WO2011073414A2 - Schwingfähiges system für einen ultraschallwandler und verfahren zur herstellung des schwingfähigen systems - Google Patents

Schwingfähiges system für einen ultraschallwandler und verfahren zur herstellung des schwingfähigen systems Download PDF

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WO2011073414A2
WO2011073414A2 PCT/EP2010/070128 EP2010070128W WO2011073414A2 WO 2011073414 A2 WO2011073414 A2 WO 2011073414A2 EP 2010070128 W EP2010070128 W EP 2010070128W WO 2011073414 A2 WO2011073414 A2 WO 2011073414A2
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piezoelectric element
membrane
oscillatory system
contact layer
electrical connection
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Franz Rinner
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Epcos Ag
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/0666—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface used as a diaphragm

Definitions

  • an ultrasonic transmitter or ultrasonic ⁇ receiver by means of which the distance to an obstacle can be determined.
  • An object to be solved is to provide a vibratory system for an ultrasonic transducer, which is inexpensive to manufacture.
  • an ultrasound transducer ⁇ an oscillatory system.
  • the system has a membrane supported by a pedestal.
  • a piezoelectric element is arranged on the membrane and connected in an electrically conductive manner to the membrane.
  • the system is used as an ultrasonic transmitter for delivering an ultrasonic signal.
  • the piezoelectric element is electrically excited by applying a voltage and thereby resulting in the element electric field.
  • the piezoelectric element expands or contracts, depending on the direction of the electric field, thereby causing the diaphragm to vibrate.
  • the base is formed such that it forms together with the membrane a resonator body, for example, has the shape of a drum, which by the vibrations of the
  • Membrane is excited in its resonant frequency and thus emits an ultrasonic signal.
  • the system can be used simultaneously or alternatively as an ultrasonic receiver.
  • an ultrasonic signal for example after reflection at an obstacle, strikes the membrane, whereupon it is excited to oscillate. This results in a deformation, for example, an expansion or contraction of the piezoelectric
  • the membrane and at least the part of the base adjacent to the membrane are electrically conductive and electrically conductively connected to each other.
  • an electrical contact to an outside of the membrane is electrically conductive and electrically conductively connected to each other.
  • piezoelectric element can be made via the base and the membrane.
  • the piezoelectric element is attached to the membrane by means of an electrically conductive adhesive.
  • the adhesive may be disposed in the form of a layer between the piezoelectric element and the membrane.
  • the adhesive is an electrically conductive adhesive.
  • the adhesive can be used in this case both for electrical contacting and for fixing the piezoelectric element to the membrane. In particular, an electrical contact to the piezoelectric element via the base, the membrane and the electrically conductive
  • Adhesive are running running. This allows a particularly simple and space-saving electrical
  • piezoelectric element which is passed over the adhesive, already takes place during the attachment and therefore no additional process step is needed.
  • the membrane and the base are made in one piece.
  • the base and the membrane can as
  • Main component contain aluminum or consist entirely of aluminum.
  • the pedestal with the diaphragm forms a drum which can be excited to vibrate at its resonant frequency.
  • the system has a first electrical
  • the membrane is electrically conductively connected to the base, so that a contacting of the piezoelectric element via the base and the membrane can take place.
  • the first electrical connection is arranged on the base and, preferably, attached to the base. At a Attachment of the first connection is at the base, z. B. compared with a mounting of the first terminal on the piezoelectric element, a relatively large
  • the system also has a second one
  • the second electrical connection is attached to an outer side of the piezoelectric element.
  • the second electrical connection is on
  • the piezoelectric element is attached to the membrane with a first outer side
  • the second connection is attached to the second outer side opposite the first outer side.
  • the second outer side is preferably facing a cavity bounded by the base and the membrane.
  • the bonding wires may have the same material as the socket.
  • the bonding wires may have the same material as the socket.
  • the piezoelectric element preferably has the shape of a small plate.
  • the first outside and the second Outside are, for example, the opposite major surfaces of the plate ⁇ .
  • piezoelectric element is an electrically conductive
  • the second electrical connection is at the
  • the electrically conductive contact layer By means of the electrically conductive contact layer, a particularly reliable contacting of the piezoelectric element by the second electrical connection can be achieved. In addition, the contact layer allows a reliable attachment of the second terminal to the piezoelectric element.
  • the contact layer comprises a
  • the z. B. contains as the main component aluminum. This is particularly advantageous if the second electrical connection is also the main component
  • the base, the membrane, the contact layer, the first and the second electrical connection contain the same material as the main component.
