專利名稱：壓電傳感器，壓電傳感器的制造方法和脈波檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電傳感器，具體地說，本發(fā)明涉及一種壓電傳感器，該壓電傳感器和一種制造方法和一種用于檢測人體內(nèi)部與物體內(nèi)部信息的脈波檢測器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)參照附圖16、17和18，對用作超聲波探測器或類似裝置的一種傳統(tǒng)的壓電傳感器進(jìn)行解釋。
圖16是一種傳統(tǒng)壓電傳感器的透視圖，圖17是圖16所示的該壓電傳感器的側(cè)視圖。
壓電傳感器100包括聲匹配層110、支撐材料130、壓電元件101和用于向壓電元件施加電壓的彈性基底120。
用這樣的一種方式來組成壓電傳感器100將彈性基底120和壓電元件101貼在由鎢粉和環(huán)氧樹脂的混合物制成的支撐材料130上，下一步，將聲匹配層110，如樹脂，外加于或貼在壓電元件101上，最后，將壓電元件101切成條塊狀。如圖17所示，壓電元件101配有電極102和103。電極102通過壓電元件的上表面101a與彈性基底120實(shí)現(xiàn)了電氣連接，這樣電極102也就與壓電元件101的側(cè)表面實(shí)現(xiàn)了電氣連接。
作為另外一種可供選擇的方案，圖18顯示了這樣一種壓電傳感器，其中的壓電元件嵌在樹脂中。在壓電元件210和220的相對的表面上，將用來施加電壓的導(dǎo)線240與導(dǎo)電的粘接物等焊在一起，使得該導(dǎo)線嵌于樹脂230里。
普通的超聲波探測器，也就是普通的嵌于樹脂中的壓電傳感器，其結(jié)構(gòu)正如上面所描述的那樣。
對于傳統(tǒng)的用作超聲波探測器的壓電傳感器，必須對該壓電元件應(yīng)用特殊的排列，會導(dǎo)致這樣一種問題傳統(tǒng)的壓電傳感器難于制造，且傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的制造成本比較高。
作為另外一種可供選擇的方案，根據(jù)該壓電傳感器通常應(yīng)用于生物體，可在壓電元件的上表面配備聲匹配層，該聲匹配層由樹脂等制成，用于向生物體內(nèi)部有效地發(fā)送超聲波。
聲匹配層的最佳厚度是使用的超聲波的波長的大約1/4。如果該聲匹配層變厚，超聲波就會受到衰減，結(jié)果是使對脈波等的檢測靈敏度被惡化。因此，對于使用導(dǎo)電的粘接物等將導(dǎo)線焊在例如樹脂中的壓電傳感器的壓電元件上的情況，必須使該導(dǎo)電粘接物的厚度和該導(dǎo)線的厚度小于或等于上述聲匹配層的厚度，這樣就難以制造這種壓電傳感器，且該聲匹配層的厚度變得比最佳厚度更厚。這就涉及到一個(gè)問題檢測靈敏度被惡化。
另外，如果使用由厚或硬的材料制成的導(dǎo)線，那么壓電元件的振動特性會受到影響，且如果使用厚的導(dǎo)線，會在壓電元件中產(chǎn)生不必要的應(yīng)力和不必要的固定點(diǎn)，振動模式也會受到影響。進(jìn)一步，諧振頻率將發(fā)生偏移，并且諧振頻率的阻抗也改變了，這樣就不可能有效地振動壓電元件。因此，這就涉及一個(gè)問題不能獲得最佳的檢測靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，將一種根據(jù)本發(fā)明的壓電傳感器構(gòu)建在這樣的一種疊片層結(jié)構(gòu)上，在該疊片層中，至少有一片在相對的兩個(gè)表面具有電極的壓電元件固定在具有多個(gè)電極(下文中被稱作基底電極)的基底上，進(jìn)一步，在上述的壓電元件上放置聲匹配層，在將兩個(gè)表面電極中的一個(gè)與上述基底電極互相疊加，并具有導(dǎo)電性地相連，而另一個(gè)表面電極通過導(dǎo)電部件具有導(dǎo)電性地連接到上述的基底電極，進(jìn)一步，上述的導(dǎo)電部件的一端還要與上述的壓電元件的聲匹配層側(cè)面的表面電極相連，即上述的其他表面電極具有側(cè)置連接結(jié)構(gòu)，因而上述的導(dǎo)電部件的一端能夠在聲匹配層的厚度中連接而不暴露出來，即這樣的一種連接結(jié)構(gòu)上述的導(dǎo)電部件是位于其他電極側(cè)面。作為另外一種可供選擇的方案，考慮到該壓電元件和該基底電極之間的連接條件和超聲波發(fā)送/接收的特性的改善，根據(jù)本發(fā)明的壓電傳感器除了上述組成部分外，還包含這樣一種壓電元件支撐部件，它位于基底與壓電元件之間，使得壓電元件得到了支撐。
特別是，為了實(shí)現(xiàn)上述的側(cè)置連接結(jié)構(gòu)，發(fā)明并使用了一種用于壓電元件的側(cè)面連接方法用未在半導(dǎo)體制造步驟中使用的根據(jù)球焊的第二焊接來實(shí)現(xiàn)的元件側(cè)面線連接和用楔焊實(shí)現(xiàn)的元件側(cè)面線連接。
