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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler, auf einen Ultraschalldurchflussmesser, auf ein Verfahren zum Herstellen eines Ultraschallwandlers, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.
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Durchfluss ist heute eine der wichtigsten Größen in der automatischen Prozessteuerung. Die Durchflussmessung gewinnt durch die Weiterentwicklung der Durchflussmesstechnik für neue Anwendungsbereiche immer mehr an Bedeutung und betrifft täglich Wasser, Dampf, Druckluft, Erdgas, Erdöl, Lebensmittel, Chemikalien und Pharmazeutika in Millionen von Leitungen in der industriellen Produktion.
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Ultraschallsysteme ermöglichen eine genaue und kostengünstige Durchflussmessung von außen, ohne Prozessunterbrechung. Die Durchflussmessung kann in beiden Fließrichtungen durchgeführt werden, wobei in der Regel keinerlei Druckverluste verursacht werden.
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Übliche Systeme zur Volumendurchflussmessung mittels Ultraschall basieren beispielsweise auf piezokeramischen Ultraschallwandlern, die üblicherweise eine Bauhöhe von mehreren Millimetern aufweisen und als starre Gebilde realisiert sind. Ultraschallmesstechnik auf Basis piezokeramischer Wandler kann daher in der Regel nur an starren Leitungssystemen angebracht werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Ultraschallwandler, ein Ultraschalldurchflussmesser, ein Verfahren zum Herstellen eines Ultraschallwandlers, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Der hier vorgeschlagene Ansatz schafft einen Ultraschallwandler mit folgenden Merkmalen:
einer ersten Elektrodenlage;
einer auf der ersten Elektrodenlage angeordneten flexiblen Wandlerlage zum Wandeln einer elektrischen Spannung in Ultraschallwellen und/oder zum Wandeln von Ultraschallwellen in eine elektrische Spannung, wobei die Wandlerlage zumindest teilweise aus einem piezoelektrischen und/oder elektrostatisch aufladbaren Material gefertigt ist; und
einer zweiten Elektrodenlage, die an einer von der ersten Elektrodenlage abgewandten Seite der Wandlerlage angeordnet ist.
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Unter einem Ultraschallwandler kann ein Sensorelement verstanden werden, das der Umwandlung einer elektrischen Spannung in Ultraschallwellen sowie umgekehrt der Umwandlung von Ultraschallwellen in eine elektrische Spannung dient. Die Spannung kann insbesondere eine Wechselspannung sein. Unter einer ersten Elektrodenlage kann eine elektrisch leitfähige Lage zur Kontaktierung eines ersten Potenzialanschlusses verstanden werden. Unter einer zweiten Elektrodenlage kann eine elektrisch leitfähige Lage zur Kontaktierung eines zweiten Potenzialanschlusses verstanden werden. Beispielsweise können die Elektrodenlagen biegsame Metallelektroden sein. Die Wandlerlage kann beispielsweise auf der ersten Elektrodenlage aufliegen. Die zweite Elektrodenlage kann auf der Wandlerlage aufliegen oder auch beabstandet zur Wandlerlage angeordnet sein.
