WO2020187890A1 - Verfahren zum herstellen einer fluidsensorvorrichtung und fluidsensorvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer fluidsensorvorrichtung und fluidsensorvorrichtung Download PDF

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WO2020187890A1
WO2020187890A1 PCT/EP2020/057236 EP2020057236W WO2020187890A1 WO 2020187890 A1 WO2020187890 A1 WO 2020187890A1 EP 2020057236 W EP2020057236 W EP 2020057236W WO 2020187890 A1 WO2020187890 A1 WO 2020187890A1
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sound transducer
fluid
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wall
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Karl-Friedrich Pfeiffer
Henning Grotevent
Stephan Heinrich
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Vitesco Technologies GmbH
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    • G01N2291/10—Number of transducers
    • G01N2291/101—Number of transducers one transducer

Definitions

  • the present invention relates to a method of making a
  • Fluid sensor device and a fluid sensor device which is designed to determine the height of a surface of a fluid and / or the quality of the fluid in a fluid container.
  • an acoustic measuring device can be used to determine a height of a fluid surface and / or the fluid quality in a fluid container.
  • a sound transducer of the acoustic measuring device can work both as a sound generator and as a sound receiver.
  • sound pulses or sound signals can be emitted into the fluid to be measured by means of the sound transducer.
  • the sound pulses or sound signals can from the
  • the frequencies of the sound signals are preferably in the ultrasound range.
  • Such micromechanical sound transducers have a Membrane, which is designed to vibrate at least partially, so that at least edge areas of the respective transducer remain stationary.
  • the respective diaphragms of the individual transducers move accordingly, while structures between the diaphragms are stationary and consequently do not move.
  • the coupling layer for coupling the sound transducers to the partition wall must therefore absorb and transmit the movement of the individual membranes.
  • An object of the present invention is to provide a method for
  • This task is accomplished with a method for making a
  • Preferred embodiments are in
  • the present invention is essentially based on the idea of a sound transducer module having at least one sound transducer with an oscillating membrane on a wall of the fluid sensor device with a
  • Coupling layer to be attached in between such that the coupling layer the
  • the membrane of the at least one sound transducer of the sound transducer module is at least partially biased into a deflected position.
  • the individual membranes are essentially not planar, but are essentially at least partially deflected or concave. Due to the bias in an at least partially deflected position, the electrical energy for operating the sound transducer can be reduced, since the deflection path to achieve a so-called collapsed state of the membrane of the respective sound transducer can be at least partially shortened.
  • the collapsed state of the membrane occurs when the membrane of the sound transducer is at least partially in contact with the underlying surface, at least in the middle.
  • the collapsed State (“collapsed state”) is a preferred state for a CMUT converter to operate it in order to achieve a high sound power.
  • a method for producing a fluid sensor device which is designed to determine the height of a surface of a fluid and / or a quality of the fluid in a fluid container.
  • the method according to the invention comprises providing a sound transducer module which has at least one sound transducer which is designed to receive and transmit sound signals.
  • the at least one sound transducer has a membrane designed for at least partial oscillation.
  • the method according to the invention further comprises applying a coupling layer to the at least one sound transducer or on a wall of the fluid sensor device and attaching the sound transducer module to the wall of the fluid sensor device by pressing the sound transducer module against the wall with the coupling layer in between such that the coupling layer integrates the membrane into a at least partially biased position.
  • the coupling layer is preferably designed to pretension the membrane to such an extent that the sound transducer is already in the collapsed state without the application of electrical energy, such as, for example, an electrical voltage. that the pretensioning of the membrane corresponds approximately to 100% of its maximum deflection. Alternatively, it is preferred that the
  • Coupling layer is designed to pretension the membrane from its original planar shape by at least 80%, preferably by at least 50%, more preferably by at least 30% of the maximum deflection defined by the collapsed state.
  • the method according to the invention furthermore comprises arranging a frame on the sound transducer module or the wall before the coupling layer is applied to the sound transducer module or the wall.
  • the frame is designed to define a filling area into which the
  • Coupling layer can be filled in the liquid state.
  • a suitable class of materials for the coupling layer are, for example, silicone-based gels.
  • the method according to the invention also includes application of the coupling layer by filling it into the
  • the material of the coupling layer has thixotropic properties in the liquid state.
  • the frame is formed from an elastic material and designed to at least partially deform elastically when a force is applied. This is particularly necessary when the frame remains in the fluid sensor device after the at least partial solidification of the coupling layer and consequently when the
  • the frame preferably has a
  • Modulus of elasticity which is substantially less than or equal to the
  • the frame is also removed after the coupling layer has at least partially solidified. It is thus possible to provide a flexurally streaked, non-elastic frame which, by removing it before attaching the sound transducer module to the wall, cannot impair the prestressing of the membranes by means of the coupling layer.
  • the coupling layer is a permanently elastic, chemically resistant and / or temperature-resistant material, such as, for example
  • EPDM Ethylene-propylene-diene rubber
  • the sound transducer module is permanently pressed against the wall by means of a device designed for this purpose. Consequently, it is advantageous if the device has screws, for example, which are designed to press the sound transducer module permanently onto the wall.
  • the sound transducer module is preferably pressed permanently against the wall in such a way that the coupling layer arranged between them has a predetermined thickness. The pressing is thus preferably carried out in a path-controlled manner over the desired thickness of the coupling layer.
