EP1145772B1 - Ultraschallwandler und Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers - Google Patents

Ultraschallwandler und Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers Download PDF

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EP1145772B1
EP1145772B1 EP20010108898 EP01108898A EP1145772B1 EP 1145772 B1 EP1145772 B1 EP 1145772B1 EP 20010108898 EP20010108898 EP 20010108898 EP 01108898 A EP01108898 A EP 01108898A EP 1145772 B1 EP1145772 B1 EP 1145772B1
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EP
European Patent Office
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conductor
transducer
transducer elements
piezoelectric body
conductor track
Prior art date
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Revoked
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EP20010108898
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French (fr)
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EP1145772A2 (de
EP1145772A3 (de
Inventor
Dieter Dipl.-Phys. Lingenberg
Dieter-Nikolaus Poepperl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Intelligendt Systems and Services GmbH
Original Assignee
IntelligeNDT Systems and Services GmbH and Co KG
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Publication of EP1145772A2 publication Critical patent/EP1145772A2/de
Publication of EP1145772A3 publication Critical patent/EP1145772A3/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic transducer with a number of transducer elements having a piezoelectric component for generating the ultrasound.
  • the invention further relates to a method for producing an ultrasonic transducer with a number of transducer elements.
  • Such an ultrasonic transducer with a number of transducer elements is also referred to as a phased array or phased array sensor.
  • phase-delayed control of the individual transducer elements makes it possible to couple ultrasonic signals in different directions into a workpiece to be examined and also to receive them from different directions.
  • phase relationship in the control of the individual transducer elements By changing the phase relationship in the control of the individual transducer elements, a pivoting through the workpiece to be tested is possible with fixed positioning of the ultrasonic transducer.
  • Such group radiators are usually formed by a plurality of linear or matrix-shaped juxtaposed and each provided with electrodes, spatially separated transducer elements.
  • matrix-like arranged transducer elements require a high effort in the production, since the contacting of the internal transducer elements and the guiding of the electrical leads to their electrodes is difficult.
  • test frequencies in particular over 10 MHz
  • the higher test frequencies require a comparatively thin piezoelectric body.
  • the thickness of the piezoceramic is in the range below 0.1 mm.
  • the electrodes In order to achieve a sufficiently high spatial resolution, also the electrodes must be geometrically finely structured.
  • the individual transducer elements should have a width of approximately less than 0.3 mm at a test frequency of greater than 10 MHz.
  • the invention is based on the object of specifying an easily manufactured ultrasonic transducer and a method for its production.
  • the essential advantage of this ultrasound transducer is the fact that the geometric distribution of the transducer elements is essentially determined by a geometrical pattern of the conductor track foil.
  • the conductor tracks or at least partial areas of the individual conductor tracks define the contact electrodes for the piezoelectric body.
  • the piezoelectric body is excited by application of a voltage pulse and thereby the individual transducer elements are controlled in a suitable manner.
  • These contact electrodes are formed by the individual printed conductors or at least by partial regions of the individual printed conductors of the printed conductor film.
  • the conductor tracks or subregions of them are either directly or indirectly on a thin intermediate layer on the piezoelectric body.
  • the usual, deposited on the piezoceramic electrodes are not necessary. This eliminates a process step in the production of the piezoelectric component, whereby cost savings can be achieved.
  • the transducer elements are thereby formed by the interaction of the piezoelectric body with the conductor foil.
  • the production of the ultrasonic transducer is particularly simple.
  • the conductor pattern for determining the individual transducer elements can be realized in a special process in the production of the conductor film without having to consider the material-specific conditions of the piezoelectric component.
  • a conductor film also allows the manufacturing technology simple realization of both simple and complex geometries. In addition to simple rectilinear tracks, even complex patterns through angled or curved tracks are possible. In particular, it is possible here to form and control an array of transducer elements with, for example, a square base area.
  • piezoelectric body in this case, in particular, a commercially available piezoceramic body is provided.
  • a piezo-composite can be used as a piezoelectric body.
  • Piezo composites are generally referred to as a component in which piezoelectric, in particular piezoceramic, rods are embedded in a passive phase, in particular plastic.
  • a piezo-composite is less brittle than a full ceramic and in particular flexible to a certain extent. Another advantage is its good damping property, which is essentially determined by the elastic properties of the plastic matrix.
  • the use of a conductor film for forming the ultrasonic transducer also has the advantage that the contacting of the control lines necessary for driving the individual transducer elements with the individual conductor tracks is possible in a simple manner.
  • the individual electrodes are vapor-deposited on the piezoceramic, at which directly the control lines assigned to the respective transducer element are contacted.
  • the contacting is usually done by soldering or Leitkleben.
  • the connection of the control lines poses problems with increasingly finer geometric structures.
  • the use of a conductor foil has the decisive advantage here that the conductor tracks determining the geometric pattern of the transducer elements are guided, for example, beyond the piezoelectric component into a contact region. In the contact region, the narrow strip conductors preferably terminate in sufficiently large contact surfaces for contacting the individual control lines.
