Verbund-Ultraschall-Sonarwandler

Abstract

 Ein Verbund-Ultraschall-Sonar, der als /2-Dickenschwinger ar­beitet, mit einem piezoelektrischen Schwingerkörper, bei dem vorgesehen ist, daß auf die einer Montagefläche zugewandte Oberfläche des Schwingerkörpers (K) der Dicke D_K eine An­passungsschicht (A) der Dicke D_A aus einem Material aufgebracht ist, das im Verhältnis zu dem piezokeramischen Material des Schwingkörpers (K) ein niedriges Produkt von Dichte und Elastizität-Modul E hat, und daß die Dicke D_A der Anpassungs­schicht (A) derart an die Dicke D_K des Schwingkörpers (K) an­gepaßt ist, daß eine nahezu vollständige Reflexion des Ultra­schall-Anteils, der in Richtung der Montageoberfläche ausge­sendet wird, an der Montageoberfläche erfolgt.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbund-Ultraschall-Sonar

[0002] Eine Oberflächenmontage eines Ultraschall (US)-Sonars führt wegen der notwendigen Befestigung des Sonars zur Schwingungsdämpfung und zur Schalleinkopplung in die Befestigung damit zu reduzierten Schallamplituden. Außerdem bereitet die elektrische Kontaktierung Schwierigkeiten.

[0003] Bisher bekannt gewordene Ultraschall-Sonare werden als einzelne Bauelemente mit einer abgestimmten Halterung im Schwingungs­knoten des Resonators gebaut.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Ultraschall-Sonar zu schaffen, der bei einfachem und damit kostengünstigem Aufbau eine wesentliche Reduzierung der erzeug­ten US-Schwingungen vermeidet und eine einfache und zuver­lässige elektrische Kontaktierung der verwendeten piezoelek­trischen Keramikscheibe erlaubt.

[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verbund-US-Sonar der eingangs genannten Art und gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen, der durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale charakterisiert ist.

[0006] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

[0007] Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren im einzelnen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungs­gemäßen US-Sonars (Fig. 1a), ein schematisches Diagramm des Kräfteverlaufs an den Querschnittsflächen (Fig. 1b) und ein schematisches Diagramm der Auslenkung des als Dickenresonator arbeitenden US-Sonars (Fig. 1c).

Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht des US-Sonars, aus der die Anordnung einer elektrischen Kontaktierung hervor­geht.

Fig. 3 zeigt schematische Schnittansichten verschiedener praktischer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen US-Sonars.

[0008] Eine geeignete Anpassungsschicht aus einem Material mit einem in Verhältnis zur Keramik niedrigen Produkt der Dichte ρ und des Elastizität-Moduls E, wie z. B. Polyethylen auf der piezo­elektrischen Keramik vervollständigt den Schallwandler zu einem Dickenresonator mit einer Wellenlänge von (2n + 1) λ/4, wobei n≧1 und ganzzahlig ist. Hierdurch befindet sich ein Schwingungsknoten in der Oberfläche, die auf der Platine bzw. dem Substrat mit der elektronischen Ansteuer- und Auswerteschaltung, befestigt wird. (Fig. 1). Die Anpassungsschicht muß in ihrer Dicke D_A so an die Keramik angepaßt sein, daß eine nahezu voll­ständige Reflexion des Ultraschall-Anteils, der in Richtung der Montageoberfläche ausgesendet wird, an der Montageoberfläche er­folgt.

[0009] Diese Bauform bewirkt,

1. daß der Verbund-Ultraschall-Sonar planar in einem Schwingungs­knoten gehalten werden kann, ohne daß der Wandler-Wirkungs­grad durch die Schalleinkopplung in die Halterung wesentlich gesenkt wird,

2. daß die Schallamplitude im Vergleich zu einem frei hängenden λ/2-Sonar nicht reduziert wird,

3. daß die Fertigungsschritte kompatibel zum Stand der Technik in der Dickschichtfertigung sind,

4. daß der Verbund-Ultraschall-Sonar als Surface-Mount (SMD) Hybrid-Element hergestellt werden kann,

5. daß sie für Gas- und Flüssigkeits-Schallwandler hoher Fre­quenz > 1mHz gleichermaßen geeignet ist und

6. daß aufgrund der an der Grenzfläche erfolgenden Totalreflexion des Schalls der Wirkungsgrad des Wandler etwa um den Faktor 2 gesteigert wird.

[0010] Die Anpassungsschicht auf der Keramik erlaubt zudem die Lösung des Problems der elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Keramik (Fig. 2).

