CN115083374A - 用于发射和/或接收超声波的超声换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于发射和/或接收超声波的超声换能器(1)，包括：载体层(2)；匹配层(A)，其用于与流体(F)阻抗匹配；压电元件(4)，其布置在载体层(2)和匹配层(A)之间；在载体层(2)和压电元件(4)之间的第一电极(3a)，该第一电极提供压电元件(4)的第一电触点(K1)，其中，匹配层(A)由柔性电路板(Lp)形成，并且柔性电路板(Lp)提供压电元件(4)的第二电触点(K2)。

Description

用于发射和/或接收超声波的超声换能器
本发明涉及一种根据权利要求1的主题的用于发射和/或接收超声波的超声换能器。
例如，为了确定流体在管道，优选圆形管道中的流速，除了不同的物理原理之外，还存在对发射到管道中的超声波的使用。借助于飞行时间差方法可以确定流动流体的流速并从而确定流动的流速。
在此，超声波包分别由两个相对的超声换能器中的一个超声换能器发出或接收。超声换能器在管壁上沿流动方向间隔开，彼此相对地布置并且限定测量路径，该测量路径因此与流体的流动成不等于90°的角度。
通过流体传播的超声波包沿流动方向加速并且与流动方向相反地减速。所得到的飞行时间差利用几何变量计算成平均流体速度，通过该平均流体速度确定流动流体的流量。
重要且具有挑战性的应用领域是用于天然气管道的燃气表，其中由于巨大的气体量和原材料价值，即使是测量精度的最小偏差也会导致实际输送量和测量量之间的明显价值差异。这导致了巨大的货币差。
由于气体通常具有比固体低得多的声阻抗，因此对于借助超声技术测量气体来说非常重要的是，超声换能器的用于测量的超声波在没有大的能量损失的情况下耦合到气体中。也就是说，在超声换能器的超声波以高能量损失耦合到气体中的情况下，超声换能器的测量精度会大大降低。
因此，将超声换能器的超声波优化地耦合到气体中是超声换能器的重要特性，以便满足超声换能器在该大气体量测量领域中所要求的测量精度。
例如，从EP 0 119 855 B2已知一种基本上合适的超声换能器，并且基本上由按以下顺序列出的主要元件组成：
-载体层，通常也被称为“背层(backing layer)”，其通常由环氧基材料制成；
-第一电极，其布置在载体层上；
-压电元件，其耦合到所述第一电极上并且用于产生待发射的超声波；
-第二电极，其在另一侧上耦合到压电元件上并且与第一电极一起将电压施加到压电元件上，从而激励压电元件振动以产生超声波；以及
-匹配层，通常也被称为“matching-layer”，其布置在第二电极上，并且实现压电元件与流体或气体之间的阻抗匹配，以便将所产生的超声耦合到气体中或者从气体中解耦出来。
在制造所述超声换能器时，涂覆在100μm至500μm范围内的层厚度的不同工艺步骤代表了高复杂性，从而产生高的生产成本。
此外，超声换能器的精确再现性仅在高复杂性和高成本的情况下才得到保证。此外，压电元件经由第一电极和第二电极的电接触由于分开的工艺步骤难以实现，这又反过来构成了再现性的负面因素。
由于超声换能器的匹配层暴露于待测量的流体，因此在已知的超声换能器中为匹配层设置了附加保护层，该附加保护层一方面保护匹配层免受例如机械损坏或污染，但是另一方面使匹配层的阻抗匹配变差。为了防止变差，保护层必须由特殊的复合材料构成或专门制造。
本发明的任务在于提供一种用于在流体中发射和/或接收超声波的超声换能器，该超声换能器可以简单地并且因此成本低廉地制造。
根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的超声换能器来实现。
在此，为了在流体，特别是气体中发送和/或接收超声波，超声换能器包括：载体层；匹配层，其用于与流体阻抗匹配；压电元件，其布置在载体层和匹配层之间；在载体层和压电元件之间的第一电极，其中第一电极提供压电元件的第一电触点，并且其中匹配层由柔性电路板形成，并且柔性电路板提供压电元件的第二电触点。
由此得到的技术优点是，由柔性电路板构成的匹配层同时形成保护层，从而不需要特殊的复合材料或者不需要制造特殊的保护层。
根据优选的实施例，柔性电路板包括至少一个导电层和至少一个不导电基层，其中柔性电路板的导电层形成用于第二电触点的第二电极。由此，与所描述的现有技术相比，可以有利地省去单独的第二电极，因此可以降低制造超声换能器时的材料成本。
此外，根据优选的实施例，导电层被划分成部分面，其中每个部分面形成单独的电接触。这能够实现压电元件的面向流体的一侧的简单的电接触，由此显著附加地简化制造过程。特别地，压电元件由多个单独的元件构成，其中每个单独的元件具有相应的与柔性电路板的单独的接触。由此，有利地简单地提供由各个可操控的单独的元件组成的超声换能器，因此超声换能器被构造为换能器阵列，其中各个元件可以单独地操作。
此外特别地，第二触点被构造成整面的或点状的，使得超声换能器的制造又进一步简化。在此，“整面接触”意味着柔性电路板的整个电层借助于例如接触膏与压电元件电连接。在此，“点状接触”意味着柔性电路板的导电层的至少一个选定的点与压电元件连接。
优选地，柔性电路板的导电层与压电元件的结构适配，使得同时构造成匹配层和保护层的柔性电路板具有改进的机械刚度，其中柔性电路板的形状可更简单地与超声换能器的所要求的形状适配。换言之，在制造超声换能器时柔性电路板可以更容易地吸收和补偿轻微的变形(例如，弯曲)，从而确保了制造超声换能器的精度以及因此在工业规模上的可再现性。
由于柔性电路板作为匹配层与待测量的流体(通常是气体)直接接触，因此柔性电路板有利地具有由聚酰亚胺制成的基层，该基层一方面提供压电元件的声阻抗与气体的声阻抗之间的声阻抗，另一方面对环境影响，特别是磨蚀和污染具有高度的不敏感性。
由于柔性电路板的声阻抗处于压电元件的声阻抗和流体的声阻抗之间的范围中，因此可以在超声换能器和待测量的流体之间进行更简单的阻抗匹配。有利地，柔性电路板的厚度特别地对应于超声波波长的约1/10至1/4，优选大约在约100μm至300μm的范围内。在此，所提及的超声波波长对应于在超声换能器的工作频率下在柔性电路板内传输的超声波波长。
此外，根据一种优选的实施例，柔性电路板在背离压电元件的面上具有保护层，特别是由铜、钢、金或铝制成的保护层，由此可以改进柔性电路板的保护特性。
为了进一步简化超声换能器的制造，柔性电路板还形成用于电连接的端子接线片。由此，在制造超声换能器时柔性电路板可以更容易地电接触。
本发明的优选的实施方案和改进方案以及其它优点在从属权利要求、下面的描述和附图中获悉。
附图说明
下面将参照附图并基于实施例详细地阐述本发明。附图中：
图1示出了根据本发明的超声换能器的优选实施例的示意性剖视图；
图1A示出了图1的实施例中以虚线示出的部分的放大的示意性细节图；
图2示出了根据本发明的超声换能器的另一优选实施例的示意性剖视图；
图2A示出了图2的实施例的放大的示意性细节图；以及
图3示出了根据本发明的超声换能器的柔性电路板的优选实施例的示意图。
在图1中示出了根据本发明的超声换能器1的优选实施例的示意性剖视图，该超声换能器例如可以用于测量流体F，特别是气体的物理量。
根据本发明的超声换能器1具有载体层2，该载体层也被称为“背层”并且用于使超声换能器1的背离流体F的一侧上的超声辐射最小化并减小压电元件的后振荡(后面将详细描述)。优选地，载体层2由环氧基材料制成。
在载体层2上布置有第一电极3a，该第一电极通常被构造成例如由银、锡青铜(CuSn)或类似物制成的薄层。优选地，第一电极3a的厚度小于10μm。
在第一电极3a上布置有压电元件4，该压电元件的厚度谐振对应于待发射的、用于在流体F中进行测量的超声的期望的频率。
因此，第一电极3a设置在载体层2和压电元件4之间并且提供压电元件4的第一电触点K1，其中，压电元件4的朝向载体层2的一侧借助示意性示出的线路L1经由第一电触点K1与未示出的电压源连接。
在压电元件4的背离第一电极3a的一侧上设置有匹配层A，该匹配层用于与流体F阻抗匹配。换句话说，匹配层A的声学目的在于，使超声要辐射到其中的流体F的声阻抗与压电元件4的声阻抗之间的阻抗差最小化，使得超声换能器1与流体F之间的所谓的阻抗阶跃不会过大。由此，能量可以有效地传递到流体F中，从而能够实现更精确的测量。
根据本发明，匹配层A由柔性电路板Lp形成，该柔性电路板还提供压电元件4的第二电触点K2。
通过借助于柔性电路板Lp的第二电触点K2，压电元件4的朝向流体F的一侧同样与未示出的电压源连接，因此通过借助于第一电极3a的第一电触点K1和通过借助于柔性电路板Lp的第二电触点K2可以将电压施加到压电元件4上，以便使压电元件4振动进而产生超声波。
如图1所示，柔性电路板Lp与流体F直接接触，因此柔性电路板Lp不仅是匹配层A而且也是超声换能器1的保护层。由此，可以减少要使用的部件的数量，从而可以通过简化的制造过程来降低部件成本和制造成本。
图1A示出了在图1中详细描述的超声换能器1的优选实施例的放大的示意性细节图，其中柔性电路板Lp特别地包括至少一个导电层5和至少一个不导电基层6。在此，柔性电路板Lp的导电层5形成用于压电元件4的第二电触点K2的第二电极，并且不导电的基层6形成用于超声换能器1的匹配层和保护层。优选地，柔性电路板Lp的导电层5可以是柔性电路板Lp的例如由铜制成的导体路径。
换言之，柔性电路板Lp的导体路径充当用于压电元件4的第二电极，从而可以经由第一电极3a和柔性电路板Lp的导电层5将电压施加到压电元件4上。
如前所述，柔性电路板Lp的面向流体F的基层6用作匹配层A，同时也用作超声换能器1的保护层，其中基层6有利地由聚酰亚胺制成，使得基层一方面能够实现对气体的良好阻抗匹配，另一方面对例如机械或化学的磨蚀或者污染具有高度的不敏感性。
在图2中示出了根据本发明的超声换能器1的另一优选实施例的示意性剖视图，其中与在图1中示出的实施例中相同的部件具有相同的附图标记。
在该实施例中设置有第二电极3b，该第二电极与第一电极3a一样优选由薄层构成，其中薄层例如由银、锡青铜(CuSn)或类似物构成。优选地，第二电极3b的厚度与第一电极3a一样小于10μm。在此，第二电极3b与柔性电路板Lp的导电层5电连接，如在图2A中示出的那样，使得柔性电路板Lp与第二电极3b一起提供压电元件4的第二电触点K2。
通过第二电极3b与柔性电路板Lp的导电层5之间的电连接的可能性简化了超声换能器1的制造。制造步骤可以更简单地实施并且可以按照其实施的顺序更换，即首先将第二电极3b布置到压电元件4上，然后使第二电极3b与柔性电路板Lp的导电层5之间电连接，或者首先使第二电极3b与柔性电路板Lp的导电层5之间电连接，然后将第二电极3b连同柔性电路板Lp一起布置到压电元件4上。
此外，在该实施例中压电元件4由多个单独的元件4a构成，这些单独的元件分别具有与柔性电路板Lp的单独的接触(未详细示出)。为此，柔性电路板Lp的导电层5被划分成部分面，其中每个部分面能够实现单独的电接触。由此，具有单独的元件4a的压电元件4能够用作换能器阵列。
柔性电路板Lp的导电层5可以与压电元件4的结构相适配，使得柔性电路板Lp具有改进的机械刚度。
图3示出了根据本发明的超声换能器1的柔性电路板Lp的优选实施例的示意图，其中柔性电路板Lp具有圆形主体部分，该圆形主体部分附接到压电元件4上。在此，柔性电路板Lp优选通过以下方式固定在压电元件4上：钎焊
Figure BDA0003541154520000071
用导电或非导电粘合剂粘接；用接触凝胶或接触润滑脂固定(anheften)；或者熔焊(Schweiβen)。
在所示出的柔性电路板Lp的实施例中，柔性电路板Lp具有用于与未示出的电压源电连接的端子接线片7。如之前描述的那样，电路板Lp具有导电层5，该导电层形成用于压电元件4的第二触点K2。
端子接线片7简单地是电路板Lp的一部分，因此同样包括基层6和导电层5，通过基层和导电层可以从电压源输送电压。
导电层5在外侧，即在背离压电元件4的一侧由基层6保护。为了改进基层6的保护特性，该基层可以由多个不导电层和导电层构成，从而特别地设置未示出的保护层，特别是由铜、钢、金或铝制成的保护层。
尽管有所有层，柔性电路板Lp的厚度优选地对应于超声波波长的约1/10至1/4，并且特别是位于约100μm至300μm的范围内。由于柔性电路板本身已经具有本发明所需的基层和导电层，因此简化了根据本发明的超声换能器1的制造过程，因为可以省去多个涂覆步骤。
参考标记列表
1 超声换能器
2 载体层
3a 第一电极
3b 第二电极
4 压电元件
4a 压电元件的单独的元件
5 导电层
6 基层
7 端子接线片
A 匹配层
F 流体
K1 第一触点
K2 第二触点
Lp 柔性电路板
L1 线路。

Claims (12)

1.一种用于在流体(F)中发射和/或接收超声波的超声换能器(1)，包括：
载体层(2)，
匹配层(A)，所述匹配层用于与所述流体(F)阻抗匹配，
压电元件(4)，所述压电元件布置在所述载体层(2)和所述匹配层(A)之间，
在所述载体层(2)和所述压电元件(4)之间的第一电极(3a)，所述第一电极提供所述压电元件(4)的第一电触点(K1)，
其特征在于，
所述匹配层(A)由柔性电路板(Lp)形成，并且所述柔性电路板(Lp)提供所述压电元件(4)的第二电触点(K2)。
2.根据权利要求1所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述柔性电路板(Lp)包括至少一个导电层(5)和至少一个不导电基层(6)，其中所述柔性电路板(Lp)的所述导电层(5)形成用于所述第二电触点(K2)的第二电极(3b)。
3.根据权利要求1或2所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述导电层(5)被划分成部分面，其中每个部分面形成单独的电接触。
4.根据前述权利要求中任一项所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述第二触点(K2)构造成整面的或点状的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述柔性电路板(Lp)的所述导电层(5)与所述压电元件的结构适配。
6.根据前述权利要求中任一项所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述柔性电路板(Lp)具有由聚酰亚胺制成的基层(6)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述柔性电路板(Lp)在背离所述压电元件(4)的面上具有保护层，特别是由铜、钢、金或铝制成的保护层。
8.根据前述权利要求中任一项所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述压电元件(4)由多个单独的元件(4a)构成，其中每个单独的元件(4a)具有相应的与所述柔性电路板(Lp)的单独的接触。
9.根据前述权利要求中任一项所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述柔性电路板(Lp)具有用于电连接的端子接线片(7)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述柔性电路板(Lp)的声阻抗处于所述压电元件(4)的声阻抗与所述流体(F)的声阻抗之间的范围中。
11.根据前述权利要求中任一项所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述柔性电路板(Lp)的厚度对应于超声波长的大约1/10至1/4，特别是在约100μm至300μm的范围内。
12.根据前述权利要求中任一项所述的超声换能器(1)，其特征在于，所述柔性电路板(Lp)通过以下方式附接在所述压电元件(4)上：钎焊；用导电或非导电粘合剂粘接；用接触凝胶或接触润滑脂固定；或熔焊。
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