  • the piezoelectric body has a simple geometric shape without special structuring. It is formed, for example, as a flat, cuboid body. Such cuboid piezoceramic components can be produced in a simple manner.
  • the conductor film is adhered to the piezoelectric body or fixedly connected by mechanical contact therewith.
  • a single ground electrode is provided on the rear side of the piezoelectric body, this back side facing away from the conductor foil.
  • the geometric distribution or the geometric pattern of the transducer elements is thus determined solely by the conductor foil.
  • the piezoelectric body is curved. Due to the two-part design of the ultrasonic transducer, this manufacturing technology can be realized without much effort, since in the curved piezoelectric body, in particular piezoceramic, no indentations must be introduced. Rather, the elastic strip conductor conforms to the curved piezoelectric body.
  • the piezoelectric component has incisions between the individual transducer elements. Although this raises manufacturing problems, in particular in the case of very fine geometric structures and when using a piezoceramic, as mentioned at the outset. However, the cuts result in improved acoustic decoupling between the individual transducer elements. This improves the quality of the ultrasonic transducer.
  • a printed conductor foil with a printed conductor pattern is applied to a piezoelectric body, which substantially determines the geometric distribution of the individual transducer elements.
  • FIG. 1 and 2 has an ultrasonic transducer 2, a housing 4, which is indicated by a dotted line.
  • a piezoelectric body in particular a plate-shaped piezoceramic 6, a conductor foil 8 and a damping body 10 is arranged in the housing 4 of the ultrasonic transducer 2.
  • the conductor foil 8 is applied to the piezoceramic 6.
  • the two embodiments according to FIG. 1 and FIG. 2 essentially differ in that according to FIG. 1 the piezoceramic 6 is arranged between the conductor foil 8 and the damping body 10, and that according to FIG. 2 the conductor foil 8 between the piezoceramic 6 and the damping body 10 is arranged.
  • the conductor film 8 is applied to the piezoceramic 6, for example by gluing or by mechanical pressing. The mechanical pressing takes place according to FIG. 2 in that the conductor film 8 is sandwiched between the damping body 10 and the piezoceramic 6.
  • the piezoceramic 6 is designed in particular as a cuboid body of simple geometry with a first flat side 12 on which the conductor foil 8 is attached.
  • the flat side 12 opposite the piezoceramic 6 has a rear side 14.
  • a ground electrode 16 for example by vapor deposition applied to the piezoceramic 6.
  • This ground electrode 16 extends over the entire rear side 14 of the piezoceramic 6.
  • Via a contact point 16 arranged laterally on the piezoceramic 6, a ground line 20 is in contact with the ground electrode 16.
  • the piezoceramic 6 also has a further electrode 21 on its first flat side 12.
  • Such piezoceramics 6 with both sides vapor-deposited electrodes 21,16 are available by default.
  • contact electrodes 22 are arranged on the further electrode, which are formed by the conductor tracks 24 of the conductor foil 8.
  • the conductor tracks 24 define a geometric structure or a geometric pattern of the conductor film 8 (cf., for the formation of the conductor film 8 in particular FIG. 5 and FIG. 6 ).
  • the vapor-deposited further electrode 21 is electrically interrupted between the individual conductor tracks 24 of the conductor track pattern in order to avoid surface contact over the entire piezoceramic 6 between the individual conductor tracks 24.
  • the further electrode 21 must be in one of the geometric Structure of the conductor pattern corresponding manner be structured.
  • the further electrode 21 deposited directly on the piezoceramic 6 is not absolutely necessary.
  • Such a design without further electrode 21 is in FIG. 2 shown, according to which the conductor foil 8 is arranged directly on the piezoceramic 6 without interposing a vapor-deposited electrode 21.
  • a contact point 18 is provided, to which a control line 26 is connected. Via the control line 26, the ultrasonic transducer 2 is acted upon by a voltage pulse, so that the piezoceramic 6 is excited to vibrate.
  • the oscillation frequency of the piezoceramic 6 and thus the test frequency of the ultrasonic transducer 2 is essentially determined by the thickness D of the piezoceramic 6. To achieve test frequencies above 10 MHz, it is necessary that the thickness D is about 0.1 mm and smaller.
  • the sound generated by the ultrasonic transducer 2 is emitted in signal or emission direction 28 shown by an arrow.
  • the ultrasonic transducer 2 is designed as a group radiator or group beam sensor and has for this purpose a number of individual transducer elements 30, which are best in the 3 and 4 you can see where they are hatched. In 3 and FIG. 4 the ultrasonic transducer 2 is only partially shown without housing 4 and damping body 10.
  • the geometric distribution of the individual transducer elements 30 is according to FIG. 3 solely by the conductor tracks 24 of the conductor foil 8, that is, by the conductor track pattern.
  • each transducer element 30, for example, the transducer element 30A a conductor 24, for example, the conductor 24A assigned.