  • a particularly good electrical connection of the individual elements is possible.
  • both connections can be made of the same material, so that the system can be manufactured inexpensively.
  • the electrically conductive contact layer has as few recesses as possible.
  • the piezoelectrically active part of the piezoelectric element can be formed as large as possible.
  • the entire surface of the first outer side can be used to generate an electric field. This allows compared to contact layers, the one
  • the same external side of the piezoelectric element can be mounted, a miniaturization of the system with a piezoactively active part of the same size
  • the outside of the piezoelectric Preferably, the outside of the piezoelectric
  • the electrically conductive extends
  • piezoelectric element Particularly preferred is a contact layer on the opposite outer side
  • the piezoelectric element As example, the piezoelectric element
  • Main surfaces of the element extend, the piezoelectric active part of the piezoelectric element can be maximized.
  • the contact layer is arranged only on an outer side of the piezoelectric element and all other outer sides are free of the material of the contact layer.
  • Adhesive can be reliably produced by the contact layer. Preferably belong to an outside of the contact layer.
  • piezoelectric element all outer surfaces of the element, which are oriented in the same direction.
  • the piezoelectric element has two major surfaces located on two opposite sides of the element
  • the contact layer is in this case preferably only on one of
  • a piezoelectric element and a membrane are provided, which are supported by a pedestal is.
  • the electrically conductive adhesive is applied to at least one of the amount of the membrane and the piezoelectric element.
  • the adhesive may be applied only to the membrane or only to the piezoelectric element. It is also possible to apply the adhesive to both the membrane and the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element is attached to the membrane so that attachment of the element to the membrane is achieved by the electrically conductive adhesive.
  • the piezoelectric element can be pressed against the membrane so as to achieve a reliable as possible attachment.
  • a first electrical connection and a second electrical connection for applying a voltage to the piezoelectric element can be provided.
  • the terminals as a main component contain a material from the amount of silver, aluminum, copper.
  • the terminals are formed as bonding wires.
  • the first electrical connection is fastened, for example, to the base, so that an electrically conductive connection is made from the connection to the base.
  • the second electrical connection is attached to the piezoelectric element.
  • the attachment of the electrical connections can take place before or after the attachment of the piezoelectric element to the membrane.
  • a contact layer on a first electrical connection is fastened, for example, to the base, so that an electrically conductive connection is made from the connection to the base.
  • the second electrical connection is attached to the piezoelectric element.
  • the attachment of the electrical connections can take place before or after the attachment of the piezoelectric element to the membrane.
  • a contact layer on a first electrical connection is fastened, for example, to the base, so that an electrically conductive connection is made from the connection to the base.
  • the second electrical connection is attached to the piezoelectric element.
  • the attachment of the electrical connections can take place before or after the attachment of the piezoelectric element to the membrane.
  • a contact layer on a first electrical connection is
  • the contact layer is preferably before the step of
  • the contact layer is a metallization baked on the piezoelectric element
  • the material of the metallization can through
  • the metallization contains one or more components from the amount containing silver, aluminum and copper.
  • the contact layer is only on one of
  • an ultrasonic transducer which is a membrane, which is supported by a socket and a
  • the piezoelectric element which is arranged on the membrane has.
  • the piezoelectric element is electrically connected to the membrane.
  • Ultrasonic transducers have all the features of the oscillatory system described above.
  • FIG. 1 is a sectional view of a vibratable system for an ultrasonic transducer
  • Figure 2 is a plan view of the back of the oscillatory
  • Figure 3 shows a detail of the swingable
  • FIG. 1 shows a vibratory system 1 which can be used in an ultrasound transducer and in particular an ultrasound sensor.
  • the oscillatory system 1 serves as part of an ultrasonic transmitter or
  • the oscillatory system 1 has a base 2, on whose upper side 21 a vibratable membrane 4 is arranged.
  • the membrane 4 and the base 2 are made of one piece.
  • the base 2 and the membrane 4 contain aluminum as a main component.
  • Resonant frequency can be excited.
  • a piezoelectric element 3 is attached in the form of a small plate.
  • the piezoelectric element 3 is fixed to an inner side 41 of the membrane 4 and thus arranged within a cavity 24 formed by the base 2 and the membrane 4.
  • the piezoelectric element 3 is fixed to the membrane 4 by means of an electrically conductive adhesive (not shown here).
  • a first electrical connection 7 and a second electrical connection 6 are provided.
  • the terminals 6, 7 can also be used to detect an applied between the outer sides 31, 32 electrical voltage.
  • the terminals 6, 7 are formed as bonding wires.