  • the at least one sound transducer is a so-called capacitive one
  • CMUT micromechanical ultrasonic transducer
  • Fluid sensor device for determining the height of a surface of a fluid and / or a quality of the fluid in a fluid container disclosed.
  • the fluid sensor device comprises a sound transducer module which has at least one sound transducer which is designed to receive and transmit sound signals.
  • the at least one sound transducer has a membrane designed to at least partially vibrate.
  • the fluid sensor device comprises at least one wall on which the sound transducer module is attached and a coupling layer arranged between the wall and the sound transducer module, which coupling layer is designed to be permeable to the sound signals emitted by the at least one sound transducer.
  • the sound transducer module is fastened to the wall by pressing it against it in such a way that the coupling layer biases the membrane into an at least partially deflected position.
  • the coupling layer is designed to preload the membrane from its original planar shape by at least 80%, preferably by at least 50%, even more preferably by at least 30% of the maximum deflection defined by the collapsed state.
  • the at least one sound transducer is preferably a so-called capacitive micromechanical ultrasonic transducer (CMUT).
  • the fluid sensor device according to the invention further comprises a frame which is at least partially arranged around the coupling layer.
  • the frame is formed from an elastic material and is at least partially elastically deformed in the fully assembled fluid sensor device.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a capacitive micromechanical
  • Fig. 2 is a schematic view of the CMUT of Fig. 1 in its
  • Fig. 3 shows a fluid sensor device according to the invention
  • CMUT capacitive micromechanical ultrasonic transducer
  • the CMUT 10 is a micromechanical structure that is used to generate and receive acoustic signals in the acoustic range, preferably the ultrasonic range can.
  • the basic structure of the CMUT 10 is a MEMS structure, which consists of two opposing electrodes 12, 14.
  • the electrode 14 is rigid, the other electrode 12 is arranged on a membrane 16 so as to be movable relative to the rigid electrode 14.
  • the membrane 16 and an intermediate space 18 are located between the two electrodes 12, 14.
  • the CMUT 10 can transmit as well as
  • the membrane 16 can be made to vibrate in that an electrical potential is built up between the electrodes 12, 14, so that the electrostatic force deflects the movable electrode 12 towards the rigid electrode 14. If this potential is changed periodically, a sound wave with the corresponding frequency can be generated. In the de-energized state, the membrane 16 with the electrode 12 would not be curved and would be parallel to the rigid electrode 14.
  • FIG. 2 shows the CMUT 10 in the so-called collapsed position (“collapsed state”). More precisely, the membrane 16 of the CMUT 10 is deflected to such an extent that the membrane 16 rests on the rigid electrode 14 below.
  • this collapsed state when electrical energy is applied to the electrodes 12, 14, only an annular region is excited to vibrate, as a result of which sound waves, preferably ultrasonic waves, can be generated.
  • the oscillation of the annular region is indicated by the arrows 11, 13 in FIG.
  • Fluid sensor device 100 which comprises a sound transducer module 110, which in the embodiment of FIG. 3 has only one sound transducer 10.
  • the sound transducer module 110 is attached to a wall 130 of the fluid sensor device 100 by means of a coupling layer 120. It goes without saying that that
  • Sound converter module 1 10 can consist of more than one sound converter 10. For example, it can be advantageous to have a plurality of sound transducers 10 in one Arrange matrix and fasten as a sound transducer module by means of the coupling layer 120 on the wall 130.
  • the sound transducer module 110 can also be used as a
  • Sound transducer array 110 are referred to.
  • the wall 130 can be, for example, a wall of an electronics housing of the fluid sensor device 100.
  • the wall 130 can also be a
  • the coupling layer 120 is designed for the at least one
  • Sound transducer 110 generated sound waves to be permeable and thus to couple the sound waves into the wall 130 and thus into the fluid.
  • the coupling layer 120 is preferably a permanently elastic, chemical one
  • EPDM Ethylene-propylene-diene rubber
  • the fluid sensor device 100 also includes an (optional) frame 140 which is arranged between the sound transducer module 110 and the wall 130 in such a way that it at least partially surrounds the coupling layer 120.
  • the frame 140 serves to define a filling area therebetween during the lowering position of the fluid sensor device 100, into which the coupling layer 120 can be filled in the liquid state.
  • the frame 140 is preferably formed from an elastic material that is preferably softer than the material of the coupling layer 120.
  • FIG. 4 shows an exemplary flow chart of a method according to the invention for lowering a fluid sensor device, such as the fluid sensor device 100 of FIG. 3.
  • the method of FIG. 4 starts at step 200 and then arrives at step 210, in which a sound transducer module 110 is provided , which has at least one sound transducer 10.
  • the sound transducer module 110 preferably consists of a plurality of sound transducers 10.
  • the frame 140 which defines a filling area, is arranged on the sound transducer module 110.
  • the frame 140 is preferably arranged in such a way that the filling area covers the at least one membrane 16 or the multiple membranes 16 of the multiple sound transducers 10.
  • the coupling layer 120 is on the
  • Sound transducer module 110 applied in that the coupling layer 120 is poured in a liquid state into the filling area defined by the frame 140. It is preferred here that the entire filling area defined by the frame 140 is filled with the coupling layer 120 or even slightly overfilled using the surface tension. That means that the
  • the filling level of the coupling layer 120 in the filling area is at least equal to the height of the frame 140 or is even slightly above it.
