zur Temperaturerfassung vorgesehen ist. Der Temperaturfühler ist über gesonderte elektrische Leitungen mit einer Steu­ erschaltung verbunden, die eine Kompensation temperatur­ bedingter Laufzeitveränderungen der Ultraschallwellen durchführen kann. Auch in diesem Fall ist somit eine zu­ sätzliche Verkabelung für den Temperatursensor erforder­ lich, die die Messanordnung verkompliziert.

Die Druckschrift DD 300 585 A7 beschreibt ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Temperaturkompensation der Schwingungsamplitude eines piezoelektrischen Wand­ lerelementes. Bei diesem Verfahren wird die Kapazität des piezoelektrischen Wandlerelementes erfasst und als Maß für die Temperatur des Wandlerelementes herangezogen. Über eine Zusatzschaltung wird der das Wandlerelement an­ regende Wechselspannungsgenerator in der Amplitude derart angesteuert, dass die Schwingungsamplitude des piezoelek­ trischen Wandlerelementes temperaturunabhängig wird. Eine derartige Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass die Temperaturabhängigkeit der Kapazität eines piezoelek­ trischen Wandlers keine genaue Messung der Temperatur er­ möglicht. Weiterhin ist es in einem derartigen Fall er­ forderlich, jeweils durch Vorversuche die beim jeweiligen Wandlermaterial eingesetzte Kapazitäts-Temperatur- Kennlinie zu erfassen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ei­ nen piezoelektrischen Schwinger bereitzustellen, der auf einfache Weise eine genaue Erfassung der Temperatur di­ rekt an der akustischen Meßstelle ermöglicht.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des piezoelektrischen Schwingers nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausfüh­ rungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Erfindungsgemäß besteht der piezoelektrische Schwinger aus einem piezoelektrischen Substrat, vorzugsweise einer Piezokeramik, das auf einer ersten Oberfläche eine erste Elektrode und auf einer der ersten Oberfläche gegenüber­ liegenden zweiten Oberfläche eine zweite Elektrode auf­ weist. Die erste Elektrode bedeckt die erste Oberfläche des Schwingers nicht vollständig, so daß eine elektroden­ freie Randfläche vorhanden ist. Dies kann bei einem scheibenförmigen Substrat dadurch realisiert werden, daß der Durchmesser der vorzugsweise kreisförmigen Elektrode kleiner als der Durchmesser der kreisförmigen Substrat­ oberfläche gewählt wird. Dadurch ist der Durchmesser des verwendeten piezoelektrischen Substrates größer als die notwendige abstrahlende Fläche (Apertur) des piezoelek­ trischen Schwingers. Diese Apertur wird näherungsweise durch den Überlapp der beiden gegenüberliegenden Elektro­ den bestimmt.

Auf der elektrodenfreien Randfläche ist ein Bauelement mit temperaturabhängigem Verhalten angebracht bzw. inte­ griert. Ein Anschluß dieses Bauelementes ist mit zumin­ dest einer der beiden Elektroden leitend verbunden.

Durch diese Bauweise des piezoelektrischen Schwingers kann über das temperaturabhängige Bauelement die Tempera­ tur direkt an der akustischen Meßstelle erfaßt werden. Aufgrund der Integration des Bauelements auf die Oberflä­ che des piezoelektrischen Substrates wird eine unkompli­ zierte Temperaturerfassung gewährleistet. Durch Parallel­ schaltung oder Serienschaltung des Bauelementes zu dem durch die beiden Elektroden gebildeten Kondensator kann die Temperaturmessung direkt über die zweipolige Zulei­ tung für die Elektroden erfolgen. Eine zusätzliche Zulei­ tung für den Temperatursensor bzw. das temperaturabhängi­ ge Bauelement ist daher nicht erforderlich, so daß eine aufwendige Verkabelung vermieden wird.

Durch das Vorsehen von Verbindungspads, die durch die er­ ste und/oder zweite Elektrode auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrates gebildet werden, kann die Integration des temperaturabhängigen Bauelementes über eine einfache Verbindungstechnik realisiert werden (Ansprüche 3 und 4). Es ist keine zusätzliche Verdrahtung zwischen der oder den Elektroden und dem Bauelement er­ forderlich. Der erfindungsgemäße piezoelektrische Schwin­ ger kann daher mit geringem Aufwand hergestellt werden.

Die vorliegende Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen

Fig. 1 ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen piezokeramischen Schwinger vor dem An­ bringen des Bauelementes in Rückansicht (a), Vorderansicht (b) und Seitenansicht (c);

Fig. 2 die Rückansicht des Schwingers aus Fig. 1 mit integriertem Bauelement (hier: tempe­ raturabhängiger Widerstand);

Fig. 3 den Schwinger aus Fig. 2 in einem Gehäu­ se; und

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild der Verschaltung des Bauelementes mit dem durch die beiden Elektroden gebildeten Kondensator, als Parallelschaltung (a) oder Serienschal­ tung (b).

