Ultraschallwandler-Array für Anwendungen in gasförmigen Medien

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultra- schallwandler-Array für Anwendungen in gasförmigen Medien, bei dem die Ultraschallwellen über eine Dickenschwingung eines piezoelektrisch aktiven Materials erzeugt und/oder detektiert werden.

Ultraschallwandler-Arrays lassen sich vor allem in Bereichen einsetzen, in denen asymmetrische Schallfelder benötigt werden oder eine scannende Bewegung eines Ultraschallstrahls für eine Objekt-, Flächenoder Volumenabtastung erforderlich ist. Gerade für Anwendungen in gasförmigen Medien, wie bspw. Luft, stehen jedoch bisher noch keine kompakten Ultraschallwandler-Arrays zur Verfügung, die einfach aufgebaut sind und keine mechanisch beweglichen Teile umfassen. Dies betrifft bspw. Gebiete wir die Objekterkennung, die Entfernungsmessung oder die Inspektion.

Stand der Technik

Für Anwendungen in gasförmigen Medien sind unterschiedliche Funktionsprinzipien für Ultraschall - wandler bekannt. In der Regel werden hierfür Ultraschallwandler aus piezoelektrischen keramischen Scheiben eingesetzt, die ein oder mehrere Anpassungs- schichten aufweisen und zur Abstrahlung von Ultraschall in radiale Resonanzschwingungen versetzt werden. Ein

weiteres bekanntes Funktionsprinzip nutzt Biegeschwingungen einer Sandwichstruktur aus keramischen und metallischen Schichten.

Ein grundsätzliches Problem derartiger Ultraschallwandler besteht darin, dass sie zur Erzeugung von Ultraschall, bspw. im Bereich von 250 kHz, relativ große laterale Dimensionen relativ zur Wellenlänge der erzeugten Ultraschallwellen aufweisen. Für die Realisierung eines phasengesteuerten Arrays (phased array) müsste die Größe der Wandlerelemente allerdings im Bereich einer halben Wellenlänge liegen. Zur Realisierung eines linearen Arrays müsste die Größe der Wandlerelemente das ein- bis dreifache der Wellenlänge betragen. Diese geringen Größen lassen sich mit den oben angeführten Ultraschallwandler-Technologien nicht realisieren. Eine scannende Betriebsweise erfordert daher eine mechanische Rotation oder Bewegung der einzelnen Wandlerelemente. Die vor allem durch die Anpassungsschichten bedingte Größe auf der einen Seite sowie die mechanische Bewegung der Wandlerelemente auf der anderen Seite schließt einen Einsatz derartiger Ultraschallwandler für zahlreiche Anwendungen aus.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ultraschallwandler-Array für Anwendungen in gasförmigen Medien anzugeben, das einen kompakten und einfachen Aufbau aufweist, ohne mechanisch bewegliche Elemente auskommt und sich als lineares oder phasen- gesteuertes Array realisieren lässt.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Ultraschallwandler-Array gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Ultraschallwandler-Arrays sind Gegen- stand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungs- beispiel entnehmen.

Das vorgeschlagene Ultraschallwandler-Array umfasst wenigstens eine Schicht aus einem piezoelektrisch aktiven, zellulären Elektretmaterial zwischen zwei Elektrodenstrukturen. Die erste Elektrodenstruktur ist dabei aus mehreren unabhängig voneinander adressierbaren bzw. ansteuerbaren Elektrodenelementen gebildet . Durch diese Elektrodenelemente in Verbindung mit der auf der gegenüberliegenden Seite der piezoelektrisch aktiven Schicht angeordneten zweiten Elektrodenstruktur lassen sich lokale Dickenschwingungen der Schicht oder von Poren in der Schicht mit Frequenzen im Ultraschallbereich erzeugen und/oder detektieren. Die zweite Elektrodenstruktur dient hierbei als Gegenelektrode zur ersten Elektrodenstruktur. Die Anregung der Dickenschwingungen erfolgt in bekannter Weise durch geeignete Spannungs- Signale, die zwischen den beiden Elektrodenstrukturen bzw. zwischen den jeweiligen Elektrodenelementen und der Gegenelektrode angelegt werden. Diese Spannungssignale erzeugen die lokalen Dickenschwingungen des piezoelektrisch aktiven Materials oder der Poren in diesem Material, die wiederum die Abstrahlung von Ultraschallwellen bewirken. Bei eintreffenden Ultraschallwellen wird die piezoelektrisch aktive Schicht durch die Ultraschallwellen zu Dicken-

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schwingungen angeregt, die in entsprechende elektrische Signale an den Elektrodenstrukturen gewandelt werden. Dieses Prinzip der Ultraschallwandlung ist dem Fachmann bekannt .

Die Erfinder des vorliegenden Ultraschallwandler- Arrays haben erkannt, dass durch Einsatz einer vorzugsweise zusammenhängenden Schicht aus einem piezoelektrisch aktiven, zellulären Elektretmaterial ein Ultraschallwandler-Array für gasförmige Medien erhalten werden kann, das ohne mechanisch bewegliche Teile auskommt und bei dem die einzelnen Wandlerelemente mit sehr geringen Abmessungen gebildet werden können. Die Wandlerelemente werden hierbei in erster Linie durch die Dimensionen der Elektrodenelemente der Elektrodenstruktur in der Größe festgelegt . Die Elementgröße kann ohne weiteres bis auf den Größenbereich der Ultraschallwellenlänge oder darunter und selbstverständlich auf darüber gewählt werden, bspw. im Bereich zwischen 0,1 bis 100 Wellenlängen der mit den Wandlerelementen erzeugbaren oder empfangbaren Ultraschallwellen. Damit können in einfacher Weise lineare oder phasengesteuerte Ultraschallwandler-Arrays erhalten werden, die sich aufgrund des piezoelektrisch aktiven, zellulären Elektretmaterials ohne zusätzliche Anpassschichten für Anwendungen in gasförmigen Medien eignen.

Die Schicht aus dem piezoelektrisch aktiven, zellulären Elektretmaterial ist vorzugsweise durch eine Folie aus diesem Material gebildet. Selbstverständlich lässt sich auch eine Schichtstruktur aus mehreren übereinander liegenden Schichten oder Folien eines

derartigen Elektretmaterials einsetzen. Ein Beispiel für ein geeignetes Elektretmaterial ist poröses Polypropylen. Eine oder beide Elektrodenstrukturen für die Bildung der einzelnen Wandlerelemente werden hierbei vorzugsweise direkt auf die Schicht aus dem

Elektretmaterial aufgebracht . Dies kann durch bekannte Abscheideverfahren für metallische Schichten erfolgen, bspw. mittels CVD (CVO: Chemical Vapor Deposition) oder durch Sputtern jeweils mit nachfolgender photolitho- graphischer Strukturierung.

Die einzelnen Elektrodenelemente können hierbei, je nach gewünschter Abstrahlcharakteristik, in beliebiger geometrischer Form gewählt werden. Für die Bildung eines linearen Arrays werden vorzugsweise fingerförmige Elektrodenelemente gebildet, die parallel nebeneinander angeordnet sind. Selbstverständlich lassen sich auch andere, bspw. zirkuläre Anordnungen realisieren.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schicht Vertiefungen zwischen den Elektrodenelementen auf. Diese Vertiefungen können beispielsweise durch Prägen, Einschneiden oder Durchtrennen der Schicht zwischen den Elektrodenelementen erzeugt werden und bewirken eine verringerte Schallkopplung zwischen den einzelnen Elektrodenelementen.

Durch An- oder Abschalten einzelner Elektroden- elemente oder Gruppen von Elektrodenelementen können Subaperturen zur Ultraschallabstrahlung oder zum Ultraschallempfang gebildet werden. Es ist damit auch möglich, einen Ultraschallstrahl durch phasenge-

steuertes Anregen zu schwenken oder zu fokussieren. Weiterhin können auch spezielle Ultraschallkeulenformen, bspw. eine asymmetrische Form der Schallkeule, durch geeignete Ansteuerung der einzelnen Elektroden- elemente gebildet werden. Die Anzahl der Elemente kann je nach Anwendung beliebig gewählt werden.

