CN106596716A - 阵列超声波传感器与制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阵列超声波传感器与制作方法，所述阵列超声波传感器包括：第一压电振动板、第一支撑板、基板及盖板。第一支撑板设有与第一振动区相应设置的通孔或盲孔，第一支撑板与第一压电振动板相连。超声波放射孔与第一振动区一一相应设置。盖板内侧壁设有位于相邻第一振动区之间的若干个分隔板。基板与第一支撑板相连，基板具有与第一电极一一相应设置的两个以上控制单元。控制单元与第一压电振动板、第一电极、第一支撑板形成独立超声波收发阵元，能实现阵列超声波传感器的一体化，使得相邻第一振动区的间距可以小于超声波发射信号的半个波长，通过超声波发射阵元延时发射超声波信号便能避免产生旁栅现象，操作方便。

Description

阵列超声波传感器与制作方法

技术领域

本发明涉及超声波传感器，特别是涉及一种阵列超声波传感器与制作方法。

背景技术

传统的阵列超声波传感器是通过将多个独立的超声波换能器晶片呈阵列式摆放形成的。然而，由于超声波探头本身具有一定体积，相邻超声波换能器晶片单元并排在一起时，超声波换能器晶片单元之间的间距无法缩小至发射单元的半个发射信号波长，如此超声波换能器晶片单元之间容易产生旁栅现象。为了避免旁栅现象，往往需要通过控制超声波发射单元的发射角度来实现，但是这样操作较为麻烦。

发明内容

基于此，有必要克服现有技术的缺陷，提供一种阵列超声波传感器与制作方法，它能使得超声波换能器晶片单元之间的间距减小，从而能便于避免产生旁栅现象。

其技术方案如下：一种阵列超声波传感器，包括：第一压电振动板，所述第一压电振动板具有两个以上第一振动区，所述第一振动区设有第一电极；第一支撑板，所述第一支撑板设有与所述第一振动区相应设置的通孔或盲孔，所述第一支撑板与所述第一压电振动板相连；基板，所述基板与所述第一支撑板相连，所述基板具有两个以上控制单元，所述控制单元与所述第一电极一一相应设置，且所述控制单元与所述第一电极电性连接；及盖板，所述盖板罩设在所述第一压电振动板外部，所述盖板设有两个以上超声波放射孔，所述超声波放射孔与所述第一振动区一一相应设置，所述盖板内侧壁若干个分隔板，所述分隔板位于相邻所述第一振动区之间。

上述的阵列超声波传感器，控制单元与相应的第一电极、第一压电振动板、第一支撑板的通孔可以形成一个独立超声波收发阵元，而控制单元、第一电极、第一支撑板的通孔均两个以上，且一一相应设置，从而能形成多个独立超声波收发阵元，能实现阵列超声波传感器一体化。如此，本实施例不会如现有技术的阵列超声波传感器排列间距受限于超声波探头体积，本实施例阵列超声波传感器中相邻第一振动区之间的间距可以缩小为小于或等于超声波发射信号的半个波长，从而阵列超声波传感器在使用时，超声波发射阵元通过延时发射超声波信号便能避免产生旁栅现象，便无需如现有技术中通过调整超声波发射阵元的发射角度来解决，操作较为方便。

在其中一个实施例中，所述阵列超声波传感器还包括设置在所述第一支撑板与所述基板之间的第二压电振动板；所述第二压电振动板具有两个以上第二振动区，所述第二振动区设有第二电极，所述第二电极电性连接至所述控制单元。

在其中一个实施例中，所述阵列超声波传感器还包括设置在所述第二压电振动板与所述基板之间的第二支撑板，所述第二支撑板设有与所述第二振动区相应设置的通孔或盲孔。当然，在其它实施例中，也可以在基板上设置开口朝向第二振动区的盲孔，这样基板振动过程中，盲孔相当于避让位用于避让向外扩张的第二压电振动板。本实施例中，第一压电振动板、第二压电振动板均为压电陶瓷板。

在其中一个实施例中，所述基板设有两个以上焊盘电极，所述焊盘电极与所述第一电极一一相应设置，所述焊盘电极通过导电件与所述第一电极、所述第二电极电性连接。本实施例中，导电件可以为导线或由导电Ag/Pt浆料烧结成的导电膜层，并在第一振动板或第二振动板上设置有导线穿过的走线孔或导电膜层穿过的通孔，焊盘电极可以通过导电性粘接剂与导电件电性连接。

