WO2008107246A1 - Ultraschallwandler mit direkt eingebettetem piezo - Google Patents

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WO2008107246A1
WO2008107246A1 PCT/EP2008/051290 EP2008051290W WO2008107246A1 WO 2008107246 A1 WO2008107246 A1 WO 2008107246A1 EP 2008051290 W EP2008051290 W EP 2008051290W WO 2008107246 A1 WO2008107246 A1 WO 2008107246A1
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WO
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matching
ultrasonic transducer
matching layer
piezo
piezoelectric transducer
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PCT/EP2008/051290
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English (en)
French (fr)
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Roland Mueller
Gerhard Hueftle
Michael Horstbrink
Tobias Lang
Sami Radwan
Bernd Kuenzl
Roland Wanja
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/28—Details, e.g. general constructional or apparatus details providing acoustic coupling, e.g. water
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
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    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02836—Flow rate, liquid level

Definitions

  • the invention is based on known ultrasonic transducers which are used, for example, as ultrasonic flowmeters in process engineering or in the automotive sector, in particular in the intake and / or exhaust tract of internal combustion engines, for volume flow or mass flow measurement.
  • ultrasound transducers are typically used which can both emit ultrasonic waves into a fluid medium (a gas and / or a liquid) and can receive ultrasonic waves.
  • ultrasound signals are usually transmitted by the flowing fluid medium from an emitter to a receiver, while the transit time, transit time differences or phases of the ultrasound signals or combinations of these measured variables are measured. These signals are influenced by the flow of the fluid. From the degree of influence of the running time can be concluded on the flow velocity of the fluid.
  • An example of such ultrasonic flow meter which can be used in various measuring arrangements, is described in DE 10 2004 060 064 Al.
  • the ultrasound flow measurement is a non-contact, fast and at least partially integrating over the flow cross-section measuring method. Moreover, in contrast to the thermal measuring method, no filigree and sensitive heating structures are required within the flow.
  • a disadvantage of known systems is that they are usually subject to strong restrictions by design. Furthermore, the mechanical stability of known ultrasonic transducers and the signal quality and the functional tolerances in many cases offer potential for further improvements, and the production is usually still too complicated and expensive.
  • the present invention is based on known ultrasonic transducers, such as the above-described transducers for use for flow measurement of fluid media, in particular in the intake and / or exhaust and / or in the exhaust gas recirculation and / or after a turbo charger of internal combustion engines in the automotive field.
  • the invention is based essentially on the finding that improvements of known systems with regard to the above-described disadvantages of known systems can be achieved in particular by an improved construction and connection technology within the ultrasound transducer and in particular in the connection point between the piezoelement and the impedance matching.
  • the invention therefore proposes an ultrasonic transducer which has at least one piezoelectric transducer element and at least one matching body.
  • the term of the piezoelectric transducer element is to be understood broadly and includes, for example, electric-acoustic transducers which operate according to electrostatic, magnetostrictive, piezoelectric effects or combinations of these effects.
  • the matching body again has at least one matching layer for promoting a vibration coupling between the piezoelectric transducer element and a surrounding fluid medium.
  • the matching layer comprises at least one polymer material, wherein the polymer material is connected to the piezoelectric transducer element by at least one of the following connections: a frictional connection, the frictional connection being effected by the matching body; a positive connection, wherein the positive connection is effected by the matching body; an immediate (ie without the interposition of adhesives) adhesive and / or cohesive connection between a surface of the piezoelectric Transducer element and a surface of the polymer material.
  • An essential advantage of the present invention therefore consists in that the matching layer and / or the matching body builds a connection to the piezoelectric transducer after joining the ultrasonic transducer itself and without the addition of further connecting elements or connecting materials.
  • the compound is thus mechanically stable and enhances the coupling of ultrasonic signals into surrounding fluid media, such as liquids, gases or mixtures thereof.
  • the invention includes the possibility of embedding a piezoceramic in an epoxy or polyester resin which has not yet been crosslinked and filled with hollow glass spheres and which already forms a positive and / or non-positive connection and / or adhesive bond to the piezoelectric during curing / crosslinking that a separate gluing or clamping is needed.
  • connection between piezo and matching layer can also be designed so that on the one hand sets a good acoustic coupling and on the other hand, a lower aging of the piezo (including its polarization) results, in particular by high thermal loads and the corresponding mechanical stresses at the junction is caused.
  • a frictional connection or adhesion at the piezo outer sides can be combined with a form fit on electrodes (for example silver electrodes).
  • FIG. 1 shows an embodiment of a known flow measuring system in which the ultrasonic transducer according to the invention can be used;
  • FIG. 2 shows a known ultrasonic transducer with a matching layer;
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of an ultrasonic transducer according to the invention with a piezoelectric transducer element partially embedded in the matching body;
  • Figure 4 shows an embodiment of an ultrasonic transducer according to the invention, in which the matching body and the piezoelectric transducer element are bonded together by self-adhesive;
  • FIG. 5 A shows a first exemplary embodiment with force-reduced embedding in plan view
  • FIG. 5B shows the embodiment according to FIG. 5A in a sectional view from the side
  • FIG. 6A shows a second exemplary embodiment with force-reduced embedding in plan view
  • Figure 6B the embodiment of Figure 6A in a sectional view from the side
  • FIG. 7A shows a third exemplary embodiment with force-reduced embedding in plan view
  • FIG. 7B shows the embodiment according to FIG. 7A in a sectional view from the side
  • Figure 8 shows an embodiment with complete embedding of the piezoelectric transducer element in a sectional view from the side
  • FIGS. 9A show various embodiments of an embedding of a piezoelectric to 9D converter by means of an additional part in a sectional view from the side;
  • FIG. 10A shows an embodiment with a casting mold in a sectional view from the side;
  • Figure 1OB the embodiment of Figure 10A in a perspective sectional view obliquely from below;
  • FIG. 1 A shows a first exemplary embodiment in which matching bodies and piezoelectric transducers are embedded in a depression of a housing body;
  • FIG. 1B is an alternative embodiment to FIG. 1A; and FIG. 12A shows an embodiment of a manufacturing method using a bis 12D semi-finished product.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a flow measuring system 110 in which ultrasonic transducers 112 according to the invention can be used.
  • flow measuring systems can be used, for example, in process engineering for the measurement of use rates of application, or in automotive technology for measuring intake and / or exhaust air masses for an internal combustion engine.
  • the flow measuring system 110 it is possible to deduce the following variables of the gas (or in general of the flowing fluid medium): a flow rate of the medium, a mass flow and / or (by means of additional information such as a pressure) to a temperature of the medium.
  • a flow rate of the medium or in general of the flowing fluid medium
  • mass flow or
  • additional information such as a pressure
  • the two ultrasonic transducers 112 are embedded in a flow tube 114, which is traversed in a main flow direction 116 (or in the opposite direction) by a fluid medium, for example an intake air mass of an internal combustion engine, at a speed v.
  • a fluid medium for example an intake air mass of an internal combustion engine
  • the sound propagation times, transit time differences or phase differences of ultrasonic signals are usually measured, which are transmitted back and forth between two ultrasonic transducers 112 with a directional component in or counter to the main flow direction 116.
  • the flow velocity can be used as a measure of the volume flow rate be considered. This approximation is valid in the first order, ie with a constant velocity profile over the pipe cross-section results essentially a proportional relation between flow velocity and flow rate, or linear characteristic between these two sizes. Multiplication by the density of the fluid medium (for gases ⁇ p / T) then gives the particle flow or mass flow.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of an ultrasonic transducer 112 known from the prior art.
  • the ultrasound transducer 112 comprises a piezoelectric transducer element 118 (hereinafter also referred to as “piezo” or “piezoelement” for short) and an adaptation layer 120. Between the matching layer 120 and the transducer element, an ultrasound transducer (shown in FIG not shown) adhesive layer introduced.
  • ultrasonic transducers 112 As a primary electro-mechanical conversion principle, in ultrasonic transducers 112, e.g. the electrostatic, magnetostrictive, or piezoelectric effect exploited. In a piezoceramic as a primary transducer element, different resonant vibration modes result, which are more or less pronounced depending on the geometry or are mutually differently coupled or decoupled. In the case of simple cuboid or cylindrical geometries, the following oscillation modes result, which can all be used, at least in principle, for ultrasonic conversion:
  • Thick vibration of a thin piezoelectric disk (pure expression of this vibration mode, in particular, if the diameter of the piezoelectric disk is greater than ten times the thickness of the piezoelectric disk);
  • Planar vibration of a thin piezo disk (pure expression of this vibration mode, in particular if the diameter of the piezo disk is greater than ten times the thickness of the piezo disk);
  • Q m the mechanical quality
  • the Curie temperature should be as high as possible, especially for motor mounting conditions.
  • a frequently used ceramic class with these properties is, for example, the so-called “Navy Type II" class (US Pat. eg PZT5A ceramic or ceramic according to EN 50324-1 type 200).
  • a membrane is used for adaptation as element 120 in FIG. 2, to which the generally thin piezoelectric element 118 is glued.
  • Such concepts are used, for example, in piezo numbers or in loudspeakers or in spatially broadly radiating distance sensors.
  • the resonant frequency is determined by the diaphragm 120 rather than by the piezo 118 alone.
  • a so-called " ⁇ / 4 matching layer" between the piezo 118 and the fluid medium is used as element 120.
  • the thickness of the matching layer corresponds to a quarter wavelength ( ⁇ / 4) of the ultrasonic waves in the matching layer.
  • ⁇ / 4 a quarter wavelength of the ultrasonic waves in the matching layer.
  • Deviations from a purely arithmetic ⁇ / 4 Layer thickness may be advantageous, for example, to compensate for a frequency shift of the piezo 118 due to the mechanical / acoustic load to compensate for the deviation from the condition of plane waves or to influence the transmission bandwidth of the ultrasonic transducer 112.
  • matching layers 120 which are wider than the piezo 118
  • matching layers 120 which are cup-shaped, matching layers 120 with chamfers on the radiating surfaces or similar variants.
  • These geometric variants which can also be used in the context of the present invention, usually have an optimized vibration or radiation behavior of the ultrasonic transducer 112 to the goal.
  • ultrasound transducers 112 with a plurality of superimposed matching layers 120 of different acoustic impedance are used, which is also possible in the context of the present invention (see below, for example, in accordance with FIG. 1B).
  • both the planar vibration components can be coupled into the matching layer 120 as well as the thickness vibration components resulting from transverse contraction of the piezo 118.
  • the piezo thickness can be significantly reduced at a fixed predetermined ultrasonic frequency, because this dimension is no longer primarily determining the frequency.
  • the impedance matching layer 120 is usually fabricated separately in an air-ultrasonic transducer 112. Frequently, a filled with glass bubbles balls epoxy or polyester resin is used, which is brought into a mold and cured. Subsequent machining then the desired detail geometry is achieved before the piezo 118 is glued with a separately applied adhesive.
  • an electrical contacting of the piezo 118 via electrodes 124 and leads 126 is symbolically indicated, as can also be used according to the invention.
  • State of the art are various electrode shapes on the piezo surface.
  • the two flat surfaces are metallised (for example by means of a thick-film paste or by means of sputtered thin layers, wherein combinations of several techniques are also possible).
  • For unilateral contacting also pulled around electrodes are used, which are known in several embodiments of commercially available Piezos 118. Soldering, conductive bonding or thermo-compression welding is usually used as the contacting method.
  • an electrically conductive connection element can be pressed onto the piezo with pretension (pressure, for example via a caulking, a spring or a screw).
  • piezoceramics that are electrically polarized but do not have an electrode themselves.
  • a separate electrode eg a metal foil, a metal plate, a metal ring, a metal net or similar elements or combinations of these elements
  • a bias e.g. a metal foil, a metal plate, a metal ring, a metal net or similar elements or combinations of these elements
  • the ultrasonic transducer 112 may comprise further elements, which are not shown in Figure 2. So it is particularly preferred if damping elements are provided by means of which the vibrations of the piezo can be damped.
  • a damping element may be provided on the rear side (ie on the side facing away from the matching layer 120) and / or at other locations, for example peripherally surrounding the piezo (eg for damping radial vibrations) in contact with the piezo 118 .
  • This damping element (often also referred to as "backing") can be designed, for example, as a damping layer and / or as a damping casting, and / or as a separate damping element
  • Fillers may also be included, for example glass hollow spheres, plastic spheres, hollow plastic spheres, glass flour or similar fillers or mixtures thereof, which in particular may convert sound to heat.
