DE102014221495A1 - Ultrasonic transducer, ultrasonic flowmeter and method of manufacturing an ultrasonic transducer - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler (102) mit 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 und einer zweiten Elektrodenlage, die an einer von der ersten Elektrodenlage abgewandten Seite der Wandlerlage angeordnet ist. Die Wandlerlage ist zumindest teilweise aus einem piezoelektrischen und/oder elektrostatisch aufladbaren Material gefertigt.The invention relates to an ultrasonic transducer (102) having a first electrode layer, a flexible transducer layer arranged on the first electrode layer for converting an electrical voltage into ultrasonic waves and / or for converting ultrasonic waves into an electrical voltage and a second electrode layer which is connected to one of the first Electrode layer facing away from the transducer layer is arranged. The converter layer is at least partially made of a piezoelectric and / or electrostatically chargeable material.

Description

Stand der TechnikState of the art

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.The present invention relates to an ultrasonic transducer, to an ultrasonic flowmeter, to a method for manufacturing an ultrasonic transducer, to a corresponding device and to a corresponding computer program.

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.Flow is one of the most important parameters in automatic process control today. Flow measurement is becoming more and more important as fluids are increasingly being used in new applications, such as water, steam, compressed air, natural gas, oil, food, chemicals and pharmaceuticals in millions of lines in industrial production.

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.Ultrasound systems enable accurate and cost-effective flow measurement from the outside without interrupting the process. The flow measurement can be carried out in both flow directions, which usually causes no pressure losses.

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.Conventional systems for volume flow measurement by means of ultrasound are based for example on piezoceramic ultrasonic transducers, which usually have a height of several millimeters and are realized as rigid structures. Ultrasonic measuring technology based on piezoceramic transducers can therefore usually only be attached to rigid conduit systems.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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.Against this background, with the approach presented here, an ultrasonic transducer, an ultrasonic flowmeter, a method for producing an ultrasonic transducer, furthermore a device which uses this method, and finally a corresponding computer program according to the main claims are presented. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.

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.The approach proposed here creates an ultrasonic transducer with the following features:
a first electrode layer;
a flexible transducer layer arranged on the first electrode layer for converting an electrical voltage into ultrasonic waves and / or for converting ultrasonic waves into an electrical voltage, the transducer layer being made at least partially from a piezoelectric and / or electrostatically chargeable material; and
a second electrode layer which is arranged on a side remote from the first electrode layer side of the transducer layer.

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.An ultrasound transducer can be understood to mean a sensor element which serves to convert an electrical voltage into ultrasound waves and, conversely, converts ultrasound waves into an electrical voltage. The voltage may in particular be an alternating voltage. A first electrode layer can be understood to mean an electrically conductive layer for contacting a first potential connection. A second electrode layer can be understood as an electrically conductive layer for contacting a second potential connection. For example, the electrode layers may be flexible metal electrodes. The converter layer can rest, for example, on the first electrode layer. The second electrode layer may rest on the transducer layer or be arranged at a distance from the transducer layer.

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.In this case, a flexible layer can be understood as meaning a layer which is deformable, in particular reversibly deformable and / or elastic. A converter layer can be understood as meaning a thin, flexible film which has piezoelectric properties at least in some areas. For example, the transducer layer has a thickness between 0.01 mm and 1 mm. Alternatively or additionally, the film may be at least partially electrostatically charged or rechargeable. An electrostatically charged or chargeable material may be, for example, an electret or a piezoelectret. Depending on the embodiment, the transducer layer can be made, for example, of an electrostatically charged polymer as electret and, alternatively or additionally, of a piezoactive polymer as piezoelectric material. The transducer layer can be designed to be vibrated by incident ultrasonic waves, wherein the transducer layer can generate an AC voltage due to an associated change in thickness. Conversely, the transducer layer may be formed to vibrate by applying an AC voltage to thereby generate ultrasonic waves. Alternatively or additionally, the converter layer together with the first and the second electrode layer form a plate capacitor, which acts as an ultrasonic transducer. In this case, the second electrode layer can be arranged swingably on the converter layer. For example, the second electrode layer may additionally be mechanically coupled to a suitable vibration membrane.

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.The approach presented here is based on the finding that it is possible to use an ultrasonic transducer with a flexible film as piezoelectric or electrostatically charged element and thus to realize a flat as possible design. As a result, the ultrasound transducer can be used in places that are difficult to access, such as, for example, complex, tightly constructed line systems in chemical or medical microreactors or in filling or metering devices of metrology.

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.In addition to the possible use in very small plants with limited space, such as microreactors, which are due to their small size compared to conventional reactors and the associated advantages in analytics, process engineering, but also in chemistry and biochemistry application, such Due to its flexibility, ultrasound transducers based on foils can also be mounted on flexible cables.

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.The ultrasonic transducer may be provided according to an embodiment with a flexible carrier layer. In this case, the first electrode layer can be arranged on the carrier layer. A carrier layer may be understood to mean a stabilizing layer of a thin, flexible material, such as plastic or paper. The carrier layer may for example be coated on one side with an adhesive. The carrier layer allows the ultrasonic transducer to be applied like a label to both rigid tubing and flexible tubing. The ultrasonic transducer covers a surface of only a few square centimeters, for example between 1 cm 2 and 10 cm 2 . A thickness of the ultrasonic transducer including the carrier layer is for example between 1 mm and 5 mm. Thus, the ultrasonic transducer has a substantially negligible spatial extent.

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.Furthermore, the ultrasonic transducer can be provided with a membrane resting on the second electrode layer for coupling and / or decoupling the ultrasonic waves. A membrane can be understood to mean a thin, elastic layer which, due to its ability to oscillate, is suitable for transmitting sound waves, in particular ultrasonic waves. The membrane can improve the performance of the ultrasonic transducer.

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.It is advantageous if the second electrode layer is arranged at a predetermined distance from the transducer layer in order to form a gap between the second electrode layer and the transducer layer. An intermediate space can be understood as meaning an air gap between the second electrode layer and the converter layer. The distance should be very small, for example 5 μm, 10 μm, 30 μm or 50 μm. Through the intermediate space, a deflection of the second electrode layer is made possible.

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.In order to seal the gap with respect to an external environment of the ultrasonic transducer, the ultrasonic transducer may be provided with at least one sealing element, such as a sealing ring or a sealing compound. The sealing element may, for example, be arranged between the first and the second electrode layer and at the same time serve to support the second electrode layer in order to keep the second electrode layer at the predetermined distance from the transducer layer. By the sealing element of the ultrasonic transducer can be protected in the region of the gap from environmental influences.

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.According to a further embodiment, the ultrasound transducer can have at least one spacer, which is arranged on a side of the transducer layer facing the second electrode layer. A spacer may be a spacer attached to the transducer layer, such as a die or a stylus. By the spacer can be prevented that the second electrode layer in the deflected state touches the transducer layer.

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.It is also advantageous if the converter layer is made of a plastic, in particular a polymer. The polymer may be, for example, a piezoactive polymer or an electrostatically charged electret polymer. As a result, the ultrasonic transducer can be produced particularly inexpensively.

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. The proposed approach also provides an ultrasonic flowmeter having at least one ultrasonic transducer according to one of the embodiments described herein. An ultrasonic flowmeter may generally be understood to mean a measuring device for measuring a flow of a gas or a liquid through a pipe or a vessel. A film-based ultrasonic flow sensor according to the proposed approach offers the advantage of an ultra-flat design, especially when the ultrasonic transducer is constructed, for example, in printing technique using piezoelectric polymers or so-called electrets on thin flexible materials such as plastic films or paper as support layer.

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.The ultrasonic flowmeter may include a cuff for flipping around a body part to be examined. In this case, the ultrasonic transducer can be arranged in the cuff. Alternatively, the ultrasonic transducer can also be arranged on the sleeve or flush with a surface of the sleeve. For example, a body part may be understood to mean a leg, an arm, a chest, or a stomach. With the aid of the cuff, the ultrasonic flowmeter can be used for Use vascular sonography or for heart sound detection with a cardiac tone labor clerk.

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.The ultrasonic flowmeter may have at least one evaluation unit for evaluating data of the ultrasonic transducer over a predetermined period of time. An evaluation unit can be understood as a unit for storing, processing and reading out the data of the ultrasonic transducer. The evaluation unit may be configured to record the data over a predetermined period of, for example, one hour, 12 hours, 24 hours or several days or weeks. For example, the ultrasound transducer can be provided with a memory chip as the evaluation unit, wherein the data can be read out at the end of each measurement series. Due to the compact design of the ultrasonic transducer, the ultrasonic flowmeter can be comfortably worn over a longer period of time on the body. As a result, long-term medical examinations, such as vascular examinations, can be carried out at a significantly reduced cost, since a stationary admission of the patient in a doctor's office or a clinic can be omitted.

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.The approach presented here also provides a method for producing an ultrasonic transducer, the method comprising the following steps:
Providing a flexible converter layer for converting an electrical voltage into ultrasonic waves and / or for converting ultrasonic waves into an electrical voltage, wherein the converter layer is made at least partially of a piezoelectric and / or electrostatically chargeable material, and / or a first electrode layer and / or a second electrode layer; and
Forming a layer composite from the converter layer, the first electrode layer and the second electrode layer and / or from the converter layer by applying the first electrode layer and the second electrode layer and / or from the first electrode layer by applying the converter layer and the second electrode layer and / or from the second Electrode layer by applying the transducer layer and the first electrode layer, wherein the transducer layer on the first electrode layer and the second electrode layer is disposed on a side remote from the first electrode layer side of the transducer layer.

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.According to one embodiment, in the step of providing further, a flexible carrier layer may be provided. In the step of forming, the layer composite of the carrier layer, the transducer layer, the first electrode layer and the second electrode layer can be formed. Additionally or alternatively, the layer composite from the carrier layer by applying the transducer layer, the first electrode layer and the second electrode layer, from the carrier layer and the first electrode layer by applying the transducer layer and the second electrode layer or from the carrier layer, the first electrode layer and the transducer layer by applying the second electrode layer are formed. The layer composite can be formed such that the first electrode layer is arranged on the carrier layer.

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.In this way, a plurality of ultrasonic transducers can be simultaneously applied next to one another on the carrier layer in a few process steps, for example in order to produce an ultrasonic flowmeter in the form of a sensor array. The ultrasonic flowmeter can be produced in a particularly cost-effective manner if the layer composite is formed in a printing process.

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. The presented approach also provides a device that is designed to perform or to implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. Also by this embodiment of the invention in the form of a device, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently.

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.In the present case, a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based embodiment, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.

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.Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is used, especially when the program product or program is executed on a computer or a device.

Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The approach presented here will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Ultraschalldurchflussmessers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1 a schematic three-dimensional view of an ultrasonic flow meter according to an embodiment of the present invention;

2a, 2b, 2c schematische Darstellungen eines Ultraschallwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; 2a . 2 B . 2c schematic representations of an ultrasonic transducer according to various embodiments of the present invention;

3a, 3b schematische Darstellungen eines Ultraschallwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 3a . 3b schematic representations of an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention;

4 eine schematische Darstellung eines Ultraschallwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 4 a schematic representation of an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention;

5a, 5b, 5c schematische Darstellungen eines Ultraschalldurchflussmessers mit einer Mehrzahl von Ultraschallwandlern gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und 5a . 5b . 5c schematic diagrams of an ultrasonic flowmeter with a plurality of ultrasonic transducers according to various embodiments of the present invention; and

6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Ultraschallwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und 6 a flowchart of a method for manufacturing an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention; and

7 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Durchführen eines Herstellungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 7 a block diagram of an apparatus for performing a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

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.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, with a repeated description of these elements is omitted.

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. 1 shows a schematic three-dimensional representation of an ultrasonic flow meter 100 according to an embodiment of the present invention. The ultrasonic flowmeter 100 includes an ultrasonic transducer 102 which is exemplary on a section of a pipe 104 is applied to a flow of liquid or gaseous medium by means of ultrasonic waves 105 in the tube 104 to eat. The ultrasonic transducer 102 has a flexible structure, which is an adaptation of the ultrasonic transducer 104 to a curvature of the pipe 104 allows. For example, the ultrasonic transducer 102 on the pipe 104 glued. In the in 1 The measurement setup shown has the ultrasonic transducer 102 for example, a rectangular shape. The ultrasonic flowmeter 100 may also be referred to as a film ultrasonic flowmeter.

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.According to this embodiment, the ultrasonic flowmeter is 100 with a flow meter as the evaluation unit 106 performed with the ultrasonic transducer 102 is coupled to the flow through the pipe 104 display.

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. The in 1 shown ultrasonic flowmeter 100 further includes another ultrasonic transducer 108 , which is at a short distance to the ultrasonic transducer 102 on the pipe 104 is appropriate. The other ultrasonic transducer 108 is also with the evaluation unit 106 connected.

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. Exemplary is the ultrasonic transducer 102 arranged to detect ultrasonic waves from the further ultrasonic transducer 108 emitted and on an inner wall surface of the tube 104 be reflected. Analogous to this is the further ultrasonic transducer 108 arranged to detect ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer 102 emitted and reflected on the inner wall surface. A respective distance of the two ultrasonic transducers 102 . 108 emitted ultrasonic waves is schematically marked with two arrows.

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.The 2a to 2c show schematic representations of an ultrasonic transducer 102 according to various embodiments of the present invention. In the ultrasonic transducer 102 For example, it is an ultrasonic transducer, as it is based on 1 is described. The ultrasonic transducer 102 has a layered construction with a first electrode layer 200 and one of the first electrode layers 200 opposite arranged second electrode layer 202 , The two electrode layers 200 . 202 are realized for example as flexible metal electrodes. Between the electrode layers 200 . 202 is a flexible converter layer 204 arranged, each on the first electrode layer 202 rests. The converter layer 204 is at least partially made of a piezoelectric material. Depending on the embodiment, the converter layer 204 alternatively or additionally made of an electrostatically charged or chargeable material.

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.In all three figures, the ultrasonic transducer 102 in addition a carrier layer 206 on, on each of the first electrode layer 200 rests. The carrier layer 206 serves to stabilize the ultrasonic transducer 102 and is similar to the converter layer 204 made of a flexible material, such as plastic or paper. Furthermore, the second electrode layer is 202 with a membrane 207 covered, which serves the coupling and decoupling of ultrasonic waves. Due to the film-based structure is the ultrasonic transducer 102 as a whole elastically flexible.

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. In 2a is the second electrode layer 202 at a short distance to the converter layer 204 arranged so that between the transducer layer 202 and the second electrode layer 202 an air gap as a gap 208 results. The converter layer 204 is realized as electret. The second electrode layer 202 lies on a sealing element 210 on, on the backing 206 is arranged to the gap 208 to an outside environment of the ultrasonic transducer 102 seal. The converter layer 204 and the first electrode layer 200 are within one of the sealing element 210 limited area arranged. By way of example, the converter layer 204 and the first electrode layer 200 each a smaller width than the second electrode layer 202 with the membrane on it 207 on. In addition, on one of the second electrode layer 202 facing surface of the transducer layer 204 a variety of spacers 212 arranged, which serve a touch of the converter layer 204 and the second electrode layer 202 to prevent.

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.In the 2 B and 2c lies the second electrode layer 202 directly on the converter layer 204 on. The carrier layer 206 , the first electrode layer 200 , the converter layer 204 , the second electrode layer 202 and the membrane 207 thus form a compact laminate without gaps. In 2 B is the converter layer 204 realized as a piezoelectret.

In 2c sind die Elektrodenlagen 200, 202 durch einen piezoelektrischen Polymerfilm als Wandlerlage 204, beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid, voneinander getrennt.In 2c are the electrode layers 200 . 202 by a piezoelectric polymer film as a transducer layer 204 For example, of polyvinylidene fluoride, separated from each other.

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.According to the in the 2a to 2c The exemplary embodiments shown are the first electrode layer 200 with a first potential connection 214 and the second electrode layer 202 with a second potential connection 216 contacted, with the potential connections 214 . 216 each from an AC source 218 are fed. In 2a are the electrode layers 200 . 202 exemplified by the carrier layer 206 with the potential connections 214 . 216 contacted. In this case, the second electrode layer 202 additionally via the sealing element 210 with the second potential connection 216 be contacted.

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.By applying an AC voltage to the electrode layers 200 . 202 becomes the on the second electrode layer 202 located membrane 207 each by means of the converter layer 204 in high-frequency oscillations, resulting in the form of ultrasonic waves from the membrane 207 spread. Analog is reversed in the converter layer 204 generates an AC voltage when the membrane 207 is put into high-frequency oscillations by incoming ultrasonic waves.

Je nach Ausführungsform kann der Ultraschallwandler 102, auch Folien-Ultraschallwandler genannt, prinzipiell auf zwei Arten aufgebaut sein.Depending on the embodiment, the ultrasonic transducer 102 , also called film ultrasonic transducer, in principle be constructed in two ways.

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.On the one hand, the ultrasonic transducer 102 with a piezoactive polymer as the transducer layer 204 be realized, as in 2c shown. The piezoactive polymer, for example polyvinylidene fluoride (PVDF) or the copolymer polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene (P (VDF-TrFE)), is in the form of a film on both sides with a metal electrode 200 . 202 provided for electrical contact. By applying an electrical voltage, the piezoactive polymer expands. When applying a high-frequency AC voltage, the material performs a high-frequency thickness vibration, which generates an ultrasonic wave. Conversely, one creates on the slide 204 impinging ultrasonic wave a thickness vibration, which generates an alternating voltage in the corresponding frequency, ie the signal of the ultrasonic measurement in the material.

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.On the other hand, the ultrasonic transducer 102 be designed as Elektretwandler, as in 2a shown. Electrets are materials that can permanently store electrical charge carriers. Suitable materials for a converter layer realized as electret 204 include fluoropolymers, which are available as thin, flexible films or as polymer solutions. Will the converter layer 204 electrostatically charged and is an elastic, oscillatory membrane 207 at a defined distance to the charged converter layer 204 arranged, a capacitor is formed, which upon application of an AC voltage, the elastic membrane 207 set in vibration and emits an ultrasonic wave when applying a corresponding high-frequency AC voltage. Conversely, one creates on the membrane 207 a suitable ultrasonic wave, an alternating voltage in a corresponding frequency, which represents the signal of the ultrasonic measurement.

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.A sensor structure of the ultrasonic transducer 102 Basically based on the fact that by applying a high-frequency AC voltage, the membrane 207 is vibrated while generating ultrasound. Depending on the embodiment, this vibration is due to the converter layer 204 either by a piezoelectric effect, such as using a piezoactive polymer such as polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene or poly-3,4-ethylenedioxythiophene: polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS), or by electrostatic forces, such as using an electret such as electrostatically charged polymers, e.g. As polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroethylene propylene (FEP) or perfluoroalkoxy polymers (PFA), or even using a piezoelectric such as Emfit produced.

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. The 3a and 3b show schematic representations of an ultrasonic transducer 102 according to an embodiment of the present invention. The ultrasonic transducer 102 corresponds to the in 2c shown ultrasonic transducer. In 3a is the ultrasonic transducer 102 shown in a dormant state. There is no AC voltage at the electrode layers 200 . 202 at. In 3b is an AC voltage at the electrode layers 200 . 202 at. As described above, the converter layer changes 204 alternating their thickness as a function of a frequency of the alternating voltage. As a result, ultrasonic vibrations are generated. A polarization direction in the converter layer 204 is marked with arrows.

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. 4 shows a schematic representation of an ultrasonic transducer 102 according to an embodiment of the present invention. The ultrasonic transducer 102 is essentially the same as in 2a shown ultrasonic transducer, with the difference that a composite of the first electrode layer 200 and the carrier layer 206 horizontally offset to a composite of the second electrode layer 202 and the membrane 207 is arranged.

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.The 5a to 5c show schematic representations of an ultrasonic flow meter 100 with a plurality of ultrasonic transducers 102 according to various embodiments of the present invention. Only by way of example are various arrangements of sensor elements in a sensor array with 18 ultrasonic transducers 102 shown as individual elements. The ultrasonic flowmeter 100 is manufactured for example as an ultra-flat ultrasonic flow sensor in printing technology. In contrast to that based on 1 described ultrasonic flowmeter are the majority of ultrasonic transducers 102 on a common carrier foil, here the carrier layer 206 , combined to the sensor array. In 5a are the ultrasonic transducers 102 arranged in a row one behind the other. In 5b are the ultrasonic transducers 102 arranged in three rows and six columns. In 5c are the ultrasonic transducers 102 as part of a flexible cuff 500 realized, which is shaped to be placed, for example, around an upper arm, a leg, a stomach or any other part of the body. The sensor array with the ultrasonic transducers 102 is exemplary here on the cuff 500 arranged. Here are the ultrasonic transducers 102 in the same way as in 5b arranged. Alternatively, the ultrasonic transducers 102 together with the carrier layer 206 in the cuff 500 be incorporated. In this case, the carrier layer 206 as the cuff 500 act.

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.According to this embodiment, the cuff 500 a first sleeve connection 502 and a second sleeve connection 504 on, with the respective electrode layers of the ultrasonic transducer 102 are contacted. To the cuff connections 502 . 504 is the evaluation unit 106 connected, which includes an evaluation and, for example, simultaneously serves as an AC voltage source. In 5c is the evaluation unit 106 exemplified as an external, mobile device. Alternatively, the evaluation unit 106 in a correspondingly smaller form, such as a memory chip, in the cuff 500 be integrated. The evaluation unit 106 here serves to store and read data from the sensor array, which represent a measured flow through the body part in question. For example, the evaluation unit 106 designed to perform long-term measurements over several hours, days or weeks along with the cuff 500 to be worn on the body.

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.The cuff 500 For example, it is similar to a cuff of a sphygmomanometer. Through a thin hydrogel film between the cuff 500 and skin, a good coupling of the ultrasound can be ensured.

Der Ultraschalldurchflussmesser 100 weist beispielsweise einen Frequenzbereich zwischen 1 MHz und 40 MHz sowie eine Leistung von 100 mW/cm2 auf.The ultrasonic flowmeter 100 has, for example, a frequency range between 1 MHz and 40 MHz and a power of 100 mW / cm 2 .

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.Suitable applications in medical technology by mounting the ultrasonic flowmeter 100 On the body, for example, vascular investigations in the vascular sonography, long-term or long-term monitoring in stroke patients or in the risk of trombosis, especially in elderly or physically impaired patients, the long-term monitoring of childhood heart sounds during pregnancy, endobronchial ultrasound (EBUS) of lung carcinoma, lymphoma or other unclear lymphadenopathy and Long-term monitoring of high-risk patients for early detection.

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. 6 shows a flowchart of a method 600 for manufacturing an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention. First, in one step 602 a flexible converter layer for converting an electrical voltage into ultrasonic waves and / or for converting ultrasonic waves into an electrical voltage is provided, wherein the converter layer is made at least partially from a piezoelectric and / or electrostatically chargeable material. Depending on the embodiment, a first electrode layer or a second electrode layer is additionally or alternatively provided.

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.In a further step 604 a layer composite of the converter layer, the first electrode layer and the second electrode layer is formed. Alternatively, the layer composite is formed from the converter layer by applying the first electrode layer and the second electrode layer, from the first electrode layer by applying the converter layer and the second electrode layer or from the second electrode layer by applying the converter layer and the first electrode layer. The forming takes place in such a way that the converter layer is arranged on the first electrode layer and the second electrode layer is arranged on a side of the converter layer which is remote from the first electrode layer.

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.According to one embodiment, in step 602 additionally provided a flexible carrier layer. Accordingly, in step 604 the layer composite formed from the carrier layer, the transducer layer, the first electrode layer and the second electrode layer. Alternatively, the layer composite is formed from the carrier layer by applying the converter layer, the first electrode layer and the second electrode layer, from the carrier layer and the first electrode layer by applying the converter layer and the second electrode layer or from the carrier layer, the first electrode layer and the converter layer by applying the second Electrode layer formed. The manufacturing step of the application is carried out, for example, in a printing process.

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. 7 shows a block diagram of a device 700 for performing a manufacturing method according to an embodiment of the present invention. The device serves, for example, to carry out a method for producing an ultrasound transducer, as described with reference to FIG 6 is described. This includes the device 700 one unity 702 that is configured to perform a method step for providing the converter layer, the first electrode layer or the second electrode layer, and a unit 704 adapted to perform a method step of forming a layer composite at least from the transducer layer and the two electrode layers in response to performing the method step of providing.

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. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment.

Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Furthermore, the method steps presented here can be repeated as well as executed in a sequence other than that described.

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.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Claims (15)

Ultraschallwandler (102) mit folgenden Merkmalen: einer ersten Elektrodenlage (200); einer auf der ersten Elektrodenlage (200) angeordneten flexiblen Wandlerlage (204) zum Wandeln einer elektrischen Spannung in Ultraschallwellen und/oder zum Wandeln von Ultraschallwellen in eine elektrische Spannung, wobei die Wandlerlage (204) zumindest teilweise aus einem piezoelektrischen und/oder elektrostatisch aufladbaren Material gefertigt ist; und einer zweiten Elektrodenlage (202), die an einer von der ersten Elektrodenlage (200) abgewandten Seite der Wandlerlage (204) angeordnet ist.Ultrasonic transducer ( 102 ) having the following features: a first electrode layer ( 200 ); one on the first electrode layer ( 200 ) arranged flexible transducer layer ( 204 ) for converting an electrical voltage into ultrasonic waves and / or for converting ultrasonic waves into an electrical voltage, wherein the transducer layer ( 204 ) is at least partially made of a piezoelectric and / or electrostatically chargeable material; and a second electrode layer ( 202 ) attached to one of the first electrode layer ( 200 ) facing away from the transducer layer ( 204 ) is arranged. Ultraschallwandler (102) gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine flexible Trägerlage (206), wobei die erste Elektrodenlage (200) auf der Trägerlage (206) angeordnet ist.Ultrasonic transducer ( 102 ) according to claim 1, characterized by a flexible carrier layer ( 206 ), wherein the first electrode layer ( 200 ) on the carrier layer ( 206 ) is arranged. Ultraschallwandler (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine auf der zweiten Elektrodenlage (202) aufliegende Membran (207) zum Ein- und/oder Auskoppeln der Ultraschallwellen.Ultrasonic transducer ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized by a on the second electrode layer ( 202 ) resting membrane ( 207 ) for coupling and / or decoupling the ultrasonic waves. Ultraschallwandler (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodenlage (202) in einem vorbestimmten Abstand zur Wandlerlage (204) angeordnet ist, um einen Zwischenraum (208) zwischen der zweiten Elektrodenlage (202) und der Wandlerlage (204) zu bilden. Ultrasonic transducer ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the second electrode layer ( 202 ) at a predetermined distance from the transducer layer ( 204 ) is arranged around a gap ( 208 ) between the second electrode layer ( 202 ) and the converter layer ( 204 ) to build. Ultraschallwandler (102) gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet durch zumindest ein Dichtelement (210) zum Abdichten des Zwischenraums (208) gegenüber einer Außenumgebung des Ultraschallwandlers (102).Ultrasonic transducer ( 102 ) according to claim 4, characterized by at least one sealing element ( 210 ) for sealing the gap ( 208 ) with respect to an external environment of the ultrasonic transducer ( 102 ). Ultraschallwandler (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Abstandhalter (212), der auf einer der zweiten Elektrodenlage (202) zugewandten Seite der Wandlerlage (204) angeordnet ist.Ultrasonic transducer ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized by at least one spacer ( 212 ), which on one of the second electrode layer ( 202 ) facing side of the transducer layer ( 204 ) is arranged. Ultraschallwandler (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerlage (204) aus einem Kunststoff, insbesondere einem Polymer, gefertigt ist.Ultrasonic transducer ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the converter layer ( 204 ) is made of a plastic, in particular a polymer. Ultraschalldurchflussmesser (100) mit zumindest einem Ultraschallwandler (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche. Ultrasonic flowmeter ( 100 ) with at least one ultrasonic transducer ( 102 ) according to one of the preceding claims. Ultraschalldurchflussmesser (100) gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Manschette (500) zum Umlegen um ein zu untersuchendes Körperteil, wobei der Ultraschallwandler (102) in und/oder an der Manschette (500) angeordnet ist.Ultrasonic flowmeter ( 100 ) according to claim 8, characterized by a cuff ( 500 ) for transferring around a body part to be examined, the ultrasonic transducer ( 102 ) in and / or on the cuff ( 500 ) is arranged. Ultraschalldurchflussmesser (100) gemäß Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch zumindest eine Auswerteeinheit (106) zum Auswerten von Daten des Ultraschallwandlers (102) über eine vorbestimmte Zeitspanne.Ultrasonic flowmeter ( 100 ) according to claim 8 or 9, characterized by at least one evaluation unit ( 106 ) for evaluating data of the ultrasonic transducer ( 102 ) over a predetermined period of time. Verfahren (600) zum Herstellen eines Ultraschallwandlers (102), wobei das Verfahren (600) folgende Schritte umfasst: Bereitstellen (602) einer flexiblen Wandlerlage (204) zum Wandeln einer elektrischen Spannung in Ultraschallwellen und/oder zum Wandeln von Ultraschallwellen in eine elektrische Spannung, wobei die Wandlerlage (204) zumindest teilweise aus einem piezoelektrischen und/oder elektrostatisch aufladbaren Material gefertigt ist, und/oder einer ersten Elektrodenlage (200) und/oder einer zweiten Elektrodenlage (202); und Bilden (604) eines Schichtverbunds aus der Wandlerlage (204), der ersten Elektrodenlage (200) und der zweiten Elektrodenlage (202) und/oder aus der Wandlerlage (204) durch Aufbringen der ersten Elektrodenlage (200) und der zweiten Elektrodenlage (202) und/oder aus der ersten Elektrodenlage (200) durch Aufbringen der Wandlerlage (204) und der zweiten Elektrodenlage (202) und/oder aus der zweiten Elektrodenlage (202) durch Aufbringen der Wandlerlage (204) und der ersten Elektrodenlage (200), wobei die Wandlerlage (204) auf der ersten Elektrodenlage (200) und die zweite Elektrodenlage (202) an einer von der ersten Elektrodenlage (200) abgewandten Seite der Wandlerlage (204) angeordnet wird.Procedure ( 600 ) for producing an ultrasonic transducer ( 102 ), the process ( 600 ) comprises the following steps: providing ( 602 ) of a flexible converter layer ( 204 ) for converting an electrical voltage into ultrasonic waves and / or for converting ultrasonic waves into an electrical voltage, wherein the transducer layer ( 204 ) is at least partially made of a piezoelectric and / or electrostatically chargeable material, and / or a first electrode layer ( 200 ) and / or a second electrode layer ( 202 ); and forming ( 604 ) of a layer composite from the converter layer ( 204 ), the first electrode layer ( 200 ) and the second electrode layer ( 202 ) and / or from the converter layer ( 204 ) by applying the first electrode layer ( 200 ) and the second electrode layer ( 202 ) and / or from the first electrode layer ( 200 ) by applying the converter layer ( 204 ) and the second electrode layer ( 202 ) and / or from the second electrode layer ( 202 ) by applying the converter layer ( 204 ) and the first electrode layer ( 200 ), wherein the converter layer ( 204 ) on the first electrode layer ( 200 ) and the second electrode layer ( 202 ) at one of the first electrode layer ( 200 ) facing away from the transducer layer ( 204 ) is arranged. Verfahren (600), gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bereitstellens (602) ferner eine flexible Trägerlage (206) bereitgestellt wird, wobei im Schritt des Bildens (604) der Schichtverbund aus der Trägerlage (206), der Wandlerlage (204), der ersten Elektrodenlage (200) und der zweiten Elektrodenlage (202) und/oder aus der Trägerlage (206) durch Aufbringen der Wandlerlage (204), der ersten Elektrodenlage (200) und der zweiten Elektrodenlage (202) und/oder aus der Trägerlage (206) und der ersten Elektrodenlage (200) durch Aufbringen der Wandlerlage (204) und der zweiten Elektrodenlage (202) und/oder aus der Trägerlage (206), der ersten Elektrodenlage (200) und der Wandlerlage (204) durch Aufbringen der zweiten Elektrodenlage (202) gebildet wird, wobei die erste Elektrodenlage (200) auf der Trägerlage (206) angeordnet wird, insbesondere wobei der Schichtverbund in einem Druckverfahren gebildet wird.Procedure ( 600 ), according to claim 11, characterized in that in the step of providing ( 602 ) a flexible carrier layer ( 206 ), wherein in the step of forming ( 604 ) the layer composite from the carrier layer ( 206 ), the converter layer ( 204 ), the first electrode layer ( 200 ) and the second electrode layer ( 202 ) and / or from the carrier layer ( 206 ) by applying the converter layer ( 204 ), the first electrode layer ( 200 ) and the second electrode layer ( 202 ) and / or from the carrier layer ( 206 ) and the first electrode layer ( 200 ) by applying the converter layer ( 204 ) and the second electrode layer ( 202 ) and / or from the carrier layer ( 206 ), the first electrode layer ( 200 ) and the converter layer ( 204 ) by applying the second electrode layer ( 202 ), wherein the first electrode layer ( 200 ) on the carrier layer ( 206 ), in particular wherein the layer composite is formed in a printing process. Vorrichtung (700), die ausgebildet ist, um alle Schritte eines Verfahrens (600) gemäß Anspruch 11 oder 12 durchzuführen und/oder anzusteuern. Contraption ( 700 ), which is designed to handle all the steps of a process ( 600 ) according to claim 11 or 12 perform and / or to control. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens (600) gemäß Anspruch 11 oder 12 durchzuführen und/oder anzusteuern.Computer program adapted to perform all steps of a procedure ( 600 ) according to claim 11 or 12 perform and / or to control. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.A machine-readable storage medium having a computer program stored thereon according to claim 14.
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