電容式超聲換能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電容式超聲換能器，包括一個(gè)具有背板的傳感器頭，所述背板的結(jié)構(gòu)化的正面設(shè)有絕緣層并且其背面設(shè)有電極。為了實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，利用該結(jié)構(gòu)即使在強(qiáng)氧化的和還原的介質(zhì)中也能實(shí)現(xiàn)直至幾百攝氏度的提高的耐溫性，作為聲發(fā)生器設(shè)置的膜片沿平面方向被施加拉應(yīng)力。
【專利說(shuō)明】電容式超聲換能器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電容式超聲換能器，包括一個(gè)具有背板的傳感器頭，所述背板的結(jié)構(gòu)化的正面設(shè)有絕緣層并且其背面設(shè)有電極。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今主要將兩種類型的超聲傳感器用于在空氣或在氣體環(huán)境中的應(yīng)用，在此涉及的是壓電陶瓷和/或電容式超聲傳感器。除了功能原理和聲學(xué)特性的差異之外，只在溫度適中并且介質(zhì)沒(méi)有腐蝕性時(shí)才能使用這兩種類型。
[0003]肯定有一些溫度較高的應(yīng)用迄今為止無(wú)法使用測(cè)量技術(shù)，例如在內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)中。在這種情況下，視工況和流量傳感器在排氣系中的位置而定，排氣溫度可能為-40°C (例如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在氣溫箱中冷起動(dòng)時(shí))直至大約1000°C。關(guān)鍵還有這樣的事實(shí):內(nèi)燃機(jī)的排氣溫度可能迅速且劇烈地變化，例如當(dāng)從滿負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行到牽引運(yùn)行的負(fù)荷變化時(shí)。所使用的傳感技術(shù)應(yīng)當(dāng)能夠耐受這種極度的熱交變負(fù)荷。
[0004]壓電陶瓷超聲傳感器(例如在DE 10040344、DE 4434692、DE102006026674、DE102008027970、DE 102009032809 和 DE 202004002107 中公開了最近的研發(fā)成果)只能在350°C以下的溫度中使用。這種限制源自于所使用壓電晶體的居里溫度，壓電晶體在超過(guò)該溫度之后就會(huì)喪失其壓電特性。持續(xù)的熱交變負(fù)荷可能在這些傳感器中導(dǎo)致材料疲勞(永久破壞壓電晶體)。
[0005]傳統(tǒng)的電容式超聲換能器也不具有所需的耐溫性。這些電容式超聲換能器的在導(dǎo)電基質(zhì)上繃緊的金屬涂層的膜片同時(shí)構(gòu)成電容的絕緣層，其中通常用作介電膜片材料的塑料膜或還有由氮化硅構(gòu)成的膜片都不能滿足溫度要求，像例如在D.A.Hutchins、D.ff.Schindel、Α.G.Bashford 和 ff.M.D.Wright 于 1998 年第 36 期 Elservier Ultrasonics上發(fā)表的“Advances in ultrasonic electrostatic transduction”一文中所解釋的那樣。即使在使用純金屬的膜片時(shí)，在高于300°C的溫度下也已出現(xiàn)氧化，如果換能器膜片的材料厚度很小，這種氧化導(dǎo)致其迅速毀壞。
[0006]除了膜片的耐熱性之外，常見絕緣層和電極的耐熱性也不夠高。通過(guò)高溫還在絕緣層中引起導(dǎo)致傳感器永久毀壞的電擊穿。原因就在于溫度引起的絕緣層的結(jié)構(gòu)重組或再結(jié)晶。如果是背電極，則通過(guò)高溫，金屬層加速擴(kuò)散到硅晶體中，這在一定時(shí)間之后導(dǎo)致電極完全消失。在熱交變負(fù)荷情況下，由于熱膨脹系數(shù)的匹配很差，導(dǎo)致絕緣層從載體材料上剝落，或者導(dǎo)致膜片從傳感器殼體離開，這意味著傳感器的破壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的任務(wù)在于超聲換能器的一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，借此即使在強(qiáng)氧化和還原介質(zhì)中也能實(shí)現(xiàn)直至幾百攝氏度的提高的耐溫性。
