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WO2008152058A1 - Ultraschallsensor - Google Patents

Ultraschallsensor Download PDF

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Publication number
WO2008152058A1
WO2008152058A1 PCT/EP2008/057293 EP2008057293W WO2008152058A1 WO 2008152058 A1 WO2008152058 A1 WO 2008152058A1 EP 2008057293 W EP2008057293 W EP 2008057293W WO 2008152058 A1 WO2008152058 A1 WO 2008152058A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
matching layer
coating method
layers
impedance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/057293
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Berger
Achim Wiest
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of WO2008152058A1 publication Critical patent/WO2008152058A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/666—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters by detecting noise and sounds generated by the flowing fluid
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/03—Assembling devices that include piezoelectric or electrostrictive parts

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic sensor with an im
  • Sound beam of the ultrasonic sensor arranged matching layer which is arranged between two layers of different materials or can be arranged, wherein it is a piezoelectric element in the first layer to which electrodes are mounted such that it emits ultrasonic measurement signals along the sound beam and receives.
  • Corresponding ultrasonic sensors are used in clamp-on or inline ultrasonic flowmeters, as offered by the applicant under the name PROSONIC FLOW in different configurations. Furthermore, ultrasonic sensors are used in the distance measurement.
  • Corresponding ultrasonic level gauges are offered and distributed by the ENDRESS + HAUSER group of companies.
  • the ultrasonic sensor according to the invention is preferably used in process automation, but also for example in medical technology.
  • Achieving ultrasonic waves through two adjacent materials with a relatively large impedance difference is advantageous for introducing an intermediate layer of material with an impedance between the two impedances Z1 and Z2. Maximized transmission can be achieved when the impedance of the spacer meets the following relationship.
  • a piezoceramic which is usually used in ultrasonic sensors as a transmitting and receiving element for the ultrasonic waves, an acoustic impedance, which is approximately in the range of about 30 MRayl. If ultrasonic sensors are used for measuring the flow of a medium in a pipeline, then a relatively high reflection component is to be expected, since water has an acoustic impedance of about 1.5 MRayl.
  • plastics such as those used for pipelines are also located in the same area. The acoustic impedance of plastics lies in the range between 1.5 ... 4 MRayl. For example, PVC has an acoustic impedance of 3 MRayl.
  • this impedance Z3 does not occur in conventional materials, materials are often used that have an impedance that are close to this optimum impedance.
  • glass with an impedance Z - 13 ... 15 MRayl or aluminum with an impedance Z ⁇ 17MRayl is used as the material for this so-called matching layer.
  • a further optimization of the signal strength is about the thickness of the Adjustment layer to achieve, since at a thickness which corresponds to the quarter of wavelength I, in addition, a very good transmission of the sound waves due to interference effects occurs.
  • a quarter-wave layer usually referred to by a quarter-wave layer.
  • the invention has for its object to propose an ultrasonic sensor with optimized transmission behavior.
  • the object is achieved in that the matching layer is applied to the piezoelectric element via a screen printing method, a powder coating method, a sputtering method, a CVD coating method, a PVD coating method, a spin coating method, or a galvanic coating method.
  • the advantage of the invention can best be explained by means of an example: If it is designed as a matching layer as a quarter-wave layer and consists of aluminum, it has in the MHz range in which the usual frequencies of the ultrasonic measurement signals are settled, a thickness which is less than 0.5 mm. At approx. 6 MHz, thicknesses of approx. 0.26 mm can be expected. Considering the strength of an adhesive bond provided in the prior art solutions between the piezoelectric element and the matching layer of aluminum, it can reach a thickness of 0.26 mm. The adhesive layer is very similar to plastic in terms of its transmission behavior. Consequently, at the interface: piezoelectric element - adhesive takes place an undesirable reflection.
  • the coating method according to the invention for example the screen printing method, it is possible to glasses, metals, ceramics, etc. thin layer in the range of a few hundredths of a millimeter to apply.
  • an aluminum layer with a thickness of eg 0.03 ... 0.06 mm can be applied directly to a glass layer or to a piezoelectric layer.
  • An advantage of the ultrasonic sensor according to the invention is the fact that it can be dispensed with the disturbing adhesive layer between the piezoelectric element and matching layer.
