[發明專利]電容式超聲換能器

有效

• 申請號: 201280031330.6
• 申請日: 2012-06-19
• 公開（公告）號: CN103797343B
• 公開（公告）日: 2016-11-30
• 發明（設計）人: K·庫德拉蒂;M·維辛格;M·塞納斯卡
• 申請（專利權）人: AVL里斯脫有限公司
• 主分類號: G01H11/06
• 分類號: G01H11/06;B06B1/02
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 饒辛霞

技術領域

本發明涉及一種電容式超聲換能器，包括一個具有背板的傳感器頭，所述背板的結構化的正面設有絕緣層并且其背面設有電極。

背景技術

當今主要將兩種類型的超聲傳感器用于在空氣或在氣體環境中的應用，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特性的差異之外，只在溫度適中并且介質沒有腐蝕性時才能使用這兩種類型。

肯定有一些溫度較高的應用迄今為止無法使用測量技術，例如在內燃機的研發中。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℃(例如當發動機在氣溫箱中冷起動時)直至大約1000℃。關鍵還有這樣的事實：內燃機的排氣溫度可能迅速且劇烈地變化，例如當從滿負荷的發動機運行到牽引運行的負荷變化時。所使用的傳感技術應當能夠耐受這種極度的熱交變負荷。

壓電陶瓷超聲傳感器(例如在DE?10040344、DE?4434692、DE102006026674、DE?102008027970、DE?102009032809和DE?202004002107中公開了最近的研發成果)只能在350℃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，壓電晶體在超過該溫度之后就會喪失其壓電特性。持續的熱交變負荷可能在這些傳感器中導致材料疲勞(永久破壞壓電晶體)。

傳統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電基質上繃緊的金屬涂層的膜片同時構成電容的絕緣層，其中通常用作介電膜片材料的塑料膜或還有由氮化硅構成的膜片都不能滿足溫度要求，像例如在D.A.Hutchins、D.W.Schindel、A.G.Bashford和W.M.D.Wright于1998年第36期Elservier?Ultrasonics上發表的“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，在高于300℃的溫度下也已出現氧化，如果換能器膜片的材料厚度很小，這種氧化導致其迅速毀壞。

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。通過高溫還在絕緣層中引起導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構重組或再結晶。如果是背電極，則通過高溫，金屬層加速擴散到硅晶體中，這在一定時間之后導致電極完全消失。在熱交變負荷情況下，由于熱膨脹系數的匹配很差，導致絕緣層從載體材料上剝落，或者導致膜片從傳感器殼體離開，這意味著傳感器的破壞。

發明內容

本發明的任務在于超聲換能器的一種改進結構，借此即使在強氧化和還原介質中也能實現直至幾百攝氏度的提高的耐溫性。

為了解決所述任務，根據本發明，所述換能器的特征在于，膜片沿平面方向被施加拉應力。

在此按照第一種實施方式，膜片被擠壓在兩個環之間。

而一種備選的實施方式的特征在于，膜片與至少一個環焊接在一起。

以有利的方式設定，膜片的材料選自Ni-Cr合金、奧氏體鋼、鐵素體鋼或“超級合金”。

在此特別具有優點的是，膜片由一種鉻含量至少為16％和鋁含量至少為1％的材料構成。

還有一種實施方式適合于解決上述任務，其中，絕緣層由一種具有非結晶結構的材料構成。

在此優選設定，絕緣層由多個非結晶層構成。

上述任務還可以通過本發明所述的特征加以解決，即背電極具有多層的結構，其中至少一個層相對于背板的基底材料構成擴散阻擋層，以及表面層由鉑構成。

此外以有利的方式設定，傳感器頭設計成獨立于超聲換能器的其余部分可更換的組件。

根據本發明的超聲換能器的一種有利的實施方式的特征在于，設置有一個用于聲輻射面的加熱裝置。

根據本發明的超聲換能器的另一種有利的實施方式的特征在于，通過在換能器中的通道連接在膜片上方和下方的各區域。

在此有利的方式是，在通道中設置有過濾器。

本發明的另一特征可以在于，經由一個彈性銷觸點接通傳感器頭的背板。

在此有利的方式是，在銷和背板之間插入一個金屬的中間板。