CN104395704A - 用于高温的超声波传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超声波传感器，其包括由铌酸锂(LN)单晶制成的压电振子，并通过产生高超声波输出可以在高温区域中使用，并且防止在晶体中生成裂纹。本发明的压电振子1具有通过使正交于LN晶体中的Y轴的面围绕X轴旋转36°±2°而作为输出面得到的面(Y轴36°切割面)。所述超声波传感器还包括由钛制成的延迟器3和用于将延迟器3的一个表面连接到输出面的连接层2。连接层2由银和烧结玻璃制成，并且所述烧结玻璃具有范围为5×10-6K-1至15×10-6K-1的线性膨胀系数。

Description

用于高温的超声波传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种超声波传感器，并且更具体地，涉及适合用于测量高温流体的流率的超声波传感器及其制造方法。
背景技术
超声波流量计将超声波发射到流体中、接收发射的超声波以获得流速，并将获得的流速转化为流体的流率，从而测量流率(非专利文献1)。超声波传感器是一种压电振子，被用来发射或接收超声波。作为获得流速的方法，存在使用多普勒效应的方法等。然而，一种用于测量传递时间差的方法已经得到了广泛的应用，所述方法采用分别设置在管子的上游侧和下游侧的超声波传感器，并包括：获得基于被传送至上游侧的超声波的传播时间和被传送至下游侧的超声波的传播时间之间的差的流速；以及通过获得的流速计算流率。
所述用于测量传递时间差的方法使用选通门和高速计数器，所述选通门被构造为测量基于设置在所述管子的上游侧和下游侧的超声波传感器之间的超声波传送时机和超声波接收时机的时间，所述高速计数器用于测量向上游侧的超声波传播时间和向下游侧的超声波传播时间。作为时间检测方法，存在过零法来测量所接收到的超声波信号经过零位时的位置。
同时，关联法得到基于传送波形和接收波形的自相关峰值时间的向上游侧的传播时间和向下游侧的传播时间。
超声波流量计也已被用于诸如锅炉的设备中来测量在高温和高压条件下的流体的流率。当锅炉的出口温度为约100℃时，采用压电锆钛酸盐(PZT)的传感器已主要被用在本领域中，所述压电锆钛酸盐(PZT)是压电陶瓷。然而，根据PZT的组成，PZT的居里点(curie point)为约150至250℃，并且所述PZT的压电常数在居里点附近显著降低。出于这个原因，为了测量在超过200℃的区域中的流体的流率，采用压电材料或采用具有比PZT高的居里点的压电单晶材料的传感器已被使用(非专利文献2)。
作为在高温区域中的超声波流动测量方法，已经提出了通过冷却由基于传统的PZT的材料制成的传感器而使用所述传感器的方法。例如，专利文献1公开了根据传递时间差原理，通过将高温流体流过其中的管子设置于充满低温液体的容器中，并在所述管子的上游侧和下游侧的管壁上设置超声波传感器，使得所述超声波传感器被所述低温液体冷却，从而得到高温流体的流率的方法。另外，专利文献2公开了当测量高温流体的流率时通过在压电振子和高温流体之间安装石英材料的声音传送通道来防止压电振子的温度由于高温流体的热量而升高的构造。
同时，作为压电材料，存在具有比PZT高得多的居里点并且可以承受高温条件的铌酸锂(LiNbO3：以下简称为LN)。在非专利文献5中描述了LN的一般性质。LN的居里点为约1200℃。图1(a)示出了LN的晶体结构。LN具有三方晶系的晶体结构，并且如图1中所示的那样，从晶体学上定义了X轴、Y轴和Z轴。另外，作为LN的晶格常数， 并且