  • the relatively high temperature of about 600 ° C which is needed for curing of the pastes and which is above the Curie temperature about 350 °, does not cause the piezoelectric elements lose their piezoelectric properties, allowed with the matching layer directly coated piezoelectric elements are polarized only after printing.
  • the adjustment layer consists of several layers, which successively on the piezoelectric layer or on the previously by the screen printing method, the powder coating method, the sputtering method, the CVD coating method, the PVD coating method, the spin coating method or via the electroplating process applied layer of the matching layer are applied.
  • the matching layer if in the matching layer, a structure is introduced, which focuses the ultrasonic measurement signals.
  • the Matching layer introduced structure the shape of a concave lens or a Fresnel lens.
  • an advantageous embodiment of the device according to the invention provides that a potting or an adhesive is provided between the matching layer and the second layer.
  • the second layer is the wall of a pipeline through which a fluid medium flows.
  • the matching layer is preferably made of glass, ceramic, plastic, of a semiconductor material or of a metal. Furthermore, it is particularly advantageous if the matching layer has a thickness which corresponds essentially to a quarter wavelength or an odd integral multiple of the quarter wavelength of the ultrasonic measuring signals.
  • the advantage of this embodiment is to be seen in an optimization of the signal strength, since at a thickness which shows the aforementioned dimensions, a very good transmission due to interference effects arises. It should be noted, however, that this permeability is frequency-dependent.
  • Matching layer provides that the piezoelectric element has a first acoustic impedance, that the second layer has a second acoustic impedance and that the at least one matching layer has a third impedance, which - averaged at the operating frequency of the ultrasonic sensor - between the acoustic impedance of the piezoelectric element and the acoustic impedance of the second layer.
  • the coating method according to the invention it is possible via the coating method according to the invention to give the matching layer a desired structure.
  • the structure is created by stepwise covering or releasing corresponding areas when individual layers are applied in successive successive coating processes.
  • the structure by an erosive process, such as etching, laser or milling, in an adjustment layer is incorporated.
  • an advantageous embodiment of the ultrasonic sensor according to the invention provides that at least one adaptation layer consists of a mixture of different components. Furthermore, it is proposed that the materials of the different layers of the matching layer are chosen so that the impedances of the individual layers gradually approach the impedance of the second layer. This achieves a 'flowing' transition in the area of the sound beam. Also, alternate construction of high and low impedance layers is possible. In this case, the respective thickness of the layers is advantageously smaller than the smallest wavelength or smaller than VA of the wavelength.
  • the adaptation layer composed of a plurality of layers consists of different materials in selected regions, each layer, however, being constructed such that it forms a closed surface in each case.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an ultrasonic sensor mounted on a pipeline in a second embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an ultrasonic sensor mounted on a pipeline in FIG a third embodiment.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of an ultrasonic sensor 1 according to the invention, which is mounted on the wall 6 of a pipeline.
  • the ultrasonic sensor 1 has - with regard to the impedances of the individual layers 3a, 3b - a matched piezoelectric element 2.
  • the immediately - ie without adhesive - applied to the piezoelectric element matching layer 3 is applied in two layers 3a, 3b.
  • the layers 3a, 3b also consist of the same material, if larger layer thicknesses are to be realized.
  • Screen printing process can be any thickness of the matching layer 3 realize. Furthermore, it is possible to bring a too thick matching layer 3 subsequently by a removal process to the desired thickness. As a result of the fact that the adaptation layer 3 or the individual layers 3a, 3b of the matching layer 3 are applied directly to the piezoelectric element 2, the interfering adhesive layer can be dispensed with an impedance which deviates greatly from the adjacent materials and significantly influences the sound beam.
  • the piezoelectric element 2 has an acoustic wave
  • Impedance of about 30 MRayl it may be in the first layer 3a of the matching layer 3 to an aluminum layer with an acoustic impedance of 17 MRayl and the second layer 3b to a glass layer with an acoustic impedance of 11 ... 17 MRayl , As already stated above, it is advantageous if both layers 3a, 3b each have a layer thickness d fl , d h which corresponds to a quarter wavelength or an odd integer multiple of a quarter wavelength.
  • the adhesive or the coupling layer 5 has an acoustic impedance of about 1.5 ... 4 MRayl.
  • the second layer or the wall 6 of the pipeline which also has an acoustic impedance of about 1.5 MRayl if it is made of plastic.
  • the impedance can be varied almost continuously from layer to layer over different materials with low impedance differences. This means a very good adaptation and thus little loss.