  • the coupling layer 120 is at least partially solidified on the sound transducer module 110.
  • This consolidation can be activated thermally or by UV light, for example.
  • the unit consisting of the sound transducer module 110, at least partially solidified coupling layer 120 and frame 140 is attached to the wall 130 of the fluid sensor device 100 by pressing the
  • Sound transducer module 110 is attached to the wall 130 with the coupling layer 120 in between such that, as shown in FIG. 3, the coupling layer 120 biases the membrane 16 into an at least partially deflected position.
  • the coupling layer 120 is designed to remove the diaphragm 16 from its original planar shape by at least 80%, preferably by at least 50%, even more preferably by at least 30% of the maximum deflection defined by the collapsed state ,
  • the attachment of the sound transducer module 110 to the wall 130 by pressing it can be done for example by a device that the can permanently apply predetermined force to the transducer module 110. It can thus be ensured that the coupling layer 120 permanently biases the membrane 16 or the plurality of membranes 16 into the respective at least partially deflected position.
  • the frame 140 is formed from an elastic material, preferably from an elastic material with a modulus of elasticity less than or equal to the modulus of elasticity of the coupling layer 120.
  • the coupling layer 120 biases the at least one membrane 16 of the at least one sound transducer 10 of the sound transducer module 110 into an at least partially deflected position, the deflection path of the membrane 16 can be reduced until the preferred collapsed position is reached, whereby the electrical energy to the Operating the individual sound transducers 10 can be at least partially reduced.
  • step 220 it can be advantageous that the frame 140 is not attached to the sound transducer module 110, but rather first to the wall 130 and then the coupling layer 120 is filled in the liquid state in the filling area formed there. After at least partially solidifying the
  • Coupling layer 120 on wall 130 can then be pressed against sound transducer module 110 so that coupling layer 120 then again biases at least one membrane 16 into an at least partially deflected position.
  • the frame 140 is removed again before the sound transducer module 110 is attached to the wall 130 with the coupling layer 120 arranged in between.
  • the coupling layer 120 is preferably formed from a material that has a low hardness and high elasticity, such as a silicone gel, which remains elastic over a wide temperature range and at the same time is chemically stable.
  • a material that has a low hardness and high elasticity such as a silicone gel
  • Another advantage can be that the sound transmission properties of the coupling layer 120 can be adjusted as desired by directly pressing the coupling layer by means of a predetermined force or to a predetermined thickness.
  • the coupling layer 120 is manufactured on the sound transducer 10 or on the wall 130, a direct optical control of the coupling layer quality is possible, for example by means of an optical check for enclosed air bubbles.
  • the main advantage of the at least partially deflected membrane 16 by pressing the sound transducer module 110 on the wall 130 with the coupling layer 120 in between is that the electrical energy, preferably electrical voltage, required to reach the collapsed state can be reduced, whereby a Use in cars, where often only low supply voltages are available, is facilitated.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Fluidsensorvorrichtung (100) und eine Fluidsensorvorrichtung (100), die dazu ausgebildet ist, die Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder eine Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Schallwandlermoduls (110), das zumindest einen Schallwandler (10) aufweist, der dazu ausgebildet ist, Schallsignale zu empfangen und auszusenden. Der zumindest eine Schallwandler (10) weist eine zum zumindest teilweise Schwingen ausgebildete Membran (16) auf. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner ein Aufbringen einer Koppelschicht (120) auf dem zumindest einen Schallwandler (110) oder auf einer Wand (130) der Fluidsensorvorrichtung (100) und ein Anbringen des Schallwandlermoduls (110) an der Wand (130) durch Andrücken des Schallwandlermoduls (110) an die Wand (130) mit der Koppelschicht (120) dazwischen derart, dass die Koppelschicht (120) die Membran (16) in eine zumindest teilweise ausgelenkte Stellung vorspannt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Herstellen einer Fluidsensorvorrichtung und Fluidsensorvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
Fluidsensorvorrichtung und eine Fluidsensorvorrichtung, die zum Ermitteln der Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder der Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter ausgebildet ist.
Zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberfläche und/oder der Fluidqualität in einem Fluidbehälter kann beispielsweise eine akustische Messvorrichtung eingesetzt werden. Ein Schallwandler der akustischen Messvorrichtung kann sowohl als Schallerzeuger als auch als Schallempfänger arbeiten. Für eine
Bestimmung der Höhe der Fluidoberfläche in dem Fluidbehälter können mittels des Schallwandlers Schallimpulse bzw. Schallsignale in das zu vermessende Fluid abgegeben werden. Die Schallimpulse bzw. Schallsignale können von der
Oberfläche bzw. einer Grenzfläche des Fluids zu einem weiteren Medium reflektiert werden. Aus der Laufzeit der Schallimpulse bzw. Schallsignale können
Rückschlüsse auf die Höhe der Fluidoberfläche in dem Fluidbehälter gezogen werden. Bevorzugt liegen die Frequenzen der Schallsignale im Bereich des Ultraschalls.