当LN被用作超声波流量计的超声波传感器时，具有短持续时间的超声波需要作为脉冲波产生，并因此需要阻尼振动。为阻尼振动，金属件(即阻尼器)被连接到所述LN振子。作为金属件的连接位置，有两种情况：一种情况，如专利文献4等所描述的那样，其中所述金属件被连接到与超声波传感器中的超声波的输出面相同的表面上；以及一种情况，如专利文献5等所描述的那样，其中所述金属片被连接到与超声波的输出面相对的表面上。专利文献4公开了铝合金导线材料被用于将阻尼部分连接到压电振子上，并且专利文献5公开了银(Ag)被用作阻尼部分用于通过银和金(Au)薄膜之间的共晶连接将阻尼部分连接到压电振子上。另外，专利文献7公开了一种金属鞋(shoe)，所述金属鞋形成温度梯度，同时作为阻尼部分被连接到由具有高居里点的强电介质材料制成的压电振子上。另外，专利文献10公开了使用Al-Si-Mg合金或银焊料作为用于实施与LN压电振子的连接的导线材料，并且，使用含有45％的Ag、16％的Cu、24％的Cd而余量为Zn的材料作为所述银焊料。另外，专利文献10公开了当LN压电振子被连接到由金属陶瓷绝缘材料制成的保护层时，通过离子镀在金属陶瓷绝缘材料的表面上形成Cu或Ni的薄膜，在所述压电振子上形成银电极，然后通过银焊料将压电振子的银电极连接到金属陶瓷绝缘材料上。
当为三方晶系的LN单晶热膨胀时，线性膨胀系数存在各向异性，并且即使X轴方向的线性膨胀系数与Y轴方向的线性膨胀系数相同，Z轴方向的线性膨胀系数也与它们不同。考虑到金属阻尼部分被连接到由LN单晶制成的压电振子上，当阻尼部分被连接到LN中非正交于Z轴的面(所谓的“Z切割面”)的面时，在热膨胀过程中连接面内发生各向异性，并且因此，由于施加于压电振子的热循环等而导致压电振子中可能产生裂纹。然而，如非专利文献3等所述的那样，LN单晶中的Z轴方向上的压电系数比其他普通压电材料的压电系数小。为此，其中即使当热循环施加于LN压电振子时LN压电振子也不会被损坏的超声波传感器具有降低的超声波的传送或接收能力，不能准确地测量流率。表1示出了不同压电材料中诸如居里点、压电系数和相对介电常数的特性，并且表2示出了LN或其他材料中的热膨胀系数(线性膨胀系数)。在表1中，Z切割板表示沿着两个平行的Z切割面切割的LN板，并且Y 36°切割板表示沿着下文将要描述的两个平行的Y轴36°切割面切割的LN板。
[表1]
[表2]
材料 在25至850℃下的线性膨胀系数(×10-6K-1)
LiNbO3(X轴方向、Y轴方向) 5.15至2.25
LiNbO3(Z轴方向) 13.85至3.88
银 18.9或更高
不锈钢(SUS304) 14.8
纯钛 8.4或更高
烧结玻璃(SiO2-B2O3-ZnO) 7.65
当利用超声波构造流量计时，例如，超声波传感器需要被机械地和声学上地连接到管子或安装在管子上的套管上。在这种情况下，来自超声波传感器的超声波需要被有效地传递到所述管子、所述套管等等，并且因此，耦合剂(接触介质)被施加到所述管子、所述套管等等的接触部分。当制造用于高温的流量计时，将可承受高温的材料作为耦合剂使用。例如，专利文献6至8公开了一种耦合剂，所述耦合剂包含作为主要成分的水玻璃，并在测量温度区域内具有合适的柔性或粘度。在超声波传感器被制造后，所述包含作为主要成分的水玻璃的耦合剂通过施涂等被布置于超声波传感器。专利文献9也公开了由耐热软金属制成的电极，所述耐热软金属在测量温度区域内具有合适的塑性，并且所述电极被用作耦合剂。另外，使用金箔或铜箔和银作为高温用耦合剂的实例是本领域中已知的。
超声波流量计使用了基于例如在流动方向上的超声波传递时间与在与流动方向相反的方向上的超声波传递时间之间的差得到流速、并通过得到的流速测量流率的原理(非专利文献1)。因此，优选超声波流量计具有对于超声波信号的小Q值和作为超声波流量计整体的小回响。当过零法或关联测量法被用来测量传递时间差时，重要的是要减少(特别是)回响。