  • FIGS. 3 and 4 show two possible embodiments of ultrasonic transducers 112 according to the invention in a sectional view from the side.
  • the ultrasonic transducer is used in such a way that the fluid medium is in each case in the figures below the ultrasonic transducer 112.
  • the ultrasonic transducers 112 have piezoelectric transducer elements 118. It is assumed that these have cylindrical piezo disks with a disk diameter A and a disk thickness B.
  • piezos 118 having a diameter A of between approximately 5 mm and approx. 20 mm inserted.
  • Typical and preferred thicknesses B are between 0.08-A and 0.7-A.
  • other piezo geometries as well as other types of piezos (eg PZT composites, PZT stacks etc. - see below) can also be used.
  • the frequency range from about 100 kHz to about 400 kHz represents a reasonable compromise.
  • a limited range e.g. between 170 kHz and 250 kHz particularly advantageous.
  • the invention is in principle also applicable to other frequency ranges.
  • Such frequency ranges can be achieved with different piezo materials, for example with PZT ceramics or other ceramic piezo materials.
  • the basic structure according to FIG. 2 is the most sensible, for example in conjunction with the above-described geometry (thickness, diameter) of the piezoelements 118.
  • the diameter A is chosen such that the desired Ultrasonic frequency approximately as radial resonance (or pia- nary oscillation) of the pure piezo 118 results.
  • the thickness B is preferably chosen such that, on the one hand, there are no unfavorable couplings of different vibration modes and, on the other hand, no excessive deflection of the ceramic due to thermal stresses with an applied matching layer 120 for impedance matching is established.
  • the ultrasound transducers 112 according to the examples in FIGS. 3 and 4 have matching bodies 128, wherein the matching layer 120 forms a component of these matching bodies 128.
  • the entire layer which is located between the piezo 118 and the fluid medium, forms the matching layer 120.
  • the matching layer 120 usefully has a diameter which is similar to that of the piezoelectric element 118. Diameters which are somewhat larger than those of the piezos 118 have proven to be suitable.
  • the thickness D of the matching layer (see also FIG. 2) is preferably approximately one quarter the wavelength of the ultrasound in accordance with the speed of sound in the material of the matching layer 120 set.
  • the matching layer 120 By applying the matching layer 120 to the piezo 118, the actual resonance frequency of the ultrasonic transducer 112 changes, so that the thickness D of the matching layer 120 is set to the corresponding shifted wavelength. Further fine adjustment of the thickness D is useful when e.g. the ultrasonic amplitude, the ultrasonic bandwidth or the corresponding waveform should be optimized.
  • the material of the matching layer 120 is chosen so that the vibration coupling between piezo 118 and the fluid medium (for example air) is favored (see above). For this purpose, a not too high internal damping in conjunction with a suitable acoustic impedance is required.
  • acoustic impedance does not necessarily have to lie (as described above) in the geometric mean between the impedance of the piezoceramic and that of the air.
  • impedances in the range of e.g. 0.5 MRayl to 1.5 MRayl usable amplitudes are at a favorable transducer bandwidth achievable.
  • Suitable materials for the matching layer 120 are, in particular, epoxy resins, unsaturated polyesters or other BMC materials (BMC: bulk molding compound) with glass hollow sphere admixtures or materials based on polyimide.
  • a splice as a connection between piezo 118 and matching layer 120 is particularly critical, especially with regard to the combination of acoustic and mechanical / thermal requirements.
  • This problem can, as shown in Figs. 3 and 4 are defused by not using a separate adhesive. Instead, for example, the piezo 118 can be brought into contact with the material of the matching layer 120 before it has reached its final strength. During hardening of the material, a firm connection between piezo 118 and matching layer 120 then arises.
  • Figure 3 shows a "massive" embedding, in which the piezo 118 is more or less sunk into the matching layer 120 and the matching body 128.
  • any additional depths of embedding are also conceivable in principle, ie E> B.
  • a flush arrangement of the piezos 118 or slightly above the surface of the matching layer 120 is shown.
  • the piezo 118 forms a planar contact with the matching layer 120.
  • a meniscus 130 of the material of the matching layer 120 may be formed on the edge of the piezos 118.
  • the planar contact between piezo 118 and the material of the matching layer 120 may be e.g. also be mediated by another layer, which consists mainly of clear resin and which is then part of the matching layer 120 (this is then formed multi-layered).
  • the diameter R of the matching body 128 in both cases is preferably chosen to be larger than the diameter A of the piezos 118.
  • FIGS. 5A to 7B show three different exemplary embodiments of ultrasound transducers 112 with a force-reduced direct embedding (in each case in FIG. A as a top view and FIG. B as a sectional view from the side).
  • the piezo 118 in each case is embedded in the material of the matching body 128 by suitable geometry of a casting mold used (not illustrated in the figures) such that the piezo 118 is partially enclosed by this material. Due to the enclosure, the permanent connection between piezo 118 and fitting body 128 can be improved, since a mixture of material and adhesion can result.
  • recesses 132 may be provided in the adapter body 128 (for example, by appropriate design of a mold or other tool). Due to the partial recesses 132, the contact area between piezo 118 and matching body 128 can be reduced at critical points so that unfavorable thermal stresses and aging of the piezos 118 are reduced.
  • Recesses 132 may be disposed over the piezo 118 (ie, end face side on the side facing away from the matching layer 120), such as shown in FIGS. 5A and 5B, or alternatively or additionally, may be circumferentially disposed on the piezo 118, as in the figures 7A and 7B. Also combinations are conceivable. This is shown in FIGS. 7A and 7B, where the cutouts 132 are both arranged peripherally on the piezoelectric element 118 and, since the matching element 128 projects over the piezoelectric element 118, partially above the piezoelectric element 118. The recesses 132 provide access to the piezo 118 at various locations.
  • the recesses 132 may also be used to fix the piezo 118 during the embedding process and / or the recesses 132 are being replaced by fixing aids (eg, retaining pins in one mold or another) Tool) generated. Furthermore, the recesses can also be filled with damping means and thus form part of a damping body. Furthermore, the recesses 132 can be used to bring an additionally attached damping material (not shown in the figures) in direct contact with the piezo. The electrical leads 126 of the piezos 118 can be guided either through the material of the matching body 128 or through the recesses 132.
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment of an ultrasound transducer 112, which represents a further variant of the examples illustrated in FIGS. 3 and 4.
  • the embedding depth E of the piezo 118 in the matching body 128 is greater than the piezo thickness B, so that the piezo 118 is completely embedded in the material of the matching body 128.
  • the matching body 128 was formed in one piece, wherein the matching layer 120 formed an integral part of the matching body 128. That this does not necessarily have to be the case and that For example, multi-piece or multi-layered structures of the matching body 128 are conceivable, show the embodiments in Figures 9 A to 9D.
  • the piezo 118 is embedded by means of an additional part 134 in the matching body 128, wherein the additional part 134 then forms a component of the matching body 128 in the assembled state.
  • the attachment 134 may be made, for example, of a thermoplastic or thermoset plastic or an elastomer, and / or of a metallic material, e.g. if the additional part 134 wholly or partially includes electrical leads 126 for the piezo 118.
  • This additional part 134 can be used for the temporary fixation of the piezo 118 during the embedding process.
  • the additional part 134 in the finished ultrasonic transducer 112 can reduce thermal stresses on the piezos 118 due to thermal expansion of the material of the surrounding matching body 128.
  • the additional part 134 can favor a frictional integration of the piezo into the matching body 128 and / or can at least partially damp the oscillation of the piezo 118 or the matching body 128. Furthermore, it is also possible (as shown by way of example in FIG. 9B) to integrate part of the electrical contacting of the piezo, in particular the electrical leads 126 and / or the electrodes 124.
  • the additional part 134 may be wholly or partly made of conductive plastic, so as to at least partially replace the electrode 124 and / or the leads 126 to the piezo 118.
  • the remaining matching body 128 may then be made of insulating material to ensure electrical isolation to the outside.
  • FIGS. 9A to 9D respectively show different embodiments of this concept of using an additional part 134.
  • FIGS. 9A to 9C show embodiments with openings 132 pointing upwards
  • FIG. 9D shows an embodiment with completely embedded (eg cast-in) piezo 118 and additional part 134 represents.
  • Further possible embodiments are at least partially cage-shaped structures of the additional part spanning the piezoelectric element 118, which is embedded in the matching body 128.
  • FIGS. 10A and 10B show an exemplary embodiment of an ultrasonic transducer 112 with a casting mold 136 in a sectional view from the side (FIG. 10A) or in a perspective view obliquely from below (FIG. 10B).
  • a casting process with a "lost shape" is implemented, which may also, as an alternative or in addition to other shaping processes, be used in the embodiments described above.
  • the casting mold 136 used is, for example, a deep-drawable (and preferably plasma-treated) polyimide film which is introduced into another casting mold or is itself prefabricated as a casting mold.
  • film thicknesses of 5 to 200 micrometers can be used, depending on the materials used for the matching body 128.
  • the piezo 136 and the (still liquid and / or flowable) material of the matching body 128 are subsequently introduced into the mold 136.
  • different embedding depths can be realized, for example analogously to the exemplary embodiments in FIGS. 3, 4 or 8.
  • the casting method can also be combined with other embodiments described above.
  • the foil of the casting mold 136 can remain on the matching body 136 after removal from the mold and can then serve as a protective layer. If a foil is used which has a considerably higher acoustic impedance than the matching layer 120, then the foil should not be made too thick in order not to hinder the acoustic coupling between the piezo 118 and the fluid medium too much.
  • other materials or even thin moldings may be used as a "lost mold", such as (preferably thin) metal foils and / or (preferably thin) plastic parts.
  • Advantages of this technique according to FIGS. 10A and 10B are, on the one hand, that the removal of the strongly adhering material of the matching body 128 is facilitated, as a result of which the tool life of the external tools can be considerably extended. Another advantage is the sealing function of the film (or the other material, see previous paragraph) towards media such as e.g. may be contained in the intake atmosphere of a motor vehicle engine.
  • the casting or press mold 136 or the film can be designed so that the piezo 118 does not have to be fixed separately during the casting or pressing of the matching layer material, but rests directly on the foil or casting mold 136 on shoulders 138 or support points.
  • These paragraphs may, for example, result from corresponding paragraphs in a tool surrounding the film, or else such paragraphs 138 may be embossed into the film itself or may be introduced as part of a preceding deep-drawing process.
  • the paragraphs 138 after demolding into recesses in the matching layer material or in the matching body 128 and can be arranged so that there is still a favorable ultrasonic radiation.
  • the piezo 118 is preferably mounted on or in the matching body 128.
  • the later ultrasound emitting surface was always oriented downwards during casting (or pressing, injection molding, etc.). However, this order is not absolutely necessary, so that the later radiating surface can also be arranged obliquely (eg oblique arrangement to an air mass flow) and / or can point upwards. Examples of the latter construction are shown in the embodiments of FIGS. 1A and 1B.
  • a housing body 140 is provided in each case, for example, a portion of the flow tube 114 or an insert for such a flow tube (for example, a housing of a plug-in sensor).
  • Recesses 142 are embedded in these housing bodies 140, for example in the form of cylindrical blind holes (which can also be stepped, see FIG. 1A).
  • the piezo 118 and the matching body 128 can then be introduced into these depressions so that the matching layer 120 then again lies between the fluid medium (in this case via the ultrasonic transducers 112 in FIGS. 1A and 1B) and the piezo 118.
  • This "inverse" structure can be used, for example, to construct a multilayer system in the matching layer 120 between the piezo surface and the ultrasound emitting surface toward the air (or fluid medium) .
  • different materials can be cast in or pressed, which can be either damping or sealing.
  • the latter function is realized in particular by a density or impedance gradient between piezo 118 and air.
  • a plurality of different matching layer materials can be used whose density or acoustic impedance decreases continuously or in stages in the direction of the emission surface.
  • a single matching layer material can be used, in which by sedimentation filler with higher density, such as glass breakage (eg processing losses) or clear resin portions (the layer thickness is adjustable, for example, by resin excess) close to the piezo 118 accumulate and lighter fillers, such as air-filled Glass bubbles, tend to float.
  • a closed clear resin layer can generally also be used for sealing against media become. This layer sequence or sedimentation is shown symbolically in FIGS. 11A and 11B by the reference numeral 144.
  • FIGS. 12A to 12D show various partial steps of a production method of an ultrasound transducer 112 in which a semifinished product 146 is used.
