[發明專利]用于制造具有嵌入式壓電轉換器元件的超聲波轉換器芯的方法

有效

• 申請號: 201380025069.3
• 申請日: 2013-03-25
• 公開（公告）號: CN104285132B
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發明（設計）人: J·瓦爾特;H·勞施
• 申請（專利權）人: 羅伯特·博世有限公司
• 主分類號: G01F1/66
• 分類號: G01F1/66;B06B1/06
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 曾立

本發明涉及一種用于制造超聲波轉換器芯(2)的方法，所述超聲波轉換器芯包括：至少一個壓電轉換器元件(4)；至少一個適應體(8)，所述適應體促進所述壓電轉換器(4)與周圍介質之間的振動耦合；至少一個溫度膨脹補償體(6)；所述方法具有以下步驟：將所述壓電轉換器元件(4)放入到成型模具中；將所述適應體放入到所述成型模具中；將模制質量引入到所述成型模具中，從而使所述模制質量與所述適應體(8)以及與所述壓電轉換器元件(4)實現力鎖合連接、化學鍵合和/或形狀鎖合連接；并且使所述模制質量硬化以構造所述溫度膨脹補償體(6)。此外，本發明涉及一種超聲波轉換器芯(2)，該超聲波轉換器芯特別根據所述方法制造。

技術領域

本發明涉及一種用于制造超聲波轉換器芯的方法以及一種超聲波轉換器芯。

背景技術

本發明涉及超聲波轉換器，超聲波轉換器例如在方法技術方面或者在汽車領域方面(特別是內燃機的進氣和/或排氣裝置方面用于體積流測量或者質量流測量)作為流量計使用；或者作為環境傳感器使用，特別是在車輛的保險杠的前部和/或后部中，例如用于泊車輔助系統和/或防碰撞系統。在此使用典型的超聲波轉換器：所述超聲波轉換器不僅能向流體介質(例如空氣、氣體和/或液體)中發射超聲波，而且能接收超聲波。在此，超聲波信號通常通過流體介質從發射器傳遞至接收器或者從發射器傳遞到環境中并且檢測位于環境中的物體反射的超聲波信號并且測量運行時間和/或運行時間差和/其它參量(例如超聲波信號的振幅和相位)。

許多已知的超聲波流量計的缺點在于：至少在氣體形式的介質的情況下在小的信號行程中、也就是在運行時間變化很小的情況下，所述運行時間變化使得所述方法在流動率很小的情況下經常非常容易漂移。這種缺陷也被稱為“零流量錯誤”。

附加的困難是，由通常的超聲波發生器(例如壓電陶瓷)所產生的振動能量在耦合到待測量的介質中時必須克服高的聲學阻抗差。因此，通常約99.9995％的聲能量從壓電陶瓷至空氣的路徑中在相對應的邊界面上被反射回來并且也不能用于測量。同樣的反射損失再一次出現在接收的第二轉換器中，該第二轉換器也能與第一轉換器相同。

為了改善壓電元件與待測量的流體之間的聲學耦合，通常采用用于適應阻抗的措施，然而這已經強烈地限制對于超聲波轉換器設計的可能方案。因此，為了適應阻抗，例如可以應用膜片，將通常很薄的壓電元件粘接到所述膜片上。然而，在這種情況下，轉換器的諧振頻率與其說是通過壓電元件自己確定的，倒不如說是通過膜片確定的。

已知其它類型的適應層，這些其它類型的適應層施加到壓電元件上。然而，根據已知原理的空氣超聲波轉換器的大批量制造包含了耗費的且昂貴的過程步驟。尤其是在許多情況下需要適應層的切削加工，該切削加工視材料種類而定會導致粗糙表面，該粗糙表面使得聲學上有利薄的且可重現的粘接變得困難。即使在無需切削加工的情況下(例如以鑄造/注射工藝)制造適應層時，也必須有單獨的粘接工藝。

關于待使用的超聲波頻率和轉換器信號方面的其它限制對于已知的超聲波轉換器由物理效應(如流體中聲場形成、吸收和擴散)得出。

除了設計限制之外，由應用于汽車發動機的吸氣區域中的流動測量時常用的目標公差可以得到這樣的要求：所述超聲波轉換器的振蕩的起振變化曲線至少在差分的運行時間測量的意義中純機械地總是近似完全相同，更確切地說，具有例如單個機械振動的約為1/1000的精度。在此，在機械式起振變化曲線中，除了轉換器基礎設計和轉換器幾何形狀之外，還著重涉及到內部材料特性和材料相互的連接。由此困難的是，在熱力學流動測量時實現或者甚至改善常用的公差。

也就是說，已知系統的缺點在于：這些系統通常強烈遭受設計方面的限制。此外，已知超聲波轉換器的機械穩定性和信號質量以及功能公差在許多情況下具有進一步該善的潛力，并且該制造是至少還是過于耗費且昂貴的。