专利名称：超声波传感器、制造超声波传感器的方法及超声波流量计的制作方法
背景技术：
发明领域本发明涉及一种发射和接收超声波的超声波传感器，和制造该超声波传感器的方法以及使用该超声波传感器的超声波流量计。
现有技术描述近年来，测量超声波通过传播途径的行进时间进而确定流体的流经速度从而测量流量的超声波流量计作为气体流量计等已经开始使用。
图1示出了一种超声波流量计的测量原理。如图1所述，一种流体在一管内沿箭头所示方向以速度V流动。一对超声波传感器101和102彼此相对地安装在管壁103上。超声波传感器101和102分别由压电振动器构成，比如压电陶瓷制品，作为电能/机械能的转换部件。这里超声波传感器101用作一超声波发射器，而超声波传感器102用作一超声波接收器。
其操作如下。将频率接近于超声波传感器101的共振频率的交流电压加到压电振动器上，超声波传感器101向一外部流体沿由图1中L1指示的传播路径发射一超声波。而后，超声波传感器102接收传播来的超声波，并将其转换为一电压。随后，超声波传感器102用作一超声波发射器，而超声波传感器101用作一超声波接收器。将频率接近于超声波传感器102的共振频率的交流电压加到压电振动器上，超声波传感器102向该外部流体沿由图1中L2指示的传播路径发射一超声波。而后，超声波传感器101接收传播来的超声波，并将其转换为一电压。
对于这样一超声波传感器，如果接连地向其施加一交流电压，则就会不断地有超声波从超声波传感器发射出。因此很难确定行进时间。为此，通常使用脉冲信号作为载波的突发电压信号被用作驱动电压。下面将更详细地描述测量原理。将用于驱动的突发电压信号加到超声波传感器101上，从超声波传感器101发射出一超声波脉冲波。该超声波脉冲波通过长度为L的传播路径L1传播，t小时(行进时间)后到达超声波传感器102。对于超声波传感器102该被传播的超声波脉冲波能够以高S/N比率被转换为电突发信号。通过利用电突发信号作为一触发信号，超声波传感器101被再次驱动以发射一超声波突发信号。该装置被称为往复装置。从超声波传感器101发射出一超声波脉冲并通过传播路径传播至达到超声波传感器102所需的时间被称为往复时间。其倒数称为往复频率。
图1中，标记V表示流体流经该管的流速，C表示流体内的超声波的速度，θ表示流体的流动方向与超声波脉冲的传播方向之间的夹角。当超声波传感器101作为一发射器，超声波传感器102作为一接收器时，存在下面的等式(1)f1＝1/t1＝(C+Vcosθ)/L…(1)其中t1代表往复时间，即超声波脉冲从超声波传感器101发射出至到达超声波传感器102的时间，f1代表往复频率。
相反，当超声波传感器102作为发射器，而超声波传感器101作为接收器时，存在下面的等式(2)f2＝1/t2＝(C-Vcosθ)/L…(2)其中t2代表往复时间，f2代表往复频率。
因而两个往复频率之间的频率差Δf可由下面的等式(3)表示出，这样流体的流速V可通过超声波的传播路径的长度L而得出，频率差Δf为Δf＝f1-f2＝2Vcosθ/L…(3)也就是，可以从超声波的传播路径的长度L和频率差Δf得知流体的流动速度V。因而有可能从流速V而确定流量。
这样的超声波流量计需要具有高的精确度。为了提高其精确度，匹配层的声音阻抗变得相当重要，该匹配层形成在压电振动器的超声波发射和接收表面上，而该压电振动器构成向一种气体发射超声波或接收通过该气体传播的超声波的超声波传感器。用于产生超声波振动的压电振动器的声音阻抗大约为30×106。空气的声音阻抗大约为400。声音匹配层的理想的声音阻抗为大约0.11×106。而且，声音阻抗由下面的等式(4)定义声音阻抗＝(密度)×(音速)
