DE8431413U1

DE8431413U1 - Ultraschall-Detektionssensor in Hybridaufbau mit zugehöriger Elektronikschaltung

Info

Publication number: DE8431413U1
Application number: DE19848431413
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-10-25
Filing date: 1984-10-25
Publication date: 1986-08-14

Description

Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen Berlin und München VPA ,

P 1 8 7 9 OE

Ultraschall-Detektionssensor in Hybridaufbau mit zugehöriger Elektronikschaltung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Detektionssensor, wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben.

Es ist bekannt, mit Ultraschall zwischen Körpern vorhandene Abstände zu detektieren. Im Regelfall ist dabei ein Ultraschall-Wandler an dem einen Körper angebracht und es wird die Laufzeit der an dem im Abstand gegenüberstehenden Körper reflektierten und empfangenen Ultraschall-Strahlung ausgewertet. Sendewandler und Empfangswandler können auch voneinander getrennt am jeweils einander gegenüberstehenden Körper angebracht sein, jedoch erfordert dies zwei getrennte Wandler. Der eine oder die beiden Körper können auch sonstige Ultraschall reflektierende Grenzflächen, wie z.B. eine Flüssigkeitsoberfläche, sein. Letzteres wird bei Flüssigkeitsstands-Detektoren mit Ultraschall ausgenutzt, wobei an der Flüssigkeitsoberfläche entweder in die Flüssigkeit zurückreflektierte oder außen an der Flüssigkeitsoberfläche zurückreflektierte Ultraschall-Strahlung ausgewertet wird. Bekannt sind z.B. Tankmeßgeräte, insbesonder für Treibstofftanks in Kraftfahrzeugen. Zu einem solchen Gerät gehört ein beispielsweise am Boden des Kraftstofftanks angebrachter Ultraschall-Wandler, dessen ausgesandte Ultraschall-Strahlung an der Oberfläche des im Tank befindlichen Treibstoffes reflektiert wird und in den Empfangswandler (der auch Sendewandler sein kann) zurückgelangt. Auch die Auswertung einer solchen Betriebsweise ist bekannt.

BtS 1 Kow / 23.10.1984

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Insbesondere für die Anwendung in großen Stückzahlen, wie z.B. bei Kraftfahrzeugserien., ist es erforderlich, Wandler zur Verfügung zu haben, die sowohl leistungsfähig sind als auch einfachen und insbesondere robusten Aufbau (preisgünstige Ausführung) haben. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges Bauelement anzugeben.

Diese Aufgabe ist mit einem Ultraschall-Sensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelost. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der Erfindung liegen mehrere Einzelgedanken zugrunde, und zwar insbesondere der, einen solchen Aufbau des Ultraschall-Wandlers zu finden, der möglichst gute akustische Widerstandsanpassung besitzt. Bei der Erfindung ist die Möglichkeit genutzt, mittels Kunststoffmaterial auf einfachem Wege akustische Widerstandsanpassung zu erreichen. Weiterhin liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, einen möglichst kompakten Aufbau zu haben, der nicht nur integriertes Herstellungsverfahren ermöglicht, sondern der auch Aufwand beim Einbau des Gerätes beim Anwender einspart. Bei der Erfindung ist ein Substratmaterial vorgesehen, das eine harte akustische Masse als 'backing' bildet. Der eigentliche Ultraschall-Wandler besteht aus einer Scheibe aus Piezo-Keramik und daran vorder- und rückseitig angebrachten Kunststoffkörpern. Dieser Verbund bildet einen Viertelwellenlängen-Wandler (^M bzw. (2n+l). ^M-Wandler). Mit der einen Fläche ist dieser Verbundwandler - im folgenden kurz Wandler genannt - an dem Substrat angebracht. Die andere Fläche des Wandlers ist die Abstrahlfläche, an die das Schallausbreitungs-Medium, vorzugsweise Flüssigkeit, angrenzt. Bei der Erfindung ist vorgesehen, möglichst weitgehend akustische Anpassung zu erreichen. Möglichst weitgehend wird angestrebt, daß der

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Mittelwert des Produkts aus Schallgeschwindigkeit und Dichte beim Wandler zwischen den entsprechenden Produktwerten des Substratmaterials einerseits und angrenzender Flüssigkeit andererseits liegt. Durch den geschichteten Aufbau des Wandlers aus Piezokeramikfolie und aus Kunststoff- oder Piezopolymerfolie läßt sich für den Wandler ein solcher Mittelwert erreichen.

