CN108435520B - 一种振动增强型超声换能器 - Google Patents
一种振动增强型超声换能器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108435520B CN108435520B CN201810192687.1A CN201810192687A CN108435520B CN 108435520 B CN108435520 B CN 108435520B CN 201810192687 A CN201810192687 A CN 201810192687A CN 108435520 B CN108435520 B CN 108435520B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- vibration
- printed circuit
- circuit board
- flexible printed
- metal layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 48
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 48
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 64
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 5
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 4
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 3
- 239000006098 acoustic absorber Substances 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 230000003187 abdominal effect Effects 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Abstract
本发明公开一种振动增强型超声换能器，包括：超声波振子，具有与其振动方向垂直的第一表面和第二表面；柔性印刷电路板，包括基板和金属层，设于所述超声波振子的第二表面上；所述柔性印刷电路板在超声波振子的作用下与超声波振子产生共振。将原超声换能器的柔性印刷电路板设计为振动系统的共振元件，既消除了柔性印刷电路板受迫振动引入的噪声干扰，又起到了振动增强的效果，有效提高了超声换能器的灵敏度，而且不改变系统的整体结构，不需要额外增加共振元件，结构简单、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种振动增强型超声换能器，属于换能器领域。
背景技术
在传统的超声换能器中，电路一般通过焊接安装于换能器(振动源)的侧面。一般振动源，如压电陶瓷片，厚度很薄，电路焊接于压电陶瓷片的侧面时，电路电极与压电陶瓷片的电接触面积极小，加上焊接工艺的不稳定性，使得换能器产品整体的电稳定性比较差，产品良率难以提高。
为此，现有的超声换能器对其进行了改进，采用柔性印刷电路板与压电陶瓷片叠置在一起的方式(柔性印刷电路板和压电陶瓷片叠置并粘接在一起)，使得电路电极可以与压电陶瓷片的整个平面接触，而且二者直接电耦合在一起，无需焊接，极大地提高了产品的电稳定性和产品良率。但是工作时，叠置的柔性印刷电路板将产生受迫振动，对超声换能器造成噪声干扰，影响超声换能器的灵敏度等整体性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：1、现有超声换能器振动增强设计复杂、成本高；2、柔性印刷电路板的受迫振动影响超声换能器的灵敏度等问题。
为解决技术问题，提供一种振动增强型超声换能器，有效提高了超声换能器的灵敏度，不需要额外增加共振元件，结构简单、成本低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种振动增强型超声换能器，包括：
超声波振子，具有与其振动方向垂直的第一表面和第二表面；
柔性印刷电路板，包括基板和金属层，设于所述超声波振子的第二表面上；
所述柔性印刷电路板在超声波振子的作用下做受迫振动，该受迫振动的振动频率fr在(1±5％)fP的范围内，其中fP为超声波振子的谐振频率。
优选地，所述柔性印刷电路板的受迫振动频率fr由如下公式确定：
其中Qm为所述超声换能器的振动系统的力学品质因素，f0为所述柔性印刷电路板的固有谐振频率，由如下公式确定：
Mm为金属层的等效质量，Ms为基板的等效质量，Km为柔性印刷电路板的弹性系数。
优选地，所述柔性印刷电路板的金属层包括第一金属层，邻近所述超声波振子的第二表面配置。
优选地，所述柔性印刷电路板还包括第二金属层，设于第三表面上；所述第三表面为所述基板远离所述第一金属层一侧的表面。
优选地，所述柔性印刷电路板还包括保护层，设于所述第二金属层上远离所述基板的一侧。
优选地，所述超声换能器还包括声学吸声层，贴近所述柔性印刷电路板设置。
优选地，所述超声换能器还包括匹配层，贴近所述压电振动源的第一表面设置。
优选地，所述基板为绝缘层，所述绝缘层的材料为PI或PET等材料。
优选地，所述金属层的金属材料为金、银、铜、镍或铬中的一种或多种。
本发明还提供了一种增强超声换能器振动幅度的方法，所述超声换能器提供：