因此，低密度材料比如用一种树脂材料凝固一玻璃球或一塑胶球所得到的材料被用来作为声音匹配层，以将声音阻抗控制在一低的值。另外，还采取这样的方法，将一中空的玻璃球热压缩，使熔化的材料起泡沫等。在日本专利出版物N0.2559144中公开了这样的方法。
然而，对于普通的用于超声波流量计的超声波传感器中所使用的声音匹配层，已经采用的方法是将中空的玻璃球热压缩，使熔化的材料起泡沫等，如上所述。由于玻璃球在强压力下破碎，在压力不足时产生分离，剥落的熔化材料起泡沫等，使介质趋于成为不同种类的。因此，特性产生变化，进而使装置的精确度产生变化。而且，还出现下面的问题。例如，由于声音匹配层暴露在气体中，会由于潮湿而造成表面塌陷，或者该层很容易被化学活性物质所腐蚀，进而导致耐久性差。
发明简述本发明用于解决上述问题。本发明的目的是提供一种高灵敏度的超声波传感器，它能够降低性能上的变化，进而保证稳定的精确度，以及使耐久性提高等，本发明还提供一种制造该超声波传感器的方法，以及一种超声波流量计。
本发明的超声波传感器包括一压电元件和一声音匹配层，其中该声音匹配层由一种无机氧化物或有机聚合物的干凝胶制成，该干凝胶的固体骨架部分已变成为疏水的。具有这样的结构就可以得到具有一声音匹配层的超声波传感器，该声音匹配层由于其干凝胶的固体骨架部分已变成疏水的，其声音阻抗很低。而且，由于干凝胶的高的同质性，超声波传感器的性能变化范围很窄。
而且，如果本发明的超声波传感器以下述方式实施，则可以得到更佳的超声波传感器。
首先，超声波传感器的结构为压电元件和声音匹配层彼此化学地连接在一起。
其次，将超声波传感器的压电元件安装在一气密的封闭箱体的内侧上，将声音匹配层与压电元件的安装位置相对安装在气密的封闭箱体的外侧上。
第三，将超声波传感器构造成其气密的封闭箱体具有一声音匹配层安装部分，该安装部分与压电元件的安装位置相对在外侧的位置上，其凹入的深度为超声波振荡频率的四分之一，该声音匹配层安装部分充满一种无机氧化物或有机聚合物的干凝胶。
第四，该超声波传感器的气密的封闭箱体与声音匹配层彼此化学地连接在一起。
第五，该超声波传感器的气密的封闭箱体是由导电材料制成的。
第六，该超声波传感器的导电材料是一种金属材料。
第七，该超声波传感器中构成声音匹配层的干凝胶的密度为500千克/立方米或更小，平均孔径为100纳米或更小。
第八，该超声波传感器中干凝胶的固体骨架部分至少包含有氧化硅或氧化铝成分。
第九，该超声波传感器中，在声音匹配层的表面上形成一密度为800千克/立方米或更高，厚度为10微米或更小的保护层。
第十，超声波传感器的保护层由金属材料、无机材料和聚合物材料中的任一种制成。
第十一，超声波传感器的保护层由铝、氧化硅、氧化铝、非晶体碳和聚对苯二甲撑中的任一种制成。
在本发明的超声波传感器的制造方法中，超声波传感器包括一声音匹配层和一压电元件，该声音匹配层由一种无机氧化物或有机聚合物的干凝胶制成，该干凝胶的固体骨架部分已经变成为疏水的。该方法包括将干凝胶钎焊(或软焊)到压电元件或一气体隔离箱体上的步骤，该压电元件安装到该箱体的内侧上。利用该方法得到的超声波传感器由于其声音匹配层具有低的声音阻抗，因而可具有较高的灵敏度和较好的性能稳定性。
在本发明的超声波传感器的制造方法中，该超声波传感器包括一声音匹配层和一压电元件，该声音匹配层由一种无机氧化物或有机聚合物的干凝胶制成，该干凝胶的固体骨架部分已经变成为疏水的。该方法包括制成声音匹配层的步骤。声音匹配层的形成过程包括将一种凝胶原材料溶液涂到压电元件或一气体隔离箱体上的沉积步骤，其中压电元件安装到该气体隔离箱体的内侧上；从凝胶原材料溶液得到一种湿凝胶的固化步骤；和去除湿凝胶中的溶剂以得到干凝胶的干燥步骤。利用该制造方法得到的超声波传感器由于其声音匹配层具有低的声音阻抗，因而可具有较高的灵敏度和较好的性能稳定性。
而且，如果本发明的超声波传感器的制造方法以下述方式实施，则可以得到更佳的超声波传感器。
