WO2001045081A1 - Piezoelektrischer ultraschallwandler umfassend ein gehäuse und eine isolierschicht - Google Patents

Piezoelektrischer ultraschallwandler umfassend ein gehäuse und eine isolierschicht Download PDF

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    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/122—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric ultrasound transducer comprising a housing and a piezoelectrically active layer connected to the housing via an insulating layer.
  • Such an ultrasound transducer is suitable for both sending and receiving ultrasound. It can be used in gases and liquids. Such an ultrasonic transducer is used, for example, in a flow meter to determine the flow rate of a gas or a liquid. Such an ultrasonic transducer is also used to determine the liquid level in a container by means of a runtime measurement of ultrasonic pulses.
  • the piezoelectrically active layer is usually excited with voltage pulses to emit an ultrasound pulse. Conversely, the detection of an ultrasound pulse takes place via a voltage signal which is emitted by the piezoelectrically active layer.
  • the piezoelectrically active layer m is installed in a suitable housing for particularly effective radiation of ultrasound in one direction with large signal loss.
  • the layer components of the ultrasonic transducer are usually with one another and with the housing via an adhesive firmly connected.
  • the layers and the housing cannot be constructed from materials with identical thermal expansion coefficients.
  • specific materials are even prescribed for safety reasons.
  • temperature changes this leads to the fact that, due to different temperature expansions, stresses occur in the composite system, which can be shown externally by bending. These mechanical stresses are a static, continuous load that depends on the temperature and permanently damages the composite system.
  • ultrasonic transducers are known in which the individual layers and the housing are connected to one another via highly elastic adhesives or thick adhesive layers.
  • highly elastic adhesives and thick adhesive layers disadvantageously lead to high attenuation of the emitted ultrasound signal.
  • the object of the invention is to provide a piezoelectric ultrasonic transducer of the type mentioned at the outset, which also shows a long service life when used with frequent temperature changes.
  • a matching layer is additionally arranged between the insulating layer and the housing, the thermal expansion coefficient of which has a value between the values of the expansion coefficients of the housing and the insulating layer.
  • the housing is a metallic housing. In this way, the sound can advantageously be coupled into liquids.
  • the housing consists of a steel, in particular a stainless steel.
  • the piezoelectrically active layer consists of a piezoceramic.
  • a piezoceramic By creating a homogeneous electric field, a polar axis is generated in the piezoceramic, which is necessary for the occurrence of the piezoelectric effect.
  • the composition of a piezoceramic allows it to be adapted to different requirements.
  • a suitable piezoceramic is, for example, a so-called PZT ceramic, which is understood to mean a lead zirconate titanium oxide ceramic.
  • the insulating layer consists of a ceramic, in particular an aluminum oxide ceramic. Ceramics of this type show good mechanical properties with high electrical insulation.
  • an aluminum oxide ceramic is characterized by a thermal expansion coefficient similar to that of a lead zirconate titanium oxide ceramic.
  • the thermal expansion coefficients of these materials with 8 • 10 " YK to 12 • 10 " ° / K are all between the thermal expansion coefficient of the aluminum oxide ceramics of 7 ⁇ 10 "D / K and the thermal expansion coefficient of steel with material number 1.4571 for the housing from 17 • 10 ⁇ 6 / K.
  • the material numbers are taken from the "Stahl gleichel", Verlag StahlInstitutel Wegst GmbH, 18th edition, 1998, Marbach, where you can find the corresponding compositions.
  • the layer system of the ultrasound transducer can be connected to one another particularly inexpensively and simply if the layers are bonded to one another and the matching layer to the housing by means of an epoxy resin.
  • the figure shows a perspective, partially broken open view of an ultrasonic transducer 1 with a housing 2 and a layer system arranged therein.
  • the ultrasound transducer 1 emits ultrasound signals in the direction of the housing base 3 or detects ultrasound signals coming from this direction.
  • the ultrasonic transducer 1 itself is rotationally symmetrical.
  • the layer system of the ultrasound transducer 1 comprises a piezoelectrically active layer 4 made of a lead zirconate titanium oxide ceramic, an insulating layer 5 made of an aluminum oxide ceramic and an adaptation layer 6 made of titanium.
  • the piezoelec- tnscn artive layer 4, the insulating layer 5 un ⁇ the Anpa " ⁇ -. Scn CHT 6 are firmly connected epoxy resin with each other respectively uoer adhesive layers 8, the matching layer 6 is bonded via a further epoxy resin adhesive layer 8 with the housing-bottom 3.
  • the illustrated ultrasonic transducer 1 has a diameter of 30 mm.
  • the adhesive layers 8 are approximately 5 ⁇ m thick.
  • the thickness of the piezoelectrically active layer 4 is approximately 1 mm.
  • the insulating layer 5 has a thickness of approximately 1/10 mm.
  • the matching layer is about 2 mm thick.
  • the housing 2 consists of a stainless steel with the material number 1.4571.
  • the layer system of the ultrasonic transducer 1 is cast into the housing 2 via a dam 10.
  • Epoxy resin is used as the dam material 10.
  • Electrical connections 11 are provided to control the ultrasonic transducer.
  • the electrical connections 11 are connected to a flat electrode (not shown in the drawing) made of sputtered gold on the top of the insulating layer or to the electrode 12 which is applied flat on the top of the piezoelectrically active layer 4.
  • the electrode ⁇ 2 consists of a sputter layer consisting of ⁇ en metals Cr / Pt / Au.
  • Incoming ultrasound signals can also be easily transmitted using the illustrated ultrasound transducer 1 detect the voltage values emitted by the piezoelectrically active layer 4.
  • the illustrated ultrasonic transducer 1 is particularly suitable for use in aggressive or explosive gases and liquids, where it is also exposed to frequent temperature changes.
  • One such application is, for example, the use of the ultrasonic transducer 1 in flow meters.