超声波振子，具有与其振动方向垂直的第一表面和第二表面；
柔性印刷电路板，包括基板和金属层，设于所述超声波振子的第二表面上；
所述柔性印刷电路板在超声波振子的作用下做受迫振动，通过调节所述柔性印刷电路板的基板和金属层的材质和质量，使得所述柔性印刷电路板受迫振动的振动频率fr在(1±5％)fP的范围内，其中fP为超声波振子的谐振频率。
本发明的有益效果是：将原超声换能器的柔性印刷电路板的受迫振动频率设计为与超声换能器的超声波振子的振动频率相等或接近，使柔性印刷电路板成为振动系统的共振元件，既消除了柔性印刷电路板受迫振动引入的噪声干扰，又起到了振动增强的效果，有效提高了超声换能器的灵敏度，而且不改变系统的整体结构，不需要额外增加共振元件，结构简单、成本低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是超声换能器中超声波振子与柔性印刷电路板结构示意图；
图2是本发明振动增强的超声换能器振动幅度检测结果示意图；
图3是本发明振动增强的超声换能器的频率阻抗曲线；
图4是现有技术中受柔性印刷电路板振动噪声干扰的超声换能器振动幅度检测结果示意图；
图5是图4对应的超声换能器的频率阻抗曲线，在3.6MHz频率处产生干扰。
图6是现有技术中没有柔性印刷电路板时，超声换能器的振动幅度检测结果示意图；
图7是图6对应的超声换能器的频率阻抗曲线，没有噪声干扰。
附图标记：100、柔性印刷电路板；110、基板；111、第三表面；120、金属层；121、第一金属层；122、第二金属层；130、保护层；200、超声波振子；210、第一表面；220、第二表面；300、声学吸声层；400、匹配层。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示为超声换能器中超声波振子200与柔性印刷电路板100装配结构示意图，超声波振子200，具有与其振动方向垂直的第一表面210和第二表面220；柔性印刷电路板100，包括基板110和金属层120，设于上述超声波振子200的第二表面220上。上述柔性印刷电路板100在超声波振子200的作用下做受迫振动，该受迫振动的振动频率fr在(1±5％)fP的范围内，其中fP为超声波振子的谐振频率；即柔性印刷电路板100在超声波振子200的作用下与超声波振子200产生共振，从而起到振动增强的效果。本发明超声换能器的柔性印刷电路板100在实现电路连接功能的同时，还通过调整其基板110和金属层120的材质和质量，使得该柔性印刷电路板100在超声波振子200的作用下与超声波振子200产生共振效应，以增强超声波振子200的振动幅度，同时也消除了因柔性印刷电路板100受迫振动引入的噪声干扰，从而提升了超声波换能器的灵敏度等整体性能。
柔性印刷电路板100包括基板110和若干层金属层120，如该实施例中，柔性印刷电路板100的金属层120包括第一金属层121，邻近超声波振子200的第二表面220配置。柔性印刷电路板100还可以包括第二金属层122，设于第三表面111上，该第三表面111为上述基板110远离第一金属层121一侧的表面，当然，还可以有第三、第四等更多层金属层，分别设置于基板110的两个表面上。
在超声波振子200的作用下，上述柔性印刷电路板100将会受迫振动，在其厚度方向上可以等效成一弹簧振子。根据弹簧振子振动方程，上述柔性印刷电路板100的固有谐振频率f0为
式(1)中，Mm为金属层120的等效质量，Ms为基板110的等效质量。Km为柔性印刷电路板100振动系统的弹性系数，由基板110的材质决定。
当超声波振子200在厚度方向上受电信号激励产生振动后，将迫使与其叠置在一起的柔性印刷电路板100产生受迫振动，此时由于受到超声波振子200的影响，柔性印刷电路板100的受迫振动频率fr为
式(2)中，Qm为超声换能器振动系统的力学品质因素，由超声波振子200和柔性印刷电路板100共同决定。
结合式(1)和(2)，通过调整柔性印刷电路板100的基板110和金属层120的材质和/或质量，使其受迫振动频率fr与超声波振子200的谐振频率fp相等或接近(在5％的误差范围内)，从而可使柔性印刷电路板100与超声波振子200产生共振效应，增强超声波振子200的振动幅度，提升超声换能器的灵敏度。
上述柔性印刷电路板100的基板110为绝缘层，该绝缘层的材料优选PI或PET等材料。柔性印刷电路板100各金属层120的金属材料为金、银、铜、镍或铬等导电金属中一种或多种，各金属层可以采用同一种金属材料，也可以不同金属层采用不同的金属材料。根据实际使用中，确定的超声波振子200的谐振频率，选择合适的基板110和金属层120的材质，调整基板110和金属层120的质量，使得柔性印刷电路板100的受迫振动频率fr与超声波振子200的谐振频率fP相等或接近，可将超声换能器的灵敏度提升0.5-3dB。
例如，以经典腹部凸阵探头的超声换能器为例，图2所示为该超声换能器的柔性印刷电路板与超声波振子共振时，超声换能器的振动幅度检测结果，其振幅为1272mV，图3为其频率阻抗曲线。而图4所示为该款超声换能器的柔性印刷电路板不能与超声波振子产生共振时，超声换能器的振动幅度检测结果，其振幅为1190mV，比本发明的振动振幅低，而且从其频率阻抗曲线(如图5所示)可看出，在中心频率(3.84MHz)附近(3.6MHz频率处)多了个阻抗干扰的小峰，即柔性印刷电路板受迫振动对超声换能器产生的噪声干扰，影响了噪声换能器的整体性能。图6所示为该款超声换能器的超声振动系统中没有柔性印刷电路板时，超声换能器的振动幅度检测结果，其振幅为1151mV，低于本发明的超声换能器的振动幅值，而图7为其频率阻抗曲线，从图7可以看出，没有柔性印刷电路板时，虽然振动幅值比较低，但是在中心频率附近也没有噪声干扰。从图2-7可看出，柔性印刷电路板与超声波振子产生共振效应，将超声换能器的振动幅度提高了1.1dB，且消除了柔性印刷电路板引入的噪声干扰，有效提高了超声换能器的灵敏度。