首先，在包含有安装在气密的封闭箱体的内侧上的压电元件的超声波传感器中，该气密的封闭箱体具有一声音匹配层安装部分，该安装部分与气密的封闭箱体的压电元件的安装位置相对在外侧的位置上，其凹入的深度为超声波波长的四分之一。在该超声波传感器的制造方法中，凝胶原材料溶液被涂到声音匹配层的安装部分上。
其次，在超声波传感器的制造方法中，通过干燥沉积方法在声音匹配层的表面上制成一保护层。
而且，本发明的超声波流量计包括一流量测量部分，被测量的流体流经该部分；一对安装在流量测量部分上用于发射和接收超声波信号的超声波传感器；一用于测量超声波在超声波传感器之间的行进时间的测量回路；和一用于根据来自测量回路的信号计算流量的流量操纵装置，每一超声波传感器都由一气密的封闭箱体构成，通过它被测量的流体和压电元件彼此隔离开。这样的超声波流量计由于超声波传感器具有高灵敏度和狭窄的性能变化范围，其流量测量的稳定性提高。
如上所述，本发明提供了这样一结构，即声音匹配层由一种无机氧化物或有机聚合物的干凝胶制成，该干凝胶的固体骨架部分已经变成为疏水的。因此，所得到的超声波传感器的声音匹配层，由于干凝胶的固体骨架部分已经变成为疏水的，因此重量轻而且声音阻抗小。而且，还可以得到性能变化范围小并且由于干凝胶的高同质性而性能稳定的超声波传感器。在无机氧化物或有机聚合物的干凝胶的形成过程中，压电元件表面或箱体表面上的OH组与原材料的成分发生反应并彼此化学地连接在一起，以保证其间的连接效果。因此，这样一极佳的效果还预示着可以得到无粘结层或所谓的少粘结层的超声波传感器。
从以下的参照附图对本发明的实施例的描述中可以更清楚地看出本发明的上述目的和优点。
附图的简要描述图1所示的剖视图示出了普通的超声波流量计的测量原理；
图2是本发明的第一实施例的超声波传感器的剖视图；图3是本发明的第二实施例的超声波传感器的剖视图；图4是本发明的第三实施例的超声波传感器的剖视图；图5是本发明的第四实施例的超声波传感器的剖视图；图6所示的流程图示出了本发明的超声波传感器的制造方法的第一实施例；图7所示的流程图示出了本发明的超声波传感器的制造方法的第二实施例；图8所示的流程图示出了本发明的超声波传感器的制造方法的第三实施例；图9所示的流程图示出了本发明的超声波传感器的制造方法的第四实施例；图10所示的方框图示出了采用本发明的超声波传感器的超声波流量计。
最佳实施例的描述(第一实施例)图2是本发明的第一实施例的超声波流量计中采用的超声波传感器的压电振动器的剖视图。图2中，用于进行电-超声波互换的压电振动器1由一压电元件2和一声音匹配层3组成。压电元件2产生超声波振动。它由压电陶瓷、压电单晶体或类似材料构成。它沿厚度方向被极化，在其上下侧具有电极。声音匹配层3用于将超声波发射至一种气体，或接收通过该气体传播的超声波。声音匹配层3的功能是使由驱动交流电压激发的压电元件2的机械振动作为超声波有效地经过外部介质，并将输入的超声波有效地转换为电压。它通过一种化学粘合剂连接到压电元件2的一面上，从而形成压电元件2的超声波传递和接收表面。而且声音匹配层3是由无机氧化物或有机聚合物的干凝胶体制成的。该干凝胶的固体骨架结构变成为疏水的。因此它形成为一种密度为500千克/立方米或更小的毫微孔材料的干凝胶(毫微孔干凝胶)，平均孔径为100纳米或更小。需要指出的是无机氧化物的干凝胶的固体骨架部分至少包含有二氧化硅(硅石)或氧化铝(矾土)成分。而且有机聚合物的干凝胶的固体骨架部分可以由一般的热固树脂或热塑树脂制成。如可以采用聚氨酯、聚脲、硫化酚树脂、聚丙烯酰胺、甲基聚甲基丙烯酸酯等。