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen piezo­ keramischen Schwingers in Seiten-, Rück- und Vorderan­ sicht, bevor dieser mit einem temperaturabhängigen Bau­ element versehen wird. Bei der gezeigten Ausführungsform wird eine kreisrunde, scheibenförmige Piezokeramik als Substrat (1) eingesetzt. Auf der Rückseite der Keramik (siehe Fig. 1(a)) ist eine ebenfalls (bis auf die Ausläu­ fer (4, 5)) kreisrunde Elektrode (2) aufgebracht, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der piezoelektri­ schen Keramik ist.

Da die abstrahlende Fläche des Schwingers durch die Größe der Elektrode bestimmt ist, wird im vorliegenden Fall demnach eine Piezokeramik eingesetzt, deren Durchmesser größer ist als die für die vorgesehene Anwendung notwen­ dige abstrahlende Fläche (Apertur) des Schwingers.

Aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser der Piezokera­ mik und der rückwärtigen Elektrode steht auf der rücksei­ tigen Oberfläche der Keramik eine elektrodenfreie Rand­ fläche (3) zur Verfügung. Die rückwärtige Elektrode weist weiterhin zwei Ausläufer (4, 5) auf, die sich in die elektrodenfreie Randfläche hinein erstrecken. Diese Aus­ läufer bilden Verbindungspads für die spätere Kontaktie­ rung der Elektrode mit einer Zuführungsleitung (Ausläufer 4) und mit dem Bauelement mit temperaturabhängigem Ver­ halten (Ausläufer 5).

In der Frontansicht (b) der Fig. 1 ist zu erkennen, daß sich im vorliegenden Beispiel die Frontelektrode (6) über die gesamte vorderseitige Oberfläche der Piezokeramik er­ streckt. Diese Frontelektrode weist in diesem Beispiel ebenfalls zwei Ausläufer (7, 8) auf, die um den Rand der scheibenförmigen Piezokeramik herumgeführt werden, um auf der Rückseite zwei Verbindungspads (7, 8) im elektroden­ freien Randbereich (3) zu bilden. Diese beiden Verbin­ dungspads sind, wie bei der rückseitigen Elektrode (2), zur Kontaktierung der Frontelektrode mit einer Zufüh­ rungsleitung (Ausläufer 7) und mit dem Bauelement (Ausläufer 8) vorgesehen.

Eine Schnittansicht durch die Linie A-A' in Teilbild (a) zeigt Teilbild (c). Dort sind die piezoelektrische Kera­ mik (1), die rückwärtige Elektrode (2) und die Frontelek­ trode (6) mit dem um den Rand der Piezokeramik herum ge­ führten Ausläufer (8) zur Bildung eines Verbindungspads auf der gegenüberliegenden Oberfläche zu erkennen. In der Abbildung (c) der Fig. 1 sind der Übersichtlichkeit hal­ ber die Elektroden in einem Abstand zur Piezokeramik ein­ gezeichnet. Tatsächlich stehen sie jedoch in Kontakt mit der Piezokeramik.

Als Materialien für das piezokeramische Material kommen übliche Materialien wie Bleizirkontitanat (PZT) in Frage. Als Elektrodenmaterialien werden vorzugsweise Silber, Gold oder Nickel eingesetzt. Typische Abmessungen der Piezokeramik sind eine Dicke von 1 bis 4 mm bei einem Durchmesser von ca. 10-30 mm.

Fig. 2 zeigt die Ausführungsform der Fig. 1 mit inte­ griertem temperaturabhängigen Widerstand (9) und ange­ brachten Zuführungsleitungen (10) zu den Elektroden. Die Verschaltung des temperaturabhängigen Widerstandes mit dem durch die beiden Elektroden gebildeten Kondensator entspricht im vorliegenden Beispiel einer Parallelschal­ tung wie in Fig. 4(a) schematisch dargestellt. Die Zufüh­ rungsleitungen können beispielsweise an die Verbindungs­ pads (4, 7) angelötet werden.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung des piezokeramischen Schwingers wird die piezoelektrische Keramik in vorteil­ hafter Weise gleichzeitig als Platine eingesetzt. Durch die Verbindungspads, die durch die Elektroden selbst ge­ bildet werden, läßt sich eine sehr einfache Verbindungs­ technik mit einem geringen Aufwand an Verkabelung reali­ sieren.

Ein derartiger Schwinger kann beispielsweise zur externen Messung des Füllstands von Gasflaschen eingesetzt werden.

Der temperaturabhängige Widerstand kann beispielsweise ein PTC oder ein NTC sein. Auch eine andere Art von Tem­ peratursensor, der vorzugsweise in SMD-Bauweise ausge­ führt sein sollte, ist möglich.

In Fig. 3 ist ein in ein Gehäuse (11) mit einer Ankoppel­ schicht (12) eingebauter erfindungsgemäßer Schwinger mit integriertem temperaturabhängigem Widerstand (beispiels­ weise SMD-NTC (9)) in Seitenansicht dargestellt. Ebenso sind die Verbindungskabel (10) zu erkennen.

Fig. 4 zeigt die beiden Schaltungsvarianten bei Integra­ tion des Bauelements. Bei Verwirklichung der Parallel­ schaltung wie in Fig. 4a gezeigt (und in Fig. 2 reali­ siert) ist darauf zu achten, daß der elektrische Wider­ stand des Bauelementes (hier temperaturabhängiger Wider­ stand) das hochfrequente Ultraschallnutzsignal zur An­ steuerung der Elektroden nur geringfügig bedämpft. Hier­ bei sollte beispielsweise ein hochohmiger NTC in Verbin­ dung mit einer niederohmigen Keramik eingesetzt werden. Beispielsweise kommt bei Verwirklichung eines 1,5 MHz- Schwingers, der eine Impedanz von ca. 50 Ω (vorzugsweise das Minimum der Impedanz bei dieser Frequenz) aufweist, der Einsatz eines NTC mit einem Widerstand von mindestens 10 bis 20 kΩ in Betracht.

Bei Verwirklichung einer Serienschaltung wie in Fig. 4b gezeigt, sollte ein niederohmiger PTC in Serienschaltung mit einer hochohmigen Piezokeramik eingesetzt werden.

Durch die dargestellte Parallelschaltung bzw. Serien­ schaltung ist es möglich, die Temperaturinformation mit ihrem niederfrequenten Signalverhalten über die gleiche zweipolige Zuleitung (10) zu übertragen, die auch für die hochfrequente Ultraschallinformation verwendet wird. Das Vorsehen weiterer Zuleitungen ist daher nicht notwendig. Gerade durch diese vereinfachte Anordnung kann der Aufbau beim Einsatz des Schwingers deutlich vereinfacht werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Elektroden in Verbin­ dung mit dem Vorsehen einer Piezokeramik, deren Durchmes­ ser größer als die notwendige abstrahlende Fläche ist, bietet die Möglichkeit einer sehr einfachen Verbindungs­ technik des Bauelementes mit den Elektroden über inte­ grierte Verbindungspads.

Es versteht sich von selbst, daß die Form und die genauen Abmessungen der Piezokeramik und der Elektroden von den jeweiligen Anwendungsfällen abhängen und durch die Lehre der vorliegenden Erfindung in keinster Weise einge­ schränkt sind. Ebenso können statt temperaturabhängiger Widerstände andere integrierbare Bauelemente zur Erfas­ sung der Temperatur eingesetzt werden.

Claims (9)

1. Piezoelektrischer Schwinger mit einem Substrat (1) aus piezoelektrischem Material, das auf einer ersten Oberfläche eine erste Elektrode (2) und auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberflä­ che eine zweite Elektrode (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der ersten Oberfläche eine elektrodenfreie Randfläche (3) vorhanden ist, auf der ein Bauelement (9) mit temperaturabhängigem Verhalten angebracht ist, das über einen Anschluß mit zumindest einer der Elektroden (2, 6) leitend verbunden ist.

2. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus piezoelek­ trischem Material eine Piezokeramik ist.

3. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (2) eine Form mit einem Ausläufer (5) hat, der auf der ersten Oberfläche ein Verbindungspad bildet, über das der Anschluß des Bauelements (9) mit der ersten Elek­ trode (2) leitend verbunden ist.

4. Piezoelektrischer Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elek­ trode (6) eine Form mit einem Ausläufer (8) hat, der um den Rand des Substrates (1) herumgeführt ist und auf der ersten Oberfläche ein Verbindungspad bildet, über das der oder ein weiterer Anschluß des Bauele­ ments (9) mit der zweiten Elektrode (6) leitend ver­ bunden ist.

5. Piezoelektrischer Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die beiden Elektroden (2, 6) gebildete Kondensator in Reihe mit dem Bauelement (9) geschaltet ist, und das Bauelement im Vergleich zum Substrat einen niedrigen Widerstand aufweist.

6. Piezoelektrischer Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die beiden Elektroden (2, 6) gebildete Kondensator paral­ lel zum Bauelement (9) geschaltet ist, und das Bau­ element im Vergleich zum Substrat einen hohen Wider­ stand aufweist.

7. Piezoelektrischer Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (9) ein PTC-Widerstand ist.

8. Piezoelektrischer Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (9) ein NTC-Widerstand ist.

9. Piezoelektrischer Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (9) in SMD-Bauweise ausgeführt ist.