[0008]為了解決所述任務(wù)，根據(jù)本發(fā)明，所述換能器的特征在于，膜片沿平面方向被施加拉應(yīng)力。[0009]在此按照第一種實(shí)施方式，膜片被擠壓在兩個(gè)環(huán)之間。
[0010]而一種備選的實(shí)施方式的特征在于，膜片與至少一個(gè)環(huán)焊接在一起。
[0011]以有利的方式設(shè)定，膜片的材料選自N1-Cr合金、奧氏體鋼、鐵素體鋼或“超級(jí)合金”。
[0012]在此特別具有優(yōu)點(diǎn)的是，膜片由一種鉻含量至少為16%和鋁含量至少為1%的材料構(gòu)成。
[0013]還有一種實(shí)施方式適合于解決上述任務(wù)，其中，絕緣層由一種具有非結(jié)晶結(jié)構(gòu)的材料構(gòu)成。
[0014]在此優(yōu)選設(shè)定，絕緣層由多個(gè)非結(jié)晶層構(gòu)成。
[0015]上述任務(wù)還可以通過(guò)本發(fā)明所述的特征加以解決，即背電極具有多層的結(jié)構(gòu)，其中至少一個(gè)層相對(duì)于背板的基底材料構(gòu)成擴(kuò)散阻擋層，以及表面層由鉬構(gòu)成。
[0016]此外以有利的方式設(shè)定，傳感器頭設(shè)計(jì)成獨(dú)立于超聲換能器的其余部分可更換的組件。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的超聲換能器的一種有利的實(shí)施方式的特征在于，設(shè)置有一個(gè)用于聲輻射面的加熱裝置。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的超聲換能器的另一種有利的實(shí)施方式的特征在于，通過(guò)在換能器中的通道連接在膜片上方和下方的各區(qū)域。
[0019]在此有利的方式是，在通道中設(shè)置有過(guò)濾器。
[0020]本發(fā)明的另一特征可以在于，經(jīng)由一個(gè)彈性銷觸點(diǎn)接通傳感器頭的背板。
[0021]在此有利的方式是，在銷和背板之間插入一個(gè)金屬的中間板。
[0022]通過(guò)上述特征和針對(duì)性的選擇材料，即使在強(qiáng)氧化和還原介質(zhì)中也能實(shí)現(xiàn)直至幾百攝氏度的耐溫性。在下限溫度范圍內(nèi)，通過(guò)使用換能器加熱裝置來(lái)避免冷凝物形成，從而保證換能器的功能能力。通過(guò)這些特殊的性能，超聲換能器可以應(yīng)用于在市面上可供使用的常見技術(shù)無(wú)法應(yīng)對(duì)的所有場(chǎng)合。在這方面的實(shí)例可以是在化工或食品工業(yè)領(lǐng)域中用來(lái)控制工藝流程的超聲流量計(jì)、在近海石油平臺(tái)(Off-Shores)上和在管道中或還有在內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)中用于精密氣體流量測(cè)量的傳感器。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]以下將參照首選實(shí)施例的附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)解釋。
[0024]附圖1所示為本發(fā)明所述超聲換能器的剖面圖，
[0025]附圖2所示為用于這種換能器的預(yù)緊膜片的一種實(shí)施方式的透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]以下所述的超聲傳感器的突出之處在于其耐溫性、耐氧化性和耐腐蝕性并且是為具有高機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷與化學(xué)負(fù)荷的寬廣應(yīng)用領(lǐng)域而開發(fā)的。如在圖1中可以看到的那樣，傳感器頭由一個(gè)上殼體I和一個(gè)下殼體2構(gòu)成，用螺絲將這兩個(gè)部分1、2相互擰緊，必要時(shí)也可以用其它方式將其相互連接。背板3包括具有結(jié)構(gòu)化絕緣層4的正面以及涂覆在背面上的背電極5。在此所述絕緣層4由一種具有非結(jié)晶結(jié)構(gòu)的材料制成，優(yōu)選還由多個(gè)非結(jié)晶層構(gòu)成。背電極5本身也可以具有多層結(jié)構(gòu)，其中至少一個(gè)層相對(duì)于背板3的基底材料構(gòu)成一個(gè)擴(kuò)散阻擋層。此外還可以設(shè)置一個(gè)由鉬構(gòu)成的表面層。