  • a bag 148 or another film body for example a polyimide film bag
  • an adaptation layer material indicated symbolically by reference numeral 150 in FIG. 12A.
  • BMC materials BMC: bulk molding compound
  • epoxy resin mixtures can be used for this purpose.
  • the bag 148 is closed and formed into a moldable semi-finished product 146 (for example by pressing).
  • the semifinished product 146 is often referred to as "prepreg.”
  • the film of the bag 148 is at least partially removed (where later the piezo 118 is attached) removed (compare Figure 12C, there symbolically indicated by reference numeral 152), and then the Piezo 118 placed on the still moldable and adhesive semifinished product and then cured (eg chemically, thermally and / or by UV irradiation), so that the piezo 118 adheres to the matching body 128 forming from the semi-finished 146 and with this a stable ultrasonic transducer 112th
  • a part of the film can also be removed or omitted from the flow, for example a region from the middle of the matching layer 120.
  • the ultrasonic transducers 112 and the flow measuring system 110 and the manufacturing method according to the above embodiments can be further developed in many ways.
  • a plurality of piezos 118 may share a common, one-piece matching layer 120.
  • two or more piezoelectric elements 118 may be embedded in one and the same matching body 128, which has a one-piece (i.e., possibly also multi-layered) common matching layer 120 for the individual piezoelectric elements 118.
  • any piezo-active material may be used, for example a piezoceramic (eg PZT, BaT or similar materials and materials) Composites ...), a piezocrystal, piezocomposite, piezostack or similar.
  • a piezoceramic eg PZT, BaT or similar materials and materials
  • a piezocrystal e.g PZT, BaT or similar materials and materials and materials
  • piezocomposite e.g., a piezocomposite
  • piezostack e.g., a piezostack or similar.
  • one, two or more electrically conductive electrodes 124 may be provided, which may be arranged transversely to the acoustic radiation direction or else with a surface component parallel thereto.
  • the piezoelement 118 can essentially have a cylindrical, oval, rod-shaped or cuboidal or further geometry.
  • the surface of the piezoelectric element 118 may be at least partially treated with a bonding agent, which promotes the structure of the frictional connection with the crosslinking matching layer 120.
  • the surface of the piezoelectric element 118 may also be provided, for example, with an anti-adhesion layer (eg with a Teflon layer) in order to avoid adhesion.
  • Another component of the piezoelectric element 118 may be a material (a coating, a coating, a layer, a part of the transducer housing), which provides protection against the ingress of liquid or gaseous media or acts electrically conductive or electrically insulating.
  • matching layer 120 or the entire matching body 128 can in particular be made wholly or partly of a syntactic material, a duroplastic (eg epoxy, polyester, phenolic resin, cyanate ester), a thermoplastic or an elastomer (eg silicone) or a blend (eg thermoplastic Duroplast- mixture, especially as BMC mass) to be made as the main component.
  • This main component may be filled or foamed with fillers, hollow bodies, cavities or fibers.
  • glass hollow spheres or hollow plastic spheres are suitable as fillers, as well as substances which may escape from the fabric during or after crosslinking, can be dissolved out or otherwise removed, so that cavities or gas inclusions remain in the material of the matching body 128 or the matching layer 120.
  • the ultrasonic transducer 112 may contain additional electrical connections 126 or electrodes 124 in addition to the piezoelement 118 and the matching layer 120 or the matching body 128. These can be flat, but also, for example, wire or mesh grid-shaped or designed as a spring element.
  • the contact between the electrodes 124 and the piezoelectric element 118 can be produced, for example, on the one hand by mechanical pressure or by another conventional contacting method, such as, for example, soldering, thermo-compression welding, bonding or conductive bonding.
  • a part of the piezoelectric element 118 may be an electrode 124 which, at least partially, extends from one end face of the piezoactive material in the direction of the opposite side about the piezoelectric element. that's why he's been around.
  • a protective layer may be joined to or applied to the matching layer 120 or the matching body 128. This may for example consist of a film (for example Kapton or polyimide) or a lacquer. At the same time, this protective layer can serve for better demolding compared to the shaping production tool.
  • the protective layer can also essentially consist of the main component of the matching layer (eg clear resin or other plastic with essentially continuous surface) and be produced by a thermal, mechanical or chemical process or else by sedimentation or a capillary / flow process and be more integral Be part of the matching layer 120 and / or the matching body 128.
  • the main component of the matching layer eg clear resin or other plastic with essentially continuous surface
  • the geometry of the piezoelement 118 can be designed in such a way that different oscillation modes are formed.
  • vibrational modes e.g. a thickness oscillation is excited, which corresponds to a movement in the axis of the main radiation of the ultrasonic transducer 112.
  • a planar oscillation can be excited transversely to this axis, which, on the one hand, couples directly into the matching layer 120 and, on the other hand, causes the matching layer to oscillate again as a thickness oscillation due to the transverse contraction of the piezoelement 118.
  • the piezo geometry can be designed such that oscillation properties which are particularly favorable with regard to sound field formation and absorption (dispersion) in the surrounding fluid medium for a flow measurement (for example with regard to aperture, bevel, thickness and thus frequency range).
  • the geometry of the matching layer 120 may be designed so that in the direction of the main layer radiation of the ultrasonic transducer 112 in the matching layer 120 results in a resonance, which leads to a favorable acoustic coupling between the piezoelectric element 118 and the surrounding fluid medium. This can be achieved, for example, in the case of a gaseous fluid to be measured, for example, if the thickness of the matching layer 120 is at least approximately of the order of a quarter wavelength, as set at the ultrasonic frequency used within the matching layer material.
  • piezoelectric element 118 and matching layer 120 or matching element 128 can be chosen such that the resonance frequencies of both components are coordinated with one another in such a way that (preferably over the whole
  • one or more further matching layers 120 may be used so that the acoustic coupling between the piezoelectric element 118 and the surrounding fluid medium is further promoted.
  • the outer contour of the ultrasonic transducer 112 may have a flow-optimized shape or be arranged in a flow-optimized position within the flow tube 114.
  • the outer contour of the ultrasonic transducer 112 may further be designed such that results in a favorable for the application radiation characteristic of the ultrasonic transducer 112.
  • the material properties of the matching layer 120 or of the matching body 128 can be selected favorably.
  • the transverse contraction number which plays a role in the conversion of radial vibrations in thickness vibrations and at the formation of transversal waves
  • the glass transition temperature which should be as high as possible

Abstract

Es wird ein Ultraschallwandler (112) vorgeschlagen, welcher mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement (118) und mindestens einen Anpasskörper (128) mit mindestens einer Anpassschicht (120) zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement (118) und einem umgebenden fluiden Medium umfasst. Die Anpassschicht (120) weist mindestens ein Polymermaterial auf. Die Anpassschicht (120) ist durch mindestens eine der folgenden Verbindungen mit dem piezoelektrischen Wandlerelement (118) verbunden: eine kraftschlüssige Verbindung, wobei der Kraftschluss durch den Anpasskörper (128) bewirkt wird; eine formschlüssige Verbindung, wobei der Formschluss durch den Anpasskörper (128) bewirkt wird; eine unmittelbare adhäsive und/oder kohäsive Verbindung zwischen einer Oberfläche des piezoelektrischen Wandlerelements (118) und einer Oberfläche des Polymermaterials.

Description

Beschreibung
Titel
Ultraschallwandler mit direkt eingebettetem Piezo
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von bekannten Ultraschallwandlern, welche beispielsweise als Ultraschall-Durchflussmesser in der Verfahrenstechnik oder im Automobilbereich, insbesondere im Ansaug- und/oder Abgastrakt von Verbrennungsmotoren, zur Volumenstrom- oder Massenstrommessung eingesetzt werden. Dabei werden typischerweise Ultraschallwandler eingesetzt, welche sowohl Ultraschallwellen in ein fluides Medium (ein Gas und/oder eine Flüssigkeit) emittieren können als auch Ultraschallwellen empfangen können. Dabei werden üblicherweise Ultraschallsignale durch das strömende fluide Medium von einem Emitter zu einem Empfänger übermittelt und dabei die Laufzeit, Laufzeitdifferenzen oder Phasen der Ultraschallsignale oder auch Kombinationen dieser Messgrößen gemessen. Diese Signale werden durch die Strömung des Fluids beeinflusst. Aus dem Grad der Beeinflussung der Laufzeit lässt sich auf die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids schließen. Ein Beispiel derartiger Ultraschall-Durchflussmesser, welcher in verschiedenen Messanordnungen eingesetzt werden kann, ist in DE 10 2004 060 064 Al beschrieben.
Bei der Ultraschallströmungsmessung handelt es sich um eine berührungslose, schnelle und zumindest teilweise über den Strömungsquerschnitt integrierende Messmethode. Darüber hinaus werden im Gegensatz zum thermischen Messverfahren keine filigranen und empfindlichen Heizstrukturen innerhalb der Strömung benötigt. Diese grundsätzlichen Vorteile können je nach Einsatzbedingungen eine verbesserte Messgenauigkeit bewirken.
Ein Nachteil vieler bekannter Ultraschall-Durchflussmesser liegt jedoch zumindest bei gasförmigen Medien im geringen Signalhub, d.h. z.B. den geringen Laufzeitveränderungen, die das Verfahren bei kleinen Strömungsraten häufig sehr driftanfällig machen (ein Fehler, der auch oft als „zero flow error" bezeichnet wird). Erschwerend kommt hinzu, dass die von einem üblichen Ultraschallgeber (z.B. einer Piezokera- mik) erzeugte Schwingungsenergie bei der Einkopplung in das zu messende Medium einen hohen akustischen Impedanzunterschied (ca. einen Faktor 6-105) überwinden muss. Infolgedessen werden in der Regel ca. 99,9995 % der Schallenergie auf dem Weg von einer Piezokeramik in Luft an der entsprechenden Grenzfläche zurückreflektiert und sind für die Messung nicht nutzbar. Derselbe Reflexionsverlust tritt nochmals beim zweiten, empfangenden Wandler auf (welcher auch mit dem ersten Wandler identisch sein kann).
Um die akustische Kopplung zwischen Piezoelement und dem zu messenden Fluid zu verbessern, werden üblicherweise Maßnahmen zur Impedanzanpassung eingesetzt, was jedoch die möglichen Ansätze für die Konstruktion der Ultraschallwandler bereits stark einschränkt. So lassen sich zur Impedanzanpassung beispielsweise Membranen einsetzen, auf die das meist dünne Piezoelement aufgeklebt ist. In diesem Fall wird jedoch die Resonanzfrequenz des Wandlers eher durch die Membran bestimmt als durch den Piezo allein.
Auch andere Arten von Anpassschichten sind bekannt, welche auf das Piezoelement aufgebracht werden. Eine Großserien-Fertigung von Luftultraschallwandlern nach den bekannten Prinzipien beinhaltet jedoch aufwändige und teure Prozessschritte. Insbesondere ist in vielen Fällen eine spanende Bearbeitung der Anpassschicht erforderlich, was je nach Werkstofftyp zu rauen Oberflächen führt, die eine akustisch vorteilhafte dünne und reproduzierbare Klebung erschweren. Auch bei einer Fertigung der Anpassschicht ohne spanende Bearbeitung (z.B. in einem Gieß/Spritzprozess) bleibt die Notwendigkeit eines separaten Klebeprozesses.
Weitere Einschränkungen bezüglich der zu nutzenden Ultraschallfrequenz und des Wandlerdesigns ergeben sich für bekannte Ultraschallwandler aus physikalischen Effekten wie Schallfeldformung im Fluid, Absorption und Dispersion.
Zusätzlich zu diesen Designeinschränkungen kann aus üblichen Zieltoleranzen für eine Strö- mungsmessung im Ansaugbereich von PKW-Motoren die Anforderung abgeleitet werden, dass der oszillierende Einschwingverlauf des Ultraschallwandlers zumindest im Sinne der differenziel- len Laufzeitmessung rein mechanisch immer näherungsweise exakt gleich bleibt, und zwar mit einer Genauigkeit von beispielsweise ca. 1/1000 einer einzelnen mechanischen Schwingung. Dabei gehen in diesen mechanischen Einschwingverlauf neben Wandlergrunddesign und Wandler- geometrie auch entscheidend die inneren Werkstoffeigenschaften und Verbindungen der Werkstoffe untereinander ein. Dadurch ist es schwierig, die bei einer thermischen Strömungsmessung üblichen Toleranzen zu erreichen oder gar zu verbessern.
Nachteilig an bekannten Systemen ist also, dass diese in der Regel vom Design her starken Einschränkungen unterworfen sind. Weiterhin bieten die mechanische Stabilität bekannter Ultraschallwandler und die Signalqualität und die Funktionstoleranzen in vielen Fällen Potenzial für weitere Verbesserungen, und die Herstellung ist zumeist noch zu aufwändig und teuer.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung geht aus von bekannten Ultraschallwandlern, wie beispielsweise den oben beschriebenen Wandlern für den Einsatz zur Strömungsmessung fluider Medien, insbesondere im Ansaugtrakt und/oder im Abgastrakt und/oder im Abgasrückführungstrakt und/oder nach einem Turbo lader von Brennkraftmaschinen im Kraftfahrzeugbereich. Die Erfindung beruht wesentlich auf der Erkenntnis, dass Verbesserungen bekannter Systeme hinsichtlich der oben beschrieben Nachteile bekannter Systeme insbesondere durch eine verbesserte Aufbau- und Ver- bindungstechnik innerhalb des Ultraschallwandlers und insbesondere in der Verbindungsstelle zwischen Piezoelement und Impedanzanpassung erzielbar sind.
Die Erfindung schlägt daher einen Ultraschallwandler vor, welcher mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement und mindestens einen Anpasskörper aufweist. Der Begriff des piezoelektrischen Wandlerelements ist dabei weit zu fassen und umfasst beispielsweise elektrischakustische Wandler, welche nach elektrostatischen, magnetostriktiven, piezoelektrischen Effek- ten oder Kombinationen dieser Effekte arbeiten.
Der Anpasskörper weist wiederum mindestens eine Anpassschicht zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und einem umgebenden fluiden Medium auf. Die Anpassschicht umfasst mindestens ein Polymermaterial, wobei das Po- lymermaterial durch mindestens eine der folgenden Verbindungen mit dem piezoelektrischen Wandlerelement verbunden ist: eine kraftschlüssige Verbindung, wobei der Kraftschluss durch den Anpasskörper bewirkt wird; eine formschlüssige Verbindung, wobei der Formschluss durch den Anpasskörper bewirkt wird; eine unmittelbare (d.h. ohne Zwischenschaltung von Klebstoffen) adhäsive und/oder kohäsive Verbindung zwischen einer Oberfläche des piezoelektrischen Wandlerelements und einer Oberfläche des Polymermaterials.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht also darin, dass die Anpassschicht und/oder der Anpasskörper nach dem Zusammenfugen des Ultraschallwandlers selbst und ohne Hinzunahme weiterer Verbindungselemente beziehungsweise Verbindungsstoffe eine Verbindung zum piezoelektrischen Wandler aufbaut. Die Verbindung ist somit von sich aus mechanisch stabil und verbessert die Einkopplung von Ultraschallsignalen in umgebende fluide Medien, wie beispielsweise Flüssigkeiten, Gase oder Gemische daraus.
Die Erfindung beinhaltet insbesondere die Möglichkeit, eine Piezokeramik in ein noch nicht ver- netztes, mit Glashohlkugeln gefülltes Epoxid- oder Polyesterharz einzubetten, welches bereits beim Aushärten/Vernetzen eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung und/oder eine Klebeverbindung zum Piezo aufbaut, ohne dass eine separate Klebung oder Klemmung benötigt wird.
Durch den Wegfall der bei der üblichen Ausgestaltung von Anpassschichten erforderlichen Prozessschritte der spanenden Bearbeitung und/oder der Klebung kann dieses Aufbauprinzip kostengünstiger umgesetzt werden. Außerdem entsteht durch Wegfall der spanenden Bearbeitung keine raue Oberfläche, deren Unebenheiten durch Klebstoff gefüllt werden müssten, so dass eine akustisch günstigere und reproduzierbarere Kopplung zwischen Piezo und Anpassschicht ermöglicht wird.
Durch den Wegfall der Klebung kann die Verbindung zwischen Piezo und Anpassschicht außerdem so gestaltet werden, dass sich einerseits eine gute akustische Kopplung einstellt und ande- rerseits eine geringere Alterung des Piezos (einschließlich dessen Polarisation) ergibt, die insbesondere durch hohe thermische Belastungen und die entsprechenden mechanischen Verspannungen an der Verbindungsstelle hervorgerufen wird. Vorteilhaft lässt sich beispielsweise ein Kraft- schluss bzw. eine Klebung an den Piezoaußenseiten (beispielsweise an einem Zylinderumfang eines zylinderförmigen Piezos) mit einem Formschluss auf Elektroden (z.B. Silberelektroden) kombinieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgen- den Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines bekannten Strömungsmesssystems, in welchem der erfindungsgemäße Ultraschallwandler einsetzbar ist; Figur 2 einen bekannten Ultraschallwandler mit einer Anpassschicht;
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers mit teilweise in den Anpasskörper eingebettetem piezoelektrischen Wandlerelement; Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers, bei welchem der Anpasskörper und das piezoelektrische Wandlerelement durch Eigen- klebung miteinander verbunden sind;
Figur 5 A ein erstes Ausführungsbeispiel mit kraftreduzierter Einbettung in Draufsicht; Figur 5B das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5A in Schnittdarstellung von der Seite; Figur 6A ein zweites Ausführungsbeispiel mit kraftreduzierter Einbettung in Draufsicht; Figur 6B das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6A in Schnittdarstellung von der Seite; Figur 7 A ein drittes Ausführungsbeispiel mit kraftreduzierter Einbettung in Draufsicht; Figur 7B das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7A in Schnittdarstellung von der Seite; Figur 8 ein Ausführungsbeispiel mit vollständiger Einbettung des piezoelektrischen Wandlerelements in Schnittdarstellung von der Seite;
Figuren 9A verschiedene Ausführungsbeispiele einer Einbettung eines piezoelektrischen bis 9D Wandlers mittels eines Zusatzteils in Schnittdarstellung von der Seite;
Figur 10A ein Ausführungsbeispiel mit Gießform in Schnittdarstellung von der Seite; Figur 1OB das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 10A in perspektivischer Schnittdarstellung schräg von unten;
Figur 1 IA ein erstes Ausführungsbeispiel, bei welchem Anpasskörper und piezoelektrischer Wandler in eine Vertiefung eines Gehäusekörpers eingelassen sind;
Figur I IB ein zu Figur 1 IA alternatives Ausführungsbeispiel; und Figuren 12A ein Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens unter Verwendung eines bis 12D Halbzeugs.
Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Strömungsmesssystems 110 dargestellt, in welchem erfindungsgemäße Ultraschallwandler 112 eingesetzt werden können. Derartige Strömungsmesssysteme lassen sich beispielsweise in der Verfahrenstechnik zur Messung von Strö- mungsraten einsetzen, oder in der Kraftfahrzeugtechnik zur Messung von Ansaug und/oder Abgasluftmassen für eine Brennkraftmaschine. Beispielsweise lässt sich mittels des Strömungsmesssystems 110 auf folgende Größen des Gases (oder allgemein des strömenden fluiden Mediums) schließen: auf eine Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, auf einen Massenstrom und/oder (mittels Zusatzinformationen wie beispielsweise einem Druck) auf eine Temperatur des Mediums. Auch andere Ausführungsformen als die in Figur 1 dargestellte Form und andere Arten der Anwendung sind jedoch denkbar. Nicht dargestellt ist in Figur 1 eine in der Regel vorhandene Ansteuer- und Auswerteelektronik, welche die Ultraschallwandler 112 ansteuert und empfangene Signale entsprechend auswertet.
Die beiden Ultraschallwandler 112 sind in ein Strömungsrohr 114 eingebettet, welches in einer Hauptströmungsrichtung 116 (oder auch in Gegenrichtung) von einem fluiden Medium, beispielsweise einer Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine, mit einer Geschwindigkeit v durchströmt wird. Bei Fluiden, die keine oder nur wenig mitgeführte Partikel enthalten, besteht in der Regel nicht die Möglichkeit, mit dem häufig verwendeten Dopplerverfahren zu messen. Deshalb werden üblicherweise die Schalllaufzeiten, Laufzeit-Differenzen oder Phasenunterschiede von Ultraschallsignalen gemessen, die zwischen zwei Ultraschallwandlern 112 mit einem Richtungsanteil in beziehungsweise entgegen der Hauptströmungsrichtung 116 hin und her gesendet werden.
Aus der geometrischen Anordnung (Ultraschallweg der Länge L, Verkippungswinkel α) und der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit v ergeben sich die beiden Ultraschall-Laufzeiten zu:
L L t, = — = ■
C1 c + v • cosα
C2 c -v- cosα
Die Auflösung nach der Strömungsgeschwindigkeit v ergibt:
Figure imgf000008_0001
Dabei kann die Strömungsgeschwindigkeit in vielen Fällen als Maß für die Volumenstromrate angesehen werden. Diese Näherung gilt in erster Ordnung, d.h. bei gleichbleibendem Geschwindigkeitsprofil über den Rohrquerschnitt ergibt sich im Wesentlichen eine proportionale Relation zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Volumenstromrate, beziehungsweise lineare Kennlinie zwischen diesen beiden Größen. Eine Multiplikation mit der Dichte des fluiden Mediums (bei Gasen ~p/T) ergibt dann den Teilchenstrom oder Massenstrom.
Abweichend von der in Figur 1 dargestellten Geometrie sind beispielsweise auch Messanordnungen bekannt, bei denen beide Ultraschallwandler 112 auf derselben Rohrseite gegenüber einer Reflexionsfläche angeordnet sind.
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallwandlers 112 dargestellt. Der Ultraschallwandler 112 umfasst ein piezoelektrisches Wandlerelement 118 (im Folgenden auch kurz „Piezo" oder „Piezoelement" genannt) und eine Anpassschicht 120. Zwischen der Anpassschicht 120 und dem Wandlerelement ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallwandlern 112 eine (in Figur 2 nicht dargestellte) Klebeschicht eingebracht.
Als primäres elektrisch-mechanisches Wandlungsprinzip wird in Ultraschallwandlern 112 z.B. der elektrostatische, magnetostriktive, oder piezoelektrische Effekt ausgenutzt. Bei einer Piezo- keramik als primärem Wandlerelement ergeben sich unterschiedliche resonante Schwingungsmoden, die je nach Geometrie mehr oder weniger ausgeprägt sind beziehungsweise untereinander unterschiedlich ge- oder entkoppelt sind. Bei einfachen quaderförmigen oder zylindrischen Geometrien ergeben sich vor allem die folgenden Schwingungsmoden, die alle zumindest prinzipiell zur Ultraschall Wandlung eingesetzt werden können:
Dickenschwingung einer dünnen Piezoscheibe (reine Ausprägung dieser Schwingungsmode insbesondere, wenn der Durchmesser der Piezoscheibe größer ist als das Zehnfache der Dicke der Piezoscheibe);
Planarschwingung einer dünnen Piezoscheibe (reine Ausprägung dieser Schwingungs- mode insbesondere, wenn der Durchmesser der Piezoscheibe größer ist als das Zehnfache der Dicke der Piezoscheibe);
Längsschwingung eines Piezozylinders longitudinal (reine Ausprägung dieser Schwingungsmode insbesondere, wenn der Durchmesser des Piezozylinders kleiner ist als die Länge des Piezozylinders dividiert durch 2,5); Scherschwingung (reine Ausprägung dieser Schwingungsmode insbesondere, wenn die Kantenlänge einer Piezoscheibe in einer Dimension größer ist als das 3,5-fache der Dicke oder der Breite der Piezoscheibe);
Längsschwingung transversal (reine Ausprägung dieser Schwingungsmode insbesondere, wenn die Dicke oder die Breite der Piezoscheibe kleiner ist als die Kantenlänge, dividiert durch 5).
Für die einzelnen Schwingungsformen existieren jeweils unterschiedliche, materialabhängige Frequenzkonstanten Nx, aus denen sich wie z.B. für die planar schwingende Scheibe mit f = Np/D die Resonanzfrequenz berechnen lässt (D = Dicke, Np in der Größenordnung von 2000 Hzm). Als Piezomaterial kommen für breitbandige Luftultraschallwandler insbesondere „weiche" Keramiken mit niedriger mechanischer Güte Qm in Frage (Größenordnung ca. Qm= 70), weil sich in diesem Fall eine kürzeres Ein- und Ausschwingen realisieren lässt und der Impedanzunterschied zur Luft bereits etwas reduziert ist. Andererseits wird eine möglichst große elektromechanische Kopplung benötigt. Für Ultraschallwandler 112 im Automobilbereich sollte insbesondere für Motoranbaubedingungen die Curie-Temperatur möglichst hoch sein. Eine häufig verwendete Keramik-Klasse mit diesen Eigenschaften ist z.B. die so genannte „Navy Type II"-Klasse (z.B. PZT5A-Keramik oder Keramik gemäß EN 50324-1 Typ 200).
Abweichend von den genannten Geometrieverhältnissen, die beim einzelnen Piezoelement 118 zu den oben beschriebenen reinen Schwingungsformen führen, können im Gesamtwandlerverbund andere Geometrien vorteilhaft sein. Ist beispielsweise eine planar schwingende Piezoscheibe auf einem weiteren Bauteil aufgebracht (z.B. Membran, Anpassschicht, siehe unten), dann können bei dem oben angegebenen „optimalen" Geometrieverhältnis „Durchmesser > 10* Dicke" zusätz- liehe Biege-Moden entstehen, die eventuell aufgrund von Empfmdlichkeits- oder Temperatur- gangs-Erwägungen unerwünscht sind. Um diese störenden Schwingungsmoden zu unterdrücken und wieder zur reinen Schwingungsform zurückzukehren, ist in diesem Fall eine etwas dickere Piezoscheibe von Vorteil.
Um die akustische Kopplung zwischen Piezoelement 118 und dem fluiden Medium zu verbessern, werden üblicherweise, wie in Figur 2 dargestellt, Maßnahmen zur Impedanzanpassung eingesetzt (in Figur 2 symbolisch und mit „Anpassschicht" 120 bezeichnet). Insbesondere Gase haben eine sehr viel geringere akustische Impedanz als Piezokeramik, so dass, wie oben beschrieben, im Piezoelement erzeugte Schwingungen an der Grenzfläche Piezo/Gas in den Piezo zu- rückreflektiert werden.
Aus dem Stand der Technik sind unter anderem zwei unterschiedliche Grundansätze zur Impedanzanpassung bekannt. Bei einem ersten Konzept wird zur Anpassung als Element 120 in Figur 2 eine Membran verwendet, auf die das meist dünne Piezoelement 118 aufgeklebt ist. Derartige Konzepte werden beispielsweise in Piezosummern oder in Lautsprechern oder in räumlich breit abstrahlenden Abstandssensoren eingesetzt. In diesem Fall wird, wie oben dargestellt, die Resonanzfrequenz jedoch eher durch die Membran 120 bestimmt als durch den Piezo 118 allein. Bereits eine geringe radiale Ausdehnung oder eine leichte Verbiegung des Piezos mit Piezo-typisch hoher Kraft führt aber zu einer starken Membrandurchbiegung, die zwar keine große Kraft ausüben kann, aber die leichten Gasmoleküle gut verdrängt, so dass sich eine sehr effektive Ultraschalleinkopplung in das Gas ergibt.
In einem weiteren bekannten Konzept wird als Element 120 eine so genannte „λ/4- Anpassungsschicht" zwischen dem Piezo 118 und dem fluiden Medium verwendet. Für den theoretischen Idealfall ebener monospektraler Wellen ergäbe sich eine Energietransmission von 100 % vom Piezo in das Gas, falls die akustische Impedanz Z = c*p (c = Schallgeschwindigkeit und p = Dichte) des Anpassschichtmaterials 120 das geometrische Mittel der Impedanzen von Piezo und Gas wäre:
Figure imgf000011_0001
'
und dabei die Dicke der Anpassschicht einer viertel Wellenlänge (λ/4) der Ultraschallwellen in der Anpassschicht entspricht. Für Luft-Ultraschallwandler 112 auf Basis eines Piezoelements 118, d.h. mit typischen Piezokeramiken, Luft als zu messendem Medium und typische Schallgeschwindigkeiten in Feststoffen ergeben sich jedoch für die Dichte p der Anpassschicht in vielen Fällen unrealistisch niedrige Werte, die sich zumeist nur mit wenig robusten Werkstoffen erzielen lassen.
Mit realen und robusten Werkstoffen lassen sich aber dennoch Verbesserungen des Übertragungsverhaltens erzielen, auch wenn keine vollständige Impedanzanpassung erreicht wird. Üblicherweise werden hierzu Epoxid- oder Polyesterharze mit beigemengten Glashohlkugeln verwendet, welche die Dichte p reduzieren. Abweichungen von einer rein rechnerischen λ/4- Schichtdicke können vorteilhaft sein, z.B. um eine Frequenzverschiebung des Piezos 118 aufgrund der mechanisch/akustischen Belastung auszugleichen, um die Abweichung von der Bedingung ebener Wellen zu kompensieren oder um die Übertragungs-Bandbreite des Ultraschallwandlers 112 zu beeinflussen.
Ebenfalls bekannt sind weitere Geometrievarianten, wie beispielsweise Anpassschichten 120, welche breiter sind als der Piezo 118, Anpassschichten 120, welche topfförmig ausgebildet sind, Anpassschichten 120 mit Fasen an den abstrahlenden Oberflächen oder ähnliche Varianten. Diese Geometrievarianten, welche auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, haben meist ein optimiertes Schwingungs- oder Abstrahlverhalten des Ultraschallwandlers 112 zum Ziel. In speziellen Anwendungen, in denen es z.B. um eine sehr effiziente oder sehr breitbandige Ultraschalleinkopplung geht, werden darüber hinaus auch Ultraschallwandler 112 mit mehreren übereinander liegenden Anpassschichten 120 unterschiedlicher Schallimpedanz eingesetzt, was auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich ist (siehe unten, beispiels- weise Beispiel gemäß Figur 1 IB).
Neben der nahe liegenden Wandlergeometrie mit einem in Dickenrichtung schwingenden Piezo 118 und einer als λ/4-Schicht ausgebildeten Anpassschicht 120 ist auch die Verwendung der Planar-Resonanz in Verbindung mit einer λ/4-Anpassschicht bekannt. In diesem Fall können so- wohl die planaren Schwingungsanteile in die Anpassschicht 120 eingekoppelt werden als auch die Dickenschwingungsanteile, die sich durch Querkontraktion des Piezos 118 ergeben. Durch diesen Ansatz kann bei einer fest vorgegebenen Ultraschallfrequenz die Piezodicke deutlich reduziert werden, weil diese Abmessung nicht mehr primär frequenzbestimmend ist.
Gemäß dem Stand der Technik wird üblicherweise die Impedanzanpassungsschicht 120 bei einem Luft-Ultraschallwandler 112 separat gefertigt. Häufig wird dazu ein mit Glashohlkugeln gefülltes Epoxid- oder Polyesterharz eingesetzt, welches in eine Form gebracht und ausgehärtet wird. Durch anschließende spanende Bearbeitung wird dann die gewünschte Detailgeometrie erzielt, bevor der Piezo 118 mit einem separat aufgetragenen Klebstoff aufgeklebt wird.
Weiterhin ist in dem Ultraschallwandler 112 gemäß dem Stand der Technik in Figur 2 symbolisch eine elektrische Kontaktierung des Piezos 118 über Elektroden 124 und Zuleitungen 126 angedeutet, wie sie auch gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann. Stand der Technik sind unterschiedlichste Elektrodenformen auf der Piezooberfläche. Bei zylindrischen Piezokeramiken sind häufig die beiden ebenen Flächen metallisiert (beispielsweise mittels einer Dickschichtpaste oder mittels gesputterter Dünnschichten, wobei auch Kombinationen mehrerer Techniken möglich sind). Zur einseitigen Kontaktierung kommen auch herumgezogene Elektroden zum Einsatz, welche in mehreren Ausfuhrungen von kommerziell erhältlichen Piezos 118 bekannt sind. Als Kontaktierungsverfahren dient meist Löten, Leitkleben oder Thermokompressionsschweißen. Alternativ kann ein elektrisch leitfähiges Anschlusselement mit Vorspannung auf den Piezo gedrückt werden (Andruck z.B. über eine Verstemmung, eine Feder oder eine Schraube).
Ebenso gibt es Piezokeramiken, die zwar elektrisch polarisiert sind, aber selbst keine Elektrode besitzen. In diesem Fall kann eine separate Elektrode (z.B. eine Metallfolie, ein Metallplättchen, ein Metallring, ein Metallnetz oder ähnliche Elemente oder Kombinationen dieser Elemente), die bereits Teil der weiteren Kontaktierung sein kann, beispielsweise mittels einer Vorspannung, mittels eines Klebstoff oder mittels eines Leitklebers (oder Kombinationen dieser Techniken) auf die Piezooberfläche aufgebracht werden.
Neben den in Figur 2 dargestellten Elementen kann der Ultraschallwandler 112 (sowohl nach dem Stand der Technik als auch nach der Erfindung) noch weitere Elemente umfassen, die in Figur 2 nicht dargestellt sind. So ist es insbesondere bevorzugt, wenn Dämpfungselemente vorgesehen sind, mittels derer die Schwingungen des Piezos gedämpft werden können. Beispiels- weise kann zu diesem Zweck eine Dämpfungselement rückseitig (d.h. auf der der Anpassschicht 120 abgewandten Seite) und/oder auch an anderen Stellen, beispielsweise umfangsseitig den Piezo zumindest teilweise umgebend (z.B. zum Dämpfen von Radialschwingungen) in Kontakt mit dem Piezo 118 vorgesehen sein. Dieses Dämpfungselement (oft auch als „Backing" bezeichnet) kann demenstprechend beispielsweise als Dämpfungsschicht und/oder als Dämpfungsver- guss ausgestaltet sein, und/oder als separates Dämpfungselement. Als Materialien kommen beispielsweise Silokon-artige Stoffe in Betracht sowie andere Dämpfungsmaterialien, wie beispielsweise Schmelzkleber. Auch Füllstoffe können enthalten sein, beispielsweise Glashohlkugeln, Kunststoffkugeln, Kunststoffhohlkugeln, Glasmehl oder ähnliche Füllstoffe oder Mischungen davon, welche insbesondere Schall in Wärme umwandeln können.
In den Figuren 3 und 4 sind zwei mögliche Ausführungsbeispiele von Ultraschallwandlern 112 gemäß der Erfindung in Schnittdarstellung von der Seite dargestellt. In den Beispielen wird der Ultraschallwandler dabei derart eingesetzt, dass das fluide Medium sich jeweils in den Figuren unterhalb des Ultraschall wandlers 112 befindet. Die Ultraschallwandler 112 weisen piezoelektrische Wandlerelemente 118 auf. Dabei sei angenommen, dass diese zylindrische Piezoscheiben aufweisen, mit einem Scheibendurchmesser A und einer Scheibendicke B. Vorzugsweise werden für Strömungsmessungen im Ansaugtrakt und/oder Abgastrakt (bzw. Abgasrückführtrakt) von Brennkraftmaschinen Piezos 118 mit einem Durchmesser A zwischen ca. 5 mm und ca. 20 mm eingesetzt. Typische und bevorzugte Dicken B liegen zwischen 0,08-A und 0,7-A. Auch andere Piezogeometrien sowie andere Arten von Piezos (z. B. PZT-Composites, PZT-Stacks etc. - siehe unten) sind jedoch einsetzbar.
Für Anwendungen mit Luftultraschall eignen sich eher niedrigere Frequenzen (< ca. 500 kHz), da mit zunehmender Frequenz (und/oder zunehmender Luftfeuchte) die Absorption des Schalls in der Luft ansteigt. Für Anwendungen, die eine hohe Zeitmessgenauigkeit erfordern, eignen sich dagegen eher möglichst hohe Frequenzen. Andererseits ist zu beachten, dass bei einem großen Strömungs-Messbereich zeitliche Verschiebungen über mehrere Ultraschallperioden auftreten: Deshalb sollte bei begrenzter Bandbreite der Ultraschallwandler 112 die Frequenz nur so hoch sein, dass eine Phasen- oder Nulldurchgangsmessung noch eindeutig der richtigen Ultraschallschwingungsperiode zugeordnet werden kann. Zusätzlich sollte ein ausreichender Frequenzabstand zu Schüttelbeanspruchungen und Körperschall-Störquellen eingehalten werden, die meist im niederfrequenteren Bereich liegen.
