EP2144715A1 - Ultrasound converter array for applications in gaseous media - Google Patents

Ultrasound converter array for applications in gaseous media

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Publication number
EP2144715A1
EP2144715A1 EP08748715A EP08748715A EP2144715A1 EP 2144715 A1 EP2144715 A1 EP 2144715A1 EP 08748715 A EP08748715 A EP 08748715A EP 08748715 A EP08748715 A EP 08748715A EP 2144715 A1 EP2144715 A1 EP 2144715A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ultrasonic transducer
transducer array
ultrasonic
layer
electrode
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08748715A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Degel
Thomas Velten
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2144715A1 publication Critical patent/EP2144715A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • B06B1/0688—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 with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF
    • B06B1/0692—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 with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF with a continuous electrode on one side and a plurality of electrodes on the other side

Definitions

  • the layer of the piezoelectrically active, cellular electret material is preferably formed by a foil of this material.
  • a layer structure of a plurality of superimposed layers or films of a use such electret material.
  • An example of a suitable electret material is porous polypropylene.
  • One or both electrode structures for the formation of the individual transducer elements are in this case preferably applied directly to the layer of the
  • the proposed ultrasonic array can have different geometries and, for example, be designed as a linear array, as a phased array, as a curved array or as a circular array.
  • the transducer elements or electrode elements of the array can be curved to allow the beam
  • FIG. 3 shows an example of a device for directional radiation and / or for the directional reception of ultrasonic waves with an ultrasonic transducer array according to the present invention
  • Example 32 includes finger-shaped electrode elements 3, which are arranged side by side. Through these 32 electrode elements 3, the active aperture of the Ultrasonic transducer arrays formed. Each individual electrode element 3 is electrically contactable via a supply line 7 from the outside independently of the respective other electrode elements. On the back side of the electret film 1, the counterelectrode 4 is applied over its entire area in this example, which is also indicated in FIG.
  • FIG. 2 shows by way of example a cross section through such an ultrasonic transducer array in a schematic representation.
  • the electret film 1 and the upper 2 and lower electrode structure 4 can be seen.
  • the ultrasonic transducer array is designed for an ultrasonic frequency of 250 kHz. This corresponds to an ultrasonic wavelength in air of 1.4 mm.
  • the pitch of the electrode elements 3 was set to be less than half the wavelength at 0.5 mm.
  • Electrode elements 3 is 0.1 mm and the length of the elements is 10 mm.
  • the production of the electrode structure of Figure 1 on the electret film 1 was carried out by sputtering and subsequent etching.
  • the cellular electrophotme 1 was mounted on a ceramic substrate having a flat surface.
  • a chromium adhesion layer was first sputtered onto the surface of the electret film 1.
  • a gold layer was deposited by sputtering on this adhesion layer.
  • the electrode structure exposed.
  • the counter electrode 4 was applied in the same way to the front side of the electret film 1 and structured to form active finger electrodes.
  • the electret film 1 must additionally be charged in the area of the active aperture.
  • different techniques are possible, which are known in the art.
  • a simple corona poling method was used in which the electret film 1 is exposed to a field strength below the breakdown voltage for a short time.

Abstract

The invention relates to an ultrasound converter array having at least one layer (1) made of a piezoelectrically active, cellular electret material between a first (2) and a second electrode structure (4). The first electrode structure (2) is formed of a plurality of independently addressable electrode elements (3), by means of which, in connection with the corresponding second electrode structure (4), the local thickness mode vibrations of the layer (1) or of pores in the layer (1) can be generated and/or detected using frequencies in the ultrasonic range. The proposed ultrasound converter array can be used advantageously for applications in gaseous media, is simple to produce, and allows phase-controlled operation for directed ultrasonic emission and directed ultrasonic reception.

Description

Ultraschallwandler-Array für Anwendungen in gasförmigen Medien Ultrasonic transducer array for applications in gaseous media
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultra- schallwandler-Array für Anwendungen in gasförmigen Medien, bei dem die Ultraschallwellen über eine Dickenschwingung eines piezoelektrisch aktiven Materials erzeugt und/oder detektiert werden.The present invention relates to an ultrasonic transducer array for applications in gaseous media, in which the ultrasonic waves are generated and / or detected via a thickness vibration of a piezoelectrically active material.
Ultraschallwandler-Arrays lassen sich vor allem in Bereichen einsetzen, in denen asymmetrische Schallfelder benötigt werden oder eine scannende Bewegung eines Ultraschallstrahls für eine Objekt-, Flächenoder Volumenabtastung erforderlich ist. Gerade für Anwendungen in gasförmigen Medien, wie bspw. Luft, stehen jedoch bisher noch keine kompakten Ultraschallwandler-Arrays zur Verfügung, die einfach aufgebaut sind und keine mechanisch beweglichen Teile umfassen. Dies betrifft bspw. Gebiete wir die Objekterkennung, die Entfernungsmessung oder die Inspektion.Ultrasonic transducer arrays can be used primarily in areas where asymmetric sound fields are required or a scanning movement of an ultrasound beam is required for object, area or volume scanning. Especially for applications in gaseous media, such as, for example, air, but so far no compact ultrasonic transducer arrays are available that are simple and do not include any mechanical moving parts. This concerns, for example, areas such as object recognition, distance measurement or inspection.
