DE3718604A1

DE3718604A1 - Ultrasonic sensor having a polymer film and electrolytic electrode coupling

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Publication number: DE3718604A1
Application number: DE19873718604
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl Ing Naser; Helmut Dipl Phys Reichenberger
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1987-06-03
Filing date: 1987-06-03
Publication date: 1988-12-22

Abstract

The ultrasonic sensor (2) comprises a polymer film (4) which is mounted in its edge area and activated piezoelectrically in a subregion (8). A first electrode (16), e.g. in the form of a pin (16A), is arranged at a prescribed distance (a) in front of the activated subregion (8) and without touching the latter. A second electrode (26), e.g. in the form of a ring, is arranged spatially separated from the active region (8). The space (42, 44) between the electrodes (16, 26) and the activated subregion (8) is respectively filled with a strong electrolyte (46, 48), e.g. cooking salt solution. The electric signal tap on the activated zone (8) via the electrolytes (46, 48) produces a high sensitivity of the ultrasonic sensor (2). The latter is provided, in particular, for measuring shock waves having a high pressure amplitude, preferably for lithotripsy. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Sensor mit ei ner in ihrem Randbereich an einem Stützkörper befestigten Poly merfolie, die in einem Teilbereich piezoelektrisch aktiviert ist, und mit einer ersten und zweiten Elektrode, die über den aktivierten Teilbereich der Polymerfolie elektrisch miteinander gekoppelt sind.The invention relates to an ultrasonic sensor with egg ner attached in its edge area on a support body poly mer film, which is activated piezoelectrically in a partial area is, and with a first and second electrode, which over the activated portion of the polymer film electrically with each other are coupled.

Stoßwellen im Ultraschallbereich sind kurze Impulse mit Antei len hoher Frequenzen von mehr als 1 MHz und oft sehr hohem Druck von über 1 kbar. Diese Stoßwellen werden z.B. bei der Lithotripsie zum Zerstören von Konkrementen, beispielsweise von Nierensteinen, verwendet, wie in der DE-OS 33 28 051 näher beschrieben. Insbesondere bei einer solchen medizinischen An wendung ist es notwendig, die Stoßwellen genau zu messen, den Fokus genau zu definieren und den Betrieb des Lithotripters zu überwachen. Dazu muß ein Sensor bereitgestellt werden, der mit genügend hoher Bandbreite den Zeitverlauf der jeweiligen Stoß welle darstellen kann. Weiterhin muß der Sensor in der Lage sein, den Stoßwellenverlauf auch am Ort des höchsten Drucks, also im Fokus der Stoßwellenquelle, wo das zu zerstörende Kon krement plaziert wird, genau und reproduzierbar zu messen, ohne selbst zerstört zu werden. Mit anderen Worten, es müssen rela tiv hohe Drücke zuverlässig gemessen werden können, und der Sensor muß von robuster Bauart sein. Darüber hinaus muß die er zielbare Ortsauflösung ausreichend sein.Shock waves in the ultrasound range are short impulses with antei len high frequencies of more than 1 MHz and often very high Pressure of over 1 kbar. These shock waves are e.g. in the Lithotripsy to destroy calculus, for example of kidney stones used, as in DE-OS 33 28 051 closer described. Especially with such a medical application it is necessary to measure the shock waves precisely Define focus precisely and operate the lithotripter too monitor. To do this, a sensor must be provided that works with enough high bandwidth the time course of each shock can represent wave. Furthermore, the sensor must be able to be the shock wave course even at the location of the highest pressure, So in the focus of the shock wave source, where the Kon to be destroyed is placed precisely and reproducibly, without to be destroyed yourself. In other words, rela tivively high pressures can be measured reliably, and the Sensor must be of a robust design. In addition, he must targetable spatial resolution will be sufficient.

