CN219391015U - 用于气体流量测量的超声波换能器 - Google Patents

Abstract

本申请是关于一种用于气体流量测量的超声波换能器，包括：背衬、压电元件、金属件、声匹配层；金属件设有第一凹陷部；压电元件的第一端面设于第一凹陷部的内侧面；压电元件的第二端面与背衬连接；所述声匹配层设有第二凹陷部，所述第一凹陷部的外侧面与所述第二凹陷部的内侧面粘接。该种用于气体流量测量的超声波换能器，声匹配层的结构由一圆片形状改成圆柱壳体的形状，压电元件设于金属件的第一凹陷部内，金属件的第一凹陷部设于声匹配层的第二凹陷部内，即第一凹陷部的外侧面与第二凹陷部的内侧面通过胶水粘接，胶水填满第一凹陷部与第二凹陷部之间的空隙，不会溢出声匹配层的外侧，使得产品的平整度高，产品接收幅值的一致性好。

Description

用于气体流量测量的超声波换能器

技术领域

本申请涉及传感器的技术领域，尤其涉及一种用于气体流量测量的超声波换能器。

背景技术

相关技术中，市场上用的超声波换能器作为气体流量测量，对于产品的性能变化的一致性要求是3％以内，甚至更高。而目前市场上的用于气体流量测量的超声波换能器，对于工艺的要求较高，不利于产品的批量生产及产品性能的一致性管控。如专利CN202023161046.1，本申请公开了一种超声波换能器，涉及换能器领域，其技术方案包括匹配层、压电元件以及背衬；所述匹配层设在所述压电元件的第一端面上，所述背衬设在所述压电元件的第二端面上；所述压电元件的第一端面上设有第一电极层，压电元件的第二端面上设有第二电极层；所述压电元件的第一端面上设有凹槽；还包括金属件，所述金属件设在所述压电元件与所述匹配层之间；所述金属件与所述压电元件的第一电极层连接，以将各所述第一电极层单元导通；所述金属件与所述压电元件通过第一粘接层连接；所述金属件与所述匹配层通过第二粘接层连接。该种超声波换能器粘接金属件与匹配层的胶水会溢出到匹配层外围，待灌封胶水的半成品装配进灌封工装时，会与工装发生干涉，从而影响了产品的平整度。灌封成成品后的状态，由于多余溢出的胶水，产品的匹配层声波发射面与产品装配面的平行度差(在0.5以内)，最终导致产品接收幅值的一致性差。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种用于气体流量测量的超声波换能器，该超声波换能器易于批量生产，性能一致性好。

本申请提供一种用于气体流量测量的超声波换能器，包括：背衬、压电元件、金属件、声匹配层；所述金属件设有第一凹陷部；所述压电元件的第一端面设于所述第一凹陷部的内侧面；所述压电元件的第二端面与所述背衬连接；所述声匹配层设有第二凹陷部，所述第一凹陷部的外侧面与所述第二凹陷部的内侧面粘接。

优选地，所述第一凹陷部向外延伸有延伸部，所述延伸部上设有第一电极层，所述第一电极层与导线连接。

优选地，所述压电元件的所述第二端面上设有第二电极层，所述第二电极层与所述导线连接。

优选地，所述第二凹陷部设有底部和侧部，所述侧部设有顶部，所述顶部与所述背衬连接。

优选地，所述压电元件与所述金属件之间设有第一粘接层，所述第一粘接层设于所述第一凹陷部内。

优选地，所述声匹配层与所述金属件之间设有第二粘接层，所述第二粘接层设于所述第二凹陷部内。

优选地，所述背衬通过灌封胶的形式一体成型，所述背衬包覆所述压电元件的第二端面，将所述压电元件固定于所述第一凹陷部内。

优选地，所述背衬设有向下延伸的接触部，所述接触部下端设有接触面，所述接触面与所述顶部连接。

优选地，所述接触部的外侧面与所述声匹配侧的外侧面平齐。

优选地，所述延伸部伸入所述背衬内，所述延伸部被所述背衬包覆。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：该种用于气体流量测量的超声波换能器，声匹配层的结构由一圆片形状改成圆柱壳体的形状，压电元件设于金属件的第一凹陷部内，金属件的第一凹陷部设于声匹配层的第二凹陷部内，即第一凹陷部的外侧面与第二凹陷部的内侧面通过胶水粘接，胶水填满第一凹陷部与第二凹陷部之间的空隙，不会溢出声匹配层的外侧，使得产品的平整度高，产品接收幅值的一致性好。同时，由于声匹配层的第二凹陷部刚好包裹着金属件的第一凹陷部，减少金属件与声匹配层粘贴时的同心度控制，大大降低了贴片工艺的难度，同时，胶水的充分贴合，使得金属件与匹配层的耦合效果更佳。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

