TW202325417A - 超聲波傳感器 - Google Patents

超聲波傳感器 Download PDF

Info

Publication number
TW202325417A
TW202325417A TW110146901A TW110146901A TW202325417A TW 202325417 A TW202325417 A TW 202325417A TW 110146901 A TW110146901 A TW 110146901A TW 110146901 A TW110146901 A TW 110146901A TW 202325417 A TW202325417 A TW 202325417A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
thickness
carrier
ultrasonic sensor
piezoelectric body
resonance
Prior art date
Application number
TW110146901A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI816253B (zh
Inventor
陳隆
蘇益廷
陳彥全
Original Assignee
詠業科技股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 詠業科技股份有限公司 filed Critical 詠業科技股份有限公司
Priority to TW110146901A priority Critical patent/TWI816253B/zh
Priority to CN202210013686.2A priority patent/CN116263496A/zh
Priority to US17/748,020 priority patent/US20230182173A1/en
Priority to DE102022121692.6A priority patent/DE102022121692A1/de
Publication of TW202325417A publication Critical patent/TW202325417A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI816253B publication Critical patent/TWI816253B/zh

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0603—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a piezoelectric bender, e.g. bimorph
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/067—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface which is used as, or combined with, an impedance matching layer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
    • G01S15/08—Systems for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/002—Devices for damping, suppressing, obstructing or conducting sound in acoustic devices
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H10N30/503—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure having a non-rectangular cross-section in a plane orthogonal to the stacking direction, e.g. polygonal or circular in top view
    • H10N30/505—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure having a non-rectangular cross-section in a plane orthogonal to the stacking direction, e.g. polygonal or circular in top view the cross-section being annular
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/0681—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface and a damping structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/50—Application to a particular transducer type
    • B06B2201/55—Piezoelectric transducer

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Surgical Instruments (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

Abstract

一種超聲波傳感器，包含一壓電體，具有徑向共振頻率及厚度共振頻率，且具有一上表面、隔著該壓電體的一下表面以及連接該上表面與該下表面的側表面，以及一聲阻匹配層設置在該壓電體的該上表面上，且具有徑向共振匹配部與厚度共振匹配部，其中該徑向共振匹配部在垂直該上表面的方向上的厚度大於該厚度共振匹配部在該方向上的厚度，且該徑向共振匹配部的該厚度匹配該壓電體的該徑向共振頻率，該厚度共振匹配部的該厚度匹配該壓電體的該厚度共振頻率。