Stand der TechnikState of the art
Für Anwendungen in gasförmigen Medien sind unterschiedliche Funktionsprinzipien für Ultraschall - wandler bekannt. In der Regel werden hierfür Ultraschallwandler aus piezoelektrischen keramischen Scheiben eingesetzt, die ein oder mehrere Anpassungs- schichten aufweisen und zur Abstrahlung von Ultraschall in radiale Resonanzschwingungen versetzt werden. Ein weiteres bekanntes Funktionsprinzip nutzt Biegeschwingungen einer Sandwichstruktur aus keramischen und metallischen Schichten.For applications in gaseous media different operating principles for ultrasound transducers are known. As a rule, ultrasound transducers made of piezoelectric ceramic disks are used for this purpose, which have one or more matching layers and are set into radial resonance vibrations for the purpose of emitting ultrasound. One Another known operating principle uses flexural vibrations of a sandwich structure of ceramic and metallic layers.
Ein grundsätzliches Problem derartiger Ultraschallwandler besteht darin, dass sie zur Erzeugung von Ultraschall, bspw. im Bereich von 250 kHz, relativ große laterale Dimensionen relativ zur Wellenlänge der erzeugten Ultraschallwellen aufweisen. Für die Realisierung eines phasengesteuerten Arrays (phased array) müsste die Größe der Wandlerelemente allerdings im Bereich einer halben Wellenlänge liegen. Zur Realisierung eines linearen Arrays müsste die Größe der Wandlerelemente das ein- bis dreifache der Wellenlänge betragen. Diese geringen Größen lassen sich mit den oben angeführten Ultraschallwandler-Technologien nicht realisieren. Eine scannende Betriebsweise erfordert daher eine mechanische Rotation oder Bewegung der einzelnen Wandlerelemente. Die vor allem durch die Anpassungsschichten bedingte Größe auf der einen Seite sowie die mechanische Bewegung der Wandlerelemente auf der anderen Seite schließt einen Einsatz derartiger Ultraschallwandler für zahlreiche Anwendungen aus.A fundamental problem of such ultrasonic transducers is that they have relatively large lateral dimensions relative to the wavelength of the ultrasound waves generated for generating ultrasound, for example in the range of 250 kHz. For the realization of a phased array, however, the size of the transducer elements would have to be in the range of half a wavelength. To realize a linear array, the size of the transducer elements would have to be one to three times the wavelength. These small sizes can not be realized with the above-mentioned ultrasonic transducer technologies. A scanning mode of operation therefore requires a mechanical rotation or movement of the individual transducer elements. The size, on the one hand, due to the adaptation layers and the mechanical movement of the transducer elements on the other exclude the use of such ultrasonic transducers for numerous applications.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ultraschallwandler-Array für Anwendungen in gasförmigen Medien anzugeben, das einen kompakten und einfachen Aufbau aufweist, ohne mechanisch bewegliche Elemente auskommt und sich als lineares oder phasen- gesteuertes Array realisieren lässt. Darstellung der ErfindungThe object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer array for applications in gaseous media, which has a compact and simple structure, manages without mechanically moving elements and can be realized as a linear or phase-controlled array. Presentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Ultraschallwandler-Array gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Ultraschallwandler-Arrays sind Gegen- stand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungs- beispiel entnehmen.The object is achieved with the ultrasonic transducer array according to claim 1. Advantageous embodiments of the ultrasonic transducer array are the subject of the dependent claims or can be taken from the following description and the exemplary embodiment.
Das vorgeschlagene Ultraschallwandler-Array umfasst wenigstens eine Schicht aus einem piezoelektrisch aktiven, zellulären Elektretmaterial zwischen zwei Elektrodenstrukturen. Die erste Elektrodenstruktur ist dabei aus mehreren unabhängig voneinander adressierbaren bzw. ansteuerbaren Elektrodenelementen gebildet . Durch diese Elektrodenelemente in Verbindung mit der auf der gegenüberliegenden Seite der piezoelektrisch aktiven Schicht angeordneten zweiten Elektrodenstruktur lassen sich lokale Dickenschwingungen der Schicht oder von Poren in der Schicht mit Frequenzen im Ultraschallbereich erzeugen und/oder detektieren. Die zweite Elektrodenstruktur dient hierbei als Gegenelektrode zur ersten Elektrodenstruktur. Die Anregung der Dickenschwingungen erfolgt in bekannter Weise durch geeignete Spannungs- Signale, die zwischen den beiden Elektrodenstrukturen bzw. zwischen den jeweiligen Elektrodenelementen und der Gegenelektrode angelegt werden. Diese Spannungssignale erzeugen die lokalen Dickenschwingungen des piezoelektrisch aktiven Materials oder der Poren in diesem Material, die wiederum die Abstrahlung von Ultraschallwellen bewirken. Bei eintreffenden Ultraschallwellen wird die piezoelektrisch aktive Schicht durch die Ultraschallwellen zu Dicken- - A -The proposed ultrasonic transducer array comprises at least one layer of a piezoelectrically active, cellular electret material between two electrode structures. The first electrode structure is formed from a plurality of independently addressable or controllable electrode elements. By means of these electrode elements in conjunction with the second electrode structure arranged on the opposite side of the piezoelectrically active layer, it is possible to generate and / or detect local thickness vibrations of the layer or of pores in the layer with frequencies in the ultrasonic range. The second electrode structure serves as a counter electrode to the first electrode structure. The excitation of the thickness vibrations takes place in a known manner by suitable voltage signals which are applied between the two electrode structures or between the respective electrode elements and the counterelectrode. These voltage signals generate the local thickness vibrations of the piezoelectric active material or pores in this material, which in turn cause the emission of ultrasonic waves. When the ultrasonic waves arrive, the piezoelectrically active layer is thickened by the ultrasonic waves. - A -
schwingungen angeregt, die in entsprechende elektrische Signale an den Elektrodenstrukturen gewandelt werden. Dieses Prinzip der Ultraschallwandlung ist dem Fachmann bekannt .excited vibrations, which are converted into corresponding electrical signals at the electrode structures. This principle of ultrasonic conversion is known to the person skilled in the art.