通过结合附图对本申请示例性实施方式进行更详细的描述，本申请的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本申请示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1是现有技术中用于气体流量测量的超声波换能器的结构示意图；

图2是图1的理想状态的部分结构的结构示意图；

图3是图2的局部结构放大的结构示意图；

图4是图2的结构放入灌封工装的装配示意图；

图5是图4的局部结构放大的结构示意图；

图6是图2中金属件与声匹配层粘贴前的产品的频率-阻抗曲线示意图；

图7是图2中金属件与声匹配层粘贴后的产品的频率-阻抗曲线示意图；

图8是图1的正产生产状态的部分结构的结构示意图；

图9是图8的局部结构放大的结构示意图；

图10是图8的结构放入灌封工装的装配示意图；

图11是图10的局部结构放大的结构示意图；

图12是图8中金属件与声匹配层粘贴后的产品的频率-阻抗曲线示意图；

图13是本申请的具体实施例中的用于气体流量测量的超声波换能器的结构示意图；

图14是图13的部分结构的结构示意图；

图15是本申请的具体实施例中的用于气体流量测量的超声波换能器的声匹配层与现有技术中的声匹配层的比较示意图；

图16是图14中金属件与声匹配层粘贴后的产品的频率-阻抗曲线示意图；

图17是本申请的具体实施例中的用于气体流量测量的超声波换能器的声匹配层和金属件粘接的结构示意图与现有技术中的声匹配层和金属件粘接的结构示意图的比较；

图18是图14的结构放入灌封工装的装配示意图。

附图标识：

背衬1；接触部11；接触面12；

压电元件2；第一端面21；第二端面22；

金属件3；第一凹陷部31；延伸部32；

声匹配层4；第二凹陷部41；底部42；侧部43；顶部44；

第一粘接层5；

第二粘接部6；

第一电极层7；

第二电极层8；

工装9。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的优选实施方式。虽然附图中显示了本申请的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本申请更加透彻和完整，并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。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该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

现有技术中，用于气体流量测量的超声波换能器，压电元件2通过粘接胶与金属件3内壳面粘接在一起，然后再通过粘接胶将声匹配层4与金属件3的外壳面粘接在一起，再通过将上述半成品固定在一外形形状的工装9中，再通过灌封具有一定弹性的胶水，固化后形成成品。但是现有技术的该种用于气体流量测量的超声波换能器，为了实现外部灌封胶水，在实际产品声匹配层4与金属件3通过胶水粘接在一起时，胶水粘接后的状态要求如图1所示。理想状态下，粘接金属件3与声匹配层4的胶水刚好与声匹配层4平齐，无明显的胶水溢出(如图2和图3所示)，在将半成品装配到灌封工装9时，半成品不会与灌封工装9发生干涉(如图4和图5所示)，不会影响产品的平整度。按照此要求进行管控产品的粘接金属件3与声匹配层4的胶量，通过试验，得到产品的频率-阻抗曲线如图6所示。贴片后，产品的阻抗曲线如图7所示，很明显存在许多小峰褶皱，更甚者，第一谐振峰明显存在开叉呈双峰现象，这种影响很明显是由于产品贴片胶量过少，导致贴片耦合时，声匹配层4与金属件3存在一部分粘接不良的状态，这导致的结果体现在产品的阻抗曲线中，多褶皱、谐振峰存在分叉等不良现象。同时，这将导致产品的谐振频率、谐振阻抗等参数分布离散，从而影响了产品性能的一致性。然后，在实际产品生产状态下，粘接金属件3与声匹配层4的胶水会溢出到声匹配层4外围，可以很明显看到多余的胶水溢出(如图8和图9所示)，在将半成品装配到灌封工装9时，半成品与灌封工装9发生干涉(如图10和图11所示)，从而影响了产品的平整度。按照此要求进行管控产品粘接金属件3与声匹配层4的胶量，通过试验，我们得到产品的的频率-阻抗曲线如图12所示。从产品的谐振阻抗曲线(如图12所示)可以看到，产品按照此胶量要求进行管控贴片，产品阻抗曲线的谐振杂波明显减少，整个曲线比较光滑，谐振峰比较明显，但灌封成成品后的状态，由于多余溢出的胶水，产品的匹配层声波发射面与产品装配面的平行度差(在0.5以内)，最终导致产品接收幅值的一致性差。