  • the second electrical terminal 6 is fixed to the outer side 31 of the piezoelectric element 3, which faces the cavity 24.
  • the first electrical connection 7 is at
  • Socket 2 attached.
  • Adhesive for fixing the piezoelectric element 3 are electrically conductive and electrically conductively connected to each other.
  • the piezoelectric element 3 expands or contracts perpendicular to its main extension plane 34. This leads to a deformation of the membrane 4 and as a result to a vibration of the membrane 4 in a direction 35 perpendicular to the main extension plane 34.
  • the drum is preferably at its resonant frequency
  • FIG. 2 shows a plan view of a rear side 12 (see FIG. 1) of the oscillatable system 1.
  • the base 2 has a tubular shape and has a cavity 24 which is delimited by the membrane 4 at one end.
  • the cavity 24 here has an elliptical circumferential line. Depending on the desired radiation characteristic of the cavity 24 may also have a different shape.
  • the piezoelectric element 3 has the shape of a plate with a
  • the second terminal 6 is attached in the form of a bonding wire.
  • the first terminal 7 is fixed to the underside 22 of the base 2.
  • the contact layer 8 is completely on the first
  • FIG. 3 shows in detail the attachment of the piezoelectric element 3 to the membrane 4.
  • the piezoelectric element 3 is fixed to the membrane 4 by means of the conductive adhesive 5.
  • the adhesive 5 produces a positive and sufficiently rigid attachment of the piezoelectric element 3 to the membrane.
  • the conductive adhesive 5 is disposed between the diaphragm 4 and the piezoelectric element 3 and covers the membrane-facing outside 32 of the piezoelectric
  • the electrically conductive adhesive 5 has the shape of a layer and completely covers the outer side 32 of the piezoelectric element 3 facing the membrane. In this way, the piezoelectrically active part of the
  • the adhesive 5 also produces an electrical connection between the first outer side 32 and the membrane 4, so that an electrical voltage can be applied between the first 31 and the second outer side 32 via the adhesive 5. Since the base 2, the membrane 4 and the adhesive 5 are electrically conductive, the electrical voltage can be applied by means of a first terminal 7 fixed to the base 2 and one on an outer side 31 of the piezoelectric element 3

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

Es wird ein schwingfähiges System (1) für einen Ultraschallwandler angegeben. Das System (1) weist eine Membran (4) auf, die von einem Sockel (2) getragen wird. Zudem weist das System (1) ein piezoelektrisches Element (3) auf, das mittels eines elektrisch leitfähigen Haftmittels (5) an der Membran (4) befestigt ist. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines schwingfähigen Systems (1) für einen Ultraschallwandler angegeben.

Description

Beschreibung
Schwingfähiges System für einen Ultraschallwandler und
Verfahren zur Herstellung des schwingfähigen Systems
Es wird ein schwingfähiges System für einen Ultraschall¬ wandler angegeben. Das schwingfähige System dient
beispielsweise als Ultraschallsender oder Ultraschall¬ empfänger, mittels dessen die Entfernung zu einem Hindernis ermittelt werden kann.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein schwingfähiges System für einen Ultraschallwandler anzugeben, das kostengünstig herzustellen ist.
Es wird ein schwingfähiges System für einen Ultraschall¬ wandler angegeben. Das System weist eine Membran auf, die von einem Sockel getragen wird. An der Membran ist ein piezoelektrisches Element angeordnet und elektrisch leitend mit der Membran verbunden.
Beispielsweise wird das System als Ultraschallsender zum Abgeben eines Ultraschallsignals eingesetzt. Dazu wird das piezoelektrische Element durch Anlegen einer Spannung und ein dadurch im Element entstehendes elektrisches Feld elektrisch angeregt. Das piezoelektrische Element dehnt sich je nach Richtung des elektrischen Feldes aus oder zieht sich zusammen und versetzt dadurch die Membran in Schwingung. Vorzugsweise ist der Sockel derart ausgebildet, dass er zusammen mit der Membran einen Resonanzkörper bildet, der beispielsweise die Form einer Trommel hat, die durch die Schwingungen der
Membran in ihrer Resonanzfrequenz angeregt wird und so ein Ultraschallsignal aussendet. Das System kann gleichzeitig oder alternativ dazu auch als Ultraschallempfänger eingesetzt werden. Hierbei trifft ein Ultraschallsignal, beispielsweise nach der Reflexion an einem Hindernis, auf die Membran, worauf diese zu Schwingungen angeregt wird. Dabei entsteht eine Deformation, zum Beispiel eine Ausdehnung oder Kontraktion des piezoelektrischen
Elements, wodurch dieses ein elektrisches Signal erzeugt. Aus der Zeitspanne zwischen dem Senden des Ultraschallsignals und dem Ankommen des Ultraschallsignals kann der Abstand zum Hindernis ermittelt werden.