Description

超聲波傳感器
本發明大體上為一種超聲波傳感器，更具體言之，其係關於一種具徑向共振匹配部與厚度共振匹配部來匹配不同共振模式的超聲波傳感器。
現有的超聲波傳感器(ultrasonic transducer)可用於短距離的物體檢測，其通過發出的超聲波碰撞到物體之後反射回來的時間差，可以計算出超聲波傳感器與待檢測物體之間的距離。對於超聲波檢測而言，待檢測物體的類型與性質並不會受到太多的限制，包括各種表面顏色、透明度、硬度的固體、液體或粉體等，其都可以用超聲波傳感器來進行檢測。因此，現今超聲波傳感器已廣泛應用在停車雷達(parking sensor)、位高檢測(level sensor)、薄片層數檢測(multiple sheet detection)及流量檢測(flow meter)等領域。
超聲波傳感器的主要組成元件為壓電陶瓷片(piezoceramics)，例如以鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate, PZT)材料製作的陶瓷片，其雙面會塗佈導電層。在工作時施加高頻交流電訊號會讓壓電陶瓷產生高頻率振動，所述高頻率振動是一種聲波，如果此聲波的頻率落在超聲波範圍，即為超聲波振動。然而，為了讓所產生的超聲波能從壓電陶瓷傳遞到空氣中，壓電陶瓷的聲阻(acoustic impedance)必須與空氣的聲阻匹配才行。
聲阻(Z)=材料密度(ρ)*超聲波聲速(C)，壓電陶瓷的聲阻約為30-35 MRayl（10 6公斤/平方公尺•秒），空氣的聲阻約為430 Rayl（公斤/平方公尺•秒），壓電陶瓷的聲阻與空氣的聲阻，有非常大的差距，導致壓電陶瓷所產生的超聲波能量無法傳遞到空氣中。因此，聲阻匹配層(matching layer)就成了超聲波傳感器中必要的部件，其會設置在壓電陶瓷與空氣之間，使得兩者的聲阻得以匹配，從而可有效地將超聲波傳遞到空氣中。用於空氣傳感器(air transducer)的匹配層的聲阻，其最理想值為：√(35M*430) Rayl，約為0.12 MRayl，但是自然界中很難找到聲阻低於1 MRayl而且又耐用的材料，一般業界常用的匹配層材料為高分子樹脂與空心玻璃球混合成的複合材料，來達到較低的聲阻特性，同時也具有較佳的耐候性及可靠度。
另一方面，一般壓電陶瓷在不同的設置條件下可能會具有不同的共振模式，例如徑向共振模式或是厚度共振模式。壓電陶瓷在不同共振模式下所發出的聲波會具有不同的頻率，一般的聲阻匹配層並不能同時匹配壓電陶瓷在不同共振模式下發出的聲波。故此，本領域的技術人士仍須研究開發可適用於壓電陶瓷多種震動模式的聲阻匹配層。
以上背景技術內容的公開僅用於輔助理解本案的發明構思及技術方案，其並不必然屬於本專利申請的現有技術，在沒有明確的證據表明上述內容在本專利申請的申請日前已經公開的情況下，上述背景技術不應當用於評價本申請的新穎性和創造性。
有鑑於前述現有技術的現況，本發明於此提出了一種新穎的超聲波傳感器，特點在於其聲阻匹配層具有厚度不同的徑向共振匹配部與厚度共振匹配部來匹配壓電體不同的共振模式。
本發明的目的之一在於提出一種超聲波傳感器，包含一壓電體，具有徑向共振頻率及厚度共振頻率，且具有一上表面、隔著該壓電體的一下表面以及連接該上表面與該下表面的側表面，以及一聲阻匹配層，設置在該壓電體的該上表面上，且具有徑向共振匹配部與厚度共振匹配部，其中該徑向共振匹配部在垂直該上表面的方向上的厚度大於該厚度共振匹配部在該方向上的厚度，且該徑向共振匹配部的該厚度匹配該壓電體的該徑向共振頻率，該厚度共振匹配部的該厚度匹配該壓電體的該厚度共振頻率。