(第二实施例)图3示出了本发明的第二实施例的利用图2所示的压电振动器的超声波传感器的剖视图。用相同的附图标记用来表示图2和3中的相同材料和相同功能的部件。压电振动器1连接到箱体4的内部，该箱体4由导电材料制成，比如由对外部流体来讲能够保证可靠的金属制成，通常是管状的。箱体4的顶部开口，连同压电振动器1内的声音匹配层3的顶部一起，由保护层5覆盖。结果是其内部与外部流体隔开。另外，其底部由一盖板7覆盖且完全密封，该盖板7由一种类似的导电材料如金属制成。因此，箱体4与盖板7一起形成了一气体隔离箱体。而且，驱动端6a和6b连接到盖板7上。对于两个驱动端6a和6b，一驱动端6a经过盖板7和箱体4电连接到压电元件2的顶部电极上。另一驱动端6b由一种绝缘材料8与盖板7电绝缘，并且电连接到箱体4内的压电元件2的底部电极上。
保护层5是具有密度为800千克/立方米或更高，厚度为10微米或更小的一层，由一种金属材料、无机材料、聚合物材料或类似物制成。具体地，除了铝、氧化硅、氧化铝、低熔点玻璃、非晶体碳、聚合物(聚对苯二甲撑和聚酰亚胺)等，涂层树脂、UV(紫外线)可硫化(curable)树脂、热固树脂等均可使用。当使用铝时，它通过蒸气沉积作用或溅射过程来提供。使用氧化硅或氧化铝时，它通过蒸气沉积过程、溅射过程、CVD(化学蒸气沉积)过程等来提供。采用低熔点玻璃时，通过涂层过程来提供。使用非晶体碳时，则通过等离子CVD过程来提供。使用聚合物(聚对苯二甲撑(polyparaxylene)或聚酰亚胺)时，它通过蒸气沉积聚合过程等来提供。
对于如此构成的超声波传感器，当具有交流信号成分的其频率接近超声波传感器的谐振频率的脉冲波加到驱动端6a和6b上时，压电振动器1以厚度振动方式振动。因此它将类似突发的超声波发射入流体如一种气体或液体中。
(第三实施例)图4是本发明的第三实施例的超声波传感器的剖视图，其中的由图2所示的压电振动器1经略微修改而得到的压电振动器1安装在箱体14内。在图2至4中采用相同的附图标记表示具有相同材料和相同功能的部件。因此省略对其相同部分的说明，仅对其不同点加以描述。箱体14的结构如下。凹入部分15作为声音匹配层安装部分位于顶部14a上以封闭整个顶部14a，形成一大体管状的箱体。另外，底部由盖板7封闭，也形成了气体隔离箱体。附带地，凹入部分15的深度是超声波振荡频率的四分之一。而且，箱体14是由导电材料如一种能够以与第一实施例中的箱体4相同的方式保证对外部流体来讲安全可靠的金属材料制成的。压电振动器1的结构为压电元件2在箱体14内连接到顶部14a，声音匹配层3连接到外部凹入部分15内。对于具有如此结构的超声波传感器，当具有交流信号成分的、其频率接近超声波传感器的谐振频率的脉冲波电压加到驱动端6a和6b上时，压电振动器1以厚度振动方式振动。因此，它将类似突发的超声波发射入一流体如气体或液体中。
(第四实施例)图5示出了本发明的第四实施例的超声波传感器。除了提供了保护层5以覆盖图4所示的超声波传感器中的声音匹配层3的整个顶部并且声音匹配层3密封在作为声音匹配层安装部分的凹入部分15的内部之外，该实施例的超声波传感器的结构与图4所示的第三实施例的超声波传感器的结构相同。同样对于具有如此结构的超声波传感器，当具有交流信号成分的、其频率接近超声波传感器的谐振频率的脉冲波电压加到驱动端6a和6b上时，压电振动器1以厚度振动方式振动。因此，它将类似突发的超声波发射入一流体如气体或液体中。
下面将描述图2至5中所示的每一声音匹配层3的制造方法和将其连接到压电元件2或箱体14上的方法的实例。
(第一例)图6示意性地示出了第一实施例的声音匹配层3的制造方法和将其连接到压电元件2上的具体步骤。以下按照步骤1至6的顺序描述第一实施例。
步骤1进行硅酸钠电渗析以形成具有PH值为9至10的硅酸溶液；步骤2将硅酸溶液的PH值调节到5.5，所得到的溶液倒入一模子中。随后硅酸溶液形成胶体，进而得到水基湿凝胶体；步骤3形成胶体的硅酸溶液经一种三甲基氯硅烷(TMCS)的丙酮溶液，之后进行脱水处理，形成一种湿凝胶块；步骤4通过使用二氧化碳对湿凝胶块进行超临界干燥以形成硅石干凝胶块；步骤5硅石干凝胶块被切成厚度为λ/4的层而制成规定的声音匹配层3；和步骤6通过银焊或利用粘合剂将在步骤5中切得的声音匹配层3连接到压电元件2的一面上或箱体14的顶部14a上，从而得到压电振动器1。
