CN116027308A - 超声换能器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声换能器及电子设备。超声换能器包括保护壳、压电薄膜和膜层；保护壳内具有容纳腔，压电薄膜位于容纳腔内；保护壳上具有与容纳腔连通的出音口，出音口与压电薄膜相对；防水膜层覆盖在出音口上，膜层的其共振频率与超声换能器的工作频率相同。本发明提供的超声换能器，提高了超声换能器的灵敏度。

Description

超声换能器及电子设备

技术领域

本发明涉及防水膜技术，尤其涉及一种超声换能器及电子设备。

背景技术

超声雷达通过超声波信号的发送与接收时间计算得到超声雷达到目标面的距离。超声雷达已经被广泛应用与自动泊车系统中。

随着消费类电子产品小型化的趋势越来越明显，多家公司推出了一种基于压电薄膜的超声换能器，来取代传统的车载超声雷达。这种超声换能器已经被应用于AR/VR，电子门锁以及扫地机器人。

但是，现有技术中超声换能器采用的防水方式，使超声换能器的灵敏度损耗较大。

发明内容

本发明提供一种超声换能器及电子设备，提高了超声换能器的灵敏度。

第一方面，本发明提供一种超声换能器，包括保护壳、压电薄膜和膜层；

保护壳内具有容纳腔，压电薄膜位于容纳腔内；

保护壳上具有与容纳腔连通的出音口，出音口与压电薄膜相对；

膜层覆盖在出音口上，膜层的共振频率与超声换能器的工作频率相同。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的超声换能器，膜层位于容纳腔内，且膜层与容纳腔的内壁连接；

或者，膜层位于保护壳上，且膜层与保护壳的外壁连接。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的超声换能器，膜层与容纳腔的内壁粘接；

或者，膜层与保护壳的外壁粘接。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的超声换能器，出音口为圆孔。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的超声换能器，膜层为防水膜，膜层为热塑性聚酯层。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的超声换能器，膜层具有孔隙，孔隙直径为0.4μm-0.44μm。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的超声换能器，膜层的厚度通过公式一和公式二计算；

其中，公式一中f_tp为膜层的共振频率，K_n为常数，K_n的数值为10.22，ρ为膜层的密度，d_m为膜层的厚度，R为出音口的半径；

公式二中，D_E为膜层的弯曲刚度，E为膜层的等效杨氏模量，d_m为膜层的厚度，μ为膜层的泊松比。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的超声换能器，保护壳包括底座和覆盖在底座上的壳罩，底座和壳罩共同形成容纳腔，出音口位于底座上。

在一种可能的实现方式中，本发明提供的超声换能器，还包括电路板和芯片；

压电薄膜和芯片与电路板电连接；

电路板连接在底座上；

压电薄膜和芯片上覆盖有封装层。

第二方面，本发明提供一种电子设备，包括电子设备本体和与电子设备本体连接的上述第一方面提供的超声换能器。

本发明提供的超声换能器及电子设备，超声换能器通过设置保护壳、压电薄膜和膜层，保护壳内具有容纳腔，保护壳上具有与容纳腔连通的出音口，压电薄膜位于容纳腔内，出音口与压电薄膜相对，膜层覆盖在出音口上，且膜层的共振频率与超声换能器的工作频率相同，从而使压电薄膜产生的超声波通过出音口和膜层传出。利用膜层对超声换能器进行防水或防尘保护，膜层的共振频率与超声换能器的工作频率相同，由此提高了膜层的透声性能，从而减小超声波通过膜层时产生的损耗，避免超声换能器探测距离的下降。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的超声换能器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的超声换能器中膜层的连接位置示意图；

图3为本发明实施例提供的超声换能器中膜层的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的超声换能器中支撑架的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的超声换能器中支撑架的另一种结构示意图。

附图标记说明：

1-超声换能器；

11-保护壳；

111-出音口；

112-底座；

113-壳罩；

12-压电薄膜；

13-膜层；

131-孔隙；

14-容纳腔；

15-电路板；

16-芯片；

17-支撑架；

171-支撑柱；

172-凹槽；

173-支撑环；

18-封装层。

具体实施方式

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”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或维护工具不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或维护工具固有的其它步骤或单元。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

超声雷达通过超声波信号的发送与接收时间计算得到超声雷达到目标面的距离。超声雷达已经被广泛应用与自动泊车系统中。随着消费类电子产品小型化的趋势越来越明显，多家公司推出了一种基于压电薄膜的超声换能器，来取代传统的车载超声雷达。这种超声换能器已经被应用于AR/VR，电子门锁以及扫地机器人。超声换能器不能防水，这极大地限制了它的用途。为了实现超声换能器的防水，通常在超声换能器上设置防水膜对超声换能器进行保护。但是，现有技术中设置的防水膜透声性能差，使超声波传播过程中的损耗较大。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种超声换能器及电子设备，通过在超声换能器的出音口设置膜层对超声换能器进行保护，膜层的共振频率与超声换能器的工作频率相同，这样，可以提高膜层的透声性能，减小超声波通过膜层时的损耗，从而避免超声换能器探测距离的下降。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行说明。