针对上述问题，本申请实施例提供一种用于气体流量测量的超声波换能器，该超声波换能器易于批量生产，性能一致性好。

以下结合附图详细描述本申请实施例的技术方案。

参见图13，一种用于气体流量测量的超声波换能器，包括：背衬1、压电元件2、金属件3、声匹配层4，匹配层，又叫声学匹配层，其为一种基于环氧树脂和空心玻璃微珠制成的复合材料圆形薄片，匹配层能够较优的完成压电元件2与气体介质的声学匹配。压电元件2，为可以实现电能与机械能相互转换的圆形柱状压电陶瓷。背衬1，为吸声结构，其作用是增加换能器振动系统的阻尼，加速消除换能器的余震，通常为环氧树脂、聚氨酯或聚酰胺等材料，通过粘接、灌注或注塑等工艺与压电陶瓷结合在一起。背衬1不仅能够加速消除超声波换能器的余震，还可作为超声波换能器的外壳，为超声波换能器装配时提供配合支撑。

参见图13，所述金属件3设有第一凹陷部31，所述压电元件2的第一端面21设于所述第一凹陷部31的内侧面，所述压电元件2的第二端面22与所述背衬1连接。所述声匹配层4设有第二凹陷部41，所述第一凹陷部31的外侧面与所述第二凹陷部41的内侧面粘接。第一凹陷部31的外侧面与第二凹陷部41的内侧面抵顶，在进行生产时，金属件3与声匹配层4进行配合时，不需要利用工装进行定位，不需要通过工具来控制金属件3与匹配层之间的同心度。

如图14和图15所示，将声匹配层4的结构由一圆片形状改成圆柱壳体的形状，金属件3的第一凹陷部31的内侧面通过胶水与压电元件2粘接在一起，金属件3的外侧面与改进后的声匹配层4的第二凹陷部41的内侧面通过胶水粘接在一起，相应地，粘接两者的胶水应填充满声匹配层4与金属件3间的空隙，形成第二粘接部6，所述第二粘接部6位于第二凹陷部41内，不会溢出声匹配层4的外侧，不会影响产品的平整度，使得产品的一致性高，灵敏度好。由于设计的声匹配层4结构刚好包裹着金属件3，这样可以减少金属件3与声匹配层4粘贴时的同心度控制，大大降低了贴片工艺的难度，同时，胶水的充分贴合，使得金属件3与声匹配层4的耦合效果更佳。按照此结构生产产品，通过试验，我们得到产品的的频率-阻抗曲线如图16所示。从产品的谐振阻抗曲线(如图16所示)可以看到，产品按照此结构进行生产，产品阻抗曲线的谐振杂波明显减少，整个曲线比较光滑，谐振点比较明显。

改进前后，产品接收灵敏度分布对比如下表：

No	改进前产品接收灵敏度/mV	改进后产品接收灵敏度/mV
			1#	80	98
2#	83	96
			3#	73	94
4#	70	92
			5#	95	94
6#	97	92
			7#	98	90
8#	92	90
			9#	98	93
10#	95	93
			11#	100	91
12#	103	98
			13#	101	90
14#	91	90
			15#	88	97
16#	96	95
			17#	94	92
18#	101	91
			19#	96	89
20#	97	89
			21#	101	98
22#	100	100
			标准差	8.4	3.3

改进后，产品接收灵敏度标准差更小，产品数据离散程度更小，一致性更好。

如图17所示，改进前，产品金属件3与声匹配层4贴合时，需配备相应的工装控制两者间的同心度，若缺少定位的工装，产品贴片时，会存在金属件3与声匹配层4左右错位的情况，造成两者不同心，增大了生产工艺的难度。改进后，整个声匹配层4包裹着金属件3，在进行金属件3与声匹配层4贴片时，避免了金属件3与声匹配层4之间的不同心的情况，降低了生产工艺难度。

