DE3808019A1

DE3808019A1 - Ultraschall-sensor

Info

Publication number: DE3808019A1
Application number: DE3808019A
Authority: DE
Inventors: Fritz Breimesser; Bernd Dr Granz; Bertram Sachs
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-03-10
Filing date: 1988-03-10
Publication date: 1989-09-21
Also published as: US4906886A; EP0332916A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Sensor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Bei der Bestimmung der Eigenschaften eines in einem schall tragenden Medium, beispielsweise Wasser, herrschenden Ultra schallfeldes werden sogenannte Membran- oder Miniatur-Hydro phone verwendet. Die dreidimensionale Verteilung der Schall druckamplitude des Ultraschallfeldes wird dadurch ermittelt, daß der an jeweils verschiedenen Orten in einer Meßwanne herrschen de Schalldruck mit einem derartigen Hydrophon gemessen wird.

In "Ultrasonics, Mai 1980, Seiten 123 bis 126" ist beispiels weise ein Membran-Hydrophon offenbart, bei dem eine Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF mit einer Dicke von 25 µm zwischen zwei als Stützkörper dienende Metallringe aufgespannt ist. Da durch wird eine Membran mit einem Innendurchmesser von etwa 100 mm gebildet. Die Oberflächen der Membran sind in einem kleinen zentralen Bereich mit einander gegenüberliegenden kreisscheibenförmigen Elektroden versehen, deren Durchmesser beispielswise 4 mm beträgt. Zwischen diesen Elektroden befindet sich der polarisierte, piezoelektrisch aktive Bereich der Membran. Von den kreisscheibenförmigen Elektroden führen als Metallfilme auf die Oberflächen der Membran aufgebrachte An schlußleiter zum Rand der Membran und werden dort mit Hilfe eines Leitklebers mit einem Koaxialkabel kontaktiert.

Mit diesem bekannten Hydrophon lassen sich jedoch keine Ultra schall-Stoßwellen, deren Druckamplituden im Bereich von 10⁸ Pa liegen, messen. Derartige Stoßwellen mit sehr steilen Puls flanken, deren Anstiegszeiten 1 µsec unterschreiten, führen zu einer durch Kavitationseffekte verursachten mechanischen Zerstörung der auf die PVDF-Schicht aufgebrachten metallischen Elektroden. Solche Stoßwellen treten beispielsweise im Fokus bereich von Lithotriptern auf, bei denen eine fokussierte Ultraschall-Stoßwelle zur Zerstörung von Konkrementen, bei spielsweise Nierensteine in der Niere eines Patienten, ver wendet wird. Sowohl bei der Entwicklung als auch bei der routinemäßigen Überwachung derartiger Geräte ist es erforder lich, die Eigenschaften der Stoßwelle im Fokusbereich zu be stimmen.

Aus der EP-A2-02 27 985 ist ein Ultraschall-Sensor bekannt, bei dem eine in ihrem Randbereich an einem Stützkörper befestigte Polymerfolie in einem Teilbereich piezoelektrisch aktiviert und mit Elektroden elektrisch gekoppelt ist, die räumlich getrennt vom piezoelektrisch aktiven Bereich anzuordnen sind. Die im piezoelektrisch aktiven Bereich der Polymerfolie durch eine Ultraschallwelle verursachten Oberflächenladungsschwingungen werden über das die Polymerfolie umgebende schalltragende Medium zu den außerhalb des dem piezoelektrisch aktiven Bereich der Polymerfolie zugeordneten Oberflächenbereiches der Poly merfolie angeordneten Elektroden elektrisch gekoppelt. Der piezoelektrisch aktive zentrale Bereich der Polymerfolie kann somit im Fokusbereich einer fokussierten Ultraschall-Stoßwelle angeordnet sein, da im zentralen Bereich der Polymerfolie keine mechanisch instabile elektrisch leitfähige Schicht vorhanden ist.

Durch die Verwendung eines piezoelektrischen Polymers mit einer gegenüber piezokeramischen Werkstoffen relativ geringen Dielek trizitätskonstante ist eine rein kapazitive Kopplung ohne hohe Signalverluste möglich. Die Elektroden können dementsprechend vom piezoelektrisch aktiven Bereich der Polymerfolie räumlich getrennt sowohl auf der Folie selbst als auch außerhalb der Folie, beispielsweise am Stützkörper der Folie angeordnet sein.