图1为本发明实施例提供的超声换能器的结构示意图，参见图1所示，本发明提供的超声换能器1，包括保护壳11、压电薄膜12和膜层13，保护壳11内具有容纳腔14，压电薄膜12位于容纳腔14内。

其中，保护壳11上具有与容纳腔14连通的出音口111，出音口111与压电薄膜12相对。

膜层13覆盖在出音口111上，膜层13的共振频率与超声换能器1的工作频率相同。

具体的，膜层13可以为防尘膜或者防水膜。这样，通过膜层13的设置可以对超声换能器1进行有效的保护，避免灰尘、砂石等颗粒物质或者水、油等液体通过出音口111进入到容纳腔14内，从而对超声换能器1的工作性能造成影响。

其中，压电薄膜12的边缘固定在容纳腔14内，中间位置悬空设置。

压电薄膜12通过压电材料的正逆压电效应产生振动，从而发射或者接收超声波信号。压电薄膜12既可做执行器(发射声波)，又可以做传感器(接收声波)。

示例性的，压电薄膜12采用的压电材料可以为氮化铝(AlN)或锆钛酸铅(PZT)。

示例性的，保护壳11可以为金属壳或者塑料壳，利用保护壳11对容纳腔14内的器件进行保护，避免内部器件被碰撞冲击。

膜层13的共振频率与超声换能器1的工作频率相同，示例性的，超声换能器1的工作频率为80kHz。

当膜层13与超声换能器1发生共振时，即膜层13的共振频率为80kHz时，膜层13的声阻抗达到最小值。这样，可以提高膜层13的透声性能，使超声波通过膜层13时不产生损耗，从而避免超声换能器1探测距离的下降。

工作时，给压电薄膜12电极施加电压，压电薄膜12发生弯曲振动，推动空气产生超声波。超声波经出音口111与膜层13传到外部空气中，遇到目标物之后反射回来。反射的超声波透过膜层13之后激起压电薄膜12的振动，压电薄膜12将振动信号转化成电信号。这样，处理系统通过计算压电薄膜12收发超声信号的时间，将时间乘以声速可得到超声换能器1到目标物的距离。

本实施例提供的超声换能器1，通过设置保护壳11、压电薄膜12和膜层13，保护壳11内具有容纳腔14，保护壳11上具有与容纳腔14连通的出音口111，压电薄膜12位于容纳腔14内，出音口111与压电薄膜12相对，膜层13覆盖在出音口111上，且膜层13的共振频率与超声换能器1的工作频率相同，从而使压电薄膜12产生的超声波通过出音口111和膜层13传出。利用膜层13对超声换能器1进行防水或防尘保护，膜层13的共振频率与超声换能器1的工作频率相同，由此提高了膜层13的透声性，从而减小了超声波通过膜层13时产生的损耗，避免超声换能器1探测距离的下降。

请继续参见图1所示，在一种可能的实现方式中，膜层13位于容纳腔14内，且膜层13与保护壳11中的容纳腔14的内壁连接，这样，可以将膜层13设置在超声换能器1内，通过保护壳11保护膜层13，使膜层13不易与保护壳11脱离，从而提高膜层13的使用寿命。

图2为本发明实施例提供的超声换能器中膜层的连接位置示意图，参见图2所示，在一种可能的实现方式中，膜层13位于保护壳11上，且膜层13与保护壳11的外壁连接，这样，可以将超声换能器1组装完成后，再将膜层13粘贴在保护壳11的外壁上，这样，方便膜层13后续的更换。

其中，膜层13与容纳腔14的内壁粘接或者膜层13与保护壳11的外壁粘接。

采用粘接的方式，将膜层13覆盖在出音口111上，操作简单，密封效果好。示例性的，可以利用有机硅密封胶将膜层13与容纳腔14的内壁进行粘接，或者利用有机硅密封胶将膜层13与保护壳11的外壁粘接。

在本实施例中，出音口111为圆孔。

具体的，出音口111可以为圆形通孔，或者出音口111为圆形台阶孔，其中出音口111大径端靠近容纳腔14，出音口111小径端靠近外部。

可以理解的，膜层13同样为圆形，膜层13的直径应大于出音口111的直径，方便膜层13与保护壳11的粘接。

当出音口111为圆形台阶孔时，若膜层13位于容纳腔14内，膜层13与容纳腔14的内壁连接，这时膜层13的直径应该大于出音口111大径端的直径尺寸。膜层13位于保护壳11上，膜层13与保护壳11的外壁连接，这时膜层13的直径应该大于出音口111小径端的直径尺寸。这样，有利于膜层13固定牢固。

当出音口111为矩形孔时，膜层13同样为矩形，且膜层13的长度与宽度大于出音口的长度与宽度。

图3为本发明实施例提供的超声换能器中膜层的结构示意图。参见图3所示，膜层13具有孔隙131。

在一些实施例中，膜层13为防水膜，膜层13为热塑性聚酯层。

其中，热塑性聚酯主要包括聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，简称PET)和聚对苯二甲酸丁二酯(polybutylene terephthalate，简称PBT)，两者多用作高性能薄膜。

在本实施例中，防水膜是由聚对苯二甲酸乙二酯PET拉伸而成的自带微孔的薄膜，PET塑料分子结构高度对称，具有一定的结晶取向能力，故而具有较高的成膜性。

其中，防水膜具有孔隙131，防水膜的孔隙131直径为0.4μm-0.44μm。

防水膜具有孔隙131，但是孔隙131直径不到1μm，水分子难以穿透防水膜。

声音穿过防水膜的方式有两种：主动穿透与被动辐射。防水膜的透声性能由上述两种透声方式共同决定。声音的透射性能取决于防水膜的孔隙率导致的瑞利阻尼。孔隙率越大，声音的透射的损耗越低，但是防水性能越差。声波的被动辐射效率取决于防水膜的材料参数和尺寸。

可以理解的，在孔隙131与孔隙131之间间隔距离一定的情况下，防水膜孔隙131直径越大，防水膜的孔隙率越大，防水膜孔隙131直径越小，防水膜的孔隙率越小，为了使平衡防水膜的声音透射性能和防水性能，将防水膜的孔隙131直径设置为0.4μm-0.44μm。

在一些实施例中，膜层13为防尘膜，防尘膜上具有孔隙131，防尘膜的孔隙131直径为18μm-260μm。

其中，防尘膜为抗腐蚀性金属或工程塑料材质的织网状膜层，如不锈钢织网状膜层等，防尘膜能够防止大颗粒灰尘和砂石、金属颗粒随气流运动而对内部器件的破坏性冲击。在组装过程中可以通过焊接(如激光焊)和粘接(如丙烯酸类等多种粘接剂)的方式固定在保护壳11上。

需要说明的是，膜层13上的孔隙131的排布方式可以采用为等间距规律分布的方式也可以为随机分布的方式，本实施例对膜层13上孔隙131的具体排布方式不做限定。

在具体实现时，超声换能器1的工作频率为已知参数，膜层13的共振频率与超声换能器1的工作频率相同，由此，膜层13的共振频率也为已知参数。

可以利用公式一和公式二，对膜层13的厚度进行计算，从而选择与超声换能器1的工作频率相同的膜层13。

其中，公式一中f_tp为膜层13的共振频率，K_n为常数，K_n的数值为10.22，ρ为膜层13的密度，d_m为膜层13的厚度，R为出音口111的半径；

公式二中，D_E为膜层13的弯曲刚度，E为膜层13的等效杨氏模量，d_m为膜层13的厚度，μ为膜层13的泊松比。

具体的，防水膜的材料为聚对苯二甲酸乙二酯PET，其密度ρ为1.38g/m³，等效杨氏模量E为2.8-3.5GPa，泊松比μ为0.3-0.4。

膜层13的共振频率与超声换能器1的工作频率相同，即膜层13的共振频率f_tp为80kHz。

可以理解的是，当出音口111为圆形台阶孔时，若膜层13位于容纳腔14内，膜层13与容纳腔14保护壳11的内壁连接，出音口111的半径R为出音口111大径端的半径尺寸值。膜层13位于保护壳11上，膜层13与保护壳11的外壁连接，这时出音口111的半径R为出音口111小径端的半径尺寸值。

这样，通过上述数值可以计算出膜层13的弯曲刚度D_E以及膜层13的厚度d_m，从而完成对膜层13的厚度的选择，使膜层13的共振频率与超声换能器1的工作频率相同，提高声波的被动辐射效率，提高膜层13的透声性能。

在一些实施例中，保护壳11包括底座112和覆盖在底座112上的壳罩113，底座112和壳罩113共同形成容纳腔14，容纳腔14内放置有压电薄膜12、电路板15和芯片16，压电薄膜12和芯片16与电路板15电连接。

具体的，芯片16为放大器芯片，放大器芯片与压电薄膜12连通，以对压电薄膜12产生的电信号进行放大处理。

示例性的，放大器芯片可以为AFIC901N，AFIC901N是一个两级高增益放大器，该器件即使在级间也是未匹配的，因此可对1.8至1000MHz范围内的任何频率进行性能优化。该器件拥有高增益、耐用和宽带性能。

