DE3146949A1

DE3146949A1 - Ultrasonic transducer

Info

Publication number: DE3146949A1
Application number: DE19813146949
Authority: DE
Inventors: Ingmar Dr. 8520 Erlangen Feigt; Bernd Dr. 8500 Nürnberg Granz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-11-26
Filing date: 1981-11-26
Publication date: 1983-06-01
Also published as: DE3146949C2

Abstract

The ultrasonic transducer serves as a hydrophone, and contains a flat piezoelectric base body (2) made from a PVDF film. According to the invention, the base body (2) is arranged on a mechanical carrier (12) which has, at least approximately, the same acoustic impedance as the transmitting medium (4). This results in a broadband ultrasonic receiver which is relatively easy to produce. <IMAGE>

Description

UltraschallwandlerUltrasonic transducer

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler zur Aufnahme von Ultraschallwellen in einem flüssigen Ubertragungsmedium mit einem flachen piezoelektrischen Grundkörper aus Polyvinylidenfluorid PVDF, der auf seinen Flachseiten mit Elektroden versehen ist, von denen eine als Punktkontakt gestaltet ist und die aktive Fläche des Empfängers bestimmt. Derartige Ultraschallwandler sind bekannt unter der Bezeichnung Hydrophon.The invention relates to an ultrasonic transducer for recording of ultrasonic waves in a liquid transmission medium with a flat piezoelectric Base body made of polyvinylidene fluoride PVDF, with electrodes on its flat sides is provided, one of which is designed as a point contact and the active surface of the recipient. Such ultrasonic transducers are known under the name Hydrophone.

Damit ein Ultraschallwellenfeld originalgetreu abgebildet wird, darf das Hydrophon die Schallwellen nicht stören. Ferner muß die Eigenresonanzfrequenz des Hydrophons höher liegen als die geforderte Bandbreite.So that an ultrasonic wave field is reproduced true to the original, may the hydrophone does not interfere with the sound waves. Furthermore, the natural resonance frequency of the hydrophone are higher than the required bandwidth.

Bei einer Bandbreite von beispielsweise etwa 10 NHz bedeutet dies eine Ausdehnung des piezoelektrischen Grundkörpers in Schallausbreitungsrichtung von höchstens etwa 100 /um.With a bandwidth of, for example, approximately 10 NHz, this means an expansion of the piezoelectric base body in the direction of sound propagation of at most about 100 µm.

Ein bekanntes Hydrophon, das zur Verwendung in Wasser als Ubertragungsmedium vorgesehen ist, enthält als piezoelektrischen Grundkörper eine Folie mit einer Dicke von etwa 25 /um, die an ihrem Rand in einen Rahmen eingespannt ist. Die Folie ist an ihren Flachseiten mit Elektroden versehen, von denen eine als Punktkontakt mit einer Ausdehnung von etwa 0,5- mm2 gestaltet ist und die aktive Fläche des Empfängers bestimmt. Die Gegenelektrode dient zugleich zur A-bschirmung. Das Gerät ist verhältnismäBig kompliziert und empfindlich gegen mechanische Beschädigungen (J. Accoust. Soc. Am. 69 (3), März 1981, Seiten 853 bis 859).A well-known hydrophone for use in water as a transmission medium is provided, contains a film with a thickness as the piezoelectric base body of about 25 / um, which is clamped at its edge in a frame. The slide is provided with electrodes on their flat sides, one of which is a point contact with an extension of about 0.5 mm2 and the active area of the receiver certainly. The counter electrode also serves as a shield. The device is proportionate complicated and sensitive to mechanical damage (J. Accoust. Soc. Am. 69 (3), March 1981, pages 853 to 859).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen als Hydrophon verwendbaren Ultraschallwandler anzugeben, der verhältnismäßig einfach herstellbar ist, leicht zu handhaben ist und unempfindlich ist gegen mechanische Beschädigungen.The invention has for its object to be used as a hydrophone Specify ultrasonic transducer that is relatively simple to manufacture, easy can be handled and is insensitive to mechanical damage.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Der Träger hat wenigstens annähernd die gleiche Schallimpedanz wie das Übertragungsmedium. Er bildet mit der als Grundkörper dienenden PVDF-Folie eine mechanisch stabile, im Betrieb leicht zu handhabende und dennoch flexible Baueinheit.This object is achieved according to the invention with the characterizing Features of claim 1. The carrier has at least approximately the same sound impedance like the transmission medium. It forms with the PVDF film serving as the base body a mechanically stable unit that is easy to handle in operation and yet flexible.

In Verbindung mit Wasser als Ubertragungsmedium kann der Träger vorzugsweise aus vulkanisierbarem, ungesättigtem Xthylen-Propylen-Kautschuk beStehen, der Diene enthält und bekannt ist unter der Bezeichnung EPDM-Gummi. Dieser Träger hat mit 1,5.106 kg/m2s näherungsweise die gleiche Schallimpedanz wie das Ubertragungsmedium Wasser und stört das zu messende Ultraschallwellenfeld somit nicht.In conjunction with water as the transmission medium, the carrier can preferably consist of vulcanizable, unsaturated ethylene-propylene rubber, the diene contains and is known as EPDM rubber. This carrier has with 1.5.106 kg / m2s approximately the same sound impedance as the transmission medium Water and thus does not interfere with the ultrasonic wave field to be measured.

