Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors mit einer Membran zur Erzeugung von Ultraschallsignalen, wobei die Membran einen Membranboden (4) aufweist, auf den eine Oberflächenbeschichtung aufgetragen wird, die eine Chromschicht (20) umfasst, wobei zwischen dem Membranboden (4) und der Chromschicht (20) eine Nickelschicht (18) angeordnet wird und wobei die Dicke (22, 24, 26) des Membranbodens (4) und/oder wenigstens einer Schicht (18, 20) der Oberflächenbeschichtung so beeinflusst wird, dass eine vorgegebene Eigenfrequenz des Verbundes aus Membranboden (4), Nickelschicht (18) und Chromschicht (20) eingestellt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors mit einer Membran zur Erzeugung von Ultraschallsignalen, wobei die Membran einen Membranboden aufweist, auf den eine Oberflächenbeschichtung aufgetragen wird, die eine Chromschicht umfasst.

[0002] Bekannte Ultraschallsensoren weisen eine Membran auf, die üblicherweise topfförmig ausgebildet ist und einen Membranboden aufweist, der über einen Piezo-Wandler in Schwingung versetzt wird, so dass der Membranboden Ultraschallsignale aussenden und empfangen kann. Die Oberflächenbeschichtung dient einerseits zum Schutz des Membranbodens und hat andererseits den Zweck, den Ultraschallsensor optisch möglichst unauffällig in eine Einbauumgebung am Kraftfahrzeug integrieren zu können.

[0003] Ein Ultraschallsensor sollte einen möglichst hohen Wirkungsgrad haben, um gute Reichweiten erzielen zu können. Ferner ist eine gute Haltbarkeit der Chromschicht erwünscht, die auch nach langem Gebrauch in teilweise aggressiver Umgebung optisch gefällig ist.

[0004] Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors vorzuschlagen, mit dem ein Ultraschallsensor geschaffen werden kann, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist und der dauerhaft hohen optischen Ansprüchen genügt.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen dem Membranboden und der Chromschicht eine Nickelschicht angeordnet wird und dass die Dicke des Membranbodens und/oder wenigstens einer Schicht der Oberflächenbeschichtung so beeinflusst wird, dass eine vorgegebene Eigenfrequenz des Verbundes aus Membranboden, Nickelschicht und Chromschicht eingestellt wird.

[0006] Es hat sich herausgestellt, dass mit einer zwischen dem Membranboden und der Chromschicht angeordneten Nickelschicht ein Verbund geschaffen werden kann, dessen Chromschicht sehr dauerhaltbar ist. Dies liegt daran, dass die harte und spröde Chromschicht auf die weichere und duktile Nickelschicht aufgetragen wird.

[0007] Im Rahmen der Erfindung konnte festgestellt werden, dass vergleichsweise geringe Änderungen der Dicken des Membranbodens und/oder von wenigstens einer Schicht der Oberflächenbeschichtung große Einflüsse auf die Eigenfrequenz des Verbundes aus Membranboden, Nickelschicht und Chromschicht haben. Die Eigenfrequenz des Membranbodens ist diejenige Frequenz, die bei einer Anregung durch den Piezo-Wandler zur höchsten Amplitude des Verbundes führt, um entsprechend starke Ultraschallsignale zu erzeugen.

[0008] Um eine beispielsweise durch den Piezo-Wandler vorgegebene Eigenfrequenz einstellen zu können, genügt es, die Dicke des Membranbodens und/oder wenigstens einer Schicht der Oberflächenbeschichtung geringfügig zu ändern oder gleich so herzustellen, dass sich die vorgegebene Eigenfrequenz einstellt.

[0009] Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die Dicke der Nickelschicht angepasst. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer vergleichsweise dünnen Oberflächenbeschichtung die Dicke der Nickelschicht die sich einstellende Eigenfrequenz des Verbundes aus Membranboden, Nickelschicht und Chromschicht um bis zu 10 % beeinflussen kann. Da die Nickelschicht im Vergleich zur Chromschicht vergleichsweise duktil und weich ist, eignet sich diese besonders gut zur Einstellung der Eigenfrequenz.

[0010] Alternativ oder zusätzlich kann die Eigenfrequenz des Verbundes eingestellt werden, indem von dem mit der Oberflächenbeschichtung versehenen Membranboden auf der der Oberflächenbeschichtung abgewandten Seite Material abgetragen wird. Bereits der Abtrag von vergleichsweise wenig Material hat einen hohen Einfluss auf die Eigenfrequenz des Verbundes aus Membranboden, Nickelschicht und Chromschicht. Somit ist es möglich, die einzelnen Schichten der Oberflächenbeschichtung mit groben Toleranzen behaftet aufzutragen, die sich einstellende Eigenfrequenz zu messen und danach durch Abtrag von Material aus dem Membranboden die Eigenfrequenz zu beeinflussen. Durch den Abtrag des Materials wird die Eigenfrequenz reduziert.

[0011] Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Nickelschicht mehrlagig. Dies ermöglicht es, die Oberflächenqualität des Ultraschallsensors weiter zu verbessern. So kann beispielsweise auf den Membranboden eine erste Lage der Nickelschicht galvanisch unter Verwendung eine Sulfamat-Elektrolyts aufgetragen werden. Der Vorteil hierbei ist, dass mit vergleichsweise hohen Stromdichten gearbeitet werden kann, so dass in relativ kurzer Zeit eine vergleichsweise dicke erste Lage der Nickelschicht aufgetragen werden kann.

[0012] Um die optischen Eigenschaften des Ultraschallsensors weiter zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass eine zweite Lage der Nickelschicht galvanisch unter Verwendung eines Glanznickel-Elektrolyts aufgetragen wird. Mit einer solchen zweiten Lage können kleinere Unebenheiten der ersten Lage der Nickelschicht ausgeglichen werden, so dass die Oberfläche insgesamt eingeebnet ist. Entsprechende Elektrolyte sind beispielsweise in "Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie", Band 12, Ausgabe 1976, Seite 182 f. beschrieben. Mit diesen Elektrolyten können sehr glatte und vergleichsweise harte Oberflächenschichten geschaffen werden, die auch guten Korrosionsschutz bieten. Eine solche Oberflächenschicht ist als Trägerlage für eine hierauf aufsetzende Chromschicht gut geeignet. Diese Chromschicht kann auf einer solchen Trägerlage sehr dünn ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass das spröde Chrommaterial bei einem Schwingen des Membranbodens und den damit verbundenen Verformungen weniger mechanischen Belastungen ausgesetzt wird als bei Verwendung einer vergleichsweise dicken Chromschicht. Bei einer solchen dicken Chromschicht entstehen bei Verformung des Membranbodens höhere Eigenspannungen, die eine Rissbildung innerhalb der Chromschicht bewirken können.

[0013] Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist die Nickelschicht eine Dicke von 40 µm bis 100 µm auf. Dicken innerhalb dieses Intervalls bieten einen guten Kompromiss aus schnellem und einfachem Materialauftrag, Dauerhaltbarkeit und der Möglichkeit, die Eigenfrequenz des Verbundes aus Membranboden, Nickelschicht und Chromschicht zu beeinflussen.

[0014] Nach einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Dicke der ersten Lage der Nickelschicht zwischen 50 % und 90 % der Dicke der Nickelschicht. In entsprechender Weise kann die Dicke der zweiten Lage der Nickelschicht zwischen 10 % und 50 % der Nickelschicht betragen. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der ersten Lage der Nickelschicht 70 % und die Dicke der zweiten Lage der Nickelschicht 30 %.

[0015] Die Chromschicht kann galvanisch aufgetragen werden. Die Dicke der Chromschicht kann dabei weniger als 10 µm, vorzugsweise weniger als 3 µm, weiter vorzugsweise in etwa 1 µm betragen.

[0016] Die Erfindung betrifft auch einen Ultraschallsensor, der nach einem der beschriebenen Verfahren hergestellt ist.

[0017] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in der Zeichnung gezeigten sowie in den Ansprüchen sowie in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1

eine geschnittene Seitenansicht einer Membran eines Ultraschallsensors;

Figur 2

eine vergrößerte Ansicht des Schichtaufbaus des Membranbodens der in Figur 1 dargestellten Membran; und

Figur 3

eine perspektivische Ansicht eines Ultraschallsensors mit einer Membran gemäß Figuren 1 und 2.

[0018] In Figur 1 ist eine Membran insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. Diese ist im Wesentlichen topfförmig ausgebildet und weist einen kreisscheibenförmigen Membranboden 4 auf, an den sich seitlich ein ringförmiger Mantel 6 anschließt. Der Mantel 6 begrenzt auf seiner Innenseite einen zylindrischen Hohlraum 8, der auch von der Unterseite 10 des Membranbodens 4 begrenzt ist.

[0019] In dem Hohlraum 8 kann ein Piezo-Wandler angeordnet werden, der in Anlage mit der Unterseite 10 des Membranbodens 4 steht. Der Piezo-Wandler kann somit bei entsprechender elektrischer Ansteuerung den Membranboden 4 in Schwingung versetzen.

