專利名稱：微型超聲波傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種超聲波傳感技術(shù)，具體地說，涉及的是一種微型超聲波傳感 器。
背景技術(shù)：
眾所周知，在非接觸式檢測(cè)物體厚度的技術(shù)領(lǐng)域中，超聲波測(cè)厚具有獨(dú)特的技術(shù) 優(yōu)勢(shì)，這是微波和射線等非接觸式測(cè)厚技術(shù)所無法比擬的，因?yàn)槌曅盘?hào)對(duì)周圍環(huán)境不會(huì) 產(chǎn)生污染，而且控制超聲波發(fā)射功率在安全范圍時(shí)，超聲波對(duì)人體不會(huì)產(chǎn)生任何危害。隨著 社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展，超聲波技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，然而，現(xiàn)有的超聲波傳感器體積 較大，卻無法適應(yīng)小型精密儀器中的特殊需求，因此就需要發(fā)明一種具有體積小、工作功率 達(dá)到檢測(cè)要求的、能夠適合安裝于小型儀器內(nèi)部有限空間的微型超聲波傳感器。特別是要 發(fā)明一款能夠滿足紙幣清分機(jī)在檢測(cè)紙幣厚度技術(shù)需要的微型超聲波傳感器，這是因?yàn)榧?幣清分機(jī)需要配置的傳感器的種類與數(shù)量繁多，安裝空間極為有限，還要考慮傳感器相互 之間信號(hào)互不干擾的緣故。 經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，申請(qǐng)?zhí)枮?00920135475. 6的中國實(shí)用新型專利， 專利名稱為一種壓電超聲波發(fā)射器，該專利提供一種壓電超聲波發(fā)射器，屬于能夠發(fā)出超 聲波，可用于驅(qū)趕蚊蟲、老鼠的一種裝置。該實(shí)用新型包括振動(dòng)系統(tǒng)、耦合端頭、超聲波產(chǎn)生 系統(tǒng)、泡棉、殼體和電纜柱，振動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)耦合端頭和超聲波產(chǎn)生系統(tǒng)連接在一起，振動(dòng)系統(tǒng) 和殼體裝配在一起，超聲波產(chǎn)生系統(tǒng)和泡棉裝配在殼體內(nèi)，泡棉設(shè)計(jì)在超聲波產(chǎn)生系統(tǒng)和 殼體之間，電纜柱設(shè)計(jì)在殼體上；振動(dòng)系統(tǒng)可以是一錐形紙盆；超聲波產(chǎn)生系統(tǒng)由圓形陶 瓷雙壓電片和金屬基板粘接而成，從圓形陶瓷雙壓電片和金屬基板引出正負(fù)極導(dǎo)線連接電 纜柱。該專利技術(shù)的不足之處在于第一、由"超聲波產(chǎn)生系統(tǒng)"通過"耦合端頭"帶動(dòng)"振 動(dòng)系統(tǒng)"來產(chǎn)生超聲波發(fā)出，機(jī)械機(jī)構(gòu)過于繁瑣，工作可靠性較差；第二、"振動(dòng)系統(tǒng)"實(shí)際上 是一"錐形紙盆"，除了體積無法小型化外，波形參數(shù)(包括振幅和頻率)也極不穩(wěn)定；第三、 該專利中的"振動(dòng)系統(tǒng)"實(shí)質(zhì)上就是通常壓電喇叭的變形，因此根本不能作為超聲波檢測(cè)技 術(shù)領(lǐng)域中的超聲波信號(hào)源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種微型超聲波傳感器，使其能
夠安裝于多類小型精密儀器用于非接觸式測(cè)厚、探傷、微循環(huán)流體測(cè)速等技術(shù)用途。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括壓電晶片、電極導(dǎo)線、超聲波反
射圓錐面、叉式支架、殼體、電極引腳。所述壓電晶片又稱薄膜壓電陶瓷，斜置于超聲波反射
圓錐面中間，壓電晶片的底邊兩角點(diǎn)固定在超聲波反射圓錐面上，壓電晶片的頂邊兩角點(diǎn)