本發明的另一目的在於提出一種超聲波傳感器，包含一壓電體，具有一上表面、一隔著該壓電體的下表面、以及連接該上表面與該下表面的側表面，一承載體，具有一內表面以及隔著該承載體的外表面，且該壓電體的該上表面與該承載體的內表面接合並具有一彎曲共振頻率及一厚度共振頻率，以及一聲阻匹配層，與該承載體的該外表面接合，且具有彎曲共振匹配部以及厚度共振匹配部，其中該彎曲共振匹配部在垂直該外表面的方向上的厚度大於該厚度共振匹配部在該方向上的厚度，且該彎曲共振匹配部的該厚度匹配該壓電體與該承載體形成的該彎曲共振頻率，該厚度共振匹配部的該厚度匹配該壓電體與該承載體形成的該厚度共振頻率。
本發明的這類目的與其他目的，在閱者讀過後文中以多種圖形與繪圖來描述的具體實施例細節說明後，必然可變得更為明瞭顯見。
在下文的本發明細節描述中，元件符號會標示在隨附的圖示中成為其中的一部份，並且以可實行該實施例之特例描述方式來表示。這類的實施例會說明足夠的細節俾使該領域之一般技藝人士得以具以實施。為了圖例清楚之故，圖示中可能有部分元件的尺寸會加以誇大。閱者須瞭解到本發明中亦可利用其他的實施例或是在不悖離所述實施例的前提下，作出結構性、邏輯性、及電性上的改變。因此，下文之細節描述不可被視為是一種限定，反之，其中所包含的實施例將由隨附的申請專利範圍來加以界定。
首先請參照第1圖，其繪示出根據本發明實施例中一超聲波傳感器100的一實施態樣的截面示意圖。在此實施例中，超聲波傳感器100包含一壓電體102，其具有隔著該壓電體102相對的上表面102a與下表面102b以及連接上表面102a與下表面102b的側表面102c。壓電體102可包含實心方形、多邊形或圓形的壓電材料，或是環狀壓電材料，或是多層陶瓷製程的壓電材料，或是具有溝槽的壓電材料。該些壓電材料可包含鋯鈦酸鉛(Pb(ZrTi)O 3)、鈦酸鉛(PbTiO 3)等含鉛的壓電材料，或鈦酸鋇(BaTiO 3)、鈮酸鉀鈉((NaK)NbO 3)等不含鉛的壓電材料，其聲阻約為30-35 MRayl，遠大於空氣的聲阻430 Rayl，故需要設置聲阻匹配層來使兩者的聲阻匹配。壓電體102的導電層上可連接導線106，將外部的高頻交流電訊號電連接至壓電體102，使其產生高頻率振動，藉以發出超聲波。在本發明實施例中，一聲阻匹配層104設置在壓電體102的上表面102a上並與之直接接觸。一般而言，聲阻匹配層104在垂直壓電體102上表面102a的方向（第一方向D1，即厚度方向或軸向）上的厚度約等於壓電體102在工作頻率下所發出的超聲波在該聲阻匹配層104中時的波長的1/4，如此能達到最佳的超聲波傳遞效果。
儘管如此，一般壓電陶瓷在不同的設置條件下可能會具有不同的共振模式，例如徑向共振模式(radial mode resonance)或是厚度共振模式(thickness mode resonance)，壓電陶瓷在這些不同的共振模式下所發出的聲波會具有不同的共振頻率。請參照第2圖，其為根據本發明實施例中一壓電體102在不同振動模式下的阻抗(Ω)對頻率(Hz)的線圖。從圖中可以看到，當壓電體102通電產生高頻率振動時，其在不同的振動頻率下會具有不同的阻抗，當阻抗最低時即代表壓電體102在該頻率的振動下能產生最大的能量效益，也就是穩定的共振態。以圖中的曲線為例，壓電體102在50kHz的較低頻率共振時可達到一相對較低的阻抗，此時其處於徑向共振模式，其共振力有相當的部分是朝向壓電體102的徑向，即第二方向D2。另一方面，壓電體102在200kHz的較高頻率共振時也可達到一相對較低的阻抗，此時其處於厚度共振模式（或稱之為軸向共振模式），其共振力大部分是朝向壓電體102的厚度方向，即第一方向D1。一般而言，使用較低頻共振的超聲波傳感器可以增加偵測距離，但是盲區相對較大，解析度也相對較差。反之，使用較高頻共振的超聲波傳感器，其偵測距離較短，但是盲區相對較小，解析度也相對較好。
