DE112009001424T5

DE112009001424T5 - Asymmetrischer Komposit-Schallwellensensor

Info

Publication number: DE112009001424T5
Application number: DE112009001424T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey C. Andle; Reichl B. Haskell
Original assignee: Delaware Capital Formation Inc; Capital Formation Inc
Current assignee: Microsemi Corp High Performance Timing
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2009-08-12
Publication date: 2011-04-14
Also published as: WO2010027615A2; US8022595B2; US20100052470A1; WO2010027615A3

Abstract

Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung mit einer Ziel-Resonanzfrequenz, die mit einer ausgewählten Polarisation einer akustischen Verschiebung verbunden ist, wobei die Vorrichtung umfasst:
eine steife Schutzplatte, die an eine mechanische Halterung montiert ist, wobei die Schutzplatte ein Material mit qualitativ hochwertigen akustischen Charakteristika umfasst, wobei die Schutzplatte eine Steuerfläche und eine Abtastfläche hat, und ferner mit einer Dicke, welche im Wesentlichen ein Mehrfaches einer halben Wellenlänge der Resonanzfrequenz beträgt;
eine piezoelektrische Platte mit einer Dicke von im Wesentlichen einem Mehrfachen einer halben Wellenlänge der Resonanzfrequenz in der Platte, wobei die piezoelektrische Platte eine Anregungsfläche mit wenigstens einer darauf angeordneten Wandlerelektrode hat;
wobei die Elektrode und wenigstens eine weitere Elektrode einen Wandler bilden, der in der piezoelektrischen Platte elektrische und akustische Energie untereinander umwandelt;
dadurch gekennzeichnet,
dass die piezoelektrische Platte von der Schutzplatte abgestützt wird, die eine Energie-Schnittstelle zwischen der Steuerfläche und einer Steuerfläche der piezoelektrischen Platte bildet;...

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende bezieht sich allgemein auf Schallwellensensoren und insbesondere auf hybride Schallwellensensoren für den Einsatz unter rauen und/oder stark druckunterschiedlichen Umgebungen.
Hintergrund der Erfindung
Piezoelektrische Sensoren sind allgemein bekannt. Sie werden zum Abtasten von Materialeigenschaften, wie Viskosität und Dichte, zum Erfassen des Vorhandenseins bestimmter Materialien in einer Umgebung, zum Messen der Reinheit einer fluiden Substanz und dergleichen verwendet. Für das akustische Abtasten bekannte Strukturen reichen vom einfachen Kristallresonator, von Kristallfiltern, Acoustic-Plate-Mode Vorrichtungen, Lamb-Wellen Vorrichtungen und dergleichen. Kurz gesagt umfassen diese Vorrichtungen ein Substrat aus piezoelektrischem Material, wie Quarz, Langasit oder Lithiumniobat, oder dünne Folien aus piezoelektrischem Material, wie Aluminiumnitrid, Zinkoxid oder Cadmiumsulfid auf einem nicht-piezoelektrischen Substrat. Das Substrat hat wenigstens einen aktiven piezoelektrischen Oberflächenbereich, welcher in den meisten Fällen hoch poliert ist. Auf der Oberfläche ausgebildet sind Eingangs- und Ausgangswandler zum Umwandeln von eingehender elektrischer Energie in akustische Energie innerhalb des Substrats und zum Rückumwandeln der akustischen Energie in ein elektrisches Ausgangssignal. Diese Wandler können aus Wandlern mit paralleler Platte und koplanarer Platte (akustische Volumenwelle) oder periodisch ineinandergreifend (akustische Oberflächenwelle) bestehen. Es sei angemerkt, dass ein einzelner Wandler sowohl als der Eingangs- als auch der Ausgangswandler agieren kann.
Piezoelektrische Materialien wandeln untereinander elektrische und mechanische Signale und Energie, was einem elektrischen Schaltkreis ermöglicht, aufgrund der mechanischen Eigenschaften eines Schwingungssystems auf einen physikalischen Effekt anzusprechen. Die Literatur liefert unzählige Fälle, in denen Temperatur, Druck, addierte Massen, viskoelastische Veränderungen, Magnetfelder und dergleichen unter Verwendung dieser Sensoren erfasst werden. Die Interaktionen zwischen den Vorrichtungen und den elektronischen Schaltkreisen haben in der Vergangenheit die Reaktion der Phase oder Amplitude der Vorrichtung bei einer gegebenen Frequenz und Veränderungen in der Resonanzfrequenz oder Dämpfung eines natürlichen Resonanzmodes der Vorrichtung beinhaltet. Sowohl die Phasenverzögerung als auch die Resonanzfrequenz können dazu verwendet werden, einen Schwingkreis zu erzeugen, der letztlich eine Frequenzänderung als die Reaktion des Schaltkreises auf physikalische Umgebungseinflüsse liefert.
