CN109696677A - 六元式超声波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六元式超声波传感器，包括双面电路板、贴片金属环、贴片金属块、压电陶瓷块、金属振子和网状信号屏蔽壳。所述的压电陶瓷块安装在贴片金属环上面，贴片金属块位于贴片金属环内，金属环锡焊贴片安装在双面电路板上，与贴片金属块组成超声波谐振腔，用于消除超声波信号发射完成后产生的余振。六组压电陶瓷块，成角度为60º安装在双面电路板的圆形平面上，装有六组压电陶瓷块组件的双面电路板嵌入在网状信号屏蔽壳内，超声波传感器的信号引脚由电路板底部输出。本发明六元式超声波传感器，利用超声波谐振腔对信号发射完成后产生阻尼衰减，消除近距离感应盲区，提高传感器检测的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及超声波传感器领域，具体涉及一种六元式超声波传感器。
背景技术
目前使用的一体型超声波传感器，超声波信号的发射和接收是在同一个超声波传感器组件上完成，当一组超声波信号发射完成后，再次由该组件接收反射的超声波信号。由于超声波信号发射完成后，传感器会产生惯性余振，接收信号会有数毫秒以上的信号延时，因此会产生近距离的感应盲区。当超声波传感器进行远距离探测时，超声波信号的发射与接收相互影响较大，盲区的距离会随之加大，以致无法实现近距离检测。同时检测环境的影响和感应角度的不同，也使传感器的可靠性降低。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供一种六元式超声波传感器。传感器具有特殊结构的谐振腔室，用以消除超声波发射后产生的余振，六组独立的传感器分布在圆形的电路板上，可根据感应要求实现超声波信号发生与接收的1-6之间的任意组合，有效消除近距离的感应盲区，实现远、近距离高可靠的感应探测。
为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：
一种六元式超声波传感器，包括双面电路板、贴片金属环、贴片金属块、压电陶瓷块、金属振子和网状信号屏蔽壳，其特征在于：所述的压电陶瓷块安装在贴片金属环上面；
所述的贴片金属块位于贴片金属环内；所述的金属环锡焊贴片安装在双面电路板上，与贴片金属块组成超声波谐振腔，用于消除超声波信号发射完成后产生的余振。
所述的金属振子安装在压电陶瓷块上面；
所述的压电陶瓷块形成的感应体有六组，成角度为60º安装在双面电路板的圆形平面上，组成结构为六元式超声波传感器，每组感应体即可发射也可接收超声波信号；
所述的装有六组压电陶瓷块组件的双面电路板嵌入在网状信号屏蔽壳内，超声波传感器的信号引脚由电路板底部输出。
优选地，其中：
所述的压电陶瓷块的居里温度为420ºC-500ºC；所述的压电陶瓷块上下两面是信号电极，涂有厚度为12um的导电银浆膜；所述的压电陶瓷块材料为PZT-4-PZT-8类锆钛酸铅压电陶瓷。
优选地，其中：
所述的压电陶瓷块顶面有凹槽，底面有凸块，嵌入到金属环内；所述的金属振子是带有凸点的圆形喇叭状锅仔片，焊接在压电陶瓷块的凹槽内。
优选地，其中：
所述的贴片金属环内有一个带有台阶的、上面为梯形状金属块，贴片焊接在电路板的Y字状的圆形焊盘上面，与贴片金属环形成一个超声波谐振腔室。
优选地，其中：
所述的贴片金属块高度低于贴片金属环0.2mm,内部形成的圆柱形的腔室空间，填充高度0.8-1.7mm的耐高温树脂。
优选地，其中：
所述的耐高温树脂在300℃内的热膨胀系数小于或等于75ppm/℃；
优选地，其中：
所述的耐高温树脂玻璃化转化温度大于300℃；所述的耐高温树脂材料为聚四氟乙烯或聚酰亚胺。