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Unter einer flexiblen Lage kann in dieser vorliegend eine Schicht verstanden werden, die verformbar, insbesondere reversibel verformbar und/oder elastisch ist. Unter einer Wandlerlage kann eine dünne, biegsame Folie verstanden werden, die zumindest in Teilbereichen piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Beispielsweise weist die Wandlerlage eine Dicke zwischen 0,01 mm und 1 mm auf. Alternativ oder zusätzlich kann die Folie zumindest in Teilbereichen elektrostatisch aufgeladen oder aufladbar sein. Ein elektrostatisch aufgeladenes oder aufladbares Material kann beispielsweise ein Elektret oder ein Piezoelektret sein. Je nach Ausführungsform kann die Wandlerlage beispielsweise aus einem elektrostatisch aufgeladenen Polymer als Elektret und, alternativ oder zusätzlich, aus einem piezoaktiven Polymer als piezoelektrischem Material gefertigt sein. Die Wandlerlage kann ausgebildet sein, um durch eintreffende Ultraschallwellen zum Schwingen gebracht zu werden, wobei die Wandlerlage aufgrund einer damit einhergehenden Dickenänderung eine Wechselspannung erzeugen kann. Umgekehrt kann die Wandlerlage ausgebildet sein, um durch Anlegen einer Wechselspannung zum Schwingen gebracht zu werden und dadurch Ultraschallwellen zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann die Wandlerlage zusammen mit der ersten und der zweiten Elektrodenlage einen Plattenkondensator ausbilden, der als Ultraschallwandler fungiert. Dabei kann die zweite Elektrodenlage schwingbar an der Wandlerlage angeordnet sein. Beispielsweise kann die zweite Elektrodenlage zusätzlich mit einer geeigneten Schwingungsmembran mechanisch gekoppelt sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, einen Ultraschallwandler mit einer biegsamen Folie als piezoelektrischem oder elektrostatisch aufgeladenem Element und somit mit einer möglichst flachen Bauform zu realisieren. Dadurch lässt sich der Ultraschallwandler an schwer zugänglichen Orten wie beispielsweise komplexen, eng bauenden Leitungssystemen in chemischen oder medizinischen Mikroreaktoren oder in Abfüll- oder Dosiervorrichtungen der Messtechnik einsetzen.
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Neben der möglichen Verwendung in sehr kleinen Anlagen mit geringem Platzangebot, etwa Mikroreaktoren, die aufgrund ihrer im Vergleich zu konventionellen Reaktoren geringen Größe und der damit verbundenen Vorteile in der Analytik, der Verfahrenstechnik, aber auch in der Chemie und Biochemie Anwendung finden, kann ein solcher Ultraschallwandler auf Folienbasis aufgrund seiner Flexibilität auch auf flexiblen Leitungen angebracht werden.
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Der Ultraschallwandler kann gemäß einer Ausführungsform mit einer flexiblen Trägerlage vorgesehen sein. Dabei kann die erste Elektrodenlage auf der Trägerlage angeordnet sein. Unter einer Trägerlage kann eine stabilisierende Lage aus einem dünnen, flexiblen Material wie etwa Kunststoff oder Papier verstanden werden. Die Trägerlage kann beispielsweise einseitig mit einem Klebstoff beschichtet sein. Mithilfe der Trägerlage kann der Ultraschallwandler wie ein Etikett sowohl auf starre Rohrleitungen als auch auf flexible Schläuche appliziert werden. Dabei bedeckt der Ultraschallwandler eine Oberfläche von nur wenigen Quadratzentimetern, beispielsweise zwischen 1 cm2 und 10 cm2. Eine Dicke des Ultraschallwandlers inklusive der Trägerschicht beträgt beispielsweise zwischen 1 mm und 5 mm. Somit weist der Ultraschallwandler eine im Wesentlichen vernachlässigbare räumliche Ausdehnung auf.
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Ferner kann der Ultraschallwandler mit einer auf der zweiten Elektrodenlage aufliegenden Membran zum Ein- und/oder Auskoppeln der Ultraschallwellen vorgesehen sein. Unter einer Membran kann eine dünne, elastische Lage verstanden werden, die aufgrund ihrer Schwingungsfähigkeit zur Übertragung von Schallwellen, insbesondere von Ultraschallwellen, geeignet ist. Mithilfe der Membran kann die Leistungsfähigkeit des Ultraschallwandlers verbessert werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die zweite Elektrodenlage in einem vorbestimmten Abstand zur Wandlerlage angeordnet ist, um einen Zwischenraum zwischen der zweiten Elektrodenlage und der Wandlerlage zu bilden. Unter einem Zwischenraum kann ein Luftspalt zwischen der zweiten Elektrodenlage und der Wandlerlage verstanden werden. Der Abstand sollte sehr gering sein und beispielsweise 5 µm, 10 µm, 30 µm oder 50 µm betragen. Durch den Zwischenraum wird eine Auslenkung der zweiten Elektrodenschicht ermöglicht.