Im Stand der Technik ist es zudem bekannt, den bzw. die Schallwandler von dem zu vermessenden Medium durch eine Trennwand, wie beispielsweise eine
Sensorgehäusewand oder eine Wand des Fluidbehälters, zu trennen. Hierbei ist es jedoch dann notwendig, den oder die Schallwandler an der Trennwand derart akustisch anzukoppeln, dass die von dem oder den Schalwandlern ausgesendeten bzw. empfangenen Schallsignale beim Übergang vom Schallwandler ins Medium und zurück möglichst wenig gedämpft oder gestört werden. Hierzu ist es bekannt, beispielsweise eine Koppelschicht zwischen der Trennwand und dem oder den Schallwandlern anzubringen. Als Schallwandler können hierbei mikromechanische Schallwandler verwendet werden, die insbesondere als sogenannte CMUT oder PMUT ausgebildet sind. Solche mikromechanischen Schallwandler weisen eine Membran auf, die dazu ausgebildet ist, zumindest teilweise zu schwingen, so dass zumindest Randbereiche der jeweiligen Wandler stationär verbleiben. In einem Fall, bei dem mehrere Schallwandler verwendet werden, bewegen sich entsprechend die jeweiligen Membrane der einzelnen Schallwandler, während Strukturen zwischen den Membranen stationär sind und sich folglich nicht bewegen. Die Koppelschicht zum Ankoppeln der Schallwandler an der Trennwand muss also die Bewegung der einzelnen Membranen aufnehmen und weiterleiten.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum
Herstellen einer Fluidsensorvorrichtung und eine Fluidsensorvorrichtung
bereitzustellen, die im Hinblick auf den Betrieb und die Genauigkeit optimiert ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Herstellen einer
Fluidsensorvorrichtung gemäß Anspruch 1 und mit einer Fluidsensorvorrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zu Grunde, ein Schallwandlermodul, das zumindest einen Schallwandler mit einer schwingenden Membran aufweist, an einer Wand der Fluidsensorvorrichtung mit einer
Koppelschicht dazwischen derart anzubringen, dass die Koppelschicht die
Membran des zumindest einen Schallwandlers des Schallwandlermoduls zumindest teilweise in eine ausgelenkte Stellung vorspannt. Das heißt, dass in einem unbestromten Zustand der Schallwandler die einzelnen Membranen im Wesentlichen nicht planar, sondern im Wesentlichen zumindest teilweise ausgelenkt bzw. konkav sind. Aufgrund der Vorspannung in eine zumindest teilweise ausgelenkte Stellung kann die elektrische Energie zum Betreiben der Schallwandler reduziert werden, da der Auslenkweg zum Erreichen eines sogenannten kollabierten Zustands der Membran des jeweiligen Schallwandlers zumindest teilweise verkürzt werden kann. Der kollabierte Zustand der Membran liegt dann vor, wenn die Membran des Schallwandlers zumindest in der Mitte mit der darunter liegenden Oberfläche zumindest teilweise in Kontakt steht. Der kollabierte Zustand („collapsed state“) ist für einen CMUT-Wandler ein bevorzugter Zustand zum Betreiben desselben, um eine hohe Schallleistung zu erzielen.
Folglich ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Fluidsensorvorrichtung offenbart, die dazu ausgebildet ist, die Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder einer Qualität des Fluid in einem Fluidbehälter zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Schallwandlermoduls, das zumindest einen Schallwandler aufweist, der dazu ausgebildet ist, Schallsignale zu empfangen und auszusenden. Der zumindest ein Schallwandler weist eine zum zumindest teilweisen Schwingen ausgebildete Membran auf. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner ein Aufbringen einer Koppelschicht auf den zumindest ein Schallwandler oder auf einer Wand der Fluidsensorvorrichtung und ein Anbringen des Schallwandlermoduls an der Wand der Fluidsensorvorrichtung durch Andrücken des Schallwandlermoduls an die Wand mit der Koppelschicht dazwischen derart, dass die Koppelschicht die Membran in eine zumindest teilweise ausgelenkte Stellung vorspannt.
Vorzugsweise ist die Koppelschicht dazu ausgebildet, die Membran so weit vorzuspannen, dass sich der Schallwandler ohne Beaufschlagung mit elektrischer Energie, wie beispielsweise einer elektrischen Spannung, bereits im kollabierten Zustand befindet, d.h. dass die Vorspannung der Membran ungefähr 100 % ihrer maximalen Auslenkung entspricht. Alternativ ist es bevorzugt, dass die
Koppelschicht dazu ausgebildet ist, die Membran aus ihrer ursprünglichen ebenen Form um zumindest 80 %, vorzugsweise um zumindest 50 %, noch bevorzugter um zumindest 30 % der maximalen Auslenkung, die durch den kollabierten Zustand definiert ist, vorzuspannen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Anordnen eines Rahmens auf dem Schallwandlermodul oder der Wand vor dem Aufbringen der Koppelschicht auf dem Schallwandlermodul oder der Wand auf. Der Rahmen ist dazu ausgebildet, einen Füllbereich zu definieren, in den die
Koppelschicht in flüssigem Zustand einfüllbar ist. Eine geeignete Klasse von Materialen für die Koppelschicht sind beispielsweise Gele auf Silikonbasis. In einer derart bevorzugten Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zudem ein Aufbringen der Koppelschicht durch Einfüllen derselben in den
Füllbereich im flüssigen Zustand und anschließend ein zumindest teilweises Verfestigen der Koppelschicht auf dem zumindest einen Schallwandler oder der Wand. Dafür ist es von Vorteil, wenn das Material der Koppelschicht im flüssigen Zustand thixotrope Eigenschaften aufweist.
