厚度模式传感器和相关设备及方法技术

提供了传感器，包括：压电块，其具有相对的第一表面和第二表面；在压电块的第一表面上的非压电的第一层，第一层包括具有第一厚度的低密度材料；以及在压电块的第二表面上的非压电的第二层，第二层包括具有第二厚度的高密度材料，第二厚度不同于第一厚度并且是第一厚度的至少两倍。还提供了相关的设备和方法。

Thickness Mode Sensor and Related Equipment and Method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】厚度模式传感器和相关设备及方法相关申请的交叉引用本申请与2016年12月9日提交的名称为“Thickness-PlanarModeTransducersandRelatedDevices”的美国申请序列号15/374,129(代理案卷号170084-00004)相关，其公开内容以引用的方式以其整体并入到本文中，如同在本文中进行阐述一样。
本专利技术构思总体上涉及传感器，并且更具体地，涉及超声波传感器以及相关的方法和设备。
技术介绍
超声波传感器优选包括小的但尺寸精确的压电元件，以便以低材料成本提供高度的部件间可重复性。常规设备通常包括圆柱形压电元件，其具有限定压电元件的谐振频率的厚度。在这些设备中，例如，当在170kHz下操作时，元件厚度可以是大约7.0mm，以及当在400kHz下操作时，元件厚度可以是大约3.0mm。然而，制造这种尺寸和形状的精确尺寸的压电圆柱体可能非常昂贵，因为圆柱体面必须在烧制后加工。此外，常规设备通常使用焊接导线提供与压电元件的电连接。然而，焊料可能是不可靠的，并且由于焊料的质量和放置没有得到严格控制，所以可能导致部件之间的可变性增加，并且可能对传感器振动性能产生显著影响。随着压电元件尺寸的减小，这些问题通常变得更加严重。
技术实现思路
本专利技术构思的一些实施例提供了传感器，包括：压电块，其具有相对的第一表面和第二表面；在压电块的第一表面上的非压电的第一层，第一层包括具有第一厚度的低密度材料；以及，在压电块的第二表面上的非压电的第二层，第二层包括具有第二厚度的高密度材料，第二厚度不同于第一厚度并且是第一厚度的至少两倍。在另外的实施例中，低密度材料可以是铝，并且高密度材料可以是钢和黄铜中的一种。第一层可以是传感器的前层，并且可以具有大约1.00mm到大约2.00mm的厚度。第二层可以是传感器的后层，并且可以具有大约2.0mm到大约5.0mm的厚度。在本专利技术构思的其它实施例中，压电块可以是软PZT材料，其选自P5A级材料和P5H级材料中的一种，并且可以具有大约1.00mm到大约3.00mm的厚度。在一些实施例中，传感器的谐振频率可以是大约167kHz，并且第一层的尺寸可以是7×7×1.5mm；第二层的尺寸可以是7×7×4，并且压电块的尺寸可以是5×5×3。在另外的实施例中，传感器的谐振频率可以是大约167kHz，并且第一层的尺寸可以是7×7×2mm；第二层的尺寸可以是7×7×5mm，并且压电块的尺寸可以是5×5×2.39mm。在又一些实施例中，传感器的谐振频率可以大约为400kHz，并且第一层的尺寸可以是5×5×1mm；第二层的尺寸可以是5×5×2mm，并且压电块的尺寸可以是4×4×1mm。在一些实施例中，可以使用粘合剂将第一层和第二层分别耦合到压电块的第一表面和第二表面。压电块与第一层和第二层之间的电接触可以使用粘合剂获得，而无需焊接在压电块与第一层和第二层之间的导线。在另外的实施例中，传感器可以是配置用于燃气表、水表和热量表之一的超声波传感器。在又一些实施例中，传感器可以进一步包括在第一层的与压电块相对的表面上的声学匹配层。本专利技术构思的一些实施例提供了一种包括至少一个传感器的电子设备。该至少一个传感器包括：压电块，其具有相对的第一表面和第二表面；在压电块的第一表面上的非压电的第一层，第一层包括具有第一厚度的低密度材料；以及在压电块的第二表面上的非压电的第二层，第二层包括具有第二厚度的高密度材料，第二厚度不同于第一厚度并且是第一厚度的至少两倍。本专利技术构思的又一些实施例提供了制造传感器的方法，包括提供具有第一表面和第二表面的压电块，第一表面与第二表面间隔开并相对；使用粘合剂将包括低密度材料的非压电的第一层粘结到压电块的第一表面；使用粘合剂将包括高密度材料的非压电的第二层粘结到压电块的第二表面，以提供粘结的结构；以及固化粘结的结构。在又一些实施例中，可以在粘结第一层之前提供包括低密度材料并具有第一厚度的第一层。在粘结第二层之前，可以提供包括高密度材料并具有第二厚度的第二层，第二厚度不同于第一厚度并且是第一厚度的至少两倍。在一些实施例中，提供第一层可以包括提供包含铝的第一层，并且提供第二层可以包括提供包含钢和黄铜之一的第二层。在又一些实施例中，第一层可以是传感器的前层，并且可以具有大约1.00mm到大约2.00mm的厚度。第二层可以是传感器的后层，并且可以具有大约2.0mm到大约5.0mm的厚度。压电块可以具有大约1.00mm到大约3.00mm的厚度。在另一些实施例中，压电块与第一层和第二层之间的电接触可以使用粘合剂来提供，而无需焊接在压电块与第一层和第二层之间的导线。在一些实施例中，该方法还包括：固化粘结的结构包括在腔室中在热和压力下固化粘结的结构。附图说明图1是示出根据本专利技术构思的一些实施例的传感器的图。图2是示出根据本专利技术构思的一些实施例的传感器制造中的处理步骤的流程图。图3A是示出根据本专利技术构思的一些实施例制造的低频传感器的图片。图3B是示出根据本专利技术构思的一些实施例制造的高频传感器和低频传感器的图片。图4A和4B是示出根据本专利技术构思的一些实施例的厚度模式传感器的振荡模式的有限元分析的图。图5是示出根据本专利技术构思的一些实施例的高频传感器的电阻抗谱的曲线图。图6是示出根据本专利技术构思的一些实施例的低频传感器的电阻抗谱的曲线图。