固定在叉式支架的兩點(diǎn)；叉式支架四個(gè)支點(diǎn)中的上兩個(gè)支點(diǎn)固定在超聲波反射圓錐面頂部
"喇叭口"的圓周上，下兩個(gè)支點(diǎn)固定在超聲波反射圓錐面的錐面上；超聲波反射圓錐面的
底部"錐尖"與殼體的底部固定連接，超聲波反射圓錐面頂部"喇叭口"的圓周與殼體的頂部固定連接；兩根電極引腳穿過殼體底部固定，處于殼體內(nèi)部的兩個(gè)端頭穿透超聲波反射 圓錐面錐面裸露其金屬表面與電極導(dǎo)線焊接；兩根電極引腳外露殼體底部的兩個(gè)端點(diǎn)必須 保留一定長(zhǎng)度以便與外部超聲頻率電信號(hào)發(fā)生電路或接收信號(hào)放大電路連接，即起著輸入 /輸出信號(hào)接口插頭的作用；電極導(dǎo)線共兩根，一頭分別與壓電晶片的兩面焊點(diǎn)焊接，另一 頭分別與電極引腳穿透超聲波反射圓錐面的兩個(gè)端點(diǎn)焊接。 所述壓電晶片，是一種具有壓電效應(yīng)的晶體，通過切割工藝將其制作成片狀體，故 稱之為壓電晶片。壓電晶片的壓電效應(yīng)分正壓電效應(yīng)和負(fù)壓電效應(yīng)兩種。正壓電效應(yīng)是 指當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在其兩個(gè)表面上產(chǎn) 生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)， 電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。逆壓電效應(yīng)是指 對(duì)晶體施加交變電場(chǎng)引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應(yīng)，在壓電晶片的兩個(gè)表 面被通以電壓信號(hào)的情況下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變效應(yīng)，具體地說，當(dāng)該壓電晶片的兩面被分別 處于正、負(fù)兩種電位下，處于正電位作用下的表面會(huì)被拉伸，處于負(fù)電位作用下的表面會(huì)被 壓縮；當(dāng)正、負(fù)兩種電位輪番作用于壓電晶片的兩個(gè)表面時(shí)，該壓電晶片的兩個(gè)表面就會(huì)輪 番發(fā)生拉伸與壓縮效應(yīng)，因此引起了壓電晶片沿著其表面法線方向上的連續(xù)振動(dòng)；壓電晶 片的連續(xù)振動(dòng)帶動(dòng)了周圍空氣的振動(dòng)，形成一種振動(dòng)波向周邊傳播。當(dāng)加在壓電晶片兩個(gè) 表面的電信號(hào)為交變信號(hào)時(shí)，只要該交變信號(hào)的頻率與壓電晶片的固有振動(dòng)頻率一致或接 近時(shí)，就會(huì)使得壓電晶片發(fā)生共振現(xiàn)象，此時(shí)壓電晶片向外發(fā)射聲波信號(hào)的功率達(dá)到最大 值。 一般壓電晶片的厚度被控制在0.2mm以下，只要在制作工藝上控制好壓電晶片的長(zhǎng)、 寬、厚的尺寸大小，就能隨意制造出人們所需要的壓電晶片固有振動(dòng)頻率特性，比如40kHz。
所述超聲波反射圓錐面，用于改變超聲波發(fā)射方向，同時(shí)具有聚能效應(yīng)。因?yàn)閴弘?晶片斜置于超聲波反射圓錐面中間，當(dāng)壓電晶片在交變電壓信號(hào)的作用下而產(chǎn)生振動(dòng)效應(yīng) 時(shí)，所形成的超聲波的原始發(fā)射方向是經(jīng)過超聲波反射圓錐面反射后向外界空間傳播，適 當(dāng)設(shè)計(jì)壓電晶片的斜置角度就能確保經(jīng)超聲波反射圓錐面發(fā)射后的超聲波束始終沿著與 其中軸線平行的方向向外傳播。為了達(dá)到向外發(fā)射的超聲波束與圓錐面中軸線平行，必須 確保壓電晶片的斜置角度與超聲波反射圓錐面頂角的二分之一互余，即確保壓電晶片的斜 置角度與超聲波反射圓錐面頂角的二分之一相加為90。。