(第二例)图7示意性地示出了第二实施例的声音匹配层3的制造方法和将其连接到金属的密封的箱体14上的具体步骤。以下按照步骤1至7的顺序描述第二实施例。
步骤1用四乙氧基甲硅烷、仲丁氧基铝(aluminium-sec-buthoxide)和乙醇制得一种溶胶溶液；步骤2向所得到的溶胶溶液中加入凝胶催化剂或一种酸或一种吸附剂(Base)以在凝胶化开始之前形成一种涂层原材料溶液，能够以其变浓的状态涂覆到箱体14上；步骤3涂层原材料溶液被涂覆到箱体14的涂层表面上，与箱体(气密的封闭箱体)14合成一体；步骤4当涂层原材料溶液在涂覆之后开始形成胶体时，箱体14的表面上的OH组与原材料的烷氧基组起反应并彼此化学地连接在一起以在箱体14的表面上形成湿凝胶膜；步骤5用乙醇冲洗该膜。冲洗之后，该膜被超临界干燥。随后，用三甲基氯硅烷的蒸气对其进行疏水处理以在箱体14的表面上形成铝硅酸干凝胶膜；步骤6在于箱体14的表面上形成的铝硅酸干凝胶膜上真空形成一干燥保护膜(保护层5)。保护层5利用二氧化硅的蒸气沉积、溅射、CVD等形成；和步骤7之后，将压电元件2、盖板7、驱动端6a和6b等安装到箱体14上，进而得到压电振动器1。
(第三例)图8示意性地示出了第三实施例的声音匹配层3的制造方法和将其连接到金属的密封的箱体14上的方法的具体步骤，特别是箱体14是由不锈钢制成的，将声音匹配层3连接到箱体14上。下面按照步骤1至6的顺序描述第三实施例。
步骤1进行硅酸钠电渗析以形成具有PH值为9至10的硅酸溶液；步骤2将硅酸溶液的PH值调节到5.5，所得到的溶液一滴一滴地加到箱体14上以使硅酸溶液与箱体14结合；步骤3当涂覆原材料溶液在涂覆之后开始形成胶体时，箱体14的表面上的OH组与原材料的烷氧基组起反应并彼此化学地连接在一起以在箱体14的表面上形成湿凝胶膜；步骤4形成胶体的硅酸溶液经一种三甲基氯硅烷(TMCS)的丙酮溶液，之后进行脱水处理，变成疏水的。而且，在溶剂变成己级烷之后，溶液在一箱体内保持在100℃下干燥以形成二氧化硅的干凝胶膜；步骤5在于箱体14的表面上形成的硅石干凝胶膜上通过高频等离子体CVD形成非晶体碳(金刚石碳)膜的保护膜(保护层5)。保护层5是坚硬的，并抗划痕，具有高的抗化学阻力。而且它的气体隔离性能极佳，具有低的吸附能力，不易吸附化学物质；和步骤6之后，将压电元件2、盖板7、驱动端6a和6b等安装到箱体14上，进而得到压电振动器1。
(第四例)图9示意性地示出了第四实施例的声音匹配层3的制造方法和将其连接到金属的密封箱体14上的方法的具体步骤，特别是箱体14是由铝制成的，将声音匹配层3连接到箱体14上。下面按照步骤1至7的顺序描述第四实施例。
步骤1甲代苯撑二异氰酸酯(TDI)和甲苯二胺在一种非质子传递溶剂如丙酮或四氢呋喃中混合以形成一种具有聚亚安酯结构的水溶液。如在此步骤中的溶液，准备一种不会与原材料反应的溶液是重要的；步骤2所得到的水溶液一滴一滴地加到箱体14上以与该箱体14结合；步骤3在涂层原材料溶液涂覆之后涂层原材料开始形成胶体时，箱体14的表面上的OH组与原材料的烷氧基组起反应并彼此化学地连接在一起以在箱体14的表面上形成湿凝胶膜；步骤4凝胶化的涂层原材料溶液进行溶剂转变为叔丁醇，并在25℃或更低的温度下冻结。随后，冻结了的溶液在40托或更小的减小了的压力下被加热并干燥以形成一种有机干凝胶膜。所得到的有机干凝胶膜具有疏水性；步骤5在于箱体14的表面上形成的有机干凝胶膜上涂覆一种尿烷基紫外线(UV)可硫化树脂，并硫化以形成保护膜(保护层5)；和步骤6之后，将压电元件2、盖板7、驱动端6a和6b等安装到箱体14上，进而得到压电振动器1。