其中，出音口111位于底座112上，电路板15与底座112连接，电路板15相对于压电薄膜12的位置设置有通孔，通孔尺寸与压电薄膜12尺寸相同，出音口111位置与电路板15通孔位置相对应，从而使压电薄膜12产生的超声波通过电路板15的通孔及底座112上的出音口111传出。

其中，压电薄膜12和芯片16上覆盖有封装层18。通过封装层18从而对压电薄膜12和芯片16进行防水和防尘保护。

图4为本发明实施例提供的超声换能器中支撑架的结构示意图，图5为本发明实施例提供的超声换能器中支撑架的另一种结构示意图。参见图4和5所示，容纳腔14上设置有支撑架17，利用支撑架17来支撑压电薄膜12，使压电薄膜12成为悬空结构。

在一种可能的实现方式中，参见图4所示，压电薄膜12可以为矩形，支撑架17包括两个支撑柱171，两个支撑柱171间隔设置，其中，支撑柱171相对的两面具有凹槽172，压电薄膜12嵌入到支撑柱171的凹槽172内。

在另一种可能的实现方式中，参见图5所示，压电薄膜13可以为圆形，支撑架17为管状，支撑架17的内壁具有支撑环173，支撑环173用于安装压电薄膜12。其中，支撑环173的内径尺寸大于出音口111大径端的内径尺寸。或者，支撑架17为管状，压电薄膜13覆盖在支撑架17的端面上，支撑架17的内径大于出音口111大径端的内径尺寸。

本发明还提供一种电子设备，包括电子设备本体和与电子设备本体连接的上述实施例提供的超声换能器1。

其中，超声换能器1的结构和原理在上述实施例中进行了详细说明，本实施例在此不一一赘述。

示例性的，电子设备可以为水位检测设备、扫地机器人或者倒车雷达装置。

扫地机器人可以设置超声换能器1以实现扫地机器人的防碰撞、防跌落、边缘检测等。倒车雷达装置通过在车辆的四周设置超声换能器1可以实现全车无盲区检测，甚至可以完整建立环绕全车的超声成像以辅助智能驾驶系统。

本实施例提供的电子设备通过设置电子设备本体和上述实施例提供的超声换能器1，超声换能器1包括膜层13，膜层13的共振频率与超声换能器1的工作频率相同，膜层13的透声性能提高，从而实现对电子设备的超声换能器1进行防尘或者防水保护的同时不会降低超声换能器1的探测距离，这样，超声换能器1的故障率降低，电子设备整体的可靠性提高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种超声换能器，其特征在于，包括保护壳、压电薄膜和膜层；

所述保护壳内具有容纳腔，所述压电薄膜位于所述容纳腔内；

所述保护壳上具有与所述容纳腔连通的出音口，所述出音口与所述压电薄膜相对；

所述膜层覆盖在所述出音口上，所述膜层的共振频率与所述超声换能器的工作频率相同。

2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述膜层位于所述容纳腔内，且所述膜层与所述容纳腔的内壁连接；

或者，所述膜层位于所述保护壳上，且所述膜层与所述保护壳的外壁连接。

3.根据权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述膜层与所述容纳腔的内壁粘接；

或者，所述膜层与所述保护壳的外壁粘接。

4.根据权利要求1至3任一项所述的超声换能器，其特征在于，所述出音口为圆孔。

5.根据权利要求1至3任一项所述的超声换能器，其特征在于，所述膜层为防水膜，所述膜层为热塑性聚酯层。

6.根据权利要求5所述的超声换能器，其特征在于，所述膜层具有孔隙，所述孔隙直径为0.4μm-0.44μm。

7.根据权利要求4所述的超声换能器，其特征在于，所述膜层的厚度通过公式一和公式二计算；

其中，公式一中f_tp为所述膜层的共振频率，K_n为常数，K_n的数值为10.22，ρ为所述膜层的密度，d_m为所述膜层的厚度，R为所述出音口的半径；

公式二中，D_E为所述膜层的弯曲刚度，E为所述膜层的等效杨氏模量，d_m为所述膜层的厚度，μ为所述膜层的泊松比。

8.根据权利要求1至3任一项所述的超声换能器，其特征在于，所述保护壳包括底座和覆盖在所述底座上的壳罩，所述底座和所述壳罩共同形成所述容纳腔，所述出音口位于所述底座上。

9.根据权利要求8所述的超声换能器，其特征在于，还包括电路板和芯片；

所述压电薄膜和所述芯片与所述电路板电连接；

所述电路板连接在所述底座上；

所述压电薄膜和所述芯片上覆盖有封装层。

10.一种电子设备，其特征在于，包括电子设备本体和与所述电子设备本体连接的权利要求1至9任一项所述的超声换能器。

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