CN108731716A - 超声波传感器及电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声波传感器及电子装置。超声波传感器包括压电层、匹配层及背衬层。所述匹配层形成于所述压电层的表面，所述匹配层采用金属和聚合物制成；所述背衬层置于所述压电层的另一表面，所述背衬层与所述匹配层分别置于所述压电层相背的两个表面。本发明实施方式的超声波传感器及电子装置，通过在超声波传感器的压电层上添加匹配层，使超声波传感器的多个谐振频率产生多模态耦合从而拓展超声波传感器的带宽。

Description

超声波传感器及电子装置

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电子装置。

背景技术

近年来随着科学技术的发展，超声波传感器的应用越来越广泛，在许多场合下超声波传感器的带宽不能满足使用需求。

发明内容

本发明实施方式提供一种超声波传感器及电子装置。

本发明实施方式的超声波传感器包括：

压电层；

匹配层，所述匹配层形成于所述压电层的表面，所述匹配层采用金属和聚合物制成，所述金属的体积分数为5％～60％；及

背衬层，所述背衬层置于所述压电层的另一表面，所述背衬层和所述匹配层分别置于所述压电层相背的两个表面。

在某些实施方式中，所述超声波传感器包括：

压电层；

匹配层，所述匹配层形成于所述压电层的表面，所述匹配层采用金属和聚合物制成，所述匹配层的厚度为λ，λ为波长，N为正整数；及

背衬层，所述背衬层置于所述压电层的另一表面，所述背衬层和所述匹配层分别置于所述压电层相背的两个表面。

在某些实施方式中，所述匹配层的厚度为λ/4，λ为波长。

在某些实施方式中，所述金属的体积分数为5％～60％。

在某些实施方式中，所述聚合物包括尼龙、聚四氟乙烯、及聚苯乙烯中的任意一种。

在某些实施方式中，所述金属包括铝及镁中的任意一种。

在某些实施方式中，所述压电层包括压电陶瓷。

在某些实施方式中，所述压电层包括有机填充物，所述压电陶瓷和所述有机填充物形成1-3型复合材料。

在某些实施方式中，所述压电陶瓷为锆钛酸铅压电陶瓷。

在某些实施方式中，所述有机填充物包括聚乙烯、聚四氟乙烯及聚酰亚胺中的任意一种或多种。

本发明实施方式的电子装置包括：

壳体；及

上述任一实施方式所述的超声波传感器，所述超声波传感器安装在所述壳体上。

本发明实施方式的超声波传感器及电子装置，通过在超声波传感器的压电层上添加匹配层，使超声波传感器的多个谐振频率产生多模态耦合从而拓展超声波传感器的带宽。

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是本发明实施方式的超声波传感器的结构示意图；

图2是本发明实施方式的超声波传感器的压电层的结构示意图；

图3是本发明实施方式的电子装置的平面示意图；

图4是本发明实施方式的超声波传感器的发送电压响应-频率示意图。

主要元件符号说明：

电子装置100，超声波传感器10，压电层12，压电陶瓷柱122，有机填充物124，匹配层14，背衬层16，壳体20。

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3，本发明实施方式的电子装置100，包括超声波传感器10及壳体20，超声波传感器10安装于壳体20上。电子装置100包括但不限于手机、平板电脑、超声波清洗机、B超仪、超声波探测器。本实施方式中，电子装置100为手机。

请参阅图1，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，可应用但不限于生物识别领域、医学领域、超声波清洗、超声波探测领域。超声波传感器10包括压电层12、匹配层14及背衬层16。

请参阅图2，压电层12包括阵列式排列的压电陶瓷柱122及有机填充物124。有机填充物124填充在压电陶瓷柱122之间，如此，压电陶瓷柱122及有机填充物124形成1-3型复合材料。本发明实施方式中，压电陶瓷柱122为锆钛酸铅压电陶瓷柱122，并呈矩阵排列。锆钛酸铅压电陶瓷柱122的制备过程如下：

先将二氧化钛(TiO₂)、二氧化锆(ZrO₂)、氧化铅(PbO)或四氧化三铅(Pb₃O₄)在高温下烧结，形成包括占不同比例的锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅(PbTiO3)的固溶体的锆钛酸铅压电陶瓷，然后切割锆钛酸铅压电陶瓷形成锆钛酸铅压电陶瓷柱122。

各成分占比例不同的锆钛酸铅压电陶瓷切割形成的锆钛酸铅压电陶瓷柱122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。当然，在其他实施方式中，压电陶瓷柱122不限于锆钛酸铅压电陶瓷柱122，还可采用其他类型的压电陶瓷柱122，例如铌镁酸铅压电陶瓷柱122或者钛酸铅压电陶瓷柱122，在此不做限制。

有机填充物124包括聚乙烯、聚四氟乙烯或聚酰亚胺中的任意一种或多种。可以理解，有机填充物124可以仅包括聚乙烯，也可以仅包括聚四氟乙烯，还可以仅包括聚酰亚胺。当然，有机填充物124也可以同时包括聚乙烯和聚四氟乙烯、或者同时包括聚四氟乙烯和聚酰亚胺、或者同时包括聚乙烯和聚酰亚胺。进一步地，有机填充物124也可以同时包括聚乙烯、聚四氟乙烯和聚酰亚胺。

压电陶瓷具有较好的压电性能，但是声阻抗较高，抗震性较差，而有机填充物124受热易发生形变，影响超声波传感器10的性能。如此，单一的压电陶瓷或者单一的有机填充物124均难以制成性能较优的超声波传感器10，需将二者复合优势互补，形成性能优于单一压电陶瓷或者有机填充物124的超声波传感器10。

匹配层14形成于压电层12的表面，匹配层14包括金属和聚合物。金属包括铝或镁中的任意一种。在一个例子中，匹配层14的金属为铝；在另一个例子中，匹配层14的金属为镁。具体地，金属原料为金属粉末。聚合物包括尼龙、聚四氟乙烯、聚苯乙烯中的任意一种。可以理解，聚合物可以仅包括尼龙、也可以仅包括聚四氟乙烯，还可以仅包括聚苯乙烯。也即是说，匹配层14的组分共有六种情况，分别为铝和尼龙、铝和聚四氟乙烯、铝和聚苯乙烯、镁和尼龙、镁和聚四氟乙烯、镁和聚苯乙烯。其中，聚合物为匹配层14的基体，金属为匹配层14的填料。

匹配层14具有一定声阻抗，如此增加了超声波传感器10自身的负载，降低了超声波换能器10的基频。当匹配层14的声阻抗小于压电层12的声阻抗时，超声波传感器10的倍频也会下降，当基频和倍频的组合频率发送电压响应曲线不产生过深的凹谷时，这一频带内将形成复合多模震动，实现拓宽超声波传感器10的带宽。

请参阅图4，设置有匹配层14的组合频率发送电压响应曲线形成有两个谐振峰，两个谐振峰连续且没有形成较深的凹谷；而没有设置匹配层的发送电压响应曲线仅有一个谐振峰。可以理解在相同的电压响应范围下，设置有匹配层14的发送电压响应曲线对应的频率范围a相对于无匹配层的发送电压响应曲线对应的频率范围b更大，从而实现了拓宽超声波传感器10的带宽。

匹配层14中金属的体积分数X的范围在5％～60％之间，例如5％、19％、36％、45％、52％、60％。金属的体积分数越大，匹配层14的声阻抗越大。当金属的体积分数小于5％时，匹配层14的声阻抗过小，不能降低超声波换能器10的基频，对拓宽超声波传感器10的带宽起到的作用较小；当金属的体积分数大于60％时，匹配层14的声阻抗过大，会导致发送电压响应曲线的多个谐振峰频间距过大，不能实现拓宽超声波传感器10的带宽。聚合物的体积分数与金属层的体积分数的和为1。也即是说，若金属的体积分数为X，则聚合物的体积分数为1-X。例如金属的体积分数可以为5％，则聚合物的体积分数为95％。金属的体积分数也可以为15％，则聚合物的体积分数为85％。金属的体积分数还可以为40％，则聚合物的体积分数为60％。同理，金属的体积分数为60％时，聚合物的体积分数为40％。

