用于在流體介質中使用的超聲波換能器制造技術

本發明專利技術涉及一種用于在流體介質中的使用的超聲波換能器（114）。該超聲波換能器（14）包括至少一個殼體（122）和至少一個至少部分地接收在殼體（122）中的換能器芯（134）。所述換能器芯（134）包括至少一個聲電換能器元件（136）。在所述殼體（122）中還接收至少一個阻尼材料（142）。所述阻尼材料（142）具有至少一個基體材料（170）和至少一個加入到基體材料（170）中的第一填充材料（172）和至少一個加入到基體材料（170）中的第二填充材料（174）。所述第一填充材料（172）具有比基體材料（170）低的比重。所述第二填充材料（174）具有比基體材料（170）高的比重。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】用于在流體介質中使用的超聲波換能器
技術介紹
由現有技術已知用于不同的應用領域的超聲波換能器。因此超聲波換能器例如在流體介質以及例如氣體和/或液體中使用，以便測量流體介質的液位和/或流動特性，例如質量流量或體積流量或速度。尤其是這種超聲波換能器在內燃機的吸氣和/或排氣管中使用。變換地或附加地，超聲波換能器也可以例如作為距離傳感器在空氣或其它氣體或液體中使用。也可以在本專利技術的范圍中按照本專利技術改進的超聲波換能器的例子在DE20302582U1、EP0766071A1中、在DE102007010500A1中或在將要公開的DE102009046144.2中描述。超聲波換能器通常具有一個電聲換能器元件，例如壓電換能器元件，它被設置用于將電信號轉換為超聲波信號或將超聲波信號轉換為電信號。因此，由現有技術已知基于壓電陶瓷的超聲波換能器，它附加地可以包括至少一個阻抗匹配層，例如λ/4阻抗匹配層，其中，電聲換能器元件和可選的至少一個阻抗匹配層形成一個換能器芯。該換能器芯能夠安裝在殼體、例如殼體套筒中。在這里一般的難點在于抑制寄生超聲波路徑，它穿過傳感器殼體的材料向著換能器芯或在相反方向上延伸。這樣的寄生超聲波路徑否則會使測量信號失真，由此例如求出的關于待測量的流速的值經常超過公差極限。因此由現有技術、例如以上引用的文獻原則上已知在殼體內部中使用的阻尼元件。例如可以在換能器芯和殼體套之間設置去耦合元件。此外在很多情況下在套筒內部設置一個阻尼填料。由現有技術在此已知不同的阻尼材料。由H.Wang等人的“PassiveMaterialsforHighFrequencyUltrasoundTransducers”，1999SPIEConferenceProceedings，SocietyofPhotoOpticalInstrumentationEngineers已知用于阻抗匹配、用于澆注和作為超聲波傳感器的棱鏡材料的無源材料。在這里使用由金屬氧化物和塑料組成的混合物以及由鎢和塑料組成的混合物。由F.El-Tantawy等人的“Anovelultrasonictransducerbackingfromporousepoxyresin-titanium-silanecouplingagentandplasticizercomposites”，MaterialsLetters58(2003)154-158已知用于超聲波阻尼的復合材料，它含有具有鈦顆粒的環氧樹脂。由M.Grewe等人的“AcousticPropertiesofParticle/PolymerCompositesforUltrasonicTransducerBackingApplications”，IEEETransactionsonUltrasonics，FerroelectricsandFrequencyControl，Vol.37，No.6，November1990，506-514同樣已知由鎢顆粒和乙烯基-塑料組成的混合物作為超聲波換能器的阻尼材料。尤其是在開發用于氣體的基于超聲波傳播時間的測量的流量傳感器時通常難點在于，在使用阻抗匹配層時通常也僅能夠在待測量的氣體中產生比較小的超聲波振幅，從而與超聲波信號疊加的、通過傳感器殼體傳遞的固體聲含量特別要緊地起作用。另一方面，超聲波換能器在存在侵蝕介質時不能簡單地通過軟的且由此不那么堅固的材料在固體聲方面去耦合地懸掛在殼體中。覆蓋位于其后的、軟的去耦合的保護膜本身大多傳遞不可忽視的固體聲含量。因此如以前一樣存在對阻尼材料的需求，阻尼材料能夠引起超聲波換能器的改善的固體聲去耦合。
技術實現思路
相應地提出一種超聲波換能器和一種用于制造超聲波換能器的方法，它避免已知的超聲波換能器的上述缺點。本專利技術的貢獻尤其是：實現了對超聲波換能器的改進的阻尼，其方式是固體聲含量盡管不一定在其振幅方面、但是在其發射時間間隔方面被限制，使得它在用于真正的有效信號的接收時間間隔開始時已經被衰減。由此能夠實現對超聲波傳播時間的更精確的測量和由此又實現更精確的流量測量。對于在流量測量中的使用變換地或附加地，按照本專利技術的超聲波換能器但是也可以用于很多其它的用途，例如上述用途中的一個或多個。所提出的超聲波換能器尤其是由于突出的阻尼特性允許用在具有至少兩個超聲波換能器的裝置中，這些超聲波換能器相互交替地作用。但是原則上也可實現其它的布置。提出一種用于在流體介質、尤其是氣體和/或液體中使用的超聲波換能器。它包括至少一個殼體和至少一個至少部分地接收在殼體中的換能器芯。殼體在此應理解為一個結構，它具有至少一個至少部分封閉或也可能部分打開的內室，例如空室。