Durch die elektrisch leitende Verbindung des piezoelektrischen Elements mit der Membran wird eine elektrische Kontaktierung des Elements über die Membran ermöglicht. Dies erlaubt eine größere Freiheit bei der Anordnung und der
Befestigung eines elektrischen Kontakts als bei einer
Anbringung eines separaten elektrischen Anschlusselements, z. B. eines Kontaktdrahtes, direkt an einer Außenseite des piezoelektrischen Elements.
Vorzugsweise sind die Membran und zumindest der Teil des Sockels, der an die Membran angrenzt, elektrisch leitfähig und elektrisch leitend miteinander verbunden. In diesem Fall kann ein elektrischer Kontakt zu einer Außenseite des
piezoelektrischen Elements über den Sockel und die Membran hergestellt werden.
Vorzugsweise ist das piezoelektrische Element mittels eines elektrisch leitfähigen Haftmittels an der Membran befestigt. Das Haftmittel kann in Form einer Schicht zwischen dem piezoelektrischen Element und der Membran angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Haftmittel ein elektrisch leitfähiger Klebstoff. Das Haftmittel kann in diesem Fall sowohl zur elektrischen Kontaktierung als auch zur Befestigung des piezoelektrischen Elements an der Membran eingesetzt werden. Insbesondere kann ein elektrischer Kontakt zum piezoelektrischen Element über den Sockel, die Membran und das elektrisch leitfähige
Haftmittel verlaufend hergestellt werden. Dies ermöglicht eine besonders einfache und platzsparende elektrische
Kontaktierung des piezoelektrischen Elements, da die
Herstellung der elektrischen Kontaktierung des
piezoelektrischen Elements, die über das Haftmittel geführt ist, schon bei der Befestigung erfolgt und deshalb kein zusätzlicher Prozessschritt benötigt wird.
Beispielsweise sind die Membran und der Sockel aus einem Stück gefertigt. Der Sockel und die Membran können als
Hauptbestandteil Aluminium enthalten oder ganz aus Aluminium bestehen. Vorzugsweise bildet der Sockel mit der Membran eine Trommel, die zu Schwingungen bei ihrer Resonanzfrequenz angeregt werden kann.
Vorzugsweise weist das System einen ersten elektrischen
Anschluss zur Kontaktierung des piezoelektrischen Elements auf .
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste
elektrische Anschluss elektrisch leitend mit der Membran verbunden. Vorzugsweise ist die Membran elektrisch leitend mit dem Sockel verbunden, so dass eine Kontaktierung des piezoelektrischen Elements über den Sockel und die Membran erfolgen kann.
Beispielsweise ist der erste elektrische Anschluss am Sockel angeordnet und, vorzugsweise, am Sockel befestigt. Bei einer Befestigung des ersten Anschlusses am Sockel steht, z. B. verglichen mit einer Befestigung des ersten Anschlusses am piezoelektrischen Element, eine relativ große
Befestigungsfläche zur Verfügung. Dies erlaubt eine einfache und kostengünstige Herstellung der Kontaktierung .
Vorzugsweise weist das System zudem einen zweiten
elektrischen Anschluss auf, so dass mittels des ersten und des zweiten elektrischen Anschlusses eine Spannung an das piezoelektrische Element angelegt werden kann.
Beispielsweise ist der zweite elektrische Anschluss an einer Außenseite des piezoelektrischen Elements befestigt.
Vorzugsweise ist der zweite elektrische Anschluss an
derjenigen Außenseite des piezoelektrischen Elements befestigt, die der Membran abgewandt ist. Beispielsweise ist das piezoelektrische Element mit einer ersten Außenseite an der Membran befestigt und der zweite Anschluss an der der ersten Außenseite gegenüberliegenden, zweiten Außenseite angebracht. Die zweite Außenseite ist vorzugsweise einem Hohlraum zugewandt, der vom Sockel und der Membran begrenzt wird .
Beispielsweise sind die elektrischen Anschlüsse als
Bonddrähte ausgebildet. Die Bonddrähte können das gleiche Material wie der Sockel aufweisen. Beispielsweise enthält zumindest der erste elektrische Anschluss als Haupt¬ bestandteil Aluminium.
