DE3808017A1 - Piezokeramischer ultraschallwandler und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezokeramischen Ultra­ schallwandler und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

In der medizinischen Ultraschalldiagnostik und in der zerstö­ rungsfreien Werkstoffprüfung werden piezoelektrische Ultra­ schallwandler verwendet. Der Aufbau derartiger Ultraschall­ wandler ist beispielsweise aus "J. Krautkrämer, H. Krautkrämer, Ultrasonic Testing of Materials, 3. Auflage 1983, Springer Verlag, Seiten 219-235" bekannt. Die Ultraschallwandler ent­ halten beispielsweise scheiben- oder stäbchenförmige Piezo­ körper, die an ihren Flachseiten mit Elektroden versehen sind. Für Anwendungsfälle, bei denen eine hohe Bandbreite des Frequenzganges des Ultraschallwandlers erforderlich ist, ist außerdem ein Dämpfungskörper vorgesehen, auf dem der Piezo­ körper mit seiner Rückseite aufliegt. Mehrere solcher Piezo­ körper können beispielsweise auch nebeneinander auf einem ge­ meinsamen Substrat als sogenanntes Wandler-Array angeordnet werden.

Es sind auch Ultraschallwandler bekannt, bei denen der Piezo­ körper die Gestalt eines Ringes oder eines hohlen Zylinders hat. In "R. Millner, Ultraschalltechnik - Grundlagen und An­ wendungen, 1987, Physik-Verlag, Seiten 127-129" ist bei­ spielsweise eine Meßsonde offenbart, die zur Messung der drei­ dimensionalen Verteilung der Schalldruckamplitude eines von einem Schallwandler erzeugten Ultraschallfeldes geeignet ist, und bei der als Piezokörper ein piezokeramischer Hohlzylin­ der verwendet wird. Der piezokeramische Hohlzylinder ist an seiner inneren und äußeren Mantelfläche jeweils mit einer Elektrode versehen und über eine Dämpfungsschicht koaxial auf einem stabförmigen Träger aufgesteckt. Dieser Träger ist in einer Wandlerhalterung aus Metall befestigt. Der piezokera­ mische Hohlzylinder ist außerdem zur Verbesserung der aku­ stischen Ankoppelung an Wasser von einer schalldurchlässigen Gummischicht umgeben.

Mit diesem bekannten Aufbau läßt sich jedoch eine Miniaturi­ sierung der Sonde bis in den Submillimeter-Bereich nicht realisieren.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen piezo­ keramischen Ultraschallwandler anzugeben, der sich insbeson­ dere zur Miniaturisierung eignet und dessen Richtungscharak­ teristik in einer vorgegebenen Ebene sowohl für den Sende- als auch für den Empfangsfall weitgehend winkelunabhängig ist. Außerdem soll ein Ultraschallwandler angegeben werden, der sich bei geringem Fertigungsaufwand insbesondere für den Aufbau von Wandleranordnungen eignet, die aus mehreren einzelnen Ultra­ schallwandlern zusammengesetzt sind. Außerdem soll ein Ver­ fahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Ultraschallwand­ lers angegeben werden.

Die genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß jeweils gelöst mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 12. Da die piezokera­ mische Schicht ohne Zwischenschichten auf dem metallischen Draht angeordnet ist, kann dieser zugleich als Innenelektrode verwendet werden. Da sowohl die Dicke des Drahtes als auch die Schichtdicke der piezokeramischen Schicht sehr klein gewählt werden können, ist der Aufbau eines Ultraschallwandlers möglich, dessen Querausdehnung radial zur Drahtachse sehr viel kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Ultraschalls ist.

Die Ausdehnung des aktivierten Bereiches des Ultraschallwand­ lers in Längsrichtung des Drahtes kann dabei sowohl durch die Ausdehnung der Außenelektrode als auch durch die Ausdehnung des piezoelektrisch aktivierten Bereiches der piezokeramischen Schicht den gewünschten Erfordernissen angepaßt werden. Da die Schichtdicke der piezokeramischen Schicht im Bereich der Außen­ elektrode wenigstens annähernd konstant ist, wird insbesondere bei Verwendung eines zylindrischen Drahtes eine Richtungs­ charakteristik des Ultraschallwandlers ermöglicht, die in einer senkrecht zur Längsrichtung des Drahtes liegenden Ebene weit­ gehend winkelunabhängig ist.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers ergeben sich gemäß den Unteransprüchen 2 bis 5.

