WO2014202336A1 - Verfahren zum elektrischen kontaktieren einer piezokeramik - Google Patents

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WO2014202336A1
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piezoceramic
electrically conductive
flexible
conductive film
composite
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Guenter Gerlach
Andre Gerlach
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Robert Bosch Gmbh
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    • B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface

Definitions

  • the invention relates to a method for electrically contacting a piezoceramic.
  • the invention also relates to a sound transducer with a correspondingly contacted
  • Piezoceramic and an ultrasonic array with such transducers are Piezoceramic and an ultrasonic array with such transducers.
  • ultrasonic parking systems are based on ultrasonic sensors, which operate in the transceiver mode and are distributed in the rear and / or front bumper integrated. In this case, four to six such sensors are arranged and vertically aligned front and rear, so that the individual sound fields cover the entire space in front of and behind the vehicle and no ground reflections are detected. Such systems have a significant warning function when an object is detected in the sound space.
  • array sensors that include a matrix or line with multiple ultrasonic sensors.
  • the piezoceramic is attached to a front end side of the diaphragm pot. Furthermore, the piezoceramic is connected via at least two lines with signal connection points of the printed circuit board, wherein the signal connection points are provided on a portion of the printed circuit board in the interior of the diaphragm pot.
  • the cables themselves are designed as wires or single core stranded cables.
  • a method for electrically contacting a piezoceramic comprising the following steps: a) providing the piezoceramic with electrodes for electrically contacting the
  • Piezoceramic and a flexible, electrically conductive film b) forming a composite by the flexible, electrically conductive film is at least partially applied to an electrode of the piezoceramic; c) forming a permanent, electrically conductive connection between the flexible, electrically conductive film and the electrode of the piezoceramic.
  • inventive method a stable and robust contacting the piezoceramic.
  • a reliable contact can be provided, which increases the life and reliability of systems in which such a contacted piezoceramic is used.
  • the process is simple and reliable to carry out.
  • a cost effective method is provided which achieves high process reliability and is suitable for high-volume production.
  • the inventive method is particularly suitable for the production of
  • Sound transducers such as ultrasonic transducers, the sound waves over the piezoceramic in a
  • the method according to the invention is particularly suitable for producing thickness vibrators or bending vibrators.
  • the piezoceramic can first be contacted according to the method according to the invention and then introduced into a transducer element.
  • the piezoceramic can be introduced into the transducer element and then contacted. Also possible are combinations of these method steps in which the piezoceramic is partially contacted, then introduced into the transducer element and then the further contacting of the
  • Piezoceramic is performed.
  • the transducer element can be adapted to the design of the sound transducer.
  • the transducer element of a bending oscillator is designed as a converter pot, on the bottom of which the piezoceramic is introduced.
  • the transducer element comprises two transducer bodies, between which the piezoceramic is introduced.
  • a piezoceramic refers to a ceramic material which deforms under the action of an external force, for example by ultrasonic waves, and results in a charge separation from this deformation. Piezoceramics are based on
  • the piezoceramic is formed flat, d. H. the aspect ratio between length or width and thickness is at least 2, preferably 8-40, particularly preferably 20.
  • the piezoceramic may have any geometric shapes. For example, it may be round, rectangular, elliptical or square.
  • the flexible film comprises a carrier film, an adhesive layer and an electrically conductive layer, it can be between 20 ⁇ and 250 ⁇ , preferably between 30 ⁇ and 230 ⁇ and more preferably between 40 ⁇ and 90 ⁇ thick. Furthermore, the film can be temperature-resistant up to a temperature of preferably 250 ° C.
  • the flexible film may comprise a plastic film as a base film based on a polyimide or PET or PEN. Such polyimide films are available, for example, under the name Kapton®.
  • the flexible film In order to make the flexible film electrically conductive, it can be coated on one or two sides with an electrically conductive material.
  • the coating can be applied uniformly on the flexible film or printed in printed conductors.
  • a coating material a metal such as copper, gold, aluminum or
  • Gold alloys are used.
  • the flexible film By coating the flexible film with an electrically conductive material contacting surfaces are formed on the flexible film, which can preferably be brought directly into contact with the electrodes of the piezoceramic.
  • the ground entry of the contacting by the flexible, electrically conductive film is minimal.
  • the vibration characteristics remain essentially unaffected.
  • the solder paste may contain a solder metal powder, for example based on copper, tin, silver or mixtures thereof, and a flux.
  • conductive adhesive anisotropic or isotropic conductive adhesive can be used. anisotropic
  • Conductive adhesives contain, for example, an epoxy resin in which 10 to 20 wt .-% based on the epoxy resin may be contained on metallic balls. Such balls may have a size of 5 ⁇ to 50 ⁇ , preferably from 8 ⁇ to 25 ⁇ . Isotropic conductive adhesive can also be formed on the basis of an epoxy resin, in the metallic platelets with a length or width of 30 ⁇ to 70 ⁇ and an aspect ratio to the thickness of 5, also possible isotropic conductive adhesive with metal balls, wherein the proportion of metal in wt. % greater than anisotropic conductive adhesives is, for example, in the range of 20 to 7% by weight. As the metal for the balls or the plates, for example, silver or aluminum or a composite of a metal with an outer nickel layer or only nickel is suitable.
  • thermode at least one
  • Thermodynamic head comprising at least one contact surface, which introduces heat and / or pressure in the composite.
  • the thermal head can comprise a plurality of contact surfaces in a specific geometry.
  • the thermal head can have round, rectangular, elliptical or square contact surfaces or contact surfaces
  • the thermal head comprises a heater for introducing heat into the composite and a rear spring for applying pressure in the form of contact pressure.
  • a heater for introducing heat into the composite
  • a rear spring for applying pressure in the form of contact pressure.
  • Each contact surface of the thermal head can be individually spring-loaded in order to achieve a suitable tolerance compensation.
  • Thermode makes it possible to provide a fully automated process that can be easily adapted to different requirements.
  • individual sound transducers can be produced just as easily with the aid of a suitably designed thermo head, such as sound transducer arrays in which a plurality of sound transducers can be arranged in a matrix.
  • the Kunststofftechnik a low-resistance contact, through which compared to thermocompression welding a low heat input is necessary and a depolarization of the piezoceramic can be prevented.
  • thermode may comprise a plurality of thermo-heads which are controlled jointly or individually. Thereby, a sequential or parallel operation can be realized. In sequential operation, several
  • thermo-heads can be controlled simultaneously. That's it
  • thermo-heads with different forms of contact surfaces can be structurally combined. This makes it possible to contact different 1 D or 2D array layouts in just one step. It is still possible, a
  • thermode may comprise a plurality of thermo-heads, which may be further back-springed several times to form a one- or two-dimensional geometric arrangement of a plurality of contacted piezoceramics or transducer elements. This can be done in one step. Alternatively, the formation of the transducer assembly can be done sequentially with just a feathered thermal head. This can also be the geometric
  • the thermal head with subgroups can also be arranged several times, so that the entire layout of the piezoceramics to be contacted or the transducer elements can be cured in one step.
  • the contact surfaces of the thermal head can be designed both symmetrically and not symmetrically.
  • the contact surfaces can in this case have any shapes or be divided.
  • the contact surface is heated to the melting temperature of the solder, for example 240 ° C, and then brought into contact with the composite and pressed.
  • the contact surface of the thermal head can be made smaller compared to the contact surface for conductive adhesive.
  • anisotropic conductive adhesive is used with spheres, when the composite is heated, vertical electrical conductivity is created when the composite is pressed until the spheres press into the metallic upper and lower contact partners.
