用于在流体介质中使用的超声波换能器制造技术

本发明专利技术涉及一种用于在流体介质中使用的超声波换能器（１１０）。该超声波换能器（１１０）包括至少一个压电式换能器元件（１１２）以及至少一个适配体（１１６），所述适配体用于改善压电式换能器元件（１１２）和流体介质之间的振动耦合。该超声波换能器（１１０）还包括至少一个在压电式换能器元件（１１２）和适配体（１１６）之间置入的平衡体（１１８），特别是至少一个中间层，用于减小热应力，其中，该平衡体（１１８）具有热膨胀系数（ＣＴＥ中间），该热膨胀系数处于压电式换能器元件（１１２）的热膨胀系数（ＣＴＥ压电）和适配体（１１６）的热膨胀系数（ＣＴＥ适配）之间。该平衡体（１１８）具有至少一种均匀的和／或宏观上至少很大程度各向同性的材料，特别是混合材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及已知的换能器，它们例如可以在运动技术或汽车领域中用在超声波流量计中、特别是在内燃机的吸气行程和/或排气行程中用于测量体积流或质量流。在此典型地使用这样的超声波换能器，它们不仅可以发射超声波到流体介质(气体和/或液体) 中而且也可以接收超声波。常见的是超声波信号通过流动的流体介质从一个发射器传输到一个接收器并且在此测量超声波信号的渡越时间、渡越时间差或相位或者也测量这些测量值的组合。这些信号受到流体介质的流动的影响。从渡越时间的影响程度能够推导出流体介质的流动速度。在DE 10 2007 010 500 Al中描述了这种超声波换能器的一个例子，该超声波换能器例如可以用在超声波流量计中。那里描述的设计也可以在本专利技术范围内根据本专利技术修改。借助这种超声波换能器能够例如导出在内燃机的系统控制内部的空气量信号。
技术介绍
在常见的超声波换能器中通常使用压电式换能器元件，但这些换能器元件相对于周围的流体介质具有高的声学阻抗差异，例如相差6X IO5倍。由于该高的阻抗差异，通常 99. 9995%的超声波能量在从压电换能器元件到流体介质的路径上在相应的边界面上被反射并且不可用于测量。同样的反射损失还在进行接收的第二压电换能器元件上出现，该第二压电换能器元件也可以与第一换能器元件一样。为了改进压电换能器元件和流体介质之间的声学耦合，通常使用用于阻抗适配的措施。例如由现有技术如DE 10 2007 010 500 Al 中已知超声波换能器，其中，在压电换能器元件和流体介质之间引入一个或者多个适配体， 特别是适配层，用于阻抗适配。这些适配体具有处于压电元件的声学阻抗和流体介质的声学阻抗之间的声学阻抗。因此能够使用薄膜或λ/4层，在其上粘接通常薄的压电元件。在已知超声波换能器中，一个特别的技术挑战在于适配体和压电换能器元件之间的连接。特别是在连接区域中在温度剧变时会发生损坏，这些损坏要归因于不同的热膨胀系数。热膨胀系数通常被称为CTE (coefficient of Thermal Expansion)并且以ppm/k或者以10_6/k说明单位温度变化的相对长度变化。例如许多适配体的热膨胀系数典型地高于30ppm/k，而大多数塑料和粘结剂具有高得多的热膨胀系数。相反，典型的压电陶瓷位于 7ppm/k的范围内。但同时压电陶瓷由于微裂纹形成或退极化而通常对机械应力、特别是拉应力和/或剪应力反应极其敏感。这样的应力基于早些缓慢的应力松弛而特别是在快速温度剧变(TSW)时出现。压电陶瓷的这种机械老化通常还由于可能存在的纯热负荷或纯电负荷而大大加强。为了在温度剧变时保护压电换能器元件，例如可以使用柔性化的粘结剂。这种柔性化的粘结剂、即自身或者通过引入相应的添加剂和/或填料而具有足够柔性的粘结剂， 可以补偿上面所描述的由于适配体和压电陶瓷的不同膨胀而引起的应力。以这样的方式可以保证超声波换能器的足够的温度剧变稳定性。但这种柔性化的粘结剂通常在较高温度下是如此柔性，以致它们不再能促成压电换能器元件和适配体之间的足够的声学耦合。而非柔性的粘结剂虽然导致超声波换能器的较大的使用温度范围，但相反使得超声波换能器对3温度剧变更敏感。即，在适配体和压电换能器元件的耦合方面，存在在宽的温度范围上的良好声学耦合与相对于温度剧变的高稳定性之间的目标冲突。
技术实现思路