上述实施例中的柔性印刷电路板还可包括一保护层130，设于上述第二金属122层上远离基板110的一侧。超声换能器还包括声学吸声层和匹配层，声学吸声层贴近上述柔性印刷电路板设置；匹配层贴近上述超声波振子的第一表面设置，该匹配层可根据实际使用设置一层或多层。
本发明还提供了一种增强超声换能器振动幅度的方法，该超声换能器提供：超声波振子，具有与其振动方向垂直的第一表面和第二表面；柔性印刷电路板，包括基板和金属层，设于上述超声波振子的第二表面上；所述柔性印刷电路板在超声波振子的作用下做受迫振动，通过调节所述柔性印刷电路板的基板和金属层的材质和质量，使得所述柔性印刷电路板受迫振动的振动频率fr在(1±5％)fP的范围内，其中fP为超声波振子的谐振频率；即，使得柔性印刷电路板100在超声波振子200的作用下与超声波振子200产生共振，从而起到振动增强的效果。
上述柔性印刷电路板的基板和金属层的材质和质量的调节方法，可参照如下实施例。比如，以经典腹部凸阵探头的超声换能器为例，没有柔性印刷电路板时，其振幅为1151mV。在增加了柔性印刷电路板之后，根据式(1)和(2)计算得出，将该柔性印刷电路板的基板和金属层的材质分别调整为PI材料和金，基板厚度为100um，金属层总厚度为12.5um，使柔性印刷电路板与其超声波振子产生共振，并经仿真软件仿真验证，调整后的超声换能器振动幅度分别为1272mV，信号幅值提升了0.9dB，减少了噪声干扰，有效提高了超声换能器的灵敏度。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (9)
1.一种振动增强型超声换能器，其特征在于，包括：
超声波振子，具有与其振动方向垂直的第一表面和第二表面；
柔性印刷电路板，包括基板和金属层，设于所述超声波振子的第二表面上；
所述柔性印刷电路板在超声波振子的作用下做受迫振动，该受迫振动的振动频率fr在(1±5％)fp的范围内，其中fp为超声波振子的谐振频率；
所述柔性印刷电路板的受迫振动频率fr由如下公式确定：
其中Qm为所述超声换能器的振动系统的力学品质因素，f0为所述柔性印刷电路板的固有谐振频率，由如下公式确定：
Mm为金属层的等效质量，Ms为基板的等效质量，Km为柔性印刷电路板的弹性系数。
2.根据权利要求1所述的振动增强型超声换能器，其特征在于：
所述柔性印刷电路板的金属层包括第一金属层，邻近所述超声波振子的第二表面配置。
3.根据权利要求2所述的振动增强型超声换能器，其特征在于：所述柔性印刷电路板还包括第二金属层，设于第三表面上；所述第三表面为所述基板远离所述第一金属层一侧的表面。
4.根据权利要求3所述的振动增强型超声换能器，其特征在于：所述柔性印刷电路板还包括保护层，设于所述第二金属层上远离所述基板的一侧。
5.根据权利要求1所述的振动增强型超声换能器，其特征在于：所述超声换能器还包括声学吸声层，贴近所述柔性印刷电路板设置。
6.根据权利要求1所述的振动增强型超声换能器，其特征在于：所述超声换能器还包括匹配层，贴近所述压电振动源的第一表面设置。
7.根据权利要求1-6任一项所述的振动增强型超声换能器，其特征在于：所述基板为绝缘层，所述绝缘层的材料为PI或PET。
8.根据权利要求1-6任一项所述的振动增强型超声换能器，其特征在于：所述金属层的金属材料为金、银、铜、镍或铬中的一种或多种。
9.一种增强超声换能器振动幅度的方法，其特征在于，所述超声换能器提供：
超声波振子，具有与其振动方向垂直的第一表面和第二表面；
柔性印刷电路板，包括基板和金属层，设于所述超声波振子的第二表面上；
所述柔性印刷电路板在超声波振子的作用下做受迫振动，通过调节所述柔性印刷电路板的基板和金属层的材质和质量，使得所述柔性印刷电路板受迫振动的振动频率fr在(1±5％)fp的范围内，其中fp为超声波振子的谐振频率；
所述柔性印刷电路板的受迫振动频率fr由如下公式确定：
其中Qm为所述超声换能器的振动系统的力学品质因素，f0为所述柔性印刷电路板的固有谐振频率，由如下公式确定：
Mm为金属层的等效质量，Ms为基板的等效质量，Km为柔性印刷电路板的弹性系数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810192687.1A CN108435520B (zh) | 2018-03-09 | 2018-03-09 | 一种振动增强型超声换能器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810192687.1A CN108435520B (zh) | 2018-03-09 | 2018-03-09 | 一种振动增强型超声换能器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108435520A CN108435520A (zh) | 2018-08-24 |
| CN108435520B true CN108435520B (zh) | 2023-09-12 |
Family
ID=63193852
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810192687.1A Active CN108435520B (zh) | 2018-03-09 | 2018-03-09 | 一种振动增强型超声换能器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108435520B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110000075A (zh) * | 2019-04-02 | 2019-07-12 | 苏州诺莱声科技有限公司 | 一种能够降低横向振动的超声换能器 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107005768A (zh) * | 2014-12-22 | 2017-08-01 | 爱飞纽医疗机械贸易有限公司 | 具有包括厚金属层的柔性印刷电路板的超声波换能器及其制造方法 |
| CN107409261A (zh) * | 2015-02-27 | 2017-11-28 | 株式会社日立制作所 | 超声波振子单元 |
| CN107580721A (zh) * | 2015-05-11 | 2018-01-12 | 测量专业股份有限公司 | 用于具有金属保护结构的超声波换能器的阻抗匹配层 |
-
2018
- 2018-03-09 CN CN201810192687.1A patent/CN108435520B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107005768A (zh) * | 2014-12-22 | 2017-08-01 | 爱飞纽医疗机械贸易有限公司 | 具有包括厚金属层的柔性印刷电路板的超声波换能器及其制造方法 |
| CN107409261A (zh) * | 2015-02-27 | 2017-11-28 | 株式会社日立制作所 | 超声波振子单元 |
| CN107580721A (zh) * | 2015-05-11 | 2018-01-12 | 测量专业股份有限公司 | 用于具有金属保护结构的超声波换能器的阻抗匹配层 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108435520A (zh) | 2018-08-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100470867C (zh) | 压电陶瓷换能器及便携式设备 | |
| KR100310349B1 (ko) | 압전변환기 | |
| US4734963A (en) | Method of manufacturing a curvilinear array of ultrasonic transducers | |
| TW469746B (en) | Acoustic devices | |
| JP4351229B2 (ja) | 超音波探触子の製造方法 | |
| EP1924122A1 (en) | Ultrasonic sensor | |
| JP2002045357A (ja) | 超音波診断装置 | |
| CN107409261B (zh) | 超声波振子单元 | |
| CN103027711A (zh) | 超声探头和超声显示装置 | |
| US6625854B1 (en) | Ultrasonic transducer backing assembly and methods for making same | |
| US20130327155A1 (en) | Ultrasonic Flow Meter | |
| CN108435520B (zh) | 一种振动增强型超声换能器 | |
| CN113161475A (zh) | 一种微小的阵列压电传感器 | |
| WO2014097862A1 (ja) | 音響発生器、音響発生装置および電子機器 | |
| CN106448641B (zh) | 压电模块 | |
| US8456957B2 (en) | Ultrasonic transducer for a proximity sensor | |
| EP2693771B1 (en) | Oscillator and electronic device | |
| CN107564505B (zh) | 一种压电振动发声模块 | |
| CN109104676A (zh) | 用于扬声器的振膜组件及设有该振膜组件的扬声器 | |
| CN215600393U (zh) | 一种微小的阵列压电传感器 | |
| EP3551349B1 (en) | Thickness-planar mode transducers and related devices | |
| CN208905205U (zh) | 用于扬声器的振膜组件及设有该振膜组件的扬声器 | |
| JP3559497B2 (ja) | 超音波探触子 | |
| CN115079452B (zh) | 显示基板母版及其制作方法、显示基板、显示装置 | |
| WO2024089918A1 (ja) | 超音波トランスデューサおよびこれを備えるパラメリックスピーカ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |