CN108400231A - 超声波传感器及超声波传感器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声波传感器及超声波传感器的制造方法，超声波传感器包括呈矩阵排布的多个压电陶瓷柱和填充于多个压电陶瓷柱之间的树脂。树脂在220℃内的热膨胀系数小于或等于60ppm/℃，树脂的玻璃化转化温度大于220℃。本发明实施方式的超声波传感器在经压焊工艺时，即使在220℃的高温环境中，树脂也不会玻璃化或者过度膨胀，从而改善树脂在压焊工艺变形的状况，避免超声波传感器因形变导致压焊工艺中对位不精准，提高超声波传感器的质量。

Description

超声波传感器及超声波传感器的制造方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别涉及一种超声波传感器及超声波传感器的制造方法。

背景技术

超声波传感器包括树脂框架及收容于树脂框架内呈矩阵排列的压电柱。超声波传感器制作过程中需经过压焊工艺，需要在220℃的高温环境中进行，树脂框架会因高温发生膨胀，导致对位不精准，影响超声波传感器的质量。

发明内容

本发明实施方式旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明实施方式提供一种超声波传感器及超声波传感器的制造方法。

本发明实施方式的超声波传感器，包括呈矩阵排布的多个压电陶瓷柱和填充于所述多个压电陶瓷柱之间的树脂。所述树脂在220℃内的热膨胀系数小于或等于60ppm/℃，所述树脂的玻璃化转化温度大于220℃。

本发明实施方式的超声波传感器在经压焊工艺时，即使在220℃的高温环境中，树脂也不会玻璃化或者过度膨胀，从而改善树脂在压焊工艺变形的状况，避免超声波传感器因形变导致压焊工艺中对位不精准，提高超声波传感器的质量。

在某些实施方式中，所述压电陶瓷柱的居里温度为360℃～490℃。

在某些实施方式中，所述压电陶瓷柱包括锆钛酸铅压电陶瓷。

在某些实施方式中，所述锆钛酸铅压电陶瓷的型号包括PZT-4、PZT-5或PZT-8。

在某些实施方式中，所述压电陶瓷柱体积分数为40％～70％，所述树脂的体积分数为30％～60％。

在某些实施方式中，所述树脂包括聚四氟乙烯或聚酰亚胺。

在某些实施方式中，所述压电陶瓷柱及所述树脂形成压电层，所述压电层的厚度小于或等于0.1mm。

一种超声波传感器的制造方法，包括以下步骤：

提供压电陶瓷层，切割所述压电陶瓷层以形成呈矩阵排布的多个压电陶瓷柱；和

将树脂填充至所述多个压电陶瓷柱之间并固化，所述树脂在220℃内的热膨胀系数小于或等于60ppm/℃，所述树脂的玻璃化转化温度大于220℃。

本发明实施方式的超声波传感器的制造方法在经压焊工艺时，即使在220℃的高温环境中，树脂也不会玻璃化或者过度膨胀，从而改善树脂在压焊工艺变形的状况，避免超声波传感器因形变导致压焊工艺中对位不精准，提高超声波传感器的质量。

在某些实施方式中，超声波传感器的制造方法包括：

研磨所述压电陶瓷柱及所述树脂形成的压电层的两个表面。

在某些实施方式中，超声波传感器的制造方法包括：

所述压电陶瓷柱体积分数为40％～70％，所述树脂的体积分数为30％～60％。

本发明实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实施方式的实践了解到。

附图说明

本发明实施方式的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施方式提供的超声波传感器的制造方法的流程示意图；

图2是本发明实施方式提供的超声波传感器的制造方法的过程示意图；

图3是本发明实施方式提供的超声波传感器的立体示意图。

主要元件符号说明：

超声波传感器10，压电陶瓷层12，压电陶瓷柱122，压电陶瓷底座124，树脂14。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设定进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设定之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1及图2，本发明实施方式的超声波传感器10的制造方法，包括以下步骤：