为减少回响，例如，在用于非破坏性检查或医学治疗的超声波探头的前表面上设置薄的保护膜或延迟器。所述延迟器兼作上述阻尼部分。当延迟器的声阻抗(本文中是指由声速和材料密度的乘积所表示的“固有的声阻抗”)接近所述压电振子的声阻抗时，从压电振子生成的超声波被传送到所述延迟器，振动能通过被分散于振子之中而消失。因此，多次反射，也就是共振迅速地尽可能多地在振子内减弱。由于振子的声阻抗接近于所述延迟器的声阻抗，压电振子内的振动能被传递到振子的外部，因此振子的Q值被降低，并且振子的输出波形变为具有小振铃(ringing)的波形。然而，在本领域中已经使用了具有高Q值的压电振子。专利文献3公开了通过在用于非破坏性检查等的双振子型超声波探头中使用传播辅助构件，出现的回响小。
[现有技术文献]
(专利文献1)日本专利特许公开第2000-162004号
(专利文献2)日本专利第4205711号
(专利文献3)日本专利特许公开第2006-090804号
(专利文献4)日本专利特许公开第7-046095号
(专利文献5)日本专利特许公开第10-339722号
(专利文献6)日本专利特许公开第4-029056号
(专利文献7)日本专利第4244172号
(专利文献8)日本专利特许公开第2005-064919号
(专利文献9)日本专利特许公开第2008-256423号
(专利文献10)美国专利第4961347号的说明书
[非专利文献]
(非专利文献1)“(修订版)流量计的实用导航”，日本称重设备工业协会联盟，一般法人团体，Kogyogijutsusha出版社，第119-126页(2012年9月)
(非专利文献2)R.Kazys等人，“用于液体铅铋中的准成像系统的抗辐射超声波传感器的研究与发展(Research and development of radiationresistant ultrasonic sensors for quasi-image forming systems in a liquidlead-bismuth)”，ISSN 1392-2114ULTRAGARSAS(ULTRASOUND)，第62卷，第3期，第7-15页，2007年
(非专利文献3)Q.F.Zhou等人，“使用LiNbO3单晶的反转层超声波换能器的设计与建模(Design and modeling of inversion layer ultrasonictransducers using LiNbO3single crystal)”，超声(Ultrasonics)，第44卷，增刊，第e607-e611页，2006年
(非专利文献4)Ikeda Dakuro，“压电材料基础”，OHM公司，1984年
(非专利文献5)K.K.Wong编辑，“铌酸锂的性质(Properties ofLithium Niobate)”，教育管理信息系统数据回顾系列(EMIS datareviewsseries)第28号，INSPEC，2002年
发明内容
[技术问题]
当使用由铌酸锂(LN)制成的压电振子构造可以在高温区域中使用的超声波传感器时，考虑到LN的热膨胀系数和各向异性，为了防止振子被损坏，已经在本领域中使用了压电振子，所述压电振子具有作为超声波的输出面的正交于所述晶体的Z轴的面(Z切割面)。然而，由于在LN中的Z轴方向上的压电常数小，导致不能以高输出产生超声波，从而不能以高灵敏度检测到超声波。
作为LN中具有大压电常数的取向，其中晶体中的Y轴旋转至X轴附近约+36°(例如，36°±2°)的取向是本领域中已知的(例如，非专利文献3)。为获得具有高超声波输出和高灵敏度的超声波的超声波传感器，可以考虑以以下方式构造的超声波传感器：作为超声波的输出面形成的正交于其中Y轴旋转至X轴附近的约+36°的方向的面(下文中称为“Y轴36°切割面”)。图1(b)描述了LN的Y轴36°切割面并示出了Y轴36°切割面可以通过使正交于Y轴的面(Y切割面)旋转至X轴附近+36°得到。图1(b)还示出了用于参考的Z切割面。