[0027]本發(fā)明的超聲換能器的膜片6固定在一個(gè)夾緊環(huán)7中，如還在圖2中可以看到的那樣。通過(guò)膜片6的這種夾緊方式可以沿平面方向?qū)δて┘永瓚?yīng)力。具體而言，例如可以設(shè)置兩個(gè)環(huán)，將膜片6壓緊在這兩個(gè)環(huán)之間，或者也可以設(shè)置將膜片6與至少一個(gè)環(huán)7焊接在一起的實(shí)施方式。通常用N1-Cr合金、奧氏體鋼、鐵素體鋼或“超級(jí)合金”制作膜片，其中有利的是，鉻含量至少為16%而招含量至少為1%。
[0028]為了在低溫運(yùn)行時(shí)避免冷凝，設(shè)置一個(gè)包圍超聲換能器的上殼體I的加熱裝置8，該加熱裝置尤其將聲輻射面保持在所需的溫度。
[0029]設(shè)置一些優(yōu)選配有過(guò)濾器10的通道9，用于不僅在殼體中尤其在上殼體2中，而且還在背板3和背電極5的背側(cè)上的后面的觸點(diǎn)接通板12中連接在膜片6上方和下方的各區(qū)域。彈簧銷11緊貼在觸點(diǎn)接通板12上，以便電觸點(diǎn)接通傳感器頭的背板3。
[0030]有利的是，將傳感器頭設(shè)計(jì)成獨(dú)立于超聲換能器的其余部分可更換的組件。
【權(quán)利要求】
1.電容式超聲換能器，包括一個(gè)具有背板以及安裝在背板上的膜片的傳感器頭，所述背板的結(jié)構(gòu)化的正面設(shè)有絕緣層并且其背面設(shè)有電極，所述膜片作為聲發(fā)生器，其特征在于，膜片沿平面方向被施加拉應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其特征在于，膜片被壓緊在兩個(gè)環(huán)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其特正在于，膜片與至少一個(gè)環(huán)焊接在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的超聲換能器，其特征在于，膜片的材料選自N1-Cr合金、奧氏體鋼、鐵素體鋼或“超級(jí)合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲換能器，其特征在于，膜片由一種鉻含量至少為16%和鋁含量至少為I %的材料構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其特征在于，絕緣層由一種具有非結(jié)晶結(jié)構(gòu)的材料構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲換能器，其特征在于，絕緣層由多個(gè)非結(jié)晶層構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其特征在于，背電極具有多層的結(jié)構(gòu)，其中至少一個(gè)層相對(duì)于背板的基底材料構(gòu)成擴(kuò)散阻擋層，以及表面層由鉬構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其特征在于，傳感器頭設(shè)計(jì)成獨(dú)立于超聲換能器的其余部分可更換的組件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的超聲換能器，其特征在于，設(shè)置有一個(gè)用于聲輻射面的加熱裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的超聲換能器，其特征在于，通過(guò)在換能器中的通道連接在膜片上方和下方的各區(qū)域。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超聲換能器，其特征在于，在通道中設(shè)置有過(guò)濾器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12之一所述的超聲換能器，其特征在于，經(jīng)由一個(gè)彈性銷觸點(diǎn)接通傳感器頭的背板。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲換能器，其特征在于，在銷和背板之間插入一個(gè)金屬的中間板。
【文檔編號(hào)】G01H11/06GK103797343SQ201280031330
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2012年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月24日
【發(fā)明者】K·庫(kù)德拉蒂, M·維辛格, M·塞納斯卡 申請(qǐng)人:Avl里斯脫有限公司