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Um den Zwischenraum gegenüber einer Außenumgebung des Ultraschallwandlers abzudichten, kann der Ultraschallwandler mit zumindest einem Dichtelement wie etwa einem Dichtring oder einer Dichtmasse vorgesehen sein. Das Dichtelement kann beispielsweise zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet sein und gleichzeitig zur Abstützung der zweiten Elektrodenschicht dienen, um die zweite Elektrodenschicht in dem vorbestimmten Abstand zur Wandlerlage zu halten. Durch das Dichtelement kann der Ultraschallwandler im Bereich des Zwischenraums vor Umwelteinflüssen geschützt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Ultraschallwandler zumindest einen Abstandhalter aufweisen, der auf einer der zweiten Elektrodenlage zugewandten Seite der Wandlerlage angeordnet ist. Ein Abstandhalter kann ein an der Wandlerlage angebrachtes Distanzstück, etwa ein Plättchen oder ein Stift, sein. Durch den Abstandhalter kann verhindert werden, dass die zweite Elektrodenschicht im ausgelenkten Zustand die Wandlerlage berührt.
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Vor Vorteil ist auch, wenn die Wandlerlage aus einem Kunststoff, insbesondere einem Polymer, gefertigt ist. Bei dem Polymer kann es sich etwa um ein piezoaktives Polymer oder ein elektrostatisch aufgeladenes Elektretpolymer handeln. Dadurch lässt sich der Ultraschallwandler besonders kostengünstig herstellen.
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Der vorgeschlagene Ansatz schafft zudem einen Ultraschalldurchflussmesser mit zumindest einem Ultraschallwandler gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen. Unter einem Ultraschalldurchflussmesser kann im Allgemeinen ein Messgerät zum Messen eines Durchflusses eines Gases oder einer Flüssigkeit durch ein Rohr oder ein Gefäß verstanden werden. Ein Ultraschalldurchflusssensor auf Folienbasis gemäß dem vorgeschlagenen Ansatz bietet den Vorteil einer ultraflachen Bauweise, insbesondere wenn der Ultraschallwandler beispielsweise in Drucktechnik unter Verwendung piezoelektrischer Polymere oder sogenannter Elektrete auf dünnen flexiblen Materialien wie Kunststofffolien oder Papier als Trägerlage aufgebaut wird.
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Der Ultraschalldurchflussmesser kann eine Manschette zum Umlegen um ein zu untersuchendes Körperteil aufweisen. Dabei kann der Ultraschallwandler in der Manschette angeordnet sein. Alternativ kann der Ultraschallwandler auch auf der Manschette oder bündig mit einer Oberfläche der Manschette angeordnet sein. Unter einem Körperteil kann beispielsweise ein Bein, ein Arm, eine Brust oder ein Bauch verstanden werden. Mithilfe der Manschette lässt sich der Ultraschalldurchflussmesser zur Gefäßsonografie oder zur Herztonerfassung mit einem Herzton-Wehen-Schreiber verwenden.
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Der Ultraschalldurchflussmesser kann zumindest eine Auswerteeinheit zum Auswerten von Daten des Ultraschallwandlers über eine vorbestimmte Zeitspanne aufweisen. Unter einer Auswerteeinheit kann eine Einheit zum Speichern, Verarbeiten und Auslesen der Daten des Ultraschallwandlers verstanden werden. Die Auswerteeinheit kann ausgebildet sein, um die Daten über eine vorbestimmte Zeitspanne von beispielsweise einer Stunde, 12 Stunden, 24 Stunden oder mehreren Tagen oder Wochen aufzuzeichnen. Beispielsweise kann der Ultraschallwandler mit einem Speicherchip als Auswerteeinheit versehen sein, wobei die Daten jeweils am Ende einer Messreihe ausgelesen werden können. Aufgrund der kompakten Bauform des Ultraschallwandlers lässt sich der Ultraschalldurchflussmesser bequem über längere Zeit am Körper tragen. Dadurch können medizinische Langzeituntersuchungen wie etwa Gefäßuntersuchungen mit deutlich verringertem Aufwand durchgeführt werden, da eine stationäre Aufnahme des Patienten in einer Arztpraxis oder einer Klinik entfallen kann.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Ultraschallwandlers, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen einer flexiblen Wandlerlage zum Wandeln einer elektrischen Spannung in Ultraschallwellen und/oder zum Wandeln von Ultraschallwellen in eine elektrische Spannung, wobei die Wandlerlage zumindest teilweise aus einem piezoelektrischen und/oder elektrostatisch aufladbaren Material gefertigt ist, und/oder einer ersten Elektrodenlage und/oder einer zweiten Elektrodenlage; und