根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，就有可能提供一種具有最佳厚度且便于制造的聲匹配層。因此，就有可能提供一種低成本、高靈敏度的壓電傳感器。


參照以下附圖來解釋本發(fā)明的優(yōu)化形式圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種脈波檢測器的簡圖；圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明的脈波檢測器的安裝情況的視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的脈波檢測器的處理單元的簡圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的壓電傳感器的簡圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的該壓電傳感器的簡圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的該壓電傳感器與生物體的排列視圖；圖7是顯示該聲匹配層的厚度與其靈敏度的關(guān)系的視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的一種壓電傳感器的簡圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的一種壓電傳感器的簡圖；圖10是線焊接的步驟的簡圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明的一種壓電傳感器的簡圖；圖12是一種壓電傳感器的簡圖；圖13是一種壓電傳感器的簡圖；圖14是根據(jù)本發(fā)明的一種壓電傳感器的簡圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明的一種壓電傳感器的簡圖；圖16是一種傳統(tǒng)的壓電傳感器的簡圖；圖17是一種傳統(tǒng)的壓電傳感器的簡圖；和圖18是一種傳統(tǒng)的壓電傳感器的簡圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，在這樣一種壓電傳感器中，該壓電傳感器特征在于至少一片在相對表面上具有電極的壓電元件固定在具有電極(下文中被稱作基底電極)的基底上，在上述壓電元件上放置聲匹配層，根據(jù)輸入的驅(qū)動信號來驅(qū)動上述的壓電元件向要測量的物體發(fā)送超聲波，以便接收來自上述要測量的物體的反射波，在上述壓電元件的聲匹配層側(cè)面的電極(下文中被稱作上表面電極)通過導(dǎo)電部件實(shí)現(xiàn)到上述的基底電極的電氣連接，且該上表面電極上具有的導(dǎo)電部件的厚度限定為不大于該超聲波波長的1/4。作為這種導(dǎo)電部件，可以使用一種具有導(dǎo)電性的薄膜和一種通過線焊接提供的線。
這樣一種結(jié)構(gòu)使得不對壓電元件應(yīng)用復(fù)雜的排列，就可以得到最佳的聲匹配層的厚度。另外，由于不必要的應(yīng)力不通過導(dǎo)線傳播，所以可以得到理想的振動特性，從而減少能量損失且能夠更有效地發(fā)送和接收超聲波。因此也就可以提高檢測靈敏度。根據(jù)本實(shí)施方案，使用的超聲波頻率為9.6MHz，且聲匹配層的聲速為2,000m/s，因而將線焊接部分的高度限定為大約50μm。
作為另外一種可供選擇的方案，一種壓電傳感器，該壓電傳感器包括至少一片在相對表面上具有電極的壓電元件，具有電極(下文中被稱作基底電極)的基底和在上述壓電元件上的聲匹配層，其中在上述壓電元件的聲匹配層側(cè)面的電極(下文中被稱作上表面電極)通過線焊接實(shí)現(xiàn)到上述的基底電極的電氣連接，并根據(jù)輸入的驅(qū)動信號來啟動上述壓電元件，向要測量的物體發(fā)送超聲波，以便接收來自上述要測量的物體的反射波，根據(jù)上述壓電傳感器，提供這樣一種結(jié)構(gòu)將導(dǎo)電部件連接到上述壓電元件的上表面電極上，以便通過使用根據(jù)球焊接方法或楔焊接方法的第二焊接來對其進(jìn)行跟蹤，并提供一種制造方法。根據(jù)這樣一種結(jié)構(gòu)，可以將對于壓電元件的線部分的高度設(shè)得更低，這樣就可能制造不從聲匹配層暴露出線焊接的感應(yīng)器。
作為另外一種可供選擇的方案，將上述基底以這樣一種方式進(jìn)行配置該基底具有壓電元件支撐部分，而該壓電元件支撐部分與壓電元件的頂部表面相接觸，將上述下表面電極用導(dǎo)電粘接物等固定在用于與下表面相連的基底電極上，并在位于固定部分的相對表面上的上電極上實(shí)現(xiàn)上述的線焊接，其中固定部分是通過壓電元件上的粘接物來固定的。