  • the ultrasonic sensor 1 according to the invention can be manufactured simply and inexpensively. Furthermore, the producibility is improved.
  • the adaptation layer 3 is composed here of four layers 3a, 3b, 3c, 3d; however, it can also be more layers.
  • a step-shaped structure 8 arranged radially and / or symmetrically about the central axis of the piezoelectric element 2 is introduced, which has the shape of a concave lens.
  • the staircase-shaped structure 8 has arisen by e.g. in the case of the screen printing method as a coating method, for each layer 3a, 3b, 3c, 3d a screen with correspondingly shaped and different masks is used.
  • the individual layers 3a, 3b, 3c, 3d can - as already stated - be made of the same material, e.g. made of aluminum with a speed of sound of 6,300 m / sec, or made of different materials.
  • a correspondingly thick matching layer 3 which in turn may consist of several layers 3a, 3b, 3c, 3d, subsequently introduce the structure 8 by a removal process. Suitable methods are all known methods of a mechanical or chemical nature.
  • the ultrasonic measurement signals are focused in the case shown in the region of the wall 6 of the pipeline.
  • the focus can be set by appropriate design of the structure 8 at any point in the sound beam.
  • a potting or an adhesive is provided which has, for example, a speed of sound of 2,500 m / sec. By choosing the materials, the focusing effect can also be shaped.
  • Embodiment of an ultrasonic sensor 1 mounted on a pipe differs from the embodiment shown in Fig. 2 only by the introduced into the matching layer 3 structure 9:
  • the structure 9 has the shape of a Fresnel lens. With this configuration can be at small thickness of the structured layer to achieve the desired focusing effect.
  • LIST OF REFERENCE NUMBERS Ultrasonic sensor piezoelectric element Adaptation layer a first layer b second layer c third layer d fourth layer e fifth layer a electrode b electrode potting / adhesive / coupling mat / grease wall of the pipeline / second layer acoustic beam structure structure

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor (1) mit einer im Schallstrahl (7) des Ultraschallsensors (1) angeordneten Anpassungsschicht (3), die zwischen zwei Schichten (2, 6) aus unterschiedlichen Materialien angeordnet ist, wobei es sich bei der ersten Schicht um ein piezoelektrisches Element (2) handelt, wobei an dem piezoelektrischen Element (2) Elektroden (4a, 4b) derart angebracht sind, dass es Ultraschall-Messsignale entlang des Schallstrahls (7) aussendet und empfängt. Zur Optimierung der Transmission der Ultraschall-Messsignale ist die Anpassungsschicht (3) über ein Siebdruckverfahren, ein Pulverbeschichtungsverfahren, ein Sputterverfahren, ein CVD-Beschichtungsverfahren, ein PVD-Beschichtungsverfahren oder über ein galvanisches Beschichtungsverfahren aufgebracht.

Description

Beschreibung
Ultraschallsensor
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallsensor mit einer im
Schallstrahl des Ultraschallsensors angeordneten Anpassungsschicht, die zwischen zwei Schichten aus unterschiedlichen Materialien angeordnet ist bzw. angeordnet sein kann, wobei es sich bei der ersten Schicht um ein piezoelektrisches Element handelt, an dem Elektroden derart angebracht sind, dass es Ultraschall-Messsignale entlang des Schallstrahls aussendet und empfängt. Entsprechende Ultraschallsensoren kommen zum Einsatz bei Clamp-On- oder Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräten, wie sie von der Anmelderin unter der Bezeichnung PROSONIC FLOW in unterschiedlichen Ausgestaltungen angeboten werden. Weiterhin werden Ultraschallsensoren in der Abstandsmessung eingesetzt. Entsprechende Ultraschall-Messgeräte zur Füllstandsmessung werden von der Firmengruppe ENDRESS+HAUSER angeboten und vertrieben. Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Ultraschall-sensor in der Prozessautomatisierung, aber beispielsweise auch in der Medizintechnik einsetzbar.
[0002] Im Schallstrahl eines Ultraschallsensors sind oft unterschiedlichste
Materialien angeordnet. Jedes Material hat seine eigene und häufig zu einem anderen Material recht unterschiedliche akustische Impedanz Z. Andererseits ähneln sich viele Materialien, wie z.B. Gase, Flüssigkeiten und Kunststoffe, in ihrer akustischen Impedanz Z.