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Abstract

Es wird ein piezoelektrischer Ultraschallwandler (1) umfassend ein Gehäuse (2) und eine mit dem Gehäuse (2) über eine Isolierschicht (5) verbundene piezoelektrisch aktive Schicht (4) angegeben. Erfindungsgemäß ist zwischen der Isolierschicht (5) und dem Gehäuse (2) zusätzlich eine Anpaßschicht (6) angeordnet, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient einen Wert zwischen den Werten der Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses (2) und der Isolierschicht (5) aufweist. Ein derartiger Ultraschallwandler (1) zeigt auch bei Einsatz mit häufigen Temperaturwechseln eine lange Lebensdauer.

Description

Beschreibung
PIEZOELEKTRISCHER ULTRASCHALLWANDLER UMFASSEND EIN GEHAUSE UND EINE ISOLIERSCHICHT
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Ultraschallwandler umfassend ein Gehäuse und eine mit dem Gehäuse über eine Isolierschicht verbundene piezoelektrisch aktive Schicht.
Ein derartiger Ultraschallwandler eignet sich sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Ultraschall. Er kann m Gasen und m Flüssigkeiten eingesetzt werden. Ein solcher Ultraschallwandler wird beispielsweise m einem Durchflußzahler zur Bestimmung der Durchflußmenge eines Gases oder einer Flüssigkeit eingesetzt. Auch wird ein solcher Ultraschallwandler zum Bestimmen der Flussigkeitshohe m einem Behalter mittels einer LaufZeitmessung von Ultraschallimpulsen eingesetzt .
Zum Betrieb wird die piezoelektrisch aktive Schicht meist mit Spannungsimpulsen zum Aussenden eines Ultraschall-Impulses angeregt. Umgekehrt erfolgt die Detektion eines Ultraschall- Impulses über ein Spannungssignal, welches die piezoelektrisch aktive Schicht abgibt. Zum besonders effektiven Ab- strahlen von Ultraschall in eine Richtung onne großen Signalverlust ist die piezoelektrisch aktive Schicht m ein geeignetes Gehäuse eingebaut.
Für Anwendungen m explosiven Gasen oder Flüssigkeiten gibt es strenge Vorschriften hmsichtlicn der elektrischen Isolation der ström- oαer spannungsführenden Bauteile. Aus diesem Grund befindet sich zwischen dem Genause und der mit elektrischen Anschlüssen versehenen piezoelektrisch aktiven Schicht eine Isolierschicht.
Die Schicht-Komponenten des Ultraschallwandlers sind üblicherweise miteinander und mit dem Gehäuse über einen Kleber fest verbunden. In vielen Fallen, beispielsweise bei einem Einsatz m aggressiven oder korrodierenden Gasen oder Flüssigkeiten, können die Schichten und das Gehäuse jedoch nicht aus Materialien mit identischen thermischen Ausdehnungs- koeffizienten aufgebaut werden. Bei Einsatz m gewissen Che- mι alιen sind spezifische Materialien aus sicherheitstechm- scnen Gründen sogar vorgeschrieben. Bei Temperaturanderungen funrt dies dazu, daß aufgrund unterschiedlicher Temperaturausdehnungen Spannungen m dem Verbundsystem auftreten, die sich äußerlich durch ein Verbiegen zeigen können. Diese mechanischen Spannungen sind eine statiscne kontinuierliche Last, die abhangig von der Temperatur wirkt und auf Dauer das Verbundsystem schadigt.
Zur Losung dieses Problems sind Ultraschallwandler bekannt, bei denen die einzelnen Schichten und das Gehäuse miteinander über hochelastische Kleber oder dicke Klebeschichten verbunden sind. Hochelastische Kleber und dicke Klebeschichten fuhren jedoch nachteiligerweise zu einer hohen Dampfung des aus- gesendeten Ultraschallsignals.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art anzugeben, der auch be_ Einsatz mit häufigen Temperaturwechseln eine lange Le- bensdauer zeigt.
Diese Aufgabe wird für einen piezoelektrischen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art erfindungsgemaß dadurch gelost, daß zwischen Isolierschicht und Gehäuse zusätzlich eine Anpaßschicht angeordnet ist, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient einen Wert zwischen den Werten der Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses und der Isolierschicht aufweist .
Auf diese Art und Weise gelingt es, die bei Temperaturschwankungen und bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Materialien auftretenden mechani- sehen Spannungen im Schicht- oder Verbundsystem des Ultraschallwandlers zu reduzieren, ohne jedoch das abgegebene Ultraschall-Signal zu dampfen. Des weiteren können auf diese Art und Weise auch Materialien mit sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten m herkömmlicher Art und Weise miteinander verklebt werden, ohne daß die Effizienz des Ultraschallwandlers bei Ausfuhrungen gemäß Standes der Technik durch dicke und/oder weiche, hochelastische Kleber nachlaßt. Durch die geringen mechanischen Spannungen sind hohe Anzahlen von Temperaturwechseln ohne Beschädigung des Ultra- schallwandlers möglich. Temperaturwechsel wirken als dynamische Last. Die bei dynamischer Last auftretenden Spannungsspitzen sind gering.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse ein metallisches Gehäuse. Auf diese Weise läßt sich der Schall vorteilhaft in Flüssigkeiten einkoppeln.