Für einen Betrieb des Ultraschallwandler-Arrays sind die Elektrodenstrukturen mit einer Ansteuereinheit verbunden, über die der phasengesteuerte Betrieb oder die An- und Abschaltung einzelner Elektrodenelemente oder Gruppen von Elektrodenelementen ebenso wie die Ansteuerung zur Bildung bestimmter Schallkeulenformen vorgenommen wird. Diese Ansteuereinheit dient einer geeigneten zeitlichen Ansteuerung bzw. einem geeigneten zeitlichen Auslesen der einzelnen Elektrodenelemente.

Die zweite Elektrodenstruktur, durch die die Gegenelektrode (n) für die Elektrodenelemente der ersten Elektrodenstruktur gebildet wird, ist vorzugsweise vorderseitig auf die Schicht oder Schichtfolge aus dem piezoelektrisch aktiven, zellulären Elektretmaterial aufgebracht. Selbstverständlich kann sowohl zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der Schicht aus dem Elektretmaterial als auch zwischen der zweiten Elektrodenstruktur und der Schicht aus dem Elektretmaterial auch eine Zwischenschicht oder Zwischenschichtstruktur vorhanden sein, die jedoch die bestimmungsgemäße Funktion des Ultraschallwandlers nicht stören darf. Die zweite Elektrodenstruktur kann dabei eine vollflächige, d.h. zusammenhängende, Schicht eines elektrisch leitfähigen Materials sein. Weiterhin ist es möglich, die zweite Elektrodenstruktur in gleicher Weise wie die

erste Elektrodenstruktur mit mehreren Elektrodenelementen auszubilden, so dass bspw. jedem Elektrodenelement der ersten Elektrodenstruktur ein Elektrodenelement der zweiten Elektrodenstruktur gegenüber liegt. Die beiden Elektrodenstrukturen können dabei identisch aufgebaut sein. Dies ist jedoch nicht in jedem Falle erforderlich.

Das vorgeschlagene Ultraschallwandler-Array lässt sich vorteilhaft für den Betrieb im Ultraschallbereich zwischen 50 und 500 kHz auslegen, in dem viele Anwendungen in gasförmigen Medien, insbesondere in Luft, möglich sind. Das Ultraschall-Array eignet sich bspw. als phasengesteuertes Array für Anwendungen wie die Oberflächen- oder Profilvermessung, Zugangskontrolle, Roboterführung usw. und lässt sich auch in rauen industriellen Umgebungen oder in sehr reinen medizinischen oder klinischen Umgebungen einsetzen.

Das vorgeschlagene Ultraschall-Array kann unterschiedliche Geometrien aufweisen und bspw. als lineares Array, als phasengesteuertes Array, als gekrümmtes Array oder als zirkuläres Array ausgebildet sein. Die Wandlerelemente bzw. Elektrodenelemente des Arrays können gekrümmt ausgeführt sein, um die Strahl-

Charakteristiken zu optimieren. Weiterhin können die einzelnen Wandlerelemente oder Elektrodenelemente unterschiedliche Geometrien ihrer öffnung oder Querschnittfläche aufweisen, bspw. rechteckig oder oval.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das vorgeschlagene Ultraschallwandler-Array wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für eine Ausgestaltung der ersten Elektrodenstruktur auf dem vorgeschlagenen Ultraschallwandler-Array;

Fig. 2 schematisch den Aufbau des vorgeschlagenen Ultraschallwandler-Arrays im Querschnitt;