Die Erfinder des vorliegenden Ultraschallwandler- Arrays haben erkannt, dass durch Einsatz einer vorzugsweise zusammenhängenden Schicht aus einem piezoelektrisch aktiven, zellulären Elektretmaterial ein Ultraschallwandler-Array für gasförmige Medien erhalten werden kann, das ohne mechanisch bewegliche Teile auskommt und bei dem die einzelnen Wandlerelemente mit sehr geringen Abmessungen gebildet werden können. Die Wandlerelemente werden hierbei in erster Linie durch die Dimensionen der Elektrodenelemente der Elektrodenstruktur in der Größe festgelegt . Die Elementgröße kann ohne weiteres bis auf den Größenbereich der Ultraschallwellenlänge oder darunter und selbstverständlich auf darüber gewählt werden, bspw. im Bereich zwischen 0,1 bis 100 Wellenlängen der mit den Wandlerelementen erzeugbaren oder empfangbaren Ultraschallwellen. Damit können in einfacher Weise lineare oder phasengesteuerte Ultraschallwandler-Arrays erhalten werden, die sich aufgrund des piezoelektrisch aktiven, zellulären Elektretmaterials ohne zusätzliche Anpassschichten für Anwendungen in gasförmigen Medien eignen.The inventors of the present ultrasonic transducer array have recognized that by using a preferably contiguous layer of a piezoelectrically active cellular electret material, an ultrasonic transducer array for gaseous media can be obtained which does not require any mechanical moving parts and where the individual transducer elements are very small Dimensions can be formed. The transducer elements are determined in this case primarily by the dimensions of the electrode elements of the electrode structure in size. The element size can be readily selected up to the size range of the ultrasonic wavelength or below and, of course, above, for example in the range between 0.1 to 100 wavelengths of the ultrasonic waves that can be generated or received by the transducer elements. In this way, linear or phase-controlled ultrasonic transducer arrays can be obtained which are suitable for applications in gaseous media because of the piezoelectrically active, cellular electret material without additional matching layers.
Die Schicht aus dem piezoelektrisch aktiven, zellulären Elektretmaterial ist vorzugsweise durch eine Folie aus diesem Material gebildet. Selbstverständlich lässt sich auch eine Schichtstruktur aus mehreren übereinander liegenden Schichten oder Folien eines derartigen Elektretmaterials einsetzen. Ein Beispiel für ein geeignetes Elektretmaterial ist poröses Polypropylen. Eine oder beide Elektrodenstrukturen für die Bildung der einzelnen Wandlerelemente werden hierbei vorzugsweise direkt auf die Schicht aus demThe layer of the piezoelectrically active, cellular electret material is preferably formed by a foil of this material. Of course, a layer structure of a plurality of superimposed layers or films of a use such electret material. An example of a suitable electret material is porous polypropylene. One or both electrode structures for the formation of the individual transducer elements are in this case preferably applied directly to the layer of the
Elektretmaterial aufgebracht . Dies kann durch bekannte Abscheideverfahren für metallische Schichten erfolgen, bspw. mittels CVD (CVO: Chemical Vapor Deposition) oder durch Sputtern jeweils mit nachfolgender photolitho- graphischer Strukturierung.Electret material applied. This can be done by known deposition methods for metallic layers, for example by means of CVD (CVO: Chemical Vapor Deposition) or by sputtering, each with subsequent photolithographic structuring.
Die einzelnen Elektrodenelemente können hierbei, je nach gewünschter Abstrahlcharakteristik, in beliebiger geometrischer Form gewählt werden. Für die Bildung eines linearen Arrays werden vorzugsweise fingerförmige Elektrodenelemente gebildet, die parallel nebeneinander angeordnet sind. Selbstverständlich lassen sich auch andere, bspw. zirkuläre Anordnungen realisieren.The individual electrode elements can be selected in any desired geometric shape, depending on the desired emission characteristic. For the formation of a linear array finger-shaped electrode elements are preferably formed, which are arranged parallel to each other. Of course, other, for example. Circular arrangements can be realized.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schicht Vertiefungen zwischen den Elektrodenelementen auf. Diese Vertiefungen können beispielsweise durch Prägen, Einschneiden oder Durchtrennen der Schicht zwischen den Elektrodenelementen erzeugt werden und bewirken eine verringerte Schallkopplung zwischen den einzelnen Elektrodenelementen.In an advantageous embodiment, the layer has recesses between the electrode elements. These recesses can be produced, for example, by embossing, cutting or severing the layer between the electrode elements and effect a reduced sound coupling between the individual electrode elements.