[0011] Durchkontaktierungen durch die Anpassungsschicht und Metallisie­rungsschichten auf dieser erlauben eine einfache elektrische Kontaktierung bei der Oberflächenmontage.

[0012] Die Anpassungsschicht kann z. B. durch Siebdrucktechnik aus siebdruckfähigem Kunststoff oder Techniken des Kunststoffvergus­ses oder Techniken der Folienverarbeitung hergestellt werden. Der Kunststoff kann z. B. Polyethylen, Epoxidharz, Polyimid oder Kapton sein. Die Montageoberfläche kann vorteilhafterweise die Oberfläche eines in Dickschicht- oder Dünnfilmtechnik herge­stellten Substrats sein.

[0013] Für den Fall, daß das Substrat ein Halbleiter-Substrat ist, kann dieses in der sog. SMD-Technik bestückt werden.

[0014] Der Schwingerkörper kann eine im wesentlichen runde oder recht­eckige Umfangslinie aufweisen.

Ansprüche

1. Verbund-Ultraschall-Sonar, der als λ/2-Dickenschwinger ar­beitet, mit einem piezoelektrischen Schwingerkörper,
dadurch gekennzeichnet, daß auf die einer Montagefläche zugewandten Oberfläche des Schwingerkörpers (K) der Dicke D_K eine Anpassungsschicht (A) der Dicke D_A aus einem Material aufgebracht ist, das im Verhältnis zu dem piezo­keramischen Material des Schwingerkörpers (K) ein niedriges Produkt von Dichte ρ und Elastizitäts-Modul E hat, und daß die Dicke D_A der Anpassungsschicht (A) derart an die Dicke D_K des Schwingerkörpers (K) angepaßt ist, daß eine nahezu vollständige Reflexion des Ultraschall-Anteils, der in Richtung der Montage­fläche ausgesendet wird, an der Montageoberfläche erfolgt.

2. Verbund-Ultraschall-Sonar nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund­körper aus piezoelektrischem Material und Anpassungsschicht-­Material einen Dickenresonator mit einer Wellenlänge von (2n+1) λ/4 bildet, wobei n≧1 und ganzzahlig ist und wobei sich im Schwingungszustand des Sonars ein Schwingungsknoten in der Oberfläche ergibt, die auf der Montagefläche liegt.

3. Verbund-Ultraschall-Sonar nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Anpassungsschicht (A) ein Kunststoff mit einer im Verhältnis zum Trägerkörper und dem piezokeramischen Material niedrigen akustischen Impedanz, vorzugsweise Polyethylen, Epoxidharz, Polyimid oder Kapton ist.

4. Verbund-Ultraschall-Sonar nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Montage­fläche die Oberfläche einer Platine ist.

5. Verbund-Ultraschall-Sonar nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Montage­ fläche die Oberfläche eines in Dickschicht- oder Dünnfilmtechnik hergestellten Substrats ist.

6. Verbund-Ultraschall-Sonar nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Montage­fläche die Oberfläche eines Halbleitersubstrats (S) ist.

7. Verbund-Ultraschall-Sonar nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleitersubstrat (S) elektronische Ansteuer- und Auswerte­schaltungen für den Sonar ausgebildet sind.

8. Verbund-Ultraschall-Sonar nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,daß das Substrat in der sog. SMD-Technik bestückt wird.

9. Verbund-Ultraschall-Sonar nach einen der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anpas­sungsschicht (A) Durchkontaktierungen zur Verbindung von als Kontaktflächen dienenden Metallisierungen betreffender Flächen des Schwingungskörpers (K) mit entsprechenden Metallisierungen auf der Montageoberfläche enthält.

10. Verbund-Ultraschall-Sonar nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Montage des Verbund-Ultraschall-Sonars auf der Montageoberfläche mittels einer bekannten Löttechnik durchgeführt wird.

11. Verbund-Ultraschall-Sonar nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die An­passungsschicht in Siebdrucktechnik aus einem siebdruckfähigen Kunststoff hergestellt ist.

12. Verbund-Ultraschall-Sonar nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der piezo­elektrische Schwingerkörper eine im wesentlichen runde Umfangs­linie aufweist.

13. Verbund-Ultraschall-Sonar nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der piezo­elektrische Schwingerkörper eine im wesentlichen rechteckige Umfangslinie aufweist.

14. Verbund-Ultraschall-Sonar nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß mittels der für die Anpassungsschicht zwischen Keramik und Substrat benutzten Herstellungstechniken auch eine Anpassungsschicht zwischen der Keramik und einem schallempfangenden Medium hergestellt wird (Fig. 3).

Zeichnung