Die erfindungsgemäßen piezokeramischen Ultraschallwandler eignen sich insbesondere zum Aufbau von Ultraschallwandler- Vorrichtungen entsprechend der Ansprüche 6 bis 9, die durch ihren miniaturisierbaren piezoelektrisch aktiven Empfangsbe­ reich und ihrem geringen Störeinfluß auf ein zu messendes Schallfeld insbesondere als Meßsonden oder Hydrophone geeignet sind.

Mit den erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern lassen sich auch besonders einfach Anordnungen realisieren, bei denen mehrere solcher Ultraschallwandler auf einem gemeinsamen Substrat ange­ ordnet sind. Da der Durchmesser der einzelnen Ultraschallwand­ ler bei nahezu beliebiger Länge sehr klein gewählt werden kann, lassen sich neben ebenen Arrays auch Arrays auf Substraten mit komplizierterer, beispielsweise gekrümmter Oberfläche ohne hohen Aufwand gestalten.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 ein Ultraschallwandler gemäß der Erfindung veranschau­ licht ist.

Fig. 2, 3, 4 und 5 zeigen besonders vorteilhafte Ausgestal­ tungen des piezokeramischen Ultraschallwandlers jeweils im Schnitt. In

Fig. 6 und 7 ist eine Ultraschallwandler-Vorrichtung jeweils im Schnitt veranschaulicht, bei der ein erfindungsge­ mäßer piezokeramischer Ultraschallwandler freitragend in einer Haltevorrichtung befestigt ist. In

Fig. 8 ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer Ultraschallwandler-Vorrichtung dargestellt, bei der der piezokeramische Ultraschallwandler in einem Hohl­ zylinder angeordnet ist.

Fig. 9 und 10 zeigen weitere Ultraschallwandler-Vorrich­ tungen, bei denen der Ultraschallwandler auf einem Sub­ strat angeordnet ist und in

Fig. 11 und 12 sind mit Hilfe des erfindungsgemäßen Ultra­ schallwandlers aufgebaute Wandler-Arrays schematisch veranschaulicht.

Gemäß Fig. 1 enthält ein piezokeramischer Ultraschallwandler 1 einen metallischen Draht 2, der auf mindestens einem Teil seiner Länge mit einer piezoelektrischen Schicht 4 versehen ist. Die piezokeramische Schicht 4 ist in einem Bereich 41 radial polarisiert und piezoelektrisch aktiv. Dieser piezo­ elektrisch aktive Bereich 41 kann kleiner sein als der gesamte Volumenbereich der piezokeramischen Schicht 4. Auf dem Außen­ mantel 42 dieses Bereiches 41 ist eine Außenelektrode 6 ange­ ordnet, die mit einem Anschlußleiter 61 elektrisch kontaktiert ist. Die Dicke d der piezokeramischen Schicht 4 ist wenigstens im Volumenbereich, der sich zwischen der Außenelektrode 6 und dem Draht 2 befindet, annähernd konstant. Die Enden oder wenig­ stens die Stirnflächen des Drahtes 2 sind frei und nicht mit einer piezokeramischen Schicht versehen. Die piezokeramische Schicht 4 berührt direkt die Oberfläche des Drahtes 2, so daß dieser zugleich als Innenelektrode verwendet werden kann. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein zylindrischer Draht 2 vorzugsweise aus Wolfram W mit einem Durchmesser von bei­ spielsweise 100 µm vorgesehen. Die piezokeramische Schicht 4 besteht beispielsweise aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT und hat in einer bevorzugten Ausführungsform eine Dicke von etwa 200 µm. Die Herstellung der Schicht kann beispielsweise durch ein Zieh­ verfahren erfolgen, bei dem der metallische Draht 2 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit durch eine wäßrige Suspension, die die Piezokeramik enthält, gezogen wird. Bei einer Ziehge­ schwindigkeit von beispielsweise 250 mm/min ergibt sich bei einem 0,3 mm dicken Wolframdraht pro Ziehvorgang eine Schicht­ dicke von etwa 20 µm. Die gewünschte Schichtdicke d der Schicht 4 kann auch durch mehrere zeitlich nacheinander erfolgende Ziehvorgänge eingestellt werden.

In Fig. 2 ist ein zylindersymmetrischer Ultraschallwandler 1 in einem Querschnitt dargestellt. Durch den Pfeil wird die Polarisation in Dickenrichtung der piezokeramischen Schicht 4 veranschaulicht. Die im Falle einer zylindersymmetrischen Kon­ figuration radiale Polarisation wird beispielsweise durch An­ legen einer Hochspannung zwischen dem Draht 2 und einer am Außenmantel der Schicht 4 aufgebrachten Elektroden erzeugt. Diese Elektrode kann durch eine dünne metallische Schicht gebildet werden, die nach erfolgter Polarisation entweder vollständig oder auf das gewünschte Maß der Außenelektrode abgetragen werden kann. Die geometrische Gestalt des piezo­ elektrisch aktiven Bereiches 41 wird durch die Gestalt der zur Polarisation verwendeten Elektrode bestimmt.