图10所示的框图示出了使用本发明的超声波传感器的超声波流量计。图10中的超声波流量计安装用来测量一种在一管内以速度V沿图中箭头所示的方向流动的流体的流量，该管是一流量测量部分51。在流量测量部分51的管壁上，相对地安装了本发明的超声波传感器1a和1b。这里，超声波传感器1a用作一超声波发射器(以下称作“超声波发射器1a”)，超声波传感器1b用作一超声波接收器(以下称作“超声波接收器1b”)。而且，超声波发射器1a和超声波接收器1b经一转换回路55连接起来，该转换回路55用于实现其传送和接收之间的转换。还有用于驱动超声波传感器1a和1b的驱动回路54，用于检测超声波脉冲的接收检测回路56，用于确定超声波脉冲的行进时间的计时器57，用于根据计时器的输出对流量进行操纵的操纵装置58，和用于输出一控制信号至驱动回路54和计时器57的控制装置59。
下面将描述具有上述结构的超声波流量计的操作。要测量的流量设定为如一种LP气体，超声波传感器1a和1b的驱动频率设定为大约500KHZ。控制装置59输出一发射开始信号至驱动回路54，同时启动计时器57的时间测量。驱动回路54接收发射开始信号，并驱动超声波传感器1a以发射一超声波脉冲。发射的超声波脉冲在流量测量部分内传播，并被超声波传感器1b接收。接收到的超声波脉冲在超声波传感器1b被转换为电信号，并被输出至该接收检测回路56。接收检测回路56确定接收信号的接收时间并停止计时器57，操纵装置58对行进时间t1进行处理。
随后，被连接到驱动装置54和接收检测回路56上的转换回路55在超声波传感器1a和1b之间进行转换。然后，控制装置59再次输出发射开始信号至驱动回路54，同时开始计时器57的时间测量。与行进时间t1的测量的情形相反，超声波传感器1b发射一超声波脉冲，而超声波传感器1a接收它，操纵装置58对行进时间t2进行处理。
这里假定超声波传感器1a和1b的中心之间的距离为L，LP气体在无风状况下的音速为C，流量测量部分51内的流速为V，被测量的流体的流动方向与超声波传感器1a和1b的中心之间的连线之间的夹角为θ，则可以分别确定行进时间t1和t2。而且，由于距离L是已知的，因此如果时间t1和t2确定了，则可以确定流速V。因此，有可能从流速V核实流量。
以上以描述附图所示的最佳实施例的方式描述了本发明，显然本领域的技术人员可以容易地对本发明进行修改和变化。这样的变化均包含在本发明的范围内。
权利要求
1.一种超声波传感器，包括有一压电元件和一声音匹配层，该声音匹配层是由一种无机氧化物或有机聚合物的干凝胶制成的，该干凝胶的固体骨架部分已经变成为疏水的。
2.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于压电元件和声音匹配层彼此化学地连接在一起。
3.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于压电元件安装到一气密的封闭箱体的内侧上，声音匹配层安装到该气密的封闭箱体的外侧上，与压电元件的安装位置相对。
4.如权利要求3所述的超声波传感器，其特征在于气密的封闭箱体具有一声音匹配层安装部分，该安装部分与压电元件的安装位置相对，处在外侧的位置上，其凹入的深度为超声波振荡频率的四分之一，并且该声音匹配层安装部分充以一种无机氧化物或有机聚合物的干凝胶。
5.如权利要求3所述的超声波传感器，其特征在于所述气密的封闭箱体与声音匹配层彼此化学地连接在一起。
6.如权利要求3所述的超声波传感器，其特征在于所述气密的封闭箱体是由导电材料制成的。
7.如权利要求6所述的超声波传感器，其特征在于所述导电材料是一种金属材料。