优选地，其中：
所述的传感器制造方法和步骤包括：
步骤1：涂布5-30%含银锡膏，将贴片金属环和贴片金属块锡焊在电路板上面，形成超声波谐振腔室；
步骤2：在超声波谐振腔室注入高度为1.2mm的耐高温树脂干燥固化；
步骤3：涂布5-30%含银锡膏，将压电陶瓷块和金属振子锡焊在贴片金属环上面。
优选地，其中：
所述的传感器有六组，每组即可以发生超声波信号，也可以接受超声波信号。
优选地，其中：
所述的双面电路板为圆形，与电路板上面的电路元器件，安装在前端为网状的信号屏蔽壳内。
优选地，其中：
所述的超声波信号引脚直径1.0mm镀银金属线，于电路板的底部边缘圆形排列；超声波信号公共脚位置于线路板正中心、上面的边缘处。
优选地，其中：
所述的网状信号屏蔽壳为圆柱形金属壳，网状格位于金属壳前端，与壳体一次成型制成，后端有一个圆形金属片，固定电路板。
与现有技术相比，本申请所述的结构和方法，达到了如下效果：
第一：采用电路板铜箔设置的Y字状、圆形焊盘，将贴片金属环和贴片金属块锡焊在电路板上面，形成一个带有超声波谐振腔室的超声波传感器支架，在谐振腔室，填充高度0.8-1.7mm的耐高温树脂，形成一个超声波信号阻尼谐振腔，用以迅速消除超声波信号发射后产生的余振干扰。
第二：电路板上6六组独立的超声波传感应体，能同时完成超声波信号的发射与接收，可以根据检测环境要求，实现1-6之间的任意组合，在近距离与远距离探测时，具有较高的感应灵敏度和可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明六元超声波传感器元器件位置基本框图。
图2为本发明六元超声波传感器单组超声波器件结构图。
图3为本发明六元超声波传感器封装和信号引脚位置结构图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些名称、词汇或术语来指称特定组件和电路构成,本领域技术人员应可理解，工程技术人员、硬件、元器件制造商可能会用不同名词和词汇来称呼同一个组件和名称。为便于理解、描述和说明，技术人员也会使用相同的名称或术语描述组件和单元电路构成的感应器，如本申请在通篇说明书及权利要求当中所提及的电路板、双面电路板、贴片金属环、贴片金属块、压电陶瓷块、金属振子和网状信号屏蔽壳；Y字状的圆形焊盘、超声波谐振腔、超声波信号公共脚、超声波信号引脚等，这些名称或词汇都以组件或电路单元形式出现在本申请中。 PZT-4-PZT-8类锆钛酸铅压电陶瓷、聚四氟乙烯或聚酰亚胺耐高温树脂和对应的温度参数，以材料、参数等统称的形式出现在本申请中。
本申请的说明书、说明书附图、说明书摘要、摘要附和图权利要求并不以名称的差异来作为区分组件或电路形成的方式，而是以组件或电路形成或材料应用，在结构上、功能上、应用规则上、设计方法和使用构想上等、于本申请的技术方案方面存在的差异来作为区分的准则。
说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后并非用以限续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
参见图1、图2和图3为本申请所述一种六元式超声波传感器具体实施例，
图中：1圆形双面电路板、2（2-1至2-6）贴片金属环、3金属振子、4压电陶瓷块、5贴片金属块、6网状信号屏蔽壳、7超声波信号公共脚、8（8-1至8-6）超声波信号引脚。
如图1、图2和图3所示，