Bei dieser bekannten Vorrichtung ist die piezoelektrische Poly merfolie zwischen zwei ringförmige Stützkörper straff einge spannt, so daß ihre Flachseiten senkrecht zur Mittelachse der Stützkörper orientiert sind. Die Einfallsrichtung des zu messenden Ultraschalls ist also im wesentlichen parallel zu dieser Mittelachse. Um störende Beugungseffekte an der von der Polymerfolie abgewandten Innenkante des dem Ultraschall-Sensor zugeordneten Stützkörpers zu vermeiden, muß der Durchmesser der Polymerfolie sehr groß sein. Bei dem bekannten Ultraschall- Sensor ist somit eine Miniaturisierung stets mit einer Ver schlechterung der Empfangseigenschaften verbunden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Ultra schall-Sensor anzugeben, dessen Empfangseigenschaften auch in einer miniaturisierten Ausführungsform durch Beugungseffekte praktisch nicht beeinflußt werden, und der sowohl mechanisch stabil als auch einfach zu handhaben ist.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kenn zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches. Da die Polymerfolie mit ihren Flachseiten parallel zur Mittelachse des Hohlzylin ders angeordnet und somit zur Messung von Ultraschallwellen vorgesehen ist, die sich senkrecht zu dieser Mittelachse aus breiten, hat die Länge des Hohlzylinders keinen wesentlichen Einfluß auf das am Ort der Polymerfolie herrschende Ultra schallfeld. Somit kann auch bei geringem Durchmesser des Hohl zylinders durch eine entsprechend lange Bauweise eine ver besserte Handhabbarkeit und mechanische Stabilität des Ultra schall-Sensors erreicht werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß der Unteransprüche 2 bis 6.

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

Fig. 1 ein erfindungsgemäßer Ultraschall-Sensor in einem Längsschnitt veranschaulicht ist.

Fig. 2 zeigt den Ultraschall-Sensor in einem Querschnitt und in

Fig. 3 ist eine Elektrode zum kapazitiven Aufnehmen des Meß signals veranschaulicht.

Fig. 4 und 5 zeigen eine besonders vorteilhafte Anordnung der Elektroden in einem erfindungsgemäßen Ultra schall-Sensor jeweils in einem Querschnitt und in

Fig. 6 ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Ultraschall-Sensors in einem Längsschnitt veranschau licht.

Entsprechend Fig. 1 ist eine piezoelektrische Polymerfolie 2 in einem Hohlzylinder 12, der als Haltevorrichtung dient mit ihren Flachseiten parallel zur Mittelachse 11 des Hohlzylinders 12 angeordnet. Die piezoelektrische Polymerfolie 2 besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus Polyvinylidenfluorid PVDF und ist nur in einem kleinen zentralen Bereich 21 piezoelek trisch aktiviert. Dieser piezoelektrisch aktivierte Bereich 21 bildet beispielsweise eine in Dickenrichtung polarisierte Kreisscheibe mit einem Durchmesser d der kleiner als 2 mm, insbesondere kleiner als 1 mm ist. Die Dicke des piezoelek trisch aktivierten Bereiches 21 entspricht der Dicke der Folie 2 und beträgt zwischen 10 µm und 100 µm. Der Außendurchmesser des Hohlzylinders 12 beträgt beispielsweise bei einer Wand stärke von etwa 0,5 mm zwischen 10 mm und 20 mm. Die Länge des Hohlzylinders beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform etwa 100 mm.

Entsprechend Fig. 2 ist den Flachseiten des piezoelektrisch aktiven Bereiches 21 jeweils eine ebene Elektrode 6 zuge ordnet, die parallel zu diesen Flachseiten verläuft. Diese Elektroden 6 sind jeweils mittels einer Halterung 62 in der Wandung des Hohlzylinders 12 befestigt und jeweils mit einem Anschlußleiter 65 versehen. Beim Eintreffen eines Stoßwellen impulses auf den aktiven Bereich 21 werden an der Ober fläche dieses Bereiches 21 Wechselladungen erzeugt. Dieses Wechselladungssignal wird kapazitiv durch das zwischen den Elektroden 6 und dem Teilbereich 21 befindliche schalltragen de Medium, beispielsweise Wasser oder Öl zu den beiden Elek troden 6 gekoppelt.