[0003] Die Auswirkung der unterschiedlichen Impedanzen von zwei aneinander-grenzenden Materialien ist an der Grenzfläche der Materialien sichtbar: Haben zwei Materialien eine unterschiedliche akustische Impedanz Z1 , Z2, so tritt an der Grenzfläche eine Reflektion auf, die die Ultraschall- bzw. Schall-Messsignale auf ihrem Weg in das nächste Material schwächt. Bei senkrechten Einfall - dem einfachsten Fall - liegt die Reflektion bei einem Anteil, der sich folgendermaßen errechnen lässt:
Z2 + ZX [0004] Die Reflektion R und die Transmission T stehen in einer einfachen Beziehung zueinander: T = I - R [0005] Um eine höhere Transmission beim Durchgang von Schall- bzw.
Ultraschallwellen durch zwei angrenzende Materialien mit einem relativ großen Impedanzunterschied zu erreichen, ist die Einführung einer Zwischenlage aus einem Material mit einer Impedanz von Vorteil, die zwischen den beiden Impedanzen Z1 und Z2 liegt. Eine maximierte Transmission lässt sich erreichen, wenn die Impedanz der Zwischenlage folgende Beziehung erfüllt.
Z3 = Λ/Z1 X Z2
[0006] So hat eine Piezokeramik, die üblicherweise in Ultraschallsensoren als Sende- und Empfangselement für die Ultraschallwellen zum Einsatz kommt, eine akustische Impedanz, die etwa im Bereich von ca. 30 MRayl liegt. Werden Ultraschallsensoren zur Durchflussmessung eines Mediums in einer Rohrleitung eingesetzt, so ist folglich mit einem relativ hohen Reflektionsanteil zu rechnen, da Wasser eine akustische Impedanz von ca. 1.5 MRayl hat. Im gleichen Bereich sind übrigens auch Kunststoffe, wie sie beispielsweise für Rohrleitungen eingesetzt werden, angesiedelt. Die akustische Impedanz von Kunststoffen liegt im Bereich zwischen 1.5...4 MRayl. Beispielsweise hat PVC eine akustische Impedanz von 3 MRayl.
[0007] Aufgrund des Zuvorgesagten treten beim Übergang der Schall- bzw.
Ultraschallwellen in ein mit Wasser gefülltes Kunststoff röhr Reflektionen auf. Zur Minimierung der Verluste an Schallenergie wird üblicherweise eine Anpassungsschicht eingeführt. Diese besteht aus einem Material, das im günstigsten Fall die folgende Impedanz aufweist: Z3 = V30 χ3 = 9.4MRayl.
[0008] Da exakt diese Impedanz Z3 bei üblichen Materialien nicht vorkommt, werden häufig Materialien eingesetzt, die eine Impedanz haben, die in der Nähe dieser optimalen Impedanz liegen. Vielfach wird als Material für diese sog. Anpassungsschicht Glas mit einer Impedanz Z - 13...15 MRayl oder Aluminium mit einer Impedanz Z ~ 17MRayl verwendet.
[0009] Eine weitere Optimierung der Signalstärke ist über die Dicke der Anpassungs-schicht zu erreichen, da bei einer Dicke, die dem Viertel der Wellenlänge I entspricht, zusätzlich eine sehr gute Durchlässigkeit für die Schallwellen aufgrund von Interferenzeffekte auftritt. In diesem Zusammenhang wird üblicherweise von einer Lambda-Viertel-Schicht gesprochen. Zu beachten ist, dass die Durchlässigkeit der Lambda-Viertel-Schicht abhängig ist von der Frequenz f der Schallwellen. Insbesondere gilt hier folgende Beziehung: I = c / f wobei c der Schallgeschwindigkeit des entsprechenden Materials entspricht.
[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor mit optimierten Transmissionsverhalten vorzuschlagen.
[0011] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Anpassungsschicht über ein Siebdruckverfahren, ein Pulverbeschichtungsverfahren, ein Sputterverfahren, ein CVD-Beschichtungsverfahren, ein PVD-Beschichtungsverfahren, ein Spin-Coating-Verfahren oder über ein galvanische Beschichtungsverfahren auf das piezoelektrische Element aufgebracht ist.
[0012] Der Vorteil der Erfindung lässt sich am besten anhand eines Beispiels erläutern: Ist die als Anpassungsschicht als Lambda-Viertel-Schicht ausgebildet und besteht sie aus Aluminium, so hat sie im MHz-Bereich, in dem die üblichen Frequenzen der Ultraschall-Messsignale angesiedelt sind, eine Dicke, die kleiner ist als 0.5 mm. Bei ca. 6 MHz ist mit Dicken von ca. 0.26 mm zu rechnen. Betrachtet man die Stärke einer Klebeverbindung, die bei den Lösungen des Standes der Technik zwischen dem piezoelektrischen Element und der Anpassungsschicht aus Aluminium vorgesehen ist, so kann diese eine Dicke von 0.26 mm erreichen. Die Klebeschicht zeigt hinsichtlich ihres Transmissionsverhaltens eine große Ähnlichkeit mit Kunststoff auf. Folglich erfolgt an der Grenzfläche: piezoelektrisches Element - Klebstoff eine unerwünschte Reflektion.
[0013] Durch das erfindungsgemäß verwendete Beschichtungsverfahren, z.B. das Siebdruckverfahren, ist es möglich auf Gläser, Metalle, Keramiken, usw. dünne Schichte im Bereich von wenigen hundertstel Millimeter zu applizieren. Beispielsweise kann eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von z.B. 0.03 ... 0.06 mm direkt auf eine Glasschicht oder auf eine piezoelektrische Schicht appliziert werden.
[0014] Beim Siebdruck werden Pasten durch ein Netz bzw. ein Sieb gepresst. Mit der Viskosität der Paste und der Dichte des Siebes lässt sich die Schichtdicke in gewissen Grenzen steuern. Werden dickere Schichten benötigt, wird mehrfach bedruckt. Ist die Stärke der aufgedruckten Schicht über das jeweils gewählte Auftragungsverfahren zu ungenau, so kann eine zu dicke Schicht nachfolgend über ein Abtragungsverfahren auf die benötigte Dicke gebracht werden. Die Abtragung erfolgt beispielsweise über einen Schleifprozess, das sog. Läppen, mit dem eine zu dicke Schicht sehr präzise auf das geforderte Mass gebracht werden kann.
[0015] Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors ist darin zu sehen, dass auf die störende Klebeschicht zwischen piezoelektrischem Element und Anpassungsschicht verzichtet werden kann. Damit die relativ hohe Temperatur von ca. 600°C, die zum Aushärten der Pasten benötigt wird und die oberhalb der Curie-Temperatur ca. 350° liegt, nicht dazu führt, dass die piezoelektrischen Elemente ihre piezoelektrischen Eigenschaften verlieren, dürfen die mit der Anpassungsschicht direkt beschichteten piezoelektrischen Elemente erst nach dem Bedrucken polarisiert werden.
[0016] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Ultraschallsensors besteht die Anpassungsschicht aus mehreren Lagen, die sukzessive über das Siebdruckverfahren, das Pulverbeschichtungsverfahren, das Sputterverfahren, das CVD-Beschichtungsverfahren, das PVD-Beschichtungsverfahren, das Spin-Coating-Verfahren oder über das galvanische Beschichtungsverfahren auf die piezoelektrische Schicht bzw. auf die zuvor aufgebrachte Lage der Anpassungsschicht aufgebracht sind.
[0017] Als besonders günstig wird es im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor angesehen, wenn in die Anpassungsschicht eine Struktur eingebracht ist, die die Ultraschall-Messsignale fokussiert. Beispielsweise weist die in die Anpassungsschicht eingebrachte Struktur die Form einer konkaven Linse oder einer Fresnel-Linse auf.
[0018] Weiterhin sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass zwischen der Anpassungsschicht und der zweiten Schicht ein Verguss oder ein Klebstoff vorgesehen ist. Beispielswiese handelt es sich bei der zweiten Schicht um die Wandung einer Rohrleitung, die von einem fluiden Medium durchströmt wird.
[0019] Bevorzugt besteht die Anpassungsschicht aus Glas, Keramik, Kunststoff, aus einem Halbleitermaterial oder aus einem Metall. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Anpassungsschicht eine Dicke aufweist, die im wesentlichen einer Viertel Wellenlänge oder einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen der Viertel Wellenlänge der Ultraschall-Messsignale entspricht. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist in einer Optimierung der Signalstärke zu sehen, da bei einer Dicke, die die zuvor genannten Abmessungen zeigt, eine sehr gute Durchlässigkeit infolge von Interferenzeffekten entsteht. Zu beachten ist allerdings, dass diese Durchlässigkeit frequenzabhängig ist.