[0020] Der Membranboden 4 weist auf der der Unterseite 10 abgewandten Seite eine Sichtseite 12 auf, die bei Einbau in einen Ultraschallsensor und Montage dieses Ultraschallsensors an einem Fahrzeug sichtbar ist. An die Sichtseite 12 schließt sich eine äußere Mantelfläche 13 an. Die Sichtseite 12 und die Mantelfläche 13 sind mit einer Oberflächenbeschichtung versehen, deren Aufbau im Folgenden mit weiterem Bezug auf Figur 2 beschrieben ist. Auf den Membranboden 4 bzw. auf die Mantelfläche 13 wird im Anschluss an eine chemische Reinigung der Membran 2 eine erste Lage 14 einer Nickelschicht aufgetragen, vorzugsweise galvanisch und unter Verwendung eines Sulfamat-Elektrolyts. Auf diese erste Lage 14 wird eine zweite Lage 16 der Nickelschicht aufgetragen, vorzugsweise galvanisch und unter Verwendung eines Glanznickel-Elektrolyts. Die Lagen 14 und 16 bilden gemeinsam eine Nickelschicht 18. Auf die Schicht 18 wird eine Chromschicht 20 aufgetragen. Die Dicke 22 der Chromschicht 20 ist vergleichsweise gering und beträgt wenige µm, vorzugsweise 1 bis 2 µm. Die Dicke 24 der Nickelschicht 18 kann zwischen 40 und 100 µm betragen, insbesondere 50 µm. Die Dicke 26 des Membranbodens 4 beträgt einige 100 µm. Die Dicke 28 der ersten Lage 14 der Nickelschicht 18 beträgt zwischen 50 % und 90 % der Dicke der Nickelschicht 18, vorzugsweise 70 %. Entsprechend beträgt die Dicke 30 der zweiten Lage 16 der Nickelschicht 18 vorzugsweise 10 % bis 50 %, insbesondere 30 % der Dicke 24 der Nickelschicht 18.

[0021] Durch die Wahl der Dicke 24 der Nickelschicht 18 und/oder durch den Abtrag von Material an der Unterseite 10 des Membranbodens 4 kann die Eigenfrequenz des Verbundes aus Membranboden 4, Nickelschicht 18 und Chromschicht 20 eingestellt werden.

[0022] Figur 3 zeigt einen Ultraschallsensor 32 mit einer Membran 2, die den mit Bezug auf Figuren 1 und 2 beschriebenen Aufbau aufweist. Der Ultraschallsensor 32 weist einen seitlichen Steckanschluss 34 auf, ein Kopfteil 36, das ein Gehäuse 38 umfasst, in dem die Membran 2 gelagert ist. Dabei umgibt das Gehäuse 38 den Mantel 6 in seitlicher Richtung; die Sichtseite 12 der Membran 2 bleibt unverdeckt, so dass Ultraschallsignale ausgesendet werden können.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors (32) mit einer Membran (2) zur Erzeugung von Ultraschallsignalen, wobei die Membran (2) einen Membranboden (4) aufweist, auf den eine Oberflächenbeschichtung aufgetragen wird, die eine Chromschicht (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Membranboden (4) und der Chromschicht (20) eine Nickelschicht (18) angeordnet wird und dass die Dicke (26) des Membranbodens (4) und/oder die Dicke (22, 24) wenigstens einer Schicht (18, 20) der Oberflächenbeschichtung so beeinflusst wird, dass eine vorgegebene Eigenfrequenz des Verbundes aus Membranboden (4), Nickelschicht (18) und Chromschicht (20) eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz des Verbundes eingestellt wird, indem die Dicke (24) der Nickelschicht (18) angepasst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz des Verbundes eingestellt wird, indem von dem mit der Oberflächenbeschichtung versehenen Membranboden (4) auf der der Oberflächenbeschichtung abgewandten Seite (10) Material abgetragen wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelschicht (18) mehrlagig ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Membranboden (4) eine erste Lage (14) der Nickelschicht (18) galvanisch unter Verwendung eines Sulfamat-Elektrolyts aufgetragen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf die erste Lage (14) der Nickelschicht eine zweite Lage (16) der Nickelschicht (18) galvanisch unter Verwendung eines Glanznickel-Elektrolyts aufgetragen wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelschicht (18) eine Dicke (24) von 40 µm bis 100 µm aufweist.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (28) der ersten Lage (14) der Nickelschicht (18) zwischen 50 und 90% der Dicke (24) der Nickelschicht (18) beträgt.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (30) der zweiten Lage (16) der Nickelschicht (18) zwischen 10% und 50% der Dicke (24) der Nickelschicht (18) beträgt.

10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromschicht (20) galvanisch aufgetragen wird.

11. Ultraschallsensor (32), hergestellt nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.

Zeichnung