在其中一个实施例中，所述第一振动区设置的第一电极为两个以上，所述第一电极上下间隔分布在所述第一压电振动板中；所述第二振动区设置的第二电极为两个以上，所述第二电极上下间隔分布在所述第二压电振动板中。

本发明还提供一种阵列超声波传感器的制作方法，包括如下步骤：

提供一块以上第一压电陶瓷半固化板，第二压电陶瓷半固化板，一块以上第三压电陶瓷半固化板，基板及盖板，在所述第一压电陶瓷半固化板上印刷两个以上第一电极，在所述第二压电陶瓷半固化板上加工出与所述第一电极位置相应的两个以上通孔，以及在所述第三压电陶瓷半固化板上印刷与所述通孔位置相应的两个以上第二电极；

将所述第一压电陶瓷半固化板、所述第二压电陶瓷半固化板以及第三压电陶瓷半固化板叠置并压紧在一起，后共同烧制固化得到超声波振动机构；

将所述超声波振动机构、所述基板与所述盖板组装在一起。

上述的阵列超声波传感器的制作方法，第一压电陶瓷半固化板经过烧制后相当于第一压电振动板，第二压电陶瓷半固化板经过烧制后相当于第一支撑板，第三压电陶瓷半固化板经过烧制后相当于第二压电振动板。上述制作方法得到的阵列超声波传感器，能实现阵列超声波传感器的一体化；另外，能够实现第一压电陶瓷半固化板上所印刷的相邻第一电极的间距以及第三压电陶瓷半固化板上所印刷的相邻第二电极的间距小于或等于超声波发射信号的半个波长，即能控制相邻第一振动区、相邻第二振动区之间的间距，不会存在如现有技术的阵列超声波传感器排列间距受限于超声波探头体积的缺陷，从而阵列超声波传感器在使用时，超声波发射阵元通过延时发射超声波信号便能避免产生旁栅现象，无需如现有技术中通过调整超声波发射阵元的发射角度来解决，操作较为方便。

在其中一个实施例中，所述第二压电陶瓷半固化板在与所述第一压电陶瓷半固化板、所述第二压电陶瓷半固化板共同烧制步骤之前还包括步骤：在所述第二压电陶瓷半固化板上加工出有与所述通孔连通的排气通道；在所述通孔中填充有碳晶或易挥发颗粒物。

在其中一个实施例中，其中，所述第一压电陶瓷半固化板为两块，在其中一块所述第一压电陶瓷半固化板上的两面均印刷有第一电极，在另一块所述第一压电陶瓷半固化板上的其中一面上印刷有第一电极，将两块所述第一压电陶瓷半固化板叠置并压紧在一起；所述第三压电陶瓷半固化板为两块，在其中一块所述第三压电陶瓷半固化板上的两面均印刷有第二电极，在另一块所述第三压电陶瓷半固化板上的其中一面上印刷有第二电极，将两块所述第三压电陶瓷半固化板叠置并压紧在一起。

在其中一个实施例中，将所述第一压电陶瓷半固化板、所述第二压电陶瓷半固化板以及第三压电陶瓷半固化板压紧在一起的压强、以及将两块所述第一压电陶瓷半固化板或两块所述第三压电陶瓷半固化板压紧在一起的压强均为10Mpa以上。本实施例中，将第一压电陶瓷半固化板、第二压电陶瓷半固化板以及第三压电陶瓷半固化板压紧在一起的压强、以及将两块第一压电陶瓷半固化板或两块第三压电陶瓷半固化板压紧在一起的压强较好的为20MPa。

在其中一个实施例中，所述第一压电陶瓷半固化板、所述第三压电陶瓷半固化板的厚度均为40～80μm，将所述第一压电陶瓷半固化板、所述第二压电陶瓷半固化板以及第三压电陶瓷半固化板共同烧制固化的温度为900～1000℃，以及时间为24～48h。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种阵列超声波传感器的结构示意图；

图2为图1中A-A处的其中一个实施例的剖视图；

图3为图1中A-A处的另一个实施例的剖视图；

图4为本发明实施例所述的一种阵列超声波传感器的分解示意图。

10、第一压电振动板，11、第一电极，20、第一支撑板，21、通孔，22、通道，30、基板，31、焊盘电极，40、盖板，41、超声波放射孔，42、分隔板，50、第二压电振动板，51、第二电极，60、第二支撑板，61、通孔。

具体实施方式

下面对本发明的实施例进行详细说明：

如图1、图2所示，本发明实施例所述的一种阵列超声波传感器，包括：第一压电振动板10、第一支撑板20、基板30及盖板40。

所述第一压电振动板10具有两个以上第一振动区。所述第一振动区设有第一电极11。所述第一支撑板20设有与所述第一振动区相应设置的通孔21或盲孔，所述第一支撑板20与所述第一压电振动板10相连。通过第一电极11对第一压电振动板10施加电压时，第一压电振动板10的第一振动区便发生振动现象，第一支撑板20上所设置的通孔21或盲孔相当于用于避让向外扩张的第一压电振动板10的避让位。

所述盖板40罩设在所述第一压电振动板10外部，所述盖板40设有两个以上超声波放射孔41。所述超声波放射孔41与所述第一振动区一一相应设置。所述盖板40内侧壁设有若干个分隔板42。所述分隔板42位于相邻所述第一振动区之间。这样，分隔板42便将第一压电振动板10上的第一振动区分隔开，第一振动区因振动产生的超声波信号经过超声波放射孔41放射出，相邻第一振动区之间所产生的超声波信号通过分隔板42隔开后，便不会相互干扰。

所述基板30与所述第一支撑板20相连，所述基板30具有两个以上控制单元。所述控制单元与所述第一电极11一一相应设置，且所述控制单元与所述第一电极11电性连接。控制单元控制相应的第一电极11的施加电压以及施加电压频率，即各个第一振动区所产生的超声波信号由第一振动区相应的控制单元控制，这样控制单元与相应的第一电极11、第一压电振动板10、第一支撑板20的通孔21形成一个独立超声波收发阵元。如此，多个独立超声波收发阵元结合在一起形成一体化，且相邻第一振动区之间的间距可以缩小至小于超声波发射信号的半个波长。使得，当对被测物进行检测时，可以通过超声波发射阵元延时发射超声波信号，从而发射阵列栅瓣与接收阵列零点能相互抵消以避免产生的旁栅现象。

上述的阵列超声波传感器，控制单元与相应的第一电极11、第一压电振动板10、第一支撑板20的通孔21可以形成一个独立超声波收发阵元，而控制单元、第一电极11、第一支撑板20的通孔21均两个以上，且一一相应设置，从而能形成多个独立超声波收发阵元，能实现阵列超声波传感器一体化。如此，本实施例不会如现有技术的阵列超声波传感器排列间距受限于超声波探头体积，本实施例阵列超声波传感器中相邻第一振动区之间的间距可以缩小为小于或等于超声波发射信号的半个波长，从而阵列超声波传感器在使用时，超声波发射阵元通过延时发射超声波信号便能避免产生旁栅现象，便无需如现有技术中通过调整超声波发射阵元的发射角度来解决，操作较为方便。

请参阅图3与图4，在另一个实施例中，所述阵列超声波传感器还包括设置在所述第一支撑板20与所述基板30之间的第二压电振动板50。所述第二压电振动板50具有两个以上第二振动区。所述第二振动区设有第二电极51。所述第二电极51电性连接至所述控制单元。本实施例中，所述第二电极51对第一振动区施加的电压与第一电极11对第二振动区施加的电压大小相同，但是极性相反。如此，第一振动区与第二振动区便同步相向振动或反向振动，使得振动幅度较大，振动效果更加强烈。

所述阵列超声波传感器还包括设置在所述第二压电振动板50与所述基板30之间的第二支撑板60。所述第二支撑板60设有与所述第二振动区相应设置的通孔61或盲孔。当然，在其它实施例中，也可以在基板30上设置开口朝向第二振动区的盲孔，这样基板30振动过程中，盲孔相当于用于避让向外扩张的第二压电振动板50的避让位。本实施例中，第一压电振动板10、第二压电振动板50均为压电陶瓷板。

请参阅图4，所述基板30设有两个以上焊盘电极31。所述焊盘电极31与所述第一电极11一一相应设置，所述焊盘电极31通过导电件与所述第一电极11、所述第二电极51电性连接。本实施例中，导电件可以为导线或由导电Ag/Pt浆料烧结成的导电膜层，并在第一振动板或第二振动板上设置有导线穿过的走线孔或导电膜层穿过的通孔，焊盘电极31可以通过导电性粘接剂与导电件电性连接。