Dabei kann es bevorzugt sein, dass der Rahmen aus einem elastischen Material geformt und dazu ausgebildet ist, sich beim Aufbringen einer Kraft zumindest teilweise elastisch zu verformen. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn der Rahmen nach dem zumindest teilweisen Verfestigen der Koppelschicht in der Fluidsensorvorrichtung verbleibt und folglich beim Andrücken des
Schallwandlermoduls an der Wand die Vorspannung der Membranen durch die Koppelschicht nicht beeinträchtigen soll. Bevorzugt weist der Rahmen ein
Elastizitätsmodul auf, der im Wesentlichen kleiner oder gleich dem
Elastizitätsmodul der Koppelschicht ist.
In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner ein Entfernen des Rahmens nach dem zumindest teilweisen Verfestigen der Koppelschicht vorgesehen. Damit ist es möglich, einen biegestreifen, nicht elastischen Rahmen vorzusehen, der durch das Entfernen desselben vor dem Anbringen des Schallwandlermoduls an der Wand das Vorspannen der Membranen mittels der Koppelschicht nicht beeinträchtigen kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Koppelschicht ein dauerelastisches, chemisch beständiges und/oder temperaturbeständiges Material, wie beispielsweise
Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM).
An dieser Stelle sei festgehalten, dass das Schallwandlermodul an der Wand mittels einer dazu ausgebildeten Vorrichtung dauerhaft angedrückt wird. Folglich ist es von Vorteil, wenn die Vorrichtung beispielsweise Schrauben aufweist, die dazu ausgebildet sind, das Schallwandlermodul an der Wand dauerhaft anzudrücken. Vorzugsweise wird das Schallwandlermodul derart dauerhaft an der Wand angedrückt, dass die dazwischen angeordnete Koppelschicht eine vorbestimmte Dicke aufweist. Das Andrücken erfolgt somit bevorzugt weggesteuert über die gewünschte Dicke der Koppelschicht.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der zumindest ein Schallwandler ein sogenannter kapazitiver
mikromechanischer Ultraschallwandler (CMUT). Dabei ist es insbesondere bevorzugt, dass die Koppelschicht die Membran des zumindest einen CMUT derart in die ausgelenkte Stellung vorspannt, dass sich die Membran des zumindest einen CMUT in ihrem sogenannten kollabierten Zustand befindet. Dadurch kann die elektrische Energie zum Betreiben des Schallwandlers maximal reduziert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine
Fluidsensorvorrichtung zum Bestimmen der Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder einer Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter offenbart. Die
erfindungsgemäße Fluidsensorvorrichtung umfasst ein Schallwandlermodul, das zumindest einen Schallwandler aufweist, das dazu ausgebildet ist, Schallsignale zu empfangen und auszusenden. Dabei weist der zumindest eine Schallwandler eine zum zumindest teilweise Schwingen ausgebildete Membran auf. Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Fluidsensorvorrichtung zumindest eine Wand, an der das Schallwandlermodul angebracht ist, und eine zwischen der Wand und dem Schallwandlermodul angeordnete Koppelschicht, die dazu ausgebildet ist, für die von den zumindest ein Schallwandler ausgesendeten Schallsignale durchlässig zu sein. Dabei ist das Schallwandlermodul an der Wand durch Andrücken desselben derart befestigt, dass die Koppelschicht die Membran in eine zumindest teilweise ausgelenkte Stellung vorspannt. Dabei ist es bevorzugt, dass die Koppelschicht dazu ausgebildet ist, die Membran aus ihrer ursprünglichen ebenen Form um zumindest 80 %, vorzugsweise um zumindest 50 %, noch bevorzugter um zumindest 30 % der maximalen Auslenkung, die durch den kollabierten Zustand definiert ist, vorzuspannen. Vorzugsweise ist der zumindest ein Schallwandler ein sogenannter kapazitiver mikromechanischer Ultraschallwandler (CMUT).
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Fluidsensorvorrichtung ferner einen Rahmen, der zumindest teilweise um die Koppelschicht herum angeordnet ist. Der Rahmen ist dabei aus einem elastischen Material geformt und in der fertig montierten Fluidsensorvorrichtung zumindest teilweise elastisch verformt.
Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem
Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines kapazitiven mikromechanischen
Ultraschallwandlers (CMUT) zeigt,
Fig. 2 eine schematische Ansicht des CMUT der Fig. 1 in seinem
kollabierten Zustand zeigt,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Fluidsensorvorrichtung zeigt, und
Fig. 4 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Herstellen einer Fluidsensorvorrichtung zeigt.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Unter Verweis auf Fig. 1 und 2 ist ein beispielhafter Schallwandler in der Form eines kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlers 10 (CMUT = capacitive micromachined ultrasonic transducer) gezeigt, der in einer erfindungsgemäßen Fluidsensorvorrichtung 100 (siehe Fig. 3) verwendet werden kann. Der CMUT 10 ist eine mikromechanische Struktur, die zur Erzeugung und zum Empfang akustischer Signale im Schallbereich, vorzugsweise Ultraschallbereich, eingesetzt werden kann. Der CMUT 10 ist vom Grundaufbau her eine MEMS-Struktur, die aus zwei gegenüberliegenden Elektroden 12, 14 besteht. Dabei ist die Elektrode 14 starr, die andere Elektrode 12 relativ zur starren Elektrode 14 beweglich auf einer Membran 16 angeordnet. Zwischen den beiden Elektroden 12, 14 befinden sich die Membran 16 und ein Zwischenraum 18. Der CMUT 10 kann sowohl Senden als auch
Empfangen, indem durch Verschiebung der beweglichen Elektrode 12 relativ zur starren Elektrode 14 elektrische in akustische Energien umwandeln werden oder umgekehrt.