  • the contact surface is heated to temperatures up to 250 ° C, preferably 190 ° C, and is thus well below half the Curie temperature of typical piezoceramics to avoid depolarization.
  • isotropic conductive adhesives in addition to the vertical electrical conductivity between the electrode of the piezoceramic and the flexible, eclectic conductive foil to a vertical and horizontal line. Compared to anisotropic conductive adhesives, it may therefore be in the border area between
  • Piezo ceramics of the array come to short circuits.
  • the introduction of heat into the composite takes place by the thermo head or the thermo heads are controlled to a temperature that the
  • Processing temperature of the solder paste or the hardening temperature of the conductive adhesive corresponds.
  • the application of pressure to the composite can be controlled by the thermodynamic head is brought into contact with the composite and is pressed over a spring characteristic until the desired contact pressure is reached.
  • the contact pressure can be chosen so that when placing the thermal head on the composite no surface forces act to prevent the breakage of the ceramic.
  • the thermo head In the pressed position, the thermo head can dwell for a holding time, the
  • thermo head can be relaxed and brought to the starting position.
  • the thermode head can act on the composite of piezoceramic and flexible, electrically conductive film for between 5 and 30 seconds with a contact pressure in the range of 1 to 2 N / mm 2 .
  • the curing time is small under the action of the contact pressure and high volume production can be achieved within a very short time for mass production.
  • the flexible, electrically conductive film after forming the permanent, electrically conductive connection between the flexible, electrically conductive film and an electrode of the piezoceramic or after contacting the
  • Piezoceramic connected to an electrical assembly.
  • the flexible, conductive film is thus connected at one end to the piezoceramic and connected at the other end to the electrical assembly.
  • the electrical assembly can be used for controlling and measuring signals of the piezoceramic. So can the electric
  • Assembly components in particular electronic components, have, which are mounted on the flexible, electrically conductive foil, a flexible printed circuit board or a rigid printed circuit board.
  • the flexible, electrically conductive foil in the region of the electrical assembly can have a thickness of 40 ⁇ m to 400 ⁇ m.
  • the flexible printed circuit board may have the same flexible, electrically conductive foil as the flexible, electrically conductive foil for contacting and be reinforced in the region of the components.
  • the flexible, electrically conductive film may be reinforced at the end contacting the circuit board.
  • this part of the flexible, electrically conductive film for example stretchable with an electronic component, such as an SMD (Surface-Mounted Device) -Buchsenance, can be connected.
  • SMD Surface-Mounted Device
  • the flexible, electrically conductive foil or the flexible printed circuit board For contacting the components of the electrical assembly tracks are provided on the flexible, electrically conductive foil or the flexible printed circuit board. Furthermore, the electrical assembly with the flexible, electrically conductive film can be formed in one piece or in two parts. In the two-part embodiment, the contacting between the flexible, electrically conductive film and the electrical assembly, for example, with a conductive adhesive or a solder paste, as described above, take place. Furthermore, the flexible, electrically conductive foil and the electrical
  • Assembly be designed in different forms and be adapted accordingly to different applications.
  • a cost-effective overall system for contacting the piezoceramic can be provided, which is "quasi" made of one piece and thus enables a robust contacting.
  • a sound transducer in particular an ultrasonic transducer, which comprises a piezoceramic, which is connected via a flexible, electrically conductive foil with an electrical assembly.
  • the sound transducer is produced by the method described above.
  • the additional mass input of the contacting can be minimized.
  • the contact thus influences the vibration characteristics of the transducer only minimally and unwanted side effects due to the contact can be avoided.
  • the sound transducer can be configured as a bending oscillator or as a thickness oscillator.
  • the contacting can via the backside electrode of the
  • Piezoceramic made with a metallic transducer pot, a metallic mass or a metallized plastic component. Furthermore, the contacting of the
  • Front side electrode and / or the re-contacted backside electrode of the piezoceramic done by the flexible, electrically conductive film.
  • re-contacting is understood here that the one of two electrodes of the piezoelectric element, which is not accessible, guided on the piezoelectric element by an applied, electrically conductive path to the accessible side and expanded at the end suitable for contacting.
  • a sound transducer array in particular a
  • Ultrasonic transducer array comprising a plurality of the above-described sound transducer.
  • the transducer array may be a 1D or 2D array, i. the individual sound transducers can be arranged in a matrix with one or more rows.
  • the individual sound transducer elements of the array can be arranged symmetrically or asymmetrically.
  • FIG. 1 shows a device for contacting a piezoceramic and a
  • Figures 2a, 2b, 2c exemplary embodiments for contact surfaces of a
  • Thermodenkopfes, 3a, 3b an embodiment of a bending oscillator with a piezoceramic, which is contacted with a flexible film,
  • Figure 4 shows another embodiment of a bending oscillator
  • Piezoceramic which is contacted with a flexible film
  • FIG. 5 shows an embodiment of a thickness oscillator whose piezoceramic is contacted with a flexible film
  • Figure 6 shows another embodiment of a thickness vibrator with a
  • Piezoceramic which is contacted with a flexible film
  • Figure 8 shows a further embodiment of a thickness vibrator
  • Piezoceramic which is contacted with a flexible film.
  • FIG. 1 shows by way of example a device 10 for contacting an electrode 40, 42 of a piezoceramic 14 with an electrically conductive, flexible film 16.
  • the device 10 includes a thermode 18 having a thermode head 20.
  • the thermo-head 20 is followed by a transmission unit 22, which has a heater 24 and a prestressed compression spring 26.
  • the transfer unit 22 is guided by a securing element 28 in a guide device 30. In this way, by the guide means 30 and the transfer unit 22 pressure on the heated thermal head 20 are transmitted.
  • the guide device 30 is movably mounted in the vertical 32.
  • a metallic transducer element 36 here a metallic transducer pot
  • a conductive adhesive 38 such as an anisotropic or an isotropic conductive adhesive, applied by means of dispensers and the
  • Piezoceramic 14 placed by means of, for example, a vacuum gripper. As a result, after curing of the composite, an electrically conductive connection between the
  • Transducer element 36 and the rear electrode 40 of the piezoceramic 14 produced.
  • a layer of conductive adhesive 44 is applied to the front-side electrode 42 of the piezoceramic 14.
  • the flexible, electrically conductive film 16 which comprises, for example, a copper-coated polyimide film, is placed on this conductive adhesive layer 44 with the aid of a vacuum gripper.
  • the composite 46 of transducer element 36, piezoceramic 14 and flexible, electrically conductive film 16 is formed so far that a permanent, electrically conductive connection between the individual components can be formed.
  • the guide device 30 is controlled such that a contact between the thermo-head 20 and the composite 46 with transducer element 36, flexible, electrically conductive foil 16 and piezoceramic 14 is produced.
  • the thermo-head 20 and the composite 46 with transducer element 36, flexible, electrically conductive foil 16 and piezoceramic 14 is produced.
  • Guiding device 30 by means of a linear adjuster or a spindle drive.
  • the guide means 30 are first moved into contact with the composite 46, wherein the reheated thermal head 20 in a further method of
  • Composite 46 exercises and via the heat conduction of the heat input to the conductive adhesive 38, 44 takes place. Accordingly, the thermo-head 20 can be timed into position so that the conductive adhesive 38, 44 cured in the composite 46 and thus a permanent, electrically conductive connection between the components 36, 14, 16 of the composite 46 is formed.
  • FIGS. 2a, 2b and 2c show different embodiments of a
  • Thermodenkopfes 20 in plan view which can be used for example in the device 10 of Figure 1.
  • FIG. 2 a shows, by way of example, a thermode head 20 with a single contact surface 48, which implements a transducer structure with a rectangular base area.
  • FIGS. 2b and 2c three rectangular contact surfaces 48 are formed, with which three converter assemblies can be contacted simultaneously. In such a
  • Embodiment with multiple contact surfaces 48 is a regular arrangement, as shown in Figure 2b, or an irregular arrangement, as shown in Figure 2c possible.
  • the curing of multiple transducer assemblies at the same time is particularly advantageous in forming one-dimensional or two-dimensional transducer arrays.
  • thermode head shapes shown in FIG. 2 may also have any other geometric shapes.
  • the contact surfaces 48 of the thermal head 20 may be round, angular, elliptical or other shapes or combinations of these geometric shapes exhibit.
  • the contact surfaces 48 may be divided uniformly or non-uniformly, which is particularly advantageous when, for example, round or rectangular, re-contacted piezoceramics are to be contacted.
  • thermode heads 20 When hardening the composite 46 with the device 10 according to FIG. 1, it is thus possible to use different thermode heads 20, which make it possible to contact an entire 1D or 2D array layout for a transducer array in one work step.
  • similar thermo-heads 20 can be summarized at a slightly greater distance from each other, the entire head can sit in a station.
  • a plurality of individual sound transducers can be produced in parallel, ie simultaneously. If a top head 20 is used with several parallel contact surfaces 48 for the simultaneous contacting of a plurality of individual transducers of a transducer array, it may still be useful depending on the tolerance of the transducer array to individually spring-back the contact surfaces 48 and so to achieve a suitable tolerance compensation.
  • thermode heads 20 Another possibility is to sequentially use one or more thermode heads 20.
  • the holding plate 34 can be moved via linear and rotary tables and the corresponding layout part of the transducer array can be positioned to the respective thermode head 20.
  • this increases the cycle time, there is more flexibility in the layout of the array with only one or two thermal heads.
  • FIG. 3 a shows a bending oscillator 50 with a transducer element 36 and a
  • Piezoceramic 14 which is contacted by a flexible, electrically conductive film 16.
  • the bending oscillator 50 of FIG. 3 a has a transducer element 36, which is designed cup-shaped with side walls 54 and a pot base 56. In the interior of the pot adjacent to the bottom of the pot 56, a piezoceramic 14 is provided, which is the
  • the piezoceramic 14 electrodes 40, 42 which are connected by the flexible, electrically conductive film 16 with an electrical assembly 52.
  • the electrical assembly 52 includes elements to receive the signals of the piezoceramic 14 and to drive the piezoceramic 14 for emitting sound waves. Furthermore, the
  • Elements of the electrical assembly 52 provided on a flexible, electrically conductive film, which corresponds to the flexible, electrically conductive film 16 of the contact or running as a rigid board and connected to the electrically conductive flex foil.
  • Figure 3b shows such a further construction of a bending oscillator 50 with a
  • Piezoceramic 14 which is connected via a flexible, electrically conductive film 16 with a circuit board 52.
  • Figure 4 shows another embodiment of a bending oscillator 50 with a
  • Piezoceramic 14 which is contacted via a flexible, electrically conductive film 16.
  • the back side electrode 40 of the piezoceramic 14 and the lateral surface 54 of the transducer element 36 are contacted with the flexible, electrically conductive foil 16.
  • the transducer element 36 is electrically conductive and conducts the
  • both electrical connection points on the piezoceramic are each contacted with a conductor of the flex foil.
  • FIG. 5 shows a thickness oscillator 58 with a piezoceramic 14, which is contacted via a flexible, electrically conductive foil 16.
  • This includes for transmitting vibrations of the plates 64, a front body 60 and a rear body 62, between which a piezoceramic 14 is provided.
  • the contacting takes place on the outer end sides 66 of the front body 60 and the rear body 62, which point away from the piezoceramic 14.
  • Both the front and the rear body 60, 62 are electrically conductive and direct the contacting of the flexible, electrically conductive film 16 on the piezoceramic 14 and the electrodes 40, 42.
  • the flexible, electrically conductive film 16 may thus be an electrically conductive connection between the piezoceramic 14 and its electrodes 40, 42 and an electrical assembly 52 manufacture.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a thickness vibrator 58 and its contacting.
  • the thickness oscillator 58 of FIG. 6 has a contacting on the end faces 68 of the front and rear bodies 60, 62, which adjoin the piezoceramic 14.
  • the flexible, electrically conductive film 16 can thus produce an electrically conductive connection between the piezoceramic 14 or its electrodes 40, 42 and an electrical assembly 52.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a thickness oscillator 58 which is contacted with a flexible, electrically conductive foil 16.
  • the flexible, electrically conductive film 16 is further electrically conductively connected to the electrodes of the piezoceramic 14.
  • the front and rear bodies 60, 62 are likewise electrically conductive and conduct the contacting to the piezoceramic 14 or its electrodes 40, 42.
  • one of the flexible, conductive foils 16 contacts the electrode 40 of the piezoceramic 14 and the front body 60, whereas the other flexible film 16 only the piezoceramic 14 contacted. These two contacts can be continued to an electrical assembly 52.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of a thickness vibrator 58, which is contacted with a flexible, electrically conductive foil 16.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Piezokeramik (14), das folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen der Piezokeramik (14) mit Elektroden (40, 42) zum elektrischen Kontaktieren der Piezokeramik (14) und einer flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie (16); b) Ausbilden eines Verbundes (46), indem die flexible, elektrisch leitfähige Folie (14) zumindest teilweise auf eine Elektrode der Piezokeramik (14) aufgebracht wird; c) Ausbilden einer dauerhaften, elektrisch leitenden Verbindung zwischen der flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie (16) und der Elektrode (40, 42) der Piezokeramik (14). Die Erfindung betrifft zudem einen Schallwandler (14) sowie ein Schallwandlerarray hergestellt mit Hilfe des Verfahrens zum elektrischen Kontaktieren einer Piezokeramik (14).

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Piezokeramik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Piezokeramik. Die Erfindung betrifft zudem einen Schallwandler mit einer entsprechend kontaktierten
Piezokeramik und ein Ultraschallarray mit derartigen Schallwandlern.
Heutige Ultraschalleinparksysteme basieren auf Ultraschallsensoren, welche im Sende- Empfangsbetrieb arbeiten und verteilt im Heck- und/oder Frontstoßfänger integriert sind. Hierbei werden vorn und hinten jeweils vier bis sechs solcher Sensoren so angeordnet und vertikal ausgerichtet, dass die Einzelschallfelder den gesamten Raum vor und hinter dem Fahrzeug abdecken und keine Bodenreflektionen erfasst werden. Derartige Systeme haben maßgeblich warnende Funktion, wenn ein Objekt in den Schallraum detektiert wird. Um die Funktionalität solcher ultraschallbasierter Systeme zu verbessern, werden in neueren Anwendungen Array-Sensoren eingesetzt, die eine Matrix oder eine Linie mit mehreren Ultraschallsensoren umfassen.
Aus EP 0 853 919 A2 ist eine Anordnung für Ultraschallsensoren bekannt, die ein flexibles Material mit Leiterbahnen umfasst. Auf dem flexiblen Material sind Ultraschallelemente und integrierte Elektronik vorgesehen, die über Signalleitungen auf dem flexiblen Material miteinander verbunden sind.
In DE 10 201 1 077 553 A1 ist ein Ultraschallwandler mit einem Piezokeramik, einer
Leiterplatte und einem Membrantopf beschrieben. Dabei ist das Piezokeramik an einer vorderen Stirnseite des Membrantopfs befestigt. Weiterhin ist das Piezokeramik über mindestens zwei Leitungen mit Signalanschlussstellen der Leiterplatte verbunden, wobei die Signalanschlussstellen auf einem Abschnitt der Leiterplatte im Inneren des Membrantopfs vorgesehen sind. Die Leitungen selbst sind als Drähte oder einadrige Litzenkabel ausgeführt.
DE 10 2009 040 374 A1 beschreibt einen Ultraschallwandler mit einem Entkopplungsring zur Dämpfung mechanischer Schwingungen, der zwischen einem abgeschirmten leitfähigen Gehäuse und einer Schwingungserzeugenden Membran angeordnet ist. Der Entkopplungsring besteht aus einem leitfähigen Material und stellt eine leitfähige Verbindung zwischen der Membran und dem Massenpotential her. Beim Herstellen von derartigen Sensorsystemen werden die Piezokeramiken mit Verfahren wie Thermokompressionsschweißen kontaktiert. Diese sind jedoch beim Aufbau von
Ultraschall-Arrays nur bedingt einsetzbar ist, da die Kontaktierung sehr präzise und auf kleinstem Raum zu erfolgen hat. Zusätzlich können bei Kontaktierungen, die mit Hilfe von Thermokompressionsschweißen hergestellt sind, Schwachstellen auftreten. Derartige Schwachstellen vermindern die Qualität der Kontaktierung und die Lebensdauer solcher Sensoren. Daher besteht ein anhaltendes Interesse daran, eine Kontaktierungstechnik für Sensoren, insbesondere Schallwandler, bereitzustellen, die das Kontaktieren der einzelnen Sensorelemente einfach, zuverlässig und kostengünstig gestaltet. Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Piezokeramik vorgeschlagen, das folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen der Piezokeramik mit Elektroden zum elektrischen Kontaktieren der
Piezokeramik und einer flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie; b) Ausbilden eines Verbundes, indem die flexible, elektrisch leitfähige Folie zumindest teilweise auf eine Elektrode der Piezokeramik aufgebracht wird; c) Ausbilden einer dauerhaften, elektrisch leitenden Verbindung zwischen der flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie und der Elektrode der Piezokeramik.
Durch die Verwendung einer flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie ermöglicht das
erfindungsgemäße Verfahren, ein stabiles und robustes Kontaktieren der Piezokeramik. Damit kann insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich, wo die Schüttel- und Temperaturbelastungen oft hoch sind, eine zuverlässige Kontaktierung bereitgestellt werden, die die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Systemen erhöht, in denen eine derart kontaktierte Piezokeramik eingesetzt wird. Zusätzlich ist das Verfahren einfach und zuverlässig in der Durchführung. Somit wird ein kostengünstiges Verfahren bereitgestellt, das eine hohe Prozesssicherheit erreicht und für die Produktion im Großserienbereich geeignet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Herstellen von
Schallwandlern, wie Ultraschallwandlern, die Schallwellen über die Piezokeramik in ein
Spannungssignal umwandeln, d.h. detektieren, oder durch Anlegung einer Spannung an die Piezokeramik Schallwellen aussenden. So eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zum Herstellen von Dickenschwingern oder Biegeschwingern. Zum Herstellen eines Schallwandlers kann die Piezokeramik zunächst gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kontaktiert werden und anschließend in ein Wandlerelement eingebracht werden. Alternativ kann die Piezokeramik in das Wandlerelement eingebracht werden und anschließend kontaktiert werden. Möglich sind auch Kombinationen dieser Verfahrensschritten, in denen die Piezokeramik teilweise kontaktiert wird, dann in das Wandlerelement eingebracht wird und anschließend die weitere Kontaktierung der
Piezokeramik durchgeführt wird.
Das Wandlerelement kann dabei an die Ausgestaltung des Schallwandlers angepasst sein. Beispielsweise ist das Wandlerelement eines Biegeschwingers als Wandlertopf ausgeführt, an dessen Bodeninnenseite die Piezokeramik eingebracht wird. Bei Dickenschwingern umfasst das Wandlerelement zwei Wandlerkörper, zwischen denen die Piezokeramik eingebracht wird.
Eine Piezokeramik bezeichnet vorliegend einen keramischen Werkstoff, der sich unter Einwirkung einer äußere Kraft, zum Beispiel durch Ultraschallwellen, verformt und aus dieser Verformung eine Ladungstrennung resultiert. Piezokeramiken sind auf Basis
unterschiedlicher Werkstoffe erhältlich. Ein Beispiel hierfür ist Bleizirkonat-Bleititanat (PZT), oder Piezokeramiken, wie Morgan Electro Ceramics PZT-5A oder Ceramtec P5. Bevorzugt ist die Piezokeramik flach ausgebildet, d. h. das Aspektverhältnis zwischen Länge oder Breite und Dicke ist mindestens 2, bevorzugt 8 - 40, besonders bevorzugt 20. Zusätzlich kann die Piezokeramik beliebige geometrische Formen aufweisen. Beispielsweise kann sie rund, rechteckig, elliptisch oder quadratisch sein.
Die flexible Folie umfasst eine Trägerfolie, eine Klebschicht sowie eine elektrisch leitfähige Schicht, sie kann zwischen 20 μηη und 250 μηη, bevorzugt zwischen 30 μηη und 230 μηη und besonders bevorzugt zwischen 40 μηι und 90 μηι dick sein. Weiterhin kann die Folie bis zu einer Temperatur von bevorzugt 250°C temperaturbeständig sein. Beispielsweise kann die flexible Folie eine Kunststofffolie als Trägerfolie auf Basis eines Polyimids oder PET oder PEN umfassen. Derartige Polyimidfolien sind beispielsweise unter dem Namen Kapton® erhältlich.
Um die flexible Folie elektrisch leitfähig auszugestalten, kann diese ein- oder zweiseitig mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet sein. Die Beschichtung kann dabei gleichmäßig auf der flexiblen Folie aufgebracht sein oder in Leiterbahnen aufgedruckt sein. Als Beschichtungsmaterial kann ein Metall, wie Kupfer, Gold, Aluminium oder
Goldlegierungen zum Einsatz kommen. Durch die Beschichtung der flexiblen Folie mit einem elektrisch leitfähigen Material werden Kontaktierungsflächen auf der flexiblen Folie gebildet, die vorzugsweise unmittelbar mit den Elektroden der Piezokeramik in Verbindung gebracht werden können. Zusätzlich ist der Masseeintrag der Kontaktierung durch die flexible, elektrisch leitfähige Folie minimal. Insbesondere beim Einsatz des Kontaktierungskonzepts in Schallwandlern bleiben somit die Schwingungseigenschaften im Wesentlichen unbeeinflusst.
In einer Ausführungsform wird zum Ausbilden des Verbundes ein Leitkleber oder eine Lotpaste zwischen der flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie und der Elektrode der
Piezokeramik aufgetragen. Dabei kann die Lotpaste ein Lotmetallpulver, beispielsweise auf Basis von Kupfer, Zinn, Silber oder Mischungen hieraus, und ein Flussmittel enthalten. Als Leitkleber können anisotrope oder isotrope Leitkleber eingesetzt werden. Anisotrope
Leitkleber enthalten zum Beispiel ein Epoxidharz, in dem 10 bis 20 Gew.-% bezogen auf das Epoxidharz an metallischen Kugeln enthalten sein können. Derartige Kugeln können eine Größe von 5 μηη bis 50 μηη, bevorzugt von 8 μηη bis 25 μηη aufweisen. Isotrope Leitkleber können ebenfalls auf Basis eines Epoxidharzes gebildet sein, in das metallische Plättchen mit einer Länge oder Breite von 30 μηη bis 70 μηη und einem Aspektverhältnis zur Dicke von 5, ebenfalls möglich sind isotrope Leitkleber mit Metallkugeln, wobei der Anteil an Metall in Gew.-% größer als bei anisotropen Leitklebern ist zum Beispiel im Bereich von 20 bis 7 Gew.-%. Als Metall für die Kugeln oder die Plättchen eignet sich zum Beispiel Silber oder Aluminium oder ein Verbund von einem Metall mit äußerer Nickelschicht oder nur Nickel.
In einer weiteren Ausführungsform wird mit Hilfe einer Thermode Wärme und/oder Druck in den Verbund eingebracht, um die dauerhafte, elektrische Verbindung zwischen der Elektrode der Piezokeramik und der flexiblen, elektrischen Folie herzustellen. Durch die Verwendung von Wärme und/oder Druck können kurze Produktionszyklen erreicht werden, die das Verfahren großserientauglich machen. Dazu kann die Thermode mindestens einen
Thermodenkopf mit mindestens einer Kontaktfläche umfassen, die Wärme und/oder Druck in den Verbund einbringt. Weiterhin kann der Thermodenkopf mehrere Kontaktflächen in einer bestimmten Geometrie umfassen. So kann der Thermodenkopf beispielsweise runde, rechteckige, elliptische oder quadratische Kontaktflächen oder Kontaktflächen
unterschiedlicher Geometrien umfassen und auch unterteilt sein. In einer weiteren
Ausführungsfrom umfasst der Thermodenkopf eine Heizung zum Einbringen von Wärme in den Verbund und eine Hinterfederung zum Einbringen von Druck in Form von Anpressdruck. Dabei kann jede Kontaktfläche des Thermodenkopfes einzeln hinterfedert sein, um einen geeigneten Toleranzausgleich zu erzielen.
Durch die Thermode ist es möglich, ein vollständig automatisiertes Verfahren bereitzustellen, das einfach an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden kann. So können einzelne Schallwandler mit Hilfe eines entsprechend ausgestalteten Thermodenkopfes genauso einfach hergestellt werden, wie Schallwandlerarrays, in denen mehrere Schallwandler in einer Matrix angeordnet sein können. Zusätzlich ermöglich die Kontaktierungstechnik, eine niederohmige Kontaktierung, durch die im Vergleich zu Thermokompressionsschweißen ein geringer Wärmeeintrag notwendig ist und eine Depolarisation der Piezokeramik verhindert werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Thermode mehrere Thermodenkopfe aufweisen, die gemeinsam oder einzeln gesteuert werden. Dadurch kann ein sequenzieller oder paralleler Betrieb realisiert werden. Im sequenziellen Betrieb können mehrere
Thermodenkopfe nacheinander angesteuert werden, während im parallelen Betrieb alle Thermodenkopfe gleichzeitig angesteuert werden können. Dadurch ist das
erfindungsgemäße Verfahren voll automatisierbar und großserientauglich. So können mehrere Thermodenkopfe mit unterschiedlichen Formen der Kontaktflächen konstruktiv zusammengefasst werden. Dadurch ist es möglich, unterschiedliche 1 D- oder 2D-Array- Layouts in nur einem Arbeitsschritt zu kontaktieren. Weiterhin möglich ist es, einen
Thermodenkopf mit mehreren Kontaktflächen zu versehen und auf diese Weise mehrere Einzelwandler eines Arrays gleichzeitig auszubilden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, bei einem komplexen, geometrischen Array-Layout sequenziell mit mehreren
Thermodenköpfen zu arbeiten. Die Thermode kann mehrere Thermodenkopfe umfassen, die weiterhin mehrfach hinterfedert sein können, um ein ein- oder zweidimensionale, geometrische Anordnung von mehreren kontaktierten Piezokeramiken oder Wandlerelementen auszubilden. Dies kann in einem Arbeitsschritt erfolgen. Alternativ kann die Ausbildung der Wandleranordnung mit nur einem hinterfederten Thermokopf sequenziell erfolgen. Hierbei kann auch die geometrische
Ausbildung des hinterfederten Thermokopfes der gesamten geometrischen Anordnung der zu kontaktierenden Piezokeramiken oder der Wandlerelemente in eine Untergruppe aufgeteilt werden und mit diesem Untergruppenthermokopf in sequenziellen Arbeitsschritten die gesamte Anordnung hergestellt werden. Weiterhin alternativ kann der Thermokopf mit Untergruppen auch mehrfach angeordnet sein, so dass in einem Arbeitsschritt das gesamte Layout der zu kontaktierenden Piezokeramiken oder der Wandlerelemente ausgehärtet werden kann. Die Kontaktflächen des Thermokopfes können sowohl symmetrisch als auch nicht symmetrisch ausgeführt sein. So können Thermoköpfe mit rein symmetrisch, rein unsymmetrischen oder Kombinationen aus symmetrischen und unsymmetrischen
Kontaktflächen ausgebildet sein. Die Kontaktflächen können hierbei beliebige Formen aufweisen oder auch unterteilt sein.
Beim Ausbilden der dauerhaften, elektrischen leitenden Verbindung können isotrope oder anisotrope Leitkleber sowie Lotpaste eingesetzt werden. Im Fall von Lotpaste wird dabei zum Beispiel die Kontaktfläche auf die Schmelztemperatur des Lots, beispielsweise 240°C, aufgeheizt und anschließend mit dem Verbund in Verbindung gebracht und angepresst. Durch das Schmelzen des Lots und dessen homogener Verteilung zwischen der flexiblen, elektrisch leitenden Folie und der Elektrode der Piezokeramik kann die Kontaktfläche des Thermodenkopfes im Vergleich zu der Kontaktfläche für Leitkleber kleiner ausgelegt werden. Bei der Verwendung von anisotropem Leitkleber mit Kugeln entsteht beim Erwärmen des Verbundes eine vertikale elektrische Leitfähigkeit, wenn der Verbund gepresst wird, bis sich die Kugeln in den metallischen oberen und unteren Kontaktpartnern einpressen. Hierbei wird die Kontaktfläche auf Temperaturen bis zu 250°C, bevorzugt 190°C, aufgewärmt und liegt damit deutlich unter der halben Curie-Temperatur von typischen Piezokeramiken, um eine Depolarisation zu vermeiden. Bei der Verwendung von isotropen Leitklebern kommt es neben der vertikalen elektrischen Leitfähigkeit zwischen der Elektrode der Piezokeramik und der flexiblen, eklektisch leitfähigen Folie zu einer vertikalen und horizontalen Leitung. Im Vergleich zu anisotropen Leitklebern kann es daher im Randbereich zwischen
Piezokeramiken des Arrays zu Kurzschlüssen kommen. Insbesondere bei der Herstellung von Schallwandlerarrays ist es daher vorteilhaft, anisotrope Leitkleber einzusetzen. Bevorzugt erfolgt das Einbringen von Wärme in den Verbund, indem der Thermodenkopf oder die Thermodenköpfe auf eine Temperatur geregelt werden, die der
Verarbeitungstemperatur der Lotpaste oder der Härtetemperatur der des Leitklebers entspricht. Das Aufbringen von Druck auf den Verbund kann weggesteuert erfolgen, indem der Thermodenkopf mit dem Verbund in Kontakt gebracht wird und über eine Federkennlinie solange angepresst wird, bis die gewünschte Anpresskraft erreicht ist. Hierbei kann die Anpresskraft so gewählt werden, dass beim Aufsetzen des Thermodenkopfes auf den Verbund keine Flächenkräfte wirken, um den Bruch der Keramik zu vermeiden. In der angepressten Stellung kann der Thermodenkopf für eine Haltezeit verweilen, die