Durch An- oder Abschalten einzelner Elektroden- elemente oder Gruppen von Elektrodenelementen können Subaperturen zur Ultraschallabstrahlung oder zum Ultraschallempfang gebildet werden. Es ist damit auch möglich, einen Ultraschallstrahl durch phasenge- steuertes Anregen zu schwenken oder zu fokussieren. Weiterhin können auch spezielle Ultraschallkeulenformen, bspw. eine asymmetrische Form der Schallkeule, durch geeignete Ansteuerung der einzelnen Elektroden- elemente gebildet werden. Die Anzahl der Elemente kann je nach Anwendung beliebig gewählt werden.By switching on or off individual electrode elements or groups of electrode elements, subapertures for ultrasonic radiation or for ultrasound reception can be formed. It is thus also possible to use an ultrasonic beam through phase Controlled stimulation to pan or focus. Furthermore, special ultrasonic lobe shapes, for example an asymmetrical shape of the sound lobe, can also be formed by suitable control of the individual electrode elements. The number of elements can be chosen arbitrarily depending on the application.
Für einen Betrieb des Ultraschallwandler-Arrays sind die Elektrodenstrukturen mit einer Ansteuereinheit verbunden, über die der phasengesteuerte Betrieb oder die An- und Abschaltung einzelner Elektrodenelemente oder Gruppen von Elektrodenelementen ebenso wie die Ansteuerung zur Bildung bestimmter Schallkeulenformen vorgenommen wird. Diese Ansteuereinheit dient einer geeigneten zeitlichen Ansteuerung bzw. einem geeigneten zeitlichen Auslesen der einzelnen Elektrodenelemente.For operation of the ultrasonic transducer array, the electrode structures are connected to a drive unit, via which the phase-controlled operation or the connection and disconnection of individual electrode elements or groups of electrode elements as well as the control for the formation of certain sound lobe shapes is made. This drive unit serves for a suitable time control or a suitable time readout of the individual electrode elements.
Die zweite Elektrodenstruktur, durch die die Gegenelektrode (n) für die Elektrodenelemente der ersten Elektrodenstruktur gebildet wird, ist vorzugsweise vorderseitig auf die Schicht oder Schichtfolge aus dem piezoelektrisch aktiven, zellulären Elektretmaterial aufgebracht. Selbstverständlich kann sowohl zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der Schicht aus dem Elektretmaterial als auch zwischen der zweiten Elektrodenstruktur und der Schicht aus dem Elektretmaterial auch eine Zwischenschicht oder Zwischenschichtstruktur vorhanden sein, die jedoch die bestimmungsgemäße Funktion des Ultraschallwandlers nicht stören darf. Die zweite Elektrodenstruktur kann dabei eine vollflächige, d.h. zusammenhängende, Schicht eines elektrisch leitfähigen Materials sein. Weiterhin ist es möglich, die zweite Elektrodenstruktur in gleicher Weise wie die erste Elektrodenstruktur mit mehreren Elektrodenelementen auszubilden, so dass bspw. jedem Elektrodenelement der ersten Elektrodenstruktur ein Elektrodenelement der zweiten Elektrodenstruktur gegenüber liegt. Die beiden Elektrodenstrukturen können dabei identisch aufgebaut sein. Dies ist jedoch nicht in jedem Falle erforderlich.The second electrode structure, by which the counterelectrode (n) for the electrode elements of the first electrode structure is formed, is preferably applied on the front side to the layer or layer sequence of the piezoelectrically active, cellular electret material. Of course, both between the first electrode structure and the layer of the electret material and between the second electrode structure and the layer of the electret material also an intermediate layer or interlayer structure may be present, but must not interfere with the intended function of the ultrasonic transducer. The second electrode structure may be a full-surface, ie coherent, layer of an electrically conductive material. Furthermore, it is possible to use the second electrode structure in the same way as the form first electrode structure with a plurality of electrode elements, so that, for example, each electrode element of the first electrode structure is an electrode element of the second electrode structure opposite. The two electrode structures can be constructed identically. However, this is not necessary in every case.
Das vorgeschlagene Ultraschallwandler-Array lässt sich vorteilhaft für den Betrieb im Ultraschallbereich zwischen 50 und 500 kHz auslegen, in dem viele Anwendungen in gasförmigen Medien, insbesondere in Luft, möglich sind. Das Ultraschall-Array eignet sich bspw. als phasengesteuertes Array für Anwendungen wie die Oberflächen- oder Profilvermessung, Zugangskontrolle, Roboterführung usw. und lässt sich auch in rauen industriellen Umgebungen oder in sehr reinen medizinischen oder klinischen Umgebungen einsetzen.The proposed ultrasonic transducer array can be advantageously designed for operation in the ultrasonic range between 50 and 500 kHz, in which many applications in gaseous media, in particular in air, are possible. The ultrasonic array is suitable, for example, as a phased array for applications such as surface or profile measurement, access control, robot guidance, etc. and can also be used in harsh industrial environments or in very pure medical or clinical environments.
