DE3710339A1 - Piezopolymerer ultraschallwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezopolymeren Ultraschallwandler zur Erzeugung und zum Nachweis von Ultraschall in (Ankoppel-)Flüssigkeit, insbesondere bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und der medizinischen Diagnostik, bestehend aus

• - mindestens einer, zwischen einer vorderen und einer rückwärtigen Elektrode angeordneten Schicht eines piezoelektrischen Hochpolymers,
• - einem rückwärtigen Abschlußkörper, dessen akustische Impedanz mindestens den vierfachen Wert der akustischen Impedanz der piezoelektrischen Schicht(en) hat und
• - einer Schutzschicht auf der zum Übertragungsmedium hin gelegenen Wandlerseite.

Wegen ihrer niedrigen akustischen Impedanz Z = ρ · c (ρ = Dichte, c = Schallgeschwindigkeit), die typischer Weise zwischen 3 · 10⁶ kg/m² · s und 4,5 · 10⁶ kg/m² · s liegt und damit in der Nähe der akustischen Impedanz von Wasser (1,5 · 10⁶ kg/m² · s), eignen sich hochpolymere piezoelektrische Materialien, z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Copolymere, insbesondere zur Erzeugung und zum Nachweis von Ultraschall in Flüssigkeiten, weil durch die Größenrelationen der Impedanz eine gute akustische Impedanzanpassung vorhanden ist.

Bei den bekannten piezopolymeren Ultraschallwandlern, die für den Frequenzbereich oberhalb 1 MHz bestimmt sind, werden Segmente einer piezoelektrischen Folie oder - allgemein - Schichten eines piezoelektrischen Materials - ähnlich wie bei piezokeramischen Ultraschallwandlern - als Dickenschwinger verwendet. Dabei werden die Folien oder Schichten bei Frequenzen betrieben, die Wellenlängen ergeben, welche das Doppelte oder Vierfache der Folien- bzw. Schichtdicke betragen oder des N-ten Teils dieser Dicke, wobei N eine ungerade ganze Zahl ist. Für den in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und der medizinischen Diagnostik mit Ultraschall interessierenden Frequenzbereich von 1 bis 10 MHz werden dazu Folien von 110-550 · 10^-6 m Dicke erforderlich, ausgehend von einer typischen Schallgeschwindigkeit von 2200 m/s im piezoelektrischen Material. Piezopolymere Folien oder Schichten mit Dicken oberhalb von 100 · 10^-6 m und ähnlich hoher elektromechanischer Kopplung wie die handelsüblichen Folien mit Dicken zwischen 100 und 6 · 10^-6 m sind jedoch schwierig herstellbar und daher kaum erhältlich. Darüber hinaus wird aufgrund der kleinen relativen Dielektrizitätszahl ε von Piezopolymeren (ε ≈10) bei der Frequenz f = c/2d der Betrag der elektrischen Impedanz
| Z | = | 1/(2π · f · C) | = d²/(f · ε · ε₀ · F · c)
(C = Kapazität, d = Dicke, ε₀ = Dielektrizitätszahl des Vakuums, F = Fläche) der piezoelektrischen Elemente bei typischen Flächen von einigen cm² so groß, daß eine elektrische Impedanzanpassung an den niederohmigen Ausgang handelsüblicher Ultraschallgeräte nicht gegeben ist. Dagegen hat eine aus hochpolymeren piezoelektrischem Material bestehende Folie oder Schicht geringere Dicke den Vorteil einer niedrigen elektrischen Impedanz, z. B. bei d = 25 · 10^-6 m, F = 2 cm² und 5 MHz den Wert Z = 50 Ohm.

Um auch für Ultraschallwandler für den in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und der medizinischen Diagnostik interessierenden Frequenzbereich von 1 bis 10 MHz hochpolymere piezoelektrische Folien geringerer Dicke verwenden zu können, ist bereits vorgeschlagen worden, Folien geringerer Dicke in Stapeltechnik zu verwenden. So sind beispielsweise aus der Veröffentlichung von R. G. Swartz und J. H. Plummer "On the Generation of High-Frequency Acoustic Energy with Polyvinylidene Fluoride)" in IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics SU-27 (1980) S. 295-303 Stapeltechniken bekanntgeworden, mit denen die Impedanz des Wandlers und dessen Resonanzfrequenz sich gegenüber einem Wandler mit einer einzelnen Folie der Dicke d um einen Faktor N herabsetzen läßt. Dabei werden N Folien mit Dicke d/N übereinander geschichtet und bei alternierender Polarisationsrichtung elektrisch parallel betrieben. Die Herstellung solcher Stapel aus piezoelektrischen Folien ist jedoch technisch aufwendig.

Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, einen Ultraschallwandler für den in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und der medizinischen Diagnostik interessierenden Arbeits- bzw. Nennfrequenzbereich zwischen 1 und 10 MHz zu schaffen, der in einfacher Technik aus dünnen hochpolymeren piezoelektrischen Schichten herstellbar ist, deren Dicke d eine Resonanzfrequenz f = c/2d ergibt, die mindestens das Zweifache der Nenn- bzw. Arbeitsfrequenz des Ultraschallwandlers beträgt und dessen Impedanz damit so herabgesetzt ist, daß eine elektrische Impedanzanpassung an den niederohmigen Ausgang handelsüblicher Ultraschallgeräte möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 ermöglicht worden.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zwei beispielsweise Ausführungsformen eines Ultraschallwandlers gemäß der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und anhand dieser Zeichnungen in der nachstehenden Beschreibung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittdarstellung des Ultraschallwandlers, welche das Aufbauprinzip veranschaulicht und

Fig. 2 eine ebensolche Schnittdarstellung für einen fokussierenden Ultraschallwandler.

Die piezopolymere Schicht 3 befindet sich zwischen einer vorderen Elektrode 2′ und einer rückseitigen Elektrode 2, welch letztere an einen rückseitigen Abschlußkörper 1 angrenzt, während die vordere Elektrode 2′ an eine Schicht 4 angrenzt, die zum Schutz gegen mechanische Beschädigungen und/oder chemisch aggressives Koppelmedium bei Ultraschallwandlern für industriellen Gebrauch unbedingt erforderlich ist. Die Schicht 4 besteht aus einem Kunststoff, dessen akustische Impedanz Z₄ ähnlich niedrig ist wie die akustische Impedanz Z₃ des piezoelektrischen Materials der Schicht 3. Die Schallabstrahlung erfolgt in ein Übertragungsmedium 5. Der Abschlußkörper 1 besteht aus einem gegenüber der piezopolymeren Schicht 3 schallreflektierenden Material, dessen akustische Impedanz Z₁ mehr als viermal so groß ist wie die akustische Impedanz Z₃ der piezoelektrischen Schicht 3, sodaß mehr als 60% des von der piezoelektrischen Schicht 3 rückwärts abgestrahlten Ultraschalldrucks am Abschlußkörper 1 reflektiert wird. Bei dieser Reflexionsbedingung besitzt ein lediglich aus den Elektroden 2, 2′, dem Abschlußkörper 1 und der Schicht 3 bestehender Körper bei Abstrahlung in ein Medium 5, dessen akustische Impedanz 5 kleiner ist als die akustische Impedanz Z₃, Resonanzüberhöhungen bei den Frequenzen f₀ ⁿ = (2n+1) · c₃/4d₃ für n = 0, 1, 2, 3, 4, . . . Dabei kann der Einfluß der Elektroden 2 und 2′ in guter Näherung vernachlässigt werden, wenn diese z. B. aus dünnen, aufgedampften Metallschichten mit Dicken im Bereich von 0,1-0,2 · 10^-6 m bestehen.

Wenn der Abschlußkörper 1 aus einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit besteht, so kann dieser als rückwärtige Elektrode dienen, sodaß die Schicht 2 als rückwärtige Elektrode entfallen kann.

Der vorstehend erläuterte Aufbau des Ultraschallwandlers entspricht im Prinzip bekannten piezopolymeren Ultraschallwandlern, die sie z. B. in den Veröffentlichungen von R. G. Swartz und J. H. Plummer "On the Generation of High-Frequency Acoustic Energy with Polyvinylidene Fluoride" oder vom M. Platte "Ultraschallwandler aus Polyvinylidenfluorid mit breitbandigem Übertragungsverhalten und fokussierenden Eigenschaften" in Acustica 54 (1983) auf den Seiten 23-32 beschrieben sind. Bei den bekannten Ultraschallwandlern ist die Schicht 4 so ausgelegt, daß sie lediglich Schutz- und Anpassungsfunktionen ausübt. Zu diesem Zweck ist sie

• - entweder so dünn gehalten (Dicke d₄ «Dicke d₃), daß das Übertragungsverhalten des gesamten Wandlers möglichst wenig von dem eines gänzlich ohne die Schicht 4 betriebenen Wandlers abweicht,
• - oder als Viertelwellenlängen (λ/4)-Anpassungsschicht einer Dicke d₄ = c₄/4f₀ = c₄ · d₃/c₃ ausgelegt, wobei f₀ die λ/4-Resonanz der Schicht 3 bzw. gleichzeitig die Arbeitsfrequenz des Wandlers ist und die akustische Impedanz Z₄ der Schicht 4 zur akustischen Impedanz Z₃ bzw. Z₅ der piezoelektrischen Schicht 3 bzw. des Mediums 5 mindestens in der Größenrelation Z₃<Z₄<Z₅ steht, vorzugsweise dem Wert entspricht.

Die bekannten Lösungen für die Auslegung der Schicht 4 sind insofern unzulänglich, als einerseits für Schichtdicken d₃, die kleiner sind als 500 · 10^-6 m, die Bedingung d₄ «d₃ für die Schicht 4 schwierig zu realisieren ist und andererseits bei den sich für Frequenzen zwischen 1 und 10 MHz ergebenden Schichtdicken d₃ = 4f₀/c₃ die Nachteile hoher elektrischer Impedanz in Kauf zu nehmen sind.

Gemäß der Erfindung wird die Schicht 4 außer als Schutzschicht auch als frequenzbestimmendes Element ausgelegt und damit die Mittenfrequenz des Wandlers herabgesetzt. Dies erfolgt dadurch, daß die Dicke d₃ der piezopolymeren Schicht 3 kleiner gewählt wird als 1/2 · c₃/4f _a , wobei f _a die Arbeitsfrequenz ist, die demnach kleiner ist als die halbe Resonanzfrequenz 1/2 · f₀ der Schicht 3. Die Dicke der Schicht 4 wird dabei so gewählt, daß die Viertelwellenlängen (λ/4)-Resonanzfrequenz, die sich

• - unter Vernachlässigung der Elektroden - für ein aus den Schichten 3 und 4 bestehendes Sichtpaket aus der Gleichung 1/4 · (d₃/c₃+d₄/c₄)^-1 ergibt, mit der gewünschten Arbeitsfrequenz f _a bzw. der gewünschten Nennfrequenz des Wandlers übereinstimmt. Die Herabsetzung der Dicke d₃ einer gemäß der Erfindung ausgelegten Schicht 3 gegenüber der Dicke d₃ = c₃/4f _a einer in bekannter Weise gemäß der λ/4-Schwingung ausgelegten Schicht 3 führt zu einer entsprechenden, vorteilhaften Verringerung der elektrischen Impedanz des Ultraschallwandlers gemäß der Erfindung. Dessen Übertragungsverhalten F _g (f) entspricht annähernd der Multiplikation der Übertragungsfunktionen F _p (f) und F _s (f), die wie folgt zu definieren sind:
• - F _p (f) bedeutet das breitbandige Übertragungsverhalten der piezopolymeren Schicht 3 der gegebenen Dicke d₃ für den Fall, daß diese rückseitig durch den Abschlußkörper 1 abgeschlossen ist, jedoch vorne direkt an ein nicht begrenztes Übertragungsmedium mit gleicher akustischer Impedanz Z₄ wie die der Schicht 4 angrenzen würde und
• - F _s (f) beschreibt die Filterwirkung eines insgesamt in g/4 Schwingungen schwingenden Schichtpakets, das
• - unter Vernachlässigung der Elektroden - im wesentlichen aus den vorgegebenen Schichten 3 und 4 besteht: wobeif _a = 1/4 · (d₃/c₃+d₄/c₄)^-1ist.

Die nicht erwünschten Frequenzanteile aus Oberschwingungen (2n+1) · f _a des Schichtpakets können z. B. durch Serieninduktivitäten geeigneter Größe herausgefiltert werden.

Wenn die Elektroden 2 und 2′ aus einem leitfähigen Lack in nicht zu vernachlässigender Schichtdicke d₂ bzw. d₂, bestehen, so ergibt sich die Arbeitsfrequenz f _a annähernd als

f _a = 1/4 · (d₂/c₂+d₃/c₃+d _2′/c _2′+d₄/c₄)^-1.

Die Schwinggüte bzw. die Bandbreite des bei der Frequenz f _a betriebenen Wandlers hängt von dem an der Grenzfläche zum Medium 5 auftretenden Reflexionsfaktor und der akustischen Absorption der Schicht 4 ab und kann durch Wahl eines entsprechenden Materials beeinflußt werden.

