厚度模式传感器和相关设备及方法与流程

本申请与2016年12月9日提交的名称为“thickness-planarmodetransducersandrelateddevices”的美国申请序列号15/374,129(代理案卷号170084-00004)相关，其公开内容以引用的方式以其整体并入到本文中，如同在本文中进行阐述一样。本发明构思总体上涉及传感器，并且更具体地，涉及超声波传感器以及相关的方法和设备。
背景技术：
：超声波传感器优选包括小的但尺寸精确的压电元件，以便以低材料成本提供高度的部件间可重复性。常规设备通常包括圆柱形压电元件，其具有限定压电元件的谐振频率的厚度。在这些设备中，例如，当在170khz下操作时，元件厚度可以是大约7.0mm，以及当在400khz下操作时，元件厚度可以是大约3.0mm。然而，制造这种尺寸和形状的精确尺寸的压电圆柱体可能非常昂贵，因为圆柱体面必须在烧制后加工。此外，常规设备通常使用焊接导线提供与压电元件的电连接。然而，焊料可能是不可靠的，并且由于焊料的质量和放置没有得到严格控制，所以可能导致部件之间的可变性增加，并且可能对传感器振动性能产生显著影响。随着压电元件尺寸的减小，这些问题通常变得更加严重。技术实现要素：本发明构思的一些实施例提供了传感器，包括：压电块，其具有相对的第一表面和第二表面；在压电块的第一表面上的非压电的第一层，第一层包括具有第一厚度的低密度材料；以及，在压电块的第二表面上的非压电的第二层，第二层包括具有第二厚度的高密度材料，第二厚度不同于第一厚度并且是第一厚度的至少两倍。在另外的实施例中，低密度材料可以是铝，并且高密度材料可以是钢和黄铜中的一种。第一层可以是传感器的前层，并且可以具有大约1.00mm到大约2.00mm的厚度。第二层可以是传感器的后层，并且可以具有大约2.0mm到大约5.0mm的厚度。在本发明构思的其它实施例中，压电块可以是软pzt材料，其选自p5a级材料和p5h级材料中的一种，并且可以具有大约1.00mm到大约3.00mm的厚度。在一些实施例中，传感器的谐振频率可以是大约167khz，并且第一层的尺寸可以是7×7×1.5mm；第二层的尺寸可以是7×7×4，并且压电块的尺寸可以是5×5×3。在另外的实施例中，传感器的谐振频率可以是大约167khz，并且第一层的尺寸可以是7×7×2mm；第二层的尺寸可以是7×7×5mm，并且压电块的尺寸可以是5×5×2.39mm。在又一些实施例中，传感器的谐振频率可以大约为400khz，并且第一层的尺寸可以是5×5×1mm；第二层的尺寸可以是5×5×2mm，并且压电块的尺寸可以是4×4×1mm。在一些实施例中，可以使用粘合剂将第一层和第二层分别耦合到压电块的第一表面和第二表面。压电块与第一层和第二层之间的电接触可以使用粘合剂获得，而无需焊接在压电块与第一层和第二层之间的导线。在另外的实施例中，传感器可以是配置用于燃气表、水表和热量表之一的超声波传感器。在又一些实施例中，传感器可以进一步包括在第一层的与压电块相对的表面上的声学匹配层。本发明构思的一些实施例提供了一种包括至少一个传感器的电子设备。该至少一个传感器包括：压电块，其具有相对的第一表面和第二表面；在压电块的第一表面上的非压电的第一层，第一层包括具有第一厚度的低密度材料；以及在压电块的第二表面上的非压电的第二层，第二层包括具有第二厚度的高密度材料，第二厚度不同于第一厚度并且是第一厚度的至少两倍。本发明构思的又一些实施例提供了制造传感器的方法，包括提供具有第一表面和第二表面的压电块，第一表面与第二表面间隔开并相对；使用粘合剂将包括低密度材料的非压电的第一层粘结到压电块的第一表面；使用粘合剂将包括高密度材料的非压电的第二层粘结到压电块的第二表面，以提供粘结的结构；以及固化粘结的结构。在又一些实施例中，可以在粘结第一层之前提供包括低密度材料并具有第一厚度的第一层。在粘结第二层之前，可以提供包括高密度材料并具有第二厚度的第二层，第二厚度不同于第一厚度并且是第一厚度的至少两倍。在一些实施例中，提供第一层可以包括提供包含铝的第一层，并且提供第二层可以包括提供包含钢和黄铜之一的第二层。在又一些实施例中，第一层可以是传感器的前层，并且可以具有大约1.00mm到大约2.00mm的厚度。第二层可以是传感器的后层，并且可以具有大约2.0mm到大约5.0mm的厚度。