所述壓電晶片的斜置角度，就是 壓電晶片平面與超聲波反射圓錐面的相交銳角，所謂相交銳角即錐線與中軸線所在平面與 壓電晶片平面和超聲波反射圓錐面分別相交后的兩根直線所構(gòu)成的銳角，該銳角角度的大 小就被稱為壓電晶片的斜置角度。 所述壓電晶片的斜置角度，因其與超聲波反射圓錐面頂角的二分之一存在互余關(guān) 系，當(dāng)本發(fā)明作為微型超聲波發(fā)射器使用時(shí)，顯現(xiàn)兩種能量效應(yīng)第一，壓電晶片正面產(chǎn)生 的振動(dòng)波經(jīng)超聲波反射圓錐面一次反射后，就使正面發(fā)射超聲波能量得到聚合而形成傳播 方向與中軸線平行的縱向波；第二，壓電晶片背面產(chǎn)生的振動(dòng)波經(jīng)超聲波反射圓錐面多次 反射后，就使背面發(fā)射超聲波能量逐漸被圓錐面表面所吸收，并在到達(dá)"喇叭口 "時(shí)已消耗 殆盡；綜合上述兩種能量效應(yīng)作用下，最終使得本發(fā)明作為微型超聲波發(fā)射器在加強(qiáng)壓電 晶片正面振動(dòng)波聚合作用的同時(shí)，還確保了原始振動(dòng)波中相位相差180°的壓電晶片正、背 面振動(dòng)波不產(chǎn)生干涉與消能效應(yīng)，因此達(dá)到超聲波能量增強(qiáng)的效果。根據(jù)同樣機(jī)理，當(dāng)本發(fā) 明被作為微型超聲波接收器使用時(shí)，能夠獲得同樣的超聲波增強(qiáng)接收效果。將上述發(fā)射或接收過程產(chǎn)生的能量聚合作用稱為超聲波聚能效應(yīng)。 所述叉式支架，在超聲波反射圓錐面中安置時(shí)，四個(gè)支點(diǎn)中的上兩個(gè)支點(diǎn)固定在 超聲波反射圓錐面頂部"喇叭口"的圓周上，下兩個(gè)支點(diǎn)固定在超聲波反射圓錐面的錐面 上，由于安裝位置的特殊要求使得其在超聲波反射圓錐面中相對(duì)于壓電晶片呈現(xiàn)交叉形 態(tài)，故稱之為叉式支架。這種交叉形態(tài)能夠使超聲波向外發(fā)射或向內(nèi)入射過程的能量損耗 達(dá)到最小。 本發(fā)明所述微型超聲波傳感器，既可作為超聲波發(fā)射器使用，也可作為超聲波接 收器使用；作為發(fā)射器使用時(shí)，稱之為微型超聲波發(fā)射器；作為接收器使用時(shí)，稱之為微型 超聲波接收器。作為超聲波發(fā)射器使用時(shí)，有兩種接收方式第一種方式，向外發(fā)射超聲波 信號(hào)被遮擋物反射到超聲波發(fā)射器，此時(shí)，微型超聲波傳感器兼具發(fā)射和接收超聲波信號(hào) 的功能；第二種方式，采用兩個(gè)微型超聲波傳感器單體配對(duì)使用，即一個(gè)作為超聲波發(fā)射器 向外發(fā)射超聲波，另一個(gè)作為超聲波接收器接收來自超聲波發(fā)射器所發(fā)出的超聲波，當(dāng)然， 此時(shí)在安裝工藝上是采取"一對(duì)一"相向安裝，即兩個(gè)單體微型超聲波傳感器分別處于被測(cè) 物體的兩側(cè)表面，由一個(gè)微型超聲波傳感器單體向被測(cè)物體的正面發(fā)射超聲波，而由另一 個(gè)微型超聲波傳感器從被測(cè)物體的背面接收穿透該物體的超聲波信號(hào)，此時(shí)，每個(gè)微型超 聲波傳感器單體采具有單一的功能，即具有發(fā)射超聲波或者接收超聲波信號(hào)的單一功能。
當(dāng)本發(fā)明的微型超聲波傳感器作為超聲波發(fā)射器使用時(shí)，電極引腳與來自外部的 交變電氣信號(hào)連接并接收交變電氣信號(hào)輸入，交變電氣信號(hào)通過電極引腳和電極導(dǎo)線就將 交變電氣信號(hào)的電壓加在壓電晶片的正、背面兩個(gè)焊點(diǎn)上；壓電晶片在交變電壓的壓電效 應(yīng)作用下，沿其平面的法線方向產(chǎn)生上下機(jī)械振動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)周圍的空氣形成振動(dòng)波向外 傳播；當(dāng)外部輸入的交變電氣信號(hào)的頻率與壓電晶片的固有振動(dòng)頻率一致時(shí)，壓電晶片便 產(chǎn)生共振形成一種振幅最大，亦即輸出功率最大的振動(dòng)波向外傳播；如微型超聲波傳感 器的固有振動(dòng)頻率為40kHz，外部輸入的交變電氣信號(hào)的頻率也為40kHz時(shí)，壓電晶片便產(chǎn) 生共振，因此形成一種振幅最大的振動(dòng)波向外傳播；壓電晶片的振動(dòng)波經(jīng)過超聲波反射圓 錐面的聚能效應(yīng)便形成一束具有足夠功率的超聲波束向外輻射。 