Das vorgeschlagene Ultraschall-Array kann unterschiedliche Geometrien aufweisen und bspw. als lineares Array, als phasengesteuertes Array, als gekrümmtes Array oder als zirkuläres Array ausgebildet sein. Die Wandlerelemente bzw. Elektrodenelemente des Arrays können gekrümmt ausgeführt sein, um die Strahl-The proposed ultrasonic array can have different geometries and, for example, be designed as a linear array, as a phased array, as a curved array or as a circular array. The transducer elements or electrode elements of the array can be curved to allow the beam
Charakteristiken zu optimieren. Weiterhin können die einzelnen Wandlerelemente oder Elektrodenelemente unterschiedliche Geometrien ihrer Öffnung oder Querschnittfläche aufweisen, bspw. rechteckig oder oval.To optimize characteristics. Furthermore, the individual transducer elements or electrode elements may have different geometries of their opening or cross-sectional area, for example rectangular or oval.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Das vorgeschlagene Ultraschallwandler-Array wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:Brief description of the drawings The proposed ultrasonic transducer array will be explained in more detail using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings. Hereby show:
Fig. 1 ein Beispiel für eine Ausgestaltung der ersten Elektrodenstruktur auf dem vorgeschlagenen Ultraschallwandler-Array;1 shows an example of an embodiment of the first electrode structure on the proposed ultrasonic transducer array;
Fig. 2 schematisch den Aufbau des vorgeschlagenen Ultraschallwandler-Arrays im Querschnitt;2 schematically shows the structure of the proposed ultrasonic transducer array in cross section;
Fig. 3 ein Beispiel für eine Vorrichtung zur gerichteten Abstrahlung und/oder zum gerichteten Empfang von Ultraschallwellen mit einem Ultraschallwandler-Array gemäß der vorliegenden Erfindung; und3 shows an example of a device for directional radiation and / or for the directional reception of ultrasonic waves with an ultrasonic transducer array according to the present invention; and
Fig. 4 ein Beispiel für Vertiefungen zwischen den Elektrodenelementen.4 shows an example of depressions between the electrode elements.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Im vorgeschlagenen Ultraschallwandler-Array wird eine Schicht aus einem piezoelektrisch aktiven, zellulären Elektretmaterial zwischen den Elektrodenstrukturen eingesetzt. Ein derartiges Material, wie bspw. zelluläres PVDF (Polyvinylidenfluorid) oder poröses Polypropylen, ist bereits gut an die Schall- impedanz von Luft angepasst und lässt sich bspw. mit einfachen Film-Extrusionstechniken herstellen. Im nachfolgenden Beispiel wurde ein piezoelektrisch aktives, zelluläres Polypropylen mit einer Foliendicke von 50 μm eingesetzt. Über die Foliendicke lässt sich die mittlere Resonanzfrequenz einstellen, mit der die Dickenschwingungen ausgeführt werden. Dies entspricht bei der eingesetzten Folie einer Ultraschallfrequenz von ca. 250 kHz während bspw. eine 35 μm dicke Folie eine mittlere Resonanzfrequenz im Bereich von ca. 325 kHz aufweist.In the proposed ultrasonic transducer array, a layer of piezoelectrically active cellular electret material is inserted between the electrode structures. Such a material, such as, for example, cellular PVDF (polyvinylidene fluoride) or porous polypropylene, is already well adapted to the acoustic impedance of air and can be produced, for example, with simple film extrusion techniques. In the following example, a piezoelectric active cellular polypropylene with a film thickness was prepared used of 50 microns. The film thickness can be used to set the mean resonant frequency at which the thickness vibrations are carried out. This corresponds to an ultrasound frequency of about 250 kHz in the case of the film used while, for example, a 35 μm thick film has a mean resonance frequency in the range of about 325 kHz.
Für die Bereitstellung eines phasengesteuerten Ultraschallwandler-Arrays müssen die Mittenabstände der einzelnen Wandlerelemente, im vorliegenden Fall der Elektrodenelemente der Elektrodenstruktur, einen Wert aufweisen, der ungefähr der halben Wellenlänge der Ultraschallwellen entspricht, die abgestrahlt oder empfangen werden sollen. Durch diese geringen Abmessungen eines einzelnen Elektrodenelementes relativ zur Wellenlänge der emittierten oder empfangenen Ultraschallwellen wird eine omnidirektionale Strahlungscharakteristik für jedes Wandlerelement erhalten. Eine gerichtete Schallabstrahlung oder ein gerichteterFor the provision of a phased array ultrasonic transducer arrays must have the center distances of the individual transducer elements, in the present case, the electrode elements of the electrode structure, a value which corresponds to approximately half the wavelength of the ultrasonic waves to be emitted or received. Due to this small dimension of a single electrode element relative to the wavelength of the emitted or received ultrasonic waves, an omnidirectional radiation characteristic is obtained for each transducer element. A directed sound radiation or a directed
Schallempfang wird durch zeitkontrollierte Ansteuerung bzw. zeitkontrollierten Empfang der einzelnen Elektrodenelemente mit einer geeigneten Strahl- formungselektronik einer Ansteuereinrichtung erreicht.Sound reception is achieved by time-controlled activation or time-controlled reception of the individual electrode elements with suitable beam shaping electronics of a control device.