Bilden eines Schichtverbunds aus der Wandlerlage, der ersten Elektrodenlage und der zweiten Elektrodenlage und/oder aus der Wandlerlage durch Aufbringen der ersten Elektrodenlage und der zweiten Elektrodenlage und/oder aus der ersten Elektrodenlage durch Aufbringen der Wandlerlage und der zweiten Elektrodenlage und/oder aus der zweiten Elektrodenlage durch Aufbringen der Wandlerlage und der ersten Elektrodenlage, wobei die Wandlerlage auf der ersten Elektrodenlage und die zweite Elektrodenlage an einer von der ersten Elektrodenlage abgewandten Seite der Wandlerlage angeordnet wird.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Bereitstellens ferner eine flexible Trägerlage bereitgestellt werden. Im Schritt des Bildens kann der Schichtverbund aus der Trägerlage, der Wandlerlage, der ersten Elektrodenlage und der zweiten Elektrodenlage gebildet werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Schichtverbund aus der Trägerlage durch Aufbringen der Wandlerlage, der ersten Elektrodenlage und der zweiten Elektrodenlage, aus der Trägerlage und der ersten Elektrodenlage durch Aufbringen der Wandlerlage und der zweiten Elektrodenlage oder aus der Trägerlage, der ersten Elektrodenlage und der Wandlerlage durch Aufbringen der zweiten Elektrodenlage gebildet werden. Der Schichtverbund kann so gebildet werden, dass die erste Elektrodenlage auf der Trägerlage angeordnet wird.
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Auf diese Weise können in wenigen Verfahrensschritten mehrere Ultraschallwandler gleichzeitig nebeneinander auf der Trägerlage aufgebracht werden, etwa um einen Ultraschalldurchflussmesser in Form eines Sensorarrays herzustellen. Besonders kostengünstig lässt sich der Ultraschalldurchflussmesser herstellen, wenn der Schichtverbund in einem drucktechnischen Verfahren gebildet wird.
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Der vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Ultraschalldurchflussmessers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2a, 2b, 2c schematische Darstellungen eines Ultraschallwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
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3a, 3b schematische Darstellungen eines Ultraschallwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung eines Ultraschallwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5a, 5b, 5c schematische Darstellungen eines Ultraschalldurchflussmessers mit einer Mehrzahl von Ultraschallwandlern gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
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6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Ultraschallwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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7 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Durchführen eines Herstellungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Ultraschalldurchflussmessers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Ultraschalldurchflussmesser 100 umfasst einen Ultraschallwandler 102, der beispielhaft auf einem Teilabschnitt eines Rohrs 104 aufgebracht ist, um mithilfe von Ultraschallwellen einen Durchfluss eines flüssigen oder gasförmigen Mediums 105 in dem Rohr 104 zu messen. Der Ultraschallwandler 102 weist einen flexiblen Aufbau auf, der eine Anpassung des Ultraschallwandlers 104 an eine Krümmung des Rohrs 104 ermöglicht. Beispielsweise ist der Ultraschallwandler 102 auf das Rohr 104 aufgeklebt. In dem in 1 dargestellten Messaufbau weist der Ultraschallwandler 102 beispielhaft eine rechteckige Form auf. Der Ultraschalldurchflussmesser 100 kann auch als Folien-Ultraschalldurchflussmesser bezeichnet werden.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Ultraschalldurchflussmesser 100 mit einem Durchflusszähler als Auswerteeinheit 106 ausgeführt, der mit dem Ultraschallwandler 102 gekoppelt ist, um den Durchfluss durch das Rohr 104 anzuzeigen.
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Der in 1 gezeigte Ultraschalldurchflussmesser 100 umfasst ferner einen weiteren Ultraschallwandler 108, der in geringem Abstand zum Ultraschallwandler 102 an dem Rohr 104 angebracht ist. Der weitere Ultraschallwandler 108 ist ebenfalls mit der Auswerteeinheit 106 verbunden.