當(dāng)本發(fā)明的微型超聲波傳感器作為超聲波接收器使用時(shí)，被接收的超聲波從空間 射入到超聲波反射圓錐面，經(jīng)過反射聚能效應(yīng)的作用抵達(dá)壓電晶片的正面，被反射到壓電 晶片背面的超聲波能量因壓電晶片斜置角度的關(guān)系在壓電晶片背面的超聲波反射圓錐面 上多次反射，被極大限度地衰耗掉，因此不會(huì)對(duì)抵達(dá)正面的超聲波產(chǎn)生能量抵消作用；當(dāng)接 收到的超聲波頻率與壓電晶片的固有振動(dòng)頻率一致時(shí)，壓電晶片同樣會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，即 由壓電效應(yīng)所生成的感應(yīng)電壓達(dá)到最大值；生成的感應(yīng)電壓信號(hào)通過電極導(dǎo)線和電極引腳 與外部的交流放大電路的輸入接口相連接輸出電壓信號(hào)；超聲波接收器輸出電壓信號(hào)的大 小就對(duì)應(yīng)著被接收到的超聲波信號(hào)的強(qiáng)弱信息。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果第一、能夠?qū)⒊暡▊鞲衅髦谱鞯梅?常小，小到其橫截面最大直徑僅為6mm ;第二、能夠利用圓錐面的反射聚能作用將原始發(fā)散 的超聲波能量轉(zhuǎn)換成能量集中的超聲波束沿著超聲波發(fā)射器的中軸線平行方向發(fā)射；第 三、能夠利用圓錐面的反射作用將接收到的超聲波束轉(zhuǎn)換成對(duì)壓電晶片表面均勻分布的超 聲波能量場(chǎng)，同時(shí)對(duì)超聲波接收方向性也得到了增強(qiáng)。


圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)為正視剖面圖，(b)左視剖面圖，(c)為 俯視圖，(d)為仰視圖； 圖2為本發(fā)明中壓電晶片斜置角度與超聲波反射圓錐面幾何關(guān)系示意圖；
圖3為本發(fā)明超聲波發(fā)射方向示意圖；
圖4為本發(fā)明超聲波接收方向示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明。本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前 提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1所示，本實(shí)施例包括壓電晶片1、電極導(dǎo)線2、超聲波反射圓錐面3、叉式支 架4、殼體5、電極引腳6。壓電晶片l斜置于超聲波反射圓錐面3中間，壓電晶片1的底邊 兩角點(diǎn)固定在超聲波反射圓錐面3上，壓電晶片1的頂邊兩角點(diǎn)固定在叉式支架4的兩點(diǎn)； 叉式支架4四個(gè)支點(diǎn)中的上兩個(gè)支點(diǎn)固定在超聲波反射圓錐面3頂部"喇叭口"的圓周上， 下兩個(gè)支點(diǎn)固定在超聲波反射圓錐面3的錐面上；超聲波反射圓錐面3的底部"錐尖"與 殼體5的底部固定連接，超聲波反射圓錐面3頂部"喇叭口"的圓周與殼體5的頂部固定連 接；兩根電極引腳6穿過殼體5底部固定，處于殼體5內(nèi)部的兩個(gè)端頭穿透超聲波反射圓錐 面3錐面裸露其金屬表面與電極導(dǎo)線2焊接；兩根電極引腳6外露殼體5底部的兩個(gè)端點(diǎn) 必須保留一定長(zhǎng)度以便與超聲頻率電信號(hào)連接或接插，即起著輸入/輸出信號(hào)接口插頭的 作用；電極導(dǎo)線2共兩根，一頭分別與壓電晶片1的兩面焊點(diǎn)焊接，另一頭分別與電極引腳 6穿透超聲波反射圓錐面3的兩個(gè)端點(diǎn)焊接。
實(shí)施例 所述壓電晶片l，采用長(zhǎng)X寬X厚為6mmX3mmX0. 2mm的薄膜壓電陶瓷，且壓電 晶片的固有振動(dòng)頻率為40kHz。 所述超聲波反射圓錐面3，如圖2所示，喇叭口圓周直徑為6mm，圓錐面頂角Z 7 = 30° ;壓電晶片1斜置于超聲波反射圓錐面3中間，為了達(dá)到向外發(fā)射的超聲波束與圓錐面 中軸線平行，取壓電晶片1的斜置角度與超聲波反射圓錐面3頂角的二分之一互余，即Z 10 =75° ，這就表明壓電晶片1生成的原始超聲波向超聲波反射圓錐面3輻射時(shí)的入射角、反 射角同為75° ，因此28=29 = 15°確保了超聲波經(jīng)聚能效應(yīng)后向外輻射的超聲波束與 超聲波反射圓錐面3的中軸線平行。 如圖3所示，所述壓電晶片1的斜置角度，因其與超聲波反射圓錐面3頂角的二分 之一存在互余關(guān)系，當(dāng)本發(fā)明作為微型超聲波發(fā)射器使用時(shí)，顯現(xiàn)兩種能量效應(yīng)第一，壓
電晶片1正面產(chǎn)生的振動(dòng)波經(jīng)超聲波反射圓錐面3 —次反射后，就使正面發(fā)射超聲波能量 得到聚合而形成傳播方向與中軸線平行的縱向波；第二，壓電晶片1背面產(chǎn)生的振動(dòng)波經(jīng) 超聲波反射圓錐面3多次反射后，就使背面發(fā)射超聲波能量逐漸被圓錐面表面所吸收，并 在到達(dá)"喇叭口"時(shí)已消耗殆盡；在上述兩種能量效應(yīng)作用下，最終使得本發(fā)明作為微型超 聲波發(fā)射器在加強(qiáng)壓電晶片1正面振動(dòng)波聚合作用的同時(shí)，還確保了原始振動(dòng)波中相位相 差180°的壓電晶片1正、背面振動(dòng)波不產(chǎn)生干涉與消能效應(yīng)，因此達(dá)到超聲波能量增強(qiáng)的 效果。
如圖4所示，當(dāng)本發(fā)明被作為微型超聲波接收器使用時(shí)，同樣顯現(xiàn)兩種能量效應(yīng) 第一，被接收到的超聲波要么直接輻射到壓電晶片1正面，要么經(jīng)超聲波反射圓錐面3—次 反射后抵達(dá)壓電晶片1正面，使壓電晶片1正面獲得被聚集的超聲波信號(hào)，其功率明顯增 強(qiáng)；第二，即使有部分超聲波由壓電晶片1背面縫隙輻射到超聲波反射圓錐面3上，由于該 超聲波在入射角75°的作用下，需要至少二次反射才能抵達(dá)薄膜壓電陶瓷1背面，因此抵 達(dá)壓電晶片1背面的超聲波能量已經(jīng)被顯著衰弱；在上述兩種能量效應(yīng)作用下，最終使得 本發(fā)明作為微型超聲波接收器能夠在壓電晶片1正面接收到具有足夠功率強(qiáng)度的超聲波 信號(hào)的同時(shí)，還避免了來自壓電晶片1背面的、與壓電晶片1正面超聲波具有相反相位超聲 波的消能效應(yīng)發(fā)生，因此同樣達(dá)到被接收到的超聲波能量增強(qiáng)效果。 所述叉式支架，在超聲波反射圓錐面3中安置時(shí)，四個(gè)支點(diǎn)中的上兩個(gè)支點(diǎn)固定 在超聲波反射圓錐面3頂部"喇叭口"的圓周上，下兩個(gè)支點(diǎn)固定在超聲波反射圓錐面3的 錐面上，由于安裝位置的特殊要求使得其在超聲波反射圓錐面3中相對(duì)于壓電晶片1呈現(xiàn) 交叉形態(tài)，而且叉口為經(jīng)過超聲波反射圓錐面3反射或入射后形成的與超聲波反射圓錐面 3中軸面平行的超聲波提供了一種敞開的輻射空間，因此這種交叉形態(tài)能夠使超聲波向外 發(fā)射或者向內(nèi)入射過程的能量損耗達(dá)到最小。 當(dāng)本發(fā)明的微型超聲波傳感器作為超聲波發(fā)射器使用時(shí)，電極引腳6與來自外部 的交變電氣信號(hào)連接并接收交變電氣信號(hào)輸入，交變電氣信號(hào)通過電極引腳6和電極導(dǎo)線 2就將交變電氣信號(hào)的電壓加在壓電晶片1的正、背面兩個(gè)焊點(diǎn)上；壓電晶片1在交變電壓 的壓電效應(yīng)作用下，沿其平面的法線方向產(chǎn)生上下機(jī)械振動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)周圍的空氣形成振 動(dòng)波向外傳播；當(dāng)外部輸入的交變電氣信號(hào)的頻率與壓電晶片1的固有振動(dòng)頻率一致時(shí)， 壓電晶片l便產(chǎn)生共振形成一種振幅最大，亦即輸出功率最大的振動(dòng)波向外傳播，當(dāng)壓電 晶片1的固有振動(dòng)頻率為40kHz，外部輸入的交變電氣信號(hào)頻率也為40kHz時(shí)，便形成一種 振幅最大的頻率為40kHz的超聲波向外發(fā)射；超聲波再經(jīng)過超聲波反射圓錐面3的聚能效 應(yīng)便形成一束具有足夠功率的超聲波束向外輻射。 當(dāng)本發(fā)明的微型超聲波傳感器作為超聲波接收器使用時(shí)，被接收的超聲波從空間 射入到超聲波反射圓錐面3，經(jīng)過反射聚能效應(yīng)的作用抵達(dá)壓電晶片1的正面，被反射到壓 電晶片1背面的超聲波能量被極大限度地衰耗掉，因此不會(huì)對(duì)抵達(dá)正面的超聲波產(chǎn)生能量 抵消作用；當(dāng)接收到得超聲波頻率與壓電晶片1的固有振動(dòng)頻率40kHz —致時(shí)，壓電晶片1 同樣會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，即由壓電效應(yīng)所生成的感應(yīng)電壓達(dá)到最大值；生成的感應(yīng)電壓信號(hào) 通過電極導(dǎo)線2和電極引腳3與外部的交流放大電路的輸入接口相連接輸出電壓信號(hào)；超 聲波接收器輸出電壓信號(hào)的大小就對(duì)應(yīng)著被接收到的超聲波信號(hào)的強(qiáng)弱信息。
由以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明具有如下有益效果第一、能夠?qū)⒊暡▊鞲衅髦?作得非常小，小到其橫截面最大直徑僅為6mm ;第二、能夠利用圓錐面的反射聚能作用將原 始發(fā)散的超聲波能量轉(zhuǎn)換成能量集中的超聲波束沿著超聲波發(fā)射器的中軸線平行方向發(fā) 射；第三、能夠利用圓錐面的反射作用將接收到的超聲波束轉(zhuǎn)換成對(duì)壓電晶片表面均勻分 布的超聲波能量場(chǎng)，同時(shí)對(duì)超聲波接收方向性也得到了增強(qiáng)。
權(quán)利要求
一種微型超聲波傳感器，其特征在于，包括壓電晶片、電極導(dǎo)線、超聲波反射圓錐面、叉式支架、殼體以及電極引腳；其中壓電晶片斜置于超聲波反射圓錐面中間，壓電晶片的底邊兩角點(diǎn)固定在超聲波反射圓錐面上，壓電晶片的頂邊兩角點(diǎn)固定在叉式支架的兩點(diǎn)；叉式支架四個(gè)支點(diǎn)中的上兩個(gè)支點(diǎn)固定在超聲波反射圓錐面頂部“喇叭口”的圓周上，下兩個(gè)支點(diǎn)固定在超聲波反射圓錐面的錐面上；超聲波反射圓錐面的底部“錐尖”與殼體的底部固定連接，超聲波反射圓錐面頂部“喇叭口”的圓周與殼體的頂部固定連接；兩根電極引腳穿過殼體底部固定，處于殼體內(nèi)部的兩個(gè)端頭穿透超聲波反射圓錐面錐面裸露其金屬表面與電極導(dǎo)線焊接；電極導(dǎo)線共兩根，一頭分別與薄膜壓電陶瓷的兩面焊點(diǎn)焊接，另一頭分別與電極引腳穿透超聲波反射圓錐面的兩個(gè)端點(diǎn)焊接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型超聲波傳感器，其特征是，所述壓電晶片是一種具有壓 電效應(yīng)的晶體，通過切割工藝將其制作成片狀體，該材料具備正、負(fù)兩種壓電效應(yīng)，壓電晶 片的厚度在O. 2mm以下。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型超聲波傳感器，其特征是，所述壓電晶片的斜置角度與 超聲波反射圓錐面頂角的二分之一互余，以保證超聲波反射圓錐面向外發(fā)射或向內(nèi)入射的 超聲波束與圓錐面中軸線平行。