An Orten niederen Drucks wurden bisher als Ultraschall-Sensoren Membran-Hydrophone in verschiedener Bauart (K.C. Shotton et al., Ultrasonics, Mai 1980, 123-126; A.S. DeReggi et al., J. Acoust. Soc. Am. 69 (3), März 1981, 853-859; P.A. Lewin, Ultra sonics, Sept. 1981, 213-216; R.C. Preston et al., J. Phys. E.: Sci. Instrum., Vol. 16 (1983), 786-796) verwendet. In allen Fällen enthält der Sensor als Meßfolie das piezoelektrische Po lymer Polyvinylidenfluorid (PVDF), auf das eine Metallisierung aufgebracht wurde. Mit PVDF läßt sich eine hohe Bandbreite von z.B. 10 MHz realisieren. Es hat sich aber gezeigt, daß alle Sensortypen der genannten Ausführungsformen für den Nachweis von Stoßwellen im Fokus einer Stoßwellenquelle nicht geeignet sind. Sie halten nämlich dem hohen Druck, dessen Amplitude im Bereich von etwa 10⁸ Pa, d.h. 1 kbar, liegen kann, bei gleich zeitiger steiler Anstiegsflanke der Stoßwelle, wobei die An stiegszeit 1 µsec unterschreiten kann, im Fokus nicht stand. Sie sind nach wenigen Stoßwellenimpulsen unbrauchbar. Insbeson dere die elektrischen Kontakte in der Nähe der sensitiven Stel le, das heißt nahe des aktivierten Bereichs der Polymerfolie, werden beim Nachweis von Stoßwellen zerstört.So far, membrane hydrophones of various types have been used as ultrasonic sensors in places of low pressure (KC Shotton et al., Ultrasonics, May 1980, 123-126; AS DeReggi et al., J. Acoust. Soc. Am. 69 (3) , March 1981, 853-859; PA Lewin, Ultra sonics, Sept. 1981, 213-216; RC Preston et al., J. Phys. E .: Sci. Instrum., Vol. 16 (1983), 786-796 ) used. In all cases, the sensor contains the piezoelectric polymer polyvinylidene fluoride (PVDF) as a measuring foil, to which a metallization has been applied. A high bandwidth of, for example, 10 MHz can be realized with PVDF. However, it has been shown that all sensor types of the mentioned embodiments are not suitable for the detection of shock waves in the focus of a shock wave source. They do not hold the high pressure, the amplitude of which can be in the range of about 10 ⁸ Pa, ie 1 kbar, with a simultaneous steep rising edge of the shock wave, the rise time being less than 1 microsecond. They are unusable after a few shock wave impulses. In particular, the electrical contacts in the vicinity of the sensitive point, that is, near the activated area of the polymer film, are destroyed when shock waves are detected.

Im folgenden soll noch kurz auf zwei der bekannten Ausführungs formen näher eingegangen werden.In the following briefly two of the known execution Forms are discussed in more detail.

Bei dem aus "Ultrasonics", Sept. 1981, S. 213-216, bekannten Miniatur-Hydrophon ist eine an ihren beiden Flachseiten mit Elektroden versehene piezoaktive Folie aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) mit einer Dicke von 25 µm auf die Stirnfläche eines Edelstahlrohres elektrisch isoliert aufgespannt. Der Durchmes ser der Folie beträgt etwa 1 mm. Auf der Innenseite der Folie ist ein Platindraht angebracht, der mit dem Innenleiter eines Koaxialkabels verbunden ist. Dieser Platindraht wird von einem das Innere des Edelstahlrohres ausfüllenden Backing gestützt. Die Außenseite der Folie ist mit dem Edelstahlrohr elektrisch kontaktiert und mit der Abschirmung des Koaxialkabels verbun den. Diese Ausführungsform kann man somit als "nadelförmige Sensor-Ausführung" bezeichnen.In the known from "Ultrasonics", Sept. 1981, pp. 213-216 Miniature hydrophone has one on both of its flat sides Electrode-provided piezoactive film made of polyvinylidene fluoride (PVDF) with a thickness of 25 µm on the face of a Stainless steel pipe clamped electrically isolated. The diameter water of the film is about 1 mm. On the inside of the film is a platinum wire attached to the inner conductor of a Coaxial cable is connected. This platinum wire is made by one the backing filling the interior of the stainless steel tube. The outside of the film is electrical with the stainless steel tube contacted and connected to the shielding of the coaxial cable the. This embodiment can thus be called "needle-shaped Designation of sensor ".

In der Literaturstelle "Ultrasonics", Mai 1980, S. 120-126, ist dagegen ein Membran-Hydrophon oder Ultraschall-Sensor der ein gangs genannten Art offenbart, bei dem eine Folie aus Poly vinylidenfluorid (PVDF) mit einer Dicke von 25 µm zwischen zwei als Stützkörper dienenden Metallringen aufgespannt ist. Die Fo lie wirkt hier als Membran und besitzt einen Innendurchmesser von etwa 100 mm. Die Oberflächen der Membran sind in einem kleinen zentralen Bereich mit einander gegenüberliegenden kreisscheibenförmigen Elektroden versehen, deren Durchmesser beispielsweise jeweils 4 mm beträgt. Zwischen diesen Elektroden befindet sich der polarisierte, piezoelektrisch aktive Bereich der Membran. Von den kreisscheibenförmigen Elektroden führen Anschlußleiter, die als Metallfilme auf den Oberflächen der Membran aufgebracht sind, zum Rand der Membran. Sie sind dort mit Hilfe eines leitfähigen Klebers mit einem Koaxialkabel kon taktiert. Diese Ausführungsform läßt sich also als "Membran-Hy drophon" bezeichnen. Sie ist ebenfalls nur für verhältnismäßig niedere Drücke geeignet.In the reference "Ultrasonics", May 1980, pp. 120-126 on the other hand, a membrane hydrophone or ultrasonic sensor disclosed type, in which a film made of poly vinylidene fluoride (PVDF) with a thickness of 25 µm between two serving as support body metal rings is stretched. The Fo lie acts as a membrane and has an inner diameter of about 100 mm. The surfaces of the membrane are in one small central area with opposite one another provided circular-shaped electrodes, their diameter is 4 mm, for example. Between these electrodes is the polarized, piezoelectrically active area the membrane. Lead from the circular electrodes Connection conductors that act as metal films on the surfaces of the Membrane are applied to the edge of the membrane. They are there with the help of a conductive adhesive with a coaxial cable kon clocked. This embodiment can therefore be called "membrane Hy drophon ". It is also only for proportional suitable for low pressures.