Der signalaufnehmende Teil dieser Elektroden 6 kann beispiels weise gemäß Fig. 3 aus einer flachen Metallfolie 61 bestehen, die auf einer Halterung 62 befestigt ist. Die Metallfolie 61 besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus Edelstahl und hat eine Dicke von annähernd 20 µm. Anstelle einer Metallfolie 61 kann auch ein feines Metallgitter vorgesehen sein. Zur Ver ringerung von parasitären Kapazitäten ist unter Umständen vor teilhaft die Halterungen 62 der Elektroden 6 zueinander um 180° versetzt anzuordnen.

Entsprechend Fig. 4 können auch Elektroden 64 vorgesehen sein, die mit ihren parallel zur Mittelachse 11 verlaufenden gegen überliegenden Seitenkanten in entsprechenden Aussparungen des Hohlzylinders 12 eingeklebt sind.

Gemäß Fig. 5 können die Elektroden 6 auch die Gestalt eines Teils eines Zylindermantels haben und beispielsweise auf der Innenfläche des Hohlzylinders 12 als metallische Schicht 63 angeordnet sein.

In der besonders vorteilhaften Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist der Hohlzylinder 12 mit Deckplatten 14, die jeweils an seinen Stirnflächen angeordnet sind, dicht verschlossen.

Das Innere des Hohlzylinders ist mit einer schalltragenden Flüssigkeit 13, beispielsweise hochreines Wasser mit einer Leitfähigkeit kleiner als 10 µS/cm, oder Silikonöl gefüllt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht der Hohlzylinder aus Polymethylpenten PMP. Da die akustische Impedanz von Polymethylpenten PMP der akustischen Impedanz von Wasser weitgehend angepaßt ist, spielen die am Hohlzylinder 12 auftretenden Impedanzsprünge praktisch keine Rolle und führen nur zu einer vernachlässigbaren Verfälschung des am Meßort herrschenden Ultraschallfeldes. Da sich im Innern des Hohl zylinders 12 stets die gleiche schalltragende Flüssigkeit 13 befindet, ist eine reproduzierbare kapazitive Kopplung zwischen dem piezoelektrisch aktiven Teilbereich 21 und den Elektroden 6 gewährleistet. Ein Ultraschall-Sensor mit diesen Merkmalen ist deshalb insbesondere zur Absolutmessung von Ultraschallfeldern mit hoher Druckamplitude geeignet.

Claims

1. Ultraschall-Sensor mit folgenden Merkmalen

a) einer freitragend in einer Haltevorrichtung befestigten Polymerfolie (2), die
b) wenigstens in einem Bereich (21) piezoelektrisch aktiviert und mit Elektroden (6) gekoppelt ist, die
c) räumlich getrennt vom piezoelektrisch aktivierten Bereich (21) angeordnet sind, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
d) die Polymerfolie (2) ist in einem Hohlzylinder (12) aus Kunststoff mit ihren Flachseiten parallel zur Mittelachse (11) dieses Hohlzylinders (12) angeordnet.

2. Ultraschall-Sensor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Polymerfolie (2) aus Poly vinylidenfluorid PVDF vorgesehen ist.

3. Ultraschall-Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils einer Flachseite der Polymerfolie (2) als Elektrode (6) eine ebene, im Inneren des Hohlzylinders (12) angeordnete metalli sche Folie (61) zugeordnet ist.

4. Ultraschall-Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektroden (6) metallische Schichten (63) auf der Innenwand des Hohlzylinders (12) vorgesehen sind.

5. Ultraschall-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß der Hohlzylin der (12) aus Polymethylpenten PMP besteht.

6. Ultraschall-Sensor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Hohlzylinder (12) an seinen Stirnflächen verschlossen und mit einer schalltragenden Flüssigkeit (13) gefüllt ist.