Insbesondere für den Einsatz in aggressiven Flüssigkeiten oder Gasen oder allgemein in korrodierender Umgebung ist es weiter von Vorteil, wenn das Gehäuse aus einem Stahl, insbesondere aus einem Edelstahl, besteht.
Obschon sich naturlich jedes Material, welches den piezoelek- frischen Effekt zeigt, für die piezoelektrisch aktive Schicht eignet, so ist es dennoch für technische Anwendungen von Vorteil, wenn die piezoelektrisch aktive Schicht aus einer Pie- zokeramik besteht. Durch Anlagen eines homogenen elektrischen Feldes wird eine polare Achse in der Piezokeramik erzeugt, die für das Auftreten des piezoelektrischen Effekts notwendig ist. Eine Piezokeramik erlaubt über ihre Zusammensetzung eine Anpassung an unterschiedlicne Anforderungen. Eine geeignete Piezokeramik ist beispielsweise eine sogenannte PZT-Keramik, worunter eine Blei-Zirkonat-Titan-Oxidkeramik verstanden wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Isolierschicht aus einer Keramik, insbesondere aus einer Aluminiumoxid-Keramik . Derartige Keramiken zeigen σute mechanische Eigenschaften bei gleichzeitig hoher elek- frischer Isolierfähigkeit. Insbesondere zeichnet sich eine Alummiumoxid-Keramik durch einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie eine Blei-Zirkonat-Titan-Oxidkera-
Weiter von Vorteil, insbesondere bei einem metallischen Gehäuse aus einem Stahl, ist es, wenn die Anpaßschicht aus Titan, oder einem Stahl der Werkstoffnummer 1.4021, 1.4460 oder ^.4462 besteht. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten dieser Materialien liegen mit 8 • 10"YK bis 12 • 10"°/K allesamt zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Alu i- niumoxid-Kermik von 7 ■ 10"D/K und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl der Werkstoffnummer 1.4571 für das Gehäuse von 17 • 10~6/K. Die Werkstoffnummern sind dabei dem "Stahlschlussel", Verlag Stahlschlussel Wegst GmbH, 18. Auflage, 1998, Marbach, entnommen. Dort finden sich die zugehörigen Zusammensetzungen.
Besonders gunstig und einfach laßt sich das Schichtsystem des Ultraschallwandlers miteinander verbinden, wenn die Schichten miteinander und die Anpaßschicht mit dem Gehäuse mittels eines Epoxidharzes verklebt sind.
Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung naher erläutert.
Dabei zeigt die Figur perspektivisch m teilweise aufgebro- cnener Darstellung einen Ultraschallwandler 1 mit einem Gehäuse 2 und darin angeordnetem Schichtsystem. Der Ultraschallwandler 1 strahlt m Richtung des Gehause-Bodens 3 Ul- traschall-Signale ab bzw. detektiert aus dieser Richtung kommende Ultraschall-Signale. Der Ultraschallwandler 1 selbst ist rotationssymmetrisch ausgebildet. Das Schichtsystem des Ultraschallwandlers 1 umfaßt eine piezoelektrisch aktive Schicht 4 aus einer Blei-Zirkonat-Titan- Oxidkeramik, eine Isolierschicht 5 aus einer Aluminiumoxid- Kerami: und eine Anpaßschicht 6 aus Titan. Die piezoelek- tnscn artive Schicht 4, die Isolierschicht 5 unα die Anpa"^- scn cht 6 sind miteinander jeweils uoer Klebeschichten 8 aus Epoxidharz fest verbunden. Die Anpaßschicht 6 ist über eine weitere Epoxidharz-Klebeschicht 8 mit dem Gehause-Boden 3 verklebt .
Der dargestellte Ultraschallwandler 1 weist einen Durchmesser vor 30 mm auf. Die Klebeschichten 8 sind etwa 5 μ dick. Die Dicke der piezoelektrisch aktiven Schicht 4 betragt ca. 1 mm. Die Isolierschicht 5 weist eine Dicke von etwa 1/10 mm auf. Die Anpaßschicht ist etwa 2 mm stark.
Das Gehäuse 2 besteht aus einem Edelstahl mit der Werkstoffnummer 1.4571.
Das Schichtsystem des Ultraschallwandlers 1 ist m das Gehäuse 2 über ein Dammateπal 10 eingegossen. Als Dammaterial 10 ist Epoxidharz verwendet.
Zur Ansteuern des Ultraschallwandlers .. sind elektrische An- Schlüsse 11 vorgesehen. Die elektrischen Anschlüsse 11 sind mit einer - m der Zeichnung nicht erkennbaren - flächigen, aus aufgesputtertem Gold bestehenden Elektrode auf der Oberseite der Isolierschicht bzw. mit der auf der Oberseite der piezoelektrisch aktiven Schicht 4 flachig aufgebrachten Elek- trode 12 verbunden. Die Elektrode ±2 besteht dabei aus einer Sputterschicht bestehend aus αen Metalien Cr/Pt/Au.
Zum Betrieb des Ultraschallwandlers wird dieser mit Span- nungsi pulsen versorgt. Geeignete Schaltungen hierfür sind Stand der Technik. Auch lassen sich mit dem dargestellten Ultraschallwandler 1 ankommende Ultraschall-Signale leicht über die von der piezoelektrisch aktiven Schicht 4 abgegebenen Spannungswerte detektieren.
Der dargestellte Ultraschallwandler 1 eignet sich msbeson- dere für einen Einsatz in aggressiven oder explosionsgefahndeten Gasen und Flüssigkeiten, wo er zudem noch häufigen Temperaturwechseln ausgesetzt ist. Ein solcher Anwendungsfall ist beispielsweise der Einsatz des Ultraschallwandlers 1 in Durchflußzahlern .