Fig. 3 ein Beispiel für eine Vorrichtung zur gerichteten Abstrahlung und/oder zum gerichteten Empfang von Ultraschallwellen mit einem Ultraschallwandler-Array gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 ein Beispiel für Vertiefungen zwischen den Elektrodenelementen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Im vorgeschlagenen Ultraschallwandler-Array wird eine Schicht aus einem piezoelektrisch aktiven, zellulären Elektretmaterial zwischen den Elektrodenstrukturen eingesetzt. Ein derartiges Material, wie bspw. zelluläres PVDF (Polyvinylidenfluorid) oder poröses Polypropylen, ist bereits gut an die Schall- impedanz von Luft angepasst und lässt sich bspw. mit einfachen Film-Extrusionstechniken herstellen. Im nachfolgenden Beispiel wurde ein piezoelektrisch aktives, zelluläres Polypropylen mit einer Foliendicke

von 50 μm eingesetzt. über die Foliendicke lässt sich die mittlere Resonanzfrequenz einstellen, mit der die Dickenschwingungen ausgeführt werden. Dies entspricht bei der eingesetzten Folie einer Ultraschallfrequenz von ca. 250 kHz während bspw. eine 35 μm dicke Folie eine mittlere Resonanzfrequenz im Bereich von ca. 325 kHz aufweist.

Für die Bereitstellung eines phasengesteuerten Ultraschallwandler-Arrays müssen die Mittenabstände der einzelnen Wandlerelemente, im vorliegenden Fall der Elektrodenelemente der Elektrodenstruktur, einen Wert aufweisen, der ungefähr der halben Wellenlänge der Ultraschallwellen entspricht, die abgestrahlt oder empfangen werden sollen. Durch diese geringen Abmessungen eines einzelnen Elektrodenelementes relativ zur Wellenlänge der emittierten oder empfangenen Ultraschallwellen wird eine omnidirektionale Strahlungscharakteristik für jedes Wandlerelement erhalten. Eine gerichtete Schallabstrahlung oder ein gerichteter

Schallempfang wird durch zeitkontrollierte Ansteuerung bzw. zeitkontrollierten Empfang der einzelnen Elektrodenelemente mit einer geeigneten Strahl- formungselektronik einer Ansteuereinrichtung erreicht.

Figur 1 zeigt ein Beispiel eines Ultraschallwandler-Arrays für phasengesteuerten Betrieb mit linearer Anordnung der Wandlerelemente. Auf der piezoelektrisch aktiven, zellulären Elektretfolie 1 ist eine Elektrodenstruktur 2 aufgebracht, die in diesem

Beispiel 32 fingerförmige Elektrodenelemente 3 umfasst, die nebeneinander angeordnet sind. Durch diese 32 Elektrodenelemente 3 wird die aktive Apertur des

Ultraschallwandler-Arrays gebildet. Jedes einzelne Elektrodenelement 3 ist über eine Zuleitung 7 von außen unabhängig von den jeweils anderen Elektrodenelementen elektrisch kontaktierbar. Auf der Rückseite der Elektretfolie 1 ist in diesem Beispiel vollflächig die Gegenelektrode 4 aufgebracht, die in Figur 1 ebenfalls angedeutet ist.

Figur 2 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch ein derartiges Ultraschallwandler-Array in schematisierter Darstellung. In dieser Darstellung sind die Elektretfolie 1 sowie die obere 2 und untere Elektrodenstruktur 4 zu erkennen.

Das Ultraschallwandler-Array ist für eine Ultraschallfrequenz von 250 kHz ausgelegt. Dies entspricht einer Ultraschallwellenlänge in Luft von 1,4 mm. Im vorliegenden Beispiel wurde der Mittenabstand der Elektrodenelemente 3 geringer als die halbe Wellenlänge auf 0,5 mm festgelegt. Der Spalt zwischen den einzelnen

Elektrodenelementen 3 liegt bei 0,1 mm und die Länge der Elemente beträgt 10 mm.