图7是示出根据本专利技术构思的一些实施例的激光振动计测试结果的曲线图。图8是示出包括根据本专利技术构思的实施例的传感器的示例燃气表的框图。具体实施方式下面将参考附图更全面地描述本专利技术的构思，附图中示出了本专利技术构思的实施例。然而，本专利技术构思可以以多种替代形式实施，并且不应该被解释为局限于这里阐述的实施例。因此，虽然本专利技术构思易于进行各种修改和具有各种替代形式，但是其具体实施例在附图中以示例的方式示出，并且将在这里详细描述。然而，应该理解的是，并不意图将本专利技术构思限制于所公开的特定形式，而是相反，本专利技术构思将覆盖落入权利要求所定义的本专利技术构思的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。贯穿附图的描述，相同的附图标记指代相同的元件。这里使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例，而不是意图限制本专利技术的构思。如这里所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还应当理解，术语“包含”、“含有”、“包括”和/或“具有”当在本说明书中使用时，指定所叙述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。此外，当一个元件被称为“响应于”或“连接到”到另一个元件时，它可以直接响应于或连接到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接响应于”或“直接连接到”到另一个元件时，不存在中间元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合，并可以缩写为“/”。除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本专利技术构思所属领域的普通技术人员通常理解相同的含义。还应该理解，这里使用的术语应该被解释为具有与其在本说明书和相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且除非这里明确这样定义，否则不会被解释为理想化或过于正式的含义。应该理解，尽管术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种传感器，包括:压电块，其具有相对的第一表面和第二表面；在所述压电块的第一表面上的非压电的第一层，所述第一层包括具有第一厚度的低密度材料；和在压电块的第二表面上的非压电的第二层，所述第二层包括具有第二厚度的高密度材料，所述第二厚度不同于所述第一厚度并且是所述第一厚度的至少两倍。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.09 US 15/3740441.一种传感器，包括:压电块，其具有相对的第一表面和第二表面；在所述压电块的第一表面上的非压电的第一层，所述第一层包括具有第一厚度的低密度材料；和在压电块的第二表面上的非压电的第二层，所述第二层包括具有第二厚度的高密度材料，所述第二厚度不同于所述第一厚度并且是所述第一厚度的至少两倍。2.根据权利要求1所述的传感器:其中所述低密度材料包括铝；和其中所述高密度材料包括钢和黄铜中的一种。3.根据权利要求2所述的传感器:其中所述第一层是传感器的前层，并且具有大约1.00mm到大约2.00mm的厚度；和其中所述第二层是传感器的后层，并且具有大约2.0mm到大约5.0mm的厚度。4.根据权利要求1所述的传感器，其中所述压电块包括软PZT材料，选自P5A级材料和P5H级材料中的一种，并且其中所述压电块具有大约1.00mm到大约3.00mm的厚度。5.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器的谐振频率大约为167kHz，并且所述第一层的尺寸为7×7×1.5mm；第二层的尺寸为7×7×4；以及所述压电块的尺寸为5×5×3。6.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器的谐振频率大约为167kHz，并且所述第一层的尺寸为7×7×2mm；所述第二层的尺寸为7×7×5mm；以及所述压电块的尺寸为5×5×2.39mm。7.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器的谐振频率大约为400kHz，并且所述第一层的尺寸为5×5×1mm；第二层的尺寸为5×5×2mm；以及所述压电块的尺寸是4×4×1mm。8.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一层和所述第二层使用粘合剂分别耦合到所述压电块的第一表面和第二表面。9.根据权利要求8所述的传感器，其中所述压电块与第一层和第二层之间的电接触是使用所述粘合剂获得的，而无需焊接在所述压电块与第一层和第二层之间的导线。10.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器是配置用于燃气表、水表和热量表之一的超声波传感器。11.根据权利要求1所述的传感器，还包括在所述第一层的与所述压电块相对的表面上的声学匹配层。12.一种电子设备，包括:至少一个传感器，所述至少一个传感器包括:压电块，其具有相对的第一表面和第二表面；在所述压电块的第一表面上的非压电的第一层，所述第一层包括具有第一厚度的低密度材料；和在所述压电块的第二表面上的非压电的第二层，所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：JR巴克兰，
申请(专利权)人：申舒斯美国有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US