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Beispielhaft ist der Ultraschallwandler 102 angeordnet, um Ultraschallwellen zu erfassen, die von dem weiteren Ultraschallwandler 108 ausgesendet und an einer Innenwandfläche des Rohrs 104 reflektiert werden. Analog dazu ist der weitere Ultraschallwandler 108 angeordnet, um Ultraschallwellen zu erfassen, die von dem Ultraschallwandler 102 ausgesendet und an der Innenwandfläche reflektiert werden. Eine jeweilige Strecke der von den beiden Ultraschallwandlern 102, 108 ausgesendeten Ultraschallwellen ist schematisch mit zwei Pfeilen markiert.
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Die 2a bis 2c zeigen schematische Darstellungen eines Ultraschallwandlers 102 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Bei dem Ultraschallwandler 102 handelt es sich beispielsweise um einen Ultraschallwandler, wie er anhand von 1 beschrieben ist. Der Ultraschallwandler 102 weist einen schichtartigen Aufbau mit einer ersten Elektrodenlage 200 und eine der ersten Elektrodenlage 200 gegenüberliegend angeordneten zweiten Elektrodenlage 202. Die beiden Elektrodenlagen 200, 202 sind beispielsweise als flexible Metallelektroden realisiert. Zwischen den Elektrodenlagen 200, 202 ist eine flexible Wandlerlage 204 angeordnet, die jeweils auf der ersten Elektrodenlage 202 aufliegt. Die Wandlerlage 204 ist zumindest teilweise aus einem piezoelektrischen Material gefertigt. Je nach Ausführungsform ist die Wandlerlage 204 alternativ oder zusätzlich aus einem elektrostatisch aufgeladenen oder aufladbaren Material gefertigt.
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In allen drei Figuren weist der Ultraschallwandler 102 zusätzlich eine Trägerlage 206 auf, auf der jeweils die erste Elektrodenlage 200 aufliegt. Die Trägerlage 206 dient der Stabilisierung des Ultraschallwandlers 102 und ist ähnlich wie die Wandlerlage 204 aus einem flexiblen Material, beispielsweise Kunststoff oder Papier, gefertigt. Ferner ist die zweite Elektrodenlage 202 mit einer Membran 207 bedeckt, die dem Ein- und Auskoppeln von Ultraschallwellen dient. Aufgrund des folienbasierten Aufbaus ist der Ultraschallwandler 102 als Ganzes elastisch biegsam.
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In 2a ist die zweite Elektrodenlage 202 in einem geringen Abstand zur Wandlerlage 204 angeordnet, sodass sich zwischen der Wandlerlage 202 und der zweiten Elektrodenlage 202 ein Luftspalt als Zwischenraum 208 ergibt. Die Wandlerlage 204 ist als Elektret realisiert. Die zweite Elektrodenlage 202 liegt auf einem Dichtelement 210 auf, das auf der Trägerlage 206 angeordnet ist, um den Zwischenraum 208 gegenüber einer Außenumgebung des Ultraschallwandlers 102 abzudichten. Die Wandlerlage 204 und die erste Elektrodenlage 200 sind innerhalb eines von dem Dichtelement 210 begrenzten Bereichs angeordnet. Beispielhaft weisen die Wandlerlage 204 und die erste Elektrodenlage 200 je eine geringere Breite als die zweite Elektrodenlage 202 mit der darauf befindlichen Membran 207 auf. Zusätzlich ist auf einer der zweiten Elektrodenlage 202 zugewandten Oberfläche der Wandlerlage 204 eine Vielzahl von Abstandhaltern 212 angeordnet, die dazu dienen, eine Berührung der Wandlerlage 204 und der zweiten Elektrodenlage 202 zu verhindern.
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In den 2b und 2c liegt die zweite Elektrodenlage 202 direkt auf der Wandlerlage 204 auf. Die Trägerlage 206, die erste Elektrodenlage 200, die Wandlerlage 204, die zweite Elektrodenlage 202 und die Membran 207 bilden somit einen kompakten Schichtverbund ohne Zwischenräume. In 2b ist die Wandlerlage 204 als Piezoelektret realisiert.