然而，由于在非Z切割面的面中的两个平面内的方向上的线性膨胀系数不同，所述非Z切割面的面即在作为法向面的Z轴方向上被设置成倾斜方向的面，所以可以得到均匀的线性膨胀系数，并且当例如延迟器或阻尼构件被连接到所述面时，晶体中可能会产生裂纹。因此，需要形成作为输出面的Y轴36°切割面并开发用于防止在将延迟器等连接于其上时在晶体中产生裂纹的连接方法。可能不会找到在Y轴36°切割面的线性膨胀系数的具体数值，但所述数值被认为是Z轴方向上的线性膨胀系数和X轴方向上的线性膨胀系数(X轴方向上的线性膨胀系数与Y轴方向上的线性膨胀系数相同)之间的中间值。考虑到自Z轴的倾斜角，该值可估计为大约7至10×10-6K-1。
当形成作为输出面的Y轴36°切割面时，通过连接材料将晶体连接到延迟器以防止在晶体中产生裂纹，并且因此在连接期间所应用的温度范围内或超声波传感器的使用温度范围内，晶体、延迟器和连接材料需要具有彼此接近的线膨胀系数的值。
此外，在上述传统的超声波传感器中，耦合剂(接触介质)需要被布置在连接有所述传感器的管子或套管和超声波的输出面(例如，超声波的发射端面)之间以改善以超声波而言的机械耦合。在高温用常规超声波传感器中，难以迅速地将超声波传感器置于管子或套管中，所述管子或套管为之后通过额外地将诸如金箔、铜箔、铝箔、聚酰亚胺箔和水玻璃的耦合剂材料施加或附着于超声波传感器来进行检查的对象。因此，需要一种形成在制造超声波传感器期间被用作超声波的输出面上的耦合剂的软金属的方法。
超声波传感器需要通过使用可以适当地将纵波和横波彼此分开以传播高品质的信号的单晶来提高测量精度。已知将钛延迟器连接到压电振子是有效的，但是如果棒状钛延迟器被连接到单晶LN，则来自与延迟器中的被连接面相对的一侧的端面的超声波被多次反射，并且因此其相位被反转180°。为此，由于所述超声波的作为回响的反射波与原始超声传递信号重叠，从而引起测量用的信号处理中的劣化。特别地，当使用过零法或关联法来测量传递时间差时，如果多重反射波在任何情况下都与原始接收的信号重叠，则不能准确地测量流率。
因此，考虑到上述情况，本发明的目的是提供一种超声波传感器以及所述传感器的制造方法，所述传感器包括通过将LN的Y轴36°切割面作为输出面来产生高超声波输出的压电振动，并且所述传感器可以被用于高温区域中，并防止在晶体中产生裂纹。
[技术方案]
根据本发明的一个方面，提供了一种超声波传感器，所述超声波传感器包括：压电振子，所述压电振子由铌酸锂制成，并且具有作为输出面的Y轴36°切割面；由钛制成的延迟器；以及连接层，所述连接层用于将所述延迟器的一个表面连接到所述输出面，其中，所述连接层由银和烧结玻璃制成，并且所述烧结玻璃具有范围为5×10-6K-1至15×10-6K-1的线性膨胀系数。
根据本发明的另一方面，提供了一种含有作为压电振子的铌酸锂的超声波传感器的制造方法，所述方法包括：形成压电振子，所述压电振子具有作为输出面的Y轴36°切割面，并且通过将银浆施加于至少所述输出面并使它们烧结来制备所述压电振子；将所述银浆施加于钛延迟器的彼此相对的一个表面和另一个表面；以及使所述延迟器的一个表面与烧结的压电振子的输出面接触，然后在惰性气体气氛下、在预定或更高的温度下对它们进行烧结，其中，被施加到所述输出面和所述延迟器的所述一个表面的银浆包括银和烧结玻璃，并且所述烧结玻璃具有范围为5×10-6K-1至15×10-6K-1的线性膨胀系数。
在本发明中，Y轴36°切割面是指通过使正交于LN晶体中的Y轴的面围绕X轴旋转约+36°(例如，36°±2°)得到的面。
另外，惰性气体的实例可以包括氮气和氩气，并且预定的温度可以是例如500℃。
[有益效果]
根据本发明，通过使用用于将LN压电振子连接到钛延迟器的银和烧结玻璃材料，能够提供高输出的Y轴36°切割面可以被用作所述LN压电振子的输出面，而不损坏所述压电振子，并且甚至在高温条件下使用时也是如此。
附图说明
图1(a)为示出铌酸锂(LN)晶体结构的示意图，图1(b)为用于描述LN的Y轴36°切割面的示意图。