Figur 1 zeigt ein Beispiel eines Ultraschallwandler-Arrays für phasengesteuerten Betrieb mit linearer Anordnung der Wandlerelemente. Auf der piezoelektrisch aktiven, zellulären Elektretfolie 1 ist eine Elektrodenstruktur 2 aufgebracht, die in diesemFIG. 1 shows an example of an ultrasonic transducer array for phase-controlled operation with a linear arrangement of the transducer elements. On the piezoelectrically active, cellular electret film 1, an electrode structure 2 is applied, which in this
Beispiel 32 fingerförmige Elektrodenelemente 3 umfasst, die nebeneinander angeordnet sind. Durch diese 32 Elektrodenelemente 3 wird die aktive Apertur des Ultraschallwandler-Arrays gebildet. Jedes einzelne Elektrodenelement 3 ist über eine Zuleitung 7 von außen unabhängig von den jeweils anderen Elektrodenelementen elektrisch kontaktierbar. Auf der Rückseite der Elektretfolie 1 ist in diesem Beispiel vollflächig die Gegenelektrode 4 aufgebracht, die in Figur 1 ebenfalls angedeutet ist.Example 32 includes finger-shaped electrode elements 3, which are arranged side by side. Through these 32 electrode elements 3, the active aperture of the Ultrasonic transducer arrays formed. Each individual electrode element 3 is electrically contactable via a supply line 7 from the outside independently of the respective other electrode elements. On the back side of the electret film 1, the counterelectrode 4 is applied over its entire area in this example, which is also indicated in FIG.
Figur 2 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch ein derartiges Ultraschallwandler-Array in schematisierter Darstellung. In dieser Darstellung sind die Elektretfolie 1 sowie die obere 2 und untere Elektrodenstruktur 4 zu erkennen.FIG. 2 shows by way of example a cross section through such an ultrasonic transducer array in a schematic representation. In this illustration, the electret film 1 and the upper 2 and lower electrode structure 4 can be seen.
Das Ultraschallwandler-Array ist für eine Ultraschallfrequenz von 250 kHz ausgelegt. Dies entspricht einer Ultraschallwellenlänge in Luft von 1,4 mm. Im vorliegenden Beispiel wurde der Mittenabstand der Elektrodenelemente 3 geringer als die halbe Wellenlänge auf 0,5 mm festgelegt. Der Spalt zwischen den einzelnenThe ultrasonic transducer array is designed for an ultrasonic frequency of 250 kHz. This corresponds to an ultrasonic wavelength in air of 1.4 mm. In the present example, the pitch of the electrode elements 3 was set to be less than half the wavelength at 0.5 mm. The gap between the individual
Elektrodenelementen 3 liegt bei 0,1 mm und die Länge der Elemente beträgt 10 mm.Electrode elements 3 is 0.1 mm and the length of the elements is 10 mm.
Die Herstellung der Elektrodenstruktur der Figur 1 auf der Elektretfolie 1 erfolgte durch Sputtern und anschließendes Ätzen. Der zellulare Elekretfilm 1 wurde hierzu auf einem Keramiksubstrat mit einer ebenen Oberfläche angebracht. Eine Chrom-Adhäsionsschicht wurde zunächst auf die Oberfläche der Elektretfolie 1 gesputtert . Auf diese Adhäsionsschicht wurde wiederum eine Goldschicht mittels Sputtern abgeschieden. Anschließend wurde unter Einsatz eines photolithographischen Verfahrens die Elektrodenstruktur freigelegt. Durch die photolithographische Technik lassen sich auf einfache Weise sehr feine Elektrodenstrukturen erzeugen, wie sie für phasengesteuerte Ultraschallwandler-Arrays erforderlich sind.The production of the electrode structure of Figure 1 on the electret film 1 was carried out by sputtering and subsequent etching. The cellular electrophotme 1 was mounted on a ceramic substrate having a flat surface. A chromium adhesion layer was first sputtered onto the surface of the electret film 1. In turn, a gold layer was deposited by sputtering on this adhesion layer. Subsequently, using a photolithographic method, the electrode structure exposed. By means of the photolithographic technique, it is possible in a simple manner to produce very fine electrode structures, as are required for phased array ultrasound transducers.
Die Gegenelektrode 4 wurde in gleicher Weise auf die Vorderseite der Elektretfolie 1 aufgebracht und zur Bildung aktiver Fingerelektroden strukturiert. Zur Fertigstellung des Ultraschallwander-Arrays muss die Elektretfolie 1 zusätzlich im Bereich der aktiven Apertur geladen werden. Bei diesem Prozess sind unterschiedliche Techniken möglich, die dem Fachmann bekannt sind. Im vorliegenden Beispiel wurde eine einfache Korona-Polungs-Methode eingesetzt, bei der die Elektretfolie 1 für kurze Zeit einer Feldstärke unterhalb der Durchschlagspannung ausgesetzt wird.The counter electrode 4 was applied in the same way to the front side of the electret film 1 and structured to form active finger electrodes. To complete the ultrasonic transducer array, the electret film 1 must additionally be charged in the area of the active aperture. In this process, different techniques are possible, which are known in the art. In the present example, a simple corona poling method was used in which the electret film 1 is exposed to a field strength below the breakdown voltage for a short time.
