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Die Erfindung betrifft einen Schallwandler mit einer schwingfähigen Membranelektrode und mit einer im Abstand zur Membranelektrode angeordneten Basiselektrode.
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Ein derartiger Schallwandler ist aus der
EP 0 825 585 A2 bekannt. Bei dem bekannten Schallwandler handelt es sich um einen elektrostatischen Ultraschallwandler, bei dem eine dünne leitfähige Membranelektrode gegenüber einer massiven Basiselektrode angeordnet ist. Wenn für die Membranelektrode eine einseitig metallisierte Kunststofffolie verwendet wird, die unmittelbar auf der Basiselektrode aufliegt, ergibt sich ein so genannter Sellwandler, bei dem die Membranelektrode auf winzigen Erhebungen der Basiselektrode aufliegt. Zwischen der Basiselektrode und der Membranelektrode bleibt immer ein dünnes Luftpolster, auf dem die Membranelektrode schwingen kann. Die Oberflächenbeschaffenheit der Basiselektrode ist für die Grenzfrequenz und die Empfindlichkeit des Ultraschallwandlers maßgeblich. Bei glatten hochglanzpolierten Basiselektroden erstreckt sich der Frequenzbereich bei verhältnismäßig geringer Empfindlichkeit bis etwa 500 kHz. Aufgeraute oder mit Rillen versehene Basiselektroden führen zu niedrigeren Grenzfrequenzen bei erhöhter Empfindlichkeit. Als Basiselektrode kann zum Beispiel auch ein feinmaschiges Drahtgewebe verwendet werden.
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Die bekannten Ultraschallwandler werden beispielsweise in der Automobiltechnik als Distanzsensoren verwendet.
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Ein Nachteil des bekannten Schallwandlers ist, dass neben dem eigentlichen Schallwandler eine weitere Baugruppe für die Aufnahme der zum Betrieb des Schallwandlers erforderlichen Ansteuerelektronik vorzusehen ist. Es besteht aber Bedarf an möglichst kompakten Schallwandlermodulen, bei denen der Schallwandler zusammen mit der Ansteuerelektronik in eine Baugruppe integriert ist.
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Die
WO 00/05001 A1 offenbart einen Schallwandler mit einer schwingungsfähigen Membranelektrode und mit einem im Abstand zur Membranelektrode angeordneten Kontaktstück, welches von einem auf einem Schaltungsträger angeordneten Leiterbahnzug gebildet wird.
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Die
DE 100 18 355 A1 offenbart einen Ultraschallwandler mit mehreren Wandlerelementen. Um eine hohe Prüffrequenz zu erzielen und gleichzeitig eine einfache Herstellbarkeit zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass auf eine piezoelektrische Komponente, insbesondere eine Piezokeramik eine als Leiterbahnfolie ausgebildete zweite Komponente mit einer geometrischen Struktur aufgebracht ist, wobei die geometrische Verteilung der einzelnen Wandlerelemente im Wesentlichen durch die geometrische Struktur bestimmt ist.
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Die
DE 197 25 717 A1 offenbart einen Ultraschallwandler für Flüssigkeitsdurchflussmesser mit einem zwischen zwei Ultraschallwandlern angeordneten flüssigkeitsdurchströmten Messrohr, mit eine piezoelektrischen Keramikscheibe, die bereits mit Elektroleitungen aufweisenden Elektroden versehen ist. Die Elektroden sind auf die Keramikscheiben aufgeklebte flexible Leiterbahnen mit vorgefertigt angebrachten Anschlussleitungen.