由於壓電體102具有不同共振模式的性質，且這些共振模式可以透過改變所施加電源頻率的高低來達成，故我們可以視應用的場合來決定所要採用的壓電體共振模式。然而，儘管壓電體102能以不同的共振模式運作，但不同的共振模式會具有不同的共振頻率，故會需要不同厚度的聲阻匹配層來與之匹配。回到第1圖。如第1圖所示，本發明的特點在於聲阻匹配層104具有不同的厚度。更具體言之，本發明的聲阻匹配層104具有厚度不同的徑向共振匹配部104a或是厚度共振匹配部104b。從截面外型來看，厚度共振匹配部104b像是位於壓電體102中心處的凹槽，徑向共振匹配部104a則圍繞著厚度共振匹配部104b。由於壓電體102的徑向共振頻率較低(50kHz)，在此模式下發出的超聲波波長會較長，故會需要厚度較厚的聲阻匹配層，而壓電體102的厚度共振頻率較高(200kHz)，在此模式下發出的超聲波波長會較短，故會需要厚度較薄的聲阻匹配層。本實施例中，徑向共振匹配部104a的厚度係匹配壓電體102的徑向共振頻率，厚度共振匹配部104b的厚度係匹配壓電體102的厚度共振頻率。
聲阻匹配層104包含由有機高分子材料以及實心粉體或是空心粉體構成的複合材料，該有機高分子材料包括環氧樹脂(Epoxy)、乙烯基酯樹脂(vinyl ester resin)、丙烯酸樹脂(acrylic resin)、聚氨酯(polyurethane)、或是紫外線硬化膠(UV膠)等。空心或實心粉體可為空心玻璃球顆粒或是實心玻璃球顆粒，其係作為填充物均勻散佈在該有機高分子材料中，以調整聲阻匹配層104的整體密度。空心玻璃球顆粒的密度介於0.1g/cm³~0.6g/cm³（公克/立方公分）之間。由於聲阻與材料的密度成正比，聲阻匹配層104的密度越低，所能得出的聲阻也越低，故越能達成聲阻匹配的功效。在有機高分子材料中加入不同體積比的玻璃球顆粒，經過混合、脫泡及固化等處理，即可調製成不同密度且不同厚度的聲阻匹配層104。
現在請參照第3圖，其繪示出根據本發明實施例中超聲波傳感器的另一實施態樣的截面示意圖。在此實施例中，超聲波傳感器100可以設置在一管狀承載體108中。管狀承載體108具有一上開口108a與下開口108b，其中管狀承載體108的內表面108c圍繞著聲阻匹配層104並與之接合。在其他實施例中，管狀承載體108的內表面108c也可與壓電體102接合。聲阻匹配層104的徑向共振匹配部104a與厚度共振匹配部104b從管狀承載體108的上開口108a露出，導線106則可經由管狀承載體108的下開口108b接出。管狀承載體108的截面形狀可為方形、多邊形或是圓形。管狀承載體108的材料包含選自下列群組或其組合的金屬材質：鋁、鈦、銅、不鏽鋼，或是下列群組或其組合的非金屬材質：玻璃、壓克力、鐵氟龍(PTFE)、聚二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚對苯二甲酸丁酯(PBT)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、液晶聚合物(LCP)、或是聚醚醚酮(PEEK)等。
現在請參照第4圖，其繪示出根據本發明實施例中超聲波傳感器的又一實施態樣的截面示意圖。在此實施例中，超聲波傳感器100還可包含一減震體110，其與壓電體102的下表面102b以及管狀承載體108的內表面108c接合。如此，在壓電體102運作時的高頻振動下，減震體110能有效地減震，降低超聲波傳感器的餘震(ringing)。在其他實施例中，也可能設置兩種具有不同減震係數或硬度的減震體，來達到更佳的減震效果。減震體110的材料可包含纖維狀彈性體，具體可包括矽膠(Silicone)、橡膠(Rubber)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、苯乙烯彈性體(Styrene Elastomer)、聚酯彈性體(Polyester Elastomer)、烯烴彈性體(Olefin Elastomer)、熱塑性硫化橡膠(TPV)、熱塑性聚氨酯(TPU)、環氧樹脂(Epoxy)、軟木(wood cork)、聚酯棉、羊毛氈、玻璃纖維或是泡棉。