一种六元式超声波传感器，包括双面电路板、贴片金属环、贴片金属块、压电陶瓷块、金属振子和网状信号屏蔽壳。压电陶瓷块安装在贴片金属环上面，金属环以支架形式固定压电陶瓷块，形成超声波信号感应体组件，用于发射和接收超声波感应信号。贴片金属块位于贴片金属环内，金属环锡焊贴片安装在双面电路板上，与贴片金属块组成超声波谐振腔，当超声波信号发生完成后，谐振腔体空间对超声波惯性信号产生阻尼衰减，使信号振幅迅速减小，以消除超声波信号发射完成后产生的余振干扰。金属振子焊接在压电陶瓷块上面，用于发射和接收超声波信号。装有六组超声波感应体的电路板，由设置在电路板底部的信号引脚与外部连接，封装在一个带有网状的信号屏蔽壳内，组成一种六元式超声波传感器。
电路板上的6六组独立的超声波传感应结构体，能同时完成超声波信号的发生与接收，可以根据检测环境要求，实现1-6之间的任意组合，在近距离与远距离探测时，具有较高的感应灵敏度和可靠性。
金属振子安装在压电陶瓷块上面；可高效完成超声波信号的发射与接收。
在双面电路板上面，压电陶瓷块形成的感应体有六组，成角度为60º安装在双面电路板的圆形平面上，组成结构为六元式超声波传感器，每组感应体即可发射也可接收超声波信号；可以根据使用环境要求，设置成单组收发一体使用，或者多组单独的发射和接收超声波信号，以保证传感器工作可靠。
装有六组压电陶瓷块组件的双面电路板嵌入在网状信号屏蔽壳内，以消除杂讯干扰，超声波传感器的信号引脚由电路板底部输出，方便传感器与外部电路连接。
超声波传感器的敏感材料为高温型压电陶瓷块，压电陶瓷块的居里温度为420ºC-500ºC，压电陶瓷块上下两面是信号电极，涂有厚度为12um的导电银浆，与外部电路连接，压电陶瓷块材料为PZT-4-PZT-8类锆钛酸铅压电陶瓷，以主要用于超声波传感器的生产与制造。
压电陶瓷块顶面有凹槽，底面有凸块，嵌入到金属环内，以保证凸块部分与谐振腔体空间产生共振。金属振子是带有凸点的圆形喇叭状锅仔片，焊接在压电陶瓷块的凹槽内，用于超声波信号的发射和接收。
贴片金属环内有一个带有台阶的、上面为梯形状金属块，贴片焊接在电路板的Y字状的圆形焊盘上面，与贴片金属环形成一个超声波谐振腔室，这种结构，可以高效发射超声波信号，当信号发射完成后，信号幅度迅速受到阻尼衰减，达到消除余振的目的。
贴片金属块高度低于贴片金属环0.2mm,内部形成的圆柱形的腔室空间，填充高度0.8-1.7mm的耐高温树脂， 以匹配不同频率的超声波信号，达到最佳阻尼效果，迅速消除余振干扰。
为满足电路板装配要求，所需要的材料具备要求为：耐高温树脂在300℃内的热膨胀系数小于或等于75ppm/℃；耐高温树脂玻璃化转化温度大于300℃；耐高温树脂材料为聚四氟乙烯或聚酰亚胺，以此达到最佳使用效果。
传感器制造方法和步骤包括：
步骤1：涂布5-30%含银锡膏，将贴片金属环和贴片金属块锡焊在电路板上面，形成超声波谐振腔室，以固定安装感应体支架组件。
步骤2：在超声波谐振腔室注入高度为0.8-1.7mm的耐高温树脂干燥固化，匹配超声波信号频率，确定谐振腔室空间结构。
步骤3：涂布5-30%含银锡膏，将压电陶瓷块和金属振子锡焊在贴片金属环上面，固定安装超声波感应体组件。
电路板上的传感器有六组，每组即可以发生超声波信号，也可以接受超声波信号，用于满足不同环境下的感应探测。
超声波传感器双面电路板为圆形，与电路板上面的电路元器件，安装在前端为网状的信号屏蔽壳内，以隔离与外界的杂讯干扰，提供传感器的可靠性。
超声波信号引脚直径1.0mm镀银金属线，于电路板的底部边缘圆形排列，超声波信号公共脚位置于线路板正中心、上面的边缘处。方便与外部电路连接，
网状信号屏蔽壳为圆柱形金属壳，网状格位于金属壳前端，与壳体一次成型制成，后端有一个圆形金属片，固定电路板，此封装结构使传感器屏蔽在一个金属壳内，消除信号与外界相互干扰，提高超声波传感器的可靠性。
通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是效果：