殼體可以例如套筒狀地構成，尤其是至少基本上旋轉對稱地構成。殼體可以尤其是實現以下任務，即給容納在殼體的內室中的超聲波換能器部件提供相對于機械和/或化學影響的保護。殼體可以例如由塑料和/或金屬材料制成。但是原則上也可實現陶瓷殼體。換能器芯包括至少一個聲電換能器元件。聲電換能器元件在此應理解為一個元件，它被設置用于將聲學信號（例如超聲波）轉換為電信號和/或反之亦然。聲電換能器元件尤其可以是至少一個壓電換能器元件，例如壓電陶瓷，優選具有兩個或多個電極。但是原則上可想到其它的設計方案。換能器芯還可以包括至少一個阻抗匹配體，例如至少一個阻抗匹配層，例如在上述現有技術中描述的阻抗匹配層。阻抗匹配層優選具有位于聲電換能器元件的聲學阻抗和流體介質的聲學阻抗之間的聲學阻抗，理想地在這些聲學阻抗的幾何平均上。此外可以在換能器芯中設置其它元件，例如一個或多個熱匹配層，它們例如被設置用于使聲電換能器元件的膨脹系數與阻抗匹配層或一般阻抗匹配體的膨脹系數相匹配。也已知這樣的結構。因此換能器芯例如可以具有多部件式的結構，具有聲電換能器元件和在其面向流體介質的側上具有可選的阻抗匹配體以及還可選地在阻抗匹配體與聲電換能器元件之間具有至少一個熱匹配體。下面還要詳細地描述例子。在殼體中還接收至少一個阻尼材料。阻尼材料可以例如形成至少一個阻尼元件或形成這樣的阻尼元件的組成部分。阻尼材料可以例如徑向地包圍聲電換能器元件和/或換能器芯。阻尼材料也可以在換能器芯和/或聲電換能器元件的背對流體介質的一側上被接收。尤其是阻尼材料應當優選直接在至少一個部位上與聲電換能器元件接觸。尤其是阻尼材料可以被接收在聲電換能器元件和/或換能器芯與殼體之間，例如在殼體和換能器芯之間的中間空間中。不同的設計方案在下面詳細地被描述。阻尼材料包括至少一個基體材料，例如優選形成整個阻尼材料的主要份額并且可以例如形成均勻的基體的材料。尤其是基體材料可以包括至少一個塑料，優選熱固性塑料和/或彈性體材料。變換地或附加地，但是原則上也可以想到使用熱塑性材料。基體材料可以尤其是被這樣地設計，使得它基本上引起阻尼材料和/或由阻尼材料形成的阻尼體的粘合，其方式是它例如作為阻尼材料的其余成分之間的粘合劑作用。阻尼材料還包括至少一個加入、例如混入基體材料中的第一填充材料和至少一個加入、尤其是混入基體材料中的第二填充材料。這些填充材料可以尤其是以顆粒形式存在，從而例如填充材料的顆粒彼此優選不接觸，而是通過基體材料引起粘合。填充材料可以尤其是在基體材料中基本上均勻分布，例如散開。除了使用兩個不同的填充本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.05.25 DE 102010029283.41.用于在流體介質中的使用的超聲波換能器(114)，包括至少一個殼體(122)和至少一個至少部分地接收在殼體(122)中的換能器芯(134)，其中，所述換能器芯(134)包括至少一個聲電換能器元件(136)，其中，在所述殼體(122)中還接收至少一個阻尼材料(142)，所述阻尼材料(142)具有至少一個基體材料(170)和至少一個加入到基體材料(170)中的第一填充材料(172)和至少一個加入到基體材料(170)中的第二填充材料(174)，所述第一填充材料(172)具有比基體材料(170)低的比重并且所述第二填充材料(174)具有比基體材料(170)高的比重，其中所述基體材料(170)包括硅樹脂材料，其中所述第一填充材料(172)包括空心體，其中所述第二填充材料(174)包括鎢，所述空心體為塑料空心體。2.根據權利要求1所述的超聲波換能器(114)，其中，所述基體材料(170)在未時效硬化的狀態中具有以下特性中的一個或多個：至少200mPas的粘度；觸變特性。3.根據權利要求1所述的超聲波換能器(114)，其中，所述基體材料(170)在未時效硬化的狀態中具有以下特性中的一個或多個：至少500mPas的粘度；觸變特性。4.根據以上權利要求之一所述的超聲波換能器(114)，其中，所述塑料空心體是填充氣體的塑料空心體。5.根據權利要求1或2所述的超聲波換能器(114)，其中，所述第一填充材料(172)具有在正常條件下最大200微米的大小的顆粒。6.根據權利要求5所述的超聲波換能器(114)，其中，所述第一填充材料(172)具有在正常條件下最大100微米的大小的顆粒。7.根據權利要求5所述的超聲波換能器(114)，其中，所述第一填充材料(172)具有在正常條件下最大20微米的大小的顆粒。8.根據權利要求5所述的超聲波換能器(114)，其中，所述第一填充材料(172)具有在正常條件下小于20微米的大小的顆粒。9.根據權利要求1或2所述的超聲波換能器(114)，其中，所述第一填充材料(172)具有不超過1.0g/cm3的比重。10.根據權利要求9所述的超聲波換能器(114)，其中，所述第一填充材料(172)具有不超過0.5g/cm3的比重。11.根據權利要求9所述的超聲波換能器(114)，其中，所述第一填充材料(172)具有不超過0.1g/cm3的比重。12.根據權利要求9所述的超聲波換能器(114)，其中，所述第一填充材料(172)具有不超過0.08g/cm3的比重。13.根據權利要求1或2所述的超聲波換能器(114)，其中，所述第一填充材料(172)具有所述阻尼材料(142)的至少0.05％的重量百分比。14....

【專利技術屬性】
技術研發人員：T·朗，
申請(專利權)人：羅伯特·博世有限公司，
類型：
國別省市：