8.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于构成声音匹配层的干凝胶的密度为500千克/立方米或更小，平均孔径为100纳米或更小。
9.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于干凝胶的固体骨架部分至少包含氧化硅或氧化铝成分。
10.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于在声音匹配层的表面上形成一密度为800千克/立方米或更高，厚度为10微米或更小的保护层。
11.如权利要求10所述的超声波传感器，其特征在于保护层由金属材料、无机材料和聚合物材料中的任一种制成。
12.如权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于保护层由铝、氧化硅、氧化铝、非晶体碳和聚对苯二甲撑中的任一种制成。
13.一种超声波传感器的制造方法，该超声波传感器包括一声音匹配层和一压电元件，该声音匹配层由一种无机氧化物或有机聚合物的干凝胶制成，该干凝胶的固体骨架部分已经变成为疏水的，该方法包括将干凝胶钎焊到压电元件或一气体隔离箱体上的步骤，该压电元件安装到该箱体的内侧上。
14.一种超声波传感器的制造方法，该超声波传感器包括一声音匹配层和一压电元件，该声音匹配层由一种无机氧化物或有机聚合物的干凝胶制成，该干凝胶的固体骨架部分已经变成为疏水的，该方法包括制成声音匹配层的步骤，声音匹配层的形成步骤包括将一种凝胶原材料溶液涂到压电元件或一气体隔离箱体上的沉积步骤，其中压电元件安装到该气体隔离箱体的内侧上；从凝胶原材料溶液得到一种湿凝胶的固化步骤；和去除湿凝胶中的溶剂以得到干凝胶的干燥步骤。
15.如权利要求14所述的超声波传感器的制造方法，压电元件安装在气密的封闭箱体的内侧上，该气密的封闭箱体具有一声音匹配层安装部分，该安装部分与气密的封闭箱体的压电元件的安装位置相对，处在外侧的位置上，其凹入的深度为超声波振荡频率的四分之一，其中凝胶原材料溶液被涂到声音匹配层的安装部分上。
16.如权利要求13所述的超声波传感器的制造方法，其特征在于通过干燥沉积方法在声音匹配层的表面上制成一保护层。
17.如权利要求14所述的超声波传感器的制造方法，其特征在于通过干燥沉积方法在声音匹配层的表面上制成一保护层。
18.一种采用一超声波传感器的超声波流量计，该超声波传感器包括一压电元件和一声音匹配层，该声音匹配层由一种无机氧化物或有机聚合物的干凝胶制成，该干凝胶的固体骨架部分已经变成为疏水的，该超声波流量计包括一流量测量部分，被测量的流体流经该部分；一对安装在流量测量部分上用于发射和接收超声波的超声波传感器；一用于测量超声波在超声波传感器之间的行进时间的测量回路；和用于根据来自测量回路的信号计算流量的流量控制装置，每一超声波传感器都由一气密的封闭箱体构成，通过它被测量的流体和压电元件彼此隔离开。
全文摘要
本发明的目的是提供一种超声波传感器,它能够降低性能上的变化,进而提供稳定的精确度,以及提高其耐久性等。本发明还提供了一种制造超声波传感器的方法和一种超声波流量计。为了达到上述目的,根据本发明的超声波传感器包含有一压电元件和一声音匹配层,其中声音匹配层由一种无机氧化物或有机聚合物的干凝胶制成,该干凝胶的固体骨架部分已经变成为疏水的。所得到的超声波传感器的声音匹配层,由于干凝胶的固体骨架部分已经变成为疏水的,因此重量轻而且声音阻抗小。而且,还可以得到性能变化范围小并且由于干凝胶的高同质性而性能稳定的超声波传感器。
文档编号H04R17/00GK1373348SQ0210667
公开日2002年10月9日 申请日期2002年2月28日 优先权日2001年2月28日
发明者铃木正明, 桥田卓, 桥本雅彦 申请人:松下电器产业株式会社