图2(a)和图2(b)分别为本发明的一个实施方案的超声波传感器的俯视图和侧视图。
图3为如图2所示的超声波传感器的制造方法的流程图。
图4为示出了测量流率用的传送和接收构造的示意图。
图5为示出了用于驱动超声波传感器的脉冲波波形的波形示意图。
图6为用于描述超声波传感器中的多重反射的示意性横截面图。
图7(a)和图7(b)为用于描述光束发散角的图形。
图8(a)和图8(b)为用于描述多重反射波形的图形。
[附图标记]
1：压电振子，2：连接层
3：钛延迟器，4：耦合剂
20：超声波传感器，21：管子
22：套管部件，23：套管
具体实施方式
在下文中，将参照附图对本发明的实施方案进行说明。图2示出了本发明的一个实施方案的超声波传感器。
所述超声波传感器包括作为压电振子1的铌酸锂(LN：LINbO3)的单晶。压电振子1具有圆盘形状。在压电振子1中，在圆盘中形成的底表面和顶表面两者都为LN的Y轴36°切割面。此外，压电振子1的互相相对的两个表面(上述的底表面和顶表面)中的一个表面(图2中的底表面)为输出面，超声波通过所述输出面从压电振子1输出。所述输出面通过连接层2连接到圆棒状钛延迟器3的一端。钛延迟器3由纯钛(Ti)形成。首先，钛延迟器3可以不可避免地包括包含于钛中的杂质。如下文所描述的那样，通过使含有烧结玻璃的银浆烧结来形成连接层2。因此，连接层2由银和烧结玻璃制成。本文中，使用具有范围为5×10-6K-1至15×10-6K-1的线性膨胀系数的烧结玻璃。钛延迟器3的另一端设置有包含银的耦合剂4。为形成所述超声波传感器的耦合剂，同时无需在随后加入耦合剂来制造所述传感器的主体，优选的是：具有与连接层2相同组成的耦合剂4与连接层2同时形成。
图3示出了超声波传感器的制造方法的实例。
例如，用电极用银浆涂覆厚度为0.8mm至1.6mm、直径为10mm至18mm的LN单晶(压电振子1)的相对表面，并在700至850℃下烧结(步骤11)。此外，用银浆涂覆由纯钛材料制成的钛延迟器3的圆棒(20mm的直径和20mm的长度)的两个端面，并在80℃下干燥(步骤12)。此外，使含有烧结的电极的LN单晶(压电振子1)接触钛延迟器3的尖端部分(步骤13)，并使它们作为整体烧结(步骤14)。为了所述烧结，使用惰性气氛燃烧炉，并且将与钛延迟器连接的LN在空气中存储并保持一段时间直到在燃烧炉内的温度达到500℃，也就是说，保持3小时以蒸发出被包含在银浆中的粘合剂成分。接着，燃烧炉内的温度在惰性气体或空气气氛下持续2小时从500℃升高到700至850℃的范围。将燃烧炉保持在惰性气体或空气气氛中的原因是为了防止在连接层2中形成钛氧化物层或控制所述氧化物层。作为惰性气体可以使用例如氩气(Ar)、氮气(N2)、它们的混合气体。将与钛延迟器连接的LN存储并在700至850℃下保持30分钟，然后在惰性气体或空气氛围中被冷却到室温，保持10小时(步骤15)。通过上述过程完成根据本实施方案的超声波传感器。
根据本发明，将钛延迟器3连接到LN的Y轴36°切割面。本文中，为了防止压电振子(LN晶体)1中的损坏，使用含有烧结玻璃的银浆进行连接。在这种情况下，本文中所使用的银浆以质量比计包括79-82％的银和2.3-2.5％的烧结玻璃成分，以及作为余量的有机粘合剂成分。所述有机粘合剂成分主要包括二乙二醇单正丁基醚或乙基纤维素。