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In 2c sind die Elektrodenlagen 200, 202 durch einen piezoelektrischen Polymerfilm als Wandlerlage 204, beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid, voneinander getrennt.
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Gemäß den in den 2a bis 2c gezeigten Ausführungsbeispielen ist die erste Elektrodenlage 200 mit einem ersten Potenzialanschluss 214 und die zweite Elektrodenlage 202 mit einem zweiten Potenzialanschluss 216 kontaktiert, wobei die Potenzialanschlüsse 214, 216 je von einer Wechselspannungsquelle 218 gespeist sind. In 2a sind die Elektrodenlagen 200, 202 beispielhaft durch die Trägerlage 206 mit den Potenzialanschlüssen 214, 216 kontaktiert. Dabei kann die zweite Elektrodenlage 202 zusätzlich über das Dichtelement 210 mit dem zweiten Potenzialanschluss 216 kontaktiert sein.
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Durch Anlegen einer Wechselspannung an die Elektrodenlagen 200, 202 wird die auf der zweiten Elektrodenlage 202 befindliche Membran 207 jeweils mittels der Wandlerlage 204 in hochfrequente Schwingungen versetzt, die sich in Form von Ultraschallwellen ausgehend von der Membran 207 ausbreiten. Analog wird umgekehrt in der Wandlerlage 204 eine Wechselspannung erzeugt, wenn die Membran 207 durch auf sie eintreffende Ultraschallwellen in hochfrequente Schwingungen versetzt wird.
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Je nach Ausführungsform kann der Ultraschallwandler 102, auch Folien-Ultraschallwandler genannt, prinzipiell auf zwei Arten aufgebaut sein.
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Zum einen kann der Ultraschallwandler 102 mit einem piezoaktiven Polymer als Wandlerlage 204 realisiert sein, wie in 2c gezeigt. Das piezoaktive Polymer, beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder das Copolymer Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen (P(VDF-TrFE)), ist in Form einer Folie beidseitig mit einer Metallelektrode 200, 202 zur elektrischen Kontaktierung versehen. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung dehnt sich das piezoaktive Polymer aus. Bei Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung führt das Material eine hochfrequente Dickenschwingung aus, die eine Ultraschallwelle erzeugt. Umgekehrt erzeugt eine auf die Folie 204 auftreffende Ultraschallwelle eine Dickenschwingung, die im Material eine Wechselspannung in entsprechender Frequenz, d. h. das Signal der Ultraschallmessung, erzeugt.
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Zum anderen kann der Ultraschallwandler 102 als Elektretwandler ausgeführt sein, wie in 2a gezeigt. Elektrete sind Materialien, die dauerhaft elektrische Ladungsträger speichern können. Geeignete Materialien für eine als Elektret realisierte Wandlerlage 204 sind unter anderem Fluorpolymere, die als dünne, flexible Folien oder auch als Polymerlösungen verfügbar sind. Wird die Wandlerlage 204 elektrostatisch aufgeladen und ist dabei eine elastische, schwingungsfähige Membran 207 in definiertem Abstand zur aufgeladenen Wandlerlage 204 angeordnet, so wird ein Kondensator gebildet, der bei Anlegen einer Wechselspannung die elastische Membran 207 in Schwingung versetzt und bei Anlegen einer entsprechend hochfrequenten Wechselspannung eine Ultraschallwelle aussendet. Umgekehrt erzeugt eine auf die Membran 207 treffende Ultraschallwelle eine Wechselspannung in entsprechender Frequenz, die das Signal der Ultraschallmessung repräsentiert.
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Ein Sensoraufbau des Ultraschallwandlers 102 beruht grundsätzlich darauf, dass durch Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung die Membran 207 in Schwingung versetzt wird und dabei Ultraschall erzeugt. Je nach Ausführungsform wird diese Schwingung durch die Wandlerlage 204 entweder durch einen Piezoeffekt, etwa unter Verwendung eines piezoaktiven Polymers wie Polyvinylidenfluorid, Polyvinylidenfluorid-Trifluoroethylen oder Poly-3,4-ethylendioxythiophen:Polystyrensulfonat (PEDOT:PSS), oder durch elektrostatische Kräfte, etwa unter Verwendung eines Elektrets wie elektrostatisch aufgeladene Polymere, z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluorethylenpropylen (FEP) oder Perfluoralkoxy-Polymere (PFA), oder auch unter Verwendung eines Piezoelektrets wie beispielsweise Emfit erzeugt.