In der Fig. 1 ist dargestellt, dass die Membran 16 dadurch zum Schwingen gebracht werden kann, dass zwischen den Elektroden 12, 14 ein elektrisches Potenzial aufgebaut wird, so dass die elektrostatische Kraft die bewegliche Elektrode 12 zur starren Elektrode 14 hin ablenkt. Wenn dieses Potential periodisch verändert wird, kann dadurch eine Schallwelle mit der entsprechenden Frequenz erzeugt werden. Im spannungslosen Zustand wäre die Membran 16 mit der Elektrode 12 nicht gekrümmt und parallel zur starren Elektrode 14.
Die Fig. 2 zeigt den CMUT 10 in der sogenannten kollabierten Stellung („collapsed state“). Genauer gesagt ist die Membran 16 des CMUT 10 so weit ausgelenkt, dass die Membran 16 auf der darunterliegenden starren Elektrode 14 aufliegt. In diesem kollabierten Zustand wird bei elektrischer Energieaufbringung auf die Elektroden 12, 14 lediglich ein ringförmiger Bereich zum Schwingen angeregt, wodurch Schallwellen, vorzugsweise Ultraschallwellen, erzeugt werden können. Das Schwingen des ringförmigen Bereichs ist mittels der Pfeile 1 1 , 13 in der Fig. 2 angedeutet.
Unter weiterem Verweis auf die Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße
Fluidsensorvorrichtung 100 gezeigt, die ein Schallwandlermodul 1 10, das in der Ausgestaltung der Fig. 3 lediglich einen Schallwandler 10 aufweist, umfasst. Das Schallwandlermodul 1 10 ist mittels einer Koppelschicht 120 an einer Wand 130 der Fluidsensorvorrichtung 100 angebracht. Es ist selbstredend, dass das
Schallwandlermodul 1 10 aus mehr als einem Schallwandler 10 bestehen kann. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, eine Vielzahl von Schallwandlern 10 in einer Matrix anzuordnen und als Schallwandlermodul mittels der Koppelschicht 120 an der Wand 130 zu befestigen. Das Schallwandlermodul 110 kann auch als
Schallwandler-Array 110 bezeichnet werden.
Die Wand 130 kann beispielsweise eine Wandung eines Elektronikgehäuses der Fluidsensorvorrichtung 100 sein. Alternativ kann die Wand 130 auch ein
Wandbereich eines Fluidbehälters sein, in dem sich das Fluid befindet, dessen Füllstand und/oder dessen Qualität mittels der Fluidsensorvorrichtung 100 bestimmt werden soll.
Die Koppelschicht 120 ist dazu ausgebildet, für die von dem zumindest ein
Schallwandler 110 erzeugten Schallwellen durchlässig zu sein und somit die Schallwellen in die Wand 130 und somit in das Fluid ein- und auszukoppeln.
Vorzugsweise ist die Koppelschicht 120 ein dauerelastisches, chemisch
beständiges und/oder temperaturbeständiges Material, wie beispielsweise
Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), oder auch ein auf Silikon basierendes Vergussmaterial.
Die Fluidsensorvorrichtung 100 umfasst zudem einen (optionalen) Rahmen 140, der zwischen dem Schallwandlermodul 110 und der Wand 130 derart angeordnet ist, dass diese die Koppelschicht 120 zumindest teilweise umgibt. Insbesondere dient der Rahmen 140 dazu, während der Fierstellung der Fluidsensorvorrichtung 100 einen Füllbereich dazwischen zu definieren, in den die Koppelschicht 120 im flüssigen Zustand eingefüllt werden kann. Vorzugsweise ist der Rahmen 140 aus einem elastischen Material gebildet, das vorzugsweise weicher ist als das Material der Koppelschicht 120.
Die Fig. 4 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fierstellen einer Fluidsensorvorrichtung, wie beispielsweise der Fluidsensorvorrichtung 100 der Fig. 3. Das Verfahren der Fig. 4 startet beim Schritt 200 und gelangt dann zum Schritt 210, bei dem ein Schallwandlermodul 110 bereitgestellt wird, das zumindest einen Schallwandler 10 aufweist. Wie bereits oben erwähnt besteht das Schallwandlermodul 1 10 vorzugsweise aus einer Vielzahl von Schallwandlern 10.
In einem darauffolgenden Schritt 220 wird auf dem Schallwandlermodul 1 10 der Rahmen 140 angeordnet, der einen Füllbereich definiert. Der Rahmen 140 ist vorzugsweise derart angeordnet, dass der Füllbereich die zumindest eine Membran 16 bzw. die mehreren Membranen 16 der mehreren Schallwandler 10 bedeckt.