所述第一振动区设置的第一电极11为两个以上。所述第一电极11上下间隔分布在所述第一压电振动板10中。所述第二振动区设置的第二电极51为两个以上。所述第二电极51上下间隔分布在所述第二压电振动板50中。本实施例中，同一振动区的第一电极11、第二电极51均为三个。且三个第一电极11上下间隔分布在第一压电振动板10中，三个第二电极51上下间隔分布在第二压电振动板50中。如此，第一压电振动板10或第二压电振动板50的同一振动区通过多个上下间隔设置的多个电极同步激励而发生振动，振动效果更好。

本发明实施例还提供一种阵列超声波传感器的制作方法，包括如下步骤：

提供一块以上第一压电陶瓷半固化板，第二压电陶瓷半固化板，一块以上第三压电陶瓷半固化板，基板30及盖板40，在所述第一压电陶瓷半固化板上印刷两个以上第一电极11，在所述第二压电陶瓷半固化板上加工出与所述第一电极11位置相应的两个以上通孔61，以及在所述第三压电陶瓷半固化板上印刷与所述通孔61位置相应的两个以上第二电极51；

将所述第一压电陶瓷半固化板、所述第二压电陶瓷半固化板以及第三压电陶瓷半固化板叠置并压紧在一起，后共同烧制固化得到超声波振动机构；

将所述超声波振动机构、所述基板30与所述盖板40组装在一起。

上述的阵列超声波传感器的制作方法，第一压电陶瓷半固化板经过烧制后相当于第一压电振动板10，第二压电陶瓷半固化板经过烧制后相当于第一支撑板20，第三压电陶瓷半固化板经过烧制后相当于第二压电振动板50。上述制作方法得到的阵列超声波传感器，能实现阵列超声波传感器的一体化；另外，能够实现第一压电陶瓷半固化板上所印刷的相邻第一电极11的间距以及第三压电陶瓷半固化板上所印刷的相邻第二电极51的间距小于超声波发射信号的半个波长，即能控制相邻第一振动区、相邻第二振动区之间的间距，不会存在如现有技术的阵列超声波传感器排列间距受限于超声波探头体积的缺陷，从而阵列超声波传感器在使用时，超声波发射阵元通过延时发射超声波信号便能避免产生旁栅现象，无需如现有技术中通过调整超声波发射阵元的发射角度来解决，操作较为方便。

其中，所述第二压电陶瓷半固化板在与所述第一压电陶瓷半固化板、所述第二压电陶瓷半固化板共同烧制步骤之前还包括步骤：在所述第二压电陶瓷半固化板上加工出有与所述通孔21连通的排气通道22；在所述通孔21中填充有碳晶或易挥发颗粒物。如此，第一压电陶瓷半固化板、第二压电陶瓷半固化板以及第三压电陶瓷半固化板共同烧制过程中，由于碳晶或易挥发颗粒物填充在通孔21中，便能够保证通孔21的初始形状。并且随着烧制时间越来越久、烧制温度越来越高，压电陶瓷半固化板逐渐固化成型。通孔21中的碳晶或易挥发颗粒物在温度高于600度将逐渐转化为气体，通过排气通道22排放至外部环境中，而不对产品产生影响，最终得到的超声波传感器的通孔21形状保持较好，且没有裂纹，产品合格率较高。

其中，所述第一压电陶瓷半固化板为两块，在其中一块所述第一压电陶瓷半固化板上的两面均印刷有第一电极11，在另一块所述第一压电陶瓷半固化板上的其中一面上印刷有第一电极11，将两块所述第一压电陶瓷半固化板叠置并压紧在一起；所述第三压电陶瓷半固化板为两块，在其中一块所述第三压电陶瓷半固化板上的两面均印刷有第二电极51，在另一块所述第三压电陶瓷半固化板上的其中一面上印刷有第二电极51，将两块所述第三压电陶瓷半固化板叠置并压紧在一起。

本实施例中，将所述第一压电陶瓷半固化板、所述第二压电陶瓷半固化板以及第三压电陶瓷半固化板压紧在一起的压强、以及将两块所述第一压电陶瓷半固化板或两块所述第三压电陶瓷半固化板压紧在一起的压强均为10Mpa以上。本实施例中，将第一压电陶瓷半固化板、第二压电陶瓷半固化板以及第三压电陶瓷半固化板压紧在一起的压强、以及将两块第一压电陶瓷半固化板或两块第三压电陶瓷半固化板压紧在一起的压强较好的为20MPa。

本实施例中，所述第一压电陶瓷半固化板、所述第三压电陶瓷半固化板的厚度均为40～80μm，将所述第一压电陶瓷半固化板、所述第二压电陶瓷半固化板以及第三压电陶瓷半固化板共同烧制固化的温度为900～1000℃，以及时间为24～48h。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种阵列超声波传感器，其特征在于，包括：