为了解决上面所描述的问题，提出一种用在流体介质中的超声波换能器。在此对于超声波换能器一般性地理解为一个元件，该元件能够将电信号转变成超声波信号和/或相反。所提出的超声波换能器特别是如上面所描绘地能够用在超声波流量计中，特别是在车辆领域中，用于测量流体介质特别是气体特别是空气的速度、质量流、体积流、流量率或其它流体力学参量。但其它的使用领域原则上也是可行的。所提出的超声波换能器具有至少一个压电式换能器元件以及至少一个适配体、特别是至少一个适配层，用于有利于压电式换能器元件和流体介质之间的振动耦合。在此，压电式换能器元件的概念可以宽泛地理解并且包含例如电-声学换能器，这些换能器可以根据铁电效应、静电效应、磁致伸缩效应、磁电效应或这些效应的组合来工作。该适配体如上面提及的那样用于改进超声波换能器和流体介质之间的耦合。因此该适配体应当具有至少一种具有阻抗的材料，该阻抗处于压电式换能器元件、例如压电陶瓷的阻抗和流体、例如空气的阻抗之间。对于该至少一个适配体、例如至少一个适配层的材料选择以及该适配体、例如适配层的其它构型，可以例如参考上面引用的DE 10 2007 010 500 Al和那里所描述的材料。为了解决上面描述的目标冲突，提出，在压电式换能器元件和适配体之间引入至少一个平衡体，用于减小热应力。该平衡体也可以例如以至少一个中间层的形式构型和/ 或包括一这种中间层。在此提出，该平衡体如此构型，以致该平衡体的热膨胀系数CTEtra 处于压电式换能器元件的热膨胀系数CTEffi^*适配体的热膨胀系数CTEss之间。在此，平衡体原则上也可以具有多个具有不同热膨胀系数的元件(例如层)。也可以考虑平衡体上的热膨胀系数连续的或不连续的改变，例如呈热膨胀系数梯度的形式。如果在平衡体中存在多个热膨胀系数，所述条件应当适用于平衡体的这些热膨胀系数中的至少一个，优选适用于所有的热膨胀系数。替换地或者附加地，所述条件例如也可以适用于热膨胀系数的平均值和/或适用于平衡体的最大和/或最小热膨胀系数。在此优选，该热膨胀系数CTEtra 与压电式换能器元件的热膨胀系数比与适配体的热膨胀系数接近，特别是明显更接近。换句话说，提出，优选平衡体的热膨胀系数CTE 和压电式换能器元件的热膨胀系数 CTEffi^之间的差小于、即在量值上小于适配体的热膨胀系数CTEsg^n平衡体的热膨胀系数 CTEtra之间的差。该平衡体如此构型，使得该平衡体具有至少一种均勻的和/或宏观上至少很大程度各向同性的材料，特别是混合材料。在此属于“具有”的不仅有这种情况除了该材料外还包含其它材质，而且有这种情况平衡体完全由一种这样的材料组成。在此，对于均勻的或宏观上至少很大程度各向同性的材料，理解为一种材料，该材料例如与宏观取向的材料如纤维材料相反。在此，应当至少在一维上、优选在两维或者甚至三维上，至少在大于200 μ m、 特别是大于100 μ m的尺度上基本不存在可识别的不均勻性和/或各向异性，例如取向性， 优选在更小的尺度上，例如在小于50 μ m的尺度上。在此可以不考虑单个的、无意的以及统计学上出现的不均勻性，例如缩孔和/或脏污。因为常见的压电陶瓷具有典型地小于10ppm/k的热膨胀系数，例如在7ppm/k范围内，所以特别优选的是，平衡体的热膨胀系数CTE Φι ]在小于20ppm/k的范围内选择，优选在小于15ppm/k的范围内。适配体例如可以具有大于20ppm/k、特别是大于30ppm/k的热膨胀系数。由于在适配体和压电式换能器元件之间加入平衡体，也在可用于适配体的材料方面确保了较高的自由度。此外，例如与纤维材料相反，平衡体也可以具有比通常使用的层更大的层厚。因此平衡体例如可以具有至少达0. 5mm的层厚，即在压电式换能器元件和适配体之间的连接轴线上的尺寸。优选较大的层厚，例如至少1. Omm，特别优选至少1. 5mm或者更本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．用于在流体介质中使用的超声波换能器（１１０），包括至少一个压电式换能器元件（１１２）以及至少一个适配体（１１６），所述适配体用于改善压电式换能器元件（１１２）和流体介质之间的振动耦合，该超声波换能器还包括至少一个在压电式换能器元件（１１２）和适配体（１１６）之间置入的平衡体（１１８），特别是至少一个中间层，所述平衡体用于减小热应力，其中，该平衡体（１１８）具有热膨胀系数（ＣＴＥ中间），该热膨胀系数处于压电式换能器元件（１１２）的热膨胀系数（ＣＴＥ压电）和适配体（１１６）的热膨胀系数（ＣＴＥ适配）之间，其中，该平衡体（１１８）具有至少一种均匀的和／或宏观上至少很大程度各向同性的材料，特别是混合材料。

【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：R·米勒，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：DE