  • the conductor track 24A which serves as a contact electrode 22
  • the transducer element 30A can be controlled selectively and independently of the other transducer elements 30.
  • the transducer element 30A is formed by the interaction of the conductor track 24A with the piezoceramic 6, since the track 24A determines the geometric dimension of the transducer element 30A.
  • the piezoceramic 6 is selectively excited, ie only in a certain range, and oscillates in this area, which forms the transduced transducer element 30A.
  • the selective excitation achieves a certain acoustic decoupling to adjacent transducer elements 30.
  • FIG. 4 In order to improve the acoustic decoupling of adjacent transducer elements 30 is according to FIG. 4 provided to introduce 6 incisions 32 in the piezoceramic. Seen in cross-section, the piezoceramic 6 is thus formed crenellated, wherein on the pinnacles 34, the individual formed as contact electrodes 22 conductor tracks 24 are attached. Due to the better acoustic decoupling of adjacent transducer elements 30 of the ultrasonic transducer according to FIG. 4 higher quality than the according to FIG. 3 , However, this is in particular due to the problem when introducing the cuts 32 in the piezoceramic 6, however, associated with a very high overhead. The ultrasonic transducer 2 according to FIG. 4 is therefore much more costly in its production than that according to FIG. 3 , The latter is therefore particularly suitable for applications in which the quality plays a minor role, but the price of the ultrasonic transducer is relevant.
  • the embodiment according to FIG. 4 a decisive advantage. Namely, a very simple contacting of the control lines 26 is made possible via the conductor tracks 24. In the conventional ultrasonic transducers on the other hand, the contacting of the control lines 26 directly to the vapor-deposited electrode, not least because of the fine geometric structures, very difficult. In order to be able to fully exploit the spatial resolution achievable by the high test frequencies, the individual transducer elements 30 preferably have a width B which, in the case of the test frequencies above 10 MHz, is 0.3 mm and below.
  • the printed conductor pattern of the conductor film 8 is formed by mutually parallel conductor tracks 24.
  • a contact point 18 for connecting a control line 26 is provided on each conductor 24.
  • the interconnects 24 represent the essential for the determination of the transducer elements 30 geometric structure of the conductor foil 8. They are also preferably formed over their entire length as terminal electrodes 21 and thus define in the embodiment of FIG. 5 elongated transducer elements 30.
  • Such an ultrasonic transducer 2 with the parallel to each other over the entire length of the piezoceramic 6 running tracks 24 forms a so-called linear ultrasonic transducer array.
  • the signal direction of the emitted ultrasonic signal (and likewise a received reflection signal) can be varied.
  • the signal direction can be pivoted about a pivot axis in a plane.
  • a compared to the conductor sheet 8 of FIG. 5 More complex trace geometry has the conductor foil 8 according to FIG. 6 on.
  • the conductor pattern determining the geometric structure of the transducer elements 30 is formed by conductor track sections in the form of conductor track pads 36. These are executed in matrix form on the conductor film 8. In the embodiment of FIG. 6 make a 3x3 matrix.
  • Each of the conductor track pads 36 is connected to a contact point 18 via a connecting line 38 of the respective printed conductor 24. All contact points 18 of the individual conductor pads 36 are arranged in a contact region 40 of the conductor foil 8.
  • the conductor track pads 36 form the electrodes 22 and are in either in direct electrical contact with the piezoceramic 6 (cf. FIG. 2 ) or are electrically insulated from this by a thin, the capacitive coupling only insignificantly influencing layer, for example, an applied for laminating the conductor foil 8 on the piezoceramic 6 adhesive layer.
  • a suitable phase-delayed control of the individual transducer elements 30 determined by the conductor track pads 30 makes it possible to pivot the signal or emission direction 28 in any spatial direction.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler mit einer Anzahl von Wandlerelementen, der eine piezoelektrische Komponente zur Erzeugung des Ultraschalls aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers mit einer Anzahl von Wandlerelementen.
  • Ein derartiger Ultraschallwandler mit einer Anzahl von Wandlerelementen wird auch als Gruppenstrahler oder Gruppenstrahlersensor bezeichnet. Mit einem solchen Gruppenstrahler lassen sich durch phasenverzögerte Ansteuerung der einzelnen Wandlerelemente Ultraschallsignale in unterschiedliche Richtungen in ein zu untersuchendes Werkstück einkoppeln und auch aus unterschiedlichen Richtungen empfangen. Durch Änderung der Phasenbeziehung bei der Ansteuerung der einzelnen Wandlerelemente ist bei ortsfester Positionierung des Ultraschallwandlers ein Schwenk durch das zu prüfende Werkstück möglich.
  • Solche Gruppenstrahler werden üblicherweise durch eine Vielzahl linear oder matrixförmig nebeneinander angeordneter und jeweils mit Elektroden versehener, räumlich voneinander getrennter Wandlerelemente gebildet. Insbesondere matrixförmig angeordnete Wandlerelemente erfordern jedoch bei der Herstellung einen hohen Aufwand, da das Kontaktieren der innenliegenden Wandlerelemente und das Führen der elektrischen Leitungen zu deren Elektroden schwierig ist.