Entsprechend Fig. 3 kann dann der piezoelektrisch aktive Be­ reich 41 beispielsweise auch einen kreissegmentförmigen Quer­ schnitt haben. Auch die Elektrode 6 muß sich nicht über den gesamten Umfang der piezoelektrischen Schicht 4 erstrecken.

In der vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Fig. 4 ist die piezo­ elektrische Schicht 4 mit einer in Längsrichtung des Drahtes 2 verlaufenden Nut 43 versehen, die sich bis zum Draht 2 er­ streckt. Der Draht 2 ist also nur auf einem Teil seines Umfan­ ges mit einer piezokeramischen Schicht 4 versehen.

Die Nut 43 kann beispielsweise mit einem schwingungsdämpfenden Material 8 gefüllt werden. Durch diese Maßnahme werden die neben den radialen Dickenschwingungen auftretenden Ringschwin­ gungsmoden unterdrückt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist die piezokeramische Schicht 4 mit einer zusätzlichen Anpassungs­ schicht 7 versehen, die wenigstens auf dem mit der Außenelek­ trode 6 versehenen Oberflächenbereich der Schicht 4 angeordnet ist, so daß die äußere Oberfläche der Außenelektrode 6 bedeckt ist. Diese Anpassungsschicht 7 ist dabei so ausgewählt, daß ihre akustische Impedanz zwischen der des den Ultraschallwand­ ler 1 umgebenden Mediums und der akustischen Impedanz der piezokeramischen Schicht 4 liegt.

Gemäß Fig. 6 ist der Ultraschallwandler 1 mit den Enden seines Drahtes 2 freitragend in einer Haltevorrichtung 10 befestigt. Eine Ultraschallwandler-Vorrichtung mit diesen Gestaltungsmerk­ malen ist insbesondere als Piezodrucksonde zum Messen der drei­ dimensionalen Verteilung der Schalldruckamplitude eines Ultra­ schallfeldes geeignet. Bei der Messung von Ultraschallfeldern in einem flüssigen Medium, beispielsweise Wasser oder Öl, be­ steht die Haltevorrichtung 10 vorzugsweise aus einem Kunst­ stoff, insbesondere aus Polymethylpenten PMP.

Die Haltevorrichtung 10 ist dabei entsprechend Fig. 7 so ge­ staltet, daß der Winkelbereich, den die Haltevorrichtung 10 in einer senkrecht zur Achse des Drahtes 2 verlaufenden Ebene von der Achse des Drahtes 2 aus betrachtet einnimmt, möglichst klein ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Empfangsempfindlichkeit der Ultraschallwandler-Vorrichtung in dieser Ebene in einem großen Winkelbereich praktisch konstant ist.

Zum Schutz vor einer mechanischen Beschädigung des Ultraschall­ wandlers 1 kann es außerdem von Vorteil sein, wenn der Ultra­ schallwandler 1 entsprechend Fig. 8 in einem Hohlzylinder 12 angeordnet ist. Dieser Hohlzylinder 12 kann außerdem in einer vorteilhaften Ausgestaltung an seinen Stirnflächen mit Deck­ platten 14 verschlossen sein. Der Innenraum des Hohlzylinders ist dann mit einer schalltragenden Flüssigkeit 13, beispiels­ weise Silikonöl oder hochreines Wasser, gefüllt. In einer be­ vorzugten Ausführungsform ist der Ultraschallwandler 1 koaxial zum Hohlzylinder 12 angeordnet. Die geschlossene Ausführungs­ form hat dabei den Vorteil, daß der Ultraschallwandler 1 stets vom gleichen Medium umgeben wird und somit wegen der erhöhten Reproduzierbarkeit der mit ihm gewonnenen Meßergebnisse insbe­ sondere zu absoluten Messungen geeignet ist. Außerdem ist durch die zylindrische Geometrie der Ultraschallwandler-Vorrichtung bei Verwendung eines zylindersymmetrischen Ultraschallwandlers 1 eine nahezu richtungsunabhängige Empfangsempfindlichkeit in einer senkrecht zur Zylinderächse verlaufenden Ebene gewähr­ leistet. Sowohl der Hohlzylinder 12 als auch die Deckplatten 14 bestehen in einer bevorzugten Ausführungsform ebenfalls aus Polymethylpenten PMP, dessen akustische Impedanz besonders gut an die akustische Impedanz von Wasser oder Öl angepaßt ist. Da­ durch werden die Messung störende Reflexionen an den Grenzflä­ chen weitgehend unterdrückt.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 9 ist der Ultraschallwandler 1 auf einem Substrat 16, beispielsweise aus Epoxidharz, angeord­ net. Dieses Substrat 16 dient zugleich als Backing für den Ultraschallwandler 1. Der Draht 2 und die Elektrode 6 ist mit Kontaktierungsflächen 21 verbunden, die sich beispielsweise an einer Stirnfläche des Substrates 16 befinden. Diese Ausfüh­ rungsform ist insbesondere als Sende-Empfangswandler-Element zum Aufbau von Wandlerarrays geeignet.