進(jìn)一步，將上述用于壓電元件上的聲匹配層的厚度限定為上述超聲波波長的1/4左右。
根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，就有可能容易地實(shí)現(xiàn)具有最佳厚度的聲匹配層。
下面的實(shí)施方案將會描述其具體的步驟
第一實(shí)施方案下面參照圖1到10，將會詳細(xì)地描述使用根據(jù)本發(fā)明的壓電傳感器的脈波檢測器的第一實(shí)施方案。
首先，參照圖1和圖2，將對脈波檢測器1的外形進(jìn)行描述。圖1是應(yīng)用本發(fā)明的脈波檢測器1的外形結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。圖2顯示了將圖1所示的脈波檢測器1安裝在生物體2(例如一條手臂)上的情況。
如圖1所示，脈波檢測器1包含處理單元3，壓電傳感器4，帶子5和收緊盤6。如圖2所示，通過將該脈波檢測器1安裝在生物體2上，就可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)佩戴該脈波檢測器1。在這種情況中，處理單元3和壓電傳感器4連接在帶子5上，以便通過帶子5和收緊盤6來安裝到生物體上(圖1中用虛線圈起的部分)，此時(shí)，壓電傳感器4貼在生物體2的橈動脈或尺動脈(未示出)附近。進(jìn)一步，處理單元3通過導(dǎo)線(未示出)連接到壓電傳感器4。于是，通過這根導(dǎo)線從處理單元3向壓電傳感器4輸入驅(qū)動電壓信號，并將壓電傳感器4測量得到的電壓信號輸入到處理單元3。
下面將參照圖3來解釋脈波檢測器1的處理單元3。圖3是處理單元3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和處理單元3與壓電傳感器4的連接情況的框圖。如圖3所示，處理單元3包括算術(shù)處理單元31，驅(qū)動電路32和顯示單元33。
算術(shù)處理單元31通過執(zhí)行存儲在內(nèi)部存儲區(qū)域(該釋圖被略去)的處理程序，來對檢測到的脈搏進(jìn)行各種處理，并將其處理結(jié)果在顯示單元33上顯示。在檢測脈搏時(shí)，該算術(shù)處理單元31從驅(qū)動電路32向壓電傳感器4的壓電元件41輸出一個(gè)特定的驅(qū)動電壓信號(下面將會詳細(xì)描述)。另外，算術(shù)處理單元31將從壓電元件41發(fā)送的超聲波的頻率與由壓電元件42接收到的，并由于血流的多普勒效應(yīng)而改變的超聲波的頻率進(jìn)行對比，從而該算術(shù)處理單元31對脈波進(jìn)行了檢測。
驅(qū)動電路32根據(jù)來自算術(shù)處理單元31的指令，向壓電傳感器4的壓電元件41輸出一個(gè)特定驅(qū)動電壓信號。顯示單元33包括液晶顯示屏等來顯示由算術(shù)處理單元31輸入的脈波檢測結(jié)果等。
下面參照圖3和圖6來描述脈波檢測器1的處理單元3和壓電傳感器4的工作情況。首先，如果生物體佩戴了脈波檢測器1，如圖6所示，那么壓電傳感器4就緊貼生物體2(即，生物體2的橈動脈或尺動脈附近)。然后當(dāng)檢測脈搏時(shí)，如圖3所示的算術(shù)處理單元31從驅(qū)動電路32向壓電元件41(該釋圖被略去)的相對表面上的電極輸出一個(gè)特定驅(qū)動電壓信號。
當(dāng)壓電元件41在輸入于壓電元件41的相對表面的電極上的驅(qū)動電壓信號的基礎(chǔ)上振動時(shí)，該壓電元件會產(chǎn)生一種超聲波，并將該超聲波通過聲匹配層49發(fā)送至生物體2(參照圖6)的內(nèi)部。發(fā)送至生物體2內(nèi)部的超聲波被血流2a反射，并由壓電傳感器4的壓電元件42對其進(jìn)行接收。壓電元件42將接收到的超聲波轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將其從相對表面上的電極輸出到算術(shù)處理單元31。
下面，該算術(shù)處理單元31將從壓電元件41發(fā)射的超聲波的頻率與由壓電元件42接收到的，并由于血流的多普勒效應(yīng)而改變的超聲波的頻率進(jìn)行對比，從而算術(shù)處理單元31對生物體的脈波進(jìn)行了檢測。然后，算術(shù)處理單元31將脈搏的檢測結(jié)果顯示在顯示單元33上。用這種方式，脈波檢測器1測量并顯示該生物體的脈搏。根據(jù)本實(shí)施方案，超聲波的發(fā)送和接收由不同的壓電元件執(zhí)行，然而，也可以使用一片壓電元件，通過在超聲波的發(fā)送和接收之間造成時(shí)間差，來切換對該超聲波的發(fā)送和接收。
下面參照圖4和圖5來描述脈波檢測器1的壓電傳感器4。圖4是壓電傳感器4結(jié)構(gòu)的示意圖，圖5是壓電傳感器4的側(cè)視圖。壓電元件41和42具有上表面電極52和下表面電極53(它們在圖4中被略去)。如圖4所示，壓電傳感器4包括基底43，壓電元件41，壓電元件42，為實(shí)現(xiàn)與下表面相連的基底電極47a，為實(shí)現(xiàn)與上表面相連的基底電極47b和基底43的上表面所具有的聲匹配層49。用于與下表面相連的基底電極47a和在壓電元件41與42的下表面(基底43的側(cè)邊)的下表面電極53(參照圖5)實(shí)現(xiàn)了電氣連接，并且通過線61，用于與上表面相連的基底電極47b和在壓電元件41與42(聲匹配層49的側(cè)面)的上表面上的上表面電極52(參照圖5)實(shí)現(xiàn)了電氣連接。
首先，下面參照圖4解釋根據(jù)本發(fā)明的壓電傳感器的制造方法。第一步，將壓電元件處理成預(yù)定的尺寸。根據(jù)本實(shí)施方案，對壓電元件進(jìn)行切割處理。然后將處理成預(yù)定尺寸的壓電元件(在其上、下表面上放置未圖示的電極)固定在基底43上。根據(jù)本實(shí)施方案，對壓電元件進(jìn)行切割處理。
在這種情況中，將用于與下表面相連的基底電極47a和壓電元件41與42互相疊加在一起。為了將用于與下表面相連的基底電極47a固定到壓電元件41與42上，可以使用絕緣和導(dǎo)電的粘接物，或者可以通過熱壓的方式將壓電元件41與42連接到下表面的基底電極47a上。然而，必須使壓電元件41與42的下表面電極53和為實(shí)現(xiàn)與下表面相連的基底電極47a實(shí)現(xiàn)有導(dǎo)電性的電氣連接。作為另外一種可供選擇的方案，當(dāng)使用絕緣粘接物時(shí)，通過在壓電元件41和42與為實(shí)現(xiàn)與下表面相連的基底電極47a之間使用絕緣粘接物，和通過向壓電元件外加壓力來使該壓電元件局部地接觸基底電極，就可以將它們具有導(dǎo)電性地連接起來，并相互固定。
下一步，通過線焊接提供的線61使上表面電極52和在壓電元件41與42的為實(shí)現(xiàn)與上表面相連的表面電極47b實(shí)現(xiàn)了電氣連接。進(jìn)一步，將聲匹配層49安裝在基底43上。該聲匹配層49由熱的可調(diào)整樹脂、紫外線可調(diào)整樹脂或冷的可調(diào)整樹脂制成。將該聲匹配層49涂上一層旋轉(zhuǎn)涂層或薄膜。在使用薄膜的情況中，由于要在聲匹配層49上均勻涂上一層厚度不超過0.1mm的涂層，對于這一點(diǎn)將在下文中給予描述，所以要使用一種具有特定厚度的薄膜。如圖4所示，電極47a與壓電元件41和41的下表面實(shí)現(xiàn)電氣連接，電極47b與壓電元件41和41的上表面實(shí)現(xiàn)電氣連接，這樣就可以對壓電元件41的上、下表面施加具有不同電勢的電壓。
接下來，下面將描述應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的壓電傳感器的一種部件。使用厚度為0.2mm(諧振頻率9.6MHz)且外形為0.5×8mm的PZT作為壓電元件41和42。另外，在壓電元件41和42的兩側(cè)，通過噴鍍、電鍍等手段來形成用于施加電壓的電極。從線焊接的可靠性和線焊接的強(qiáng)度的角度來看，最好將金用作壓電元件41和42的上表面電極52的材料。作為另外一種可供選擇的方案，如果在壓電元件41和42的上、下表面安裝金電極，會使制造成本變高，因此，也可以通過排列，來使金電極只安裝在實(shí)施線焊接的一部分區(qū)域。另外，由于下電極53不需要線焊接，就可以使用例如A1的廉價(jià)材料。
使用一種玻璃環(huán)氧樹脂作為基底43。通過將金電鍍到Cu上來制作電極47a和47b，該電極厚度為大約50μm。根據(jù)壓電傳感器要檢查、測量的物體的材料，來選擇適當(dāng)?shù)牟牧献鳛槁暺ヅ鋵拥牟牧?。然而，根?jù)本實(shí)施方案，由于該聲匹配層是用于檢測生物體(例如人體)內(nèi)部的信息的，所以這里的材料選擇要在適合于該生物體的基礎(chǔ)之上。
為了使超聲波可以有效地通過聲匹配層傳播于生物體和各個(gè)的壓電單元41與42之間，聲匹配層49的聲阻抗的取值必須在生物體的聲阻抗Z1和壓電元件的聲阻抗Zc之間。聲阻抗的值體現(xiàn)了聲波傳播的能力，且該值受楊氏模量和其強(qiáng)度的影響而改變。
于是可以通過Zm＝(Zc×Z1)1/2…公式(1)來代表聲匹配層49的最佳聲阻抗Zm。因此，如果對公式(1)指定眾所周知的Z1＝1.5M(N·sec/m3)和Zc(使用了PZT)＝30M(N·sec/m3)，就可以獲得Zm＝大約6.7M(N·sec/m3)。
根據(jù)本實(shí)施方案，在此計(jì)算值的基礎(chǔ)上，使用聲阻抗大約為6M(N·sec/m3)且經(jīng)過紫外線硬化的環(huán)氧樹脂作為聲匹配層49。作為另外一種可供選擇的方案，對于超聲波的傳播，聲匹配層49的厚度也是一個(gè)重要的因素。在聲匹配層49的厚度不合適的情況中，和上述的聲阻抗的情況相同，超聲波在聲匹配層49中被反射，且進(jìn)一步，超聲波在聲匹配層49中被減弱，這樣超聲波就不能有效地傳播。
壓電元件41和42上的聲匹配層49的厚度最好是被該聲匹配層49傳播的超聲波波長的1/4左右。具體來講，在超聲波頻率為9.6MHz(通常，使用2.3到10MHz的超聲波)，且聲匹配層中的聲速為大約2,000m/s時(shí)，該聲匹配層49的厚度為50μm比較合適。在這種情況中，上表面電極52比聲匹配層足夠薄，這樣在通常情況下，就不必考慮上表面電極52的厚度。然而，在電鍍幾μm的金作為電極，且將使用的超聲波的頻率設(shè)定為更高的情況中(即在使波長變短的情況中)，為了加強(qiáng)線焊接點(diǎn)的強(qiáng)度，也必須考慮該厚度。
圖7顯示了對聲匹配層49的厚度和受放在水中的銅盤反射的超聲波的反射強(qiáng)度(即，當(dāng)從壓電元件41發(fā)射的超聲波被壓電元件42檢測到時(shí)的信號比率，該超聲波被反射到放在水中的銅盤上，該銅盤離開壓電傳感器大約4.0mm，并與之相對)進(jìn)行測量的結(jié)果。由圖7可以理解當(dāng)聲匹配層49的厚度在大約40到50μm之間時(shí)，反射強(qiáng)度變強(qiáng)，并該反射強(qiáng)度不低于當(dāng)該聲匹配層49的厚度在80到90μm之間時(shí)的反射強(qiáng)度的兩倍。
下面，將會參照圖8、圖9和圖10描述線焊接部分。如上所述，聲匹配層49的厚度為50μm時(shí)比較合適，如果更厚就會使靈敏度惡化。圖8和圖9是根據(jù)本發(fā)明的壓電傳感器的放大圖。圖8是對壓電元件41和42的上電極52采用采用球焊接方法的第二焊接的情況的簡圖，圖9是對上電極52提供根據(jù)球焊接方法的第一焊接的情況的簡圖。在圖8和圖9中，略去了下電極53。
圖10是一般線焊接步驟的簡圖。根據(jù)線焊接，將金等制成的線61(該線的直徑大約為25μm)穿入如圖10所示稱為細(xì)管66的針中，通過放電(圖10A)在線61的前端形成球61a(該線的直徑大約為100μm)。然后，通過將該細(xì)管66壓在例如IC的芯片部件67，外加超聲波并使該球熔化，就使該球與芯片部件實(shí)現(xiàn)了電氣連接(第一焊接)(圖10B)。
下面，通過將該細(xì)管移動到基底電極68的表面，將細(xì)管66壓到基底電極并外加超聲波，來使該基底電極68與該線61實(shí)現(xiàn)連接(第二焊接)(圖10C和圖10D)。在第二焊接的情況中，壓力和超聲波能量更大，這樣，根據(jù)安裝電子部件的一般方法，為了防止芯片部件的折斷，在芯片部件的側(cè)面執(zhí)行第一焊接，且在基底電極的側(cè)面執(zhí)行第二焊接。如上所述，線焊接步驟(球焊接方法)已普遍地應(yīng)用于IC安裝步驟等中。
也可以使用這樣一種系統(tǒng)(楔焊接方法)，通過使用該系統(tǒng)，不用在第一焊接時(shí)形成球61a，只需像第二焊接那樣擠壓細(xì)管，就可以形成線。
在這種情況中，如上所述，線焊接61的線直徑為25μm，該球61a的直徑大約在50到100μm的范圍內(nèi)。作為另外一種可供選擇的方案，聲匹配層49的最佳厚度大約為50μm。因此，如圖9所示，如果對于上電極52執(zhí)行根據(jù)球焊接方法的第一焊接，那么，該線焊接部分變得高于該聲匹配層49，這樣該線焊接部分就會從該聲匹配層49中突出來。
因此，如果該線焊接部分從該聲匹配層49中突出來，該線就很容易折斷，并且會產(chǎn)生其他電子噪聲。如果生物體在使用本實(shí)施方案時(shí)出汗，壓電元件41和42就會出現(xiàn)短路，這樣就會導(dǎo)致如不能獲得最佳信號的問題。
另一方面，如圖8所示，如果對于上電極52執(zhí)行根據(jù)球焊接方法的第二焊接，就可以實(shí)現(xiàn)線以側(cè)面放置形式與上電極52連接，進(jìn)一步，線嵌于聲匹配層中，因而該線不從聲匹配層49中暴露出來。另外，根據(jù)第二焊接，可以在與該線直徑相同的高度進(jìn)行電氣連接，這樣就有可能使線焊接部分比聲匹配層49薄。作為另外一種可供選擇的方案，用于線焊接的線的直徑很細(xì)，即25μm，這樣在壓電元件中幾乎不會產(chǎn)生不必要的應(yīng)力，并且可以獲得最佳的振動特性。作為另外一種可供選擇的方案，根據(jù)本實(shí)施方案，執(zhí)行了根據(jù)球焊接方法的第二焊接，然而，根據(jù)楔焊接，也可能通過與球焊接方法相同的方式進(jìn)行線焊接，即，可以進(jìn)行線焊接，這是因?yàn)楫?dāng)線以與線直徑相同的高度置于上電極52時(shí)，線是嵌入的。可以通過第一焊接或第二焊接來達(dá)到上述目的。
