EP1819455A2 - Verfahren zur herstellung eines ultraschallwandlers - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines ultraschallwandlers

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Publication number
EP1819455A2
EP1819455A2 EP05815597A EP05815597A EP1819455A2 EP 1819455 A2 EP1819455 A2 EP 1819455A2 EP 05815597 A EP05815597 A EP 05815597A EP 05815597 A EP05815597 A EP 05815597A EP 1819455 A2 EP1819455 A2 EP 1819455A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coating
ultrasonic transducer
component
depressions
electron beams
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05815597A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Berger
Patrick Oudoire
Achim Wiest
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.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP1819455A2 publication Critical patent/EP1819455A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/3568—Modifying rugosity
    • B23K26/3584—Increasing rugosity, e.g. roughening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/361—Removing material for deburring or mechanical trimming

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an ultrasonic transducer. Furthermore, the invention relates to a method for processing a surface.
  • the surface may be, for example, a metal, a ceramic or a plastic.
  • Surfaces can be processed by sand blasting or by laser radiation or electron beams. Thus, it is possible to clean the surface or even to impart some roughness to it, followed by a coating, e.g. To apply a paint better and to improve the adhesion of the coating. The roughness serves to ensure that e.g. the paint in the liquid state flows into the structures and then mechanically harder to separate from it in the cured state. This also applies to an adhesive to bond surfaces of components together.
  • flow meters are manufactured and sold. These flowmeters contain ultrasonic sensors, which consist of several components, which in turn are joined together via various adhesive layers. In order to obtain a solid and durable adhesive layer, the surfaces involved must be pretreated accordingly. For measurements with ultrasound, the surfaces must be machined very precisely and must be tightly tolerated. An important factor in this case is the nature of the surface in the sound beam, since the "quality" and the radiation characteristic of the sensors depend on these avengers.
  • the object of the invention is to provide a method for processing surfaces, so that show reproducible and narrowly tolerated results. This particular with regard to the production of ultrasonic transducers, which should have a constant radiation characteristic.
  • the invention solves the problem relating to the method for producing an ultrasonic transducer in a first variant by a method, wherein on at least one surface of the ultrasonic transducer by means of laser radiation and / or electron beams, a selectable structure is applied, and wherein the machined surface with at least one Coating is provided.
  • the invention solves the problem regarding the method for producing an ultrasonic transducer in a second variant by a method, wherein on at least one surface of the ultrasonic transducer by means of an etching process and / or using a wafer saw a selectable structure is applied, and wherein the processed Surface is provided with at least one coating.
  • Wafer saws are known, for example, from the semiconductor industry and serve to produce regular and fine structures. An etching process can be accomplished, for example, using photolithography.
  • the surface may be a piezoceramic or a metal to which a piezoceramic is to be applied to sound conversion.
  • the targeted application of a structure or a pattern a uniform surface structure is achieved, so that the coating can be applied with a uniform property.
  • the structuring of the surface is substantially the same for all ultrasonic transducers, so that the transducers do not differ from each other and are correspondingly interchangeable.
  • depressions or sequences of depressions are preferably provided. The coating material then penetrates into these depressions and is mechanically retained by the appropriate configuration of the depressions.
  • it is a structure with elevations, which are applied to the surface.
  • a structure of such a structure can be realized, for example, by fusing a powder at defined locations by means of focused laser radiation and / or focused electron beams.
  • the surface of the ultrasonic transducer may also be the surface of a component of the ultrasonic transducer, e.g. to act a drilled or structured plate of a multi-part ultrasonic transducer. The surface is thus also a surface of a part within the ultrasonic transducer.
  • Adhesion of the coating and / or the component is supported on the surface.
  • the structure is to be selected.
  • the coating is an adhesive for bonding two surfaces, it may be useful to create shallower depressions so that more adhesive is available between the surfaces or to achieve the thinnest possible adhesive layer.
  • the structure or the depressions of the structure results in the coating virtually digging into the surface, for example by broadening the depths downwards, ie away from the surface.
  • An embodiment provides that the coating is applied to the surface at reduced pressure, and / or that the coating is cured at a higher pressure than during application.
  • a negative pressure and curing a higher pressure preferably even an overpressure.
  • work is carried out with vacuum / negative pressure and during curing with overpressure.
  • the workpiece may need to be prepared with a vacuum if the dimensions of the recesses are smaller. If the pressure has been lowered accordingly, i. under atmospheric pressure, the coating can be started. During curing, the pressure is increased again and thus the cavities are filled with the coating material and the trapped air is compressed. Compression reduces the negative impact of the air / gas on the adhesion of the coating to the surface.
  • An embodiment provides that at least one component is applied to the coating, and that the structure is selected such that an acoustic adaptation of the applied component and / or the reflection and / or the transmission of ultrasound targeted by this machined surface is changed.
  • ultrasound sensors consist of several components, which are usually connected to one another by means of adhesion.
  • the surface are matched to each other or that physical effects are already achieved by the surface contact. This includes on the one hand an acoustic matching between the components or, for example, the reflection of ultrasound at this transition. Accordingly, the structure must then be chosen to achieve these effects.
  • An embodiment provides that on the surface of a component, which comes into contact with the coating and / or with the surface of the ultrasonic transducer, at least one second selectable structure is applied, and that the second structure is chosen such that the mechanical connection between the surface of the component and the coating and / or the surface of the ultrasonic transducer is selectively influenced.
  • a component On the surface of the ultrasonic transducer so a component is applied.
  • a second structure which may also be identical to the first structure on the surface of the ultrasound transducer, is then applied to the surface of this component. For example, both structures are pyramidal or conical. If the ultrasonic transducer and the component are made of different materials, these structures have the advantage that the transition from one material to another takes place continuously and without sharp transitions.
  • the one structure is a deep longitudinal groove and, in the correspondingly opposite structure, finer transverse grooves having a smaller depth, which intersect the tips of the longitudinal grooves.
  • the coating which is, for example, adhesive, can dig well mechanically.
  • An embodiment includes that the structure is chosen such that the reflection and / or the transmission of ultrasound is selectively changed by this machined surface.
  • This embodiment does not assume any component, ie it includes, for example, that in the coating, e.g. is a paint.
  • the structure is that a uniform height of the coating is achieved.
  • the pattern should be chosen so as to achieve a minimum height of the coating with little coating material.
  • the pattern / structure should therefore be chosen so that no elevations result.
  • the depressions have negative tendrils. The recesses open so inward and thus the coating material is retained by the surface quasi.
  • the invention solves the problem with a method for processing of a
  • the invention thus consists in that the surface is specifically processed in such a way that a pattern or a structuring results.
  • the structure or by a structure underlying the pattern thus the entire machined surface is designed uniformly and it is also different surfaces, the have been processed by the same method.
  • This method is thus a general configuration applied above in the manufacture of the ultrasonic transducer. It is therefore also possible to apply and implement all embodiments and special features of the method described below in the production method described above.
  • the structure is a depression created by the removal of the material, or increases due to the application of material, or a combination of both.
  • An embodiment of the method provides that the structure by means of laser radiation and / or electron beams whose beam axis is outside the perpendicular to the surface, is applied to the surface. Since the laser radiation or the electron beams are thus applied at an angle which is not perpendicular to the surface, flanks can be produced in the structure. Thus, like the entire method described here for applying a structure to a surface, this method is also applicable to the above-described method for producing an ultrasonic transducer.
  • An embodiment of the method includes that the structure by means of laser radiation and / or by means of electron beams whose beam axis rotates about an axis of rotation, is applied to the surface.
  • An embodiment of the method provides that at least one coating is applied to the surface after the application of the structure.
  • the surface is thus not only cleaned, but it is prepared for a subsequent process.
  • the coating is a paint or an adhesive.
  • the structure is chosen appropriately.
  • the structure is based on a periodic pattern. Due to the periodicity, the uniformity of the machined surface is realized. In the simplest case, the pattern may be a depression that is the same distance apart is repeated.
  • the structure furthermore advantageously has a sequence of depressions. Recesses have the advantage for subsequent coating that the coating material flows in and thereby the mechanical connection is enhanced.
  • the pattern is chosen such that the adhesion of the coating and / or the connection is supported with a component.
  • the adhesive force of the coating should therefore be increased.
  • depressions it may be possible for depressions to have a different depth, because, if appropriate, sufficient surface area for the drying - e.g. by heating - or the application of a drying agent must be present.
  • the structure is to be selected.
  • the coating is an adhesive for bonding two surfaces, it may be useful to create shallower depressions so that more adhesive is available between the surfaces or to achieve the thinnest possible adhesive layer. This purpose is served by particularly negative tendrils in the depressions. The depressions thus open away from the surface. This allows a clawing of the coating in the surface.
  • a control unit which controls a laser or the electron beams or other devices associated with the above method.
  • the control unit is accordingly designed such that a pattern can be entered in it or that several selectable patterns are stored in it.
  • FIGS. 2, 2a a schematic representation of a conventional one
  • FIGS. 3, 4 and 5 are schematic representations of three different structures which result from the method according to the invention.
  • Fig. 6, 6a, 6b schematic representation of the application of the structure with a rotating laser, as well as the resulting structures (section in Fig. 6a and plan view in Fig. 6b), and
  • FIGS. 7a, 7b and 7c schematic representation of a structure resulting from the use of a wafer saw.
  • Fig. 1 shows a step of manufacturing an ultrasonic transducer 2.
  • Surface 1 e.g. a metal surface of steel or stainless steel surface; or especially for the ultrasonic transducer 2 a piezoceramic - the ultrasonic transducer 2 is processed with a laser 21, which is controlled by the control unit 20.
  • the processing takes place via electron beams, via an etching process or using a wafer saw.
  • the control unit 20 for example, a structure to be applied or a pattern underlying the structure is deposited, which is to be applied by the laser 21 on the surface 1.
  • the detail A is shown and described in detail in the following figures.
  • the density of the structure for example, the recesses / cavities on the surface and also the size of the individual patterns are to be selected depending on the frequency or wavelength of the ultrasonic sensor.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the structure as it can be applied to the surface 1 according to the invention.
  • the surface 1 has a change of depressions or cavities 10 and elevations.
  • the pattern of the structure as a change of depression 10 and elevation or as a region without depression is essentially periodic. Through the recesses 10, the coating material can penetrate evenly and the mechanical strength is increased by the coating virtually engages in the surface 1.
  • the surface 1 is further designed so uniform that a uniform height or at least a minimum height of the coating can be guaranteed without an excess of coating material would be necessary.
  • the detail A which is shown in Fig. 4, shows a simpler embodiment of the pattern or the microstructure, which is applied with the laser.
  • the laser beams 22 are shown schematically here.
  • the coating can be used in the depressions 10 penetrate and quasi cling, so that a higher mechanical load capacity is given.