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型超聲波傳感器，其特征是，所述壓電晶片的斜置角度是 指壓電晶片平面與超聲波反射圓錐面的相交銳角，所謂相交銳角即錐線與中軸線所在平面 與壓電晶片平面和超聲波反射圓錐面分別相交后的兩根直線所構(gòu)成的銳角，該銳角角度的 大小就被稱為壓電晶片的斜置角度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型超聲波傳感器，其特征是，所述兩根電極引腳外露殼體 底部的兩個(gè)端點(diǎn)與超聲頻率電信號(hào)連接或接插，即起著輸入/輸出信號(hào)接口插頭的作用。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型超聲波傳感器，其特征是，所述微型超聲波傳感器作為 超聲波發(fā)射器使用時(shí)，電極引腳與來自外部的交變電氣信號(hào)連接并接收交變電氣信號(hào)輸 入，交變電氣信號(hào)通過電極引腳和電極導(dǎo)線就將交變電氣信號(hào)的電壓加在壓電晶片的正、 背面兩個(gè)焊點(diǎn)上；壓電晶片在交變電壓的壓電效應(yīng)作用下，沿其平面的法線方向產(chǎn)生上下 機(jī)械振動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)周圍的空氣形成振動(dòng)波向外傳播；當(dāng)外部輸入的交變電氣信號(hào)的頻率 與壓電晶片的固有振動(dòng)頻率一致時(shí)，壓電晶片產(chǎn)生輸出功率最大的振動(dòng)波向外傳播，壓電 晶片的振動(dòng)波經(jīng)過超聲波反射圓錐面的聚能效應(yīng)形成一束超聲波束向外輻射。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型超聲波傳感器，其特征是，所述微型超聲波傳感器作為 超聲波接收器使用時(shí)，被接收的超聲波從空間射入到超聲波反射圓錐面，經(jīng)過反射聚能效 應(yīng)的作用抵達(dá)壓電晶片的正面，被反射到壓電晶片背面的超聲波能量在壓電晶片背面的超 聲波反射圓錐面上多次反射，被極大限度地衰耗掉，不會(huì)對(duì)抵達(dá)正面的超聲波產(chǎn)生能量抵 消；當(dāng)接收到的超聲波頻率與壓電晶片的固有振動(dòng)頻率一致時(shí)，壓電晶片同樣會(huì)發(fā)生共振 現(xiàn)象，即由壓電效應(yīng)所生成的感應(yīng)電壓達(dá)到最大值，生成的感應(yīng)電壓信號(hào)通過電極導(dǎo)線和 電極引腳與外部的交流放大電路的輸入接口相連接輸出電壓信號(hào)；超聲波接收器輸出電壓 信號(hào)的大小就對(duì)應(yīng)著被接收到的超聲波信號(hào)的強(qiáng)弱信息。
全文摘要
本發(fā)明公開一種微型超聲波傳感器，包括壓電晶片、電極導(dǎo)線、超聲波反射圓錐面、叉式支架、殼體、電極引腳。壓電晶片斜置于超聲波反射圓錐面中間；叉式支架四個(gè)支點(diǎn)分別固定于超聲波反射圓錐面頂部“喇叭口”的圓周和錐面上；超聲波反射圓錐面的底部“錐尖”與殼體的底部固定連接；兩根電極引腳穿過殼體底部固定，穿透超聲波反射圓錐面的兩個(gè)端頭與電極導(dǎo)線焊接，外露殼體底部的兩個(gè)端點(diǎn)用于與外部電路連接；電極導(dǎo)線共兩根，一頭分別與壓電晶片的兩面焊點(diǎn)焊接，另一頭分別與電極引腳穿透超聲波反射圓錐面的兩個(gè)端點(diǎn)焊接。本發(fā)明可以用于非接觸式測(cè)厚、探傷、微循環(huán)流體測(cè)速等技術(shù)用途。
文檔編號(hào)B06B1/06GK101782378SQ201010109779
公開日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者應(yīng)俊豪, 張秀彬, 管洪法, 錢斐斐 申請(qǐng)人:浙江金利電子有限公司