Insgesamt stellt für eine Strömungsmessung der Ansaugluft in einer Brennkraftmaschine im Kraftfahrzeugbereich der Frequenzbereich von ca. 100 kHz bis ca. 400 kHz einen sinnvollen Kompromiss dar. Je nach Auswertungsverfahren und Messgeometrie ist insbesondere ein eingeschränkter Bereich z.B. zwischen 170 kHz und 250 kHz besonders vorteilhaft. Für weitere An- Wendungen ist die Erfindung jedoch grundsätzlich auch auf andere Frequenzbereiche übertragbar. Derartige Frequenzbereiche sind mit verschiedenen Piezomaterialien, beispielsweise mit PZT-Keramiken oder anderen keramischen Piezomaterialien, erreichbar.
Um Frequenzen im zuvor genannten Zielbereich mit einer Piezokeramik zu erzeugen, kommen prinzipiell die oben beschriebenen Geometrien und Schwingungsmoden in Frage. Wird gleichzeitig eine größere Apertur des Ultraschallwandlers 112 gewünscht, dann ist der Grundaufbau gemäß Figur 2 am sinnvollsten, beispielsweise in Verbindung mit der oben beschriebenen Geometrie (Dicke, Durchmesser) der Piezoelemente 118. Dabei wird vorzugsweise der Durchmesser A so gewählt, dass sich die gewünschte Ultraschallfrequenz in etwa als Radial-Resonanz (oder Pia- narschwingung) des reinen Piezos 118 ergibt. Die Dicke B wird vorzugsweise so gewählt, dass sich einerseits keine ungünstigen Kopplungen unterschiedlicher Schwingungsmoden ergeben und andererseits keine zu starke Durchbiegung der Keramik infolge thermischer Verspannungen mit einer aufgebrachten Anpassschicht 120 zur Impedanzanpassung einstellt.
Weiterhin weisen die Ultraschallwandler 112 gemäß den Beispielen in den Figuren 3 und 4 Anpasskörper 128 auf, wobei die Anpassschicht 120 einen Bestandteil dieser Anpasskörper 128 bildet. Dabei bildet in den dargestellten Beispielen die gesamte Schicht, die sich zwischen dem Piezo 118 und dem fluiden Medium befindet, die Anpassschicht 120.
Die Anpassschicht 120 besitzt sinnvollerweise vorzugsweise einen ähnlichen Durchmesser wie das piezoelektrische Element 118. Bewährt haben sich dabei Durchmesser, die etwas größer gewählt sind als derjenige des Piezos 118. Die Dicke D der Anpassschicht (siehe auch Figur 2) wird vorzugsweise in etwa auf ein Viertel der Wellenlänge des Ultraschalls gemäß der Schallge- schwindigkeit im Werkstoff der Anpassschicht 120 eingestellt.
Durch Aufbringung der Anpassschicht 120 auf den Piezo 118 ändert sich die tatsächliche Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers 112, so dass die Dicke D der Anpassschicht 120 auf die entsprechend verschobene Wellenlänge einzustellen ist. Eine weitere Feinanpassung der Dicke D ist sinnvoll, wenn z.B. die Ultraschallamplitude, die Ultraschallbandbreite oder der entsprechende Schwingungsverlauf optimiert werden soll. Der Werkstoff der Anpassschicht 120 ist so gewählt, dass die Schwingungskopplung zwischen Piezo 118 und dem fluiden Medium (z.B. Luft) begünstigt wird (siehe oben). Hierzu ist eine nicht zu hohe Eigendämpfung in Verbindung mit einer geeigneten Schallimpedanz erforderlich. Die Schallimpedanz muss nicht zwingend (wie oben beschrieben) im geometrischen Mittel zwischen der Impedanz der Piezokeramik und derjenigen der Luft liegen. Durch Impedanzen im Bereich von z.B. 0,5 MRayl bis 1,5 MRayl sind brauchbare Amplituden bei günstiger Wandler-Bandbreite erzielbar. Als Werkstoff für die Anpassschicht 120 kommen insbesondere Epoxy-Harze, ungesättigte Polyester oder andere BMC-Massen (BMC: bulk molding Compound) mit Glashohlkugel-Beimengungen oder auch Werkstoffe auf Polyimid-Basis in Frage.
Wie oben beschrieben, ist eine Klebestelle als Verbindung zwischen Piezo 118 und Anpassschicht 120 insbesondere hinsichtlich der Kombination aus akustischen und mechanisch/thermischen Anforderungen besonders kritisch. Diese Problematik kann, wie in den Figu- ren 3 und 4 dargestellt, entschärft werden, indem kein separater Klebstoff verwendet wird. Stattdessen kann beispielsweise der Piezo 118 in Kontakt mit dem Werkstoff der Anpassschicht 120 gebracht werden, bevor dieser seine Endfestigkeit erreicht hat. Beim Aushärten des Werkstoffes entsteht dann eine feste Verbindung zwischen Piezo 118 und Anpassschicht 120.
Für diese „Direkteinbettung" kommen unterschiedliche Geometrien in Frage, die in den Figuren 3 beziehungsweise 4 dargestellt sind. Dabei zeigt Figur 3 eine „massive" Einbettung, bei welcher der Piezo 118 mehr oder weniger in die Anpassschicht 120 beziehungsweise den Anpasskörper 128 eingesenkt ist. Die Einbettungstiefe E kann variiert werden von bündig aufgesetztem Piezo 118 (E = 0) bis vollständig eingebettetem Piezo (E = B, mit B = Piezodicke). Auch darüber hinausgehende Einbettungstiefen sind jedoch prinzipiell denkbar, also E > B.
In Figur 4 ist als zweite Variante der Direkteinbettung eine bündige oder leicht über der Oberfläche der Anpassschicht 120 liegende Anordnung des Piezos 118 dargestellt. Vorzugsweise bildet der Piezo 118 auch in diesem Fall einen flächigen Kontakt mit der Anpassschicht 120 aus. Dabei kann vorzugsweise, insbesondere zur Erhöhung der mechanischen Stabilität, am Rand des Piezos 118 ein Meniskus 130 des Materials der Anpassschicht 120 ausgebildet sein. Der flächige Kontakt zwischen Piezo 118 und dem Material der Anpassschicht 120 kann z.B. auch durch eine weitere Schicht vermittelt werden, die hauptsächlich aus Klarharz besteht und welche dann Teil der Anpassschicht 120 ist (diese ist dann mehrschichtig ausgebildet).
Der Durchmesser R des Anpasskörpers 128 ist (siehe Figur 3) in beiden Fällen vorzugsweise größer gewählt als der Durchmesser A des Piezos 118. Bevorzugte Durchmesser R für eine gute Abstrahlung liegen im Bereich zwischen B = 1,0 -A und B = 1,5 -A.
In den Figuren 5A bis 7B sind drei verschiedene Ausführungsbeispiele von Ultraschallwandlern 112 mit einer kraftreduzierten Direkteinbettung dargestellt (jeweils in Figur A als Draufsicht von oben und Figur B als Schnittdarstellung von der Seite). Bei der kraftreduzierten Direkteinbettung wird jeweils der Piezo 118 durch geeignete Geometrie einer verwendeten Gießform (in den Figuren nicht dargestellt) so in das Materials des Anpasskörpers 128 eingebettet, dass der Piezo 118 teilweise von diesem Material umschlossen wird. Durch die Umschließung kann die dauerhafte Verbindung zwischen Piezo 118 und Anpasskörper 128 verbessert werden, da sich eine Mischung aus Stoff- und Kraftschluss ergeben kann. Weiterhin können zum Zweck der Kraftreduzierung Aussparungen 132 im Anpasskörper 128 vorgesehen werden (beispielsweise durch entsprechende Ausgestaltung einer Gießform oder eines anderen Werkzeuges). Durch die teilweisen Aussparungen 132 kann die Kontaktfläche zwischen Piezo 118 und Anpasskörper 128 an kritischen Stellen so verringert werden, dass un- günstige thermische Verspannungen und Alterungen des Piezos 118 reduziert werden. Diese
Ausparungen 132 können über dem Piezo 118 angeordnet sein (d.h. stirnflächenseitig auf der der Anpassschicht 120 abgewandten Seite), wie beispielsweise in den Figuren 5A und 5B dargestellt, oder können, alternativ oder zusätzlich, auch umfangsseitig am Piezo 118 angeordnet sein, wie in den Figuren 7A und 7B dargestellt. Auch Kombimationen sind denkbar. Dies ist in Figur 7A und 7B gezeigt, wo die Aussparungen 132 sowohl umfangsseitig am Piezo 118 angeordnet sind als auch, da der Anpasskörper 128 den Piezo 118 überkragt, teilweise oberhalb des Piezos 118 angeordnet sind. Die Aussparungen ermöglichen an verschiedenen Stellen einen Zugang zum Piezo 118. Die Aussparungen 132 können zudem dazu genutzt werden, den Piezo 118 während des Einbettungsvorgangs zu fixieren und/oder die Aussparungen 132 werden gerade durch Fixie- rungshilfen (beispielsweise Haltestifte in einer Gießform oder einem anderen Werkzeug) erzeugt. Weiterhin können die Aussparungen auch mit Dämpfungsmitteln gefüllt werden und stellen somit Teil eines Dämpfungskörpers dar. Des Weiteren können die Aussparungen 132 dazu genutzt werden, ein zusätzlich angebrachtes Dämpfungsmaterial (in den Figuren nicht dargestellt) in direkten Kontakt mit dem Piezo zu bringen. Die elektrischen Zuleitungen 126 des Piezos 118 kön- nen entweder durch das Material des Anpasskörpers 128 oder durch die Aussparungen 132 geführt werden.
In Figur 8 ist ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers 112 dargestellt, welcher eine weitere Variante zu den in den Figuren 3 und 4 dargestellten Beispielen darstellt. Hierbei ist die Einbettungstiefe E des Piezos 118 in den Anpasskörper 128 größer als die Piezodicke B, so dass der Piezo 118 vollständig in das Material des Anpasskörpers 128 eingebettet ist. Ansonsten ist die obige Beschreibung zu den Figuren 3 und 4 jedoch weitgehend auf das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 übertragbar. Vorzugsweise werden Schichtdicken D der Anpassschicht 120 von 0,7-λ/4 bis l,3-λ/4 verwendet, Durchmesser R des Anpasskörpers 128 zwischen 1,1 -A und 1,5 -A und Einsenktiefen F = E-B von 0, 1 -D bis 1 ,0 D.
In den bisherigen Ausführungsbeispielen gemäß den oben dargestellten Figuren war jeweils der Anpasskörper 128 einstückig ausgebildet, wobei die Anpassschicht 120 einen integralen Bestandteil des Anpasskörpers 128 bildete. Dass dies nicht zwingend der Fall sein muss und dass beispielsweise auch mehrstückige oder mehrschichtige Aufbauten des Anpasskörpers 128 denkbar sind, zeigen die Ausführungsbeispiele in den Figuren 9 A bis 9D. Hier ist jeweils der Piezo 118 mittels eines Zusatzteils 134 in den Anpasskörper 128 eingebettet, wobei das Zusatzteil 134 dann im zusammengesetzten Zustand einen Bestandteil des Anpasskörpers 128 bildet.
Das Zusatzteil 134 kann beispielsweise aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffoder einem Elastomer hergestellt sein, und/oder auch aus einem metallischen Werkstoff, z.B. wenn das Zusatzteil 134 ganz oder teilweise auch elektrische Zuleitungen 126 für den Piezo 118 umfasst. Dieses Zusatzteil 134 kann während des Einbettvorgangs zur temporären Fixierung des Piezos 118 genutzt werden. Weiterhin kann das Zusatzteil 134 im fertigen Ultraschallwandler 112 thermische Verspannungen des Piezos 118 aufgrund von Wärmeausdehnung des Materials des umgebenden Anpasskörpers 128 reduzieren. Gleichzeitig kann das Zusatzteil 134 eine kraftschlüssige Einbindung des Piezos in den Anpasskörper 128 begünstigen und/oder kann die Schwingung des Piezos 118 oder des Anpasskörpers 128 zumindest teilweise dämpfen. Weiter- hin kann (wie beispielhaft in Figur 9B gezeigt) auch ein Teil der elektrischen Kontaktierung des Piezos, insbesondere die elektrischen Zuleitungen 126 und/oder die Elektroden 124, integriert werden. Beispielsweise kann das Zusatzteil 134 ganz oder teilweise aus leitfähigem Kunststoff hergestellt sein, um so zumindest teilweise die Elektrode 124 und/oder die Zuleitungen 126 zum Piezo 118 zu ersetzen. Der restliche Anpasskörper 128 kann dann aus isolierendem Material hergestellt sein, um eine elektrische Isolierung nach außen zu gewährleisten.