Auf einem wie erwähnten Substrat kann ein einzelner Ultraschall-Wandler aufgebracht sein. Es können auch zwei Wandler aufgebracht sein, von denen der eine Wandler als Sendewandler und der andere als Empfangswandler verwendet wird. Die Erfindung umfaßt aber auch Ult.raschall-Array-Anordnungen, die aus mehreren funktionell getrennt auf ein und demselben Substrat angebrachten Wandlern bestehen, die nach jeweils bekanntem Muster als Sendewandler-Array angeregt werden.

Bei der Erfindung ist als weitergehende Maßnahme vorgesehen, auf dem Substrat auch die elektronische Auswerteschaltung anzuordnen. In einem solchen Fall bedarf diese Anordnung nur noch der Zuführung der Versorgungsspannung und sie besitzt einen Signalausgang, der direkt an eine endgültige Anzeige (Tankuhr im Armaturenbrett) geführt werden kann. Die elektrischen Verbindungen auf dem Substrat sind vorzugsweise als Leiterbahnen ausgeführt. Vorzugsweise ist die kurze Verbindung zur Elektrode am schwingenden Wandler ein Draht bzw. eine Litze. Bevorzugtes Substratmaterial ist solches, das auch für Dickschichtschaltungen verwendet wird.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung hervor.

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-A-

In Fig.l ist mit 1 eine Wandler-Anordnung bezeichnet. Auf einer Substratplatte 2 aus beispielsweise gesintertem Aluminiumoxid oder Keramik sind beispielsweise vier Ultraschall-Wandler 3; 3,1; 3,2; 3,3 in vorzugsweise einer Reihe angeordnet. Mit 4 ist auf die Hauptausstrahlrichtung des einzelnen Wandlers 3 bzw. der Array-Anordnung mit den Wandlern 3 bis 3,3 (bei phasengleicher Anregung) hingewiesen.

Mit 5 ist eine auf der Substratplatte angeordnete Elektronikschaltung bezeichnet, die eine Dick-Schichtschaltung mit Leiterbahnen 5a, Dickschicht-Bauelementen 5b und mit gegebenenfalls in Hybridtechnik zusätzlich aufgesetzten Bauelementen 5c ist. An die Anschlüsse 6, 6a ist die elektrische Versorgungsspannung U anzuschließen; der Anschluß 7 ist der ein- oder zweipolige Signalausgang. Die Elektronikschaltung 5 ist insbesondere so ausgebildet, daß man mit ihr sowohl die Sende-Anregung der Wandler als auch die Auswertung der den Wandlern zu entnehmenden Empfangssignale durchführen kann.

Die gestrichelte Linie 8 gibt eine in Fig.l linksseitige Begrenzung eines beispielsweise als Tanksensor zu verwendenden Ultraschall-Abstandssensors an. Am Ort der Linie 8 abgetrennt besteht der in Fig.l rechtsseitig verbleibende Anteil aus dem einen (als Sendewandler und als Empfangswandler zu verwendenden) Ultraschall-Wandler 3 und der Elektronik 5. Dieser Ultraschall-Wandler 3 und die Elektronik 5 befinden sich als Hybridaufbau auf dem gemeinsamen Substrat 2. Mit 9, 10 ist auf Verbindungsleitungen zwischen dem Wandler 3 und der Elektronik 5 hingewiesen.

Die Wandler 3; 3,1 ... sind auf der einen und die Elektronikschaltung 1st auf derselben und/oder der anderen Oberflächenseite der Substratplatte ? angeordnet.

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Fig.2 gibt in erheblich vergrößerter Darstellung einen bei der Erfindung verwendeten Schichtaufbau für den Wandler 3 I wieder. Der Wandler 3 besteht aus der Piezokeramikfolie 33

fr und den anliegenden Folien 31 und 32 aus einem Material mit einer spezifischen Dichte kleiner als etwa 2, das insbesondere ein (Kohlenstoff- und/oder Silizium-)Polymer-Kunststoff sein kann. Als Kunststoffe eignen sich beispielsweise Polymeräthylen, Epoxid, PVDF u.s.w.. Vorzugsweise umhüllt der Kunststoff die Keramik auch seitlich (Fig. 3, 6,7).