第一压电振动板，所述第一压电振动板具有两个以上第一振动区，所述第一振动区设有第一电极；

第一支撑板，所述第一支撑板设有与所述第一振动区相应设置的通孔或盲孔，所述第一支撑板与所述第一压电振动板相连；

基板，所述基板与所述第一支撑板相连，所述基板具有两个以上控制单元，所述控制单元与所述第一电极一一相应设置，且所述控制单元与所述第一电极电性连接；及

盖板，所述盖板罩设在所述第一压电振动板外部，所述盖板设有两个以上超声波放射孔，所述超声波放射孔与所述第一振动区一一相应设置，所述盖板内侧壁设有若干个分隔板，所述分隔板位于相邻所述第一振动区之间。

2.根据权利要求1所述的阵列超声波传感器，其特征在于，还包括设置在所述第一支撑板与所述基板之间的第二压电振动板；所述第二压电振动板具有两个以上第二振动区，所述第二振动区设有第二电极，所述第二电极电性连接至所述控制单元。

3.根据权利要求2所述的阵列超声波传感器，其特征在于，还包括设置在所述第二压电振动板与所述基板之间的第二支撑板，所述第二支撑板设有与所述第二振动区相应设置的通孔或盲孔。

4.根据权利要求2所述的阵列超声波传感器，其特征在于，所述基板设有两个以上焊盘电极，所述焊盘电极与所述第一电极一一相应设置，所述焊盘电极通过导电件与所述第一电极、所述第二电极电性连接。

5.根据权利要求2所述的阵列超声波传感器，其特征在于，所述第一振动区设置的第一电极为两个以上，所述第一电极上下间隔分布在所述第一压电振动板中；所述第二振动区设置的第二电极为两个以上，所述第二电极上下间隔分布在所述第二压电振动板中。

6.一种阵列超声波传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一块以上第一压电陶瓷半固化板，第二压电陶瓷半固化板，一块以上第三压电陶瓷半固化板，基板及盖板，在所述第一压电陶瓷半固化板上印刷两个以上第一电极，在所述第二压电陶瓷半固化板上加工出与所述第一电极位置相应的两个以上通孔，以及在所述第三压电陶瓷半固化板上印刷与所述通孔位置相应的两个以上第二电极；

将所述第一压电陶瓷半固化板、所述第二压电陶瓷半固化板以及第三压电陶瓷半固化板叠置并压紧在一起，后共同烧制固化得到超声波振动机构；

将所述超声波振动机构、所述基板与所述盖板组装在一起。

7.根据权利要求6所述的阵列超声波传感器的制作方法，其特征在于，所述第二压电陶瓷半固化板在与所述第一压电陶瓷半固化板、所述第二压电陶瓷半固化板共同烧制步骤之前还包括步骤：在所述第二压电陶瓷半固化板上加工出有与所述通孔连通的排气通道；在所述通孔中填充有碳晶或易挥发颗粒物。

8.根据权利要求6所述的阵列超声波传感器的制作方法，其特征在于，其中，所述第一压电陶瓷半固化板为两块，在其中一块所述第一压电陶瓷半固化板上的两面均印刷有第一电极，在另一块所述第一压电陶瓷半固化板上的其中一面上印刷有第一电极，将两块所述第一压电陶瓷半固化板叠置并压紧在一起；所述第三压电陶瓷半固化板为两块，在其中一块所述第三压电陶瓷半固化板上的两面均印刷有第二电极，在另一块所述第三压电陶瓷半固化板上的其中一面上印刷有第二电极，将两块所述第三压电陶瓷半固化板叠置并压紧在一起。

9.根据权利要求8所述的阵列超声波传感器的制作方法，其特征在于，将所述第一压电陶瓷半固化板、所述第二压电陶瓷半固化板以及第三压电陶瓷半固化板压紧在一起的压强、以及将两块所述第一压电陶瓷半固化板或两块所述第三压电陶瓷半固化板压紧在一起的压强均为10Mpa以上。

10.根据权利要求6所述的阵列超声波传感器的制作方法，其特征在于，所述第一压电陶瓷半固化板、所述第三压电陶瓷半固化板的厚度均为40～80μm，将所述第一压电陶瓷半固化板、所述第二压电陶瓷半固化板以及第三压电陶瓷半固化板共同烧制固化的温度为900～1000℃，以及时间为24～48h。