EP1796076A1 - Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors - Google Patents

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EP1796076A1 EP06019834A EP06019834A EP1796076A1 EP 1796076 A1 EP1796076 A1 EP 1796076A1 EP 06019834 A EP06019834 A EP 06019834A EP 06019834 A EP06019834 A EP 06019834A EP 1796076 A1 EP1796076 A1 EP 1796076A1
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nickel layer
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membrane
nickel
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Hans-Wilhem Wehling
Uwe Kupfernagel
Dietmar Grüdl
Thomas Jung
Heinrich Dr. Gotzig
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/122—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an ultrasonic sensor with a membrane for generating ultrasonic signals, wherein the membrane has a membrane bottom, on which a surface coating is applied, which comprises a chromium layer.
  • Known ultrasonic sensors have a membrane, which is usually cup-shaped and has a diaphragm bottom, which is set in vibration via a piezoelectric transducer so that the diaphragm bottom can emit and receive ultrasonic signals.
  • the surface coating serves on the one hand to protect the membrane base and on the other hand has the purpose of the Optionally inconspicuous to integrate the ultrasonic sensor in an installation environment on the motor vehicle.
  • An ultrasonic sensor should have the highest possible efficiency in order to achieve good ranges. Furthermore, a good durability of the chromium layer is desired, which is visually pleasing even after prolonged use in a partially aggressive environment.
  • the present invention has the object to provide a method for producing an ultrasonic sensor, with which an ultrasonic sensor can be created, which has a high efficiency and consistently high optical requirements.
  • This object is achieved in that between the diaphragm bottom and the chromium layer, a nickel layer is arranged and that the thickness of the membrane bottom and / or at least one layer of the surface coating is influenced so that a predetermined natural frequency of the composite membrane bottom, nickel layer and chromium layer is adjusted ,
  • the natural frequency of the membrane base is that frequency which, when excited by the piezoelectric transducer, leads to the highest amplitude of the composite in order to generate correspondingly strong ultrasonic signals.
  • the piezoelectric transducer In order to be able to set a natural frequency predetermined for example by the piezoelectric transducer, it is sufficient to slightly change the thickness of the membrane bottom and / or at least one layer of the surface coating or to produce the same in such a way that the predetermined natural frequency is established.
  • the thickness of the nickel layer is adjusted. It has been found that with a comparatively thin surface coating, the thickness of the nickel layer can influence the self-adjusting frequency of the composite composed of membrane bottom, nickel layer and chromium layer by up to 10%. Since the nickel layer is comparatively ductile and soft compared to the chromium layer, this is particularly well suited for setting the natural frequency.
  • the natural frequency of the composite can be adjusted by removing material from the membrane bottom provided with the surface coating on the side facing away from the surface coating.
  • the removal of comparatively little material has a high influence on the natural frequency of the composite of membrane bottom, nickel layer and chromium layer.
  • the nickel layer is multi-layered. This makes it possible to further improve the surface quality of the ultrasonic sensor.
  • a first layer of the nickel layer can be applied galvanically to the membrane bottom using a sulfamate electrolyte.
  • the advantage here is that it is possible to work with comparatively high current densities, so that a comparatively thick first layer of the nickel layer can be applied in a relatively short time.
  • a second layer of the nickel layer is applied galvanically using a bright nickel electrolyte.
  • a bright nickel electrolyte With such a second layer smaller unevenness of the first layer of the nickel layer can be compensated, so that the surface is leveled as a whole.
  • Corresponding electrolytes are for example in " Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry ", Volume 12, Issue 1976, page 182 f , described. With these electrolytes very smooth and comparatively hard surface layers can be created, which also offer good corrosion protection.
  • Such a surface layer is well suited as a carrier layer for a chromium layer applied thereto. This chromium layer can be formed very thin on such a carrier layer.
  • the nickel layer has a thickness of 40 .mu.m to 100 .mu.m. Thicknesses within this interval offer a good compromise between quick and easy material application, durability and the ability to influence the natural frequency of the composite of the membrane bottom, nickel layer and chromium layer.
  • the thickness of the first layer of the nickel layer is between 50% and 90% of the thickness of the nickel layer.
  • the thickness of the second layer of the nickel layer may be between 10% and 50% of the nickel layer.
  • the thickness of the first layer of the nickel layer is 70% and the thickness of the second layer of the nickel layer is 30%.
  • the chrome layer can be applied by electroplating.
  • the thickness of the chromium layer may be less than 10 ⁇ m, preferably less than 3 ⁇ m, more preferably approximately 1 ⁇ m.
  • the invention also relates to an ultrasonic sensor manufactured according to one of the described methods.
  • a membrane is denoted overall by the reference numeral 2. This is formed substantially cup-shaped and has a circular disc-shaped membrane bottom 4, to which an annular jacket 6 connects laterally. The jacket 6 bounded on its inside a cylindrical cavity 8, which is also bounded by the bottom 10 of the membrane bottom 4.
  • a piezoelectric transducer In the cavity 8, a piezoelectric transducer can be arranged, which is in contact with the underside 10 of the membrane base 4. The piezoelectric transducer can thus set the diaphragm bottom 4 in vibration with appropriate electrical control.
  • the membrane base 4 has on the side facing away from the underside 10 on a visible side 12, which is visible when installed in an ultrasonic sensor and mounting this ultrasonic sensor on a vehicle.
  • a visible side 12 On the visible side 12, an outer lateral surface 13 connects.
  • the visible side 12 and the lateral surface 13 are provided with a surface coating, whose structure in the following with further reference to Figure 2 is described.
  • a first layer 14 of a nickel layer is applied to the membrane base 4 or to the lateral surface 13, preferably by electroplating and using a sulfamate electrolyte.
  • a second layer 16 of the nickel layer is applied, preferably galvanically and using a bright nickel electrolyte.
  • the layers 14 and 16 together form a nickel layer 18.
  • a chromium layer 20 is applied on the layer 18.
  • the thickness 22 of the chromium layer 20 is comparatively small and amounts to a few ⁇ m, preferably 1 to 2 ⁇ m.
  • the thickness 24 of the nickel layer 18 may be between 40 and 100 microns, in particular 50 microns.
  • the thickness 26 of the membrane base 4 is a few 100 microns.
  • the thickness 28 of the first layer 14 of the nickel layer 18 is between 50% and 90% of the thickness of the nickel layer 18, preferably 70%.
  • the thickness 30 of the second layer 16 of the nickel layer 18 is preferably 10% to 50%, in particular 30%, of the thickness 24 of the nickel layer 18.
  • the natural frequency of the composite membrane bottom 4, nickel layer 18 and chromium layer 20 can be adjusted.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors mit einer Membran zur Erzeugung von Ultraschallsignalen, wobei die Membran einen Membranboden (4) aufweist, auf den eine Oberflächenbeschichtung aufgetragen wird, die eine Chromschicht (20) umfasst, wobei zwischen dem Membranboden (4) und der Chromschicht (20) eine Nickelschicht (18) angeordnet wird und wobei die Dicke (22, 24, 26) des Membranbodens (4) und/oder wenigstens einer Schicht (18, 20) der Oberflächenbeschichtung so beeinflusst wird, dass eine vorgegebene Eigenfrequenz des Verbundes aus Membranboden (4), Nickelschicht (18) und Chromschicht (20) eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors mit einer Membran zur Erzeugung von Ultraschallsignalen, wobei die Membran einen Membranboden aufweist, auf den eine Oberflächenbeschichtung aufgetragen wird, die eine Chromschicht umfasst.
  • Bekannte Ultraschallsensoren weisen eine Membran auf, die üblicherweise topfförmig ausgebildet ist und einen Membranboden aufweist, der über einen Piezo-Wandler in Schwingung versetzt wird, so dass der Membranboden Ultraschallsignale aussenden und empfangen kann. Die Oberflächenbeschichtung dient einerseits zum Schutz des Membranbodens und hat andererseits den Zweck, den Ultraschallsensor optisch möglichst unauffällig in eine Einbauumgebung am Kraftfahrzeug integrieren zu können.
  • Ein Ultraschallsensor sollte einen möglichst hohen Wirkungsgrad haben, um gute Reichweiten erzielen zu können. Ferner ist eine gute Haltbarkeit der Chromschicht erwünscht, die auch nach langem Gebrauch in teilweise aggressiver Umgebung optisch gefällig ist.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors vorzuschlagen, mit dem ein Ultraschallsensor geschaffen werden kann, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist und der dauerhaft hohen optischen Ansprüchen genügt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen dem Membranboden und der Chromschicht eine Nickelschicht angeordnet wird und dass die Dicke des Membranbodens und/oder wenigstens einer Schicht der Oberflächenbeschichtung so beeinflusst wird, dass eine vorgegebene Eigenfrequenz des Verbundes aus Membranboden, Nickelschicht und Chromschicht eingestellt wird.
  • Es hat sich herausgestellt, dass mit einer zwischen dem Membranboden und der Chromschicht angeordneten Nickelschicht ein Verbund geschaffen werden kann, dessen Chromschicht sehr dauerhaltbar ist. Dies liegt daran, dass die harte und spröde Chromschicht auf die weichere und duktile Nickelschicht aufgetragen wird.
  • Im Rahmen der Erfindung konnte festgestellt werden, dass vergleichsweise geringe Änderungen der Dicken des Membranbodens und/oder von wenigstens einer Schicht der Oberflächenbeschichtung große Einflüsse auf die Eigenfrequenz des Verbundes aus Membranboden, Nickelschicht und Chromschicht haben. Die Eigenfrequenz des Membranbodens ist diejenige Frequenz, die bei einer Anregung durch den Piezo-Wandler zur höchsten Amplitude des Verbundes führt, um entsprechend starke Ultraschallsignale zu erzeugen.
  • Um eine beispielsweise durch den Piezo-Wandler vorgegebene Eigenfrequenz einstellen zu können, genügt es, die Dicke des Membranbodens und/oder wenigstens einer Schicht der Oberflächenbeschichtung geringfügig zu ändern oder gleich so herzustellen, dass sich die vorgegebene Eigenfrequenz einstellt.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die Dicke der Nickelschicht angepasst. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer vergleichsweise dünnen Oberflächenbeschichtung die Dicke der Nickelschicht die sich einstellende Eigenfrequenz des Verbundes aus Membranboden, Nickelschicht und Chromschicht um bis zu 10 % beeinflussen kann. Da die Nickelschicht im Vergleich zur Chromschicht vergleichsweise duktil und weich ist, eignet sich diese besonders gut zur Einstellung der Eigenfrequenz.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Eigenfrequenz des Verbundes eingestellt werden, indem von dem mit der Oberflächenbeschichtung versehenen Membranboden auf der der Oberflächenbeschichtung abgewandten Seite Material abgetragen wird. Bereits der Abtrag von vergleichsweise wenig Material hat einen hohen Einfluss auf die Eigenfrequenz des Verbundes aus Membranboden, Nickelschicht und Chromschicht. Somit ist es möglich, die einzelnen Schichten der Oberflächenbeschichtung mit groben Toleranzen behaftet aufzutragen, die sich einstellende Eigenfrequenz zu messen und danach durch Abtrag von Material aus dem Membranboden die Eigenfrequenz zu beeinflussen. Durch den Abtrag des Materials wird die Eigenfrequenz reduziert.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Nickelschicht mehrlagig. Dies ermöglicht es, die Oberflächenqualität des Ultraschallsensors weiter zu verbessern. So kann beispielsweise auf den Membranboden eine erste Lage der Nickelschicht galvanisch unter Verwendung eine Sulfamat-Elektrolyts aufgetragen werden. Der Vorteil hierbei ist, dass mit vergleichsweise hohen Stromdichten gearbeitet werden kann, so dass in relativ kurzer Zeit eine vergleichsweise dicke erste Lage der Nickelschicht aufgetragen werden kann.
  • Um die optischen Eigenschaften des Ultraschallsensors weiter zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass eine zweite Lage der Nickelschicht galvanisch unter Verwendung eines Glanznickel-Elektrolyts aufgetragen wird. Mit einer solchen zweiten Lage können kleinere Unebenheiten der ersten Lage der Nickelschicht ausgeglichen werden, so dass die Oberfläche insgesamt eingeebnet ist. Entsprechende Elektrolyte sind beispielsweise in "Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie", Band 12, Ausgabe 1976, Seite 182 f. beschrieben. Mit diesen Elektrolyten können sehr glatte und vergleichsweise harte Oberflächenschichten geschaffen werden, die auch guten Korrosionsschutz bieten. Eine solche Oberflächenschicht ist als Trägerlage für eine hierauf aufsetzende Chromschicht gut geeignet. Diese Chromschicht kann auf einer solchen Trägerlage sehr dünn ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass das spröde Chrommaterial bei einem Schwingen des Membranbodens und den damit verbundenen Verformungen weniger mechanischen Belastungen ausgesetzt wird als bei Verwendung einer vergleichsweise dicken Chromschicht. Bei einer solchen dicken Chromschicht entstehen bei Verformung des Membranbodens höhere Eigenspannungen, die eine Rissbildung innerhalb der Chromschicht bewirken können.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist die Nickelschicht eine Dicke von 40 µm bis 100 µm auf. Dicken innerhalb dieses Intervalls bieten einen guten Kompromiss aus schnellem und einfachem Materialauftrag, Dauerhaltbarkeit und der Möglichkeit, die Eigenfrequenz des Verbundes aus Membranboden, Nickelschicht und Chromschicht zu beeinflussen.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Dicke der ersten Lage der Nickelschicht zwischen 50 % und 90 % der Dicke der Nickelschicht. In entsprechender Weise kann die Dicke der zweiten Lage der Nickelschicht zwischen 10 % und 50 % der Nickelschicht betragen. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der ersten Lage der Nickelschicht 70 % und die Dicke der zweiten Lage der Nickelschicht 30 %.
  • Die Chromschicht kann galvanisch aufgetragen werden. Die Dicke der Chromschicht kann dabei weniger als 10 µm, vorzugsweise weniger als 3 µm, weiter vorzugsweise in etwa 1 µm betragen.
  • Die Erfindung betrifft auch einen Ultraschallsensor, der nach einem der beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in der Zeichnung gezeigten sowie in den Ansprüchen sowie in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. In der Zeichnung zeigen:
    • Figur 1
    eine geschnittene Seitenansicht einer Membran eines Ultraschallsensors;
    Figur 2
    eine vergrößerte Ansicht des Schichtaufbaus des Membranbodens der in Figur 1 dargestellten Membran; und
    Figur 3
    eine perspektivische Ansicht eines Ultraschallsensors mit einer Membran gemäß Figuren 1 und 2.
  • In Figur 1 ist eine Membran insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. Diese ist im Wesentlichen topfförmig ausgebildet und weist einen kreisscheibenförmigen Membranboden 4 auf, an den sich seitlich ein ringförmiger Mantel 6 anschließt. Der Mantel 6 begrenzt auf seiner Innenseite einen zylindrischen Hohlraum 8, der auch von der Unterseite 10 des Membranbodens 4 begrenzt ist.
  • In dem Hohlraum 8 kann ein Piezo-Wandler angeordnet werden, der in Anlage mit der Unterseite 10 des Membranbodens 4 steht. Der Piezo-Wandler kann somit bei entsprechender elektrischer Ansteuerung den Membranboden 4 in Schwingung versetzen.