Piezoelektrische Sensoren können so gestaltet sein, dass sie arbeiten, während sie vollständig in ein Fluid eingetaucht sind. Die empfindliche Elektronik ist dann jedoch, im Mindesten, Rauschsignalen und Lesefehlern und, im Extremen, einer Korrosion oder sogar Explosionsrisiken ausgesetzt. Eine Passivierung der Elektronikoberfläche ist allgemein bekannt und in einigen beschränkten Anwendungen geeignet, wie dies für Sensoren zu sehen ist, die mit Love-Wellen und Surface-Transverse-Wave (STW) arbeiten. Eine Passivierung ist jedoch nicht vollständig, und die elektrischen Komponenten des Schaltkreises sind nach wie vor einer kapazitiven Belastung und einem Rauscheintrag ausgesetzt. Darüber hinaus erfordern die meisten Passivierungsverfahren die Verwendung von Material mit schwachen akustischen Eigenschaften im Vergleich zu einzelnen Kristallmaterialien. Schließlich zeigen diese auf passivierten Oberflächenwellen basierenden Sensoren eine unerwünscht hohe Scherrate für viele Flüssigphasenmessungen. Obwohl solche Sensoren potentiell für viele Sensoranwendungen zur Verfügung stehen, sind sie nicht ideal, zum Beispiel beim Messen von Fluiden bei der Ölproduktion, insbesondere in Bohrlochumgebungen.
Vorzugsweise wird die Messfrequenz unter etwa 10 MHz gehalten und verwenden die bevorzugten Geometrien die Dicke der piezoelektrischen Platte, um einen Wellenleiter zu bilden.
In den meisten Anwendungen befindet sich nur die Oberfläche gegenüber den Wandlern in direktem oder indirektem Kontakt mit dem zu messenden Fluid und bildet eine Schnittstelle für die akustische Energie hin zu diesem und von diesem weg. Zusätzlich zu der Schnittstellenfunktion bildet das piezoelektrische Material eine schützende Membrane zwischen dem Fluid und einem die elektrischen Komponenten des Sensors enthaltenden Raum.
Da der Raum hinter dem piezoelektrischen Plattenmaterial üblicherweise nicht in gleichem Maße wie das Fluid unter Druck gesetzt ist, wirkt die piezoelektrische Platte als eine Membrane zwischen Hoch- und Tiefdruckumgebungen und ist der Druckdifferenz zwischen dem Fluid und dem Druck innerhalb des Raumes ausgesetzt. Deshalb beschränkt die begrenzte Festigkeit des Materials den Betriebsdruck, welchem der Sensor ausgesetzt sein kann. Selbst dann, wenn das Material ausreichend fest ist, um dem Druck zu widerstehen, wird der durch die Membranbiegung hervorgerufene nicht lineare Effekt auf den Sensor die Sensorcharakteristika ernsthaft beeinträchtigen.
Da eine zunehmende Materialstärke die Membranefestigkeit erhöht, wird eine einfache Lösung sein, die Dicke der piezoelektrischen Membrane zu erhöhen. Dies führt jedoch zu einer reduzierten akustischen Kopplung, einem reduzierten Wirkungsgrad und dynamischen Bereich und anderen Nachteilen, je nachdem, ob das piezoelektrische Material in einem Grundton- oder Oberton-Betriebsmodus betrieben wird.
Noch ein weiterer Nachteil der vorliegenden piezoelektrischen Sensoren ist der Mangel an Widerstandsfähigkeit gegenüber scharfen Chemikalien, Abrasion und dergleichen. So wird sich zum Beispiel ein ausgezeichnetes piezoelektrisches Material, wie Langasit, unter bestimmten sauren Umgebungen verschlechtern, und andere piezoelektrische Materialien, wie Lithiumtetraborat, sind wasserlöslich.