Die Anforderung an einen Ultraschall-Sensor, der für die Litho tripsie geeignet sein soll, lassen sich so zusammenfassen: Er soll trotz des Auftretens hoher Druckamplituden eine lange Le bensdauer bei ausreichender Stabilität besitzen, wobei Artefak te nach Möglichkeit nicht in Erscheinung treten sollen. Der Zeitverlauf der Druckkurve im Stoßwellenfokus, der von sehr geringem Durchmesser sein kann, soll möglichst getreu ermittelt werden können; er soll also nicht im Vergleich zu Sensoren, die für geringere Drücke eingesetzt werden, verlängert sein.The requirement for an ultrasonic sensor that is used for the litho tripsie should be suitable, can be summarized as follows: He should have a long Le despite the occurrence of high pressure amplitudes possess life with sufficient stability, whereby Artefak should not appear if possible. The Time course of the pressure curve in the shock wave focus, that of very small diameter, should be determined as faithfully as possible can be; So it should not be compared to sensors that be used for lower pressures, be extended.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen Ultra schall-Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, der zum Nachweis von Stoßwellen geeignet ist. Er soll eine hohe Lebens dauer und Stabilität besitzen sowie eine gute Wiedergabe des Zeitverlaufs der Stoßwellen gewährleisten, wobei Artefakte nicht oder nur in geringem Maße auftreten sollen.The object of the present invention is therefore an Ultra sound sensor of the type mentioned to specify the Detection of shock waves is suitable. He is said to have a high life possess duration and stability as well as a good reproduction of the Ensure the time course of the shock waves, taking artifacts should not occur or should occur only to a small extent.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die er ste Elektrode in einem vorgegebenen Abstand hinter und getrennt von dem aktivierten Teilbereich der Polymerfolie angeordnet ist, daß die zweite Elektrode räumlich getrennt vom aktivierten Teilbereich angeordnet ist, und daß der Raum zwischen den Elek troden und dem aktivierten Teilbereich jeweils mit einem Elek trolyten gefüllt ist. Der vorgegebene Abstand kann etwa den Wert des Durchmessers des aktivierten Teilbereiches haben. Spe ziell kann so vorgegangen werden, daß der vorgegebene Abstand etwa den Wert des Durchmessers der ersten Elektrode besitzt.This object is achieved in that he most electrode behind and separated at a predetermined distance arranged from the activated portion of the polymer film is that the second electrode is spatially separated from the activated Sub-area is arranged, and that the space between the elec treading and the activated section each with an elec trolyte is filled. The predetermined distance can be about Have the value of the diameter of the activated section. Spe target can be done so that the predetermined distance has approximately the value of the diameter of the first electrode.

Beim Auftreffen eines Stoßwellenimpulses entstehen im piezo elektrisch aktivierten Teilbereich der Polymerfolie Ladungen. Die erste Elektrode steht nur über einen ersten Elektrolyten mit dem piezoelektrisch aktivierten Teilbereich auf der Rück seite der Polymerfolie, die insbesondere aus PVDF besteht, in Kontakt. Die zweite Elektrode ist beispielsweise als Ringelek trode ausgebildet und auf der Vorderseite der Polymerfolie an geordnet. In ihrem Zentrum liegt der aktivierte Teilbereich der Polymerfolie. Zwischen der Polymerfolie und der Ringelektrode ist ein zweiter Elektrolyt vorhanden, der mit der Substanz des ersten Elektrolyten identisch sein kann. Auf diese Weise wird von den Elektroden das bei Einwirken eines kurzdauernden aku stischen Impulses entstehende Signal von der piezoaktiven Stel le der Polymerfolie über die beiden elektrolytischen Strecken abgegriffen. Dieses Signal kann direkt auf ein Oszilloskop ge geben werden. Bedingt durch die genannte konstruktive Ausge staltung wird eine ausreichend gute Empfindlichkeit und eine lange Lebensdauer des Ultraschall-Sensors, insbesondere auch für hohe Drücke, erzielt.When a shock wave pulse strikes the piezo electrically activated portion of the polymer film charges. The first electrode only stands over a first electrolyte with the piezoelectrically activated section on the back side of the polymer film, which consists in particular of PVDF, in Contact. The second electrode is, for example, a ring electrode trode and on the front of the polymer film orderly. The activated section of the is at its center Polymer film. Between the polymer film and the ring electrode there is a second electrolyte which is mixed with the substance of the first electrolyte can be identical. That way of the electrodes when exposed to a short-term acu signal generated by the piezoactive position le of the polymer film over the two electrolytic lines tapped. This signal can be sent directly to an oscilloscope will give. Due to the above mentioned design is a sufficiently good sensitivity and a long service life of the ultrasonic sensor, in particular for high pressures.