Die Figuren 9 A bis 9D zeigen jeweils verschiedene Ausführungsformen dieses Konzeptes der Verwendung eines Zusatzteils 134. Dabei zeigen die Figuren 9A bis 9C Ausführungsbeispiele mit nach oben weisenden Öffnungen 132, wohingegen Figur 9D ein Ausführungsbeispiel mit vollständig eingebettetem (z.B. eingegossenem) Piezo 118 und Zusatzteil 134 darstellt. Weitere mögliche Ausführungsformen sind zumindest teilweise käfϊgförmige Strukturen des den Piezo 118 umspannenden Zusatzteils, das mit in den Anpasskörper 128 eingebettet wird.
In den Figuren 10A und 1OB ist ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers 112 mit einer Gießform 136 in Schnittdarstellung von der Seite (Figur 10A) beziehungsweise in perspektivischer Darstellung schräg von unten (Figur 10B) dargestellt. Dabei wird ein Gießverfahren mit einer „verlorenen Form" umgesetzt, was auch, alternativ oder zusätzlich zu anderen Formge- bungsverfahren, bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen zur Anwendung kommen kann. Hierzu wird als Gießform 136 beispielsweise eine tiefziehfähige (und vorzugsweise plasmabehandelte) Polyimid-Folie verwendet, die in eine weitere Gießform eingebracht wird oder selbst als Gießform vorgefertigt wird. Beispielsweise können Foliendicken von 5 bis 200 Mikrometern verwendet werden, je nach den eingesetzten Materialien des Anpasskörpers 128. In die Form 136 wird anschließend der Piezo 118 und das (noch flüssige und/oder fließfähige) Material des Anpasskörpers 128 eingebracht. Dabei sind wiederum verschiedene Einbettungstiefen realisierbar, beispielsweise analog zu den Ausführungsbeispielen in den Figuren 3, 4 oder 8. Auch mit anderen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele ist das Gießverfahren kombinierbar.
Die Folie der Gießform 136 kann nach der Entformung an dem Anpasskörper 136 verbleiben und kann dann als Schutzschicht dienen. Falls eine Folie verwendet wird, die eine erheblich höhere Schallimpedanz als die Anpassschicht 120 aufweist, so sollte die Folie nicht zu dick ausgeführt sein, um die akustische Kopplung zwischen Piezo 118 und fluidem Medium nicht zu stark zu behindern. Alternativ zur oben beschriebenen Polyimidfolie können auch andere Materialien oder auch dünne Formteile als „verlorene Form" verwendet werden, wie z.B. (vorzugsweise dünne) Metallfolien und/oder (vorzugsweise dünne) Kunststoffteile.
Vorteile dieser Technik gemäß den Figuren 10A und 1OB liegen einerseits darin, dass die Ent- formung des stark anhaftenden Materials des Anpasskörpers 128 erleichtert wird, wodurch die Werkzeugstandzeiten der äußeren Werkzeuge erheblich verlängert werden können. Ein weiterer Vorteil besteht in der Abdichtungsfunktion der Folie (bzw. des anderen Materials, siehe vorhergehender Absatz) gegenüber Medien wie sie z.B. in der Ansaugatmosphäre eines Kraftfahr- zeugmotors enthalten sein können.
Die Gieß- oder Pressform 136 beziehungsweise die Folie können so ausgeführt sein, dass der Piezo 118 beim Vergießen beziehungsweise Verpressen des Anpassschicht-Materials nicht separat fixiert werden muss, sondern auf Absätzen 138 oder Auflagepunkten direkt auf der Folie beziehungsweise Gießform 136 ruht. Diese Absätze können sich beispielsweise durch entsprechen- de Absätze in einem die Folie umgebenden Werkzeug ergeben, oder es können auch in die Folie selbst derartige Absätze 138 eingeprägt sein oder im Rahmen eines vorhergehenden Tiefziehprozesses eingebracht werden. Die Absätze 138 werden nach der Entformung zu Aussparungen im Anpassschicht-Material beziehungsweise im Anpasskörper 128 und können so angeordnet werden, dass sich noch eine günstige Ultraschallabstrahlung ergibt. In den obigen Ausführungsbeispielen ist bevorzugt jeweils der Piezo 118 auf oder in den Anpasskörper 128 auf- beziehungsweise eingebracht. Bei diesem Aufbau war die spätere Ultra- schallabstrahlfläche während des Vergießens (beziehungsweise Pressen, Spritzgießen etc.) stets nach unten ausgerichtet. Diese Reihenfolge ist jedoch nicht zwingend erforderlich, so dass die spätere Abstrahlfläche auch schräg angeordnet sein kann (z.B. schräge Anordnung zu einem Luftmassenstrom) und/oder nach oben weisen kann. Beispiele für letzteren Aufbau sind in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 IA und I IB gezeigt.
Bei diesen Ausführungsbeispielen ist jeweils ein Gehäusekörper 140 vorgesehen, beispielsweise ein Abschnitt des Strömungsrohrs 114 oder ein Einsatz für ein derartiges Strömungsrohr (beispielsweise ein Gehäuse eines Steckfühlers). In diesen Gehäusekörper 140 sind jeweils Vertiefungen 142 eingelassen, beispielsweise in Form von zylindrischen Sacklochbohrungen (welche auch gestuft ausgeführt sein können, siehe Figur 1 IA). In diese Vertiefungen können dann der Piezo 118 und der Anpasskörper 128 eingebracht werden, so dass anschließend wieder zwischen dem fluiden Medium (in diesem Fall über den Ultraschallwandlern 112 in den Figuren 1 IA und 1 IB) und dem Piezo 118 die Anpassschicht 120 liegt.
Diese „inverse" Aufbauart kann z.B. dazu genutzt werden, zwischen der Piezooberfläche und der Ultraschallabstrahlfläche zur Luft (beziehungsweise fluidem Medium) hin ein Mehrschichtsystem in der Anpassschicht 120 aufzubauen. Hierzu können unterschiedliche Materialien eingegossen oder -gepresst werden, die entweder Dämpfungs-, Abdichtungs-, Schutz-, Kontaktierungs- oder Halterungs/Handlings-Funktionen haben oder aber dazu dienen, eine verbesserte akustische Kopplung zwischen Piezo 118 und Luft zu vermitteln.
Letztere Funktion wird insbesondere durch einen Dichte- oder Impedanz-Gradienten zwischen Piezo 118 und Luft realisiert. Dazu können entweder mehrere unterschiedliche Anpassschichtmaterialien eingesetzt werden, deren Dichte oder Schallimpedanz in Richtung zur Abstrahlfläche kontinuierlich oder in Stufen abnimmt. Alternativ kann auch ein einziges Anpassschichtmaterial verwendet werden, in welchem sich durch Sedimentation Füllstoffanteile mit höherer Dichte, wie z.B. Glasbruch (z.B. aus Verarbeitungsverlusten) oder Klarharzanteile (deren Schichtdicke beispielsweise durch Harzüberschuss einstellbar ist) nahe am Piezo 118 ansammeln und leichtere Füllstoffe, wie beispielsweise luftgefüllte Glashohlkugeln, tendenziell eher aufschwimmen. Eine geschlossene Klarharzschicht kann generell auch zur Abdichtung gegenüber Medien eingesetzt werden. Diese Schichtenfolge beziehungsweise Sedimentation ist in den Figuren I IA und I IB symbolisch mit der Bezugsziffer 144 dargestellt.
In den Figuren 12A bis 12D sind schließlich verschiedene Teilschritte eines Herstellungsverfah- rens eines Ultraschallwandlers 112 dargestellt, bei welchem ein Halbzeug 146 verwendet wird. Dabei wird zunächst (siehe Figur 12A) ein Beutel 148 oder ein anderer Folienkörper (beispielsweise ein Polyimid-Folienbeutel) mit einer flüssigen oder formbaren Masse eines Anpassschichtmaterials gefüllt (symbolisch dargestellt durch Bezugsziffer 150 in Figur 12A). Beispielsweise lassen sich hierfür wiederum BMC-Massen (BMC: bulk molding Compound) oder Epoxidharz- gemische einsetzen.
Anschließend wird (vergleiche Figur 12B) der Beutel 148 geschlossen und zu einem formbaren Halbzeug 146 geformt (beispielsweise durch Pressen). Das Halbzeug 146 wird häufig auch als „Prepreg" bezeichnet. Dann wird vorzugsweise die Folie des Beutels 148 zumindest partiell (dort, wo später der Piezo 118 aufgesetzt wird) entfernt (vergleiche Figur 12C, dort symbolisch durch Bezugsziffer 152 angedeutet), und anschließend der Piezo 118 auf das noch formbare und klebende Halbzeug aufgesetzt und anschließend (z.B. chemisch, thermisch und/oder durch UV- Bestrahlung) ausgehärtet, so dass der Piezo 118 an dem sich aus dem Halbzeug 146 bildenden Anpasskörper 128 anhaftet und mit diesem einen stabilen Ultraschallwandler 112 bildet (Figur 12D). Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Teil der Folie zur Strömung hin entfernt oder weggelassen werden, beispielsweise ein Bereich aus der Mitte der Anpassschicht 120. Dadurch kann die Schalleinkopplung verbessert oder optimiert werden, da auf diese Weise der Impedanzübergang angepasst werden kann.
Die Ultraschallwandler 112 und das Strömungsmesssystem 110 sowie das Herstellungsverfahren gemäß den obigen Ausführungsbeispielen lassen sich auf vielfältige Weise weiterbilden. So können beispielsweise mehrere Piezos 118 eine gemeinsame, einteilige Anpassschicht 120 teilen. Dabei können zwei oder mehr Piezoelemente 118 in ein und denselben Anpasskörper 128 eingebettet sein, der eine einteilige (d.h. jedoch gegebenenfalls auch mehrschichtige), gemeinsame Anpassschicht 120 für die einzelnen Piezoelemente 118 aufweist.
Weiterhin kann auch der Aufbau des oben beschriebenen piezoelektrischen Wandlerelements 118 variiert werden. Als wesentlicher Bestandteil des Piezoelements 118 kann ein beliebiges piezoak- tives Material dienen, z.B. eine Piezokeramik (z.B. PZT, BaT oder ähnliche Materialien und Komposite...), ein Piezokristall, Piezokomposite, Piezostack oder ähnliches. Als weiterer Bestandteil des Piezoelements 118 können eine, zwei oder mehr elektrisch leitende Elektroden 124 vorgesehen werden, die quer zur akustischen Abstrahlungsrichtung oder aber auch mit einer Flächenkomponente parallel dazu angeordnet sein können. Das Piezoelement 118 kann im Wesent- liehen eine zylindrische, ovale, stab- oder quaderförmige oder weitere Geometrie haben. Die Oberfläche des Piezoelements 118 kann zumindest teilweise mit einem Haftvermittler behandelt sein, der den Aufbau der kraftschlüssigen Verbindung mit der vernetzenden Anpassschicht 120 begünstigt. Alternativ kann die Oberfläche des Piezoelements 118 auch beispielsweise mit einer Anti-Haftschicht (z.B. mit einer Teflon-Schicht) versehen sein, um eine Klebung zu vermeiden. Ein weiterer Bestandteil des Piezoelements 118 kann ein Material (eine Beschichtung, ein Überzug, eine Schicht, ein Teil des Wandlergehäuses) sein, das einen Schutz vor dem Eindringen flüssiger oder gasförmiger Medien darstellt oder elektrisch leitend oder elektrisch isolierend wirkt.
Weitere Möglichkeiten der Variation betreffen Anpassschicht 120 beziehungsweise den gesam- ten Anpasskörper 128. So können diese insbesondere ganz oder teilweise aus einem syntaktischen Material, einem Duroplast (z.B. Epoxy, Polyester, Phenolharz, Cyanatester), einem Thermoplast oder einem Elastomer (z.B. Silikon) oder einem Blend (z.B. Thermoplast-Duroplast- Mischung, insbesondere als BMC-Masse) als Hauptbestandteil hergestellt sein. Dieser Hauptbestandteil kann mit Füllstoffen, Hohlkörpern, Hohlräumen oder Fasern gefüllt oder geschäumt sein. Als Füllstoff kommen insbesondere Glashohlkugeln oder Kunststoffhohlkugeln in Frage, sowie Stoffe, die während oder nach dem Vernetzen aus dem Stoff entweichen können, herausgelöst werden können oder anders entfernt werden können, so dass Hohlräume oder Gaseinschlüsse im Material des Anpasskörpers 128 beziehungsweise der Anpassschicht 120 verbleiben.