第一：采用电路板铜箔设置的Y字状、圆形焊盘，将贴片金属环和贴片金属块锡焊在电路板上面，形成一个带有超声波谐振腔室的超声波传感器支架，在谐振腔室，填充高度0.8-1.7mm的耐高温树脂，形成一个超声波信号阻尼谐振腔，用以迅速消除超声波信号发射后产生的余振干扰。
第二：电路板上6六组独立的超声波传感应体，能同时完成超声波信号的发射与接收，可以根据检测环境要求，实现1-6之间的任意组合，在近距离与远距离探测时，具有较高的感应灵敏度和可靠性。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种六元式超声波传感器，包括双面电路板、贴片金属环、贴片金属块、压电陶瓷块、金属振子和网状信号屏蔽壳，其特征在于：所述的压电陶瓷块安装在贴片金属环上面；所述的贴片金属块位于贴片金属环内；所述的金属环锡焊贴片安装在双面电路板上，与贴片金属块组成超声波谐振腔，用于消除超声波信号发射完成后产生的余振。
2.根据权利要求1所述的六元式超声波传感器，其特征在于：
所述的金属振子安装在压电陶瓷块上面；
所述的压电陶瓷块形成的感应体有六组，成角度为60º安装在双面电路板的圆形平面上，组成结构为六元式超声波传感器，每组感应体即可发射也可接收超声波信号；
所述的装有六组压电陶瓷块组件的双面电路板嵌入在网状信号屏蔽壳内，超声波传感器的信号引脚由电路板底部输出。
3.根据权利要求1所述的六元式超声波传感器，其特征在于：所述的压电陶瓷块的居里温度为420ºC-500ºC；所述的压电陶瓷块上下两面是信号电极，涂有厚度为12um的导电银浆膜；所述的压电陶瓷块材料为PZT-4-PZT-8类锆钛酸铅压电陶瓷。
4.根据权利要求1或2之一所述的六元式超声波传感器，其特征在于：所述的压电陶瓷块顶面有凹槽，底面有凸块，嵌入到金属环内；所述的金属振子是带有凸点的圆形喇叭状锅仔片，焊接在压电陶瓷块的凹槽内。
5.根据权利要求1所述的六元式超声波传感器，其特征在于：所述的贴片金属环内有一个带有台阶的、上面为梯形状金属块，贴片焊接在电路板的Y字状的圆形焊盘上面，与贴片金属环形成一个超声波谐振腔室；
所述的贴片金属块高度低于贴片金属环0.2mm,内部形成的圆柱形的腔室空间，填充高度0.8-1.7mm的耐高温树脂。
6.根据权利要求5所述的六元式超声波传感器，其特征在于：所述的耐高温树脂在300℃内的热膨胀系数小于或等于75ppm/℃；所述的耐高温树脂玻璃化转化温度大于300℃；所述的耐高温树脂材料为聚四氟乙烯或聚酰亚胺。
7.根据权利要求1所述的六元式超声波传感器，其特征在于：
所述的传感器制造方法和步骤包括：
步骤1：涂布5-30%含银锡膏，将贴片金属环和贴片金属块锡焊在电路板上面，形成超声波谐振腔室；
步骤2：在超声波谐振腔室注入高度为0.8-1.7mm的耐高温树脂干燥固化；
步骤3：涂布5-30%含银锡膏，将压电陶瓷块和金属振子锡焊在贴片金属环上面。
8.根据权利要求7所述的六元式超声波传感器，其特征在于：所述的传感器有六组，每组即可以发生超声波信号，也可以接受超声波信号。
9.根据权利要求1所述的六元式超声波传感器，其特征在于：所述的双面电路板为圆形，与电路板上面的电路元器件，安装在前端为网状的信号屏蔽壳内；所述的超声波信号引脚直径1.0mm镀银金属线，于电路板的底部边缘圆形排列；超声波信号公共脚，位置于线路板正中心、上面的边缘处。
10.根据权利要求1所述的六元式超声波传感器，其特征在于：所述的网状信号屏蔽壳为圆柱形金属壳，网状格位于金属壳前端，与壳体一次成型制成，后端有一个圆形金属片，固定电路板。
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