| Abstract: |
Air-coupled ultrasonic transducers are widely used in many industrial, medical, or domestic applications,
such as range finding, gesture sensing, or gas flow metering, to name only a few. The knowledge of the
behavior and properties of the ultrasonic transducers is essential for the development and the improve-
ment of these applications. The three most utilized work principles, e.g. piezoelectric, electrostatic,
and electromagnetic, of ultrasonic transducers are explained and most common representatives of ul-
trasonic transducers are described. Within this thesis, several important methods of characterization in
three domains (electrical, mechanical, and acoustical) of ultrasonic transducers are described, investig-
ated and modified. The electrical impedance measurement delivers the most important characteristics
of ultrasonic transducers in the electrical domain. However, the electrical impedance measurement us-
ing a common network analyzer reveals issues considering the measurement uncertainties at higher
impedance values, such as the open circuit resonance frequency. In order to characterize the behavior
of the ultrasonic transducers with the boundary conditions more closely to the applications, electrical
impedance measurements of ultrasonic transducers at their rated excitation voltage are conducted in
comparison to the common small signal network analyzer measurements. Further, the ultrasonic trans-
ducers are characterized with thermal loads, which occur, for example, in gas flow metering. A wide
temperature range of almost 450°C from −190°C using a cryo setup to +250°C using an oven are used
to characterize a piezoelectric wide range transducer. In doing so, the influence of the excitation voltage
and the thermal boundary conditions are investigated. A complex curve fit algorithm is implemented in MATLAB® and is used to fit the Butterworth-van Dyke model to the electrical impedance data gathered.
The Butterworth-van Dyke model is extended by using up to seven parameters in total in order to de-
scribe additional physical effects such as contact resistance, parasitic contact capacitance, and parasitic
parallel resistance. The parameters are monitored and each of them is analyzed individually to achieve
a robust complex curve fit algorithm. A laser doppler vibrometer is used to characterize the surface velo-
city and displacement of the ultrasonic transducers in the mechanical domain. This measurement setup
is extended by translational linear stages in order to obtain the surface velocity of the entire surface
area of ultrasonic transducers. Through post processing of the stored A-scans at any spatial point of the
area, characteristics such as the transient oscillation at each point, are visualized in a video sequence.
In order to characterize ultrasonic transducers in the acoustical domain, two different volumetric sound
pressure level measurement systems are used to characterize and visualize the sound pressure field using
a calibrated microphone. First, a 3D linear stage which is capable of measuring the sound pressure level
in a volume of 1m³ in front of an ultrasonic transducer in equidistant steps in any direction ( X − Y − Z ).
Second, a goniometer which is built in an anechoic chamber and capable of measuring the sound pres-
sure level in a volume of 144π m³
in front of an ultrasonic transducer, using spherical coordinates r-ϕ-θ.
Further, an air-coupled 40kHz 1D-phased array prototype with a half-wavelength pitch is built and char-
acterized in both transmit and receive mode. It features a smart packaging layer utilizing waveguides to
separate the acoustic aperture from the vibrating aperture. In doing so the acoustic characteristics are
manipulated and an impressive sound pressure level of (130 ± 1)dB at a distance of 1m. The ultrasonic
beam can be steered electronically in an angle of 110°without creating any significant grating lobes.
IIThe approach, used in this prototype, leads to various improvements of existing applications, such as
gestures sensing, gas flow meters, or imaging of entire rooms in air. Further, the mechanical amplific-
ation, using an additional horn structure on top of the vibrating aperture, of the efficient piezoelectric
Murata MA40S4x ultrasonic transducers is investigated and adopted. A capacitive micromachined ultra-
sonic transducer is modified with such a horn structure acting as a mechanical amplifier. The horn with
a diameter of 2.3mm and a thickness of 100µm is fabricated of aluminum using non-micromachining
techniques. It is glued on top of a 55kHz single cell device and an increased sound pressure level of
(3 ± 1)dB is obtained. Within this thesis the described methods of characterizations are essential to
gain needed knowledge of the behavior of ultrasonic transducers, which can lead to an improvement
of many industrial, medical, or domestic applications. The described waveguide approach and mechan-
ically amplification opens the door for various modification of ultrasonic transducers and therefore the
usage in applications. |
| Alternative Abstract: |
| Alternative Abstract | Language |
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Luftgekoppelte Ultraschallwandler werden in vielen industriellen, medizinischen oder privat-häuslichen
Anwendungen benutzt, wie zum Beispiel Entfernungsmessung, Gestenerkennung oder Gas Durch-
flussmessung um hier nur einige zu Nennen. Die Kenntnis über das Verhalten und die Eigenschaften von
Ultraschallwandlern ist dabei wesentlich für die Entwicklung und die Verbesserung solcher Anwendun-
gen. Die drei meist genutzten Wirkprinzipien, das piezoelektrische, das elektrostatische, das elektro-
magnetische und deren geläufigsten Vertreter von Ultraschallwandlern werden in der vorliegenden
Arbeit erklärt. Wichtige Charakterisierungsmethoden von Ultraschallwandlern aus der elektrischen,
der mechanischen und der akustischen Domäne werden beschrieben, untersucht und modifiziert. Die
Messung der elektrischen Impedanz, häufig durchgeführt mit Netzwerkanalysatoren, liefert dabei die
wichtigsten Merkmale von Ultraschallwandlern in der elektrischen Domäne. Jedoch weisen diese Mes-
sungen bei höheren Impedanzen, im Bereich der Antiresonanz, Probleme bei den Messunsicherheiten
auf. Netzwerkanalysatoren nutzen dabei häufig nur eine Kleinsignalanalyse. Ultraschallwandler wer-
den jedoch in der späteren Anwendung mit maximaler Versorgungsspannung betrieben, deshalb werden
im Vergleich zur Kleinsignalanalyse Impedanzmessungen mit maximaler Versorgungsspannung unter-
sucht. Des Weiteren werden die Ultraschallwandler unter thermischer Last untersucht, welche zum
Beispiel in der Gas Durchflussmessung auftritt. Dabei wurde ein großer Temperaturbereich von fast
450°C mit Hilfe eines Cryo Aufbaus von −190°C bis 250°C in einem Ofen durchfahren und mehr-
ere Ultraschallwandler charakterisiert. Hierbei wurden der Einfluss der Versorgungsspannung und der
Einfluss der thermischen Randbedingungen untersucht. Um die Daten der Impedanzmessungen zu ana-
lysieren wurde ein Komplex-Curve-Fit Algorithmus in MATLAB®
implementiert um das Butterworth-van
Dyke Modell auf die Messdaten komplex zu fitten. Dabei wurde das Butterworth-van Dyke Modell
auf bis zu sieben Elemente erweitert um zusätzliche physikalische Effekte wie den parasitären Kon-
taktwiderstand, die parasitäre Kontaktkapazität und den parasitären Parallelwiderstand abzubilden.
Durch die Beobachtung aller sieben Parameter und die Untersuchung des Einflusses jedes einzelnen
wurde ein robuster Komplex-Curve-Fit Algorithmus erreicht. Um die mechanische Domäne zu unter-
suchen wurden die Oberflächengeschwindigkeit und die Auslenkung der Ultraschallwandler mit einem
Laser Doppler Vibrometer gemessen. Zusätzlich wurde das Einzelpunktvibrometer mit Hilfe von Linear
Achsen, für die Vermessungen von Flächen, erweitert. So können durch das Speichen der A-Scans, an
jedem gemessenen Raumpunkt der Fläche, transiente Vorgänge durch erzeugen einer Videosequenz im
Nachhinein dargestellt werden. Für die Charakterisierung der akustischen Domäne werden zwei volu-
metrische Mikrofonmesssysteme verwendet. Das Erste bietet den Vorteil einer äquidistanten kartesischen
Positionierung ( X −Y −Z ) eines kalibrierten Mikrofons innerhalb eines Volumen von 1 m³. Das Zweite er-
laubt die Vermessung von Ultraschallwandlern in einem Schallreflexionsarmen Raum über ein Volumen
von rund 144π m³ durch Ausnutzung des Goniometer Prinzips und verfahren des kalibreiten Mikrofons
in Kugelkoordinaten r − ϕ − θ. Ferner wird ein 40kHz 1D-Phased Array Prototyp mit einem Pitch von
halber Wellenlänge gebaut und charakterisiert. Es nutzt die Besonderheit eines Smart-Packaging-Layers
welcher mit Hilfe von Wellenleiterstrukturen die akustische Apertur von der vibrierenden Apertur trennt.
Dadurch werden die akustischen Merkmale manipuliert und ein Schalldruckpegel von (130 ± 1)dB in
IVeinem Abstand von 1m gemessen. Dabei lässt sich die so generierte Hauptschallkeule in einem Winkel
von 110°
elektronisch, ohne weitere signifikante Gitterkeulen entstehen, steuern. Dieser Ansatz führt
zu verschiedensten Verbesserungen von bereits existierenden Anwendungen wie Gesten Erkennung, Gas
Durchflussmessungen oder Bildgebenden Verfahren in Luft für die Visualisierung ganzer Räume. Des
Weiteren wurde die mechanische Verstärkung von piezoelektrischen Luftgekoppelten Ultraschallwand-
lern von Murata untersucht und auf einem Kapazitiven Mikromaschinell gefertigten Ultraschallwandler
angewandt. Hierzu wurde eine Hornstruktur mit einem Durchmesser von 2,3 mm und einer Dicke von
100µm aus Aluminium gefertigt und auf einem Kapazitiven Mikromaschinell gefertigtem Ultraschall-
wandler 55kHz aufgeklebt. Dabei wurde ein um (3 ± 1)dB erhöhter Schalldruckpegel gemessen. Die
in der vorliegenden Arbeit beschriebenen Charakterisierungsmethoden sind wesentlich für den Kennt-
nisgewinn des Verhaltens von Ultraschallwandler und führen somit zur einer Verbesserung von vielen
Anwendungen aus der Industrie, der Medizin, oder dem privatem Hausgebrauch. Der Wellenleiteransatz
und die mechanische Verstärkung von Ultraschallwandlern weisen dabei den Weg für die verschiedensten
Modifikationen und Nutzungen in den Anwendungen. | German |
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