現在請參照第5圖，其繪示出根據本發明實施例中超聲波傳感器的又一實施態樣的截面示意圖。在此實施例中，超聲波傳感器100還可包含一承載盤112，其上表面與減震體110相接，周圍則與管狀承載體108的內表面108c接合而固定在管狀承載體108上，可提供超聲波傳感器100部件更穩固的支撐效果。承載盤112並具有引線或引腳114，壓電體102可透過導線106連接至承載盤112的引腳114並從管狀承載體108的下開口108b接出。
現在請參照第6圖，其繪示出根據本發明實施例中超聲波傳感器的又一實施態樣的截面示意圖。在此實施例中，有別於前述實施例，超聲波傳感器100係設置在一桶狀承載體109中。桶狀承載體109具有一頂部109a、一下開口109b以及連接該頂部109a與該下開口109b的桶身，該頂部109a中心還形成有一開孔109d。壓電體102及聲阻匹配層104設置於桶狀承載體109內，其中聲阻匹配層104的徑向聲阻匹配部104a與桶狀承載體109頂部109a的內表面接合，厚度聲阻匹配部104b則從開孔109d露出。導線106則可經由桶狀承載體109的下開口109b接出。桶狀承載體109的截面形狀可為方形、多邊形或是圓形。桶狀承載體109的材料可包含選自下列群組或其組合的金屬材質：鋁、鈦、銅、不鏽鋼，或是下列群組或其組合的非金屬材質：玻璃、壓克力、鐵氟龍(PTFE)、聚二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚對苯二甲酸丁酯(PBT)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、液晶聚合物(LCP)、或是聚醚醚酮(PEEK)等。
現在請參照第7圖，其繪示出根據本發明實施例中超聲波傳感器的又一實施態樣的截面示意圖。在此實施例中，桶狀承載體109的頂部109a並未形成有開孔，聲阻匹配層104的厚度聲阻匹配部104b也與桶狀承載體109頂部109a的內表面接合。這樣的設計使得超聲波傳感器更適合用在外界環境較為嚴苛的場合，其可有效保護聲阻匹配層不受損傷。
現在請參照第8圖，其繪示出根據本發明實施例中超聲波傳感器的又一實施態樣的截面示意圖。在此實施例中，超聲波傳感器100還可包含一減震體110，其與壓電體102的下表面102b以及桶狀承載體109的內表面109c接合，並填滿壓電體102以及聲阻匹配層104與桶狀承載體109之間的空隙。如此，在壓電體102運作時的高頻振動下，減震體110能有效地減震，降低超聲波傳感器的餘震(ringing)。在其他實施例中，也可能設置兩種具有不同減震係數或硬度的減震體，來達到更佳的減震效果。減震體110的材料可包含纖維狀彈性體，具體可包括矽膠(Silicone)、橡膠(Rubber)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、苯乙烯彈性體(Styrene Elastomer)、聚酯彈性體(Polyester Elastomer)、烯烴彈性體(Olefin Elastomer)、熱塑性硫化橡膠(TPV)、熱塑性聚氨酯(TPU)、環氧樹脂(Epoxy)、軟木(wood cork)、聚酯棉、羊毛氈、玻璃纖維或是泡棉。
現在請參照第9圖，其繪示出根據本發明實施例中超聲波傳感器的又一實施態樣的截面示意圖。在此實施例中，超聲波傳感器100還可包含一承載盤112，其上表面與減震體110相接，周圍則與桶狀承載體109的內表面109c接合而固定在桶狀承載體109上，可提供超聲波傳感器100部件更穩固的支撐效果。承載盤112並具有引線或引腳114，壓電體102可透過導線106連接至承載盤112的引腳114並從桶狀承載體109的下開口109b接出。