  • the focus 23 of the laser beams 22 lies within the machined surface, so that the cavities 10 receive a negative and a positive slope.
  • the negative slope provides very good mechanical anchoring of adhesives as coating 5.
  • the positive slope in conjunction with an adjusted aperture angle, provides the acoustic impedance match between a glued-on component 30 and the machined surface 1.
  • a coating e.g. a varnish so that the reflection on this surface 1 can be selectively reduced.
  • continuous transition is meant the atomic density of 100% adhesive to 100% material of the surface in the direction perpendicular to the surface.
  • FIGS. 7a, 7b and 7c show a further embodiment of the surface 1 of an ultrasonic transducer produced according to the invention.
  • Fig. 7a shows the side view of the surface 1
  • Fig. 7b shows the enlarged detail, which is indicated in Fig. 7a by the circle. Shown is a cone-like structure which has been applied to the surface by means of a wafer saw. Instead of the cones and pyramidal depressions 10 are possible. Alternatively, laser radiation or etching is possible for the generation of the structure.
  • the surface 1 is the surface 1 of a layer of a multilayer ultrasound sensor and you consider the reflection at the transition between two Media, ie take place between two layers, so results in a layer sequence piezoceramic - titanium - Plexiglas the strongest reflection between Plexiglas and titanium. This is precisely where the proposed method intervenes and the geometric structure is "blurred” from a "hard” transition to a continuous border area, thus enabling decoupling without direct reflection.
  • the wavelength of the ultrasound to the size of the individual elements (cones or pyramids) of the structure has to be considered. Therefore, the structure shown here is very advantageous.
  • Fig. 7c shows a plan view of the surface 1. It can be seen the uniform structure that results from the inventive method.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (2). Die Erfindung besteht darin, dass auf mindestens einer Oberfläche (1) des Ultraschallwandlers (2) mittels Laserstrahlung eine wählbare Struktur aufgebracht wird, und dass die bearbeitete Oberfläche (1) mit einer Beschichtung (5) versehen wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche (1).

Description

Beschreibung Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche. Bei der Oberfläche kann es sich beispielsweise um ein Metall, um eine Keramik oder um eine Plastik handeln.
[0002] Oberflächen lassen sich mittels Sandstrahlung oder auch mittels Laserstrahlung oder Elektronenstrahlen bearbeiten. Damit ist es möglich, die Oberfläche zu reinigen oder auch, ihr eine gewisse Rauhigkeit zur verleihen, um anschließend eine Be- schichtung, z.B. einen Lack besser aufbringen zu können und um das Haftverhalten der Beschichtung zu verbessern. Die Rauhigkeit dient dazu, dass z.B. der Lack im flüssigen Zustand in die Strukturen fließt und sich dann im ausgehärteten Zustand mechanisch viel schwerer von dieser trennen lässt. Dies gilt ebenfalls für einen Kleber, um Oberflächen von Bauteilen miteinander zu verbinden.
[0003] Bei den bisher standardisierten Verfahren mit Sandstrahlen ist ein Nachteil, dass die Oberfläche zusätzlich vor dem Sandstrahlen gewaschen und getrocknet werden muss, da oft das Strahlmittel mehrfach verwendet wird. Weiterhin liegt nach dem Sandstrahlen ein Abfall aus Strahlmittel und Oberflächenteilchen vor, der of als Sondermüll entsorgt werden muss.
[0004] Von der Anmelderin werden Durchflussmessgeräte hergestellt und vertrieben. Diese Durchflussmessgeräte enthalten Ultraschall-Sensoren, die aus mehreren Komponenten bestehen, welche wiederum über diverse Klebeschichten zusammengefügt werden. Um eine solide und belastbare Klebeschicht zu erhalten, müssen die beteiligten Oberflächen entsprechend vorbehandelt werden. Für die Messung mit Ultraschall gilt weiterhin, dass die Oberflächen sehr genau bearbeitet und eng toleriert werden müssen. Eine wichtige Größe ist dabei die Beschaffenheit der Oberfläche im Schallstrahl, da von diesen Rächen die „Qualität" und die Strahlungscharakteristik der Sensoren abhängt.
[0005] Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Bearbeitung von Oberflächen anzugeben, so dass sich reproduzierbare und eng tolerierte Ergebnisse zeigen. Dies insbesondere im Hinblick auf die Herstellung von Ultraschallwandlern, die eine gleich bleibende Strahlungscharakteristik aufweisen sollen.
[0006] Die Erfindung löst die Aufgabe bezüglich des Verfahrens zur Herstellung eines Ultraschallwandlers in einer ersten Variante durch ein Verfahren, wobei auf mindestens einer Oberfläche des Ultraschallwandlers mittels Laserstrahlung und/oder Elektronenstrahlen eine wählbare Struktur aufgebracht wird, und wobei die bearbeitete Oberfläche mit mindestens einer Beschichtung versehen wird. [0007] Die Erfindung löst die Aufgabe bezüglich des Verfahrens zur Herstellung eines Ultraschallwandlers in einer zweiten Variante durch ein Verfahren, wobei auf mindestens einer Oberfläche des Ultraschallwandlers mittels eines Ätzvorgangs und/oder unter Verwendung einer Wafersäge eine wählbare Struktur aufgebracht wird, und wobei die bearbeitete Oberfläche mit mindestens einer Beschichtung versehen wird. Wafersägen sind beispielsweise aus der Halbleiterindustrie bekannt und dienen dazu, regelmäßige und feine Strukturen zu erzeugen. Ein Ätzvorgang lässt sich beispielsweise unter Verwendung der Photolitographie bewerkstelligen.