压电块可以具有大约1.00mm到大约3.00mm的厚度。在另一些实施例中，压电块与第一层和第二层之间的电接触可以使用粘合剂来提供，而无需焊接在压电块与第一层和第二层之间的导线。在一些实施例中，该方法还包括：固化粘结的结构包括在腔室中在热和压力下固化粘结的结构。附图说明图1是示出根据本发明构思的一些实施例的传感器的图。图2是示出根据本发明构思的一些实施例的传感器制造中的处理步骤的流程图。图3a是示出根据本发明构思的一些实施例制造的低频传感器的图片。图3b是示出根据本发明构思的一些实施例制造的高频传感器和低频传感器的图片。图4a和4b是示出根据本发明构思的一些实施例的厚度模式传感器的振荡模式的有限元分析的图。图5是示出根据本发明构思的一些实施例的高频传感器的电阻抗谱的曲线图。图6是示出根据本发明构思的一些实施例的低频传感器的电阻抗谱的曲线图。图7是示出根据本发明构思的一些实施例的激光振动计测试结果的曲线图。图8是示出包括根据本发明构思的实施例的传感器的示例燃气表的框图。具体实施方式下面将参考附图更全面地描述本发明的构思，附图中示出了本发明构思的实施例。然而，本发明构思可以以多种替代形式实施，并且不应该被解释为局限于这里阐述的实施例。因此，虽然本发明构思易于进行各种修改和具有各种替代形式，但是其具体实施例在附图中以示例的方式示出，并且将在这里详细描述。然而，应该理解的是，并不意图将本发明构思限制于所公开的特定形式，而是相反，本发明构思将覆盖落入权利要求所定义的本发明构思的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。贯穿附图的描述，相同的附图标记指代相同的元件。这里使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例，而不是意图限制本发明的构思。如这里所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还应当理解，术语“包含”、“含有”、“包括”和/或“具有”当在本说明书中使用时，指定所叙述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。此外，当一个元件被称为“响应于”或“连接到”到另一个元件时，它可以直接响应于或连接到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接响应于”或“直接连接到”到另一个元件时，不存在中间元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合，并可以缩写为“/”。除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明构思所属领域的普通技术人员通常理解相同的含义。还应该理解，这里使用的术语应该被解释为具有与其在本说明书和相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且除非这里明确这样定义，否则不会被解释为理想化或过于正式的含义。应该理解，尽管术语第一、第二等可以在这里用于描述各种元件，但是这些元件不应该受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，在不脱离本公开的教导的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。虽然一些图表包括在通信路径上的箭头以示出主要通信方向，但是应当理解，通信可以以与所描绘的箭头相反的方向发生。如在本发明构思的背景中所讨论的，常规的圆柱形压电元件可能制造起来较为昂贵，并且焊接电连接可能会提供较差的传感器性能。切割锯可以用来解决圆柱形压电元件的困难的和高成本的制造。切割锯可以用来形成立方体形压电元件，而不是圆柱形压电元件，这是产生精确尺寸部件的成本有效的方法。然而，这通常需要小于大约2.5mm的厚度。结果，需要一种传感器设计，其中压电元件尺寸足够小，以通过用晶片切割锯切割压电瓦片来成本有效地制造。因此，本发明构思的一些实施例提供了一种厚度模式超声波传感器，其使用减少量的压电材料制造，以降低制造成本。压电元件可以是圆形的，或者优选立方体形状，以允许使用晶片切割锯精确制造。给定目标操作频率，可以使用附加的非压电层或部件来减小压电材料的厚度，并增加声传输面积，如将在下面关于图1至图8进一步讨论的。首先参考图1，将讨论根据本发明构思的一些实施例的传感器100。如其中所示，传感器100包括非压电前层110、压电块120和非压电后层130。在本发明构思的一些实施例中，前层110可以包括低密度材料，例如铝，并且后层130可以包括高密度材料，例如不锈钢和黄铜。如这里使用的，术语“低密度材料”指密度小于4g/cm3的材料。类似地，术语“高密度金属”指密度大于6g/cm3的金属。尽管讨论了本发明构思的具有金属前层和后层的实施例，但是本发明构思的实施例不限于这种配置。在不脱离本发明构思的范围的情况下，适用于这里讨论的实施例的任何非压电材料都可以用于前层和后层。传感器100可以通过前面(低密度材料)发射超声波。压电材料可以是例如pzt，p5a级和p5h级或其实质等同物。然而，应当理解，本发明构思的实施例不限于这种配置。特别地，本发明构思的实施例不限于锆钛酸铅(pzt)配方，并且可以扩展到其它压电陶瓷，而不脱离本发明构思的范围。如可以理解的，传感器100的前层110、压电块120和后层130的尺寸可以基于其期望的功能而变化，例如，压电元件的厚度可以对应于其谐振频率。如图1所示，前层110具有厚度t1，后层130具有厚度t2，并且压电块120具有厚度t3。在一些实施例中，后层130的厚度t2可以是前层的厚度t1的至少两倍。前层110和后层130分别增加了设备的质量和厚度，这又允许压电层的厚度减小，即压电层的体积可以减小。下面所列的表1包括基于所需功能(设计)的一些示例尺寸。下表1中所示的值仅作为示例提供，并且本发明构思的实施例不限于这种配置。设计后层压电块前层167khz-a7×7×4mm（钢）5×5×3mm7×7×1.5mm（铝）167khz-b7×7×5mm（钢）5×5×2.39mm7×7×2mm（铝）400khz5×5×2mm（钢）4×4×1mm5×5×1mm（铝）表1。现在参考图2，将讨论示出根据本发明构思的各种实施例的示例传感器的制造中的处理步骤的流程图。操作始于框200，提供压电元件。应当理解，压电元件可以由第三方制造或获得。在一些实施例中，压电材料可以是软pzt，p5a级和p5h级或其实质等同物，但是如上所讨论，压电材料不限于pzt。厚度为3.0mm和2.39mm的5×5mm的块是从morganelectroceramics(英国)获得的，用于低频传感器，例如167khz；并且更大压电板(1.0mm厚)从piceramic(德国)获得。如果压电元件是从第三方获得的，则可以确定压电元件是否是所需的尺寸(框210)。如果确定压电元件不是必需的尺寸(框210)，则压电元件可以被修改为合适的尺寸(框215)。例如，1.0mm厚的板可以在内部切割成4×4mm的块，用于高频传感器，例如400khz。如果确定压电元件是所需的尺寸(框210)，则操作前进到框220，制造传感器的前层和后层。在一些实施例中，分别地，钢和铝的后层和前层可以由固体加工而成。一旦所有三个元件（即压电元件以及后层和前层）完成，后层和前层就被粘结到压电元件(框230)。在一些实施例中，压电元件以及后层和前层使用粘合剂（例如，两部分环氧树脂）粘结以提供电连接，，而不是焊接的导线。例如，可以使用epoxytechnology,inc提供的环氧树脂epotek353ndt。然后可以在腔室中，例如机械对准夹具中，在热和压力下固化已粘结的结构(框240)。施加的粘合剂的量和工艺条件提供了压电电极与金属前块和后块之间的电接触，从而允许与金属部件进行电连接，并且避免了与压电元件的焊料接触的需要。应当理解，制造工艺不限于这里使用的工艺，并且事实上，在不脱离本发明构思的范围的情况下，更具成本有效的制造路线将可能用于大规模生产。图3a和3b是示出根据本发明构思的一些实施例制造的传感器的图片。图3a示出了低频传感器，并且图3b示出了高频和低频传感器。如从图3b可以清楚地看出，高频传感器比低频传感器小。现在参考图4a和4b，将讨论示出根据本发明构思的一些实施例的400khz的厚度模式传感器的轴向位移的图。图4a和4b中的各种阴影层代表后层(钢)、前层(铝)和其间的压电元件(1mm)。该模拟是使用几何轴对称逼近在400khz的厚度模式传感器上进行的。各种阴影表示振荡中具有相位差180°的两个点的轴向位移。