Der Träger ist wesentlich dicker als der Grundkörper und wirkt zugleich als Dämpfungskörper, der die Ultraschallwellen vollständig absorbiert.The carrier is much thicker than the main body and acts at the same time as a damping body that completely absorbs the ultrasonic waves.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausftihrungsbeispiel eines Ultraschallwandlers zur Aufnahme von Ultraschallwellen nach der Erfindung schematisEh veranschaulicht ist.To further explain the invention, reference is made to the drawing taken, in which an exemplary embodiment of an ultrasonic transducer for inclusion of ultrasonic waves according to the invention is schematically illustrated.

In der dargestellten Ausführungsform eines Ultraschallwandlers als Hydrophon ist ein Grundkdrper 2 in der Form einer Folie aus piezoelektrischem Material, insbesondere Polyvinylidenfluorid PVDF, mit einer Dicke d von höchstens etwa 100 /um, vorzugsweise etwa 30 /um, vorgesehen. Dieser Grundkörper 2 ist an seiner vorderen Flachseite, die einem Ubertragungsmedium 4, beispielsweise Wasser, zugewandt ist, mit einer Metallisierung versehen, die als Elektrode 6 dient. Auf der gegenüberliegenden Flachseite ist der Grundkörper 2 mit einer Elektrode versehen, die als Punktkontakt 8 mit einer Flächenausdehnung von vorzugsweise höchstens 1 mm2, insbesondere etwa 0,5 mm2, gestaltet ist und die aktive Fläche des Empfängers 10 bildet, welcher in der Figur gestrichelt angedeutet ist. Der Punktkontakt 8 kann beispielsweise aus aufgedampftem Chrom/Silber mit einer Schichtdicke von wesentlich weniger als 1 /um bestehen und ist mit einem vorzugsweise ebenfalls aufgedampftem elektrischen Anschlußleiter 9 versehen. Der Grundkörper 2 ist an einem Träger 12 mit einer Dicke D von beispielsweise etwa 2 cm befestigt, beispielsweise mittels eines Klebers 14. Der Träger 12 hat wenigstens annähernd die gleiche Schallimpedanz wie das Ubertragungsmedium 4 und kann vorzugsweise aus EPDM-Gummi bestehen. Der Grundkörper 2 ist von einer Einfassung 16 umgeben, deren einander gegenüberliegende, vorzugsweise metallisierte Flachseiten mit den Elektroden 6 und 8 des Grundkörpers 2 elektrisch leitend verbunden sind und die mit elektrischen Anschlußleitern 18 bzw. 19 eines Koaxialkabels 20 verbunden sind, das zur Signalübertragung vorgesehen ist. Zur Stromübertragung vom Grundkörper 2 zur Einfassung 16 können besondere Uberbrückungsleiter 22 und 23 vorgesehen sein, die beispielsweise aus Golddrähten bestehen können. In der dargestellten Ausführungsform liegt die Elektrode 6 über die Leiter 18 und 22 auf Nullpotential und dient damit zugleich als Abschirmung. Eine Schutzschicht ist in der Figur mit 24 bezeichnet.In the illustrated embodiment of an ultrasonic transducer as The hydrophone is a basic body 2 in the form of a sheet of piezoelectric material, in particular polyvinylidene fluoride PVDF, with a thickness d of at most about 100 / µm, preferably about 30 / µm. This base body 2 is at its front Flat side, which is a transmission medium 4, for example water, facing, with a Provided metallization, which serves as an electrode 6. On the opposite flat side the base body 2 is provided with an electrode, which as a point contact 8 with a Surface extension of preferably at most 1 mm 2, in particular about 0.5 mm 2, designed and forms the active surface of the receiver 10, which is shown in dashed lines in the figure is indicated. The point contact 8 can, for example, be made of vapor-deposited chrome / silver with a layer thickness of substantially less than 1 / um and is with a preferably also provided with vapor-deposited electrical connection conductor 9. Of the The base body 2 is on a carrier 12 with a thickness D of approximately 2, for example cm attached, for example by means of an adhesive 14. The carrier 12 has at least approximately the same sound impedance as the transmission medium 4 and can preferably consist of EPDM rubber. The base body 2 is surrounded by an enclosure 16, their opposing, preferably metallized flat sides with the Electrodes 6 and 8 of the base body 2 are electrically conductively connected and the are connected to electrical connection conductors 18 and 19 of a coaxial cable 20, which is intended for signal transmission. For power transmission from the main body 2 special bridging conductors 22 and 23 can be provided for the enclosure 16, which can consist of gold wires, for example. In the illustrated embodiment the electrode 6 is at zero potential via the conductors 18 and 22 and thus serves at the same time as a shield. A protective layer is denoted by 24 in the figure.