另外，對于基底43，，可以通過基底43后表面上的電極向壓電元件施加電壓，而這是通過對基底43應(yīng)用穿過電鍍等，并在基底43的后表面(即，其上沒有聲匹配層49形成的表面)提供電極來實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)一步，本實(shí)施方案的詳細(xì)部分不限于上面描述的實(shí)施方案內(nèi)容，可以在不偏離本發(fā)明的主體范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行修改。
例如，根據(jù)本實(shí)施方案，使用的超聲波的頻率是9.6MHz，因而對上電極52執(zhí)行第二焊接。然而，例如，如果使用的超聲波的頻率是1.0MHz，那么聲匹配層49的最佳厚度是不大于0.45mm，且如果使用的超聲波的頻率是3.0MHz，聲匹配層49的最佳厚度是不多于0.15mm，這樣即使用根據(jù)普通球焊接方法的第一焊接，線的部分也不會暴露于聲匹配層49之外，也就可以使用該第一焊接。作為另外一種可供選擇的方案，在波長入的1/4(即入/4)不大于球的直徑(即入/4不大于100μm)，且入/4不小于線的直徑(即入/4不小于25μm)的情況中，也就是，所使用的頻率的波長在100到400μm的范圍內(nèi)的情況中，對于上述的壓電元件的上電極52執(zhí)行第二焊接是極為有效的。
進(jìn)一步，作為對線焊接的替代，可以使用排列了電極的彈性基底。然而，必須精確地控制該彈性基底的厚度，而且在使用粘接物來將彈性基底焊接到上電極52的情況中，該粘接物的厚度也應(yīng)得到控制。進(jìn)一步，如果彈性基底的硬度過大，恐怕會影響壓電元件的振動模式，這樣就很難使用該彈性基底。
作為另外一種可供選擇的方案，對于基底43，不需要寬大的外形，但是可以使用這樣一種方式來形成基底43在支撐材料上配備電極。而且，也可以通過在上電極52上配備金屬膜等制成的膜來取代線焊接。例如，圖15顯示了這樣一種例子配有一種薄膜類型的電極62。盡管與上面相同可以得到這樣的結(jié)構(gòu)，但由于該壓電元件的振動模式會受該薄膜的區(qū)域和硬度影響，所以最好使用柔軟，小型的薄膜。
第二實(shí)施方案下面將參照圖11到12解釋根據(jù)本發(fā)明的壓電傳感器。圖11是壓電傳感器4的縱向截面圖(即，將圖4中的壓電傳感器4從PZT的縱向切割的A-A’截面圖)。在圖11中，在基底43上配有壓電元件支撐部件59。這里，用虛線代表電極47b。
通過振動壓電元件41，超聲波就會在壓電元件和其他物體之間的交界表面出發(fā)生反射。該反射波造成噪聲，并大幅降低檢測信號的S/N比。在將壓電元件41和42直接固定在電極47b的情況中，通常使用的電極是由銅和金制成的，這樣使得電極比粘接物等的層硬度大，且那里的聲阻抗的差別變大。因此，在電極和粘接物之間交界表面上的反射波，或在電極和基底的基本材料之間交界表面上的反射波變大。因此，如本實(shí)施方案，可以通過使用壓電元件支撐部件59將壓電元件41和42固定在基底上，來緩解上述的問題。
在這種情況中，通過導(dǎo)電的粘接物55將壓電元件41和42固定在電極47a上，且其他部分接觸A支撐部分59。如圖11所示，該A支撐部件59具有這樣一種凹裂部分，用于隔離電極47a，以便壓電元件41和42可以通過導(dǎo)電的粘接物55與電極47實(shí)現(xiàn)具有導(dǎo)電性的連接。根據(jù)本實(shí)施方案，使用保護(hù)膜作為A支撐部分59。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，在壓電元件41、42和A支撐部分59之間交界表面的反射變小，這樣就可以獲得最佳的檢測靈敏度。
另外，如根據(jù)第一實(shí)施方案所述，當(dāng)實(shí)施第二焊接時(shí)，必須使用比第一焊接時(shí)更高的壓力和超聲波，且在按壓細(xì)管時(shí)，會在局部產(chǎn)生高應(yīng)力，這樣恐怕壓電元件41和42會折斷。例如，圖12是電極47b高于A支撐部分59的情況的簡圖。然而，當(dāng)實(shí)施如圖12所示的第二焊接時(shí)，在壓電元件41中局部產(chǎn)生了高應(yīng)力，且壓電元件41會折斷。在電極47b和A支撐部分59一樣高的情況中，在電極47b和支撐部分59之間沒有高度差，即使在壓電元件中產(chǎn)生了應(yīng)力，也不用害怕該壓電元件41會折斷。然而，壓電元件的彈性很低，這樣即使只有一點(diǎn)高度差，也會導(dǎo)致該壓電元件41折斷。