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Die 3a und 3b zeigen schematische Darstellungen eines Ultraschallwandlers 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Ultraschallwandler 102 entspricht dem in 2c gezeigten Ultraschallwandler. In 3a ist der Ultraschallwandler 102 in einem Ruhezustand gezeigt. Dabei liegt keine Wechselspannung an den Elektrodenlagen 200, 202 an. In 3b liegt eine Wechselspannung an den Elektrodenlagen 200, 202 an. Wie vorangehend beschrieben, ändert die Wandlerlage 204 alternierend ihre Dicke in Abhängigkeit von einer Frequenz der Wechselspannung. Dadurch werden Ultraschallschwingungen erzeugt. Eine Polarisationsrichtung in der Wandlerlage 204 ist jeweils mit Pfeilen gekennzeichnet.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ultraschallwandlers 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Ultraschallwandler 102 entspricht im Wesentlichen dem in 2a gezeigten Ultraschallwandler, mit dem Unterschied, dass ein Verbund aus der ersten Elektrodenlage 200 und der Trägerlage 206 horizontal versetzt zu einem Verbund aus der zweiten Elektrodenlage 202 und der Membran 207 angeordnet ist.
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Die 5a bis 5c zeigen schematische Darstellungen eines Ultraschalldurchflussmessers 100 mit einer Mehrzahl von Ultraschallwandlern 102 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Lediglich beispielhaft sind verschiedene Anordnungen von Sensorelementen in einem Sensorarray mit 18 Ultraschallwandlern 102 als Einzelelementen dargestellt. Der Ultraschalldurchflussmesser 100 ist beispielsweise als ultraflacher Ultraschalldurchflusssensor in Drucktechnologie hergestellt. Im Gegensatz zu dem anhand von 1 beschriebenen Ultraschalldurchflussmesser sind die Mehrzahl der Ultraschallwandler 102 auf einer gemeinsamen Trägerfolie, hier der Trägerlage 206, zu dem Sensorarray kombiniert. In 5a sind die Ultraschallwandler 102 in einer Reihe hintereinander angeordnet. In 5b sind die Ultraschallwandler 102 in drei Reihen und sechs Spalten arrangiert. In 5c sind die Ultraschallwandler 102 als Teil einer flexiblen Manschette 500 realisiert, die ausgeformt ist, um beispielsweise um einen Oberarm, ein Bein, einen Bauch oder einen sonstigen Körperteil gelegt zu werden. Das Sensorarray mit den Ultraschallwandlern 102 ist hier beispielhaft auf der Manschette 500 angeordnet. Dabei sind die Ultraschallwandler 102 in gleicher Weise wie in 5b angeordnet. Alternativ können die Ultraschallwandler 102 zusammen mit der Trägerlage 206 in die Manschette 500 eingearbeitet sein. Dabei kann die Trägerlage 206 als die Manschette 500 fungieren.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Manschette 500 einen ersten Manschettenanschluss 502 und einen zweiten Manschettenanschluss 504 auf, die mit den jeweiligen Elektrodenlagen der Ultraschallwandler 102 kontaktiert sind. An die Manschettenanschlüsse 502, 504 ist die Auswerteeinheit 106 angeschlossen, die eine Auswerteelektronik umfasst und beispielsweise gleichzeitig als Wechselspannungsquelle dient. In 5c ist die Auswerteeinheit 106 beispielhaft als ein externes, mobiles Gerät dargestellt. Alternativ kann die Auswerteeinheit 106 in entsprechend verkleinerter Form, etwa als Speicherchip, auch in die Manschette 500 integriert sein. Die Auswerteinheit 106 dient hier dem Speichern und Auslesen von Daten des Sensorarrays, die einen gemessenen Durchfluss durch das betreffende Körperteil repräsentieren. Beispielsweise ist die Auswerteeinheit 106 ausgebildet, um zum Durchführen von Langzeitmessungen über mehrere Stunden, Tage oder Wochen zusammen mit der Manschette 500 am Körper getragen zu werden.