現在請參照第10圖，其繪示出根據本發明實施例中超聲波傳感器的又一實施態樣的截面示意圖。在此實施例中，於前述實施例不同的是，壓電體並未與聲阻匹配層直接接合。如第9圖所示，超聲波傳感器100包含一承載體116。承載體116具有一內表面116b以及隔著承載體116的外表面116a，且壓電體102係設置在承載體116的內表面116b上，聲阻匹配層105則設置在承載體116的外表面116a上，其中承載體116的面積會大於其與壓電體102以及聲阻匹配層105的接合面面積，有部分從周圍延伸而出。在這樣的設置下，由於壓電體102並未與聲阻匹配層105直接接合且兩者間隔著一平板狀的承載體116，壓電體102原有較低頻共振態的徑向共振模式會轉變為彎曲共振模式(bending mode resonance)，此時其共振力有相當的部分會傳導到所接合的承載體116並使其產生彎曲震動。如此，壓電體102變成具有一較低頻的彎曲共振頻率及一較高頻的厚度共振頻率，而聲阻匹配層105具有一較厚的彎曲共振匹配部105a以及一較薄的厚度共振匹配部105b。承載體116的材料包含選自下列群組或其組合的金屬材質：鋁、鈦、銅、不鏽鋼，或是下列群組或其組合的非金屬材質：玻璃、壓克力、鐵氟龍(PTFE)、聚二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚對苯二甲酸丁酯(PBT)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、液晶聚合物(LCP)、或是聚醚醚酮(PEEK)等。
現在請參照第11圖，其繪示出根據本發明實施例中超聲波傳感器的又一實施態樣的截面示意圖。在此實施例中，於前述實施例不同的是，承載體為一桶狀承載體118而非平板狀承載體116。桶狀承載體118具有一外表面118a以及與之相對的內表面118c。壓電體102係設置在桶狀承載體118的內部且與其內表面118c相接，聲阻匹配層105則設置在桶狀承載體118的外部且與其外表面118a相接。這樣的設置適用於須使用桶狀承載體來提供保護以及使用聲阻匹配層來提供聲阻匹配的場合。
根據本發明前述各實施例的超聲波傳感器態樣，不同厚度的聲阻匹配層可匹配壓電體在不同設置下的共振模式，並可兼容應用在使用桶狀承載體以及平板狀承載體的場合。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:超聲波傳感器 102:壓電體 102a:上表面 102b:下表面 102c:側表面 104:聲阻匹配層 104a:徑向共振匹配部 104b:厚度共振匹配部 105:聲阻匹配層 105a:彎曲共振匹配部 105b:厚度共振匹配部 106:導線 108:管狀承載體 108a:上開口 108b:下開口 108c:內表面 109:桶狀承載體 109a:頂部 109b:下開口 109c:內表面 109d:開孔 110:減震體 112:承載盤 114:引腳 116:承載體 116a:外表面 116b:內表面 118:桶狀承載體 118a:外表面 118b:下開口 118c:內表面 D1:第一方向 D2:第二方向
第1圖是根據本發明較佳實施例中一超聲波傳感器的一實施態樣的截面圖； 第2圖是根據本發明實施例中一壓電體在不同振動模式下的阻抗(Ω)對頻率(Hz)的線圖； 第3圖是根據本發明實施例中一超聲波傳感器的另一實施態樣的截面圖； 第4圖是根據本發明實施例中一超聲波傳感器的又一實施態樣的截面圖； 第5圖是根據本發明實施例中一超聲波傳感器的又一實施態樣的截面圖； 第6圖是根據本發明實施例中一超聲波傳感器的又一實施態樣的截面圖； 第7圖是根據本發明實施例中一超聲波傳感器的又一實施態樣的截面圖； 第8圖是根據本發明實施例中一超聲波傳感器的又一實施態樣的截面圖； 第9圖是根據本發明實施例中一超聲波傳感器的又一實施態樣的截面圖； 第10圖是根據本發明實施例中一超聲波傳感器的又一實施態樣的截面圖；以及 第11圖是根據本發明實施例中一超聲波傳感器的又一實施態樣的截面圖。
100:超聲波傳感器
102:壓電體
102a:上表面
102b:下表面
102c:側表面
104:聲阻匹配層
104a:徑向共振匹配部
104b:厚度共振匹配部
106:導線
D1:第一方向
D2:第二方向

Claims (20)

  1. 一種超聲波傳感器，包含： 一壓電體，具有徑向共振頻率及厚度共振頻率，且具有一上表面、隔著該壓電體的一下表面以及連接該上表面與該下表面的側表面；以及 一聲阻匹配層，設置在該壓電體的該上表面上，且具有徑向共振匹配部與厚度共振匹配部，其中該徑向共振匹配部在垂直該上表面的方向上的厚度大於該厚度共振匹配部在該方向上的厚度，且該徑向共振匹配部的該厚度匹配該壓電體的該徑向共振頻率，該厚度共振匹配部的該厚度匹配該壓電體的該厚度共振頻率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之超聲波傳感器，其中該徑向共振頻率小於該厚度共振頻率。
  3. 如申請專利範圍第 1 項所述之超聲波傳感器，更具有一管狀承載體，該管狀承載體具有一上開口與一下開口，該壓電體與該聲阻匹配層設置於該管狀承載體內，且該聲阻匹配層從該管狀承載體的該上開口露出。
  4. 如申請專利範圍第 3 項所述之超聲波傳感器，更包含一減震體，該減震體與該壓電體的該下表面以及該管狀承載體的內表面相接。
  5. 如申請專利範圍第 4 項所述之超聲波傳感器，更包含一承載盤，該承載盤具有引線或引腳，且該承載盤與該減震體相接並從該管狀承載體的該下開口露出。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之超聲波傳感器，其中該管狀承載體包含截面為方形、多邊形或是圓形的管狀結構。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之超聲波傳感器，其中該管狀承載體的材料包含選自下列群組或其組合的金屬材質：鋁、鈦、銅以及不鏽鋼，或是下列群組或其組合的的非金屬材質：玻璃、壓克力、鐵氟龍(PTFE)、聚二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚對苯二甲酸丁酯(PBT)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、液晶聚合物(LCP)以及聚醚醚酮(PEEK)。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之超聲波傳感器，其中該聲阻匹配層包含有機高分子材料，或是包含由有機高分子材料與空心粉體或實心粉體混合而成的複合材料，該有機高分子材料包括環氧樹脂(Epoxy)、乙烯基酯樹脂(vinyl ester resin)、紫外線硬化膠(UV膠)、聚氨酯(polyurethane)、矽膠(Silicone)、丙烯酸樹脂(acrylic resin)、或是氰酸酯樹脂(cyanate ester resin)。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之超聲波傳感器，其中該壓電體包含實心方形、多邊形、圓形的壓電材料，或是環狀壓電材料，或是多層陶瓷壓電材料，或是具有溝槽的壓電材料。
  10. 如申請專利範圍第 1 項所述之超聲波傳感器，更具有一桶狀承載體，該桶狀承載體具有一封閉的頂部、一下開口以及連接該頂部與該下開口的桶身，該壓電體及該聲阻匹配層設置於該桶狀承載體內，且該聲阻匹配層的該徑向聲阻匹配部及該厚度聲阻匹配部與該桶狀承載體的該封閉的頂部接合。
  11. 如申請專利範圍第 1 項所述之超聲波傳感器，更具有一桶狀承載體，該桶狀承載體具有一頂部、一下開口以及連接該頂部與該下開口的桶身，該頂部具有一開孔，該壓電體及該聲阻匹配層設置於該桶狀承載體內，其中該徑向聲阻匹配部與該承載體的該頂部接合，且該厚度聲阻匹配部從該頂部的該開孔露出。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之超聲波傳感器，更包含一減震體，該減震體與該壓電體的該下表面以及該桶身的內表面相接。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之超聲波傳感器，更包含一承載盤，該承載盤具有引線或引腳，且該承載盤與該減震體面以及該桶身的內表面相接，並從該桶狀承載體的該下開口露出。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之超聲波傳感器，其中該桶狀承載體的截面為方形、多邊形或是圓形。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之超聲波傳感器，其中該桶狀承載體的材料包含選自下列群組或其組合的金屬材質：鋁、鈦、銅以及不鏽鋼，或是下列群組或其組合的的非金屬材質：玻璃、壓克力、鐵氟龍(PTFE)、聚二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚對苯二甲酸丁酯(PBT)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、液晶聚合物(LCP)以及聚醚醚酮(PEEK)。
  16. 一種超聲波傳感器，包含： 一壓電體，具有一上表面、一隔著該壓電體的下表面、以及連接該上表面與該下表面的側表面； 一承載體，具有一內表面以及隔著該承載體的外表面，且該壓電體的該上表面與該承載體的內表面接合並具有一彎曲共振頻率及一厚度共振頻率；以及 一聲阻匹配層，與該承載體的該外表面接合，且具有彎曲共振匹配部以及厚度共振匹配部，其中該彎曲共振匹配部在垂直該外表面的方向上的厚度大於該厚度共振匹配部在該方向上的厚度，且該彎曲共振匹配部的該厚度匹配該壓電體與該承載體形成的該彎曲共振頻率，該厚度共振匹配部的該厚度匹配該壓電體與該承載體形成的該厚度共振頻率。
  17. 如申請專利範圍第 16 項所述之超聲波傳感器，該彎曲共振頻率小於其厚度共振頻率。
  18. 如申請專利範圍第 16項所述之超聲波傳感器，該承載體為平板狀承載體或桶狀承載體。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之超聲波傳感器，其中該承載體的材料包含選自下列群組或其組合的金屬材質：鋁、鈦、銅以及不鏽鋼，或是下列群組或其組合的的非金屬材質：玻璃、壓克力、鐵氟龍(PTFE)、聚二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚對苯二甲酸丁酯(PBT)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、液晶聚合物(LCP)以及聚醚醚酮(PEEK)。
  20. 如申請專利範圍第16項所述之超聲波傳感器，其中該聲阻匹配層包含有機高分子材料，或是包含由有機高分子材料與空心粉體或實心粉體混合而成的複合材料，該有機高分子材料包括環氧樹脂(Epoxy)、乙烯基酯樹脂(vinyl ester resin)、紫外線硬化膠(UV膠)、聚氨酯(polyurethane)、矽膠(Silicone)、丙烯酸樹脂(acrylic resin)、或是氰酸酯樹脂(cyanate ester resin)。
TW110146901A 2021-12-15 2021-12-15 超聲波傳感器 TWI816253B (zh)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW110146901A TWI816253B (zh) 2021-12-15 2021-12-15 超聲波傳感器
CN202210013686.2A CN116263496A (zh) 2021-12-15 2022-01-06 超声波传感器
US17/748,020 US20230182173A1 (en) 2021-12-15 2022-05-18 Ultrasonic transducer
DE102022121692.6A DE102022121692A1 (de) 2021-12-15 2022-08-26 Ultraschallwandler