Claims

Patentansprüche
1. Piezoelektrischer Ultraschallwandler (1) umfassend ein Gehäuse (2) und eine mit dem Gehäuse (2) über eine Isolier-
^ schicht (5) verbundene piezceiektπscü aktive Schicht (4), wobei zusätzlich zwischen Isolierschicht (5) und Gehäuse (2) eine Anpaßschicht (6) angeordnet ist, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient einen Wert zwischen den Werten der Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses (2) und der Isolierschicht 0 (5) aufweist.
2. Piezoelektrischer Ultrascnallwandler (1) nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (2) ein metallisches Gehäuse ist.
5 3. Piezoelektrischer Ultrascnallwandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse (2) aus einem Stahl, insbesondere aus einem Edelstahl, besteht.
4. Piezoelektrischer Ultraschallwandler (1) nach einem der 0 vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezoelektrisch aktive
Schicht (4) aus einer Piezokeramik besteht.
5. Piezoelektrischer Ultraschallwandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wooei die Isolierschicht (5) aus 5 einer Keramik, insbesondere aus einer Aluminiumoxid-Keramik, besteht .
6. Piezoelektrischer Ultrascnallwandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anpaßschicht (6) aus Ti- 0 tan oder einem Stahl der Wer) stoffnummern 1.4021, 1.4460 oder 1.4462 besteht.
7. Piezoelektrischer Ultrascnallwandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichten miteinander und 5 die Anpaßschicht (6) mit dem Gehäuse (2) mittels eines Epoxidharzes verklebt sind.
PCT/DE2000/004455 1999-12-17 2000-12-14 Piezoelektrischer ultraschallwandler umfassend ein gehäuse und eine isolierschicht WO2001045081A1 (de)

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