用于制造具有嵌入式压电转换器元件的超声波转换器芯的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于制造超声波转换器芯(2)的方法，所述超声波转换器芯包括：至少一个压电转换器元件(4)；至少一个适应体(8)，所述适应体促进所述压电转换器(4)与周围介质之间的振动耦合；至少一个温度膨胀补偿体(6)；所述方法具有以下步骤：将所述压电转换器元件(4)放入到成型模具中；将所述适应体放入到所述成型模具中；将模制质量引入到所述成型模具中，从而使所述模制质量与所述适应体(8)以及与所述压电转换器元件(4)实现力锁合连接、化学键合和/或形状锁合连接；并且使所述模制质量硬化以构造所述温度膨胀补偿体(6)。此外，本发明专利技术涉及一种超声波转换器芯(2)，该超声波转换器芯特别根据所述方法制造。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术涉及一种用于制造超声波转换器芯(2)的方法，所述超声波转换器芯包括：至少一个压电转换器元件(4)；至少一个适应体(8)，所述适应体促进所述压电转换器(4)与周围介质之间的振动耦合；至少一个温度膨胀补偿体(6)；所述方法具有以下步骤：将所述压电转换器元件(4)放入到成型模具中；将所述适应体放入到所述成型模具中；将模制质量引入到所述成型模具中，从而使所述模制质量与所述适应体(8)以及与所述压电转换器元件(4)实现力锁合连接、化学键合和/或形状锁合连接；并且使所述模制质量硬化以构造所述温度膨胀补偿体(6)。此外，本专利技术涉及一种超声波转换器芯(2)，该超声波转换器芯特别根据所述方法制造。【专利说明】用于制造具有嵌入式压电转换器元件的超声波转换器芯的 方法
本专利技术涉及一种具有根据权利要求1的前序部分所述的特征的用于制造超声波 转换器芯的方法以及一种超声波转换器芯。
技术介绍
本专利技术涉及超声波转换器，超声波转换器例如在方法技术方面或者在汽车领域方 面（特别是内燃机的进气和/或排气装置方面用于体积流测量或者质量流测量）作为流量 计使用；或者作为环境传感器使用，特别是在车辆的保险杠的前部和/或后部中，例如用于 泊车辅助系统和/或防碰撞系统。在此使用典型的超声波转换器：所述超声波转换器不仅 能向流体介质（例如空气、气体和/或液体）中发射超声波，而且能接收超声波。在此，超声 波信号通常通过流体介质从发射器传递至接收器或者从发射器传递到环境中并且检测位 于环境中的物体反射的超声波信号并且测量运行时间和/或运行时间差和/其它参量（例 如超声波信号的振幅和相位）。 许多已知的超声波流量计的缺点在于：至少在气体形式的介质的情况下在小的信 号行程中、也就是在运行时间变化很小的情况下，所述运行时间变化使得所述方法在流动 率很小的情况下经常非常容易漂移。这种缺陷也被称为"零流量错误"。 附加的困难是，由通常的超声波发生器（例如压电陶瓷）所产生的振动能量在耦 合到待测量的介质中时必须克服高的声学阻抗差。因此，通常约99. 9995%的声能量从压电 陶瓷至空气的路径中在相对应的边界面上被反射回来并且也不能用于测量。同样的反射损 失再一次出现在接收的第二转换器中，该第二转换器也能与第一转换器相同。 为了改善压电元件与待测量的流体之间的声学耦合，通常采用用于适应阻抗的措 施，然而这已经强烈地限制对于超声波转换器设计的可能方案。因此，为了适应阻抗，例如 可以应用膜片，将通常很薄的压电元件粘接到所述膜片上。然而，在这种情况下，转换器的 谐振频率与其说是通过压电元件自己确定的，倒不如说是通过膜片确定的。 已知其它类型的适应层，这些其它类型的适应层施加到压电元件上。然而，根据已 知原理的空气超声波转换器的大批量制造包含了耗费的且昂贵的过程步骤。尤其是在许多 情况下需要适应层的切削加工，该切削加工视材料种类而定会导致粗糙表面，该粗糙表面 使得声学上有利薄的且可重现的粘接变得困难。即使在无需切削加工的情况下（例如以铸 造/注射工艺）制造适应层时，也必须有单独的粘接工艺。 关于待使用的超声波频率和转换器信号方面的其它限制对于已知的超声波转换 器由物理效应（如流体中声场形成、吸收和扩散）得出。 除了设计限制之外，由应用于汽车发动机的吸气区域中的流动测量时常用的目标 公差可以得到这样的要求：所述超声波转换器的振荡的起振变化曲线至少在差分的运行时 间测量的意义中纯机械地总是近似完全相同，更确切地说，具有例如单个机械振动的约为 1/1000的精度。