铝前层比钢后层以更大的速度振荡。特别地，在图4a中，铝前层和钢后层朝向中心被压缩(-)，压电材料(标记的)也在该中心处被压缩。类似地，当180度异相时，压电材料(标记的)向上膨胀(+)，铝层和钢层也向上膨胀。测试了根据本发明构思的各种实施例的传感器，以说明其改进的性能。特别是，使用两对弹簧探针(rsstockno.261-5092)接触在铝前层和不锈钢后层的侧部上以提供机械和电接触来安装传感器。使用电阻抗分析仪(4294a精密阻抗分析仪，agilent)在1.0至500khz的频率范围内测量电阻抗。阻抗谱测试的结果在图5和图6中示出。具体地，图5示出了高频传感器中的结果，以及图6示出了低频传感器中的结果。传感器谐振可以通过阻抗模量|z|的最小值来识别。在提供高频传感器的实施例中，图5示出了对应于预期操作模式在399khz下的阻抗最小值。在提供低频传感器的实施例中，图6示出了对应于预期操作模式在181khz下的阻抗最小值。在进一步的测试中，使用单点激光振动计(ofv-505振动计头和ofv-5000控制器，polytecgmbh)测量对10vpp，16周期正弦波脉冲的传感器速度响应。激光振动计测试结果在图7中示出。在图7中，上迹线说明驱动信号，以及下迹线说明振动计输出(1000mm/s/v)。传感器振动振幅在驱动脉冲期间增加，在驱动脉冲结束时达到188mm/s的峰-峰值速度。声音输出压力与前面速度成比例。根据本发明构思的一些实施例的传感器可以包括声学匹配层。声学匹配层用于提高在高声阻抗声学元件(pzt，阻抗z1)与低声阻抗介质(气体，阻抗z3)之间的声传输效率。材料的声阻抗被定义为密度和声速的乘积。在单个匹配层的情况下，理想的匹配层声阻抗z2是传感器与气体声阻抗的几何平均值:方程(1)材料声阻抗（kg/m2·s）pzt5a34×106甲烷（1atm，20c）300匹配层（理想的）1×105表2。这通常需要一个由固体材料组成的匹配层，固体材料具有非常低的声速和很低的密度。然而，一般来说，合适的材料不是自然产生的，而是必须用特殊的制造工艺构造。例如，中空玻璃微球在环氧树脂中的悬浮体被用于当前的sensus传感器，使用玻璃和树脂微球的匹配层在例如美国专利no.4,523,122中进行了讨论且使用干凝胶材料的匹配层在例如美国专利no.6,989,625中进行了讨论，这些专利的公开内容以引用的方式以其整体并入到本文中，如同在本文中进行阐述一样。在一些实施例中，声学匹配层可以包括例如聚醚砜、聚丙烯、ptfe、pvdf、尼龙、聚酰胺、pmma、乙烯基/丙烯酸共聚物、纤维素酯、醋酸纤维素、硝化纤维素等。本发明构思的实施例可以使用任何声学匹配层，而不脱离本发明构思的范围。如以上参照图1至7简要讨论的，本发明构思的一些实施例提供了一种使用小的但尺寸精确的压电元件的超声波传感器，以便以低材料成本提供高度的部件间可重复性。通过提供非压电前层和后层来增加结构的总厚度而使压电元件制得较小。根据这里讨论的实施例的传感器可以用在任何涉及这种传感器的设备中。例如，这些传感器可用于水表、燃气表、热量表等。作为示例，传感器可以用于如图8所示的燃气表中。如其中所示，燃气表800包括三个传感器。传感器1(上游)和传感器2(下游)可用于测量超声波信号沿流管810在向前和相反方向上的渡越时间。燃气表800还可以被配置成利用使用传感器3的单独声音测量来补偿气体属性和条件。应当理解，图8仅是作为示例提供的，并且本发明构思的实施例不限于这种配置。在不脱离本发明构思的范围的情况下，这里讨论的传感器可以用于许多不同的设备。以上参考系统和设备的框图和/或流程图描述了示例实施例。框中标注的功能/动作可能不以流程图中标注的顺序发生。例如，根据所涉及的功能/动作，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行。此外，流程图和/或框图的给定框的功能可以被分成多个框和/或流程图和/或框图的两个或更多个框的功能可以被至少部分地集成。在图和说明书中，已经公开了本发明构思的示例性实施例。然而，在基本上不脱离本发明构思的原理的情况下，可以对这些实施例进行许多变化和修改。因此，尽管使用了特定的术语，但是它们仅在一般和描述性的意义上使用，而不是为了限制的目的，本发明构思的范围由所附权利要求限定。当前第1页12