[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及一种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。

背景技术

本发明涉及超声波转换器，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外，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。