[0020] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Anpassungsschicht sieht vor, dass das piezoelektrische Element eine erste akustische Impedanz aufweist, dass die zweite Schicht eine zweite akustische Impedanz aufweist und dass die zumindest eine Anpassungsschicht eine dritte Impedanz aufweist, die - gemittelt bei der Betriebsfrequenz des Ultraschallsensors - zwischen der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Elements und der akustischen Impedanz der zweiten Schicht liegt.
[0021] Zuvor wurde bereits erwähnt, dass es über das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren möglich ist, der Anpassungsschicht eine gewünschte Struktur zu geben. Beispielsweise wird die Struktur durch schrittweises Abdecken bzw. Freigeben von entsprechenden Bereichen geschaffen, wenn einzelne Schichten werden in sukzessive aufeinanderfolgenden Beschichtungsverfahren aufgebracht.
[0022] Alternativ ist vorgesehen, dass die Struktur durch einen abtragenden Prozess, wie Ätzen, Lasern oder Fräsen, in eine Anpassungsschicht eingearbeitet ist.
[0023] Weiterhin sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors vor, dass zumindest die eine Anpassungsschicht aus einem Gemisch von unterschiedlichen Komponenten besteht. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Materialien der unterschiedlichen Lagen der Anpassungsschicht so gewählt sind, dass sich die Impedanzen der einzelnen Lagen sukzessive an die Impedanz der zweiten Schicht annähern. Hierdurch wird ein 'fließender' Übergang im Bereich des Schallstrahls erreicht. Ebenfalls ist ein abwechselnder Aufbau von Lagen mit hoher und niedriger Impedanz möglich. Hierbei ist die jeweilige Dicke der Lagen vorteilhafter Weise kleiner als die kleinste Wellenlänge bzw. kleiner als VA der Wellenlänge.
[0024] Darüber hinaus ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors vorgesehen, dass die aus mehreren Lagen zusammengesetzte Anpassungsschicht in ausgewählten Bereichen aus unterschiedlichen Materialien besteht, wobei jede Schicht jedoch so aufgebaut ist, dass sie jeweils eine geschlossene Oberfläche bildet.
[0025] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines an einer Rohrleitung montierten Ultraschallsensors in einer ersten Ausgestaltung, Fig. 2: eine schematische Darstellung eines an einer Rohrleitung montierten Ultraschallsensors in einer zweiten Ausgestaltung und Fig. 3: eine schematische Darstellung eines an einer Rohrleitung montierten Ultraschallsensors in einer dritten Ausgestaltung.
[0026] Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors 1 , der an der Wandung 6 einer Rohrleitung montiert ist. Der Ultraschallsensor 1 hat - im Hinblick auf die Impedanzen der einzelnen Lagen 3a, 3b - ein angepasstes piezoelektrisches Element 2. Die unmittelbar - also ohne Klebstoff - auf das piezoelektrische Element aufgebrachte Anpassungsschicht 3 ist in zwei Lagen 3a, 3b aufgebracht. Selbstverständlich können die Lagen 3a, 3b auch aus dem gleichen Material bestehen, wenn größere Schichtdicken realisiert werden sollen.
[0027] Durch wiederholtes Auftragen der Lagen 3a, 3b z.B. im
Siebdruckverfahren lassen sich beliebige Dicken der Anpassungsschicht 3 realisieren. Weiterhin ist es möglich, eine zu dicke Anpassungsschicht 3 nachfolgend durch einen Abtragungsprozess auf die gewünschte Dicke zu bringen. Dadurch dass die Anpassungsschicht 3 bzw. die einzelnen Lagen 3a, 3b der Anpassungsschicht 3 direkt auf das piezoelektrische Element 2 aufgetragen sind, kann die störende Klebeschicht mit einer von den angrenzenden Materialien stark abweichenden und den Schallstrahl erheblich beeinflussenden Impedanz entfallen.