Um das Auftreten von Störsignalen in der Schicht 3 durch am Körper 1 reflektierte Ultraschallanteile zu vermeiden, kann der Abschlußkörper 1 aus einem Harz-Metallpulver- Gemisch mit einer mindestens dem vierfachen Wert der akustischen Impedanz Z₃ der piezoelektrischen Schicht 3 entsprechenden akustischen Impedanz Z₁ und hoher akustischer Absorption hergestellt werden. Gemische mit derartigen Eigenschaften sind beispielsweise für die Herstellung von piezokeramischen Ultraschallwandlern bekannt. Bei den bekannten piezopolymeren Ultraschallwandlern besteht der Abschlußkörper aus Metall (z. B. Messing), welches die nach hinten abgestrahlten Ultraschallanteile nicht immer hinreichend zerstreut und absorbiert, was zu den Störsignalen in der Schicht 3 führen kann.

Bei dem fokussierenden Wandler gemäß Fig. 2 sind die abstrahlenden Wandlerflächen, nämlich die Oberflächen der Schichten 3 und 4 gekrümmt, und dementsprechend auch die Elektroden 2 und 2′. Für linienförmige Fokussierung kann die Oberfläche des Wandlers entsprechend dem Abschnitt einer Zylinderfläche gekrümmt sein und für punktförmige Fokussierung kann die Wandleroberfläche ein Kugelsegment sein.

Die Schicht 3 kann auch aus mehreren übereinander liegenden Teilschichten bestehen, die z. B. elektrisch parallel oder elektrisch in Serie betrieben werden können und zusammen eine Gesamtschichtdicke d₃ ergeben.

Claims (9)

1. Piezopolymerer Ultraschallwandler zur Erzeugung und zum Nachweis von Ultraschall in (Ankoppel-)Flüssigkeit, insbesondere bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und der medizinischen Diagnostik, bestehend aus

• - mindestens einer, zwischen einer vorderen und einer rückwärtigen Elektrode (2, 2′) angeordneten Schicht (3) eines piezoelektrischen Hochpolymers,
• - einem rückwärtigen Abschlußkörper (1), dessen akustische Impedanz (Z₁) mindestens den vierfachen Wert der akustischen Impedanz (Z₃) der piezoelektrischen Schicht(en) (3) hat und
• - einer Schutzschicht (4) auf der zum Übertragungsmedium (5) hin gelegenen Wandlerseite,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Schutzschicht (4) als frequenzrelevantes bzw. frequenzbestimmendes Element ausgelegt ist,
  indem sie aus einem Material besteht, dessen akustische Impedanz (Z₄) zur akustischen Impedanz (Z₃) des piezoelektrischen Materials der Schicht(en) (3) in einer solchen Relation steht, daß der Reflexionsfaktor
  ( | R | = | <Z₃-Z₄</<Z₃+Z₄< | )
  möglichst gering, vorzugsweise kleiner als 0,2 ist, und
  indem ihre Dicke (d₄) zur Schallgeschwindigkeit (c₄) in ihr in einem Verhältnis (d₄/c₄) steht, das zahlenmäßig größer ist als das Verhältnis (d₃/c₃) der (Gesamt-)Dicke (d₃) der Schicht(en) (3) zur Schallgeschwindigkeit (c₃) innerhalb der Schichten(en) (3),
• - wobei die (Gesamt-)Dicke (d₃) der piezoelektrischen Schicht(en) (3) kleiner ist als 1/2 · c₃/4f _a (f _a = erwünschte Arbeits- bzw. Nennfrequenz des Wandlers).

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient d₄/c₄ größer ist als der zweifache Wert des Quotienten d₃/c₃.

3. Ultraschallwandler nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschlußkörper (1) aus einem Gemisch aus Kunststoff und Metallpulver besteht.

4. Ultraschallwandler nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel übereinander liegenden Schichten (1, 2, 2′, 3, 4) konvex gekrümmte oder gewölbte Oberflächen haben.

5. Ultraschallwandler nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel übereinander liegenden Schichten (1, 2, 2′, 3, 4) konkav gekrümmte oder gewölbte Oberflächen haben.

6. Ultraschallwandler nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtkörper (3) aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder einem Copolymer, z. B. VdF (TrFe), besteht.

7. Ultraschallwandler nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement (3) aus mehreren Teilschichten der Gesamtdicke d₃ zusammengesetzt ist, die elektrisch parallel zu betreiben sind.

8. Ultraschallwandler nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement (3) aus mehreren Teilschichten der Gesamtdicke d₃ zusammengesetzt ist, die elektrisch in Serie zu betreiben sind.