In einem darauffolgenden Schritt 230 wird die Koppelschicht 120 auf dem
Schallwandlermodul 1 10 dadurch aufgebracht, dass die Koppelschicht 120 in einem flüssigen Zustand in den vom Rahmen 140 definierten Füllbereich eingegossen wird. Dabei ist es bevorzugt, dass der gesamte, vom Rahmen 140 definierte Füllbereich mit der Koppelschicht 120 ausgefüllt oder unter Ausnutzung der Oberflächenspannung sogar leicht überfüllt wird. Das heißt dass die
Füllstandshöhe der Koppelschicht 120 im Füllbereich zumindest gleich der Flöhe des Rahmens 140 ist oder sogar leicht darüber liegt.
In einem darauffolgenden Schritt 240 wird die Koppelschicht 120 zumindest teilweise auf dem Schallwandlermodul 1 10 verfestigt. Diese Verfestigung kann beispielsweise thermisch oder durch UV-Licht aktiviert werden.
In einem weiteren Schritt 250 wird die Einheit bestehend aus Schallwandlermodul 1 10, zumindest teilweise verfestigter Koppelschicht 120 und Rahmen 140 an der Wand 130 der Fluidsensorvorrichtung 100 durch Andrücken des
Schallwandlermoduls 1 10 an die Wand 130 mit der Koppelschicht 120 dazwischen derart angebracht, dass, wie in der Fig. 3 gezeigt, die Koppelschicht 120 die Membran 16 in eine zumindest teilweise ausgelenkte Stellung vorspannt.
Insbesondere ist es dabei bevorzugt, dass die Koppelschicht 120 dazu ausgebildet ist, die Membran 16 aus ihrer ursprünglichen ebenen Form um zumindest 80 %, vorzugsweise um zumindest 50 %, noch bevorzugter um zumindest 30 % der maximalen Auslenkung, die durch den kollabierten Zustand definiert ist,
vorzuspannen. Das Anbringen des Schallwandlermoduls 1 10 an der Wand 130 durch Andrücken kann beispielsweise durch eine Vorrichtung erfolgen, die die vorbestimmte Kraft dauerhaft auf das Schallwandlermodul 1 10 aufbringen kann. Somit kann sichergestellt werden, dass die Koppelschicht 120 die Membran 16 oder die mehreren Membranen 16 dauerhaft in die jeweilige zumindest teilweise ausgelenkte Stellung vorspannt. Um dies zu bewerkstelligen ist es von Vorteil, wenn der Rahmen 140 aus einem elastischen Material gebildet ist, vorzugsweise aus einem elastischen Material mit einem Elastizitätsmodul kleiner oder gleich dem Elastizitätsmodul der Koppelschicht 120.
Dadurch, dass die Koppelschicht 120 die zumindest eine Membran 16 des zumindest einen Schallwandlers 10 des Schallwandlermoduls 1 10 in eine zumindest teilweise ausgelenkte Stellung vorspannt, kann der Auslenkungsweg der Membran 16 bis zum Erreichen der bevorzugten kollabierten Stellung reduziert werden, wodurch auch die elektrische Energie zum Betreiben der einzelnen Schallwandler 10 zumindest teilweise reduziert werden kann.
Alternativ zum Schritt 220 kann es vorteilhaft sein, dass der Rahmen 140 nicht auf dem Schallwandlermodul 1 10, sondern zunächst an der Wand 130 angebracht wird und dann die Koppelschicht 120 in den dort gebildeten Füllbereich in flüssigem Zustand eingefüllt wird. Nach dem zumindest teilweisen Verfestigen der
Koppelschicht 120 an der Wand 130 kann dann das Schallwandlermodul 1 10 angedrückt werden, sodass auch dann wieder die Koppelschicht 120 die zumindest eine Membran 16 in eine zumindest teilweise ausgelenkte Stellung vorspannt.
Ferner kann es bevorzugt sein, dass nach dem zumindest teilweisen Verfestigen der Koppelschicht 120 am Schallwandlermodul 1 10 oder an der Wand 130 der Rahmen 140 wieder entfernt wird, bevor das Schallwandlermodul 1 10 an der Wand 130 mit der dazwischen angeordneten Koppelschicht 120 angebracht wird.
Die Verwendung eines thixotropen Materials ist für den Fertigungsprozess der Koppelschicht 120 vorteilhaft. Ebenso ist die Koppelschicht 120 bevorzugt aus einem Material gebildet, das eine geringe Flärte und eine hohe Elastizität aufweist, wie beispielsweise ein Silikongel, welches über einen weiten Temperaturbereich elastisch bleibt und gleichzeitig chemisch stabil ist. Ein weiterer Vorteil kann darin bestehen, dass durch das direkte Verpressen der Koppelschicht mittels einer vorbestimmten Kraft oder auf eine vorbestimmte Dicke die Schallübertragungseigenschaften der Koppelschicht 120 wie gewünscht eingestellt werden können.
Zudem ist bei einer Fertigung der Koppelschicht 120 auf dem Schallwandler 10 oder auf der Wand 130 eine direkte optische Kontrolle der Koppelschichtqualität möglich, beispielsweise durch eine optische Kontrolle auf eingeschlossene Luftblasen.