Auf den Oberflächen besitzt die Keramikfolie 33 an sich bekannte Elektrodenbelegungen 35, 36. Mit 37 ist ein erster I und mit 38 ist ein zweiter, an der Außenseite der Folie 33

I elektrisch isoliert geführter Anschluß fyr den Wandler 3

ti bezeichnet. Diese Anschlüsse 37 und 38 sind mit den Leiterin bahnen 9 und 10 und damit mit der Elektronikschaltung 5

I verbunden.

I Die Substratplavte 2 kann an der Stelle, wo die Wandler 3; ε 3,1; ... aufgebracht sind, zum Zweck der elektrischen Schir-

i mung und zur Verbesserung der Klebfähigkeit mit einer elek-

? trisch leitfähigen Schicht, z.B. aus Einbrennmetall oder aus 1 aufgesputtertem Metall, belegt sein.

; Figur 3 gibt eine seitliche Schnittansicht eines Sensors 40,

\ wie der in Figur 1 von der Linie 8 rechtsseitige Anteil,

hier in Figur 3 jedoch mit allseitiger Schutzumhüllung 41, ■ wieder. Die Schutzumhüllung ist z.B. ein Tauchlack oder eine

;·. durch Wirbelsintern aufgebrachte Umhüllung. Wie ersichtlich,

ist die für die Schallabstrahlung 4 vorgesehene Oberfläche des Wandlers 3 freigehalten. Diese Oberfläche des Wandlers 3 besteht ohnehin aus dem Kunststoffmaterial der Folie 32. Die Anschlüsse 6, 6a und 7 sind durch die Umhüllung 41 hindurch herausgeführt und stehen zu ihrer jeweiligen Verwendung zur Verfügung. Die übrigen Bezugszeichen in Figur 3 beziehen

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sich auf zu den Figuren 1 und 2 beschriebene Einzelheiten.

Eine Anordnung nach Figur 3 ist vielseitig verwendbar und kenn z.B. auch im Inneren von Flüssigkeitsbehältern, und zwar auch untergetaucht, in der Flüssigkeit benutzt und betrieben werden. Dies kann auch im Zusammenhang mit aggressiven und/oder Lösungsmittelcharakter aufweisenden Flüssigkeiten erfolgen, da für die Schutzumhüllung jeweils geeignete Materialien bekanntermaßen zur Verfugung stehen.

Figur 4 zeigt als Ausschnitt skizzenhaft eine Ausführungsform eines Wandler-Arrays für eine Anordnung nach der vorliegenden Erfindung. Die Schnittdarstellung zeigt denjenigen Anteil der Substratplatte 2, auf dem sich das Wandler-Array 3; 3,1; 3,2 ... befindet. Mit 31 und 32 sind die Kunststoff-Folien bezeichnet, die eine beispielsweise streifenförmige Piezokeramikfolie 42 wie dargestellt umhüllen. Die Wandler 3; 3,1; 3_r2 ... sind hier integrale Bestandteile des gesamten Wandler-Arrays 300. Mit 35 ist die jeweils eine Elektrodenbelegung des Wandlers 3, des Wandlers 3, 1, des Wandlers 3, 2 usw. bezeichnet. Die gegenüberliegende Elektrodenbelegung 136 kann eine durchgehende streifenförmige Belegung sein, durch die die Wandler 3; 3,1; 3,2 ... miteinander einpolig verbunden sind. Durch entsprechende Anregung über die Anschlüsse 37 können die einzelnen Wandler 3; 3,1; 3,2 ... der vorgegebenen Betriebsweise des Arrays entsprechend, beispielsweise gleichphasig oder mit verschiedener Pnase, zu Ultraschallschwingungen angeregt werden. Figur 5 zeigt ebenfalls lediglich skizzenhaft in Aufsicht den Schnitt V, Va aus Fig. 4, und zwar in Höhe der Unterseite des Piezokeramikstreifens 42. Durch Einschnitte bl in den Piezokeramikstreifen 42 sind die einzelnen Wandler 3; 3, 1; 3, 2 ... hinsichtlich ihrer Funktion rls Ultraschallschwinger voneinander entkoppelt.