In der Ausführungsform nach Fig. 10 ist zusätzlich eine Dämpfungsschicht 18 vorgesehen, die einen Teil der dem Sub­ strat 16 zugewandten Oberfläche des Ultraschallwandlers 1 be­ rührt. Die Dämpfungsschicht 18, beispielsweise eine Epoxidharz- Schicht stellt zugleich eine mechanische Verbindung mit dem Substrat 16 her.

Gemäß Fig. 11 sind mehrere Ultraschallwandler 1 in Längsrich­ tung nebeneinander auf einem gemeinsamen Substrat 18 angeord­ net. Da der Ultraschallwandler 1 mit einem sehr geringen Durch­ messer, beispielsweise kleiner als 0,5 mm, hergestellt werden kann, lassen sich mit ihm auf einfache Weise lineare Arrays mit kleinem Rastermaß herstellen. Da die Sendeflächen der Ultra­ schallwandler 1 konvex gekrümmt sind, ist der mit Hilfe dieses Arrays durch einen elektronischen Schwenk realisierbare Winkelbereich besonders groß.

Die kleine Bauweise der Ultraschallwandler 1 ermöglicht außer­ dem entsprechend Fig. 12 die einfache Herstellung von Wandler­ arrays auf Substraten 17 mit gekrümmten Oberflächen.

Claims (12)

1. Piezokeramischer Ultraschallwandler (1) mit

• a) einem metallischen Draht (2) als Innenelektrode,
• b) dieser Draht (2) ist auf mindestens einem Teil seiner Länge und mindestens einem Teil seines Umfangs mit einer piezo­ keramischen Schicht (4) versehen,
• c) diese Schicht (4) ist wenigstens in einem Bereich (41) radial polarisiert,
• d) auf dem Außenmantel (42) dieses Bereiches (41) ist eine Außenelektrode (6) angeordnet und
• e) die Dicke (d) der Schicht (4) ist wenigstens im Volumenbe­ reich, der sich zwischen der Außenelektrode (6) und dem Draht (2) befindet, wenigstens annähernd konstant.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens die äußere Ober­ fläche der Außenelektrode (6) mit einer Anpassungsschicht (7) bedeckt ist.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (4) mit einer in Längsrichtung des Drahtes (2) verlaufenden Nut (43) versehen ist, die sich bis zum Draht (2) erstreckt.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Nut (43) mit einem schwin­ gungsdämpfenden Material (8) gefüllt ist.

5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Draht (2) auf seinem gesamten Umfang von der piezoelektrischen Schicht (4) umgeben ist.

6. Ultraschallwandler-Vorrichtung mit einem Ultraschallwand­ ler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (1) freitragend in einer Haltevorrichtung (10) befestigt ist.

7. Ultraschallwandler-Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultra­ schallwandler (1) in einem Hohlzylinder (12) aus Kunststoff an­ geordnet ist.

8. Ultraschallwandler-Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohl­ zylinder (12) an seinen Stirnflächen verschlossen und mit einer schalltragenden Flüssigkeit (13) gefüllt ist.

9. Ultraschallwandler-Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohl­ zylinder (12) aus Polymethylpenten PMP besteht.

10. Ultraschallwandler-Vorrichtung mit einem Ultraschallwandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (1) auf einem Substrat (16) angeordnet ist.

11. Ultraschallwandler-Vorrichtung nach Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Ultraschallwandlerelemente (1) auf einem gemeinsamen Substrat (18) angeordnet sind.

12. Verfahren zur Herstellung eines piezokeramischen Ultraschallwandlers (1) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Beschichtung des metalli­ schen Drahtes (2) mit einer piezokeramischen Schicht (4) durch ein Ziehverfahren aus einer die Piezokeramik enthaltenden wäßrigen Suspension erfolgt.