[0008] Bei der Oberfläche kann es sich um die einer Piezokeramik oder eines Metalls handeln, an welchem eine Piezokeramik zu Schallwandlung aufgebracht werden soll. Durch das gezielte Aufbringen einer Struktur oder eines Musters wird eine gleichmäßige Oberflächenstruktur erzielt, so dass auch die Beschichtung mit einer gleichmäßigen Eigenschaft aufgebracht werden kann. Weiterhin ist die Strukturierung der Oberfläche für alle Ultraschallwandler im Wesentlichen gleich, so dass sich auch die Wandler untereinander nicht unterscheiden und entsprechend gegeneinander austauschbar sind. In der Struktur oder dem Muster, welches der Struktur zugrunde liegt, sind vorzugsweise Vertiefungen oder Abfolgen von Vertiefungen vorgesehen. In diese Vertiefungen dringt anschließend das Beschichtungsmaterial ein und wird durch die passende Ausgestaltung der Vertiefungen mechanisch festgehalten. In einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich um eine Struktur mit Erhöhungen, welche auf die Oberfläche aufgebracht werden. Es wird also kein Material abgetragen, sondern vielmehr in Form der vorgegebenen Struktur aufgebracht. Ein Aufbauen einer solchen Struktur lässt sich beispielsweise dadurch realisieren, dass ein Pulver an definierten Stellen mittels fokussierter Laserstrahlung und/oder fokussierter Elektronenstrahlen verschmolzen wird. Bei der Oberfläche des Ultraschall wandlers kann es sich auch um die Oberfläche einer Komponente des Ultraschallwandlers, z.B. um eine gebohrte oder strukturierte Platte eines mehrteiligen Ultraschall wandlers handeln. Bei der Oberfläche handelt es sich somit auch um eine Oberfläche eines Teiles innerhalb des Ultraschallwandlers.
[0009] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei der Beschichtung um einen Lack oder um einen Kleber handelt. Üblich ist die Verwendung von Epoxydharzen als Klebstoff. Der Ultraschallwandler kann somit leicht und sicher auf einen entsprechenden Träger aufgebracht werden. Die Beschichtung sollte beim Ultraschallwandler vorzugsweise gute akustische Eigenschaften aufweisen, so z.B. Email. Ein Kleber als Beschichtung dient dazu, dass ein Bauteil auf die Oberfläche aufgebracht wird oder dass die Oberfläche des Ultraschallwandlers an einem Bauteil angebracht wird. Ein Kleber dient weiterhin dazu, die Oberflächen der Zwischenschichten mehrlagiger Komponenten des Ultraschallwandlers miteinander zu verbinden. [0010] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Struktur derartig gewählt wird, dass die
Haftung der Beschichtung und/oder des Bauteils auf der Oberfläche unterstützt wird. Je nach der Beschaffenheit des Beschichtungsmaterials kann es möglich sein, dass Vertiefungen verschieden tief ausgestaltet werden, weil ggf. ausreichend Oberfläche für die Trocknung - z.B. Erwärmung - oder das Applizieren eines Trocknungsmittels vorhanden sein muss. Je nach der Beschichtung bzw. je nach der Art der Aushärtung ist also die Struktur zu wählen. Handelt es sich beispielsweise bei der Beschichtung um einen Kleber zur Verbindung zweier Oberflächen, so kann es sinnvoll sein, weniger tiefe Vertiefungen zu erzeugen, damit mehr Kleber zwischen den Oberflächen zur Verfügung steht oder um eine möglichst dünne Klebeschicht zu erzielen. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, wenn die Struktur bzw. die Vertiefungen der Struktur dazu führt, dass sich die Beschichtung quasi in die Oberfläche verkrallt, indem beispielsweise die Vertiefen nach unten, also von der Oberfläche weg, breiter werden.
[0011] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Beschichtung bei Unterdruck auf die Oberfläche aufgebracht wird, und/oder dass die Beschichtung bei einem höheren Druck als bei der Aufbringung ausgehärtet wird. Während des Aufbringens der Beschichtung herrscht also ein Unterdruck und beim Aushärten ein höherer Druck, vorzugsweise sogar ein Überdruck. Kurz: Um die Kavitäten/Vertiefungen mit der Beschichtung zu füllen, wird mit Vakuum/Unterdruck und beim Aushärten mit Überdruck gearbeitet. Um Lufteinschlüsse in der Klebe-/Beschichtungsschicht zu vermeiden, muss bei kleineren Abmessungen der Vertiefungen evtl. mit einem Vakuum das Werkstück vorbereitet werden. Ist der Druck entsprechend abgesenkt worden, d.h. unter dem atmosphärischen Druck, so kann mit der Beschichtung begonnen werden. Während dem Aushärten wird der Druck wieder erhöht und somit werden die Kavitäten mit der Beschichtungsmasse gefüllt und die eingeschlossene Luft wird komprimiert. Durch die Komprimierung ist der negative Einfluss der Luft/des Gases auf die zu erzielende Haftung der Beschichtung an der Oberfläche vermindert.