Weitere Vorteile und Ausgestaltung an der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von vier Figuren. Es zeigen:Further advantages and design result from the invention itself from the subclaims and from the description of Embodiments based on four figures. Show it:

Fig. 1 einen Ultraschall-Stoßwellensensor mit Polymerfolie und elektrolytischer Kopplung von erster und zweiter Elek trode in einem Schnittbild; Figure 1 shows an ultrasonic shock wave sensor with polymer film and electrolytic coupling of the first and second elec trode in a sectional view.

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführung der ersten Elektrodenanord nung in einer vergrößerten Teildarstellung; Fig. 2 shows a preferred embodiment of the first electrode arrangement in an enlarged partial view;

Fig. 3 eine weitere Ausführung der ersten Elektrodenanordnung in vergrößerter Teildarstellung; und Fig. 3 shows a further embodiment of the first electrode array in an enlarged partial view; and

Fig. 4 eine dritte Ausführung der ersten Elektrodenanordnung ebenfalls in einer vergrößerten Teildarstellung. Fig. 4 shows a third embodiment of the first electrode arrangement also in an enlarged partial view.

Nach Fig. 1 umfaßt der Ultraschall-Sensor 2 für den Nachweis von Stoßwellen eine dünne, insbesondere kreisscheibenförmige Polymerfolie oder -membran 4, die im Inneren eines ringförmigen Stützkörpers oder Spannrings 6 straff eingespannt ist. Wie ge zeigt, kann der Stützkörper 6 in seinem mittleren Teil innen mit einem ringförmigen Befestigungsteil 6 a vom Innendurchmesser D versehen sein. Auf dessen linker Stirnseite, die der eine Stoßwelle w aussendenen Stoßwellenquelle zugewandt ist, liegt die Polymerfolie 4 randseitig fest auf. Der aus einem Isolier stoff gefertigte Stützkörper 6 ist Teil eines zylindrischen Ge häuses. Die Polymerfolie 4 besteht vorzugsweise aus Polyvinyl idenfluorid (PVDF). Sie ist nur in ihrem zentralen Bereich 8 (vgl. Fig. 2 bis 4) polarisiert und damit nur dort piezo elektrisch aktiviert. Der piezoelekrisch aktivierte Bereich 8 ist somit bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen von einem ringförmigen Bereich 10 umgeben, der piezoelektrisch inaktiv ist. Die Polymerfolie 4 ist vorliegend mit keinerlei metalli schen Beschichtungen versehen. Die aktive Zone 8 ist rotations symmetrisch bezüglich einer senkrecht zu den Flachseiten der Polymerfolie 4 verlaufenden Mittelachse 12 angeordnet. Sie wird bei der bevorzugten Anwendung im Fokus der (nicht gezeigten) Stoßwellenquelle plaziert.According to Fig. 1, the ultrasonic sensor 2 comprises a thin, in particular circular disc-shaped polymer film or membrane 4, which is clamped tightly inside an annular support body or the clamping ring 6 for the detection of shock waves. As ge shows, the support body 6 may be provided with an annular fastening part 6 a of the inner diameter D in its central part. On its left end, which faces the shock wave source emitting a shock wave w , the polymer film 4 lies firmly on the edge. The support body 6 made of an insulating material is part of a cylindrical housing Ge. The polymer film 4 is preferably made of polyvinylidene fluoride (PVDF). It is polarized only in its central region 8 (cf. FIGS. 2 to 4) and is therefore only piezo-electrically activated there. The piezoelectrically activated region 8 is thus surrounded in the present exemplary embodiments by an annular region 10 which is piezoelectrically inactive. The polymer film 4 is not provided with any metallic coatings. The active zone 8 is arranged rotationally symmetrically with respect to a central axis 12 running perpendicular to the flat sides of the polymer film 4 . In the preferred application, it is placed in the focus of the shock wave source (not shown).

Der Durchmesser d des kreisscheibenförmigen zentralen Teilbe reichs 8 ist sehr viel kleiner als der freie Durchmesser D der Polymerfolie 4. Die Dicke Z der Polymerfolie 4 liegt zwischen 10 µm und 100 µm, insbesondere zwischen 25 µm und 50 µm. Vor liegend hat sie z.B. eine Dicke Z=25 µm. Der Durchmesser d des aktivierten Teilbereichs 8 kann z.B. 1 mm bis 2 mm betra gen. Er bestimmt die Ortsauflösung, mit der gemessen werden kann. Der Durchmesser D kann z.B. 50 mm oder 100 mm betragen. In Richtung einer Stoßwelle w gesehen auf der Rückseite des zentralen Bereichs 8, d.h. hinter diesem Bereich 8 der Polymer folie 4, ist eine erste Elektrode 16 angeordnet. Wie später an hand von Fig. 2 gezeigt wird, kann diese die Form eines gera den Metall- oder Kontaktstifts 16 A haben. Auch eine Metallnadel kann hier eingesetzt werden. Die Befestigung ist mittels einer Brücke oder eines dünnen Stegs 18 vorgenommen. Der Steg 18, der aus einem ultraschalldurchlässigen Material wie z.B. Plexiglas besteht, dient somit als Halteelement für die erste Elektrode 16. Der Steg 18 ist randseitig an der rechten Stirnseite des inneren Befestigungsteils 6 a befestigt, z.B. durch die gezeig ten Schrauben.The diameter d of the circular disk-shaped central part 8 is very much smaller than the free diameter D of the polymer film 4th The thickness Z of the polymer film 4 is between 10 μm and 100 μm, in particular between 25 μm and 50 μm. Before lying, for example, it has a thickness Z = 25 µm. The diameter d of the activated subarea 8 can be, for example, 1 mm to 2 mm. It determines the spatial resolution with which measurements can be made. The diameter D can be, for example, 50 mm or 100 mm. Seen in the direction of a shock wave w on the back of the central area 8 , ie behind this area 8 of the polymer film 4 , a first electrode 16 is arranged. As will be shown later with reference to FIG. 2, this can have the shape of a metal or contact pin 16 A. A metal needle can also be used here. The attachment is carried out by means of a bridge or a thin web 18 . The web 18 , which is made of an ultrasound-permeable material such as plexiglass, thus serves as a holding element for the first electrode 16 . The web 18 is attached on the edge side to the right end face of the inner fastening part 6 a , for example by the screws shown.

Die erste Elektrode 16 ist in einem vorgegebenen Abstand a - in Schallrichtung gesehen - hinter dem aktivierten Teilbereich 8 der Polymerfolie 4 angeordnet. Eine Berührung findet also nicht statt. Durch den Abstand a ist ein freier Raum geschaffen. Die erste Elektrode 16 dient hier als Signalableitelektrode. Der vorgegebene Abstand a liegt bevorzugt zwischen 0,5 mm und 2 mm. Vorzugsweise wird so vorgegangen, daß der vorgegebene Abstand a größenordnungsmäßig den Wert des Durchmessers d des aktivierten Teilbereichs 8 hat. Bei der Dimensionierung sollte gleichzeitig auch darauf geachtet werden, daß bei Fig. 2 der vorgegebene Ab stand a etwa den Wert des Durchmessers p des Kontaktstifts 16 A besitzt. Mit anderen Worten, die Fläche des Kontaktstifts 16 A, die dem aktivierten Teilbereich 8 gegenüberliegt, sollte etwa so groß sein wie die Fläche dieses Teilbereichs 8.The first electrode 16 is arranged at a predetermined distance a - as seen in the sound direction - behind the activated partial area 8 of the polymer film 4 . So there is no contact. A space is created by the distance a . The first electrode 16 serves here as a signal derivation electrode. The predetermined distance a is preferably between 0.5 mm and 2 mm. The procedure is preferably such that the predetermined distance a is of the order of magnitude the value of the diameter d of the activated partial area 8 . In the dimensioning, care should also be taken that at the same time in FIG. 2 the predetermined distance a has approximately the value of the diameter p of the contact pin 16 A. In other words, the area of the contact pin 16 A , which lies opposite the activated partial area 8 , should be approximately as large as the area of this partial area 8 .

Die erste Elektrode 16 ist mit einer elektrischen Leitung 20 versehen, die durch eine flüssigkeitsdichte Durchführung 22 an einen Signalanschluß 24 führt. Dieser Signalanschluß 24 kann direkt, das heißt ohne Zwischenschaltung eines Verstärkers oder einer Spannungsquelle, mit dem Eingang eines (nicht gezeigten) Oszilloskops verbunden sein.The first electrode 16 is provided with an electrical line 20 which leads through a liquid-tight bushing 22 to a signal connection 24 . This signal connection 24 can be connected directly, that is to say without the interposition of an amplifier or a voltage source, to the input of an oscilloscope (not shown).

Auf der Vorderseite der Polymerfolie 4 ist eine räumlich vom aktivierten Teilbereich 8 getrennte zweite Elektrode 26 ange bracht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die zweite Elektrode 26 aus einem dünnen Metallring, der den Innen- und Außendurchmesser des Befestigungsteils 6 a besitzt. Diese Ring elektrode 26 ist unter Einschluß der Polymerfolie 4 mit nicht näher bezeichneten Schrauben am Befestigungsteil 6 a verschraubt. Eine elektrische Leitung 30 führt von der Ringelektrode 26 durch eine Durchführung 32 zu einem weiteren Anschluß 34, der vorliegend auf Massepotential gelegt ist. Auch der andere Ein gang des (nicht gezeigten) Oszilloskops liegt auf Massepoten tial.On the front of the polymer film 4 is a spatially separate from the activated portion 8 second electrode 26 is introduced . In the illustrated embodiment, the second electrode 26 consists of a thin metal ring, which has the inside and outside diameter of the fastening part 6 a . This ring electrode 26 is screwed to the fastening part 6 a including the polymer film 4 with unspecified screws. An electrical line 30 leads from the ring electrode 26 through a feedthrough 32 to a further connection 34 , which in the present case is connected to ground potential. The other input of the oscilloscope (not shown) is also at ground potential.

Der Stützkörper 6, z.B. aus Kunststoff, ist an seinen beiden Stirnseiten jeweils mit einer Deckplatte 36 bzw. 38 aus gut ultraschalldurchlässigem Material versehen. Die erste Deckplat te 36, die als Austrittsfenster dient und beispielsweise aus Plexiglas bestehen kann, ist mittels eines ersten Abdeckrings 40 und nicht näher bezeichneter Schrauben am Stützkörper 6 ver schraubt. Entsprechend ist die zweite Deckplatte 38, die als Eintrittsfenster dient und beispielsweise aus EPDM-Gummi (Äthy len-Propylen-Dien-Kautschuk) bestehen kann, mittels eines zwei ten Abdeckrings 41 und nicht näher bezeichneter Schrauben am Stützkörper 6 befestigt.The support body 6 , for example made of plastic, is provided on its two end faces with a cover plate 36 and 38, respectively, made of a material that is permeable to ultrasound. The first Deckplat te 36 , which serves as an exit window and can for example consist of plexiglass, is screwed ver by means of a first cover ring 40 and unspecified screws on the support body 6 . Correspondingly, the second cover plate 38 , which serves as an entrance window and can be made, for example, of EPDM rubber (ethylene-propylene-diene rubber), is fastened to the support body 6 by means of a second cover ring 41 and unspecified screws.

Zwischen der Polymerfolie 4 und den Deckplatten 36, 38 ist so mit jeweils eine flüssigkeitsdichte Kammer 42 bzw. 44 gebildet. Die erste Kammer 42 ist mit einem ersten Elektrolyten 46 ge füllt. Entsprechend ist die zweite Kammer 44 mit einem zweiten Elektrolyten 48 gefüllt. Damit ist jeweils auch der Raum zwi schen dem Teilbereich 8 einerseits und den Elektroden 16, 26 andererseits mit den Elektrolyten 46 bzw. 48 gefüllt. Vorzugs weise handelt es sich dabei jeweils um dieselbe Elektrolyt- Flüssigkeit. Bei beiden Elektrolyten 46, 48 handelt es sich um Elektrolyte mit relativ hoher spezifischer Leitfähigkeit von etwa 0,1 S/m oder höher, wofür bevorzugt starke Elektrolyte in einer Konzentration von 0,01 Mol/l oder höher in Frage kommen. Starke Elektrolyte sind Elektrolyte, die in Wasser oder einer anderen Flüssigkeit vollständig dissoziiert sind. Solche Elek trolyte sind z.B. in einschlägigen Lehrbüchern, wie z.B. Ulich- Jost: "Kurzes Lehrbuch der physikalischen Chemie", beschrieben. Man sollte einen Elektrolyten verwenden, der wenig aggressiv für die verwendeten Kunststoffe ist. Beispielsweise eignet sich eine KCl- oder NaCl-Lösung. Versuche haben ergeben, daß die Kochsalzlösung (NaCl-Lösung) eine Konzentration von 0,1 bis 1 Gewichtsprozent besitzen sollte. Selbst wenn sich eine solche Lösung in der Leitfähigkeit etwas verändert, so bleibt das ohne nennenswerte negative Folgen auf das Meßergebnis. Versuche ha ben gezeigt, daß eine Konzentration von z.B. 0,1 Gewichtspro zent bei einer NaCl-Lösung gute Ergebnisse liefert.A liquid-tight chamber 42 and 44 is thus formed between the polymer film 4 and the cover plates 36 , 38 . The first chamber 42 is filled with a first electrolyte 46 ge. Correspondingly, the second chamber 44 is filled with a second electrolyte 48 . Thus, the space between the sub-area 8 on the one hand and the electrodes 16 , 26 on the other hand is filled with the electrolytes 46 and 48 , respectively. Preferably, it is the same electrolyte liquid. Both electrolytes 46 , 48 are electrolytes with a relatively high specific conductivity of approximately 0.1 S / m or higher, for which purpose strong electrolytes in a concentration of 0.01 mol / l or higher are preferred. Strong electrolytes are electrolytes that are completely dissociated in water or another liquid. Such electrolytes are described, for example, in relevant textbooks such as Ulich-Jost: "Short Textbook of Physical Chemistry". One should use an electrolyte that is not very aggressive for the plastics used. For example, a KCl or NaCl solution is suitable. Experiments have shown that the saline solution (NaCl solution) should have a concentration of 0.1 to 1 percent by weight. Even if such a solution changes somewhat in conductivity, this has no significant negative consequences on the measurement result. Experiments have shown that a concentration of, for example, 0.1 percent by weight gives good results with a NaCl solution.