Für die Ansteuerung des Ultraschallwandler-Arrays ist eine geeignete Ansteuereinheit erforderlich. Figur 3 zeigt hierzu eine Vorrichtung zur Erzeugung und zum Empfang gerichteter Ultraschallsignale, bei der das Ultraschallwandler-Array 5 mit einer Ansteuereinheit 6 verbunden ist. Die Ansteuereinrichtung umfasst dabei elektronische Schalteinheiten für die Strahlformung, ein Übertragungs- und Empfangsmodul, ein Modul für die Verarbeitung und Steuerung der Hochfrequenzdaten und einen Multiplexer für die im vorliegenden Beispiel 32 Kanäle. Es besteht auch die Möglichkeit, eine geringere Anzahl von Kanälen in der Ansteuereinrichtung vorzusehen, wobei dann mehrere der Elektrodenelemente des Ultraschall -Arrays in einem Kanal zusammengefasst werden können, um Untergruppen der Elemente gemeinsam anzusteuern. Selbstverständlich lässt sich ein derartiges System auch um weitere Kanäle erweitern, wenn ein entsprechendes Ultraschallarray mit einer höheren Anzahl von Elektrodenelementen bereitgestellt wird. Vorzugsweise ist die Ansteuereinheit programmierbar ausgestattet, so dass sie je nach gewünschter Anwendung über eine entsprechende Schnittstelle vorprogrammiert werden kann. Weiterhin ist eine Schnittstelle zur Übertragung der empfangenen und ggf. vorverarbeiteten Signale oder Daten vorgesehen, die dann bspw. in einem Computer weiter ausgewertet werden können .For the control of the ultrasonic transducer array, a suitable drive unit is required. FIG. 3 shows a device for generating and receiving directional ultrasound signals, in which the ultrasound transducer array 5 is connected to a drive unit 6. The control device comprises electronic switching units for beam shaping, a transmission and reception module, a module for processing and controlling the high-frequency data and a multiplexer for the 32 channels in the present example. It is also possible to provide a smaller number of channels in the drive device, in which case several of the electrode elements of the ultrasound array can be combined in one channel, in common to subgroups of the elements head for. Of course, such a system can also be extended by further channels if a corresponding ultrasonic array with a higher number of electrode elements is provided. Preferably, the drive unit is programmable equipped, so that it can be preprogrammed depending on the desired application via a corresponding interface. Furthermore, an interface for transmitting the received and possibly preprocessed signals or data is provided, which can then be further evaluated, for example, in a computer on.
Figur 4 zeigt schließlich auszugsweise einen Querschnitt durch einen Aufbau Ultraschallwandler-FIG. 4 finally shows, in excerpts, a cross section through a structure of ultrasonic transducer
Arrays wie dem der Figur 1, bei dem die Elektretfolie 1 Vertiefungen bzw. Gräben zwischen den einzelnen Elektrodenelementen 3 aufweist. Die Vertiefungen 8 sind in diesem Beispiel durch Prägen der Folie 1 entstanden, können jedoch auch durch andere Techniken erhalten werden. Die Folie 1 kann auch zwischen den Elektrodenelementen 3 vollständig durchtrennt werden. Die Vertiefungen 8 bieten den Vorteil einer stärkeren Schallentkopplung der unabhängig ansteuerbaren Elektrodenelemente 3. Arrays like that of FIG. 1, in which the electret foil 1 has recesses or trenches between the individual electrode elements 3. The recesses 8 are formed in this example by embossing the film 1, but can also be obtained by other techniques. The film 1 can also be completely severed between the electrode elements 3. The recesses 8 offer the advantage of greater sound decoupling of the independently controllable electrode elements 3.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Elektretfolie 2 erste Elektrodenstruktur1 electret foil 2 first electrode structure
3 Elektrodenelemente3 electrode elements
4 zweite Elektrodenstruktur4 second electrode structure
5 Ultraschallwandler-Array5 ultrasonic transducer array
6 Ansteuereinheit 7 Zuleitungen6 Control unit 7 supply lines
8 Vertiefungen 8 wells

Claims

Patentansprüche claims
1. Ultraschallwandler-Array, das wenigstens eine Schicht (1) aus einem piezoelektrisch aktiven, zellulären Elektretmaterial zwischen einer ersten (2) und einer zweiten Elektrodenstruktur (4) aufweist, wobei die erste Elektrodenstruktur (2) aus mehreren unabhängig voneinander adressierbaren Elektrodenelementen (3) gebildet ist, durch die jeweils in Verbindung mit der zweiten Elektrodenstruktur (4) lokale Dickenschwingungen der Schicht (1) oder von Poren in der Schicht (1) mit Frequenzen im Ultraschallbereich erzeugbar und/oder detektierbar sind.1. Ultrasonic transducer array having at least one layer (1) of a piezoelectrically active, cellular electret material between a first (2) and a second electrode structure (4), wherein the first electrode structure (2) consists of a plurality of independently addressable electrode elements (3 ) is formed, are generated by each of which in conjunction with the second electrode structure (4) local thickness vibrations of the layer (1) or of pores in the layer (1) with frequencies in the ultrasonic range and / or detectable.