  • Zur Vermeidung solcher Probleme ist es aus der EP 0 796 669 A2 bekannt, die Wandlerelemente dadurch zu erzeugen, dass ein flacher piezoelektrischer Körper auf jeder Flachseite mit sich in Längsrichtung erstreckenden und parallel zueinander angeordneten Elektroden versehen wird, wobei die Elektroden auf der einen Flachseite sich senkrecht zu den Elektroden der anderen Flachseite erstrecken. Der Überlappungsbereich der jeweils einander gegenüberliegenden elektrisch angesteuerten Elektroden legt dann das jeweils aktive Wandlerelement fest. Zusätzlich können auf der Oberseite und Unterseite des piezoelektrischen Körper zwischen den Elektroden Nuten eingebracht sein, um die durch die Elektroden definierten, in etwa quaderförmigen Wandlerelemente besser voneinander akustisch zu entkoppeln. Da jede Elektrode bis zum Rand des piezoelektrischen Körpers geführt ist, entfällt die Notwendigkeit, innenliegende Wandlerelemente mit einer eigenen elektrischen Leitung zu kontaktieren, und die Herstellung eines matrixförmigen Arrays ist erleichtert.
  • Um mit dem Ultraschallwandler eine hohe Ortsauflösung zu erzielen, werden immer höhere Prüffrequenzen, insbesondere über 10 MHz, angestrebt. Die höheren Prüffrequenzen erfordern einen vergleichsweise dünnen piezoelektrischen Körper. Im Falle einer Piezokeramik und für Prüffrequenzen größer als 10 MHz liegt die Dicke der Piezokeramik im Bereich unter 0,1 mm. Um eine ausreichend hohe Ortsauflösung zu erzielen, müssen außerdem die Elektroden geometrisch fein strukturiert werden. Beispielsweise sollten hierbei die einzelnen Wandlerelemente bei einer Prüffrequenz von größer als 10 MHz eine Breite von etwa kleiner 0,3 mm aufweisen.
  • Sowohl die feine geometrische Strukturierung der Elektroden als auch das Bonden der elektrischen Leitungen ist bei solch dünnen piezoelektrischen Körpern aufgrund der Sprödigkeit der Piezokeramik fertigungstechnisch aufwendig.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen einfach herstellbaren Ultraschallwandler sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben.
  • Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einem Ultraschallwandler mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Der wesentliche Vorteil dieses Ultraschallwandlers ist darin zu sehen, dass die geometrische Verteilung der Wandlerelemente im Wesentlichen durch ein geometrisches Leiterbahnmuster der Leiterbahnfolie festgelegt ist. Mit anderen Worten: Die Leiterbahnen oder zumindest Teilbereiche der einzelnen Leiterbahnen legen die Kontaktelektroden für den piezoelektrischen Körper fest. Über diese Kontaktelektroden wird der piezoelektrische Körper durch Beaufschlagung mit einem Spannungsimpuls angeregt und dadurch werden die einzelnen Wandlerelemente in geeigneter Weise eingesteuert. Diese Kontaktelektroden sind durch die einzelnen Leiterbahnen oder zumindest durch Teilbereiche der einzelnen Leiterbahnen der Leiterbahnfolie gebildet. Die Leiterbahnen bzw. Teilbereiche von ihnen liegen entweder unmittelbar oder mittelbar über eine dünne Zwischenschicht am piezoelektrischen Körper an. Die bisher üblichen, auf die Piezokeramik aufgedampften Elektroden sind nicht notwendig. Dadurch entfällt ein Verfahrensschritt bei der Herstellung der piezoelektrischen Komponente, wodurch sich Kosteneinsparungen erzielen lassen. Die Wandlerelemente sind dadurch durch das Zusammenwirken des piezoelektrischen Körpers mit der Leiterbahnfolie gebildet.
  • Da es sich bei der Leiterbahnfolie um ein separates Bauteil handelt, ist die Herstellung des Ultraschallwandlers besonders einfach. Denn die Ausbildung des Leiterbahnmusters zur Bestimmung der einzelnen Wandlerelemente kann in einem speziellen Verfahrensprozess bei der Herstellung der Leiterbahnfolie verwirklicht werden, ohne die materialspezifischen Bedingungen der piezoelektrischen Komponente berücksichtigen zu müssen.
  • Die Verwendung einer Leiterbahnfolie ermöglicht außerdem die fertigungstechnisch einfache Verwirklichung sowohl einfacher als auch komplexer Geometrien. Neben einfachen geradlinigen Leiterbahnen sind auch komplexe Muster durch verwinkelte oder gekrümmte Leiterbahnen möglich. Hierbei besteht insbesondere die Möglichkeit, ein Array von Wandlerelementen mit beispielsweise quadratischer Grundfläche auszubilden und anzusteuern.
  • Als piezoelektrischer Körper ist hierbei insbesondere ein handelsüblicher piezokeramischer Körper vorgesehen. Alternativ hierzu kann auch ein Piezo-Komposite als piezoelektrischer Körper herangezogen werden. Als Piezo-Komposite wird im Allgemeinen ein Bauteil bezeichnet, bei dem piezoelektrische, insbesondere piezokeramische Stäbchen, in einer passiven Phase, insbesondere Kunststoff, eingebettet sind. Ein Piezo-Komposite ist weniger spröde als eine Vollkeramik und insbesondere in gewissem Maße biegbar. Ein weiterer Vorteil ist seine gute Dämpfungseigenschaft, die im Wesentlichen durch die elastischen Eigenschaften der Kunststoffmatrix bestimmt wird.
  • Die Verwendung einer Leiterbahnfolie zur Ausbildung des Ultraschallwandlers hat außerdem den Vorteil, dass die Kontaktierung der zum Ansteuern der einzelnen Wandlerelemente notwendigen Steuerleitungen mit den einzelnen Leiterbahnen in einfacher Weise möglich ist. Bei herkömmlichen Ultraschallwandlern sind auf die Piezokeramik die einzelnen Elektroden aufgedampft, an denen unmittelbar die dem jeweiligen Wandlerelement zugeordnete Steuerleitungen kontaktiert sind. Die Kontaktierung erfolgt dabei in der Regel durch Löten oder Leitkleben. Der Anschluss der Steuerleitungen wirft jedoch bei zunehmend feineren geometrischen Strukturen Probleme auf. Die Verwendung einer Leiterbahnfolie hat hier den entscheidenden Vorteil, dass die das geometrische Muster der Wandlerelemente bestimmenden Leiterbahnen beispielsweise über die piezoelektrische Komponente hinaus in einen Kontaktbereich geführt werden. Im Kontaktbereich enden die schmalen Leiterbahnen bevorzugt in ausreichend großen Kontaktflächen zum Kontaktieren der einzelnen Steuerleitungen.
  • Für eine besonders einfache und damit auch kostengünstige Ausbildung weist der piezoelektrische Körper eine einfache geometrische Form ohne spezielle Strukturierung auf. Sie ist beispielsweise als flacher, quaderförmiger Körper ausgebildet. Solche quaderförmigen piezokeramischen Komponenten sind in einfacher Weise herstellbar.
  • Zweckdienlicherweise ist für eine gute Kontaktierung oder Ankopplung zwischen dem piezoelektrischen Körper und der Leiterbahnfolie die Leiterbahnfolie auf den piezoelektrischen Körper aufgeklebt oder durch mechanische Anpressung mit diesem fest verbunden.
  • Für eine einfache Herstellung des Ultraschallwandlers ist auf der Rückseite des piezoelektrischen Körpers, wobei diese Rückseite der Leiterbahnfolie abgewandt ist, eine einzige Masseelektrode vorgesehen. Die geometrische Verteilung oder das geometrische Muster der Wandlerelemente wird also einzig und allein durch die Leiterbahnfolie bestimmt.
  • In einer vorteilhaften Ausbildung ist der piezoelektrische Körper gekrümmt ausgebildet. Aufgrund der zweiteiligen Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist dies herstellungstechnisch ohne großen Aufwand zu verwirklichen, da in den gekrümmten piezoelektrischen Körper, insbesondere Piezokeramik, keine Einkerbungen eingebracht werden müssen. Vielmehr schmiegt sich die elastische Leiterbahnfolie an den gekrümmten piezoelektrischen Körper an.
  • In einer zweckdienlichen Ausgestaltung weist die piezoelektrische Komponente zwischen den einzelnen Wandlerelementen Einschnitte auf. Zwar wirft dies insbesondere bei sehr feinen geometrischen Strukturen und bei der Verwendung einer Piezokeramik herstellungstechnische Probleme auf, wie sie eingangs erwähnt wurden. Jedoch wird durch die Einschnitte eine verbesserte akustische Entkopplung zwischen den einzelnen Wandlerelementen erzielt. Dadurch wird die Qualität des Ultraschallwandlers verbessert.
  • Zur erfindungsgemäßen Lösung der auf ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers mit einer Anzahl von Wandlerelementen bezogenen Aufgabe ist es vorgesehen, dass auf einen piezoelektrischen Körper eine Leiterbahnfolie mit einem Leiterbahnmuster aufgebracht wird, die im Wesentlichen die geometrische Verteilung der einzelnen Wandlerelemente bestimmt.
  • Dieses Verfahren ermöglicht ein besonders einfaches und kostengünstiges Herstellen des Ultraschallwandlers. Die im Hinblick auf den Ultraschallwandler erwähnten Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen sind sinngemäß auch auf das Verfahren anwendbar. Weitere vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen Darstellungen:
    • FIG 1
    einen Querschnitt durch einen Ultraschallwandler längs der Leiterbahnen einer auf einer Piezokeramik aufge- brachten Leiterbahnfolie,
    FIG 2
    einen Querschnitt längs der Leiterbahnen durch eine al- ternative Ausgestaltung eines Ultraschallwandlers,
    FIG 3
    einen Querschnitt senkrecht zu den Leiterbahnen durch einen Ultraschallwandler
    FIG 4
    eine Querschnitt senkrecht zu den Leiterbahnen durch ei- ne alternative Ausbildung des Ultraschallwandlers,
    FIG 5
    eine Aufsicht auf eine Leiterbahnfolie, und
    FIG 6
    eine Aufsicht auf eine alternative Leiterbahnfolie.
  • Gleichwirkende Teile sind in den einzelnen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Gemäß den FIG 1 und 2 weist ein Ultraschallwandler 2 ein Gehäuse 4 auf, welches durch eine punktierte Linie angedeutet ist. Im Gehäuse 4 des Ultraschallwandlers 2 ist ein piezoelektrischer Körper, insbesondere eine plattenförmige Piezokeramik 6, eine Leiterbahnfolie 8 sowie ein Dämpfungskörper 10 angeordnet. Die Leiterbahnfolie 8 ist auf der Piezokeramik 6 aufgebracht.
  • Die beiden Ausführungsbeispiele gemäß FIG 1 und FIG 2 unterscheiden sich im Wesentlichen dahingehend, dass gemäß FIG 1 die Piezokeramik 6 zwischen der Leiterbahnfolie 8 und dem Dämpfungskörper 10 angeordnet ist, und dass gemäß FIG 2 die Leiterbahnfolie 8 zwischen der Piezokeramik 6 und dem Dämpfungskörper 10 angeordnet ist. Die Leiterbahnfolie 8 ist auf der Piezokeramik 6 beispielsweise durch Kleben oder durch mechanisches Anpressen aufgebracht. Das mechanische Anpressen erfolgt gemäß FIG 2 dadurch, dass die Leiterbahnfolie 8 sandwichartig zwischen dem Dämpfungskörper 10 und der Piezokeramik 6 eingeklemmt wird.
  • Die Piezokeramik 6 ist insbesondere als quaderförmiger Körper einfacher Geometrie ausgebildet mit einer ersten Flachseite 12, auf der die Leiterbahnfolie 8 angebracht ist. Der Flachseite 12 gegenüber weist die Piezokeramik 6 eine Rückseite 14 auf. An dieser ist auf der Piezokeramik 6 eine Masseelektrode 16, beispielsweise durch Bedampfen, aufgebracht. Diese Masseelektrode 16 erstreckt sich über die gesamte Rückseite 14 der Piezokeramik 6. Über einen seitlich an der Piezokeramik 6 angeordneten Kontaktpunkt 16 ist eine Masseleitung 20 mit der Masseelektrode 16 kontaktiert.
  • Gemäß FIG 1 weist die Piezokeramik 6 auch auf ihrer ersten Flachseite 12 eine weitere Elektrode 21 auf. Derartige Piezokeramiken 6 mit beidseitig aufgedampften Elektroden 21,16 sind standardmäßig erhältlich. Im Ausführungsbeispiel der FIG 1 sind auf der weiteren Elektrode 21 Kontaktelektroden 22 angeordnet, die von den Leiterbahnen 24 der Leiterbahnfolie 8 gebildet sind. Die Leiterbahnen 24 legen eine geometrische Struktur oder ein geometrisches Muster der Leiterbahnfolie 8 fest (vgl. zur Ausbildung der Leiterbahnfolie 8 insbesondere FIG 5 und FIG 6). Im Fall der FIG 1 ist es erforderlich, dass die aufgedampfte weitere Elektrode 21 zwischen den einzelnen Leiterbahnen 24 des Leiterbahnmusters elektrisch unterbrochen ist, um einen flächigen Kontakt über die gesamte Piezokeramik 6 zwischen den einzelnen Leiterbahnen 24 zu vermeiden. Mit anderen Worten: Die weitere Elektrode 21 muss in einer der geometrischen Struktur des Leiterbahnmusters entsprechenden Weise strukturiert werden.
  • Die unmittelbar auf die Piezokeramik 6 aufgedampfte weitere Elektrode 21 ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Eine derartige Ausbildung ohne weitere Elektrode 21 ist in FIG 2 dargestellt, gemäß der die Leiterbahnfolie 8 unmittelbar ohne Zwischenfügen einer aufgedampften Elektrode 21 auf der Piezokeramik 6 angeordnet ist.
  • Zu jeder Leiterbahn 24 der Leiterbahnfolie 8 ist ein Kontaktpunkt 18 vorgesehen, an den eine Steuerleitung 26 angeschlossen ist. Über die Steuerleitung 26 wird der Ultraschallwandler 2 mit einem Spannungsimpuls beaufschlagt, so dass die Piezokeramik 6 zum Schwingen angeregt wird. Die Schwingungsfrequenz der Piezokeramik 6 und damit die Prüffrequenz des Ultraschallwandlers 2 wird im Wesentlichen durch die Dicke D der Piezokeramik 6 bestimmt. Um Prüffrequenzen oberhalb von 10 MHz zu erreichen, ist es notwendig, dass die Dicke D etwa 0,1 mm und kleiner ist. Der vom Ultraschallwandler 2 erzeugte Schall wird in durch einen Pfeil dargestellte Signal- oder Abstrahlrichtung 28 abgestrahlt.