Es soll an dieser Stelle betont werden, daß die Polymerfolie 4 nicht nur als Meßfolie dient; sie ist gleichzeitig auch als Trennwand zwischen den beiden jeweils für sich geschlossenen Kammern 42, 44 ausgebildet.It should be emphasized at this point that the polymer film 4 not only serves as a measuring film; it is at the same time also designed as a partition between the two chambers 42 , 44 which are each closed for themselves.

Versuche haben gezeigt, daß man ohne Löcher in der Polymerfolie 4, die man zwecks Druckausgleichs zur Verbindung der Kammern 42 und 44 eigentlich vorsehen könnte, auskommt.Experiments have shown that there are no holes in the polymer film 4 , which could actually be provided to connect the chambers 42 and 44 in order to equalize the pressure.

Die Deckplatten 36, 38 der Kammern 42 bzw. 44 bestehen, wie dargelegt, vorteilhafterweise aus einem Kunststoff oder spe ziell aus einem Polymer. Die Elektrolyte 46, 48 haben nahezu dieselbe akustische Impedanz wie das schalltragende Medium, das die Stoßwellenimpulse w an den Ultraschall-Sensor 2 heranführt.The cover plates 36 , 38 of the chambers 42 and 44 are, as set out, advantageously made of a plastic or special of a polymer. The electrolytes 46 , 48 have almost the same acoustic impedance as the sound-carrying medium which brings the shock wave pulses w to the ultrasound sensor 2 .

Beim Auftreffen eines Ultraschall-Stoßwellenimpulses w entste hen im piezoelektrisch aktivierten Teilbereich 8 elektrische Ladungen. Diese werden als Signal von dem Teilbereich 8 über die Elektrolyten 46, 48 sowie über die Elektroden 16 bzw. 26 und die Leitungen 20 bzw. 30 "ausgelesen" und an die Anschlüsse 24 bzw. 34 geführt.Upon impact of an ultrasonic shock wave pulse electric entste hen in the piezoelectrically activated sub-region 8 charges w. These are “read out” as a signal from sub-area 8 via electrolytes 46 , 48 as well as via electrodes 16 and 26 and lines 20 and 30, respectively, and passed to connections 24 and 34 .

Als besonderer Vorteil wird es angesehen, daß Artefakte durch die großflächige Anordnung der Masse-Elektrode in der Kammer 44, die räumliche Trennung der hinter der polarisierten Zone 8 liegenden Elektrode 16 sowie die relativ niederohmige Signalab leitung weitgehend vermieden werden.It is considered a particular advantage that artifacts are largely avoided by the large-area arrangement of the ground electrode in the chamber 44 , the spatial separation of the electrode 16 lying behind the polarized zone 8 and the relatively low-resistance Signalab.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt A der ersten Elektrodenanordnung eingekreist, von dem bevorzugte Ausführungsformen in den Figu ren 2 bis 4 näher gezeigt sind.In Fig. 1, a section A of the first electrode arrangement is circled, of which preferred embodiments are shown in more detail in FIGS. 2 to 4 .

Nach Fig. 2 handelt es sich bei der ersten Elektrode 16 um ei ne Metallnadel oder besser einen stumpfen Metallstift 16 A, der beispielsweise einen Durchmesser p=1 mm besitzt. Der Abstand a ist bei dieser Ausführungsform ebenfalls a=1 mm gewählt. Es gilt: a=p. Der Durchmesser d des aktivierten Bereichs 8 liegt hier bei d=2 mm.According to FIG. 2, the first electrode 16 is a metal needle, or rather a blunt metal pin 16 A , which has a diameter p = 1 mm, for example. In this embodiment, the distance a is also chosen to be a = 1 mm. The following applies: a = p. The diameter d of the activated area 8 is here d = 2 mm.