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Figur 6 zeigt sin spezielles Beispiel für die Ausführung der Kontaktierung der Elektrodenbelegungen 35 und 36 der Piezokeramikfolie 33 eines Wandlers 3. Wieder ist mit 2 der entsprechende Ausschnitt der Substratplatte bezeichnet. Mit ist die Piezokeramikfolie mit ihren Elektrodenbelegungen und 36 bezeichnet. Die Anschlußleitungen 37 und 38 sind feine Drähte oder Litzen, die zu stirnseitigen Metallisierungen 137 und 138 des Wandlers 3 bzw. seiner Kunststoff-Folien 31 und 32 führen. Mit 9 und 10 sind wiederum die auf der Substratpplatte 2 aufgebrachten, für den Anschluß des Wandlers 3 vorgesehenen Leiterbahnen bezeichnet. Mit 109 und sind Lotverbindungen zwischen der Leiterbahn 9 und der Metallisierung 137 bzw. der Leiterbahn 10 und der Metallisierung 138 bezeichnet. Solche Lotverbindungen sind von Dickschichtschaltungen und solche Metallisierungen 137 und 138 von Kunststoffkondensatoren her bekannt.

Figur 7 zeigt im Schnitt eine Mehrschicht-Ausführung eines für die vorliegende Erfindung zu verwendenden Wandlers 103. Das dargestellte Ausführungsbeispiel besitzt übereinander drei Piezokeramikfolien 33, 33a und 33b. Mit 31 und 32 sind wiederum die beiden äußeren Kunststoff-Folien bezeichnet. Die die Piezokeramikfolien voneinander trennenden weiteren Kunststoff-Folien sind mit 31a und 31b bezeichnet. Nicht weiter dargestellt sind in Figur 7 die sinngemäß entsprechenc der Figur 2 vorgesehenen Elektrodenbelegungen der Piezokeramikfolien und deren vorzusehende Anschlußleitungen. Die Wirkungsweise eines Mehrschichtenwandlers nach Figur 7 ist prinzipiell gleich derjenigen eines Wandlers nach Figur 2. Zum Beispiel kann auch ein Array entsprechend den Figuren und 5 als Mehrschichtenwandler sinngemäß nach Figur 7 ausgestaltet sein.

Für die Dicke der Piezokeramikfolien 33, 33a, 33b kommen Abmessungen kleiner als etwa 0,5 mm in Frage. Die Dicken-

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abmessungen der Kunststoff-Folien liegen im Bereich von Werten der gleichen Größenordnung bis jeweils bis zu 10 mal dicker als die verwendete Keramikfolie.

Figur 8 zeigt ein Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors 40 als Füllstandssensor in einem Tank 410. Die Laufzeit der an der Flüssigkeitsoberfläche 420 reflektierten und vom Sensor 40 wieder empfangenen Ultraschalls ist das Maß für die Füllstandshöhe.

15 P^nsprüche
8 Figuren

Claims

• t ·· ■ ■ «ι at Schutzansprüche 1 bis 12 VPA 84 H 1879 DE (ersetzen die bisherigen Ansprüche G 84 31 413.3 1 bis 15)

1. Ultraschall-Detektionssensor, insbesondere für Detektionen in Flüssigkeiten

mit wenigstens einem Ultraschall-Wandler, der auf einer als backing wirkenden Platte angebracht ist, mit einer Elektronikschaltung zum Betrieb des Wandlers als Ultraschall-Sender und/oder Ultraschall-Empfänger, gekennzeic hnet dadurch,

- daß die Platte ein für eine Dickschichtschaltung (5) zu verwendendes Substrat (2) ist,

- daß auf dem Substrat (2) die Elektronikschaltung in

an sich bekannter Weise als Dickschichtschaltung (5, 5a, 5b, 5c) mit Anschlüssen (6, 6a, 7) ausgeführt ist,

- daß der Ultraschall-Wandler (3; 3,1; 3,2...) einen Scnichtaufbau (Fig. 2, 6) hat, der aus wenigstens einer Folie aus Piezokeramik (33, 33a, 33b, 42) und wenigstens zwei Folien (Jl, 32, 31a, 31b) aus Kunststoff-Material mit einem spezifischem Gewicht kleiner etwa 2 besteht, wobei diese Kunststoff-Folien und Keramikfolien abwechselnd aufeinander folgen und dieses Folienpaket nach außen jeweils eine Kunststoff-Folie (31 und 32) aufweist, so daß die Abstrahl- bzw. Empfangsfläche des Wandlers (3; 3,1; 3,2...) zu einer äußeren Kunststoff-Folie (32) gehört und dieser Wandler mit der anderen äußeren Kunststoff-Folie (31) auf dem Substrat (2) befestigt ist und

