CN110290877A - 厚度平面模式传感器及相关设备 - Google Patents
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Abstract
提供了传感器，包括：压电块，其具有相对的第一表面和第二表面；在压电块的第一表面上的第一导电柔性支撑层，第一柔性支撑层具有第一厚度；以及，在压电块的第二表面上的第二柔性支撑层，第二柔性支撑层具有第二厚度。还提供了相关设备。
Description
相关申请的交叉引用
本申请与2016年12月9日提交的名称为“Thickness Mode Transducers and RelatedDevices and Methods”的美国申请序列号15/374,044(代理案卷号170084-00003)相关，该申请的公开内容以引用的方式以其整体并入到本文中，如同在本文中进行阐述一样。
技术领域
本发明构思总体上涉及传感器，并且更具体地，涉及超声波传感器以及相关的方法和设备。
背景技术
超声波传感器优选包括小的但尺寸精确的压电块，以便以低材料成本提供高度的部件间可重复性。常规设备通常包括圆柱形压电块，其具有限定压电块的谐振频率的厚度。在这些设备中，例如，当在170 kHz下操作时，元件厚度可以是大约7.0 mm，以及当在400kHz下操作时，元件厚度可以是大约3.0 mm。然而，制造这种尺寸和形状的精确尺寸的压电圆柱体可能非常昂贵，因为圆柱体面必须在烧制后加工。
此外，常规设备通常使用焊接导线提供与压电块的电连接。然而，焊料可能是不可靠的，并且由于焊料的质量和放置没有得到严格控制，所以可能导致部件之间的可变性增加，并且可能对传感器振动性能产生显著影响。随着压电块尺寸的减小，这些问题通常变得更加严重。
发明内容
本发明构思的一些实施例提供了传感器，包括：压电块，其具有相对的第一表面和第二表面；在压电块的第一表面上的第一导电柔性支撑层，第一柔性支撑层具有第一厚度；以及，在压电块的第二表面上的第二柔性支撑层，第二柔性支撑层具有第二厚度。
在进一步的实施例中，第一厚度和第二厚度可以基本相同，并且可以显著小于压电块的厚度。
在又一些实施例中，第一导电柔性支撑层和第二导电柔性支撑层可以包括薄金属材料片。薄金属材料片可以包括不锈钢材料片。
在一些实施例中，第一导电柔性支撑层和第二导电柔性支撑层可以是具有铜迹线的柔性电路。
在进一步的实施例中，第一导电柔性支撑层和第二导电柔性支撑层可以具有大约0.025 mm到大约0.1 mm的厚度。
在另外的实施例中，压电块可以包括软PZT材料，软PZT材料选自P5A级材料和P5H级材料中的一种。
在一些实施例中，压电块可以具有大约0.5 mm到大约5.0 mm的厚度。
在进一步的实施例中，传感器的谐振频率可以是大约400 kHz，并且第一导电柔性支撑层和第二导电柔性支撑层的尺寸可以是4.2×4.2×0.1mm；并且压电块的尺寸可以是4×4×2mm。
在另外的实施例中，第一导电柔性支撑层和第二导电柔性支撑层可以使用粘合剂分别耦合到压电块的第一表面和第二表面。
在一些实施例中，压电块与第一导电柔性支撑层和第二导电柔性支撑层之间的电接触可以使用粘合剂获得，而无需在压电块与第一导电柔性支撑层和第二导电柔性支撑层之间焊接导线。
在进一步的实施例中，传感器可以进一步包括在第一导电柔性支撑层和第二导电柔性支撑层之一的面向气体和面向液体的表面之一上的声学匹配层。
在另外的实施例中，传感器可以是被配置用于燃气表、水表和热量表之一的超声波传感器。
本发明构思的一些实施例提供了一种包括至少一个传感器的电子设备。该至少一个传感器包括：压电块，其具有相对的第一表面和第二表面；在压电块的第一表面上的第一导电柔性支撑层，第一导电柔性支撑层具有第一厚度；以及，在压电块的第二表面上的第二导电柔性支撑层，第二导电柔性支撑层具有第二厚度。
附图说明
图1是示出根据本发明构思的一些实施例的包括导电柔性支撑层的传感器的框图。
图2A和2B是示出根据本发明构思的一些实施例的包括金属垫片的厚度平面模式传感器的图。
图3和图4是示出轴对称传感器模拟结果的等值线图，绘制了传感器中心的轴向速度(m/s)；图3示出了压电厚度(y_pzt)的变化，半径(r_面)= 2.3 mm(参考：A)，以及图4示出了变化的半径，以及压电厚度= 2 mm(参考：B)。
图5是比较图1中所示的本发明构思的实施例的轴向速度和通过引用并入到本文中的相关申请中讨论的实施例的曲线图。
图6是示出包括根据本发明构思的实施例的传感器的示例燃气表的框图。
图7是示出根据本发明构思的一些实施例的包括声学匹配层的传感器的图。
具体实施方式
下面将参考附图更全面地描述本发明的构思，附图中示出了本发明构思的实施例。然而，本发明构思可以以多种替代形式实施，并且不应该被解释为局限于这里阐述的实施例。
因此，虽然本发明构思易于进行各种修改和具有各种替代形式，但是其具体实施例在附图中以示例的方式示出，并且将在这里详细描述。然而，应该理解的是，并不意图将本发明构思限制于所公开的特定形式，而是相反，本发明构思将覆盖落入权利要求所定义的本发明构思的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。贯穿附图的描述，相同的附图标记指代相同的元件。
这里使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例，而不是意图限制本发明的构思。如这里所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还应当理解，术语“包含”、“含有”、“包括”和/或“具有”当在本说明书中使用时，指定所叙述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。此外，当一个元件被称为“响应于”或“连接到”到另一个元件时，它可以直接响应于或连接到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接响应于”或“直接连接到”到另一个元件时，不存在中间元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合，并可以缩写为“/”。
除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明构思所属领域的普通技术人员通常理解相同的含义。还应该理解，这里使用的术语应该被解释为具有与其在本说明书和相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且除非这里明确这样定义，否则不会被解释为理想化或过于正式的含义。
应该理解，尽管术语第一、第二等可以在这里用于描述各种元件，但是这些元件不应该受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，在不脱离本公开的教导的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。虽然一些图表包括在通信路径上的箭头以示出主要通信方向，但是应当理解，通信可以以与所描绘的箭头相反的方向发生。
如在本发明构思的背景中所讨论的，常规的圆柱形压电块可能制造起来较为昂贵，并且焊接电连接可能会提供较差的传感器性能。切割锯可以用来解决圆柱形压电元件的困难的和高成本的制造。切割锯可以用来形成立方体形压电元件，而不是圆柱形压电元件，这是产生精确尺寸部件的成本有效的方法。然而，这通常需要小于大约2.5 mm的厚度。结果，需要一种传感器设计，其中压电元件尺寸足够小，以通过用晶片切割锯切割压电瓦片来成本有效地制造。
如共同转让的美国专利申请序列号15/374, 129中所讨论的，可以提供一种厚度模式超声波传感器，该传感器使用减少的压电材料量来降低制造成本，该专利申请的内容以引用的方式以其整体并入到本文中，如同在本文中进行阐述一样。压电元件可以是圆形的，或者优选为立方体形，以允许使用晶片切割锯进行精确制造。在给定目标操作频率的情况下，可以使用附加的非压电层或部件来减小压电材料的厚度，并增加声学传输面积；然而，这可能增加部件数量和粘合剂粘结步骤的数量，这两者都是不希望的。
因此，本发明构思的一些实施例提供了一种传感器，该传感器包括在导电柔性支撑层（例如薄柔性垫片，其提供机械安装以及电连接）之间的压电元件。轻柔性导电结构可以为压电元件提供机械支撑和电接触，并且可能为传感器提供气体或液体密封，如将在这里关于图1至7进一步讨论的。
现在参考图1，将讨论根据本发明构思的一些实施例的包括导电柔性支撑层的传感器。如其中所示，传感器100相应地包括压电块121以及第一导电柔性支撑层112和第二导电柔性支撑层132。压电块121的压电材料可以是例如PZT、P5A级和P5H级或者其实质等同物。然而，应当理解，本发明构思的实施例不限于这种配置。特别地，本发明构思的实施例不限于锆钛酸铅(PZT)配方，并且可以扩展到其它压电陶瓷，而不脱离本发明构思的范围。在一些实施例中，压电块121可以具有大约0.5 mm到大约5.0 mm的厚度T6。在一些实施例中，压电块121可以具有大约2.0 mm的厚度T6。压电块可以是圆形的，或者其形状可以是立方体，以允许使用晶片切割锯进行精确制造，而不脱离本发明构思的范围。
导电柔性支撑层112和132可以是能够提供电接触的任何柔性材料。例如，在一些实施例中，柔性支撑层可以由薄金属垫片112和132提供，例如不锈钢垫片，但是可以是其它材料，而不脱离本发明构思的范围。如果使用金属垫片，垫片相对于压电块应具有较低的质量和刚度。提供不锈钢(金属垫片)可向柔性压电化合物提供导电材料。在一些实施例中，柔性支撑层可以是具有导电迹线的柔性电路材料，例如铜，而不脱离本发明构思的范围。
在一些实施例中，柔性支撑层112和132可以分别具有大约0.25 mm到大约0.1mm的厚度T4和T5。柔性支撑层的厚度T4和T5可以相同或不同。在本发明构思的一些实施例中，柔性支撑层112和132的厚度基本相同。应当理解，柔性支撑层的厚度T4和T5相对于压电块121的厚度非常小。特别地，与压电块相比，柔性支撑层应该是轻的和柔性的，以提供机械支撑和电连接，而不会显著地影响压电块的振动性能。
现在参考图2A和2B，将讨论示出根据本发明构思的一些实施例的400 kHz的厚度平面模式传感器的轴向位移的图。像图1一样，400 kHz的厚度平面模式传感器包括压电元件，该压电元件具有位于压电元件的第一表面和第二表面上的薄金属垫片。垫片提供机械安装和电连接。在图2A和2B所示的示例中，压电尺寸大约为4×2×2 mm。如进一步所示的，在该示例中，压电元件具有大约2.0 mm的厚度，并且垫片具有大约0.1 mm的厚度。如图2A所示，传感器经历压缩，而在图2B中，传感器经历膨胀。
使用Ansys Multiphysics进行有限元模拟。使用轴对称模型，包含封闭在上不锈钢片和下不锈钢片(0.1mm厚)之间的压电中心区域。模拟了10Vpp驱动器的谐波响应，频率扫描范围为10 kHz至1MHz。应用了5%的阻尼系数。
图3和4说明了示出轴对称传感器模拟结果的等值线图，绘制了传感器的中心处的轴向速度(m/s)。图3示出了当压电厚度(y _pzt)变化且半径(r_面)为2.3 mm(参考：A)时的结果。图4示出了变化的半径(r_面)和2 mm的PZT厚度(参考：B)。图3和图4的等值线图表示操作频率和传感器尺寸的合乎需要的组合。图3示出了当压电元件厚度(y_pzt)为2.0 mm时大约400 kHz的最佳操作频率。图4示出了当前面的半径(r_面)为2.5 mm时大约400 kHz的最佳操作频率。操作频率随着传感器的厚度和半径而变化，这表明谐振模式的耦合的厚度-平面性质。
现在参考图5，在该曲线图上比较了上面通过引用并入的美国专利申请序列号15/374,129中讨论的传感器和图1所示的传感器的模拟轴向速度。如图所示，图1的传感器的模拟轴向速度(下迹线)略低于另一传感器的轴向速度(虚线的上迹线)。尽管图1的传感器的速度稍微低一些，但是与图1的设备的制造便利性相比，这种速度的轻微损失可能是一个小缺点。换句话说，在图1的设备中，柔性支撑层比另一传感器的前块和后块更容易制造。本发明构思的实施例的另一个优点是，柔性支撑层提供机械安装、电连接以及可选的液体或气体密封功能，可以消除对传感器组件中的附加部件的需求。
如图7所示，本发明构思的一些实施例可以包括在第一导电柔性支撑层和第二导电柔性支撑层之一的面向气体和面向液体的表面之一上的声学匹配层743。尽管声学匹配层743被示为位于支撑层712上，但是本发明构思的实施例不限于这种配置。声学匹配层743可以位于支撑层732上，而不脱离本发明构思的范围。
声学匹配层用于提高在高声阻抗声学元件(PZT，阻抗Z1)与低声阻抗介质(气体，阻抗Z3)之间的声学传输效率。材料的声阻抗被定义为密度和声速的乘积。
在单个匹配层的情况下，理想的匹配层声阻抗Z2是传感器与气体声阻抗的几何平均值：
方程(1)
| 材料 | 声阻抗（kg/m<sup>2</sup>·s） |
| PZT 5A | 34×10<sup>6</sup> |
| 甲烷（1atm，20C） | 300 |
| 匹配层（理想的） | 1×10<sup>5</sup> |
表2。
这通常需要一个由固体材料组成的匹配层，该固体材料具有非常低的声速以及很低的密度。然而，一般来说，合适的材料不是自然产生的，并且必须用特殊的制造工艺构造。例如，中空玻璃微球在环氧树脂中的悬浮体被用于当前的Sensus传感器，使用玻璃和树脂微球的匹配层例如在美国专利号4,523, 122中进行了讨论和使用干凝胶材料的匹配层在例如美国专利号6,989,625中进行了讨论，这些专利的公开内容以引用的方式以其整体并入到本文中，如同在本文中进行阐述一样。
声学匹配层可以包括例如聚醚砜、聚丙烯、PTFE、PVDF、尼龙、聚酰胺、PMMA、乙烯基/丙烯酸共聚物、纤维素酯、醋酸纤维素、硝化纤维素等。本发明构思的实施例可以使用任何声学匹配层，而不脱离本发明构思的范围。
根据这里讨论的实施例的传感器可以用在任何涉及这种传感器的设备中。例如，这些传感器可用于水表、燃气表等。作为示例，传感器可以用于如图6所示的燃气表中。如其中所示，燃气表600包括三个传感器。传感器1(上游)和传感器2(下游)可用于测量超声波信号沿流管610在向前和相反方向上的渡越时间。燃气表600还可以被配置成利用使用传感器3的单独声音测量来补偿气体属性和条件。
应当理解，图6仅是作为示例提供的，并且本发明构思的实施例不限于这种配置。在不脱离本发明构思的范围的情况下，这里讨论的传感器可以用于许多不同的设备中。
应该理解，在不脱离本发明构思的范围的情况下，可以使用本领域技术人员已知的任何方法来制造图1所示的本发明构思的实施例。例如，压电块可以由第三方制造或从其获得。在一些实施例中，压电材料可以是软PZT、P5A级和P5H级或其实质等同物，但是如上所述，压电材料不限于PZT。导电柔性支撑层可以使用粘合剂粘结到压电块以提供电连接，而不是使用焊接导线。粘合剂可以是例如两部分环氧树脂。然后可以在腔室中，例如机械对准夹具中，在热和压力下使粘结的结构固化。施加的粘合剂的量和工艺条件提供压电电极和柔性支撑层之间的电接触，从而允许与金属部件进行电连接，并且避免了与压电块的焊料接触的需要。应当理解，制造工艺不限于这里讨论的工艺，并且事实上，在不脱离本发明构思的范围的情况下，更具成本有效的制造路线将可能用于大规模生产。
如以上关于图1至7简要讨论的，本发明构思的一些实施例提供了传感器，该传感器包括上导电柔性支撑层和下导电柔性支撑层，上导电柔性支撑层和下导电柔性支撑层提供机械保护、安装和电接触以及可选的气体或液体密封功能。如上所讨论的匹配层可以被施加到这些片材之一的面向气体或液体的一侧。
以上参考系统和设备的框图和/或流程图描述了示例实施例。框中标注的功能/动作可能不以流程图中标注的顺序发生。例如，根据所涉及的功能/动作，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行。此外，流程图和/或框图的给定框的功能可以被分成多个框和/或流程图和/或框图的两个或更多个框的功能可以被至少部分地集成。
在图和说明书中，已经公开了本发明构思的示例性实施例。然而，在基本上不脱离本发明构思的原理的情况下，可以对这些实施例进行许多变化和修改。因此，尽管使用了特定的术语，但是它们仅在一般和描述性的意义上使用，而不是为了限制的目的，本发明构思的范围由所附权利要求限定。
Claims (23)
1.一种传感器，包括:
压电块，其具有相对的第一表面和第二表面；
在所述压电块的第一表面上的第一导电柔性支撑层，所述第一导电柔性支撑层具有第一厚度；和
在所述压电块的所述第二表面上的第二导电柔性支撑层，所述第二导电柔性支撑层具有第二厚度。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一厚度和所述第二厚度基本相同，并且其中所述第一厚度和所述第二厚度显著小于所述压电块的厚度。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一导电柔性支撑层和所述第二导电柔性支撑层包括薄金属材料片。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述薄金属材料片包括不锈钢材料片。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一导电柔性支撑层和所述第二导电柔性支撑层包括具有铜迹线的柔性电路。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一导电柔性支撑层和所述第二导电柔性支撑层具有大约0.025 mm到大约0.1mm的厚度。
7.根据权利要求1所述的传感器，其中所述压电块包括软PZT材料，所述软PZT材料选自P5A级材料和P5H级材料中的一种。
8.根据权利要求1所述的传感器，其中所述压电块具有大约0.5 mm到大约5.0 mm的厚度。
9.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器的谐振频率大约为400 kHz，并且所述第一导电柔性支撑层和所述第二导电柔性支撑层的尺寸为4.2×4.2×0.1 mm；并且所述压电块的尺寸为4×4×2 mm。
10.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一导电柔性支撑层和所述第二导电柔性支撑层使用粘合剂分别耦合到所述压电块的相对的第一表面和第二表面。
11.根据权利要求10所述的传感器，其中所述压电块与所述第一导电柔性支撑层和所述第二导电柔性支撑层之间的电接触是使用所述粘合剂获得的，并且无需焊接在所述压电块与所述第一导电柔性支撑层和所述第二导电柔性支撑层之间的导线。
12.根据权利要求1所述的传感器，还包括在所述第一导电柔性支撑层和所述第二导电柔性支撑层之一的面向气体和面向液体的表面之一上的声学匹配层。
13.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器是被配置用于燃气表、水表和热量表之一的超声波传感器。
14.一种电子设备，包括:
至少一个传感器，所述至少一个传感器包括:
压电块，其具有相对的第一表面和第二表面；
在所述压电块的所述第一表面上的第一导电柔性支撑层，所述第一导电柔性支撑层具有第一厚度；和
在所述压电块的所述第二表面上的第二导电柔性支撑层，所述第二导电柔性支撑层具有第二厚度。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述第一厚度和所述第二厚度基本相同，并且其中所述第一厚度和所述第二厚度显著小于所述压电块的厚度。
16.根据权利要求14所述的设备，其中所述第一导电柔性支撑层和所述第二导电柔性支撑层包括薄金属材料片。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述薄金属材料片包括不锈钢材料片。
18.根据权利要求14所述的设备，其中所述第一导电柔性支撑层和所述第二导电柔性支撑层包括具有铜迹线的柔性电路。
19.根据权利要求14所述的设备，其中所述第一导电柔性支撑层和所述第二导电柔性支撑层具有大约0.025 mm到大约0.1mm的厚度。
20.根据权利要求14所述的设备，其中所述压电块包括软压电材料，所述软压电材料选自P5A级材料和P5H级材料之一。
21.根据权利要求14所述的设备，其中所述压电块具有大约0.5 mm到大约5.0 mm的厚度。
22.根据权利要求14所述的设备，还包括在所述第一导电柔性支撑层和所述第二导电柔性支撑层之一的面向气体和面向液体的表面之一上的声学匹配层。
23.根据权利要求14所述的设备，其中所述至少一个传感器包括多个传感器，并且被配置用于燃气表、水表和热量表之一。
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