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW110146901A TWI816253B (zh) 2021-12-15 2021-12-15 超聲波傳感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202325417A true TW202325417A (zh) 2023-07-01
TWI816253B TWI816253B (zh) 2023-09-21

Family

ID=86498649

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110146901A TWI816253B (zh) 2021-12-15 2021-12-15 超聲波傳感器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230182173A1 (zh)
CN (1) CN116263496A (zh)
DE (1) DE102022121692A1 (zh)
TW (1) TWI816253B (zh)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2927144B2 (ja) * 1993-06-23 1999-07-28 松下電器産業株式会社 超音波トランスデューサ
TWM572267U (zh) * 2018-06-22 2019-01-01 詠業科技股份有限公司 超音波傳感器
TWM583052U (zh) * 2019-05-30 2019-09-01 詠業科技股份有限公司 超音波傳感器
TWM628506U (zh) * 2021-12-15 2022-06-21 詠業科技股份有限公司 超聲波傳感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN116263496A (zh) 2023-06-16
US20230182173A1 (en) 2023-06-15
DE102022121692A1 (de) 2023-06-15
TWI816253B (zh) 2023-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11534796B2 (en) Ultrasonic transducer
US5664456A (en) Ultrasonic transducer
US4825116A (en) Transmitter-receiver of ultrasonic distance measuring device
US11433427B2 (en) Ultrasonic transducer
JP5789618B2 (ja) 超音波探触子
TWM606176U (zh) 超聲波傳感器
TWM628506U (zh) 超聲波傳感器
US11583896B2 (en) Sound transducer including a piezoceramic transducer element integrated in a vibratory diaphragm
TWI816253B (zh) 超聲波傳感器
TWI816239B (zh) 超聲波傳感器
TWM609991U (zh) 超聲波傳感器
TWM636221U (zh) 超聲波傳感器
CN219871774U (zh) 超声波传感器
TWI772167B (zh) 超音波傳感器
JP2020017831A (ja) 超音波センサー
CN221899330U (zh) 超声波传感器
JP3345844B2 (ja) 超音波送受波器
JP2021082884A (ja) 超音波デバイス及び流体検出装置
TW202333396A (zh) 壓電結構
JP2021082885A (ja) 超音波デバイス及び流体検出装置
JP2021082886A (ja) 超音波デバイス及び流体検出装置