-daß der für diesen Wandler geltende Mittelwert des Produkts aus Schallgeschwindigkeit und Dichte ( .c) im bzw. des Materials des Wandlers (3; 3,1; 3,2...) kleiner als der entsprechende Produktwert für das Substratmaterial (2) bemessen ist.

2, Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß durch Schichtaufbau (Fig.2) des wenigstens einen

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Ultraschall-Wandlers (3, ...) so bemessen ist, daß der für diesen Wandler geltende Wert des Produkts aus Schallgeschwindigkeit und Dichte im bzw, des Materials des Wandlers (3, ...) gleich wenigstens angenähert dem Mittelwert der entsprechenden Produktwerte bemessen ist, die für das Substratmaterial einerseits und für das Medium, in das die Schallabstrahlung (4) zu erfolgen hat, andererseits gelten.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der wenigstens eine Ultraschall-Wandler (3, ...) und die Elektronikschaltung (5) auf ein und derselben Oberflächenseite des Substrats (2) angebracht sind.

4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der wenigstens eine Ultraschallwandler (3, ...) auf der einen Oberflächenseite des Substrats (2) und wenigstens ein Anteil der Elektronikschaltung (5) auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite des Substrats (2) angebracht ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Ultraschall-Wandler (3; 3,1; 3,2...) als Wandler-Array (Fig. 1, 4 u. 5) auf dem Substrat (2) ausgeführt sind.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß der wenigstens eine Ultra- »chall-Wandler (103) ein Wcncier mit mehreren Piezokeramik-Folien (33, 33a, 33b) ist, die zusammen mit Kunststoff-Folien (31, 31a, 31b, 32), die abwechselnd im Abstand der Dicke der Kunststoff-Folien übereinander aufeinanderliegend angeordnet lind, wobei die Piezokeramikfolien und Kunststoff-Folien ein Folienpaket mit jeweils außenliegender Kunststoff-Folie (31, 32) bilden.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Kunststoff-Folien (31, 31a, 31b, 32) über den äußeren Rand der Piezokeramik-Folien (33, 33a, 33b) hinausreichend sind (Fig. 3, 4, 6, 7).

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die auf dem Substrat (2) befindliche Elektronikschaltung (5), der wenigstens einen Ultraschall-Wandler (3j ...) und das Substrat (2) mit einer Schutzumhüllung (41) umgeben sind, wobei jedoch die Oberfläche der gegenüber dem Substrat (2) jeweils außenliegenden Kunststoff-Folie (32) des betreffenden Wandlers für unbehinderte Ultraschallaussendung (4) bzw. -empfang von der Umhüllung freigehalten ist und die Anschlüsse (6, 6a, 7) für Zuführung der Versorgungsspannung und für den Signalausgang durch die Schutzumhüllung (41) nach außen hin durchgeführt sind.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Kontaktierung der Piezokeramik-Folien (33, 33a, 33b) durch Metallisierung der jeweiligen anliegenden Kunststoff-Folie (31, 32, 31a, 31b) bewirkt ist.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß Kontaktierung (137, 138) auf Stirnseiten des Wandlers vorgesehen ist und diese Kontaktierungen (137, 138) mit auf der Substratoberfläche vorgesehenen Leiterbahnen (9, 10) durch Lot (109, 110) nach Art einer Dickschichtschaltung verbunden sind (Fig. 6).

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11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß für ein Array die wenigstens eine Piezokeramik-Folie (Fig. 4, 5) für wenigstens eine größere Anzahl der Wandler (3, ...) einstückig ist und zwischen den einzelnen für die Wandler bestimmten Anteilen der betreffenden Piezokeramik-Folie (133) Einkerbungen (51) zur akustischen Entkopplung eingebracht sind.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, daß das Kunststoff-Material der Folien (31, 32, 31a, 31b) ein Material der Art eines Polymers aus im wesentlichen Kohlen- und/oder Siliziumwasserstoffen ist.