  • Der Ultraschallwandler 2 ist als Gruppenstrahler oder Gruppenstrahlsensor ausgebildet und weist hierzu eine Anzahl von einzelnen Wandlerelementen 30 auf, die am besten in den FIG 3 und 4 zu erkennen sind, wo sie schraffiert dargestellt sind. In FIG 3 und FIG 4 ist der Ultraschallwandler 2 nur teilweise ohne Gehäuse 4 und Dämpfungskörper 10 dargestellt.
  • Die geometrische Verteilung der einzelnen Wandlerelemente 30 ist gemäß FIG 3 einzig durch die Leiterbahnen 24 der Leiterbahnfolie 8, also durch das Leiterbahnmuster, festgelegt. Dabei ist jedem Wandlerelement 30, beispielsweise dem Wandlerelement 30A, eine Leiterbahn 24, beispielsweise die Leiterbahn 24A, zugeordnet. Über die Leiterbahn 24A, welche als Kontaktelektrode 22 dient, kann das Wandlerelement 30A selektiv und unabhängig von den anderen Wandlerelementen 30 angesteuert werden. Das Wandlerelement 30A ist durch das Zusammenwirken der Leiterbahn 24A mit der Piezokeramik 6 gebildet, da die Leiterbahn 24A die geometrische Abmessung des Wandlerelements 30A bestimmt. Durch die geometrische Begrenzung der Leiterbahn 24A wird die Piezokeramik 6 selektiv, also nur in einem bestimmten Bereich angeregt und schwingt in diesem Bereich, welcher das schraffiert dargestellte Wandlerelement 30A bildet. Durch die selektive Anregung ist eine gewisse akustische Entkopplung zu benachbarten Wandlerelementen 30 erzielt.
  • Um die akustische Entkopplung benachbarter Wandlerelemente 30 zu verbessern, ist gemäß FIG 4 vorgesehen, in die Piezokeramik 6 Einschnitte 32 einzubringen. Im Querschnitt gesehen ist die Piezokeramik 6 also zinnenartig ausgebildet, wobei auf den Zinnen 34 die einzelnen als Kontaktelektroden 22 ausgebildeten Leiterbahnen 24 angebracht sind. Durch die bessere akustische Entkopplung benachbarter Wandlerelemente 30 ist der Ultraschallwandler gemäß FIG 4 qualitativ höherwertiger als der gemäß FIG 3. Dies ist insbesondere aufgrund der Problematik beim Einbringen der Einschnitte 32 in die Piezokeramik 6 allerdings mit einem sehr hohen Mehraufwand verbunden. Der Ultraschallwandler 2 gemäß FIG 4 ist daher in seiner Herstellung deutlich kostenintensiver als der gemäß FIG 3. Letzterer bietet sich also insbesondere für Einsatzzwecke an, in denen die Qualität eine untergeordnete Rolle spielt, dafür der Preis des Ultraschallwandlers maßgeblich ist.
  • Im Vergleich zu der herkömmlichen Ausbildung, bei der in eine Piezokeramik 6, die auf zwei Seiten bereits mittels Bedampfen aufgebrachte durchgehende Elektroden aufweist, zur Ausbildung der Wandlerelemente 30 Einschnitte 32 vorgenommen werden, weist die Ausführung gemäß FIG 4 einen entscheidenden Vorteil auf. Nämlich ist über die Leiterbahnen 24 eine sehr einfache Kontaktierung der Steuerleitungen 26 ermöglicht. Bei den herkömmlichen Ultraschallwandlern ist demgegenüber die Kontaktierung der Steuerleitungen 26 unmittelbar an der aufgedampften Elektrode, nicht zuletzt aufgrund der feinen geometrischen Strukturen, sehr schwer. Um die durch die hohen Prüffrequenzen erreichbare Ortsauflösung voll ausschöpfen zu können, weisen die einzelnen Wandlerelemente 30 vorzugsweise eine Breite B auf, die im Falle der Prüffrequenzen oberhalb von 10 MHz bei 0,3 mm und darunter liegen.
  • Gemäß FIG 5 wird das Leiterbahnmuster der Leiterbahnfolie 8 durch parallel zueinander verlaufende Leiterbahnen 24 gebildet. Endseitig ist an jeder Leiterbahn 24 ein Kontaktpunkt 18 zum Anschluss einer Steuerleitung 26 vorgesehen. Die Leiterbahnen 24 stellen die für die Bestimmung der Wandlerelemente 30 wesentliche geometrische Struktur der Leiterbahnfolie 8 dar. Sie sind zugleich bevorzugt über ihre ganze Länge als Anschlusselektroden 21 ausgebildet und definieren damit im Ausführungsbeispiel der FIG 5 langgestreckte Wandlerelemente 30 .