Das piezoelektrische Element weist vorzugsweise die Form eines Plättchens auf. Die erste Außenseite und die zweite Außenseite sind beispielsweise die einander gegenüber¬ liegenden Hauptflächen des Plättchens.
In einer Ausführungsform ist auf einer Außenseite des
piezoelektrischen Elements eine elektrisch leitende
Kontaktschicht angeordnet. Vorzugsweise ist die
Kontaktschicht auf der Außenseite angeordnet, an der der zweite elektrische Anschluss befestigt ist. Besonders
bevorzugt ist der zweite elektrische Anschluss an der
Kontaktschicht befestigt.
Mittels der elektrisch leitenden Kontaktschicht kann eine besonders zuverlässige Kontaktierung des piezoelektrischen Elements durch den zweiten elektrischen Anschluss erreicht werden. Zudem ermöglicht die Kontaktschicht eine zuverlässige Befestigung des zweiten Anschlusses am piezoelektrischen Element .
Beispielsweise umfasst die Kontaktschicht eine
Metallisierung, die z. B. als Hauptbestandteil Aluminium enthält. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der zweite elektrische Anschluss ebenfalls als Hauptbestandteil
Aluminium enthält. Besonders bevorzugt enthalten der Sockel, die Membran, die Kontaktschicht, der erste und der zweite elektrische Anschluss dasselbe Material als Hauptbestandteil. In diesem Fall ist eine besonders gute elektrische Verbindung der einzelnen Elemente möglich. Zudem können beide Anschlüsse aus demselben Material gefertigt werden, sodass das System kostengünstig hergestellt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die
Kontaktschicht vollflächig über die Außenseite des piezoelektrischen Elements, an der der zweite Anschluss befestigt ist.
Bei einer vollflächigen Erstreckung bedeckt die
Kontaktschicht diese Außenseite möglichst vollständig.
Insbesondere weist die elektrisch leitende Kontaktschicht möglichst keine Ausnehmungen auf.
Auf diese Weise kann der piezoelektrisch aktive Teil des piezoelektrischen Elements möglichst groß ausgebildet werden. Insbesondere kann die gesamte Fläche der ersten Außenseite zum Erzeugen eines elektrischen Feldes genutzt werden. Dies erlaubt im Vergleich zu Kontaktschichten, die eine
Strukturierung in Form von Ausnehmungen aufweisen, so dass z. B. zwei Anschlüsse unterschiedlicher Polarität an der
gleichen Außenseite des piezoelektrischen Elements angebracht werden können, eine Miniaturisierung des Systems bei einem gleich großen piezoelektrisch aktiven Teil des
piezoelektrischen Elements.
Vorzugsweise ist die Außenseite des piezoelektrischen
Elements, an der der zweite Anschluss angebracht ist,
rotationssymmetrisch und zugleich vollflächig von der
Kontaktschicht bedeckt. Dadurch können sich sowohl die
Empfangs- als auch die Sendeeigenschaften des Systems
verbessern .
Vorzugsweise erstreckt sich das elektrisch leitfähige
Haftmittel vollflächig über eine Außenseite des
piezoelektrischen Elements. Besonders bevorzugt ist auf der gegenüberliegenden Außenseite eine Kontaktschicht
aufgebracht . Beispielsweise ist das piezoelektrische Element
scheibenförmig ausgebildet, wobei die erste und die zweite Außenseite des Elements dessen Hauptflächen bilden. Im Fall, dass sich die Kontaktschicht und das elektrisch leitfähige Haftmittel jeweils vollflächig über gegenüberliegende
Hauptflächen des Elements erstrecken, kann der piezoelektrisch aktive Teil des piezoelektrischen Elements maximiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kontaktschicht nur auf einer Außenseite des piezoelektrischen Elements angeordnet und alle anderen Außenseiten frei vom Material der Kontaktschicht sind.
Auf diese Weise können die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Elements verbessert werden. Zudem kann eine elektrische Isolation des elektrisch leitfähigen
Haftmittels von der Kontaktschicht zuverlässig hergestellt werden. Vorzugsweise gehören zu einer Außenseite des
piezoelektrischen Elements alle Außenflächen des Elements, die in dieselbe Richtung orientiert sind. Beispielsweise weist das piezoelektrische Element zwei Hauptflächen, die sich auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Elements
befinden, sowie mehrere Seitenflächen auf. Die Kontaktschicht ist in diesem Fall vorzugsweise nur auf einer der
Hauptflächen angeordnet, so dass die gegenüberliegende
Hauptfläche und die Seitenflächen frei vom Material der
Kontaktschicht sind.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines
schwingfähigen Systems für einen Ultraschallwandler
angegeben. Dabei werden ein piezoelektrisches Element und eine Membran bereitgestellt, die von einem Sockel getragen ist. Zudem wird ein elektrisch leitfähiges Haftmittel
bereitgestellt. Vorzugsweise wird auf wenigstens ein Element aus der Menge enthaltend die Membran und das piezoelektrische Element das elektrisch leitfähige Haftmittel aufgebracht. Beispielsweise kann das Haftmittel nur auf die Membran oder nur auf das piezoelektrische Element aufgebracht werden. Es ist auch möglich, das Haftmittel sowohl auf die Membran als auch auf das piezoelektrische Element aufzubringen.
Das piezoelektrische Element wird an der Membran angebracht, sodass eine Befestigung des Elements an der Membran durch das elektrisch leitfähige Haftmittel hergestellt wird. Dabei kann das piezoelektrische Element an die Membran angedrückt werden, um so eine möglichst zuverlässige Befestigung zu erzielen .
In weiteren Schritten des Verfahrens können ein erster elektrischer Anschluss und ein zweiter elektrischer Anschluss zum Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Element bereitgestellt werden. Vorzugsweise enthalten die Anschlüsse als Hauptbestandteil ein Material aus der Menge Silber, Aluminium, Kupfer. Beispielsweise sind die Anschlüsse als Bonddrähte ausgebildet.
Der erste elektrische Anschluss wird beispielsweise am Sockel befestigt, sodass eine elektrisch leitfähige Verbindung vom Anschluss zum Sockel hergestellt wird. Der zweite elektrische Anschluss wird am piezoelektrischen Element befestigt. Die Befestigung der elektrischen Anschlüsse kann dabei vor oder nach dem Anbringen des piezoelektrischen Elements an der Membran erfolgen. Vorzugsweise wird eine Kontaktschicht auf eine erste
Außenseite des piezoelektrischen Elements aufgebracht. Die Kontaktschicht wird vorzugsweise vor dem Schritt der
Befestigung des piezoelektrischen Elements an der Membran aufgebracht. Der zweite elektrische Anschluss wird
vorzugsweise an der Kontaktschicht befestigt.
Beispielsweise ist die Kontaktschicht als eine auf dem piezoelektrischen Element eingebrannte Metallisierung
ausgebildet. Das Material der Metallisierung kann durch
Siebdruck oder in einem Sputterprozess aufgebracht werden. Beispielsweise enthält die Metallisierung ein oder mehrere Bestandteile aus der Menge enthaltend Silber, Aluminium und Kupfer .
Vorzugsweise wird die Kontaktschicht nur auf eine der
Außenseiten des piezoelektrischen Elements aufgebracht, sodass alle anderen Außenseiten frei vom Material der
Kontaktschicht sind.
Weiterhin wird ein Ultraschallwandler angegeben, der eine Membran, die von einem Sockel getragen wird und ein
piezoelektrisches Element, das an der Membran angeordnet ist, aufweist. Das piezoelektrische Element ist elektrisch leitend mit der Membran verbunden. Insbesondere kann der
Ultraschallwandler alle Merkmale des oben beschriebenen schwingfähigen Systems aufweisen.
Im Folgenden werden die hier beschriebenen Gegenstände anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Schnittansicht eines schwingfähigen Systems für einen Ultraschallwandler,
Figur 2 eine Aufsicht auf die Rückseite des schwingfähigen
Systems aus Figur 1,
Figur 3 einen Detailausschnitt aus dem schwingfähigen
System aus Figur 1.
Figur 1 zeigt ein schwingfähiges Systems 1, das in einem Ultraschallwandler und insbesondere einem Ultraschallsensor eingesetzt werden kann. Das schwingfähige System 1 dient dabei als Teil eines Ultraschallsenders oder
Ultraschallempfängers .
Das schwingfähige System 1 weist einen Sockel 2 auf, an dessen Oberseite 21 eine schwingfähige Membran 4 angeordnet ist. Die Membran 4 und der Sockel 2 sind aus einem Stück gefertigt. Beispielsweise enthalten der Sockel 2 und die Membran 4 als Hauptbestandteil Aluminium. Der Sockel 2 bildet zusammen mit der Membran 4 eine Trommel, die in ihrer
Resonanzfrequenz angeregt werden kann.