在此，在机械式起振变化曲线中，除了转换器基础设计和转换器几何形状之 夕卜，还着重涉及到内部材料特性和材料相互的连接。由此困难的是，在热力学流动测量时实 现或者甚至改善常用的公差。 也就是说，已知系统的缺点在于：这些系统通常强烈遭受设计方面的限制。此外， 已知超声波转换器的机械稳定性和信号质量以及功能公差在许多情况下具有进一步该善 的潜力，并且该制造是至少还是过于耗费且昂贵的。 由DE 10 2007 010 500 A1已知一种超声波转换器，该超声波转换器具有直接嵌 入式压电转换器元件，在该超声波转换器中，具有至少一种聚合材料的适应层在液态的或 者可变形的状态下与压电转换器元件相接触并且硬化。将压电转换器元件直接嵌入到适应 层中的缺点是：压电转换器元件与适应体在热膨胀系数方面有所区别，所述热膨胀系数尤 其在冷却和/或多次温度交变时给超声波转换器芯带来问题。例如，由聚合材料制成的适 应体具有如下特征：比压电陶瓷更强烈地膨胀并且也更强烈地回缩，并且因此产生不允许 的高的塑性的延展或应力，并且必要时可使适应体从压电转换器元件中突起。实际中，例如 可能确定适应体上的裂纹以及所述适应体与所述压电转换器元件之间的裂缝。这种裂缝可 能会导致所述超声波传感器上的彻底损坏，因为由于需要克服的大的声学阻抗的原因几乎 没有可用于测量的信号。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，超声波转换器芯包括：至少一个压电转换器元件；至少 一个适应体，该适应体促进压电转换器元件与周围介质之间的振动耦合。在此设置了，所述 超声波转换器芯具有至少一个温度膨胀补偿体，该温度膨胀补偿体与所述压电转换器元件 具有至少一个共同的边界面并且与所述适应体具有至少一个共同的边界面。 因此，本专利技术提供一种超声波转换器，该超声波转换器应用于流体介质的流动测 量、特别是应用于机动车领域中的吸气装置中和/或排气装置中和/或废气回流装置中和 /或内燃机的涡轮增压器之后或者作为环境传感器应用、尤其适用于车辆保险杠的前部和 /或后部中。本专利技术主要基于这样的认识：已知系统关于已知系统的上述缺点方面的改善 能够特别是通过超声波转换器内部的、特别是压电元件与适应阻抗件之间的连接部位中的 经优化的结构和连接技术的改善来实现。 在此，压电转换器元件的概念可以广泛地理解并且包括例如电-声转换器，所述 电-声转换器根据静电效应、磁致伸缩效应、压电效应或者这些效应的组合来工作。在下文 中，压电转换器元件也缩写为压电元件。 所述适应体具有至少一个适应层，所述适应层促进所述压电转换器元件与周围流 体介质之间的振动耦合。所述适应层包括例如聚合材料，其中，聚合材料通过以下连接方 式之一与所述温度膨胀补偿体连接：力锁合连接，其中，力锁合通过所述温度膨胀补偿体造 成；形状锁合连接，其中，形状锁合通过所述温度膨胀补偿体造成；直接地（即没有粘接材 料的介入）在温度膨胀补偿体的表面与适应体的表面之间黏着性和/或粘接性的连接。 本专利技术的主要优点在于：所述适应体在与超声波转换器接合之后通过另一连接元 件或另一种连接材料构建了与压电转换器的连接。所述连接优选为机械稳定的并且由此改 善了超声波信号到周围流体介质（例如液体、气体或者混合物）中的耦合。 本专利技术的主要优点在于：适应体和压电转换器元件通过温度膨胀补偿体相互耦 合。特别优选的是，在应用于适应体的材料与应用于压电转换器元件的材料之间的热膨胀 因数方面的差异对超声波转换器芯的耐久性造成很小的影响。由此，相较于之前，在给适应 体选择适当的材料时能够更多地考虑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造超声波转换器芯(2)的方法，所述超声波转换器芯包括：至少一个压电转换器元件(4)；至少一个适应体(8)，所述适应体促进所述压电转换器(4)与周围介质之间的振动耦合；至少一个温度膨胀补偿体(6)；所述方法具有以下步骤：‑将所述压电转换器元件(4)放入到成型模具中；‑将所述适应体(8)放入到所述成型模具中；‑将模制质量引入到所述成型模具中，从而使所述模制质量与所述适应体(8)以及与所述压电转换器元件(4)实现力锁合连接、化学键合和/或形状锁合连接；并且‑使所述模制质量硬化以构造所述温度膨胀补偿体(6)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·瓦尔特，H·劳施，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE