超声波传感器的制作方法

本发明涉及一种超声波传感器，更具体来说，其是关于一种具径向共振匹配部与厚度共振匹配部来匹配不同共振模式的超声波传感器。

背景技术：

1、现有的超声波传感器(ultrasonic transducer)可用于短距离的物体检测，其通过发出的超声波碰撞到物体之后反射回来的时间差，可以计算出超声波传感器与待检测物体之间的距离。对于超声波检测而言，待检测物体的类型与性质并不会受到太多的限制，包括各种表面颜色、透明度、硬度的固体、液体或粉体等，其都可以用超声波传感器来进行检测。因此，现今超声波传感器已广泛应用在停车雷达(parking sensor)、位高检测(levelsensor)、薄片层数检测(multiple sheet detection)及流量检测(flow meter)等领域。

2、超声波传感器的主要组成元件为压电陶瓷片(piezoceramics)，例如以锆钛酸铅(lead zirconate titanate,pzt)材料制作的陶瓷片，其双面会涂布导电层。在工作时施加高频交流电信号会让压电陶瓷产生高频率振动，所述高频率振动是一种声波，如果此声波的频率落在超声波范围，即为超声波振动。然而，为了让所产生的超声波能从压电陶瓷传递到空气中，压电陶瓷的声阻(acoustic impedance)必须与空气的声阻匹配才行。

3、声阻(z)＝材料密度(ρ)*超声波声速(c)，压电陶瓷的声阻约为30-35mrayl(106千克/平方米·秒)，空气的声阻约为430rayl(千克/平方米·秒)，压电陶瓷的声阻与空气的声阻有非常大的差距，导致压电陶瓷所产生的超声波能量无法传递到空气中。因此，声阻匹配层(matching layer)就成了超声波传感器中必要的部件，其会设置在压电陶瓷与空气之间，使得两者的声阻得以匹配，从而可有效地将超声波传递到空气中。用于空气传感器(airtransducer)的匹配层的声阻，其最理想值为：√(35m*430)rayl，约为0.12mrayl，但是自然界中很难找到声阻低于1mrayl而且又耐用的材料，一般业界常用的匹配层材料为高分子树脂与空心玻璃球混合成的复合材料，来达到较低的声阻特性，同时也具有较佳的耐候性及可靠度。

4、另一方面，一般压电陶瓷在不同的设置条件下可能会具有不同的共振模式，例如径向共振模式或是厚度共振模式。压电陶瓷在不同共振模式下所发出的声波会具有不同的频率，一般的声阻匹配层并不能同时匹配压电陶瓷在不同共振模式下发出的声波。因此，本领域的技术人员仍须研究开发可适用于压电陶瓷多种震动模式的声阻匹配层。

5、以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本案的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

技术实现思路

1、有鉴于前述现有技术的现况，本发明在此提出了一种新颖的超声波传感器，特点在于其声阻匹配层具有厚度不同的径向共振匹配部与厚度共振匹配部来匹配压电体不同的共振模式。

2、本发明的目的之一在于提出一种超声波传感器，包含一压电体，具有径向共振频率及厚度共振频率，且具有一上表面、隔着所述压电体的一下表面以及连接所述上表面与所述下表面的侧表面，以及一声阻匹配层，设置在所述压电体的所述上表面上，且具有径向共振匹配部与厚度共振匹配部，其中所述径向共振匹配部在垂直所述上表面的方向上的厚度大于所述厚度共振匹配部在所述方向上的厚度，且所述径向共振匹配部的所述厚度匹配所述压电体的所述径向共振频率，所述厚度共振匹配部的所述厚度匹配所述压电体的所述厚度共振频率。

3、本发明的另一目的在于提出一种超声波传感器，包含一压电体，具有一上表面、一隔着所述压电体的下表面、以及连接所述上表面与所述下表面的侧表面，一承载体，具有一内表面以及隔着所述承载体的外表面，且所述压电体的所述上表面与所述承载体的内表面接合并具有一弯曲共振频率及一厚度共振频率，以及一声阻匹配层，与所述承载体的所述外表面接合，且具有弯曲共振匹配部以及厚度共振匹配部，其中所述弯曲共振匹配部在垂直所述外表面的方向上的厚度大于所述厚度共振匹配部在所述方向上的厚度，且所述弯曲共振匹配部的所述厚度匹配所述压电体与所述承载体形成的所述弯曲共振频率，所述厚度共振匹配部的所述厚度匹配所述压电体与所述承载体形成的所述厚度共振频率。