根据本发明实施方案，与银浆混合的烧结玻璃的类型可以包括例如SiO2-ZnO-B2O3(锌硼硅酸盐)和B2O3-ZnO-Al2O3(锌氧化铝硼酸盐)，并且可以使用具有范围为5×10-6K-1至15×10-6K-1、优选7至8×10-6K-1的线性膨胀系数的材料。在这种情况下，银浆的组成可以包括以质量％计82％的Ag、0.1％的Si、0.05％的Al、0.2％的B、1.0％的Zn。此外，所述烧结玻璃可以为基于(Al2O3-B2O3-ZnO-CoO-K2O-CaO-SnO)-SiO2的烧结玻璃，并且可以使用具有7.6×10-6K-1的线性膨胀系数的材料。在这种情况下，银浆的组成可以包括以质量％计81％的Ag、0.4％的Si、0.2％的Al、0.2％的B、0.01％的Zn和0.02％的Co。根据本发明的发明人的检阅，优选使用含钴的烧结玻璃。如从上文表2可以看出的那样，玻璃成分的线性膨胀系数为7.65×10-6K-1，其接近于钛材料的线性膨胀系数8.4×10-6K-1。对于银浆烧结后的线性膨胀系数而言，相比于18.9×10-6K-1的银的线性膨胀系数，具有7.65×10-6K-1的线性膨胀系数的玻璃占主体。为此，根据本发明实施方案的超声波传感器在LN的Y轴36°切割面的线性膨胀系数中具有平面内各向异性，以防止被连接的部分分层或在晶体中产生裂纹。根据本发明方案，连接层2的厚度为例如10μm至30μm，并且耦合剂4具有厚度为5μm至20μm的层。
在下文中将描述延迟器的材料。通过上文所述的方法制造根据本实施方案的超声波传感器。本文中，为减少在将所述延迟器连接到压电振子期间所经受的500至850℃的温度范围内的热氧化，并且考虑到加工性能，使用纯钛而不是不锈钢。对于线性膨胀系数而言，纯钛具有8.4×10-6K-1的线性膨胀系数，其接近于被认为在LN的Y轴36°切割面的7至10×10-6K-1的线性膨胀系数。根据本发明的发明人的检阅，当延迟器由钛合金制造时，压电振子的线性膨胀系数与延迟器的线性膨胀系数之间的差增大，并因此认为容易发生被连接的部分的分层、晶体中的损伤等。
图4示出了使用根据本发明实施方案的超声波传感器用于测量流率的构造。本文中，在管子21中流动的热水是将要被测量流率的对象。在管子21的上游侧和下游侧分别安装有套管部件22。每个套管部件22都具有套管23，所述套管23由铸铁制成并被构造成将超声波传送到管子21中的水中。将根据本发明实施方案的超声波传感器20从外部连接到套管23上，以通过耦合剂4将所述套管23压焊到钛延迟器3。本文中，管子21中水的温度被设定为例如230℃，这比大气压力下的水的沸点(100℃)高很多。因为这个温度接近水的临界点，所以管子21中水的压力为例如20MPa。
如图4中所示的构造中，由铸铁制成的套管23被安装在每个套管部件22的内部，并且超声波传感器20被从外部安装在套管部件22中，因此超声波传感器20不接触水。然而，由于超声波传感器20经受来自套管部件22的热，所以它需要在高温下运行。
本文中，超声波传感器20通过如图5所示的那样由5个电压尖峰(即5个波)形成的4MHz的脉冲波驱动，并包括用于产生脉冲波的信号发生器25。从信号发生器25产生的脉冲波通过放大器26被放大到100V峰 到峰的正弦波并被传送到(高频)RF开关27。RF开关27发挥每隔1ms改变上游侧的超声波传感器20和下游侧的超声波传感器20之间的传送和接收的功能。当上游侧的传感器传递超声波脉冲信号并且下游侧的传感器接收脉冲信号持续1ms(T1)时，上游侧的传感器接收超声波脉冲信号并且下游侧的传感器传递超声波脉冲信号用于后续的1ms(T2)。RF开关27输出被位于接收侧的超声波传感器接收的信号，其中，所述信号通过50欧姆终端数字示波器28记录。数字示波器28接收来自信号发生器25的触发信号。可以从记录在数字示波器28中的数据获得传递时间差，并因此可以基于管子21的形状、每个超声波传感器20的布置、待测量对象(本文中，水)的声学性质由所述传递时间差计算流速和流率。
接下来，将描述来自延迟器的端面的多重反射。图6描述了多重反射的产生原理。
在与钛延迟器3和压电振子1之间的连接面相对的一侧的端面(耦合剂的端面)中，超声波发射线的两侧之间的声阻抗不同，因此，在端面中超声波被反射，并且此时，发生180°的相转移。被反射的超声波被传播到连接面侧并从连接面被反射以再次传播至端面侧，同时产生180°的相转移。为此，重复生成传播波形。