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Aus der
US 2004/0085858 A1 ist ein in Mikrosystemtechnik gefertigter Schallwandler bekannt, bei dem ein Wafer als Basiselektrode und eine durch eine Oxidschicht auf Abstand gehaltene Membran, die mit Metallisierungen versehen ist, als Membranelektrode dient. Der bekannte Schallsensor kann als integriertes Bauelement auf einer Leiterplatte mit einer Schaltung zur Ansteuerung des Schallwandlers angeordnet werden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen für eine kompakte Bauform geeigneten Schallwandler zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Der Schallsensor zeichnet sich dadurch aus, dass die Basiselektrode von wenigstens einem auf dem Schaltungsträger angeordneten Leiterbahnzug gebildet ist. Ein derartiger Schallwandler ist auf einfache Weise herstellbar, da die zum Strukturieren der Leiterbahnzüge auf dem Schaltungsträger verwendeten Prozesse auch dazu verwendet werden können, die Basiselektrode zu strukturieren. Ferner kann auf dem Schaltungsträger auch die Ansteuerschaltung für den Schallwandler ausgebildet werden, so dass sich eine kompakte Baueinheit ergibt, die sowohl den eigentlichen Schallwandler als auch die dazugehörige Ansteuerelektronik umfasst.
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Die Basiselektrode ist von einer Deckschicht bedeckt, die die Membranelektrode zur Basiselektrode auf Abstand hält. Bei der Deckschicht handelt es sich um eine Lötstoppschicht In diesem Fall brauchen keine weiteren Abstandshalter ausgebildet werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schaltungsträger eine Leiterplatte, und die Basiselektrode von wenigstens einem metallischen Leiterbahnzug gebildet. In diesem Fall können die Standardmethoden zum Strukturieren von Leiterbahnzügen auf Leiterplatten zur Strukturierung der Basiselektrode verwendet werden.
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Bei der Membranelektrode handelt es sich vorzugsweise um eine Kunststoffmembran, die mit einer leitfähigen Schicht beschichtet ist. Eine derartige Membranelektrode kann an den Rändern mit dem Schaltungsträger verklebt werden. Für die Funktion des Schallwandlers ist es von Vorteil, wenn die leitfähige Schicht der Membranelektrode auf der von der Lötstoppschicht gebildeten Deckschicht aufliegt. In diesem Fall kann die leitfähige Schicht mit Hilfe von spitz zulaufenden Kontaktzungen kontaktiert werden. Derartige Kontaktzungen können den Kunststoff der Membranelektrode durchdringen und auf diese Weise den Kontakt mit der leitfähigen Schicht der Membranelektrode herstellen.
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Die Herstellung des Schallwandlers erfolgt vorzugsweise durch Verfahrensschritte, die auch zum Strukturieren von Leiterbahnzügen auf Schaltungsträgern eingesetzt werden. Dazu können handelsübliche kaschierte Leiterplatten verwendet werden, deren Metallschicht sich mit den üblichen Belichtungs- und Ätztechniken strukturieren lassen.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch einen Schallwandler;
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2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Querschnittsansicht gemäß 1; und
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3 eine Aufsicht auf eine Basiselektrode des Schallwandlers aus den 1 und 2.
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1 zeigt einen Ultraschallwandler 1, der auf einer Leiterplatte 2 ausgebildet ist. Bei der Leiterplatte 2 kann es sich um eine handelsübliche Leiterplatte, die auf der Basis eines Kunststoffs hergestellt worden ist, oder um eine keramische Leiterplatte 2 handeln. Auf der Leiterplatte 2 sind Leiterbahnen 3 ausgebildet, die zusammen eine Basiselektrode 4 des Ultraschallwandlers 1 bilden. Auf der Basiselektrode 4 liegt eine Membranelektrode 5 auf, die eine Trägerschicht 6 aufweist. Auf der der Basiselektrode 4 zugewandten Seite der Trägerschicht 6 ist auf der Trägerschicht 6 eine Metallschicht 7 ausgebildet. An den Rändern ist die Membranelektrode 5 mit Hilfe von Klebstoff 8 an der Leiterplatte 2 befestigt. Neben der Verwendung von Klebstoff kommen noch weitere Arten der Befestigung, beispielsweise durch Klemmung, infrage. Schließlich kann auch daran gedacht werden, die Membranelektrode 5 in eine Halterung einzuspannen und die Halterung auf die Leiterplatte 2 aufzulöten.
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Die Kontaktierung der Metallschicht 7 kann beispielsweise mit spitz zulaufenden Federelementen 9 erfolgen, die auf der Leiterplatte 2 befestigt sind und die die Trägerschicht 6 von der der Basiselektrode 4 abgewandten Seite her bis zur Metallschicht 7 durchdringen. Das Widerlager der Metallschicht 7 kann dabei vom Klebstoff 8 oder der Leiterplatte 2 gebildet werden.