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Die Manschette 500 ist beispielsweise ähnlich einer Manschette eines Blutdruckmessgeräts ausgeführt. Durch einen dünnen Hydrogelfilm zwischen Manschette 500 und Haut kann eine gute Einkopplung des Ultraschalls gewährleistet werden.
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Der Ultraschalldurchflussmesser 100 weist beispielsweise einen Frequenzbereich zwischen 1 MHz und 40 MHz sowie eine Leistung von 100 mW/cm2 auf.
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Geeignete Anwendungen in der Medizintechnik durch Anbringen des Ultraschalldurchflussmessers 100 am Körper sind beispielsweise Gefäßuntersuchungen in der Gefäßsonografie, Langzeittests oder die Langzeitüberwachung bei Schlaganfallpatienten oder bei Trombosegefahr, insbesondere bei älteren oder körperlich eingeschränkten Patienten, die Langzeitüberwachung kindlicher Herztöne während der Schwangerschaft, die endobronchiale Ultraschalldiagnostik (EBUS) von Lungenkarzinomen, Lymphomen oder anderer unklarer Lymphadenopathien sowie die Langzeitüberwachung von Risikopatienten zur Früherkennung.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Herstellen eines Ultraschallwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zunächst wird in einem Schritt 602 eine flexible Wandlerlage zum Wandeln einer elektrischen Spannung in Ultraschallwellen und/oder zum Wandeln von Ultraschallwellen in eine elektrische Spannung bereitgestellt, wobei die Wandlerlage zumindest teilweise aus einem piezoelektrischen und/oder elektrostatisch aufladbaren Material gefertigt ist. Je nach Ausführungsform wird zusätzlich oder alternativ eine erste Elektrodenlage oder eine zweite Elektrodenlage bereitgestellt.
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In einem weiteren Schritt 604 wird ein Schichtverbund aus der Wandlerlage, der ersten Elektrodenlage und der zweiten Elektrodenlage gebildet. Alternativ wird der Schichtverbund aus der Wandlerlage durch Aufbringen der ersten Elektrodenlage und der zweiten Elektrodenlage, aus der ersten Elektrodenlage durch Aufbringen der Wandlerlage und der zweiten Elektrodenlage oder aus der zweiten Elektrodenlage durch Aufbringen der Wandlerlage und der ersten Elektrodenlage gebildet. Das Bilden erfolgt so, dass die Wandlerlage auf der ersten Elektrodenlage und die zweite Elektrodenlage an einer von der ersten Elektrodenlage abgewandten Seite der Wandlerlage angeordnet wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 602 zusätzlich eine flexible Trägerlage bereitgestellt. Entsprechend wird im Schritt 604 der Schichtverbund aus der Trägerlage, der Wandlerlage, der ersten Elektrodenlage und der zweiten Elektrodenlage gebildet. Alternativ wird der Schichtverbund aus der Trägerlage durch Aufbringen der Wandlerlage, der ersten Elektrodenlage und der zweiten Elektrodenlage, aus der Trägerlage und der ersten Elektrodenlage durch Aufbringen der Wandlerlage und der zweiten Elektrodenlage oder aus der Trägerlage, der ersten Elektrodenlage und der Wandlerlage durch Aufbringen der zweiten Elektrodenlage gebildet. Der Fertigungsschritt des Aufbringens wird beispielsweise in einem Druckverfahren durchgeführt.
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7 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 700 zum Durchführen eines Herstellungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung dient beispielsweise der Durchführung eines Verfahrens zum Herstellen eines Ultraschallwandlers, wie es anhand von 6 beschrieben ist. Dazu umfasst die Vorrichtung 700 eine Einheit 702, die ausgebildet ist, um einen Verfahrensschritt zum Bereitstellen der Wandlerlage, der ersten Elektrodenlage oder der zweiten Elektrodenlage durchzuführen, sowie eine Einheit 704, die ausgebildet ist, um ansprechend auf die Durchführung des Verfahrensschritts zum Bereitstellen einen Verfahrensschritt zum Bilden eines Schichtverbunds zumindest aus der Wandlerlage und den beiden Elektrodenlagen durchzuführen.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