在一些优选的实施例中，所述第一凹陷部31向外延伸有延伸部32，所述延伸部32上设有第一电极层7，所述第一电极层7与导线连接。所述延伸部32伸入所述背衬1内，所述延伸部32被所述背衬1包覆，更加背衬1的硬度。而延伸部32在背衬1内延伸，以避免软性背衬1外壳在装配固定时发生显著变形而影响超声波换能器的性能。所述压电元件2的所述第二端面22上设有第二电极层8，所述第二电极层8与所述导线连接。

在一些优选的实施例中，所述第二凹陷部41设有底部42以及与所述底部42相连的侧部43，所述侧部43设有顶部44，所述顶部44与所述背衬1连接。所述背衬1设有向下延伸的接触部11，所述接触部11下端设有接触面12，所述接触面12与所述顶部44的顶面连接。所述接触部11的外侧面与所述声匹配侧的外侧面平齐，使得产品的平整度高，一致性好。

在一些优选的实施例中，参见图18，在将半成品装配到灌封工装9时，半成品与灌封工装不会发生干涉。所述压电元件2与所述金属件3之间设有第一粘接层5，所述第一粘接层5设于所述第一凹陷部31内。所述声匹配层4与所述金属件3之间设有第二粘接层，所述第二粘接层设于所述第二凹陷部41内，使得第二粘接层不会裸露于声匹配层4外侧，不会影响产品的平整度，使得产品的一致性好、灵敏度高。

在一些优选的实施例中，所述背衬1通过灌封胶的形式一体成型，所述背衬1包覆所述压电元件2的第二端面22，将所述压电元件2固定于所述第一凹陷部31内。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：该种用于气体流量测量的超声波换能器，声匹配层4的结构由一圆片形状改成圆柱壳体的形状，压电元件2设于金属件3的第一凹陷部31内，金属件3的第一凹陷部31设于声匹配层4的第二凹陷部41内，即第一凹陷部31的外侧面与第二凹陷部41的内侧面通过胶水粘接，胶水填满第一凹陷部31与第二凹陷部41之间的空隙，不会溢出声匹配层4的外侧，使得产品的平整度高，产品接收幅值的一致性好。同时，由于声匹配层4的第二凹陷部41刚好包裹着金属件3的第一凹陷部31，减少金属件3与声匹配层4粘贴时的同心度控制，大大降低了贴片工艺的难度，同时，胶水的充分贴合，使得金属件3与匹配层的耦合效果更佳。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种用于气体流量测量的超声波换能器，其特征在于，包括：

背衬、压电元件、金属件、声匹配层；

所述金属件设有第一凹陷部；

所述压电元件的第一端面设于所述第一凹陷部的内侧面；所述压电元件的第二端面与所述背衬连接；

所述声匹配层设有第二凹陷部，所述第一凹陷部的外侧面与所述第二凹陷部的内侧面粘接。

2.根据权利要求1所述的用于气体流量测量的超声波换能器，其特征在于：所述第一凹陷部向外延伸有延伸部，所述延伸部上设有第一电极层，所述第一电极层与导线连接。

3.根据权利要求2所述的用于气体流量测量的超声波换能器，其特征在于：所述压电元件的所述第二端面上设有第二电极层，所述第二电极层与所述导线连接。

4.根据权利要求1所述的用于气体流量测量的超声波换能器，其特征在于：所述第二凹陷部设有底部和侧部，所述侧部设有顶部，所述顶部与所述背衬连接。

5.根据权利要求1所述的用于气体流量测量的超声波换能器，其特征在于：所述压电元件与所述金属件之间设有第一粘接层，所述第一粘接层设于所述第一凹陷部内。

6.根据权利要求1所述的用于气体流量测量的超声波换能器，其特征在于：所述声匹配层与所述金属件之间设有第二粘接层，所述第二粘接层设于所述第二凹陷部内。

7.根据权利要求1所述的用于气体流量测量的超声波换能器，其特征在于：所述背衬通过灌封胶的形式一体成型，所述背衬包覆所述压电元件的第二端面，将所述压电元件固定于所述第一凹陷部内。

8.根据权利要求4所述的用于气体流量测量的超声波换能器，其特征在于：所述背衬设有向下延伸的接触部，所述接触部下端设有接触面，所述接触面与所述顶部连接。

9.根据权利要求8所述的用于气体流量测量的超声波换能器，其特征在于：所述接触部的外侧面与所述声匹配侧的外侧面平齐。

10.根据权利要求2所述的用于气体流量测量的超声波换能器，其特征在于：所述延伸部伸入所述背衬内，所述延伸部被所述背衬包覆。