In der PCT-Anmeldung Nr. PCT/US06/15510 von Andle habe ich eine Komposit-Schallwellenvorrichtung (composite acoustic wave device, AWD) offenbart, welche für den Betrieb bei hohen Umgebungsdrücken ausgelegt ist. Die AWD umfasst zwei piezoelektrische Platten in einer symmetrischen rückenseitigen (back-to-back)-Beziehung, wobei Elektroden zwischen den Platten angeordnet sind. Die Platten sind verbunden, um so die Effekte des Außendrucks zu neutralisieren, der im eingetauchten Zustand isobar ist. Diese Anmeldung ist hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit mit aufgenommen.
Über mehrere Vorrichtungen wird in der Literatur berichtet, wie „Measurement of the equivalent circuit parameters of chemical interface layers on bulk acoustic wave resonator" von G J Gouws, R. C. Holt und J Zhen, Proceeding of the 2004 IEEE International Frequency Control Symposium and exposition, „PMMA polymer film characterization using thickness-shear mode (TSM) quartz resonator" von Boima Morray, Suiquong li, Jeanne Hossenlopp, Richard Cernosek und Fabien Josse, 2002 IEEE International Frequency Control Symposium and exposition, und andere. Solche Vorrichtungen fügen der freiliegenden Sensoroberfläche eine Schicht aus Polymer oder Metall hinzu, die durch Dünn- oder Dickfilmtechnologien abgeschieden wurde. In einigen Fällen können solche Schichten eine viertel oder sogar halbe Wellenlänge dick sein. In solchen Vorrichtungen ist die seitliche Ausdehnung der hinzugefügten Schicht durch die piezoelektrische Plattengröße begrenzt und stützt nicht die Piezoelektrik, sondern wird stattdessen von dieser gestützt. So sorgen Filmabscheidungsverfahren nicht für eine zusätzliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Druck oder Einkapselung gegenüber Umgebungsbeschädigung.
Ein akustischer Resonator für Volumenwellen hoher Obertöne, auch als HBAR bekannt, ist eine Kompressionswellenvorrichtung mit einer piezoelektrischen Schicht, die auf dem Ende eines Saphir- oder Granatstabes mit einer Länge die einer großen Zahl (wenigstens über 100) halber Wellenlängen entspricht. Eine beabsichtigte akustische Fehlanpassung zwischen dem Saphir und der piezoelektrischen Platte erlaubt der Vorrichtung, eine sehr hohe Reflektion der darin gefangenen Energie zu haben und somit eine Anzahl äußerst scharfer Übertragungsspitzen zu erzeugen. Die scharfen Übertragungsspitzen erlauben dem HBAR, als ein extrem hohes Q Filter zu wirken. Die schwache akustische Kopplung und der Kompressionswellen-Betriebsmodus machen die Vorrichtung jedoch wenig geeignet für ihre Aufgabe als Flüssigphasensensor, was eine Scherwelle erfordert. Um ferner eine höchst empfindliche elektrische Reaktion auf einen mechanischen Effekt zu erlangen, wird eine so dichte Kopplung wie möglich benötigt, um effizient zu arbeiten. Darüber hinaus versucht die vorliegende Erfindung, wie unten zu sehen ist, anders als bei dem HBAR, eine Wellenreflektion an der Energieschnittstelle zu minimieren, während der HBAR versucht, eine solche Reflektion zu maximieren, um den hohen Q, Mehrfachmodus-Betrieb zu erzeugen. Die vorliegende Erfindung ist ganz allgemein gerichtet auf eine Impulsvorrichtung mit schmalem Band, selektiver Frequenz und finiter Resonanz, während der HBAR gerichtet ist auf eine Einrichtung mit Kompressionswelle und multipler Frequenz.
Viele technologische Gebiete können von einer Messung eines Fluids mit geringer Empfindlichkeit auf Druckveränderungen oder unter hohen Druckpegeln sowie von einer Bereitstellung für scharfe chemische oder abrasive Materialien profitieren. Beispiele solcher Technologien umfassen als nicht beschränkendes Beispiel die Gasproduktion, eine Ölbohrung und Ölleitungen, hydraulische Systeme, die betriebliche Schmierstoffüberwachung, eine Spritzgussanlage, ein Antiterror-Detektionssystem zur Erfassung biologischer und chemischer Substanzen und dergleichen. Daher gibt es einen lang gehegten Wunsch und ein bisher unbeantwortetes Bedürfnis in der Industrie nach einem elektroakustischen Sensor, welcher in verschiedenen Ausführungsformen in der Lage ist, mit geringer Empfindlichkeit gegenüber Druckveränderungen in Umgebungen mit hohem Umgebungsdruck und/oder in rauen chemischen oder abrasiven Umgebungen zu arbeiten. Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine Lösung für jede einzige der obigen Bedingungen oder für eine Kombination derselben zu schaffen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine dicke piezoelektrische akustische Komposit-Wellenvorrichtung mit einer verbesserten Kopplung für den Betrieb in einem Obertonmodus zu schaffen, bei gleichzeitigen Bereitstellen einer verbesserten Ansprechbarkeit auf eine physikalische Messgröße mit hohem Dynamikbereich.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte hermetische Verpackungslösung für einen Sensor zu schaffen, der auf einer akustische Wellen unter hohem Druck verarbeitenden Einrichtung basiert.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zu schaffen, welcher effizient in unwirtlichen Umgebungen, wie hohem Druck, und unter reaktiven Umgebungsbedingungen arbeitet.
Um einen auf einer Akustikwellenvorrichtung (Acoustic Wave Device-AWD) basierenden Sensor zu schaffen, der in der Lage ist, mit rauen Umgebungen, wie hohem Druck, oder chemisch reaktiven Umgebungen fertigt zu werden, ist es wünschenswert, die mechanische Dicke der Vorrichtung zu vergrößern, während gleichzeitig die gewünschten elektrischen Charakteristika der Vorrichtung beibehalten werden.
Zu diesem Zweck liefert die Erfindung in ihrer einfachsten Form eine Kompositstruktur mit einem steifen Strukturelement (nachfolgend eine Schutzplatte), die mit einer piezoelektrischen Platte gekoppelt ist, um so eine kontinuierliche mechanische Verschiebung von Amplitude, Phase und Spannungsverhältnis an der zwischen diesen gebildeten Energieschnittstelle zu liefern. Indem spezifische Materialien ausgewählt und diese Materialien in Übereinstimmung mit den hier offenbarten Grundsätzen dimensioniert werden, soll sich eine Resonanzfrequenzwelle, die an eine Seite der zusammengesetzten Struktur weitergegeben wird, mit minimalem Energieverlust zu der anderen Seite und zurück bewegen, ohne unnötige mechanische Spannungen an irgendwelchen angrenzenden Grenzflächen auszuüben, und mit einer guten akustischen Kopplung der Welleneigenschaften an die Bedingungen auf der anderen Seite. Dies wird der Kompositstruktur erlauben, den elektrischen Wirkungsgrad eines Schwingungsvorgangs im Grundtonmodus aufzuweisen, ohne an den Nachteilen einer dicken piezoelektrischen Platte zu leiden, wobei sie aber die mechanische Härte einer dicken Platte zeigt. Zu diesem Zwecke wird eine zusammengesetzte Akustikwelleneinrichtung geschaffen, die eine Ziel-Resonanzfrequenz hat, verbunden mit einer ausgewählten Polarisation einer akustischen Verschiebung. Die Vorrichtung umfasst eine steife Schutzplatte, die auf einer mechanischen Halterung montiert ist, wobei die Schutzplatte ein Material aufweist, das qualitativ hochwertige akustische Charakteristika hat. Die Schutzplatte hat eine Steuerfläche und eine Erfassungsfläche und hat ferner eine Dicke, welche im Wesentlichen ein Vielfaches einer halben Wellenlänge der Resonanzfrequenz ist. Eine piezoelektrische Platte mit einer Dicke von im Wesentlichen einem Mehrfachen einer halben Wellenlänge der Resonanzfrequenz in der Platte ist weiterhin vorgesehen. Die piezoelektrische Platte hat eine Anregungsfläche mit wenigstens einer darauf angeordneten Wandlerelektrode, welche zusammen mit wenigstens einer weiteren Elektrode einen Wandler bildet, der innerhalb der piezoelektrischen Platte elektrische und akustische Energie gegeneinander umwandelt. Die piezoelektrische Platte wird von der Schutzplatte abgestützt. Eine Energieschnittstelle ist zwischen der Steuerfläche und einer Steuerfläche der piezoelektrischen Platte ausgebildet, derart, dass eine Welle der Resonanzfrequenz, die sich zwischen der Anregungsfläche und der Erfassungsfläche bewegt, eine Welle mit einer im Wesentlichen kontinuierlichen Phase bilden soll, an im Wesentlichen der Spitzenwert-Verschiebungsamplitude, an der Energieschnittstelle.
Vorzugsweise hat die piezoelektrische Platte eine Dicke von im Wesentlichen einer halben Wellenlänge der Resonanzfrequenz. Ebenfalls ist die Schutzplatte vorzugsweise hergestellt aus einem Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Zirkonium, Zirkoniumlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Niob, Nioblegierungen, Vanadium und Vanadiumlegierungen, aufgrund ihres thermischen und akustischen Zusammenpassens mit den Materialien der Langasitfamilie. Alternativ bieten aufkommende piezoelektrische Materialien, wie (Kalzium, Strontium) (Tantal, Niob) (Gallium, Aluminium) Silicat (CTAS, CTGS, STAS, STGS, CNAS, CNGS, SNAS, SNGS) und ihre Legierungen das Potential für ein gutes thermisches und akustisches Zusammenpassen zu Schutzplatten aus Silizium oder Siliziumcarbid.
In einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen die ausgewählten akustischen Verschiebungen tangential zur Erfassungsoberfläche.
Ferner kann die Schutzplatte ein oder mehrere Schichten oder Regionen umfassen, die hergestellt sind aus einer Legierung mit wenigstens 50% Zirkonium und in welcher die piezoelektrische Platte umfasst Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus LGS, LGN, LGT, CNGS, CTGS, SNGS, STGS, CTAS, CNAS, SNAS; STAS und eine Kombination davon.
Ferner kann die Schutzplatte umfassen ein oder mehrere Schichten oder Regionen bestehend aus einer Zirkoniumlegierung mit zwischen 0 und 10% Niob und zwischen 0 und 10% Hafnium. Optional kann sie auch umfassen amorphes oder einkristallines Silizium, Siliziumcarbid und dergleichen.
In einer Ausführungsform umfasst die Schutzplatte Aluminium und umfasst die piezoelektrische Platte Quarz.
Vorzugsweise ist die akustische Impedanz der Stützplatte und der piezoelektrischen Platte ausreichend angepasst, um so einen Reflektionskoeffizienten von weniger als 10% an der Energieschnittstelle zu erlauben.
Ferner kann eine Bindeschicht zwischen der Schutzplatte und der piezoelektrischen Platte angeordnet sein.
Ferner kommt eine zusammengesetzte Akustikwelleneinrichtung, wie beschrieben, in Betracht, in welcher die Schutzplatte einen Verbund aus einer Mehrzahl von Materialien umfasst. Ein solcher Verbund kann hergestellt werden aus diskreten Materialschichten oder einem kontinuierlich veränderbaren Material, das hier weiter unten allgemein als ein funktional gradiertes Material bezeichnet wird. So ist beispielsweise eine zusammengesetzte Akustikwelleneinrichtung vorgesehen, in welcher die Schutzplatte ein oder mehrere Schichten oder Regionen umfasst, bestehend aus einer Legierung, bestehend aus wenigstens 50% aus dem Aggregat von Niob und Vanadium, und in welcher die piezoelektrische Platte Material umfasst, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus LGS, LGN, LGT, CNGS, CTGS, SNGS, STGS, CTAS, CNAS, STAS. SNAS und einer Kombination davon. Noch ein weiteres Beispiel für eine Komposit-Schutzplatte umfasst eine Legierung oder Mischung, die kontinuierlich von einer Zusammensetzung (zum Beispiel Zirkonium) zu einer anderen (zum Beispiel Titan) variiert. Im Falle von funktional gradierten und mehrschichtigen Wellenleitern, erlaubt die allgemein bekannte Übertragungsleitungstheorie die Berechnung des Reflektionskoeffizienten der zusammengesetzten Schutzplatte. Ebenso könnte eine ko-angeordnete passende Schicht zwischen einer Schutzplatte aus, als nicht beschränkendes Beispiel, einer Silizium- oder Siliziumcarbidplatte und einer piezoelektrischen Platte die akustische Impedanz und den Wärmeausdehnungskoeffizienten graduell übertragen.
Vorzugsweise hat die Vorrichtung eine Spitzenwert-Verschiebungsamplitude innerhalb λ/12 von der Energieschnittstelle, wobei λ die lokale akustische Wellenlänge ist. Ganz bevorzugt liegt die Spitzenwert-Verschiebungsamplitude innerhalb λ/24 von der Energieschnittstelle. Ferner wird vorgezogen, dass die akustische Impedanz der Schutzplatte und der piezoelektrischen Platte hinreichend zusammenpassen, um so einen Reflektionskoeffizienten von weniger als 10% an der Energieschnittstelle zu erlauben.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektronische Verpackung vorgesehen, um einen Sensor in rauen Umgebungen anzuordnen, wobei die Verpackung aufweist eine Basis mit einem angeschweißten Flansch und wenigstens einer elektrischen Durchgangsöffnung zum Übertragen von Signalen hindurch. Eine Hülse aus einer Zirkoniumlegierung oder Titanlegierung oder einem korrosionsbeständigen, hochfesten Material mit einer Oberseite und einem Boden, wobei der Boden mit der Basis an oder um den Schweißflansch herum gekoppelt ist. Ein Sensor mit einer Schutzplatte ist auf der Oberseite angeordnet, wobei die Schutzplatte eine angefügte piezoelektrische Platte trägt, derart, dass ein Raum zwischen der Basis und der Schutzplatte gebildet wird. Vorzugsweise umfasst der Sensor eine wie hier beschriebene zusammengesetzte akustische Welleneinrichtung. In der bevorzugten Ausführungsform dieser Ausführungsform umfasst die Basis KOVAR^®. Äußerst bevorzugt sind die Basis und die Hülse aneinandergeschweißt, so dass kompatible Materialien erwünscht sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die obige Zusammenfassung und die folgende detaillierte Beschreibung werden mit Blick auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich, welche Details der bevorzugten Ausführungsformen zeigen. Es sei jedoch angemerkt, dass die Erfindung nicht auf die in den Zeichnungen dargestellte präzise Anordnung beschränkt ist, und dass die Zeichnungen ausschließlich als Beispiele vorgesehen sind.
1 zeigt einen Ausschnitt einer piezoelektrischen Einrichtung, die in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform konstruiert ist.
2 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform in Übereinstimmung mit der Erfindung, eingeschlossen in einer für einen hohen Druck geeigneten Verpackung. 2 verwendet ferner einen einzelnen Wandler für illustrative Zwecke, die Verwendung einer Mehrzahl von Wandlern ist aber bevorzugt.
3 zeigt eine allgemeine schematische Darstellung einer Ausführungsform, die eine optionale zusammengesetzte Schutzplatte verwendet.
4 zeigt eine allgemeine schematische Darstellung einer Ausführungsform, die eine Schutzplatte aus einem funktional gradierten Material verwendet.
5 zeigt mehrere optionale Konstruktionsdetails einer Schutzplatte.
Detaillierte Beschreibung
Das Folgende ist eine Beschreibung beispielhaft bevorzugter Ausführungsformen und mehrerer Modifikationen davon. Die gelieferte Beschreibung erfolgt ausschließlich als illustratives Beispiel und der Fachmann wird erkennen, dass viele weitere Variationen machbar und äquivalent zu den offenbarten Beispielen und Ausführungsformen sind. Die Erfindung erstreckt sich auf alle solche äquivalenten und offensichtlichen Modifikationen.
1 zeigt einen Ausschnitt einer akustischen Vorrichtung in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Schutzplatte 10 ist an eine piezoelektrische Platte 20 gekoppelt, um so eine im Wesentlichen kontinuierliche Phasenbeziehung an der Grenzfläche zwischen diesen bereitzustellen. Die Schutzplatte hat eine Steuerfläche 14 und eine entgegengesetzte beanspruchte Fläche 12. Im Betrieb wird die beanspruchte Fläche in die zu erfassende Umgebung eingetaucht. Die gesteuerte Fläche 14 bildet eine Schnittstelle mit einer Steuerfläche 22 der piezoelektrischen Platte und erhält von dieser akustische Energie. Die idealen Grenzbedingungen zwischen zwei steifen aneinandergebundenen Materialien erfordern, dass die Phase und die Amplitude der Bewegung der zwei Materialien gleich sind (untrennbare Bindung) und dass die Komponenten einer Spannung senkrecht zu der Grenze kontinuierlich sind. Diese Bedingungen können durch Materialauswahl, durch das geometrische Design oder indem schwach gekoppelte stehende Wellen auf beiden Seiten der Grenze vorliegen weitestgehend erfüllt werden. Natürlich ist es erwünscht, wenn ein Bindematerial vorhanden ist, auch dessen Dicke in Bezug auf die gewünschte Wellenausbreitung zu beachten. Eine solche Beachtung betrifft physikalische Eigenschaften, wie die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit, den Wärmeausdehnungskoeffizienten, die Dicke und dergleichen, und sind im Stand der Technik allgemein bekannt.
Um den geringen elektrischen Wirkungsgrad einer dicken piezoelektrischen Platte zu verbessern, die in einem Obertonmodus arbeitet, ist erwünscht, die mechanische Dicke von der „elektrischen Dicke” zu entkoppeln, wobei die elektrische Dicke die Dicke ist, welche die Frequenz des Spitzenwertes des elektrischen Wirkungsgrades, die Kopplung zwischen elektrischer und mechanischer Energie und die Eingangsimpedanz der Vorrichtung bestimmt. Das Entkoppeln der physikalischen Dicke von der elektrischen Dicke impliziert, dass, wenn die Kompositvorrichtung an einen elektrischen Steuer- und/oder Erfassungskreis gekoppelt ist, diese elektrische Eigenschaften haben wird, die im wesentlichen gleich einer relativ dünnen piezoelektrischen Platte an oder nahe der Ziel-Resonanzfrequenz ist, während gleichzeitig die zusätzliche mechanische Festigkeit und/oder chemische Widerstandsfähigkeit genutzt wird, die durch die Hinzufügung der Schutzplatte geboten wird.
Es ist erwünscht, eine Wellenreflektion an der Energieschnittstelle zwischen der Schutz- und piezoelektrischen Platte zu beseitigen oder wenigstens minimieren. Deshalb werden akustisch und physikalisch kompatible Materialien für die piezoelektrische und Schutz-Platte ausgewählt. Ein Dimensionieren der piezoelektrischen Platte auf oder um ein erforderliches Mehrfaches einer halben Wellenlänge herum und ein Dimensionieren der Schutzplatte auf irgendein gewünschtes Mehrfaches einer halben Wellenlänge soll das gewünschte Resonanzprofil einer stehenden Welle bewirken. Für eine parallele Plattenanregung (Dickenfeld) in der piezoelektrischen Platte beträgt die Dicke vorzugsweise ein ungrades Mehrfaches der halben Wellenlänge, wohin gegen bei einer koplanaren Plattenanregung (Querfeld) ein beliebiges Mehrfaches erlaubt ist. Es sei ferner angemerkt, dass die Wellenlängen in der piezoelektrischen Platte und der Schutzplatte unterschiedlich sein können, da die Frequenz ein konstanter Durchgang ist, während Schallgeschwindigkeiten Materialabhängig sind.
Es sei ferner angemerkt, dass die Schutzplatte ein Komposit oder ein funktional gradiertes Material mit einer räumlich abhängigen Geschwindigkeit sein kann und dass der Phasenzustand die integrale Phasenverschiebung quer über die Schutzplatte repräsentiert, ausgedrückt in Wellenlängen. Der Ausdruck „Komposit-Schutzplatte” bezieht sich auf eine Schutzplatte mit wenigstens zwei separaten akustischen Materialien 310 und 320, wie in 3 dargestellt, in welcher die Wellenlänge in jedem Material unterschiedlich ist, aber in welcher die Gesamtdicke und die Zusammensetzung der Schutzplatte so ausgewählt ist, dass die gewünschte akustische Impedanzübereinstimmung an der Energiegrenzfläche und die gewünschte Reflektion an der beanspruchte Fläche bereitgestellt wird. In einem solchen Beispiel soll eine Region 320 mit hoher Impedanz, hohem hochfestem Material an eine piezoelektrische Platte 20 mit geringer Impedanz, aber ohne die Übereinstimmungsbedingungen für die akustische Impedanz zu erfüllen, gebunden werden. Eine solche Kombination wird unter Verwendung einer Komposit-Schutzplatte mit Impedanz- und Passregionen ermöglicht. Im Rahmen eines nicht beschränkenden Beispiels beträgt die zusätzliche Region der Schutzplatte 310 nominal ein ungrades Mehrfaches von λ/4 Dicke mit einer Impedanz ausgewählt, um eine Antireflektionsschicht zwischen der hochfesten Region 320 und der piezoelektrischen Platte 20 zu bilden. Zusätzlich zu den verbundenen Schichtmaterialien gibt es funktional gradierte Materialien 410, in welchen eine Legierung oder eine Mischung kontinuierlich von einer Zusammensetzung (zum Beispiel Zirkonium) zu einer anderen (zum Beispiel Titan) variiert, was eine Kontinuität der lokalen akustischen Impedanz und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten bietet, mit einem Satz an Eigenschaften an der Steuerfläche und einem weiteren an der beanspruchten Fläche.