由于形状因素例如直径，钛中的声速可以改变，但是纵波基本上是由(弹性模量/密度)1/2表示，因此，通过代入钛中的这个值，(弹性模量/密度)1/2＝(116/4.056)1/2[m/s]＝5348m/s。
由于反射波为直线到达菲涅耳区(Fresnel Zone)极限的平面波，所以在获得菲涅耳区极限值L的情况中，当波长定义为λ时，L＝(半径)2/4λ，因此当钛延迟器的半径为10mm时，在4MHz的频率下，L＝(10-2)2/(4×5348/(4×106))＝19mm，并且当钛延迟器的半径同样为10mm时，在2MHz的频率下，L＝10mm。延迟器的长度比菲涅耳区极限长。为增加延迟器的长度，需要使用具有低声速的材料。同时，钛材料具有比其他材料低的声速，因此是有利的。此外，在表示菲涅耳区极限的等式中，半径越大，延迟器的长度越长。然而，光束发散角(在声压为50％时的角)根据延迟器的半径增加而增加，并因此降低了被测量的流率的精度。因此，考虑到精确的流率测量，存在对延迟器的长度增加的限制。
为计算光束发散角，中央声场的强度可由具有a＝2cm(对应于10mm的半径)的正方形声场、而不是需要第一类Bessel函数的圆形声场的近似方程表示。近似方程表示如下。
[数学方程1]
r = sin ( ka · sin θ ) ka · sin θ
k = 2 π λ
图7示出了矩形声场中的近似计算的结果，其中，(a)示出了2MHz的频率，而(b)示出了4MHz的频率。从结果可以理解在4MHz下的光束发散角为0.63°，并且在2MHz下的光束发散角为1.37°。
可以通过菲涅耳反射的计算方程由设置在边界两侧的材料的(内在)声阻抗计算边界处的反射。表3示出了每种材料的密度、声速、声阻抗。
[表3]
通过以下的数学方程2计算从钛延迟器到银耦合剂的边界处的反射。
[数学方程2]
R = ( ρ 2 c 2 - ρ 1 c 1 ρ 2 c 2 + ρ 1 c 1 ) 2 = ( 38.32 - 18.67 38.32 + 18.67 ) 2 = 0.33 2 = 0.11
同理，通过以下的数学方程3计算由银制成的连接层和LN单晶之间的边界处的反射。
[数学方程3]
R = ( ρ 2 c 2 - ρ 1 c 1 ρ 2 c 2 + ρ 1 c 1 ) 2 = ( 38.32 - 32.7 38.32 + 32.7 ) 2 = 0.08 2 = 0.006
同时，通过以下的数学方程4表示从银耦合剂到铸铁的边界处的反射，并且由于银耦合剂和铸铁的声阻抗彼此接近，所以该反射为可以被忽略的小值。
[数学方程4]
R = ( 38.59 - 38.32 38.59 + 38.32 ) 2 = 0.003 2 = 0.00009
当超声波从由铸铁的套管输出到水中时，通过以下的数学方程5表示反射，并且相对于总反射波的15％的非反射侧被输出到水中。
[数学方程5]
R = ( 38.59 - 1.45 38.59 + 1.45 ) 2 = 0.85
如果将从钛延迟器3与由银制成的耦合剂4之间的边界被反射并再次从与压电振子的边界被反射的波表示成反射波，则钛延迟器3需要具有不会发生多重反射的长度，在所述多重反射中，反射波与测量波重叠。图8(a)示出了有足够时间间隔的实例，并且图8(b)示出了没有多重反射影响的实例，但由于多重反射的影响，反射与作为回响的波形重叠。例如，当钛延迟器3的长度设为10mm时，脉冲信号的频率设为4MHz(每个波的时间是0.25μs)，信号中的波数被设为5个波，并且以这5个波驱动压电振子，然后被阻尼以减弱这5个波处的振动，作为钛延迟器3的长度，至少需要对应于驱动波形的两倍大的10个波的时间。这是0.25×10＝2.5μs。当钛延迟器3的长度设为10mm时，超声波在延迟器处的往复传播时间为2×10×10-3/5348＝3.7μs，并且多重反射波的时间间隔为12μs。同时，当频率为2MHz时，10个波所至少需要的时间为大约0.5×10＝5μs，并且多重反射波与用于测量的信号重叠。当延迟器的长度为L时，频率为f，脉冲波的波数为N，并且延迟器中的声速为v时，为了防止多重反射波的影响，压电振子的驱动时间和阻尼时间相同，需要满足(L/v)＞(N/f)的关系。
