[发明专利]用于在流体介质中使用的超声波换能器

说明书

技术领域

本发明涉及已知的换能器，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 A1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发明范围内根据本发明修改。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。

背景技术

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6×10⁵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 A1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。

发明内容

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 A1和那里所描述的材料。