作為另外一種可供選擇的方案，如圖12所示該壓電元件處于飄浮狀態(tài)時(shí)，壓電傳感器用于接觸要測量的皮膚和物體，這樣就會導(dǎo)致一種問題當(dāng)使用它的時(shí)候，壓電元件會折斷。另外，如圖13所示，在這樣一種情況中將該電極47b排列在壓電元件41和42的整個(gè)區(qū)域上，來將該壓電元件41和42固定在該電極47b的整個(gè)區(qū)域上，會產(chǎn)生上述關(guān)于反射波的問題和電極47b材料僵硬、體積過大的問題，在當(dāng)連接時(shí)未均勻施加粘接物等的情況下，會產(chǎn)生這樣的問題振動模式發(fā)生變化，且最佳頻率的振幅變小。
因此，如圖11所示，電極47b的形成位置低于A支撐部分59，并且線焊接61是在電極47b的固定部分和壓電元件41的固定部分的相對表面執(zhí)行的。這樣，即使對于該壓電元件的上電極52執(zhí)行第二焊接，由于該壓電元件在該相對表面的底表面上得到必然的保護(hù)，且A支撐部分59是柔軟的，所以應(yīng)力被分散，且該壓電元件不會折斷。因此，可以容易地制造根據(jù)本發(fā)明的壓電傳感器，進(jìn)一步，可以減少超聲波的反射，這樣就可以保持和提升檢測靈敏度。
作為另外一種可供選擇的方案，如果如上所述地考慮交界表面上的反射被降低的效應(yīng)，最好使A支撐部分59的材料的聲阻抗(即，楊氏模量及其強(qiáng)度)在壓電元件41和42和基底43之間。另外，為了防止在線焊接時(shí)該壓電元件的折斷，最好使支撐部分59的材料是柔軟的(至少比電極47b柔軟)，這樣即使在線焊接時(shí)或使用它們時(shí)在該壓電元件中產(chǎn)生了應(yīng)力，它也可以吸收掉該應(yīng)力。根據(jù)本實(shí)施方案，考慮到排列，使用了保護(hù)膜。
第三實(shí)施方案下面參照圖14解釋根據(jù)本發(fā)明的壓電傳感器。圖14是該壓電傳感器4的截面圖(即在圖4中的PZT的縱向切割的縱向截面圖)。
如上所述，需要將聲匹配層49設(shè)定為不超過超聲波波長的1/4(在9.6MHz的情況下，不超過50μm)。然而，當(dāng)線焊接61高于聲匹配層49時(shí)，和當(dāng)該聲匹配層49的厚度應(yīng)被設(shè)為低于該線的直徑時(shí)，如圖14所示，通過使該聲匹配層47僅僅在線焊接61附近變厚一些，就可以將靈敏度的惡化壓到最低，也可以密封住該線焊接。進(jìn)一步，就可能提升其耐用性。
可以通過在將聲匹配層49涂覆一定厚度一次之后，使用與聲匹配層49相同的材料或其他材料，來形成該聲匹配層一個(gè)突出的部分49b，從而制造上述的結(jié)構(gòu)。
如上所述，根據(jù)壓電傳感器，制造該壓電傳感器的方法以及使用根據(jù)本發(fā)明的壓電傳感器的脈波檢測器，不用對壓電元件應(yīng)用復(fù)雜的排列，就可以驅(qū)動該壓電元件，這樣在該壓電元件中就幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力，且可以將聲匹配層的厚度制成預(yù)定的厚度。因此，可以提升檢測靈敏度，并降低制造成本。進(jìn)一步，由于可以在線焊接的時(shí)候不破壞壓電元件地制造壓電傳感器，所以產(chǎn)生了降低壓電傳感器的制造成本的效果。
權(quán)利要求
1.一種壓電傳感器，該壓電傳感器包括一種基底，該基底具有用于形成輸入和輸出終端的第一基底電極和第二基底電極；一個(gè)或多個(gè)壓電元件，該壓電元件用于發(fā)送超聲波到要測量的物體和接收來自要測量的物體的反射波；其中的壓電元件位于基底上，并提供了要連接到位于該基底上的第一基底電極的第一表面電極，和通過連接導(dǎo)電部件的另一端，經(jīng)該導(dǎo)電部件連接到第二基底電極的第二表面電極，其中導(dǎo)電部件的一端連在與第一基底電極相對的第二基底電極上；并提供聲匹配層，用于在要測量的物體的一側(cè)的第二表面電極上有效地傳播超聲波；當(dāng)嵌在該聲匹配層中時(shí)，將連接到其厚度不大于該聲匹配層的第二表面電極的該導(dǎo)電部件的另一端置于橫向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電傳感器；其中在基底上還提供用作支撐壓電元件的壓電元件，同時(shí)，壓電元件置于壓電元件支撐部分上，該壓電元件支撐部分具有一個(gè)用來隔離第一基底電極的凹陷部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的壓電傳感器；其中該壓電元件支撐部件由機(jī)械強(qiáng)度低于第一基底電極的機(jī)械強(qiáng)度的材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的壓電傳感器；其中該壓電元件支撐部件由機(jī)械強(qiáng)度低于粘接物的機(jī)械強(qiáng)度的材料制成，其中的粘接物是為了將第一基底電極具有導(dǎo)電性地連接到第一表面電極而形成和固化的。