2. Ultraschallwandler-Array nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenstruktur (2) direkt auf die Schicht (1) aus dem Elektretmaterial aufge- bracht ist.2. Ultrasonic transducer array according to claim 1, characterized in that the first electrode structure (2) is applied directly to the layer (1) made of the electret material.
3. Ultraschallwandler-Array nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (1) durch Prägen, Einschneiden oder Durchtrennen der Schicht (1) erhaltene3. Ultrasonic transducer array according to claim 1 or 2, characterized in that the layer (1) obtained by embossing, cutting or severing the layer (1)
Vertiefungen zwischen den Elektrodenelementen (3) der ersten Elektrodenstruktur (2) aufweist.Recesses between the electrode elements (3) of the first electrode structure (2).
4. Ultraschallwandler-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittenabstand der Elektrodenelemente (3) kleiner oder gleich dem 10 -fachen einer Wellenlänge von Ultraschallwellen ist, die mit dem Ultraschallwandler-Array erzeugbar oder detektier- bar sind.4. ultrasonic transducer array according to one of claims 1 to 3, characterized in that a center distance of the electrode elements (3) is less than or equal to 10 times a wavelength of ultrasonic waves that can be generated or detected with the ultrasonic transducer array.
5. Ultraschallwandler-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittenabstand der Elektrodenelemente (3) kleiner oder gleich einer halben Wellenlänge von Ultraschallwellen ist, die mit dem Ultraschallwandler-Array erzeugbar oder detektierbar sind.5. Ultrasonic transducer array according to one of claims 1 to 3, characterized in that a center distance of the electrode elements (3) is less than or equal to half a wavelength of ultrasonic waves that can be generated or detected with the ultrasonic transducer array.
6. Ultraschallwandler-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenelemente (3) fingerförmig ausgebildet und nebeneinander angeordnet sind.6. Ultrasonic transducer array according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electrode elements (3) are finger-shaped and arranged side by side.
7. Ultraschallwandler-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodenstruktur (4) durch eine zusammenhängende elektrisch leitfähige Schicht gebildet ist.7. Ultrasonic transducer array according to one of claims 1 to 6, characterized in that the second electrode structure (4) is formed by a continuous electrically conductive layer.
8. Ultraschallwandler-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodenstruktur (4) zu den Elektrodenelementen (3) der ersten Elektrodenstruktur (2) korrespondierende Elektrodenelemente aufweist . 8. Ultrasonic transducer array according to one of claims 1 to 6, characterized in that the second electrode structure (4) to the electrode elements (3) of the first electrode structure (2) has corresponding electrode elements.
9. Ultraschallwandler-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallwandler-Array (5) mit einer Ansteuereinheit (6) verbunden ist, über die eine phasengesteuerter Betrieb der Elektrodenelemente (3) ermöglicht wird.9. ultrasonic transducer array according to one of claims 1 to 8, characterized in that the ultrasonic transducer array (5) with a drive unit (6) is connected, via which a phase-controlled operation of the electrode elements (3) is made possible.
10. Ultraschallwandler-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallwandler-Array (5) mit einer Ansteuereinheit (6) verbunden ist, über die eine An- und Abschaltung einzelner Elektrodenelemente (3) oder Gruppen von Elektrodenelementen (3) unabhängig voneinander ermöglicht wird.10. Ultrasonic transducer array according to one of claims 1 to 8, characterized in that the ultrasonic transducer array (5) is connected to a drive unit (6) via which a connection and disconnection of individual electrode elements (3) or groups of electrode elements ( 3) is enabled independently.
11. Ultraschallwandler-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallwandler-Array (5) mit einer Ansteuereinheit (6) verbunden ist, über die eine Erzeugung unterschiedlicher Schallkeulenformen ermöglicht wird.11. Ultrasonic transducer array according to one of claims 1 to 8, characterized in that the ultrasonic transducer array (5) is connected to a drive unit (6) via which a generation of different sound lobe shapes is made possible.
12. Ultraschallwandler-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallwandler-Array (5) mit einer Ansteuereinheit (6) verbunden ist, über die eine gerichtete Abstrahlung und/oder ein gerichteter Empfang von Ultraschall ermöglicht wird.12. Ultrasonic transducer array according to one of claims 1 to 8, characterized in that the ultrasonic transducer array (5) is connected to a drive unit (6) via which a directional radiation and / or a directional reception of ultrasound is made possible.
13. Ultraschallwandler-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (1) aus dem Elektretmaterial für einen Betrieb im Ultraschallbereich zwischen 50 und 50OkHz ausgelegt ist.13. Ultrasonic transducer array according to one of claims 1 to 12, characterized in that the layer (1) of the electret material for operation in the ultrasonic range between 50 and 50OkHz is designed.
14. Verwendung des Ultraschallarrays nach einem oder mehreren der vorangehenden Patentansprüche für die Abstrahlung und/oder den Empfang von Ultraschall- wellen in gasförmigen Medien. 14. Use of the ultrasonic array according to one or more of the preceding claims for the emission and / or the reception of ultrasonic waves in gaseous media.
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