匹配层14的厚度为λ，λ为波长，N为正整数。可以理解，匹配层的厚度可以为λ/4、λ/2、3λ/4、λ、5λ/4、3λ/2、7λ/4、2λ等。当匹配层14的厚度为λ时，超声波换能器10的发送电压响应曲线的多个谐振峰连续且不产生过深的凹谷，从而实现拓宽超声波换能器10的带宽。当匹配层14的厚度不为λ时，超声波换能器10的发送电压响应曲线的多个谐振峰之间会产生过深的凹谷，不能起到拓宽超声波换能器10的带宽的作用。

背衬层16置于所述压电层12的另一表面，背衬层16和匹配层14分别置于压电层12相背的两个表面。背衬层16用于吸收超声波传感器10背向的超声波，避免对超声波传感器10产生不必要的干扰。

本发明实施方式中，匹配层14采用刮刀法制备。先将金属粉末加入聚合物中搅拌均匀，并将搅拌均匀的溶液放入真空泵汇总进行抽真空处理，除去气泡；将厚度为1/4λ的铝箔贴在载玻片上，在铝箔中央挖出尺寸与压电层12一致的空槽，在空槽中均匀涂抹制备好的包含金属粉末和聚合物的混合物，用单面刀片刮至与两面铝箔持平，最后置于常温中静置24小时以固化得到匹配层14。

本发明实施方式的超声波传感器10及电子装置100，通过在超声波传感器10的压电层12上添加匹配层14，使超声波传感器10的多个谐振频率产生多模态耦合，从而拓展超声波传感器10的带宽。

具体地，金属的体积分数X在5～60％范围内时，增加匹配层14中的金属的体积分数X时，可提升超声波传感器10的声阻抗，随着声阻抗的增大，超声波传感器10的带宽也不断增大，达到最佳值。在金属的体积分数X超出60％后，若继续增大金属的体积分数X，则会导致超声波传感器10的多个谐振频率之间的间距过大，不能起到拓宽超声波传感器10的带宽的作用。

进一步地，本发明实施方式的超声波传感器10的压电层12采用1-3型复合材料，使压电陶瓷柱122和有机填充物124复合形成的超声波传感器10同时具有优异的压电性能、声阻抗适中及较好耐磨损性能等优点。

再进一步地，本发明实施方式的超声波传感器10，通过在压电层12上设置背衬层16，吸收压电层12向后传播的声波，减少压电层12对声波的反射，产生单向辐射的超声源，改善超声波传感器10的发射响应和接收灵敏度。

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 (11)

1.一种超声波传感器，其特征在于，所述超声波传感器包括：

压电层；

匹配层，所述匹配层形成于所述压电层的表面，所述匹配层采用金属和聚合物制成，所述金属的体积分数为5％～60％；及

背衬层，所述背衬层置于所述压电层的另一表面，所述背衬层和所述匹配层分别置于所述压电层相背的两个表面。

2.一种超声波传感器，其特征在于，所述超声波传感器包括：

压电层；

匹配层，所述匹配层形成于所述压电层的表面，所述匹配层采用金属和聚合物制成，所述匹配层的厚度为λ为波长，N为正整数；及

背衬层，所述背衬层置于所述压电层的另一表面，所述背衬层和所述匹配层分别置于所述压电层相背的两个表面。

3.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述匹配层的厚度为λ/4，λ为波长。

4.根据权利要求2所述的超声波传感器，其特征在于，所述金属的体积分数为5％～60％。

5.根据权利要求1或2任一项所述的超声波传感器，其特征在于，所述聚合物包括尼龙、聚四氟乙烯、及聚苯乙烯中的任意一种。

6.根据权利要求1或2任一项所述的超声波传感器，其特征在于，所述金属包括铝及镁中的任意一种。

7.根据权利要求1或2任一项所述的超声波传感器，其特征在于，所述压电层包括压电陶瓷。

8.根据权利要求7所述的超声波传感器，其特征在于，所述压电层包括有机填充物，所述压电陶瓷和所述有机填充物形成1-3型复合材料。

9.根据权利要求7所述的超声波传感器，其特征在于，所述压电陶瓷为锆钛酸铅压电陶瓷。

10.根据权利要求8所述的超声波传感器，其特征在于，所述有机填充物包括聚乙烯、聚四氟乙烯及聚酰亚胺中的任意一种或多种。

11.一种电子装置，其特征在于，所述电子装置包括：

壳体；及

权利要求1-10任一项所述的超声波传感器，所述超声波传感器安装在所述壳体上。