[0012] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass auf die Beschichtung mindestens ein Bauteil aufgebracht wird, und dass die Struktur derartig gewählt wird, dass eine akustische Anpassung des aufgebrachten Bauteils und/oder die Reflektion und/oder die Transmission von Ultraschall durch diese bearbeitete Oberfläche gezielt verändert wird. Wie in der Einleitung bereits beschrieben, bestehen Ultraschallsensoren aus mehreren Bauteilen, die üblicherweise mittels Klebung miteinander verbunden werden. Für die Qualität des Sensors ist es erforderlich, dass die Oberfläche aufeinander abgestimmt sind bzw. dass durch den Oberflächenkontakt bereits physikalische Effekte erzielt werden. Dazu gehört zum einen eine akustische Anpassung zwischen den Bauteilen oder zum Beispiel auch die Reflektion von Ultraschall an diesem Übergang. Dementsprechend ist dann die Struktur zu wählen, um diese Effekte zu erzielen. [0013] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass auf der Oberfläche eines Bauteils, welche in Kontakt mit der Beschichtung und/oder mit der Oberfläche des Ultraschallwandlers kommt, zumindest eine zweite wählbare Struktur aufgebracht wird, und dass die zweite Struktur derartig gewählt wird, dass die mechanische Verbindung zwischen der Oberfläche des Bauteils und der Beschichtung und/oder der Oberfläche des Ultraschallwandlers gezielt beeinflusst wird. Auf der Oberfläche des Ultraschallwandlers wird also ein Bauteil aufgebracht. Auf der Oberfläche dieses Bauteils wird nun eine zweite Struktur, welche auch identisch mit der ersten Struktur auf der Oberfläche des Ultraschallwandlers sein kann, aufgebracht. Beispielsweise sind beide Strukturen Pyramiden- oder kegelförmig. Sind der Ultraschallwandler und das Bauteil aus unterschiedlichen Materialien, so haben diese Strukturen den Vorteil, dass der Übergang von einem zum anderen Material kontinuierlich und ohne scharfe Übergänge stattfindet. Damit lassen sich die an ebenen Rächen oder Stufen auftretenden Re- flektionen der Ultraschallwellen vermeiden. In einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich bei der einen Struktur um tiefe Längsrillen und bei der entsprechend gegenüberliegenden Struktur um feinere Querrillen mit einer geringeren Tiefe, welche die Spitzen der Längsrillen anschneiden. Somit wird eine Art Gitter erzeugt, in welchen sich die Beschichtung, bei welcher es sich beispielsweise um Kleber handelt, gut mechanisch verkrallen kann.
[0014] Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Struktur derartig gewählt wird, dass die Reflektion und/oder die Transmission von Ultraschall durch diese bearbeitete Oberfläche gezielt verändert wird. Diese Ausgestaltung setzt kein Bauteil voraus, beinhaltet also, dass es sich bei der Beschichtung z.B. um einen Lack handelt.
[0015] Eine Wahlmöglichkeit für die Struktur besteht darin, dass eine gleichmäßige Höhe der Beschichtung erzielt wird. Zumindest ist das Muster so zu wählen, dass eine minimale Höhe der Beschichtung mit wenig Beschichtungsmaterial zu erreichen ist. Das Muster/die Struktur ist also so zu wählen, dass sich keine Überhöhungen ergeben. Vorzugsweise weisen die Vertiefungen negative Ranken aufweisen. Die Vertiefungen öffnen sich also nach innen und somit wird das Beschichtungsmaterial durch die Oberfläche quasi zurückgehalten.
[0016] Die Erfindung löst die Aufgabe mit einem Verfahren zur Bearbeitung von einer
Oberfläche dadurch, dass eine Struktur vorgegeben wird, und dass die Struktur mittels Laserstrahlung und/oder Elektronenstrahlen und/oder eines Ätzvorgangs und/oder unter Verwendung einer Wafersäge auf die Oberfläche aufgebracht wird. Die Erfindung besteht also darin, dass die Oberfläche gezielt derartig bearbeitet wird, dass sich ein Muster oder eine Strukturierung ergibt. Durch die Struktur bzw. durch ein der Struktur zugrunde liegendes Muster ist somit die gesamte bearbeitete Oberfläche gleichmäßig ausgestaltet und es gleichen sich auch unterschiedliche Oberflächen, die mit dem gleichen Verfahren bearbeitet worden sind. Somit ist also die Konstanz der Bearbeitung nicht nur für ein Objekt, sondern auch für eine ganze Serie vorgegeben. Dieses Verfahren ist somit eine allgemeine Ausgestaltung, die oben bei der Herstellung des Ultraschallwandlers angewendet wird. Von daher lassen sich auch alle Ausgestaltungen und Besonderheiten des im Folgenden beschriebenen Verfahrens beim oben beschriebenen Herstellungsverfahren anwenden und umsetzen. Umgekehrt lassen sich auch die Ausgestaltungen und Ausführungen für das obige Herstellungsverfahren, insoweit es sich auf die Oberflächenbearbeitung bezieht, bei diesem Verfahren hier anwenden. Bei der Struktur handelt es sich um Vertiefungen, die durch das Abtragen des Materials entstehen, oder um Erhöhungen, die durch das Auftragen von Material entstehen, oder durch eine Kombination aus beiden Möglichkeiten.
[0017] Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass die Struktur mittels fokussierter Laserstrahlung und/oder mittels fokussierter Elektronenstrahlen auf die Oberfläche aufgebracht wird. Über die Fokussierung bzw. über die Steuerung des Fokus ist es möglich, die gewünschten Strukturen auf der Oberfläche zu erzeugen.
[0018] Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Struktur mittels Laserstrahlung und/oder Elektronenstrahlen, deren Strahlachse außerhalb der Senkrechten zur Oberfläche liegt, auf die Oberfläche aufgebracht wird. Da somit die Laserstrahlung bzw. die Elektronenstrahlen unter einem Winkel, der nicht senkrecht zur Oberfläche steht, aufgebracht wird, lassen sich Flanken in der Struktur erzeugen. Dieses Verfahren ist somit - wie das gesamte hier beschriebene Verfahren zum Aufbringen einer Struktur auf einer Oberfläche - auch bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers anwendbar.
[0019] Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass die Struktur mittels Laserstrahlung und/oder mittels Elektronenstrahlen, deren Strahlachse um eine Drehachse rotiert, auf die Oberfläche aufgebracht wird.
[0020] Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass auf die Oberfläche nach dem Aufbringen der Struktur mindestens eine Beschichtung aufgebracht wird. Die Oberfläche wird also nicht nur gesäubert, sondern sie wird für einen folgenden Prozess vorbereitet. Damit ist verbunden, dass es sich bei der Beschichtung um einen Lack oder um einen Kleber handelt. Für eine solche Beschichtung ist es zum einen erforderlich, dass die Oberfläche gereinigt wird. Zum anderen sollte jedoch auch dafür Sorge getragen werden, dass die Anhaftung der Beschichtung an der Oberfläche unterstützt wird. Dies besonders bei Beschichtungen, die nicht auf chemischer oder Kontaktbasis arbeiten. Und für diesen Zweck wird die Struktur passend gewählt. Vorteilhafterweise liegt der Struktur ein periodisches Muster zugrunde. Durch die Periodizität wird die Gleichmäßigkeit der bearbeiteten Oberfläche realisiert. Im einfachsten Fall kann es sich bei dem Muster um eine Vertiefung handeln, die im gleichen Abstand wiederholt wird. Die Struktur weist weiterhin vorteilhafterweise eine Abfolge von Vertiefungen auf. Vertiefungen haben für eine anschließende Beschichtung den Vorteil, dass das Beschichtungsmaterial hineinfließt und dadurch die mechanische Verbindung verstärkt wird.
[0021] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Muster derartig gewählt wird, dass die Haftung der Beschichtung und/oder die Verbindung mit einem Bauteil unterstützt wird. Die Haftkraft der Beschichtung soll also erhöht werden. Je nach der Beschaffenheit des Beschichtungsmaterials kann es möglich sein, dass Vertiefungen unterschiedlich tief ausgestaltet werden, weil ggf. ausreichend Oberfläche für die Trocknung - z.B. durch Erwärmung - oder das Applizieren eines Trocknungsmittels vorhanden sein muss. Je nach der Beschichtung bzw. je nach der Art der Aushärtung ist also die Struktur zu wählen. Handelt es sich beispielsweise bei der Beschichtung um einen Kleber zur Verbindung zweier Oberflächen, so kann es sinnvoll sein, weniger tiefe Vertiefungen zu erzeugen, damit mehr Kleber zwischen den Oberflächen zur Verfügung steht oder um eine möglichst dünne Klebeschicht zu erzielen. Diesem Zweck dienen besonders negative Ranken in den Vertiefungen. Die Vertiefungen öffnen sich also von der Oberfläche weg. Damit wird ein Verkrallen der Beschichtung in der Oberfläche ermöglicht.
[0022] Realisieren lassen sich die Verfahren mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der oben beschriebenen Ausgestaltungen, wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist, welche einen Laser bzw. die Elektronenstrahlen oder die anderen den obigen Verfahren zugeordneten Geräte steuert. Die Steuereinheit ist entsprechend so ausgestaltet, dass in sie ein Muster eingebbar ist oder dass in ihr mehrere auswählbare Muster hinterlegt sind.
[0023] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
[0024] Fig. 1 : den schematischen Aufbau einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
[0025] Fign. 2, 2a: eine schematische Darstellung einer nach dem konventionellen
Verfahren mit einem Sandstrahl bearbeiteten Oberfläche, auf welcher ein Bauteil befestigt ist,
[0026] Fign. 3, 4 und 5: schematische Darstellungen von drei unterschiedlichen Strukturen, die sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben,
[0027] Fig. 6, 6a, 6b: schematische Darstellung des Aufbringens der Struktur mit einem rotierenden Laser, sowie die sich daraus ergebenden Strukturen (Schnitt in Fig. 6a und Draufsicht in Fig. 6b), und
[0028] Fign. 7a, 7b und 7c: schematische Darstellung einer Struktur, welcher sich durch die Anwendung einer Wafersäge ergibt. . [0029] Fig. 1 zeigt einen Schritt der Herstellung eines Ultraschallwandlers 2. Die
Oberfläche 1 - z.B. eine Metalloberfläche aus Stahl oder Edelstahlfläche; bzw. speziell für den Ultraschallwandler 2 eine Piezokeramik - des Ultraschallwandlers 2 wird mit einem Laser 21 bearbeitet, der von der Steuereinheit 20 gesteuert wird. In einer weiteres Ausgestaltung geschieht die Bearbeitung über Elektronenstrahlen, über einen Ätzvorgang oder unter Verwendung einer Wafersäge. In der Steuereinheit 20 ist beispielsweise eine aufzubringende Struktur bzw. ein der Struktur zugrunde liegendes Muster hinterlegt, welche vom Laser 21 auf der Oberfläche 1 aufgebracht werden soll. Der Ausschnitt A wird in den folgenden Figuren näher gezeigt und beschrieben. Die Dichte der Struktur, also beispielsweise der Aussparungen/Kavitäten auf der Oberfläche und auch die Größe der einzelnen Muster sind je nach Frequenz- bzw. Wellenlänge des Ultraschall-Sensors zu wählen.