beispielsweise einige Sekunden dauern kann. Anschließend kann der Thermodenkopf entspannt und in die Startposition gebracht werden. Unter typischen Verfahrensbedingungen kann der Thermodenkopf zwischen 5 und 30 Sekunden mit einer Anpresskraft im Bereich von 1 bis 2 N/mm2 auf den Verbund aus Piezokeramik und flexibler, elektrische leitfähiger Folie einwirken. Damit ist die Aushärtezeit unter Einwirkung der Anpresskraft klein und für die Großserienproduktion können innerhalb kürzester Zeit hohe Stückzahlen erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die flexible, elektrisch leitfähige Folie nach Ausbilden der dauerhaften, elektrisch leitenden Verbindung zwischen der flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie und einer Elektrode der Piezokeramik oder nach Kontaktieren der
Piezokeramik mit einer elektrischen Baugruppe verbunden. Die flexible, leitfähige Folie ist damit an einem Ende mit der Piezokeramik verbunden und am anderen Ende mit der elektrischen Baugruppe verbunden. Die elektrische Baugruppe kann dabei zum Steuern und Messen von Signalen der Piezokeramik verwendet werden. So kann die elektrische
Baugruppe Bauelemente, insbesondere Elektronikkomponenten, aufweisen, die auf der flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie, einer flexiblen Leiterplatte oder einer starren Leiterplatte angebracht sind. Hierbei kann die flexible, elektrisch leitfähige Folie im Bereich der elektrischen Baugruppe eine Dicke von 40 μηη bis 400 μηη aufweisen. Weiterhin kann die flexible Leiterplatte die gleiche flexible, elektrisch leitfähige Folie wie die flexible, elektrisch leitfähige Folie zur Kontaktierung aufweisen und im Bereich der Bauelemente verstärkt sein. Zum Kontaktieren der flexiblen oder starren Leiterplatte kann die flexible, elektrisch leitfähige Folie an dem Ende, das die Leiterplatte kontaktiert, verstärkt sein. So können insbesondere parallel zur Leiterplatte Leiterbahnen vorgesehen sein, so dass dieser Teil der flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie beispielsweise streckbar mit einer Elektronikkomponente, etwa einer SMD (Surface-Mounted Device)-Buchsenleiste, verbunden werden kann.
Zum Kontaktieren der Bauelemente der elektrischen Baugruppe sind auf der flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie oder die flexible Leiterplatte Leiterbahnen vorgesehen. Weiterhin kann die elektrische Baugruppe mit der flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie einteilig oder zweiteilig ausgebildet sein. In der zweiteiligen Ausgestaltung kann die Kontaktierung zwischen der flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie und der elektrischen Baugruppe beispielsweise mit einem Leitkleber oder einer Lotpaste, wie vorstehend beschrieben, erfolgen. Weiterhin können die flexible, elektrisch leitfähige Folie und die elektrische
Baugruppe in unterschiedlichen Formen ausgestaltet sein und dementsprechend an unterschiedliche Anwendungen angepasst sein. So kann ein kostengünstiges Gesamtsystem zur Kontaktierung der Piezokeramik bereitgestellt werden, das„quasi" aus einem Guss ist und somit eine robuste Kontaktierung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Schallwandler, insbesondere ein Ultraschallwandler, vorgeschlagen, der eine Piezokeramik umfasst, die über eine flexible, elektrisch leitfähige Folie mit einer elektrischen Baugruppe verbunden ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schallwandler durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestellt.
Dementsprechend gelten die im Rahmen des Verfahrens beschriebenen Merkmale auch für den Schallwandler. Umgekehrt gelten die im Folgenden beschriebenen Merkmale auch für das Verfahren.
Durch die Kontaktierung der Piezokeramik über eine flexible, leitfähige Folie kann der zusätzliche Masseeintrag der Kontaktierung minimiert werden. Die Kontaktierung beeinflusst damit die Schwingungseigenschaften des Schallwandlers nur minimal und ungewünschte Nebeneffekte aufgrund der Kontaktierung können vermieden werden. Somit wird ein
Schallwandler bereitgestellt, der auch in der Großserienproduktion eine geringe
Massenstreuung und somit im Wesentlichen konstante Schwingungseigenschaften aufweist.
Insbesondere kann der Schallwandler als Biegeschwinger oder als Dickenschwinger ausgestaltet sein. Die Kontaktierung kann dabei über die Rückseitenelektrode der
Piezokeramik mit einem metallischen Wandlertopf, einer metallischen Masse oder einem metallisierten Kunststoffbauteil erfolgen. Weiterhin kann die Kontaktierung der
Vorderseitenelektrode und/oder der umkontaktierten Rückseitenelektrode der Piezokeramik durch die flexible, elektrisch leitfähige Folie erfolgen. Unter Umkontaktierung wird hier verstanden, dass die eine von zwei Elektroden des Piezoelementes, die nicht zugänglich ist, auf dem Piezoelement durch eine aufgebrachte, elektrisch leitfähige Bahn auf die zugängliche Seite geführt und am Ende für eine Kontaktierung geeignet aufgeweitet ist.
Weiterhin erfindungsgemäß wird ein Schallwandlerarray, insbesondere ein
Ultraschallwandlerarray, vorgeschlagen, das mehrere der vorstehend beschriebenen Schallwandler umfasst. Dabei kann das Schallwandlerarray ein 1 D oder 2D-Array sein, d.h. die einzelnen Schallwandler können in einer Matrix mit einer oder mehreren Reihen angeordnet sein. Weiterhin können die einzelnen Schallwandlerelemente des Arrays symmetrisch oder unsymmetrisch angeordnet sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindungen werden nunmehr anhand der beigefügten Figuren eingehender beschrieben. Hierbei zeigen:
Figur 1 eine Vorrichtung zum Kontaktieren einer Piezokeramik und eines
elektrischen Schallwandlers mit einer flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie,
Figuren 2a, 2b, 2c beispielhafte Ausführungsformen für Kontaktflächen eines
Thermodenkopfes, Figuren 3a, 3b eine Ausführungsform eines Biegeschwingers mit einer Piezokeramik, die mit einer flexiblen Folie kontaktiert ist,
Figur 4 eine weitere Ausführungsform eines Biegeschwingers mit
Piezokeramik, die mit einer flexiblen Folie kontaktiert ist,
Figur 5 eine Ausführungsform eines Dickenschwingers, dessen Piezokeramik mit einer flexiblen Folie kontaktiert ist,
Figur 6 eine weitere Ausführungsform eines Dickenschwingers mit einer
Piezokeramik, die mit einer flexiblen Folie kontaktiert ist, Folie 7 eine weitere Ausführungsform eines Dickenschwingers mit
Piezokeramik, die mit einer flexiblen Folie kontaktiert ist,
Figur 8 eine weitere Ausführungsform eines Dickenschwingers mit
Piezokeramik, die mit einer flexiblen Folie kontaktiert ist.