如上所述，根据本实施方案的通过使用银和烧结玻璃材料来连接形成延迟器的钛材料来使用LN压电振子的超声波传感器可以使用可以实现高输出的作为压电振子的输出面的Y轴36°切割面，同时防止压电振子被损坏或防止连接部分被分层。此外，超声波传感器使用用于作为耦合剂材料将钛延迟器连接到压电振子的银和烧结玻璃材料，并且其结果为：当超声波传感器被连接到管子或套管时，不需要随后额外地布置耦合剂材料。此外，在钛延迟器中，不受多重反射影响的尺寸条件得到确定，因此，可以处理高质量信号。

Claims (9)

1.一种超声波传感器，其包括：
压电振子，所述压电振子由铌酸锂制成，并且具有通过使正交于铌酸锂晶体中的Y轴的面围绕X轴旋转36°±2°而得到的作为输出面的面；
由钛制成的延迟器；以及
连接层，所述连接层用于将所述延迟器的一个表面连接到所述输出面，
其中，所述连接层由银和烧结玻璃制成，并且
所述烧结玻璃具有范围为5×10-6K-1至15×10-6K-1的线性膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其中，所述延迟器的相对表面具有含银的耦合剂层。
3.根据权利要求2所述的超声波传感器，其中，所述耦合剂层由银和烧结玻璃制成，并且
所述烧结玻璃具有范围为5×10-6K-1至15×10-6K-1的线性膨胀系数。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的超声波传感器，其中，所述连接层中的所述银对所述烧结玻璃的质量比在79:2.3至82:2.5的范围内。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的超声波传感器，其中，所述延迟器由不可避免地包含杂质的纯钛制成。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的超声波传感器，其中，当所述延迟器的长度为L，所述延迟器中的声速为v，所述超声波传感器的使用频率为f，并且驱动所述超声波传感器的脉冲波的波数为N时，满足(L/v)＞(N/f)的关系。
7.一种含有作为压电振子的铌酸锂的超声波传感器的制造方法，所述方法包括：
形成压电振子，所述压电振子具有通过使正交于铌酸锂晶体中的Y轴的面围绕X轴旋转36°±2°而得到的作为输出面的面，并且通过将银浆施加于至少所述输出面并使它们烧结来制备所述压电振子；
将所述银浆施加于钛延迟器的彼此相对的一个表面和另一个表面；以及
使所述延迟器的一个表面与烧结的压电振子的输出面接触，然后在惰性气体气氛下、在预定或更高的温度下对它们进行烧结，
其中，被施加到所述输出面和所述延迟器的所述一个表面的银浆包括银和烧结玻璃，并且所述烧结玻璃具有范围为5×10-6K-1至15×10-6K-1的线性膨胀系数。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，被施加于所述延迟器的所述另一个表面的银浆的组成与被施加于所述延迟器的所述一个表面的银浆的组成相同。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，其中，所述银浆包括有机粘合剂，并且所述银浆中的所述银对所述烧结玻璃的质量比具有范围从79:2.3至82:2.5的值。
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