Weitere Ausführungsvarianten umfassen zusätzliche mögliche Bestandteile des Ultraschallwandlers 112 oder des Strömungsmesssystems 110. So kann beispielsweise der Ultraschallwandler 112 außer dem Piezoelement 118 und der Anpassschicht 120 beziehungsweise dem Anpasskörper 128 zusätzliche elektrische Verbindungen 126 oder Elektroden 124 enthalten. Diese können flächig, aber z.B. auch Draht- oder Maschengitter-formig oder als Federelement ausgelegt sein. Der Kontakt zwischen den Elektroden 124 und dem Piezoelement 118 kann beispielsweise einerseits durch mechanischen Andruck oder aber durch ein anderes übliches Kontaktierungsverfah- ren hergestellt sein wie z.B. Löten, Thermokompressionsschweißen, Bonden oder Leitkleben. Ein Teil des Piezoelements 118 kann eine Elektrode 124 sein, die von einer Stirnfläche des pie- zoaktiven Materials zumindest teilweise in Richtung der gegenüberliegenden Seite um das Pie- zo dement 118 herumgezogen ist.
Weitere mögliche Varianten betreffen das Herstellungsverfahren. Als mögliche Herstellprozesse der Ultraschallwandler 112 (insbesondere zum Verbinden des Piezos 118 mit dem Anpasskörper 128) bieten sich, wie oben bereits teilweise dargelegt, verschiedene Verfahren an. Bevorzugte Verfahren umfassen beispielsweise, aber nicht ausschließlich: Pressen, Spritzpressen, Spritzgießen, Gießen (z.B. auch in verlorene Form), Transfermolding, Prägeprozesse oder Kombinationen dieser Techniken. Während oder nach dem Herstellprozess kann eine Schutzschicht mit der Anpassschicht 120 oder dem Anpasskörper 128 verbunden oder auf diese beziehungsweise die- sen aufgetragen sein. Diese kann beispielsweise aus einer Folie (z.B. Kapton beziehungsweise Polyimid) oder einem Lack bestehen. Diese Schutzschicht kann gleichzeitig zur besseren Ent- formbarkeit gegenüber dem formgebenden Herstellungswerkzeug dienen. Die Schutzschicht kann auch im Wesentlichen aus dem Hauptbestandteil der Anpassschicht bestehen (z.B. Klarharz oder anderer Kunststoff mit im Wesentlichen durchgehender Oberfläche) und durch einen ther- mischen, mechanischen oder chemischen Prozess oder aber durch Sedimentation oder einen Kapillar/Fließ -Prozess erzeugt werden und integraler Bestandteil der Anpassschicht 120 und/oder des Anpasskörpers 128 sein.
Weitere mögliche Varianten der obigen Ausführungsbeispiele betreffen insbesondere die Ausfüh- rungsbeispiele der Direkteinbettung gemäß den Figuren 5 A bis 7B und 8. Hierbei kann insbesondere die Geometrie des Piezoelements 118 derart gestaltet sein, dass sich unterschiedliche Schwingungsmoden ausbilden. Von diesen Schwingungsmoden kann z.B. eine Dickenschwingung angeregt werden, die einer Bewegung in der Achse der Hauptabstrahlung des Ultraschallwandlers 112 entspricht. Alternativ kann quer zu dieser Achse eine planare Schwingung angeregt werden, die einerseits direkt in die Anpassschicht 120 einkoppelt und andererseits durch die Querkontraktion des Piezoelements 118 wiederum als Dickenschwingung die Anpassschicht schwingen lässt.
Weiterhin kann die Piezogeometrie so gestaltet sein, dass sich Schwingungseigenschaften erge- ben, die bezüglich Schallfeldformung und Absorption (Dispersion) im umgebenden fluiden Medium für eine Strömungsmessung besonders günstig sind (z.B. hinsichtlich Apertur, Fase, Dicke und damit Frequenzbereich).
Die Geometrie der Anpassschicht 120 kann so ausgelegt sein, dass sich in Richtung der Haupt- abstrahlung des Ultraschallwandlers 112 in der Anpassschicht 120 eine Resonanz ergibt, die zu einer günstigen akustischen Kopplung zwischen Piezoelement 118 und umgebendem fluiden Medium fuhrt. Dies kann insbesondere bei einem gasförmigen zu messenden Fluid z.B. dann erzielt werden, wenn die Dicke der Anpassschicht 120 zumindest näherungsweise in der Grö- ßenordnung einer viertel Wellenlänge liegt, wie sie sich bei der genutzten Ultraschallfrequenz innerhalb des Anpassschichtmaterials einstellt.
Die Geometrien und Materialeigenschaften von Piezoelement 118 und Anpassschicht 120 beziehungsweise Anpasskörper 128 können so gewählt sein, dass die Resonanzfrequenzen beider Komponenten so aufeinander abgestimmt sind, dass sich (vorzugsweise über den geamten
Einsatztemperaturbereich) eine günstige akustische Kopplung zwischen Piezoelement 118 und umgebenden fluiden Medium ergibt.
Außer der direkt mit dem Piezoelement 118 verbundenen Anpassschicht 120 können eine oder mehrere weitere Anpassschichten 120 verwendet werden, so dass die akustische Kopplung zwischen Piezoelement 118 und umgebendem fluiden Medium weiter begünstigt wird. Die Außenkontur des Ultraschallwandlers 112 kann eine strömungsoptimierte Formgebung aufweisen oder in einer strömungsoptimierten Lage innerhalb des Strömungsrohr 114 angeordnet sein. Die Außenkontur des Ultraschallwandlers 112 kann weiterhin derart gestaltet sein, dass sich eine für die Anwendung günstige Abstrahlcharakteristik des Ultraschallwandlers 112 ergibt.
Weiterhin können durch Wahl geeigneter Einzelkomponenten innerhalb der Anpassschicht 120 und durch Optimierung des Herstellprozesses die Materialeigenschaften der Anpassschicht 120 beziehungsweise des Anpasskörpers 128 günstig gewählt werden. So lassen sich insbesondere deren akustische Impedanz, der thermische Ausdehnungskoeffizient (welcher möglichst ange- passt sein sollte an denjenigen des Piezoelements 118, so dass thermische Verspannungen minimiert werden), die Querkontraktionszahl (welche eine Rolle spielt bei der Umwandlung von radialen Schwingungen in Dickenschwingungen und bei der Ausbildung von Transversalwellen) und die Glasübergangstemperatur (welche möglichst hoch gewählt werden sollte) anpassen be- ziehungsweise optimieren.

Claims

Ansprüche
1. Ultraschallwandler (112), umfassend mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement (118) und mindestens einen Anpasskörper (128) mit mindestens einer Anpassschicht (120) zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement (118) und einem umgebenden fluiden Medium, wobei die Anpassschicht (120) min- destens ein Polymermaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassschicht
(120) durch mindestens eine der folgenden Verbindungen mit dem piezoelektrischen Wandlerelement (118) verbunden ist: eine kraftschlüssige Verbindung, wobei der Kraftschluss durch den Anpasskörper (128) bewirkt wird; eine formschlüssige Verbindung, wobei der Formschluss durch den Anpasskörper (128) bewirkt wird; eine unmittelbare adhäsive und/oder kohäsive Verbindung zwischen einer Oberfläche des piezoelektrischen Wandlerelements (118) und einer Oberfläche des Polymermaterials.
2. Ultraschallwandler (112) nach Anspruch 1, wobei das piezoelektrische Wandlerelement (118) ganz oder teilweise in den Anpasskörper (128) eingebettet ist.
3. Ultraschallwandler (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anpassschicht (120) mindestens zwei Schichten mit unterschiedlichen Impedanzen umfasst.
4. Ultraschallwandler (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Polymer- material thermisch, chemisch oder photochemisch aushärtbar oder vernetzbar ist.
5. Ultraschallwandler (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Polymermaterial mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: ein syntaktisches Material; ein duroplastisches Material, insbesondere ein Epoxidharz, ein Polyester, ein Phenolharz, einen Cyanatester; einen Thermoplast; ein Elastomer, insbesondere Silikon; ein Polymerblend; ein
Polyimid, insbesondere Kapton.
6. Ultraschallwandler (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Polymermaterial mindestens einen Füllstoff aufweist, insbesondere mindestens einen der folgenden Füllstoffe: Hohlräume; Fasern; Glashohlkugeln; Kunststoffhohlkugeln; einen flüchtigen Füllstoff, insbesondere einen während oder nach einem Vernetzen des Polymers entweichenden oder entfernbaren Füllstoff.
7. Ultraschallwandler (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei piezoelektrische Wandlerelemente (118) ganz oder teilweise in einen Anpasskörper (128) eingebettet sind, wobei die Anpassschicht (120) als gemeinsame Anpassschicht (120) der beiden piezoelektrischen Wandlerelemente (118) ausgebildet ist.
8. Ultraschallwandler (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend weiterhin einen Gehäusekörper (140), wobei der Anpasskörper (128) und das piezoelektrische Wandlerelement (118) in eine Vertiefung (142) in dem Gehäusekörper (140) eingelassen sind, wobei die Einlassung vorzugsweise bündig zur Oberfläche des Gehäusekörpers (140) ausgestaltet ist.
9. Ultraschallwandler (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend weiterhin mindestens ein mit dem piezoelektrischen Wandlerelement (118) in Kontakt stehendes Dämpfungselement.
10. Strömungsmesssystem, umfassend mindestens einen Ultraschallwandler (112) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche sowie mindestens eine mit dem Ultraschallwandler (112) verbundene Ansteuer- und Auswerteelektronik zur Ermittlung mindestens einer Strömungsgröße eines strömenden fluiden Mediums.
11. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (112) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Polymermaterial in flüssigem oder verformbaren Zustand mit dem piezoelektrischen Wandlerelement (118) in Kontakt gebracht und anschließend ausgehärtet wird.
12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Aushärtung durch mindestens eine der folgenden Aktivierungen initiiert wird: eine thermische Aktivierung; eine chemische Aktivierung, insbesondere durch Zugabe eines Katalysators und/oder eines Initiators; eine photochemische Aktivierung, insbesondere durch eine Bestrahlung mit ultraviolettem Licht; eine elektronische Aktivierung, insbesondere eine Aktivierung mit Elektronenstrahlen.
13. Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement (118) und dem Anpasskörper (128), insbesondere die Anpassschicht (120), ein Haftvermittler oder ein Haftverhinderer, insbesondere Teflon, eingebracht wird, insbesondere auf eine Oberfläche des piezoelektrischen Wandlers (118) aufgebracht wird.
14. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der folgenden Verfahren eingesetzt wird: ein Pressverfahren; ein Spritzpressverfahren; ein Spritz- gießverfahren; ein Gießverfahren, insbesondere ein Gießverfahren mit verlorener Form; ein
Prägeverfahren; ein Transfermoldingverfahren.
15. Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei weiterhin mindestens eine Schutzschicht auf den Anpasskörper (128), insbesondere auf die Anpassschicht (120), auf- gebracht wird, wobei die Schutzschicht vorzugsweise mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: eine Folie, insbesondere eine Kaptonfolie oder eine Polyimidfolie; einen Lack.
16. Verfahren nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Po- lymermaterial zu einem Halbzeug (146) geformt wird, wobei der piezoelektrische Wandler
(118) in das Halbzeug (146) eingesetzt, auf das Halbzeug (146) aufgesetzt oder in das Halbzeug (146) eingepresst wird, wobei anschließend das Halbzeug (146) ausgehärtet wird, derart, dass der piezoelektrische Wandler (118) und das Halbzeug (146) verbunden sind.
17. Verwendung mindestens eines Ultraschallwandlers (112) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Strömungsmessung eines strömenden fluiden Mediums, insbesondere von Luft im Ansaugtrakt und/oder im Abgastrakt und/oder im Abgasrückführungstrakt und/oder nach einem Turbolader einer Brennkraftmaschine, wobei mindestens eine Laufzeit und/oder mindestens eine Phase eines von dem Ultraschallwandler (112) erzeugten akustischen Signals in dem strömenden fluiden Medium gemessen und daraus auf mindestens eine der folgenden
Größen des strömenden fluiden Mediums geschlossen wird: eine Strömungsgeschwindigkeit; einen Massenstrom; eine Temperatur.
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