S12：提供压电陶瓷层12，切割压电陶瓷层12以形成呈矩阵排布的多个压电陶瓷柱122；和

S14：将树脂填充至多个压电陶瓷柱122之间并固化，树脂14在220℃内的热膨胀系数小于或等于60ppm/℃，树脂14的玻璃化转化温度大于220℃。

本发明实施方式的制造方法在经压焊工艺时，即使在220℃的高温环境中，树脂14也不会玻璃化或者过度膨胀，从而改善树脂14在压焊工艺变形的状况，避免超声波传感器10因形变导致压焊工艺中对位不精准，提高超声波传感器10的质量。

具体地，以压电陶瓷层12为原料，经横向切割及纵向切割，形成矩阵排布的多个压电陶瓷柱122，将树脂14填充至多个压电陶瓷柱122之间，树脂14三维连通，形成1-3型压电复合材料超声波传感器10。

在某些实施方式中，超声波传感器10的制造方法包括：

S16：研磨压电陶瓷柱122及树脂14形成的压电层的两个表面。

如此，研磨两个平面有助于将压电层压焊至电路板上。

具体地，经过步骤S12后形成压电陶瓷柱122底部相连的压电陶瓷底座124，树脂14填充至多个压电陶瓷柱122之间并固化后，形成超声波传感器10，研磨去掉压电陶瓷底座124和填充时多余的溢出压电层的树脂14，使之平整。

在某些实施方式中，超声波传感器10的制造方法包括：

压电陶瓷柱122体积分数为40％～70％，树脂14的体积分数为30％～60％。

如此，当超声波传感器10各组分体积分数在上述范围时，在保证超声波传感器10性能的同时，也可以实现超声波传感器10在220℃经压焊工艺时不发生形变或只有微小的形变，不会影响超声波传感器10的质量。

具体地，为控制好压电陶瓷柱122和树脂14的体积分数，需在执行S12步骤前设计好压电陶瓷柱122的大小，形状及间隔，以使得压电陶瓷柱122和树脂14的体积分数满足要求。

请参阅图3，本发明实施方式的超声波传感器10，包括呈矩阵排布的多个压电陶瓷柱122和填充于多个压电陶瓷柱122之间的树脂14。树脂14在220℃内的热膨胀系数小于或等于60ppm/℃，树脂14的玻璃化转化温度大于220℃。

本发明实施方式的超声波传感器10在经压焊工艺时，即使在220℃的高温环境中，树脂14也不会玻璃化或者过度膨胀，从而改善树脂14在压焊工艺变形的状况，避免超声波传感器10因形变导致压焊工艺中对位不精准，提高超声波传感器10的质量。

具体地，压电陶瓷具有较好的压电性能，但是声阻抗较高，而树脂14受热易发生形变。如此，单一的压电陶瓷或者单一的树脂14均难以满足本发明实施方式的超声波传感器10的要求，需将二者复合优势互补，形成性能优于单一压电陶瓷或者单一树脂14的超声波传感器10。

进一步地，本发明实施方式的超声波传感器10，可实现机械能与电能之间的双向转换。

在某些实施方式中，压电陶瓷柱122的居里温度为360℃～490℃。

如此，超声波传感器10在经压焊工艺时，不会发生磁性的改变而影响超声波传感器10的压电性能。

具体地，居里温度是铁磁体从铁磁相转变成顺磁相的相变温度，高于居里温度时，压电陶瓷柱122从铁磁体转变为顺磁体，从而失去压电效应。采用居里温度为360℃～490℃的压电陶瓷，使超声波传感器10经压焊工艺时，压电陶瓷柱122仍然为具有压电效应的铁磁体。

在某些实施方式中，压电陶瓷柱122包括锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)。

如此，锆钛酸铅压电陶瓷在220℃下为铁磁体，使超声波传感器10在经压焊工艺时，不影响超声波传感器10的磁性，进而保证超声波传感器10的性能。

具体地，锆钛酸铅压电陶瓷是高温下烧结形成包括占不同比例的PbZrO3、PbTiO3固溶体，各成分占比例不同的锆钛酸铅压电陶瓷表现出的性能不同，通过调节各成分的比例，以满足实际应用时对压电性能、介电性能及其他性能的要求。

