專利名稱：高精度超聲波傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，尤其是一種高精度超聲波傳感器，屬于超聲波傳感器的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲波傳感器通常由金屬外殼和粘接在金屬殼內(nèi)的壓電陶瓷片組成，交流信號(hào)的激勵(lì)可以使壓電陶瓷片產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，從而發(fā)射出超聲波；或者壓電陶瓷在一定頻率的外部機(jī)械振動(dòng)下產(chǎn)生相應(yīng)頻率的電信號(hào)，從而作為超聲波的接收器。用于液體流速測(cè)量的超聲波傳感器需要較高的精度，由于超聲波頻率越高， 那么測(cè)量精度也越高，所以就要求該應(yīng)用中的超聲波傳感器具有較高的諧振頻率(如 500ΚΗζ-1ΜΗζ)。在液體環(huán)境中，由于液體是導(dǎo)體，電磁干擾很容易通過(guò)液體環(huán)境影響超聲波傳感器的接收信號(hào)，尤其當(dāng)超聲波傳感器的接收信號(hào)被放大IO4以后，干擾信號(hào)將嚴(yán)重影響測(cè)量信號(hào)的提取，從而影響測(cè)量。圖1為現(xiàn)有超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1表示壓電陶瓷片，2為金屬殼，3為聲音衰減體，4為固定支撐環(huán)，5為第一連接線，6為第一引線端， 7為線纜。按照?qǐng)D1中將壓電陶瓷的第一引線端6連接在金屬殼2上的方法，由于金屬外殼 2也被作為傳感器的電極，這樣電極面積越大，受到的電磁干擾也越大。所以用這種方法制作的超聲波傳感器(圖1)不適于液體中進(jìn)行高精度的流速測(cè)量。超聲波在材料中傳輸時(shí)，不同的材料會(huì)對(duì)超聲波表現(xiàn)出不同的阻抗(聲阻)，例如用于產(chǎn)生超聲波振動(dòng)的壓電陶瓷片的聲阻大約為30X 106，水的聲阻大約為1.4X106， 由于兩者的差別較大，那么聲波在抵達(dá)兩者的接觸面時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的反射，這樣聲波能量就會(huì)大大衰減。所以超聲波傳感器中通常在壓電陶瓷片與接觸媒質(zhì)間加入聲音匹配層，從而減少接觸面的反射。對(duì)于應(yīng)用于液體中的超聲波傳感器，聲音匹配層的聲阻應(yīng)該大約為 6.48X 106。同時(shí)當(dāng)匹配層的厚度等于超聲波在匹配層材料中傳輸波長(zhǎng)的四分之一時(shí)，會(huì)再次減小聲波能量的衰減。對(duì)于普通的用于液體流速測(cè)量的超聲波傳感器，其聲音匹配層多采用將中空的玻璃球熱壓縮，使融化的材料起泡沫的制作方法。此方法在制作聲音匹配層時(shí)，工藝復(fù)雜，而且生產(chǎn)過(guò)程很難控制，不同的生產(chǎn)條件會(huì)對(duì)匹配層的特性產(chǎn)生很大的影響，從而影響整個(gè)裝置的測(cè)量精度。除此以外，此方法制作的聲音匹配層如果暴漏在液體中，會(huì)很容易被化學(xué)活性物質(zhì)所腐蝕，從而影響傳感器的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種高精度超聲傳感器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，安裝使用方便，測(cè)量精度高，使用壽命長(zhǎng)，使用成本低，適用范圍廣，安全可靠。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述高精度超聲波傳感器，包括殼體及線纜，所述線纜包括第一連接線及第二連接線；所述殼體內(nèi)的一端端部設(shè)有聲音匹配層，所述聲音匹配層上設(shè)有對(duì)應(yīng)配合的壓電陶瓷片；聲音匹配層與第二連接線電連接，壓電陶瓷片與第一連接線電連接；壓電陶瓷片、第一連接線、聲音匹配層及第二連接線通過(guò)聲音衰減體壓緊安裝于殼體內(nèi)。所述聲音匹配層包括介質(zhì)板及位于介質(zhì)板上的連接電極。所述連接電極呈開(kāi)口圓環(huán)狀，且連接電極的開(kāi)口端形成第一開(kāi)口端及第二開(kāi)口端。所述殼體采用金屬或塑料制成。所述殼體對(duì)應(yīng)于設(shè)置聲音匹配層的另一端設(shè)有支撐定位環(huán)，所述支撐定位環(huán)套在殼體上。所述聲音衰減體采用發(fā)泡性樹(shù)脂、聚氨基甲酸酯與鎢粉形成的混合粉末或聚氨基甲酸酯與氧化鋁粉末形成的混合粉末。所述聲音衰減體通過(guò)將聚氨基甲酸酯與鎢粉以體積比為3 1的比例混合制成或通過(guò)將聚氨基甲酸酯與氧化鋁以體積比為11的比例混合制成。所述介質(zhì)板的聲阻為6. 4X 106Kg/m2S。所述壓電陶瓷片上設(shè)有電連接的第一引線端，聲音匹配層上設(shè)有電連接的第二引線端；第一連接線通過(guò)第一引線端與壓電陶瓷片電連接，第二連接線通過(guò)第二引線端與聲音匹配層電連接。所述連接電極采用銅制成，連接電極的厚度為35 μ m或70 μ m。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)殼體內(nèi)設(shè)有聲音匹配層，所述聲音匹配層上設(shè)有對(duì)應(yīng)配合的壓電陶瓷片；壓電陶瓷片的上表面設(shè)置第一引線端并作為傳感器的一個(gè)電極，通過(guò)在聲音匹配層上設(shè)置第二引線端并作為傳感器的另一電極；壓電陶瓷片與聲音匹配層通過(guò)高強(qiáng)度粘膠連接在一起，并通過(guò)聲音衰減體安裝固定在殼體內(nèi)。本發(fā)明電極連接結(jié)構(gòu)，避免了與較大面積的金屬外殼相連，從而減小液體中復(fù)雜的電磁環(huán)境對(duì)超聲波傳感器信號(hào)的影響；聲音匹配層直接采用已商業(yè)化的陶瓷類材料TMM4，具有極高的抗液體離子腐蝕的特性，而且采用材料的聲阻與計(jì)算值相匹配，并避免了傳統(tǒng)式聲音匹配層的復(fù)雜的制作過(guò)程。采用樹(shù)脂性材料與鎢粉或者氧化鋁粉的混合材料制作聲音衰減體，增加了超聲波傳感器的發(fā)射波帶寬，從而增加了測(cè)量的精度；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，安裝使用方便，測(cè)量精度高，使用壽命長(zhǎng)，使用成本低，適用范圍廣，安全可靠。


圖1為現(xiàn)有超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖4的俯視圖。圖4為本發(fā)明聲音匹配層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明聲音匹配層與壓電陶瓷片連接的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖2 圖5所示本發(fā)明包括壓電陶瓷片1、聲音衰減體3、支撐定位環(huán)4、第一連接線5、第一引線端6、線纜7、殼體8、第二引線端9、聲音匹配層10、連接電極11、介質(zhì)板12、第一開(kāi)口端13、第二開(kāi)口端14、陶瓷片上表面15及第二連接線16。如圖2所示所述殼體8呈圓筒狀結(jié)構(gòu)，殼體8內(nèi)的兩端相連通。殼體8內(nèi)設(shè)有聲音匹配層10，所述聲音匹配層10上設(shè)有壓電陶瓷片1，所述壓電陶瓷片1與聲音匹配層10 電連接并對(duì)應(yīng)配合，壓電陶瓷片1與聲音匹配層10對(duì)應(yīng)配合后能夠得到超聲波傳感器的工作頻率，本發(fā)明超聲波傳感器的頻率為500KHZ。為了形成超聲波傳感器的兩個(gè)電極，壓電陶瓷片1的陶瓷片上表面15上設(shè)有第一引線端6，壓電陶瓷片1通過(guò)第一引線端6與第一連接線5電連接；同時(shí)，聲音匹配層10上設(shè)有第二引線端9，聲音匹配層10通過(guò)第二引線端9 與第二連接線16電連接。其中，第一連接線5與第二連接線16均為線纜7內(nèi)的兩個(gè)連接導(dǎo)線。第一連接線5通過(guò)超聲波焊接工藝與第一引線端6固定連接，第二連接線16通過(guò)錫焊工藝與第二引線端9固定連接。為了將聲音匹配層10與壓電陶瓷片1安裝于殼體8內(nèi)，所述殼體8內(nèi)灌注有聲音衰減體3，聲音匹配層10與壓電陶瓷片1通過(guò)聲音衰減體1壓緊安裝于殼體8內(nèi)。殼體8 可以由金屬或塑料制成，聲音匹配層10及壓電陶瓷片1的軸線與殼體8的軸線位于同一直線上，且聲音匹配層10的端部與殼體8的端部處于同一水平面上。殼體8對(duì)應(yīng)于設(shè)置聲音匹配層10的另一端端部設(shè)有支撐定位環(huán)4，所述支撐定位環(huán)4套在殼體8上，并與殼體8相對(duì)應(yīng)配合。支撐定位環(huán)4的端部覆蓋殼體8的開(kāi)口，形成超聲波傳感器相應(yīng)的底部結(jié)構(gòu)。如圖3、圖4和圖5所示所述聲音匹配層10包括介質(zhì)板12及位于所述介質(zhì)板12 上的連接電極11，所述介質(zhì)板12呈圓盤狀，連接電極11呈開(kāi)口圓環(huán)狀，連接電極11的開(kāi)口形成第一開(kāi)口端13及第二開(kāi)口端14。連接電極11采用銅制成，連接電極11與介質(zhì)板12 電連接。具體地，壓電陶瓷片1采用了半導(dǎo)體工藝制程中的濺射技術(shù)，濺射上一層導(dǎo)體材料OVg或Au)。這種帶有導(dǎo)體薄膜的壓電陶瓷片1可以直接在市場(chǎng)中采購(gòu)到。介質(zhì)板12為帶有印刷電路的陶瓷片，所述帶有印刷電路板的陶瓷片采用了美國(guó)羅杰斯公司的TMM熱固性微波介質(zhì)板(Thermoset Microwave Materials)，介質(zhì)板12上可以直接進(jìn)行敷銅處理，類似于標(biāo)準(zhǔn)的PCB基板工藝，從而可以在介質(zhì)板12上制作各種結(jié)構(gòu)的銅走線，通過(guò)銅走線形成連接電極11 ；銅走線的厚度采用標(biāo)準(zhǔn)PCB制程中的0. 035mm或者0. 07mm。介質(zhì)板12的聲阻為6. 4X106Kg/m2s,因此可以采用對(duì)羅杰斯公司的TMM4的材料制成，同時(shí)聲波在TMM4 中的傳播速率(25°C )約為3040m/s，這樣對(duì)于500KHz的諧振頻率，介質(zhì)板12材料中的超聲波長(zhǎng)約為6mm，那么當(dāng)TMM4材料厚度為1. 5mm時(shí)，就可以最大幅度的減小聲波的衰減，并被應(yīng)用在這種超聲波傳感器(諧振頻率為500KHz)中。對(duì)于其他諧振頻率的超聲波傳感器同樣可以依照此法得到合適的介質(zhì)板12厚度。壓電陶瓷片1與介質(zhì)板12設(shè)置連接電極11的表面通過(guò)化學(xué)粘膠粘接在一起，由于連接電極11具有一定的厚度(厚度為35 μ m或70 μ m)，那么化學(xué)粘膠就可以處在銅走線之間，起到粘接的作用。涂抹粘膠時(shí)，應(yīng)避免粘膠遮蓋連接電極11的表面，以防粘接時(shí)壓電陶瓷片1與介質(zhì)板12的不可靠電氣連接。圖3和圖4中為連接電極11的形狀結(jié)構(gòu)，多余的化學(xué)粘膠可以從相應(yīng)的第一開(kāi)口端13及第二開(kāi)口端14流出，這樣就可以保證粘膠在粘接時(shí)，不阻礙壓電陶瓷片1與連接電極11間的電氣連接。聲音衰減體3可以采用發(fā)泡性樹(shù)脂，發(fā)泡性樹(shù)脂被填充在殼體8內(nèi)，用來(lái)對(duì)壓電陶瓷片1產(chǎn)生的向后以及向側(cè)面發(fā)出的超聲波進(jìn)行吸收抑制。所述聲音衰減體3還可以將一種樹(shù)脂性材料(Polyurethane)與鎢粉或者氧化鋁粉按照相應(yīng)的比例進(jìn)行混合，具體地，將 PU(PolyUrethane，聚氨基甲酸酯)與鎢粉或氧化鋁粉末混合。當(dāng)PU與鎢粉混合時(shí)，PU與鎢粉的體積比為1 1 ；當(dāng)PU與氧化鋁粉末混合時(shí)，PU與氧化鋁粉末的體積比為3 1 ； 粉末顆粒的大小取決于所選擇的超聲波在該樹(shù)脂性材料(Polyurethane)中的波長(zhǎng)(約 0. 003m)，一般顆粒直徑要小于該波長(zhǎng)的十分之一(約300 μ m)，而且顆粒直徑越小，效果也越好。如圖2 圖5所示加工時(shí)，先將銅制的連接電極11敷設(shè)于介質(zhì)板12上，并在連接電極11上設(shè)置第二引線端9，形成壓電陶瓷片1的一個(gè)電極。然后在壓電陶瓷片1的陶瓷片上表面23上設(shè)置第一引線端6，形成另一電極。第一引線端6與第一連接線5通過(guò)超聲波焊接，第二連接線16通過(guò)普通錫焊與第二引線端9固定連接。壓電陶瓷片1通過(guò)粘結(jié)膠固定安裝于介質(zhì)板12上，壓電陶瓷片1并與介質(zhì)板12及連接電極11對(duì)應(yīng)配合。上述連接后，將介質(zhì)板12放置于殼體8內(nèi)，保證介質(zhì)板12的未焊接一面與殼體8底端橫截面平行， 并采用校準(zhǔn)儀器，保證殼體底端橫截面圓與介質(zhì)板12截面圓同心。在保證上述校準(zhǔn)后，即可從殼體8上端開(kāi)口處灌注聲音衰減材料，從而在殼體8內(nèi)形成聲音衰減體3。為避免灌注時(shí)氣泡摻雜進(jìn)衰減材料內(nèi)，灌注工藝需在真空手套箱內(nèi)操作。灌注的衰減材料將會(huì)包裹整個(gè)介質(zhì)板的粘貼及焊接部分，僅留出介質(zhì)板的下表面作為超聲波的發(fā)射端口。這樣衰減材料將有效的減小壓電陶瓷片1、介質(zhì)板12四周以及發(fā)射端口后方的震動(dòng)，從而減小該震動(dòng)對(duì)發(fā)射端的超聲波造成的影響。工作時(shí)，整個(gè)裝置放置于液體中，當(dāng)在線纜7上施加相應(yīng)的電壓后，能夠通過(guò)壓電陶瓷片1與聲音匹配層10的對(duì)應(yīng)配合，能夠發(fā)出相應(yīng)超聲波信號(hào)；且當(dāng)液體中產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)時(shí)，壓電陶瓷片1與聲音匹配層10對(duì)應(yīng)配合后能夠產(chǎn)生相應(yīng)頻率的電信號(hào)，形成超聲波接收器。由于通過(guò)聲音匹配層10作為另外的電極，與現(xiàn)有金屬殼2作為電極相比，能夠極大的減少電磁干擾，提高傳感器的精度。本發(fā)明殼體8內(nèi)設(shè)有聲音匹配層10，所述聲音匹配層10上設(shè)有對(duì)應(yīng)配合的壓電陶瓷片1 ；壓電陶瓷片1的上表面設(shè)置第一引線端6并作為傳感器的一個(gè)電極，通過(guò)在聲音匹配層10上設(shè)置第二引線端9并作為傳感器的另一電極；壓電陶瓷片1與聲音匹配層10通過(guò)高強(qiáng)度粘膠連接在一起，并通過(guò)聲音衰減體10安裝固定在殼體8內(nèi)；本發(fā)明電極連接結(jié)構(gòu)， 避免了與較大面積的金屬外殼相連，從而減小液體中復(fù)雜的電磁環(huán)境對(duì)超聲波傳感器信號(hào)的影響；聲音匹配層10直接采用已商業(yè)化的陶瓷類材料TMM4，具有極高的抗液體離子腐蝕的特性，而且采用材料的聲阻與計(jì)算值相匹配，并避免了傳統(tǒng)式聲音匹配層的復(fù)雜的制作過(guò)程。采用樹(shù)脂性材料(Polyurethane)與鎢粉或者氧化鋁粉的混合材料制作聲音衰減體 3，增加了超聲波傳感器的發(fā)射波帶寬，從而增加了測(cè)量的精度；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，安裝使用方便，測(cè)量精度高，使用壽命長(zhǎng)，使用成本低，適用范圍廣，安全可靠。
權(quán)利要求
1.一種高精度超聲波傳感器，包括殼體(8)及線纜(7)，所述線纜(7)包括第一連接線 (5)及第二連接線(16)；其特征是所述殼體(8)內(nèi)的一端端部設(shè)有聲音匹配層(10)，所述聲音匹配層(10)上設(shè)有對(duì)應(yīng)配合的壓電陶瓷片(1)；聲音匹配層(10)與第二連接線(16) 電連接，壓電陶瓷片⑴與第一連接線(5)電連接；壓電陶瓷片(1)、第一連接線(5)、聲音匹配層(10)及第二連接線(16)通過(guò)聲音衰減體(3)壓緊安裝于殼體(8)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度超聲波傳感器，其特征是所述聲音匹配層(10)包括介質(zhì)板(12)及位于介質(zhì)板(12)上的連接電極(11)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度超聲波傳感器，其特征是所述連接電極(11)呈開(kāi)口圓環(huán)狀，且連接電極(11)的開(kāi)口端形成第一開(kāi)口端(13)及第二開(kāi)口端(14)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度超聲波傳感器，其特征是所述殼體(8)采用金屬或塑料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度超聲波傳感器，其特征是所述殼體(8)對(duì)應(yīng)于設(shè)置聲音匹配層(10)的另一端設(shè)有支撐定位環(huán)G)，所述支撐定位環(huán)(10)套在殼體(8)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度超聲波傳感器，其特征是所述聲音衰減體C3)采用發(fā)泡性樹(shù)脂、聚氨基甲酸酯與鎢粉形成的混合粉末或聚氨基甲酸酯與氧化鋁粉末形成的混合粉末。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高精度超聲波傳感器，其特征是所述聲音衰減體C3)通過(guò)將聚氨基甲酸酯與鎢粉以體積比為31的比例混合制成或通過(guò)將聚氨基甲酸酯與氧化鋁以體積比為11的比例混合制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度超聲波傳感器，其特征是所述介質(zhì)板(1 的聲阻為 6. 4X106Kg/m2so
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度超聲波傳感器，其特征是所述壓電陶瓷片(1)上設(shè)有電連接的第一引線端(6)，聲音匹配層(10)上設(shè)有電連接的第二引線端(9)；第一連接線 (5)通過(guò)第一引線端(6)與壓電陶瓷片⑴電連接，第二連接線(16)通過(guò)第二引線端(9) 與聲音匹配層(10)電連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度超聲波傳感器，其特征是所述連接電極(11)采用銅制成，連接電極(11)的厚度為35μπι或70μπι。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高精度超聲波傳感器，其包括殼體及線纜，殼體內(nèi)的一端端部設(shè)有聲音匹配層，聲音匹配層上設(shè)有對(duì)應(yīng)配合的壓電陶瓷片；聲音匹配層與第二連接線電連接，壓電陶瓷片與第一連接線電連接；壓電陶瓷片、第一連接線、聲音匹配層及第二連接線通過(guò)聲音衰減體壓緊安裝于殼體內(nèi)。本發(fā)明減小液體中復(fù)雜的電磁環(huán)境對(duì)超聲波傳感器信號(hào)的影響；聲音匹配層具有極高的抗液體離子腐蝕的特性，而且采用材料的聲阻與計(jì)算值相匹配，并避免了傳統(tǒng)式聲音匹配層的復(fù)雜的制作過(guò)程；聲音衰減體增加了超聲波傳感器的發(fā)射波帶寬，從而增加了測(cè)量的精度；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，安裝使用方便，測(cè)量精度高，使用壽命長(zhǎng)，使用成本低，適用范圍廣，安全可靠。
文檔編號(hào)G01P1/02GK102288782SQ20111020251
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月19日
發(fā)明者吳慶, 曹二林, 陳嵐 申請(qǐng)人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心