An der Membran 4 ist ein piezoelektrisches Element 3 in Form eines Plättchens befestigt. Das piezoelektrische Element 3 ist an einer Innenseite 41 der Membran 4 befestigt und damit innerhalb eines vom Sockel 2 und der Membran 4 gebildeten Hohlraums 24 angeordnet. Das piezoelektrische Element 3 ist mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs (hier nicht dargestellt) an der Membran 4 befestigt.
Zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen einer ersten 31 und einer zweiten Außenseite 32 des piezoelektrischen Elements 3 sind ein erster elektrischer Anschluss 7 und ein zweiter elektrischer Anschluss 6 vorgesehen. Die Anschlüsse 6, 7 können auch zur Erfassung einer zwischen den Außenseiten 31, 32 anliegenden elektrischen Spannung dienen.
Die Anschlüsse 6, 7 sind als Bonddrähte ausgebildet. Der zweite elektrische Anschluss 6 ist an der Außenseite 31 des piezoelektrischen Elements 3 befestigt, die dem Hohlraum 24 zugewandt ist. Der erste elektrische Anschluss 7 ist am
Sockel 2 befestigt. Der Sockel 2, die Membran 4 und der
Klebstoff zur Befestigung des piezoelektrischen Elements 3 sind elektrisch leitfähig und elektrisch leitend miteinander verbunden .
Wenn das System 1 zum Senden eines Ultraschallsignals
verwendet wird, wird mittels der Anschlüsse 6, 7 eine
Spannung zwischen der ersten 32 und der zweiten Außenseite 31 angelegt. Das piezoelektrische Element 3 dehnt sich senkrecht zu seiner Haupterstreckungsebene 34 aus oder zieht sich zusammen. Dies führt zu einer Deformation der Membran 4 und infolge dessen zu einer Schwingung der Membran 4 in einer Richtung 35 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 34. Die Trommel wird vorzugsweise bei ihrer Resonanzfrequenz
angeregt, die beispielsweise bei zirka 50 kHz liegt.
Bei der Verwendung des Systems zum Empfangen eines
Ultraschallsignals wird die Membran 4 durch ein eintreffendes Ultraschallsignal in Schwingung versetzt. Aufgrund der daraus entstehenden Verbiegung des piezoelektrischen Elements 3 wird eine elektrische Spannung zwischen den Anschlüssen 6, 7 erzeugt. Aus der Zeitdifferenz zwischen Senden und Empfangen eines Ultraschallsignals kann der Abstand zu einem Hindernis ermittelt werden. Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf eine Rückseite 12 (siehe Figur 1) des schwingfähigen Systems 1. Der Sockel 2 ist röhrenförmig ausgebildet und weist einen Hohlraum 24 auf, der an einem Ende von der Membran 4 begrenzt wird. Der Hohlraum 24 weist hier eine ellipsenförmige Umfangslinie auf. Je nach gewünschter Abstrahlcharakteristik kann der Hohlraum 24 auch eine andere Form aufweisen. Auf der dem Hohlraum 24
zugewandten Innenseite 41 der Membran 4 ist das
piezoelektrische Element 3 befestigt. Das piezoelektrische Element 3 weist die Form eines Plättchens mit einem
kreisförmigen Umfang auf.
An einer Außenseite 31 des piezoelektrischen Elements 3 ist der zweite Anschluss 6 in Form eines Bonddrahts befestigt. Der erste Anschluss 7 ist an der Unterseite 22 des Sockels 2 befestigt .
Die Kontaktschicht 8 ist vollflächig auf der ersten
Außenseite 31 des piezoelektrischen Elements 3 aufgebracht und erstreckt sich somit über die gesamte erste Außenseite 31.
Figur 3 zeigt im Detail die Befestigung des piezoelektrischen Elements 3 an der Membran 4.
Das piezoelektrische Element 3 ist mittels des leitfähigen Klebstoffs 5 an der Membran 4 befestigt. Der Klebstoff 5 stellt eine formschlüssige und ausreichend steife Befestigung des piezoelektrischen Elements 3 an der Membran her. Der leitfähige Klebstoff 5 ist zwischen der Membran 4 und dem piezoelektrischen Element 3 angeordnet und bedeckt die der Membran zugewandte Außenseite 32 des piezoelektrischen
Elements 3, sowie einen Teil der Innenseite 41 der Membran 4. Der elektrisch leitfähige Klebstoff 5 weist die Form einer Schicht auf und bedeckt die der Membran zugewandte Außenseite 32 des piezoelektrischen Elements 3 vollständig. Auf diese Weise ist der piezoelektrisch aktive Teil des
piezoelektrischen Elements 3 möglichst groß ausgebildet.