在某些实施方式中，锆钛酸铅压电陶瓷的型号包括PZT-4、PZT-5或PZT-8。

型号为PZT-4、PZT-5或PZT-8的锆钛酸铅压电陶瓷居里点均在360℃～490℃之间，满足本发明实施方式的超声波传感器10的要求。

当然，锆钛酸铅压电陶瓷种类繁多，在其他实施方式中，不限于上述三种型号的锆钛酸铅压电陶瓷，可根据实际应用的需要，选择合适的锆钛酸铅压电陶瓷。

在某些实施方式中，压电陶瓷柱122体积分数为40％～70％，树脂14的体积分数为30％～60％。

如此，当超声波传感器10各组分体积分数在上述范围时，在保证超声波传感器10性能的同时，也可以实现超声波传感器10在220℃压焊时不发生形变或只有微小的形变，不会影响压焊工艺。

具体地，压电陶瓷柱122和树脂14的体积分数，影响压电陶瓷柱122及树脂14形成的压电层的压电性能，介电性能及力学性能。压电陶瓷比例过高，会导致抗震性能差，与声阻抗较高等后果，影响超声波传感器10的性能，而如果树脂14的比例较高，由于树脂14受热易形变，则会使超声波传感器10在压焊工艺时产生形变，导致压焊对位不精准，影响超声波传感器10的质量，如此，在选择了合适的压电陶瓷柱122和树脂14的原料的前提下，调节压电陶瓷柱122及树脂14的比例，使压电陶瓷柱122和树脂14复合形成的超声波传感器10同时具有优异的压电性能、声阻抗适中及较好的耐热、耐磨损性能的优点，进一步得使超声波传感器10在经压焊工艺时不会因形变影响超声波传感器10的质量，使超声波传感器10表现出更加优异的性能。

在某些实施方式中，树脂14包括聚四氟乙烯或聚酰亚胺。

如此，将聚四氟乙烯或聚酰亚胺填充至压电陶瓷柱122之间，以其较高的玻璃转化温度和较低的热膨胀系数，使得超声波传感器10在220℃时不会发生明显的形变。

具体地，聚四氟乙烯或聚酰亚胺玻璃化转化均温度大于220℃，且热膨胀系数较小，且具有树脂14具有的其它优良性能，如声阻抗较低，抗震性好。

当然，树脂14的种类繁多，在其他实施方式中，不限于上述两种树脂14，在实际生产工作中，可根据实际情况，选择热膨胀系数及玻璃化转化温度满足要求的树脂14。

在某些实施方式中，压电陶瓷柱122及树脂14形成压电层，压电层的厚度小于或等于0.1mm。

如此，降低厚度有利于减小超声波传感器10的体积及重量，扩大超声波传感器10的应用范围。

具体地，在一个实施例中，将超声波指纹传感器10应用于移动智能终端指纹识别，例如手机，由于手机通常的使用场景及手机自身体积的限制，需尽可能的减小超声波传感器10的质量及体积，满足人们对手机轻便的要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种超声波传感器，其特征在于包括：

呈矩阵排布的多个压电陶瓷柱；和

填充于所述多个压电陶瓷柱之间的树脂，所述树脂在220℃内的热膨胀系数小于或等于60ppm/℃，所述树脂的玻璃化转化温度大于220℃。

2.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述压电陶瓷柱的居里温度为360℃～490℃。

3.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述压电陶瓷柱包括锆钛酸铅压电陶瓷。

4.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述锆钛酸铅压电陶瓷的型号包括PZT-4、PZT-5或PZT-8。

5.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述压电陶瓷柱体积分数为40％～70％，所述树脂的体积分数为30％～60％。

6.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述树脂包括聚四氟乙烯或聚酰亚胺。

7.如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述压电陶瓷柱及所述树脂形成压电层，所述压电层的厚度小于或等于0.1mm。

8.一种超声波传感器的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

提供压电陶瓷层，切割所述压电陶瓷层以形成呈矩阵排布的多个压电陶瓷柱；和

将树脂填充至所述多个压电陶瓷柱之间并固化，所述树脂在220℃内的热膨胀系数小于或等于60ppm/℃，所述树脂的玻璃化转化温度大于220℃。

9.如权利要求8所述超声波传感器的制造方法，其特征在于包括：

研磨所述压电陶瓷柱及所述树脂形成的压电层的两个表面。

10.如权利要求8所述的超声波传感器的制造方法，其特征在于包括：

所述压电陶瓷柱体积分数为40％～70％，所述树脂的体积分数为30％～60％。