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Die Kontaktierung der Leiterbahnen 3 erfolgt, indem eine Leiterbahn durch den vom Klebstoff 8 gebildeten Rahmen hindurch nach außen in einen Bereich geführt ist, der von der Membranelektrode 5 nicht mehr abgedeckt ist. An dieser Stelle kann eine Kontaktierung mit einem externen Anschluss 10 erfolgen. Genauso kann das Federelement 9 mit einem externen Anschluss 11 verbunden werden.
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Daneben ist es möglich, auf der Leiterplatte 2 weitere Leiterbahnen auszubilden, die zu Bauelementen 12 führen, die für eine Ansteuerschaltung des Ultraschallwandlers 1 erforderlich sind. In 1 ist ein derartiges Bauelement 12 angedeutet.
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Es sei angemerkt, dass die Bauelemente 12 und zugehörige Leiterbahnen auch auf der Rückseite der Leiterplatte 2 angeordnet sein können.
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der in 1 dargestellten Querschnittsansicht. Anhand von 2 wird deutlich, dass eine auf die Leiterbahnen 3 aufgebrachte Lötstoppschicht 13 die Basiselektrode 4 und die Membranelektrode 5 auf Abstand hält. Ferner sind in 2 Lufttaschen 14 erkennbar, die eine Bewegung der Membranelektrode 5 ermöglichen.
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3 zeigt eine Aufsicht auf die Struktur der Leiterbahnen 3, falls eine symmetrische Schallkeule erzielt werden soll. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Leiterbahnen 3 in konzentrischen Kreisbahnen angeordnet, die durch radiale Leiterbahnen 15 verbunden sind. Ferner ist in 3 eine externe Kontaktleiterbahn 16 dargestellt, die zur Kontaktierung der Basiselektrode 4 verwendet werden kann.
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Anstelle des Federelements 9 kann auch eine Kontaktierung über einen Leitlack oder Leitkleber vorgesehen sein. Insbesondere kann es sich bei dem Klebstoff 8 um einen Leitkleber handeln.
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Zur Herstellung des Ultraschallwandlers 1 werden zunächst die Leiterbahnen 3, 15 und 16 mit Hilfe der üblichen Strukturierungstechniken herausgebildet. Dazu wird eine Photolackschicht mit Hilfe einer Maske belichtet und anschließend die auf die Leiterplatte 2 aufkaschierte Metallschicht in einem Ätzverfahren strukturiert.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Lötstoppschicht 13 aufgebracht, wobei Kontaktflächen, auf die Bauteile aufzulöten sind, frei gehalten werden. Anschließend kann die Membranelektrode 5 auf die Basiselektrode 4 aufgebracht und an der Leiterplatte 2 befestigt werden. Dabei kann auch die Bestückung mit den Bauelementen 12 vorgenommen werden.
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Der hier beschriebene Ultraschallwandler 1 weist eine Reihe von Vorteilen auf.
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Da die Ausbildung der Basiselektrode 4 zusammen mit der Strukturierung der Leiterbahnen auf der Leiterplatte 2 erfolgt, sind keine zusätzlichen Verfahrensschritte zur Ausbildung der Basiselektrode 4 erforderlich. Ferner ermöglicht der Ultraschallwandler 1 eine kompakte Bauform, da die Bauelemente für die zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers 1 erforderliche Ansteuerschaltung ebenfalls auf der Leiterplatte 2 angeordnet werden können.
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Es sei darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, außer wenn dies aus Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist.
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Schließlich wird darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ultraschallwandler
- 2
- Leiterplatte
- 3
- Leiterbahn
- 4
- Basiselektrode
- 5
- Membranelektrode
- 6
- Trägerschicht
- 7
- Metallschicht
- 8
- Klebstoff
- 9
- Federelement
- 10
- externer Anschluss
- 11
- externer Anschluss
- 12
- Bauelement
- 13
- Lötstoppschicht
- 14
- Lufttasche
- 15
- Leiterbahn
- 16
- Kontaktleiterbahn