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的壓電傳感器；其中導(dǎo)電部件的另一端連接到在與第二表面電極凹陷部分的對照位置的第二表面電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電傳感器；其中導(dǎo)電部件包括一層具有導(dǎo)電性的薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電傳感器；其中導(dǎo)電部件包括根據(jù)線焊接方法配備的線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的壓電傳感器；其特征在于通過根據(jù)球焊接方法的第二焊接將該導(dǎo)電部件的另一端連接到第二表面電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的壓電傳感器；其中通過根據(jù)楔焊接方法的第二焊接將該導(dǎo)電部件的另一端連接到第二表面電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電傳感器；其中聲匹配層的厚度與超聲波波長的1/4相等。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電傳感器；其中放置在壓電元件上的第一表面電極的材料與放置在壓電元件上的第二表面電極的材料不同。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電傳感器；其中第一表面電極的材料是金。
13.一種脈波檢測器，該脈波檢測器包括根據(jù)權(quán)利要求1的壓電傳感器；一種驅(qū)動單元，該驅(qū)動單元用于驅(qū)動該壓電傳感器，使得從壓電傳感器發(fā)送超聲波到生物體；和一種檢測單元，用于通過壓電傳感器接收從生物體反射回來的反射波，來檢測脈波。
14.一種壓電傳感器的制造方法，該制造方法至少包括步驟將壓電元件固定在基底上，其中壓電元件的兩個(gè)相對表面分別裝有第一表面電極和第二表面電極，而基底上具有用以形成輸入、輸出終端的第一基底電極和第二基底電極，這樣第一基底電極導(dǎo)電性地與第一表面電極連接；和將一端連接在第二基底電極的導(dǎo)電部件的另一端以側(cè)面放置的方式連接到第二表面電極，這樣所形成的另一端的高度不超過超聲波波長的1/4。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的壓電傳感器的制造方法；其中根據(jù)線焊接方法將導(dǎo)電部件的另一端連接到第二表面電極。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的壓電傳感器的制造方法；其中使用根據(jù)球焊接方法的第二焊接方法將導(dǎo)電部件的另一端連接到第二表面電極。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的壓電傳感器的制造方法；其中根據(jù)楔焊接方法將導(dǎo)電部件的另一端連接到第二表面電極。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的壓電傳感器的制造方法；其中通過使用薄膜導(dǎo)電部件將導(dǎo)電部件的另一端連接到第二表面電極。
全文摘要
本發(fā)明的壓電傳感器構(gòu)建在這樣的一種疊片層結(jié)構(gòu)之上，其中，在相對兩個(gè)表面配有電極的壓電元件固定在具有多個(gè)基底電極的基底上，并且還在上述的壓電元件上放置用于有效地發(fā)送和接收超聲波的聲匹配層。另外，兩個(gè)表面電極中的一個(gè)表面電極與上述的基底電極以相互疊加的形式實(shí)現(xiàn)了具有導(dǎo)電性的連接，其中兩個(gè)表面電極是配備于上述壓電元件的相對的兩個(gè)表面上的，而另一個(gè)表面電極通過導(dǎo)電部件具有導(dǎo)電性地連接到上述的基底電極，而且，另一個(gè)表面電極具有這樣一種連接結(jié)構(gòu)上述的導(dǎo)電部件能夠在聲匹配層的厚度之中連接到這個(gè)表面電極，而不暴露出來。
文檔編號G01N29/24GK1419895SQ02150498
公開日2003年5月28日 申請日期2002年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月16日
發(fā)明者村松博之, 新荻正隆, 仲村隆 申請人:精工電子有限公司