  • Der Membranboden 4 weist auf der der Unterseite 10 abgewandten Seite eine Sichtseite 12 auf, die bei Einbau in einen Ultraschallsensor und Montage dieses Ultraschallsensors an einem Fahrzeug sichtbar ist. An die Sichtseite 12 schließt sich eine äußere Mantelfläche 13 an. Die Sichtseite 12 und die Mantelfläche 13 sind mit einer Oberflächenbeschichtung versehen, deren Aufbau im Folgenden mit weiterem Bezug auf Figur 2 beschrieben ist. Auf den Membranboden 4 bzw. auf die Mantelfläche 13 wird im Anschluss an eine chemische Reinigung der Membran 2 eine erste Lage 14 einer Nickelschicht aufgetragen, vorzugsweise galvanisch und unter Verwendung eines Sulfamat-Elektrolyts. Auf diese erste Lage 14 wird eine zweite Lage 16 der Nickelschicht aufgetragen, vorzugsweise galvanisch und unter Verwendung eines Glanznickel-Elektrolyts. Die Lagen 14 und 16 bilden gemeinsam eine Nickelschicht 18. Auf die Schicht 18 wird eine Chromschicht 20 aufgetragen. Die Dicke 22 der Chromschicht 20 ist vergleichsweise gering und beträgt wenige µm, vorzugsweise 1 bis 2 µm. Die Dicke 24 der Nickelschicht 18 kann zwischen 40 und 100 µm betragen, insbesondere 50 µm. Die Dicke 26 des Membranbodens 4 beträgt einige 100 µm. Die Dicke 28 der ersten Lage 14 der Nickelschicht 18 beträgt zwischen 50 % und 90 % der Dicke der Nickelschicht 18, vorzugsweise 70 %. Entsprechend beträgt die Dicke 30 der zweiten Lage 16 der Nickelschicht 18 vorzugsweise 10 % bis 50 %, insbesondere 30 % der Dicke 24 der Nickelschicht 18.
  • Durch die Wahl der Dicke 24 der Nickelschicht 18 und/oder durch den Abtrag von Material an der Unterseite 10 des Membranbodens 4 kann die Eigenfrequenz des Verbundes aus Membranboden 4, Nickelschicht 18 und Chromschicht 20 eingestellt werden.
  • Figur 3 zeigt einen Ultraschallsensor 32 mit einer Membran 2, die den mit Bezug auf Figuren 1 und 2 beschriebenen Aufbau aufweist. Der Ultraschallsensor 32 weist einen seitlichen Steckanschluss 34 auf, ein Kopfteil 36, das ein Gehäuse 38 umfasst, in dem die Membran 2 gelagert ist. Dabei umgibt das Gehäuse 38 den Mantel 6 in seitlicher Richtung; die Sichtseite 12 der Membran 2 bleibt unverdeckt, so dass Ultraschallsignale ausgesendet werden können.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors (32) mit einer Membran (2) zur Erzeugung von Ultraschallsignalen, wobei die Membran (2) einen Membranboden (4) aufweist, auf den eine Oberflächenbeschichtung aufgetragen wird, die eine Chromschicht (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Membranboden (4) und der Chromschicht (20) eine Nickelschicht (18) angeordnet wird und dass die Dicke (26) des Membranbodens (4) und/oder die Dicke (22, 24) wenigstens einer Schicht (18, 20) der Oberflächenbeschichtung so beeinflusst wird, dass eine vorgegebene Eigenfrequenz des Verbundes aus Membranboden (4), Nickelschicht (18) und Chromschicht (20) eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz des Verbundes eingestellt wird, indem die Dicke (24) der Nickelschicht (18) angepasst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz des Verbundes eingestellt wird, indem von dem mit der Oberflächenbeschichtung versehenen Membranboden (4) auf der der Oberflächenbeschichtung abgewandten Seite (10) Material abgetragen wird.
  4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelschicht (18) mehrlagig ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Membranboden (4) eine erste Lage (14) der Nickelschicht (18) galvanisch unter Verwendung eines Sulfamat-Elektrolyts aufgetragen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf die erste Lage (14) der Nickelschicht eine zweite Lage (16) der Nickelschicht (18) galvanisch unter Verwendung eines Glanznickel-Elektrolyts aufgetragen wird.
  7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelschicht (18) eine Dicke (24) von 40 µm bis 100 µm aufweist.
  8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (28) der ersten Lage (14) der Nickelschicht (18) zwischen 50 und 90% der Dicke (24) der Nickelschicht (18) beträgt.
  9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (30) der zweiten Lage (16) der Nickelschicht (18) zwischen 10% und 50% der Dicke (24) der Nickelschicht (18) beträgt.
  10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromschicht (20) galvanisch aufgetragen wird.
  11. Ultraschallsensor (32), hergestellt nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
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