Ausführungsformen der Erfindung Figur 1 zeigt beispielhaft eine Vorrichtung 10 zum Kontaktieren einer Elektrode 40, 42 einer Piezokeramik 14 mit einer elektrisch leitfähigen, flexiblen Folie 16.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Thermode 18, die einen Thermodenkopf 20 aufweist. An den Thermodenkopf 20 schließt sich eine Übertragungseinheit 22 an, die eine Heizung 24 und eine vorgespannte Druckfeder 26 aufweist. Die Übertragungseinheit 22 wird durch ein Sicherungselement 28 in einer Führungseinrichtung 30 geführt. Auf diese Weise kann durch die Führungseinrichtung 30 und die Übertragungseinheit 22 Druck auf den erwärmten Thermodenkopf 20 übertragen werden. Dazu ist die Führungseinrichtung 30 in der Vertikalen 32 beweglich gelagert.
Zum Herstellen eines Schallwandlers 12 ist in Figur 1 beispielhaft die Ausbildung eines Ultraschallbiegeschwingers 12 mit einer Piezokeramik 14 dargestellt. Dazu wird auf die Halteplatte 34 ein metallisches Wandlerelement 36, hier ein metallischer Wandlertopf, aufgebracht. Anschließend wird auf das Wandlerelement 36 ein Leitkleber 38, etwa ein anisotroper oder ein isotroper Leitkleber, mit Hilfe von Dispensern aufgebracht und die
Piezokeramik 14 mittels beispielsweise eines Vakuumgreifers aufgesetzt. Dadurch wird nach Aushärtung des Verbundes eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem
Wandlerelement 36 und der rückseitigen Elektrode 40 der Piezokeramik 14 hergestellt. In einem nächsten Schritt wird eine Schicht Leitkleber 44 auf die vorderseitige Elektrode 42 der Piezokeramik 14 aufgetragen. Auf diese Leitkleberschicht 44 wird mit Hilfe eines Vakuumgreifers die flexible, elektrisch leitfähige Folie 16 aufgesetzt, die beispielsweise eine kupfer-beschichtete Polyimid-Folie umfasst. Damit ist der Verbund 46 aus Wandlerelement 36, Piezokeramik 14 und flexibler, elektrisch leitfähiger Folie 16 soweit ausgebildet, dass eine dauerhafte, elektrisch leitende Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten ausgebildet werden kann.
Hierzu wird die Führungseinrichtung 30 derart angesteuert, dass ein Kontakt zwischen dem Thermodenkopf 20 und dem Verbund 46 mit Wandlerelement 36, flexibler, elektrisch leitfähige Folie 16 und Piezokeramik 14 hergestellt wird. Beispielsweise kann die
Führungseinrichtung 30 mit Hilfe eines Linearverstellers oder eines Spindelantriebs erfolgen. So kann die Führungseinrichtung 30 zunächst in Kontakt mit dem Verbund 46 gefahren werden, wobei der vorbeheizte Thermodenkopf 20 bei weiterem Verfahren der
Führungseinrichtung 30 über die vorgespannte Druckfeder 26 eine Druckkraft auf den
Verbund 46 ausübt und über die Wärmeleitung der Wärmeeintrag auf den Leitkleber 38, 44 erfolgt. Dementsprechend kann der Thermodenkopf 20 zeitgesteuert so in Position gefahren werden, dass der Leitkleber 38, 44 im Verbund 46 aushärtet und somit eine dauerhafte, elektrisch leitende Verbindung zwischen den Komponenten 36, 14, 16 des Verbundes 46 gebildet wird.
Die Figuren 2a, 2b und 2c zeigen unterschiedliche Ausführungsformen eines
Thermodenkopfes 20 in der Draufsicht, der beispielsweise in der Vorrichtung 10 gemäß Figur 1 zum Einsatz kommen kann.
Die Ausbildung des Thermodenkopfes 20 bestimmt im Wesentlichen über die Kontaktflächen 48 die Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten des Verbundes 46. Dadurch können gleichzeitig mehrere Wandleraufbauten kontaktiert bzw. ausgehärtet werden. In Figur 2a ist beispielhaft ein Thermodenkopf 20 mit einer einzigen Kontaktfläche 48 dargestellt, die ein Wandleraufbau mit einer rechteckigen Grundfläche realisiert. In Figuren 2b und 2c dagegen sind drei rechteckige Kontaktflächen 48 ausgebildet, mit denen drei Wandleraufbauten gleichzeitig kontaktiert werden können. In einer derartigen
Ausführungsform mit mehreren Kontaktflächen 48 ist eine regelmäßige Anordnung, wie in Figur 2b gezeigt, oder eine unregelmäßige Anordnung, wie in Figur 2c gezeigt, möglich. Das Aushärten mehrerer Wandleraufbauten zur gleichen Zeit ist besonders vorteilhaft beim Ausbilden von eindimensionalen oder zweidimensionalen Wandlerarrays.
Die in Figur 2 gezeigten Thermodenkopfformen können auch beliebige andere geometrische Formen aufweisen. So können die Kontaktflächen 48 des Thermodenkopfes 20 rund, eckig, elliptisch oder sonstige Formen bzw. Kombinationen dieser geometrischen Formen aufweisen. Weiterhin können die Kontaktflächen 48 gleichmäßig oder ungleichmäßig unterteilt sein, was besonders vorteilhaft ist, wenn beispielsweise runde oder rechteckige, umkontaktierte Piezokeramiken zu kontaktieren sind. Beim Aushärten des Verbundes 46 mit der Vorrichtung 10 gemäß Figur 1 können somit unterschiedliche Thermodenkopfe 20 eingesetzt werden, die es ermöglichen, in einem Arbeitsschritt ein gesamtes 1 D- oder 2D-Array-Layout für ein Wandlerarray zu kontaktieren. Ebenso können gleichartige Thermodenkopfe 20 in einem etwas größeren Abstand zu einander zusammengefasst werden, wobei der gesamte Kopf in einer Station sitzen kann. Dadurch können mehrere Einzelschallwandler parallel, d. h. gleichzeitig, hergestellt werden. Wird ein Themodenkopf 20 mit mehreren parallelen Kontaktflächen 48 für die gleichzeitige Kontaktierung mehrerer Einzelschallwandler eines Wandlerarrays verwendet, kann es weiterhin abhängig von der Toleranz des Wandlerarrays sinnvoll sein, die Kontaktflächen 48 einzeln zu hinterfedern und so einen geeigneten Toleranzausgleich zu erzielen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen oder mehrere Thermodenkopfe 20 sequentiell einzusetzen. Hierzu kann die Halteplatte 34 über Linear- und Drehtische verfahren und der entsprechenden Layoutteil des Wandlerarrays zum jeweiligen Thermodenkopf 20 positioniert werden. Dadurch wird zwar die Taktzeit vergrößert, jedoch entsteht eine höhere Flexibilität im Layout des Arrays bei nur einem oder zwei Thermodenköpfen.
Der beschriebene Kontaktierungsprozess ist damit voll automatisierbar und
großserientauglich. Zusätzlich können unterschiedliche Schallwandlerkonzepte realisiert werden, beispielsweise Array-Sensoren mit Biegeelementen, Schallwandlertöpfen oder Dickenschwingern. Die Figuren 3 bis 8 zeigen Beispiele solcher Anwendungen.
Figur 3a zeigt einen Biegeschwinger 50 mit einem Wandlerelement 36 und einer
Piezokeramik 14, das durch eine flexible, elektrisch leitfähige Folie 16 kontaktiert ist. Der Biegeschwinger 50 der Figur 3a weist ein Wandlerelement 36 auf, das topfförmig mit Seitenwänden 54 und einem Topfboden 56 ausgebildet ist. Im Inneren des Topfes angrenzend an den Topfboden 56 ist ein Piezokeramik 14 vorgesehen, das die
Biegeschwingungen des Topfbodens 56 in ein elektrisches Signal umwandelt. Hierzu weist die Piezokeramik 14 Elektroden 40, 42 auf, die durch die flexible, elektrisch leitfähige Folie 16 mit einer elektrischen Baugruppe 52 verbunden sind. Die elektrische Baugruppe 52 umfasst dabei Elemente, um die Signale der Piezokeramik 14 zu empfangen und um die Piezokeramik 14 zum Aussenden von Schallwellen anzusteuern. Weiterhin sind die
Elemente der elektrischen Baugruppe 52 auf einer flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie vorgesehen, die der flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie 16 der Kontaktierung entspricht oder als starre Platine ausgeführt und mit der elektrisch leitfähigen Flexfolie verbunden ist.
Figur 3b zeigt einen solchen weiteren Aufbau eines Biegeschwingers 50 mit einer
Piezokeramik 14, die über eine flexible, elektrisch leitfähige Folie 16 mit einer Leiterplatte 52 verbunden ist.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Biegeschwingers 50 mit einer
Piezokeramik 14, die über eine flexible, elektrisch leitfähige Folie 16 kontaktiert ist.
In der Ausführungsform der Figur 4 wird mit der flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie 16 die Rückseitenelektrode 40 der Piezokeramik 14 und der Mantelfläche 54 des Wandlerelements 36 kontaktiert. Dabei ist das Wandlerelement 36 elektrisch leitfähig und leitet die
Kontaktierung auf das Piezokeramik 14 oder dessen Elektroden 40. Weiterhin ist es möglich, eine umkontaktierte Piezokeramik 14 mit einer flexiblen Folie 16 zu kontaktieren. In diesem Falle werden beide elektrischen Anschlussstellen auf der Piezokeramik mit jeweils einem Leiter der Flexfolie kontaktiert.
Figur 5 zeigt einen Dickenschwinger 58 mit einer Piezokeramik 14, die über eine flexible, elektrisch leitfähige Folie 16 kontaktiert ist. Dieser umfasst zur Übertragung von Schwingungen der Platten 64 einen Frontkörper 60 und einen Rückkörper 62, zwischen denen eine Piezokeramik 14 vorgesehen ist. In dieser Ausführungsform erfolgt die Kontaktierung an den äußeren Stirnseiten 66 des Frontkörpers 60 und des Rückkörpers 62, die von der Piezokeramik 14 wegweisen. Sowohl der Front- als auch der Rückkörper 60, 62 sind elektrisch leitfähig und leiten die Kontaktierung der flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie 16 auf die Piezokeramik 14 und deren Elektroden 40, 42. Die flexible, elektrisch leitfähige Folie 16 kann somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Piezokeramik 14 bzw. dessen Elektroden 40, 42 und einer elektrischen Baugruppe 52 herstellen. Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Dickenschwingers 58 und dessen Kontaktierung.
Der Dickenschwinger 58 der Figur 6 zeigt im Unterschied zu Figur 5 eine Kontaktierung an den Stirnseiten 68 des Front- und Rückkörpers 60, 62, die an die Piezokeramik 14 angrenzen. Die flexible, elektrisch leitfähige Folie 16 kann somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Piezokeramik 14 bzw. dessen Elektroden 40, 42 und einer elektrischen Baugruppe 52 herstellen. Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Dickenschwingers 58, der mit einer flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie 16 kontaktiert ist.
Hierbei erfolgt die Kontaktierung mit der flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie 16 über die Mantelfläche des Frontkörpers 60, wobei die Piezokeramik 14 an der Mantelfläche des Forntkörpers angebracht ist. Die flexible, elektrisch leitfähige Folie 16 ist weiterhin elektrisch leitend mit den Elektroden der Piezokeramik 14 verbunden. Die Front- und Rückkörper 60, 62 sind ebenfalls elektrisch leitfähig und leiten die Kontaktierung auf die Piezokeramik 14 oder deren Elektroden 40, 42. So kontaktiert eine der flexiblen, leitfähigen Folien 16 die Elektrode 40 der Piezokeramik 14 und den Frontkörper 60, wogegen die weitere flexible Folie 16 lediglich die Piezokeramik 14 kontaktiert. Diese beiden Kontakte können zu einer elektrischen Baugruppe 52 weitergeführt werden.
Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Dickenschwingers 58, der mit einer flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie 16 kontaktiert ist.
Im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erfolgt die
Kontaktierung in Figur 8 über eine einzige flexible, elektrisch leitfähige Folie 16, die die Mantelfläche des Frontkörpers 60 und des Rückkörpers 62 kontaktiert. Der Front- und Rückkörper 60, 62 sind dabei elektrisch leitfähig und leiten die Kontaktierung auf die Piezokeramik 14 oder deren Elektroden 40, 42.
Die Erfindung ist nicht auf die hierbei beschriebenen Beispiele oder die darin
hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereiches eine Vielzahl weiterer Variationen denkbar, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Piezokeramik (14), das folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen der Piezokeramik (14) mit Elektroden (40, 42) zum elektrischen
Kontaktieren der Piezokeramik (14) und einer flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie (16); b) Ausbilden eines Verbundes (46), indem die flexible, elektrisch leitfähige Folie (14)
zumindest teilweise auf eine Elektrode der Piezokeramik (14) aufgebracht wird; c) Ausbilden einer dauerhaften, elektrisch leitenden Verbindung zwischen der flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie (16) und der Elektrode (40, 42) der Piezokeramik (14).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausbilden des Verbundes (46) ein Leitkleber (38, 44) oder eine Lotpaste zwischen der flexiblen, elektrisch leitfähigen Folie (16) und der Elektrode (40, 42) der Piezokeramik (14) aufgetragen wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer Thermode (18) Wärme und/oder Druck in den Verbund (46) eingebracht wird, um die dauerhafte, elektrische Verbindung zwischen der Elektrode (40, 42) der Piezokeramik (14) und der flexiblen, elektrischen Folie (16) herzustellen.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermode (18) mindestens einen Thermodenkopf (20) mit mindestens einer beliebig geformten
Kontaktfläche (48) umfasst, die unterteilt sein kann und Wärme und/oder Druck in den Verbund (46) einbringt.
5. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der
Thermodenkopf (20) eine Heizung (24) zum Einbringen von Wärme in den Verbund (46) und eine Hinterfederung (26) zum Einbringen von Druck in Form von Anpressdruck umfasst.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermode (18) mehrere Thermodenkopfe (20) aufweist, die gemeinsam oder einzeln gesteuert werden.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible, elektrisch leitfähige Folie (16) nach Ausbilden der dauerhaften, elektrisch leitenden Verbindung mit einer elektrischen Baugruppe (52) verbunden wird.
8. Schallwandler (50, 58) mit einer Piezokeramik (14), die über eine flexible, elektrisch leitfähige Folie (16) mit einer elektrischen Baugruppe (52) verbunden ist.
9. Schallwandler (50, 58) gemäß Anspruch 8, der als Biegeschwinger (50) oder
Dickenschwinger (58) ausgestaltet ist.
10. Schallwandlerarray mit mehreren Schallwandlern (50, 58) gemäß Anspruch 8.
PCT/EP2014/060765 2013-06-20 2014-05-26 Verfahren zum elektrischen kontaktieren einer piezokeramik WO2014202336A1 (de)

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CN201480035413.1A CN105339098B (zh) 2013-06-20 2014-05-26 用于电接触压电陶瓷的方法
EP14728127.3A EP3010656A1 (de) 2013-06-20 2014-05-26 Verfahren zum elektrischen kontaktieren einer piezokeramik

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