Zudem stellt der Klebstoff 5 auch eine elektrische Verbindung der ersten Außenseite 32 mit der Membran 4 her, so dass über den Klebstoff 5 eine elektrische Spannung zwischen der ersten 31 und der zweiten Außenseite 32 angelegt werden kann. Da der Sockel 2, die Membran 4 und der Klebstoff 5 elektrisch leitfähig sind, kann die elektrische Spannung mittels eines am Sockel 2 befestigten ersten Anschlusses 7 und eines an einer Außenseite 31 des piezoelektrischen Elements 3
befestigten zweiten Anschlusses 6 angelegt werden.
Bezugs zeichenliste
1 Schwingfähiges System
11 Vorderseite
12 Rückseite
2 Sockel
21 Oberseite
22 Unterseite
24 Hohlraum
3 piezoelektrisches Element
31 erste Außenseite
32 zweite Außenseite
34 Haupterstreckungsebene
35 Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene 36, 37 weitere Außenseiten
4 Membran
41 Innenseite
5 elektrisch leitfähiger Klebstoff
6 zweiter elektrischer Anschluss
7 erster elektrischer Anschluss
8 Kontaktschicht

Claims

Patentansprüche
1. Schwingfähiges System für einen Ultraschallwandler mit einer Membran (4), die von einem Sockel (2) getragen wird, und mit einem piezoelektrischen Element (3) , das an der Membran (4) angeordnet ist und elektrisch leitend mit der Membran (4) verbunden ist.
2. Schwingfähiges System nach Anspruch 1,
bei dem das piezoelektrische Element (3) mittels eines elektrisch leitfähigen Haftmittels (5) an der Membran befestigt ist.
3. Schwingfähiges System nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit einem ersten elektrischen Anschluss (7) zum Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Element (3) , wobei der erste elektrische Anschluss (7) elektrisch leitend mit der Membran (2) verbunden ist.
4. Schwingfähiges System nach Anspruch 3,
bei dem der erste elektrische Anschluss (7) am Sockel
(2) angeordnet ist.
5. Schwingfähiges System nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem zweiten elektrischen Anschluss (6) zum Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Element (3) , der an einer Außenseite (31) des piezoelektrischen Elements
(3) befestigt ist.
6. Schwingfähiges System nach Anspruch 5,
bei dem auf der Außenseite (31) eine elektrisch leitende Kontaktschicht (8) angeordnet ist.
7. Schwingfähiges System nach Anspruch 6,
bei dem der zweite Anschluss (6) an der Kontaktschicht (8) befestigt ist.
8. Schwingfähiges System nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem sich die Kontaktschicht (8) vollflächig über die Außenseite (31) erstreckt.
9. Schwingfähiges System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Kontaktschicht (8) nur auf einer Außenseite (31) angeordnet ist und alle anderen Außenseiten (32, 36, 37) des piezoelektrischen Elements (3) frei vom Material der Kontaktschicht (8) sind.
10. Schwingfähiges System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Haftmittel (5) als elektrisch leitfähiger Klebstoff ausgebildet ist.
11. Schwingfähiges System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das piezoelektrische Element (3) die Form eines Plättchens aufweist.
12. Verfahren zur Herstellung eines schwingfähigen Systems für einen Ultraschallwandler, umfassend die Schritte
A) Bereitstellen eines piezoelektrischen Elements (3) und einer von einem Sockel (2) getragenen Membran (4),
B) Bereitstellen eines elektrisch leitfähigen
Haftmittels (5) und
C) Anbringen des piezoelektrischen Elements (3) an die Membran (4), so dass eine Befestigung durch das
elektrisch leitfähige Haftmittel (5) hergestellt wird. Verfahren nach Anspruch 12 mit den zusätzlichen
Schritten
D) Bereitstellen eines ersten elektrischen Anschlusses (7) und eines zweiten elektrischen Anschlusses (6) zum
Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Element (3) ,
E) Befestigen des zweiten elektrischen Anschlusses (6) am piezoelektrischen Element (3) .
F) Befestigen des ersten elektrischen Anschlusses (7) am Sockel (2 ) .
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13 mit dem zusätzlichen Schritt
G) Aufbringen einer Kontaktschicht (8) auf eine
Außenseite (31) des piezoelektrischen Elements (3).
Verfahren nach Anspruch 14,
wobei in Schritt G) die Kontaktschicht (8) nur auf eine Außenseite (31) des piezoelektrischen Elements (3) aufgebracht wird, so dass alle anderen Außenseiten (32, 36, 37) des piezoelektrischen Elements (3) frei vom Material der Kontaktschicht (8) sind.
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