Ist als Trägermedium 4 beispielsweise Wasser mit einer 6 2 Impedanz von 1,510 kg/m2s vorgesehen und besteht der Träger 12 beispielsweise aus EPDM-Gunmi mit einer Impedanz von ebenfalls 1,5.106 kg/m2s, so tritt lediglich am Ubergang zur PVDF-Folie des Grundkörpers 2 mit einer Impedanz von 3,5.106 kg/m2s ein geringer Impedanzsprung auf. Mit einer Dicke d der PVDF-Folie von beispielsweise 30 /um beträgt die Durchlässigkeit bei einer Frequenz von beispielsweise 2 MHz etwa 97 96 und bei einer Frequenz von beispielsweise 10 MHz etwa 63 %. Bei einer Frequenz von 2 MHz beträgt die Wellenlänge etwa 1 mm und bei einer Frequenz von 10 MHz ergibt sich eine Wellenlänge von 0,2 mm. Mit einer Foliendicke des Grundkörpers 2 von beispielsweise 30 /ui ist somit die Welle wesentlich länger als die Dicke d des Grundkörpers und die durchlaufende Welle wird somit originalgetreu als elektrisches Signal wiedergegeben. Eine Störung der Welle durch den Träger 12 tritt nicht auf.If the carrier medium 4 is, for example, water with a 6 2 impedance of 1.510 kg / m2s provided and the carrier 12 consists for example of EPDM-Gunmi with an impedance of also 1.5.106 kg / m2s, only occurs at the transition to the PVDF film of the base body 2 with an impedance of 3.5.106 kg / m2s a lower Impedance jump on. With a thickness d of the PVDF film of, for example, 30 μm the transmittance at a frequency of 2 MHz, for example, is about 97 96 and at a frequency of 10 MHz, for example, about 63%. At a frequency of 2 MHz the wavelength is about 1 mm and a frequency of 10 MHz results a wavelength of 0.2 mm. With a film thickness of the base body 2 of, for example 30 / ui, the shaft is therefore much longer than the thickness d of the base body and the passing wave is thus reproduced true to the original as an electrical signal. The shaft is not disturbed by the carrier 12.

Dieser piezoelektrische Ultraschallwandler kann wegen der Flexibilität der wesentlichen Einzelelemente der 3ueinheit, nkmlich des Grundkörpers 2, des Trägers 12 sowie der Einfassung 16, in nahezu beliebiger sphärischer Form hergestellt werden. Durch Herausätzen aus der Metallisierung der Rückseite des Grundkörpers 2 können einzelne Piezoelemente Jeder Form und Größe leicht hergestellt werden. Die Breitbandigkelt ist bereits durch die Eigenschaften der Folie selbst sichergestellt. Mit der dünnen Folie des Grundkörpers 2 liegt man mit einer Dickenresonanz von etwa 30 MHz und einem erwarteten Empfindlichkeitsminimum bei etwa 60 MHz verhältnismäßig weit oberhalb der erwarteten Bandbreite von etwa 10 MHz.This piezoelectric ultrasonic transducer can because of its flexibility the essential individual elements of the 3uunit, namely the base body 2, the carrier 12 and the enclosure 16, can be produced in almost any spherical shape. By etching out of the metallization of the back of the base body 2 can Individual piezo elements of any shape and size can be easily manufactured. The broadband is already ensured by the properties of the film itself. With the thin The film of the base body 2 is located with a thickness resonance of about 30 MHz and an expected minimum sensitivity at about 60 MHz relatively far above the expected bandwidth of around 10 MHz.

Im Ausführungsbeispiel ist in Verbindung mit Wasser als Ubertragungsmedium rein Träger 12 aus EPDM-Gummi angenommen. In Verbindung mit einem anderen Ubertragungsmedium, beispielsweise ol, wird auch das Material des Trägers entsprechend gewählt.In the exemplary embodiment, in connection with water as the transmission medium pure support 12 made of EPDM rubber is assumed. In connection with another transmission medium, for example ol, the material of the carrier is also selected accordingly.

Die im Ausführungsbeispiel dargestellten Anschlußleiter 18 und 19 können auch direkt zu einem in der Figur nicht dargestellten Vorverstärker führen.The connecting conductors 18 and 19 shown in the exemplary embodiment can also lead directly to a preamplifier not shown in the figure.

1 Patentanspruch 1 Figur1 claim 1 figure

Claims

Ultrasonic transducer for receiving ultrasonic waves in a liquid transmission medium (4) with a flat piezoelectric base body (2) made of polyvinylidene fluoride PVDF, which has electrodes (6, 8) is provided, one of which is designed as a point contact (8) and the active one Area of the receiver (10) determines that that the base body (2) is arranged on a mechanical carrier (12) which at least has approximately the same acoustic impedance as the transmission medium (4).