[0028] Hat beispielsweise das piezoelektrische Element 2 eine akustische
Impedanz von ca. 30 MRayl, so kann es sich bei der ersten Lage 3a der Anpassungsschicht 3 um eine Aluminiumschicht mit einer akustischen Impedanz von 17 MRayl und bei der zweiten Lage 3b um eine Glasschicht mit einer akustischen Impedanz von 11 ... 17 MRayl handeln. Wie bereits zuvor gesagt, ist es vorteilhaft, wenn beide Lagen 3a, 3b jeweils eine Schichtdicke dfl , dh aufweisen, die einer Viertel Wellenlänge oder einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen einer Viertel Wellenlänge entspricht. Der Klebstoff bzw. die Ankopplungsschicht 5 hat eine akustische Impedanz von ca. 1.5...4 MRayl. Daran schließt sich die zweite Schicht bzw. die Wandung 6 der Rohrleitung an, die gleichfalls eine akustische Impedanz von ca. 1.5 MRayl aufweist, wenn sie aus Kunststoff gefertigt ist. Generell lässt sich sagen, dass beim Auftragen einer Vielzahl von Lagen 3a, 3b die Impedanz von Lage zu Lage über verschiedene Materialien mit geringen Impedanzunterschieden nahezu kontinuierlich variiert werden kann. Dies bedeutet eine sehr gute Anpassung und somit wenig Verluste.
[0029] Dadurch dass das piezoelektrische Element 2 klebemittelfrei mit den
Lagen 3a, 3b der Anpassungsschicht 3 verbunden ist, ist die Transmission der Ultraschall-Messsignale relativ ungestört und die an den Grenzflächen reflektierten Signalanteile sind relativ gering. Darüber hinaus lässt sich der erfindungsgemäße Ultraschallsensor 1 einfach und kostengünstig fertigen. Weiterhin wird die Produzierbarkeit verbessert.
[0030] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung eines an einer Rohrleitung 6 montierten Ultraschallsensors 2. Die Anpassungs-schicht 3 setzt sich hier aus vier Lagen 3a, 3b, 3c, 3d zusammen; es können jedoch auch mehr Lagen sein. In die einzelnen Lagen 3a, 3b, 3c, 3d ist eine um die Mittelachse des piezoelektrischen Elements 2 radial und/oder symmetrisch angeordnete treppenförmige Struktur 8 eingebracht, die die Form einer konkaven Linse aufweist. Die treppenförmige Struktur 8 ist dadurch entstanden, dass z.B. im Falle des Siebdruckverfahrens als Auftragungsverfahren, für jede Lage 3a, 3b, 3c, 3d ein Sieb mit entsprechend geformten und unterschiedlichen Masken verwendet wird. Die einzelnen Lagen 3a, 3b, 3c, 3d können - wie bereits gesagt - aus dem gleichen Material, z.B. aus Aluminium mit einer Schallgeschwindigkeit von 6.300 m/sec, oder aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, in eine entsprechend dicke Anpassungsschicht 3, die wiederum aus mehreren Lagen 3a, 3b, 3c, 3d bestehen kann, nachfolgend die Struktur 8 durch ein Abtragungsverfahren einzubringen. Geeignete Verfahren sind alle bekannten Verfahren mechanischer oder chemischer Natur.
[0031] Infolge der in die Anpassungsschicht 3 eingeprägten Struktur 8 werden die Ultraschall-Messsignale im gezeigten Fall im Bereich der Wandung 6 der Rohrleitung fokussiert. Generell lässt sich der Fokus durch entsprechende Ausgestaltung der Struktur 8 an jede beliebige Stelle im Schallstrahl setzen. Zwischen der Anpassungsschicht 3 und der Wandung 6 der Rohrleitung ist ein Verguss oder ein Klebstoff vorgesehen, der beispielsweise eine Schallgeschwindigkeit von 2.500 m/sec aufweist. Durch die Wahl der Materialien lässt sich die fokussierende Wirkung gleichfalls mit gestalten.
[0032] Die in Fig. 3 gezeigte schematische Darstellung einer dritten
Ausgestaltung eines an einer Rohrleitung montierten Ultraschallsensors 1 unterscheidet sich von der in Fig. 2 gezeigten Ausgestaltung lediglich durch die in die Anpassungsschicht 3 eingebrachte Struktur 9: Die Struktur 9 hat die Form einer Fresnel-Linse. Mit dieser Ausgestaltung lässt sich bei geringer Dicke der strukturierten Schicht die gewünschte fokussierende Wirkung erzielen. Bezugszeichenliste Ultraschallsensor piezoelektrisches Element Anpassungsschicht a erste Lage b zweite Lage c dritte Lage d vierte Lage e fünfte Lage a Elektrode b Elektrode Verguss / Klebstoff / Koppelmatte / Fett Wandung der Rohrleitung / zweite Schicht Schallstrahl Struktur Struktur

Claims

Ansprüche
1. 1. Ultraschallsensor (1) mit einer im Schallstrahl (7) des Ultraschallsensors (1) angeordneten Anpassungsschicht (3), die zwischen zwei Schichten (2, 6) aus unterschiedlichen Materialien angeordnet ist, wobei es sich bei der ersten Schicht um ein piezoelektrisches Element (2) handelt, wobei an dem piezoelektrischen Element (2) Elektroden (4a, 4b) derart angebracht sind, dass es Ultraschall-Messsignale entlang des Schallstrahls (7) aussendet und empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsschicht (3) über ein Siebdruckverfahren, ein Pulver-beschichtungsverfahren, ein Sputterverfahren, ein CVD-Beschichtungs-verfahren, ein PVD-Beschichtungsverfahren, ein Spin-Coating-Verfahren oder über ein galvanische Beschichtungsverfahren aufgebracht ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsschicht (3) aus mehreren Lagen (3a, 3b, 3c, 3d) besteht, die sukzessive über das Siebdruckverfahren, das Pulverbeschichtungs-verfahren, das Sputterverfahren, das CVD-Beschichtungsverfahren, das PVD-Beschichtungsverfahren, das Spin-Coating-Verfahren oder über das galvanische Beschichtungsverfahren aufgebracht sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Anpassungsschicht (3) eine Struktur (8, ) eingebracht ist, die die Ultraschall-Messsignale fokussiert.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Anpassungsschicht (3) eingebrachte Struktur (8) die Form einer konkaven Linse aufweist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Anpassungsschicht (3) eingebrachte Struktur (9) die Form einer Fresnel-Linse aufweist.
6. 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Anpassungsschicht (3) und der zweiten Schicht (6) ein Verguss oder ein Klebstoff (5) vorgesehen ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der zweiten Schicht (6) um die Wandung (6) einer Rohrleitung handelt, die von einem fluiden Medium durchströmt oder benetzt wird.
8. 8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsschicht (3) aus Glas, SoI-GeI, Keramik, Kunststoff, aus einem Halbleitermaterial, einer organischen Verbindung oder aus einem Metall besteht.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsschicht (3) eine Dicke ( d} ) aufweist, die im wesentlichen einer Viertel Wellenlänge oder einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen der Viertel Wellenlänge der Ultraschall-Messsignale entspricht.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,2, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (2) eine erste akustische Impedanz (Z1) aufweist, dass die zweite Schicht (6) eine zweite akustische Impedanz (Z2) aufweist und dass die zumindest eine Anpassungsschicht (3) eine dritte Impedanz (Z3) aufweist, die - gemittelt bei der Betriebsfrequenz des Ultraschallsensors (1) - zwischen der akustischen Impedanz (Z1) des piezoelektrischen Elements (2) und der akustischen Impedanz (Z2) der zweiten Schicht (6) liegt.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (8, 9) durch schrittweises Abdecken bzw. Freigeben der entsprechenden Bereiche bei dem zum Einsatz kommenden Auftragungs-verfahren in die Anpassungsschicht (3) eingearbeitet ist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (8, 9) durch einen abtragenden Prozess, wie Ätzen, Lasern oder Fräsen, in die Anpassungsschicht (3) eingearbeitet ist.
13. 13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest einlagige Anpassungsschicht (3) aus einem Gemisch von unterschiedlichen Komponenten besteht.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien der unterschiedlichen Lagen (3a, 3b, 3c, 3d) der Anpassungsschicht (3) so gewählt sind, dass sich die Impedanz der einzelnen Lagen (3a, 3b, 3c, 3d) sukzessive an die Impedanz (Z2) der zweiten Schicht (6) annähert.
15. 15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (3a, 3b, 3c, 3d) der Anpassungsschicht (3) in ausgewählten Bereichen aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei jede Lage (3a, 3b, 3c, 3d so aufgebaut ist, dass sie jeweils eine geschlossene Oberfläche bildet.
16. 16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die gewünschte Struktur (8, 9) aus einer Vielzahl von einzelnen aufgetragenen Lagen besteht
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