4、本发明的这类目的与其他目的，在读者读过后文中以多种图形与绘图来描述的具体实施例细节说明后，必然可变得更为明了显见。

技术特征：

1.一种超声波传感器，其特征在于，包含：

2.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述径向共振频率小于所述厚度共振频率。

3.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，还具有一管状承载体，所述管状承载体具有一上开口与一下开口，所述压电体与所述声阻匹配层设置于所述管状承载体内，且所述声阻匹配层从所述管状承载体的所述上开口露出。

4.如权利要求3所述的超声波传感器，其特征在于，还包含一减震体，所述减震体与所述压电体的所述下表面以及所述管状承载体的内表面相接。

5.如权利要求4所述的超声波传感器，其特征在于，还包含一承载盘，所述承载盘具有引线或引脚，且所述承载盘与所述减震体相接并从所述管状承载体的所述下开口露出。

6.如权利要求3所述的超声波传感器，其特征在于，所述管状承载体包含截面为方形、多边形或是圆形的管状结构。

7.如权利要求3所述的超声波传感器，其特征在于，所述管状承载体的材料包含选自下列群组或其组合的金属材质：铝、钛、铜以及不锈钢，或是下列群组或其组合的非金属材质：玻璃、压克力、铁氟龙、聚二氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸丁酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯硫醚、液晶聚合物以及聚醚醚酮。

8.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述声阻匹配层包含有机高分子材料，或是包含由有机高分子材料与空心粉体或实心粉体混合而成的复合材料，所述有机高分子材料包括环氧树脂、乙烯基酯树脂、紫外线硬化胶、聚氨酯、硅胶、丙烯酸树脂、或氰酸酯树脂。

9.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述压电体包含实心方形、多边形、圆形的压电材料，或是环状压电材料，或是多层陶瓷压电材料，或是具有沟槽的压电材料。

10.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，还具有一桶状承载体，所述桶状承载体具有一封闭的顶部、一下开口以及连接所述顶部与所述下开口的桶身，所述压电体及所述声阻匹配层设置于所述桶状承载体内，且所述声阻匹配层的所述径向声阻匹配部及所述厚度声阻匹配部与所述桶状承载体的所述封闭的顶部接合。

11.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，还具有一桶状承载体，所述桶状承载体具有一顶部、一下开口以及连接所述顶部与所述下开口的桶身，所述顶部具有一开孔，所述压电体及所述声阻匹配层设置于所述桶状承载体内，其中所述径向声阻匹配部与所述承载体的所述顶部接合，且所述厚度声阻匹配部从所述顶部的所述开孔露出。

12.如权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于，还包含一减震体，所述减震体与所述压电体的所述下表面以及所述桶身的内表面相接。

13.如权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于，还包含一承载盘，所述承载盘具有引线或引脚，且所述承载盘与所述减震体面以及所述桶身的内表面相接，并从所述桶状承载体的所述下开口露出。

14.如权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于，所述桶状承载体的截面为方形、多边形或是圆形。

15.如权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于，所述桶状承载体的材料包含选自下列群组或其组合的金属材质：铝、钛、铜以及不锈钢，或是下列群组或其组合的非金属材质：玻璃、压克力、铁氟龙、聚二氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸丁酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯硫醚、液晶聚合物以及聚醚醚酮。

16.一种超声波传感器，其特征在于，包含：

17.如权利要求16所述的超声波传感器，其特征在于，所述弯曲共振频率小于其厚度共振频率。

18.如权利要求16所述的超声波传感器，其特征在于，所述承载体为平板状承载体或桶状承载体。

19.如权利要求16所述的超声波传感器，其特征在于，所述承载体的材料包含选自下列群组或其组合的金属材质：铝、钛、铜以及不锈钢，或是下列群组或其组合的非金属材质：玻璃、压克力、铁氟龙、聚二氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸丁酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯硫醚、液晶聚合物以及聚醚醚酮。

20.如权利要求16所述的超声波传感器，其特征在于，所述声阻匹配层包含有机高分子材料，或是包含由有机高分子材料与空心粉体或实心粉体混合而成的复合材料，所述有机高分子材料包括环氧树脂、乙烯基酯树脂、紫外线硬化胶、聚氨酯、硅胶、丙烯酸树脂、或是氰酸酯树脂。

技术总结
一种超声波传感器，包含一压电体，具有径向共振频率及厚度共振频率，且具有一上表面、隔着所述压电体的一下表面以及连接所述上表面与所述下表面的侧表面，以及一声阻匹配层设置在所述压电体的所述上表面上，且具有径向共振匹配部与厚度共振匹配部，其中所述径向共振匹配部在垂直所述上表面的方向上的厚度大于所述厚度共振匹配部在所述方向上的厚度，且所述径向共振匹配部的所述厚度匹配所述压电体的所述径向共振频率，所述厚度共振匹配部的所述厚度匹配所述压电体的所述厚度共振频率。

技术研发人员：陈隆
受保护的技术使用者：咏业科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13