[0030] In der Fig. 2 und der Vergrößerung des Ausschnitts A in Fig. 2a ist dargestellt, wie er sich nach der Beschichtung einer z.B. mit Laserstrahl nach dem Stand der Technik bearbeiteten Oberfläche 1 ergeben würde. Die gestrichelte Linie bezeichnet das Oberflächenniveau, wie es vor der Behandlung gegeben ist. Nach der Behandlung durch den Laserstrahl zeigen sich Vertiefungen 10 und auch Erhöhungen auf der Oberfläche 1. Die Struktur ist unregelmäßig. Weiterhin ist die Höhe der Beschichtung 5 relativ zum ursprünglichen Oberflächenniveau. In dieser Figur Fig. 2 ist auch schematisch ein Bauteil 30 dargestellt, welches über die Beschichtung 5 mit der bearbeiteten Oberfläche 1 verbunden ist. Zu erkennen ist, dass die Beschichtung 5 unterschiedliche Dicken aufweist.
[0031] Die Fig. 3 zeigt demgegenüber eine Ausgestaltung der Struktur, wie sie erfindungsgemäß auf die Oberfläche 1 aufgebracht werden kann. Hier weist die Oberfläche 1 einen Wechsel von Vertiefungen oder Kavitäten 10 und Erhöhungen auf. Das Muster der Struktur als Wechsel von Vertiefung 10 und Erhöhung oder als Bereich ohne Vertiefung ist im Wesentlichen periodisch. Durch die Vertiefungen 10 kann das Be- schichtungsmaterial gleichmäßig eindringen und die mechanische Belastbarkeit wird erhöht, indem sich die Beschichtung quasi in der Oberfläche 1 verkrallt. Die Oberfläche 1 ist weiterhin so gleichmäßig ausgestaltet, dass eine gleichmäßige Höhe oder zumindest eine Mindesthöhe der Beschichtung garantiert werden kann, ohne dass ein Übermaß an Beschichtungsmaterial von Nöten wäre.
[0032] Der Ausschnitt A, der in der Fig. 4 dargestellt ist, zeigt eine einfachere Ausgestaltung des Musters oder der Mikrostrukturierung, die mit dem Laser aufgebracht wird. Weiterhin sind hier schematisch die Laserstrahlen 22 dargestellt. Indem der Fokus 23 der Laserstrahlen 22 jeweils oberhalb der Oberfläche 1 gehalten wird, ergeben sich Vertiefungen 10 mit einer negativen Ranke, d.h. die Vertiefungen werden in Richtung des Werkstückes 2 breiter. Somit kann die Beschichtung in die Ver- tiefungen 10 eindringen und sich quasi festkrallen, so dass eine höhere mechanische Belastbarkeit gegeben ist. Die obige Diskussion bzgl. eines mit Laserstrahlen aufgebrachten Musters gilt entsprechend auch für ein mittels Elektronenstrahlen, Ätzvorgang oder Wafersäge erzeugten Musters.
[0033] Die Fig. 5 zeigt die Vertiefungen 10 in der Oberfläche 1 beispielsweise eines
Metalls, wie sie sich durch das dosierte Beschießen mit Laserstrahlen 22 ergeben. Der Fokus 23 der Laserstrahlen 22 liegt innerhalb der bearbeiteten Oberfläche, so dass die Kavitäten 10 eine negative und eine positive Ranke erhalten. Die negative Flanke bewirkt eine sehr gute mechanische Verankerung von Klebern als Beschichtung 5. Die positive Ranke dient in Verbindung mit einem angepassten Öffnungswinkel der akustischen Impedanzanpassung zwischen einem aufgeklebten Bauteil 30 und der bearbeiteten Oberfläche 1. Im Fall einer Beschichtung z.B. durch einen Lack kann so die Reflexion an dieser Oberfläche 1 gezielt reduziert werden.
[0034] Der Effekt der Impedanzanpassung wird durch den kontinuierlichen Übergang von der Impedanz des Klebers 5 in die des Werkstoffs der Oberfläche 1 unterstützt. Mit dem kontinuierlichen Übergang ist die Rächendichte von 100% Klebstoff zu 100% Werkstoff der Oberfläche in der Richtung senkrecht zur Oberfläche gemeint.
[0035] In der Fig. 6 ist ein Laser 21 zum Aufbringen der Struktur auf die Oberfläche 1 dargestellt. Die Strahlachse 24 der Laserstrahlen 22, die der Laser 21 erzeugt, ist dabei gegenüber der Senkrechten auf der Oberfläche 1 geneigt, d.h. die Laserstrahlen 22 treten unter einem Winkel zur Senkrechten in die Oberfläche ein. Weiterhin ist durch den Pfeil angedeutet, dass der Laser rotiert, so dass die Laserstrahlen 22 konzentrische Muster, bzw. eine aus konzentrischen Ringen bestehende Struktur auf der Oberfläche 1 erzeugen. In der Fig. 6a ist ein Schnitt durch den Bereich A dargestellt. Die Vertiefungen 10 in der Oberfläche 1 liegen jeweils schräg zu der Senkrechten. Die konzentrischen Ringe wiederum sind in der Draufsicht auf die Oberfläche 1 in der Fig. 6b dargestellt. Die Darstellung gleicht prinzipiell dem Verfahren der Anwendung von Elektronenstrahlen, bei welchem Verfahren der Strahl einer (Elektronen-)Strahlkanone wie bei einer Bildröhre über Magnetfelder abgelenkt wird.
[0036] In den Fign. 7a, 7b und 7c ist eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäß erzeugten Oberfläche 1 eines Ultraschallwandlers gezeigt. Fig. 7a zeigt die Seitenansicht der Oberfläche 1 und Fig. 7b den vergrößerten Ausschnitt, welcher in der Fig. 7a durch den Kreis gekennzeichnet ist. Dargestellt ist eine kegelartige Struktur, welche in die Oberfläche mittels einer Wafersäge aufgebracht wurde. Anstelle der Kegel sind auch Pyramidenartige Vertiefungen 10 möglich. Für die Erzeugung der Struktur ist alternativ auch Laserstrahlung oder Atzen möglich. Handelt es sich bei der Oberfläche 1 um die Oberfläche 1 einer Schicht eines mehrschichtigen Ultraschallsensors und betrachtet man die Reflexion, die am Übergang zwischen zwei Medien, d.h. zwischen zwei Schichten stattfinden, so ergibt sich bei einer Schichtfolge Piezokeramik - Titan - Plexiglas die stärkste Reflektion zwischen Plexiglas und Titan. Genau hier wird mit dem vorgestellten Verfahren eingegriffen und die geometrische Struktur von einem „harten" Übergang zu einem kontinuierlichen Grenzgebiet „verwischt" und somit eine Auskopplung ohne direkte Reflexion möglich. Zu berücksichtigen ist hierbei die Wellenlänge des Ultraschalls zu der Größe der einzelnen Elemente (Kegel oder Pyramiden) der Struktur. Daher ist die hier gezeigte Struktur sehr vorteilhaft. Fig. 7c zeigt eine Draufsicht auf die Oberfläche 1. Zu sehen ist die gleichmäßige Struktur, die sich durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt. Somit haben auch die damit erzeugten Ultraschallsensoren die gleichen Strahlcharakteristiken. In einer weiteren Ausgestaltungen ist nicht die gesamte Oberfläche 1 mit Vertiefungen versehen, sondern die Struktur wird nur bereichsweise erzeugt. Die Zwischenbereiche können dann beispielsweise der direkten mechanischen Fixierung oder Befestigung oder dem Einspannen in einen Rahmen usw. dienen.
[0037] Bezugszeichenliste
[0038]
Tabelle 1
[0039]

Claims

Ansprüche
[0001] Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (2), wobei auf mindestens einer Oberfläche (1) des Ultraschall wandlers (2) mittels Laserstrahlung und/oder Elektronenstrahlen eine wählbare Struktur aufgebracht wird, und wobei die bearbeitete Oberfläche (1) mit mindestens einer Beschichtung (5) versehen wird.
[0002] Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (2), wobei auf mindestens einer Oberfläche (1) des Ultraschall wandlers (2) mittels eines Ätzvorgangs und/ oder unter Verwendung einer Wafersäge eine wählbare Struktur aufgebracht wird, und wobei die bearbeitete Oberfläche (1) mit mindestens einer Beschichtung (5) versehen wird.
[0003] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei der Beschichtung (5) um einen Lack oder um einen Kleber handelt.
[0004] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Struktur derartig gewählt wird, dass die Reflektion und/oder die Transmission von Ultraschall durch diese bearbeitete Oberfläche (1) gezielt verändert wird.
[0005] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf die Beschichtung (5) mindestens ein Bauteil (30) aufgebracht wird, und wobei die Struktur derartig gewählt wird, dass eine akustische Anpassung des aufgebrachten Bauteils (30) und/oder die Reflektion und/oder die Transmission von Ultraschall durch diese bearbeitete Oberfläche (1) gezielt verändert wird.
[0006] Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 5, wobei auf der Oberfläche eines Bauteils
(30), welche in Kontakt mit der Beschichtung (5) und/oder mit der Oberfläche (1) des Ultraschall wandlers (2) kommt, zumindest eine zweite wählbare Struktur aufgebracht wird, und wobei die zweite Struktur derartig gewählt wird, dass die mechanische Verbindung zwischen der Oberfläche des Bauteils (30) und der Beschichtung (5) und/oder der Oberfläche (1) des Ultraschallwandlers (2) gezielt beeinflusst wird.
[0007] Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Struktur derartig gewählt wird, dass die
Haftung der Beschichtung (5) und/oder des Bauteils (30) auf der Oberfläche (1) unterstützt wird.
[0008] Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche (1), wobei eine Struktur vorgegeben wird, und wobei die Struktur mittels Laserstrahlung und/oder Elektronenstrahlen und/oder eines Ätzvorgangs und/oder unter Verwendung einer Wafersäge auf die Oberfläche (1) aufgebracht wird.
[0009] Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Struktur mittels Laserstrahlung und/oder
Elektronenstrahlen, deren Strahlachse (24) außerhalb der Senkrechten zur Oberfläche liegt, auf die Oberfläche aufgebracht wird. [0010] Verfahren nach Anspruch 8, wobei auf die Oberfläche (1) nach dem Aufbringen der Struktur mindestens eine Beschichtung (5) aufgebracht wird.
[0011] Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Struktur derartig gewählt wird, dass die
Haftung der Beschichtung (5) und/oder die Verbindung mit einem Bauteil (30) unterstützt wird.
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