Die Herstellung der Elektrodenstruktur der Figur 1 auf der Elektretfolie 1 erfolgte durch Sputtern und anschließendes ätzen. Der zellulare Elekretfilm 1 wurde hierzu auf einem Keramiksubstrat mit einer ebenen Oberfläche angebracht. Eine Chrom-Adhäsionsschicht wurde zunächst auf die Oberfläche der Elektretfolie 1 gesputtert . Auf diese Adhäsionsschicht wurde wiederum eine Goldschicht mittels Sputtern abgeschieden. Anschließend wurde unter Einsatz eines photolithographischen Verfahrens die Elektrodenstruktur

freigelegt. Durch die photolithographische Technik lassen sich auf einfache Weise sehr feine Elektrodenstrukturen erzeugen, wie sie für phasengesteuerte Ultraschallwandler-Arrays erforderlich sind.

Die Gegenelektrode 4 wurde in gleicher Weise auf die Vorderseite der Elektretfolie 1 aufgebracht und zur Bildung aktiver Fingerelektroden strukturiert. Zur Fertigstellung des Ultraschallwander-Arrays muss die Elektretfolie 1 zusätzlich im Bereich der aktiven Apertur geladen werden. Bei diesem Prozess sind unterschiedliche Techniken möglich, die dem Fachmann bekannt sind. Im vorliegenden Beispiel wurde eine einfache Korona-Polungs-Methode eingesetzt, bei der die Elektretfolie 1 für kurze Zeit einer Feldstärke unterhalb der Durchschlagspannung ausgesetzt wird.

Für die Ansteuerung des Ultraschallwandler-Arrays ist eine geeignete Ansteuereinheit erforderlich. Figur 3 zeigt hierzu eine Vorrichtung zur Erzeugung und zum Empfang gerichteter Ultraschallsignale, bei der das Ultraschallwandler-Array 5 mit einer Ansteuereinheit 6 verbunden ist. Die Ansteuereinrichtung umfasst dabei elektronische Schalteinheiten für die Strahlformung, ein übertragungs- und Empfangsmodul, ein Modul für die Verarbeitung und Steuerung der Hochfrequenzdaten und einen Multiplexer für die im vorliegenden Beispiel 32 Kanäle. Es besteht auch die Möglichkeit, eine geringere Anzahl von Kanälen in der Ansteuereinrichtung vorzusehen, wobei dann mehrere der Elektrodenelemente des Ultraschall -Arrays in einem Kanal zusammengefasst werden können, um Untergruppen der Elemente gemeinsam

anzusteuern. Selbstverständlich lässt sich ein derartiges System auch um weitere Kanäle erweitern, wenn ein entsprechendes Ultraschallarray mit einer höheren Anzahl von Elektrodenelementen bereitgestellt wird. Vorzugsweise ist die Ansteuereinheit programmierbar ausgestattet, so dass sie je nach gewünschter Anwendung über eine entsprechende Schnittstelle vorprogrammiert werden kann. Weiterhin ist eine Schnittstelle zur übertragung der empfangenen und ggf. vorverarbeiteten Signale oder Daten vorgesehen, die dann bspw. in einem Computer weiter ausgewertet werden können .

Figur 4 zeigt schließlich auszugsweise einen Querschnitt durch einen Aufbau Ultraschallwandler-

Arrays wie dem der Figur 1, bei dem die Elektretfolie 1 Vertiefungen bzw. Gräben zwischen den einzelnen Elektrodenelementen 3 aufweist. Die Vertiefungen 8 sind in diesem Beispiel durch Prägen der Folie 1 entstanden, können jedoch auch durch andere Techniken erhalten werden. Die Folie 1 kann auch zwischen den Elektrodenelementen 3 vollständig durchtrennt werden. Die Vertiefungen 8 bieten den Vorteil einer stärkeren Schallentkopplung der unabhängig ansteuerbaren Elektrodenelemente 3.

Bezugszeichenliste

1 Elektretfolie 2 erste Elektrodenstruktur

3 Elektrodenelemente

4 zweite Elektrodenstruktur

5 Ultraschallwandler-Array

6 Ansteuereinheit 7 Zuleitungen

8 Vertiefungen