  • Ein derartiger Ultraschallwandler 2 mit den parallel zueinander über die gesamte Länge der Piezokeramik 6 verlaufenden Leiterbahnen 24 bildet ein sogenanntes lineares Ultraschallwandler-Array. Bei einem solchen Array ist es möglich, durch phasenverzögerte Ansteuerung der einzelnen Wandlerelemente 30 Ultraschallsignale in unterschiedliche Signal- oder Abschaltrichtungen 28 abzugeben. Werden die Phasenbeziehungen verändert, so kann die Signalrichtung des abgegebenen Ultraschallsignals (und gleichermaßen eines empfangenen Reflexionssignals) variiert werden. Bei einem linearen Array, wie es durch die Ausbildung gemäß Fig. 5 verwirklicht ist, lässt sich die Signalrichtung um eine Schwenkachse in einer Ebene schwenken.
  • Eine im Vergleich zur Leiterbahnfolie 8 der FIG 5 komplexere Leiterbahngeometrie weist die Leiterbahnfolie 8 gemäß FIG 6 auf. Bei dieser Ausführung ist das die geometrische Struktur der Wandlerelemente 30 bestimmende Leiterbahnmuster durch Leiterbahnteilstücke in Form von Leiterbahnpads 36 gebildet. Diese sind auf der Leiterbahnfolie 8 matrixförmig ausgeführt. Im Ausführungsbeispiel der FIG 6 bilden sie eine 3x3 Matrix. Jedes der Leiterbahnpads 36 ist über eine Verbindungsleitung 38 der jeweiligen Leiterbahn 24 mit einem Kontaktpunkt 18 verbunden. Sämtliche Kontaktpunkte 18 der einzelnen Leiterpads 36 sind in einem Kontaktbereich 40 der Leiterbahnfolie 8 angeordnet.
  • Die Leiterbahnpads 36 bilden die Elektroden 22 und stehen in entweder in unmittelbarem elektrischen Kontakt mit der Piezokeramik 6 (vgl. hierzu FIG 2) oder sind von dieser durch eine dünne, die kapazitive Einkopplung nur unwesentlich beeinflussende Schicht, beispielsweise eine zum Laminieren der Leiterbahnfolie 8 auf die Piezokeramik 6 aufgetragene Klebeschicht, elektrisch isoliert.
  • Mit einem derartigen matrixförmigen Ultraschallwandler-Array ist durch eine geeignete phasenverzögerte Ansteuerung der einzelnen durch die Leiterbahnpads 36 bestimmten Wandlerelemente 30 ein Schwenk der Signal- oder Abstrahlrichtung 28 in beliebiger Raumrichtung ermöglicht.

Claims (10)

  1. Ultraschallwandler (2) mit einem piezoelektrischen Körper (6), der eine Anzahl von Wandlerelementen (30) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der piezoelektrische Körper (6) auf einer seiner Flachseiten (12) mit einer Leiterbahnfolie (8) versehen ist, deren Leiterbahnmuster (24,36) im Wesentlichen die geometrische Verteilung der Wandlerelemente (30) bestimmt.
  2. Ultraschallwandler (2) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der piezoelektrische Körper (6) eine einfache geometrische Form ohne spezielle Strukturierung aufweist.
  3. Ultraschallwandler (2) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Leiterbahnfolie (8) auf den piezoelektrischen Körper (6) aufgeklebt oder durch mechanische Anpressung mit ihm verbunden ist.
  4. Ultraschallwandler (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zum Ansteuern der einzelnen Wandlerelemente (30) Steuerleitungen (26) vorgesehen sind, die an der Leiterbahnfolie (8) kontaktiert sind.
  5. Ultraschallwandler (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass auf der der Leiterbahnfolie (8) abgewandten Rückseite (14) des piezoelektrischen Körpers (6) eine einzige Masseelektrode (16) vorgesehen ist.
  6. Ultraschallwandler (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Leiterbahnfolie (8) zwischen einem Dämpfungskörper (10) und dem piezoelektrischen Körper (6) angeordnet ist.
  7. Ultraschallwandler (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der piezoelektrische Körper (6) gekrümmt ausgebildet ist.
  8. Ultraschallwandler (2)nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die piezoelektrische Komponente (6) zwischen den einzelnen Wandlerelementen (30) Einschnitte (32) aufweisen.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (2) mit einer Anzahl von Wandlerelementen (30),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass auf einen piezoelektrischen Körper (6) eine Leiterbahnfolie (8) mit einem Leiterbahnmuster (24,26) aufgebracht wird, und dass das Leiterbahnmuster (24,26) im Wesentlichen die geometrische Verteilung der einzelnen Wandlerelemente (30) bestimmt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zum Ansteuern der einzelnen Wandlerelemente (30) vorgesehene Steuerleitungen (26) an der Leiterbahnfolie (8) kontaktiert werden.
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