Nach Fig. 3 ist die erste Elektrode oder Signalelektrode 16 speziell als kleiner Ring oder Ringelektrode 16 B aus Metall ausgebildet. Die Verbindungsleitung ist auch hier wieder mit 20 bezeichnet. Der Innendurchmesser der Ringeelektrode 16 B ent spricht hier dem Durchmesser d der aktivierten Zone 8. Ihr Aus sendurchmesser kann somit im Bereich von 2 bis 5 mm liegen.According to FIG. 3, the first electrode or the signal electrode 16 is specifically designed as a small ring or ring electrode 16 B of metal. The connecting line is again designated 20 here. The inner diameter of the ring electrode 16 B corresponds here to the diameter d of the activated zone 8 . Your send diameter can thus be in the range of 2 to 5 mm.

Aus Fig. 4 geht hervor, daß als erste Elektrode 16 auch ein quer durch die erste Kammer 42 gespannter, in geringem Abstand a über die polarisierte Zone 8 geführter dünner Draht 16 C Ver wendung finden kann. Die Dicke dieses Drahtes 16 C kann bei spielsweise 0,1 mm betragen. In einigem Abstand, z.B. in einem Abstand von 1 cm von der Meßstelle vor dem aktivierten Teilbe reich 8, kann dieser Draht 16 C isoliert sein. Er ist mit dem Anschluß 24 verbunden.From Fig. 4 it can be seen that as a first electrode 16 a across the first chamber 42 spanned, a small distance a over the polarized zone 8 guided thin wire 16 C Ver can be used. The thickness of this wire 16 C can be 0.1 mm for example. At some distance, for example at a distance of 1 cm from the measuring point in front of the activated Teilbe area 8 , this wire 16 C can be insulated. It is connected to terminal 24 .

Es soll noch angeführt werden, daß bei den Ausführungsformen nach den Fig. 2 bis 4 ein Vorverstärker nicht notwendig ist, da selbst bei einer Länge der Leitungen 22, 30 von etwa 1 m die Empfindlichkeit in der Größenordnung von 20 mV/MPa liegt. Sie reicht zur Messung der Stoßwellen im Fokus von Lithotriptern.It should also be mentioned that a preamplifier is not necessary in the embodiments according to FIGS. 2 to 4, since even with a length of the lines 22 , 30 of approximately 1 m, the sensitivity is of the order of 20 mV / MPa. It is sufficient to measure the shock waves in the focus of lithotripters.

Claims

1. Ultrasonic sensor with a polymer film attached in its edge region to a support body, which is piezoelectrically activated in a partial region, and with a first and second electrode, which are electrically coupled to one another via the activated partial region of the polymer film, characterized in that the the first electrode ( 16 ) is arranged at a predetermined distance ( a ) behind and separate from the activated partial area ( 8 ) of the polymer film ( 4 ), that the second electrode ( 26 ) is arranged spatially separate from the activated fourth partial area ( 8 ), and that the space ( 42 , 44 ) between the electrodes ( 16 , 26 ) and the activated portion ( 8 ) is filled with an electrolyte ( 46 , 48 ).

2. Ultrasonic sensor according to claim 1, characterized in that the predetermined distance ( a ) has approximately the value of the diameter ( d ) of the activated portion ( 8 ).

3. Ultrasonic sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the predetermined distance ( a ) has approximately the value of the diameter ( p ) of the first electrode ( 16 ).

4. Ultrasonic sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the predetermined distance ne ( a ) is between 0.5 and 2 mm in size.

5. Ultrasonic sensor according to claim 4, characterized in that the predetermined distance ( a ) et wa is 1 mm.

6. Ultrasonic sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electrolyte ( 46 , 48 ) is a saline solution.

7. Ultrasonic sensor according to claim 6, characterized ge indicates that the concentration of table salt solution is about 0.1 percent by weight.

8. Ultrasonic sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the first electrode ( 16 ) is a metal pin ( 16 A ) or a metal ring ( 16 B ).

9. Ultrasonic sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the first elec trode ( 16 ) is a thin wire ( 16 C ) which is guided in the predetermined distance ( a ) over the activated portion ( 8 ) is.

10. Ultrasonic sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the second electrode ( 26 ) is designed as a ring electrode.

11. Ultrasonic sensor according to one of claims 1 to 10, characterized in that the acti fourth portion ( 8 ) is arranged in the central part of the polymer film ( 4 ), that the polymer film ( 4 ) as a partition between a first and a second chamber ( 42 , 44 ) is formed, and that the first electrode ( 16 ) in the first chamber ( 42 ) and the second electrode ( 26 ) in the second chamber ( 44 ) is housed.

12. Ultrasonic sensor according to claim 11, characterized in that the first chamber ( 42 ) is closed by a plastic window ( 36 ).

13. Ultrasonic sensor according to claim 11 or 12, characterized in that the second chamber ( 44 ) is closed by a rubber window ( 38 ).

14. Ultrasonic sensor according to one of claims 1 to 13, characterized in that he cylin is trained drisch.

15. Ultrasonic sensor according to one of claims 1 to 14, characterized in that the poly mer film ( 4 ) inside the support body ( 6 ) on a fastening supply part ( 6 a ) is clamped.