Wie bereits erwähnt besteht der Hauptvorteil der zumindest teilweise ausgelenkten Membran 16 mittels der Verpressung des Schallwandlermoduls 110 an der Wand 130 mit der Koppelschicht 120 dazwischen darin, dass die zum Erreichen des kollabierten Zustands notwendige elektrische Energie, vorzugsweise elektrische Spannung, reduziert werden kann, wodurch eine Anwendung im Pkw, bei dem häufig nur geringe Versorgungsspannungen vorhanden sind, erleichtert wird.
Zudem sind bei integrierten Schaltkreisen, wie zum Beispiel einem ASIC, zur Ansteuerung der Wandler, je nach verwendeter Technologie den verwendeten Spannungen und Strömen zum Teil enge Grenzen gesetzt, die nur teilweise durch zusätzliche elektrische Bauteile umgangen werden können, so dass auch unter diesem Gesichtspunkt eine Reduzierung der für den kollabierten Zustand notwendige Spannung von Vorteil wäre.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Herstellen einer Fluidsensorvorrichtung (100), die dazu ausgebildet ist, die Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder eine Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter zu bestimmen, wobei das Verfahren aufweist:
Bereitstellen eines Schallwandlermoduls (1 10), das zumindest einen Schallwandler (10) aufweist, der dazu ausgebildet ist, Schallsignale zu empfangen und auszusenden, wobei der zumindest eine Schallwandler (10) eine zum zumindest teilweise Schwingen ausgebildete Membran (16) aufweist,
Aufbringen einer Koppelschicht (120) auf dem zumindest einen Schallwandler (1 10) oder auf einer Wand (130) der Fluidsensorvorrichtung (100), und
Anbringen des Schallwandlermoduls (1 10) an der Wand (130) durch Andrücken des Schallwandlermoduls (1 10) an die Wand (130) mit der Koppelschicht (120) dazwischen derart, dass die Koppelschicht (120) die Membran (16) in eine zumindest teilweise ausgelenkte Stellung vorspannt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , ferner mit:
Anordnen eines Rahmens (140) auf dem Schallwandlermodul (1 10) oder der Wand (130) vor dem Aufbringen der Koppelschicht (120), wobei der Rahmen (140) dazu ausgebildet ist, einen Füllbereich zu definieren, in den die Koppelschicht (120) im flüssigen Zustand einfüllbar ist,
Aufbringen der Koppelschicht (120) durch Einfüllen derselben in den Füllbereich im flüssigen Zustand, und
zumindest teilweises Verfestigen der Koppelschicht (120).
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Rahmen (140) aus einem elastischen Material geformt und dazu ausgebildet ist, sich beim Anbringen des Schallwandlermoduls (1 10) an der Wand (130) zumindest teilweise elastisch zu verformen.
4. Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit: Entfernen des Rahmens (140) nach dem zumindest teilweisen Verfestigen der Koppelschicht (120).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Koppelschicht (120) ein dauerelastisches, chemisch beständiges und/oder temperaturbeständiges Material, wie beispielsweise
Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder ein auf Silikon basierendes Vergussmaterial, ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Schallwandler ein kapazitiver mikromechanischer
Ultraschallwandler (10) ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Koppelschicht (120) dazu ausgebildet ist, die Membran (16) aus ihrer
ursprünglichen ebenen Form um zumindest 80 %, vorzugsweise um zumindest
50 %, noch bevorzugter um zumindest 30 % der maximalen Auslenkung, die durch den kollabierten Zustand definiert ist, vorzuspannen.
8. Fluidsensorvorrichtung (100) zum Bestimmen der Flöhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder einer Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter, wobei die Fluidsensorvorrichtung (100) aufweist:
ein Schallwandlermodul (110), das zumindest einen Schallwandler (10) aufweist, der dazu ausgebildet ist, Schallsignale zu empfangen und
auszusenden, wobei der zumindest eine Schallwandler (10) eine zum zumindest teilweise Schwingen ausgebildete Membran (16) aufweist,
zumindest eine Wand (130), an der das Schallwandlermodul (110) angebracht ist, und
eine zwischen der Wand (130) und dem Schallwandlermodul (110) angeordnete Koppelschicht (110), die dazu ausgebildet ist, für die von dem zumindest einen Schallwandler (10) ausgesendeten Schallsignale durchlässig zu sein, wobei das Schallwandlermodul (110) an der Wand (130) durch
Andrücken desselben derart daran befestigt ist, dass die Koppelschicht (120) die Membran (16) in eine zumindest teilweise ausgelenkte Stellung vorspannt.
9. Fluidsensorvorrichtung (110) nach Anspruch 8, wobei der zumindest eine Schallwandler ein kapazitiver mikromechanischer
Ultraschallwandler (10) ist.
10. Fluidsensorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 8 und 9, ferner mit:
einem Rahmen (140), der zumindest teilweise um die
Koppelschicht (120) herum angeordnet ist,
wobei der Rahmen (140) aus einem elastischen Material geformt und im montierten Zustand zumindest teilweise elastisch verformt ist.
11. Fluidsensorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Koppelschicht (120) dazu ausgebildet ist, die Membran (16) aus ihrer ursprünglichen ebenen Form um zumindest 80 %, vorzugsweise um zumindest
50 %, noch bevorzugter um zumindest 30 % der maximalen Auslenkung, die durch den kollabierten Zustand definiert ist, vorzuspannen.
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