Physikalische Charakteristika der Schutzplatte sind so ausgewählt, dass sie die gewünschten physikalischen Eigenschaften liefern, welche den Rest der Vorrichtung vor der vorgesehenen rauen Umgebung schützen werden. So werden zum Beispiel, wenn die Vorrichtung für Hochdruckumgebungen vorgesehen ist, die Vliesspannung, die Zugfestigkeit und die Scherfestigkeit des Schutzmaterials primär beachtet, während dann, wenn die vorgesehene Umgebung chemisch unwirtlich ist, ein Material, das gegenüber solchen chemischen Bedingungen widerstandsfähig ist, ausgewählt werden soll. So kann beispielsweise die Schutzplatte hergestellt sein aus Zirkonium, um eine Widerstandsfähigkeit gegenüber hohem Druck und chemischer Korrosion zu schaffen, während in einer anderen Anwendung Aluminium einen ausreichenden Schutz gegenüber Druck liefern kann und gleichzeitig einen preiswerten Sensor bietet, und in noch einer weiteren Anwendung kann eine Titanlegierung eine außergewöhnlich hohe Zugfestigkeit bieten. Ebenso kann, wenn die Umgebung abrasiv ist, eine diamantartige Kohlenstoffbeschichtung (DLC) in eine Verbundschicht-Schutzplatte eingebaut sein, um einen Schutz gegenüber abrasiven Umgebungen zu liefern.
Die Schutzplatte wird durch eine Halterung 50 abgestützt, die vorzugsweise ein Teil einer Verpackung 55 der Vorrichtung ist. Die Verpackung stellt einen Innenraum für elektrische Anschlüsse und optional für einen elektronischen Schaltkreis bereit. In den meisten Fällen wird die Montage durch ein Verbinden der Schutzplatte mit der Verpackung erreicht, um so eine hermetische Abdichtung zu schaffen. Beispielsweise könnte eine preiswerte Verpackung eine Kovar^®-Legierung verwenden, wohingegen eine hochfeste Verpackung ein nahtloses Rohr aus Titanlegierung verwenden könnte.
Eine piezoelektrische Platte 20 ist mit der Steuerfläche 14 der Schutzplatte gekoppelt und wird von dieser abgestützt. Die Verbindungszone der piezoelektrischen Platte und der Schutzplatte bildet eine Energieschnittstelle. Die piezoelektrische Platte hat eine Steuerfläche 22, welche verwendet wird, um sowohl den mechanischen Anschluss bereitzustellen als auch die piezoelektrische Platte 20 zu tragen, und um akustische Energie an die Schutzplatte 10 weiterzugeben. Entgegengesetzt zur Steuerfläche 22 hat die piezoelektrische Einrichtung eine Anregungsfläche 24. Die Anregungsfläche hat wenigstens einen Wandler 40, welcher akustische Wellen in die Verbundeinrichtung weitergibt. Im Falle von Volumenwellen, wie in der bevorzugten Ausführungsform, tritt die Anregung technisch innerhalb der piezoelektrischen Platte auf; die Bezeichnung einer Anregungsfläche jedoch bezeichnet die Fläche, an welcher elektrische Anschlüsse für die Anregung ausgebildet sind.
Die bevorzugte Ausführungsform verwendet zwei parallele Plattenwandler, die zwischen einem elektrischen Rückkontakt der Schutzplatte 10 und Elektroden 40 bzw. 45 ausgebildet sind, wobei eine als ein Eingangswandler und die andere als ein Ausgangswandler agiert. Die parallelen Plattenwandler beziehen und erfassen elektrische Felder durch die Dicke der Platte hindurch, relativ zu einem leitfähigen Medium an der die piezoelektrische Platte und die Schutzplatte verbindenden Zone, die äußerst bevorzugt aus der Schutzplatte selbst besteht. Die Dicken abhängige Felderregung ist die äußerst bevorzugte Ausführungsform wegen dem typischerweise höheren piezoelektrischen Wirkungsgrad. Alternativ können koplanare Elektroden akustische Signale anregen und erfassen, welche tangentiale elektrische Felder (Querfelderregung) verwenden, und diese sind hier ausdrücklich in Betracht gezogen.
die Schutzplatte ist aus einem Material mit hoher akustischer Qualität hergestellt, wie beispielsweise Zirkonium und seine Legierungen, Aluminium und seine Legierungen, Einkristalle und andere feinkörnige elastische Materialien mit hinreichend kleinem plastischen Fließverhalten und einer intergranularen Reibung, um eine freies Ausbreiten akustischer Wellen mit der gewünschten Frequenz zu ermöglichen. Darüber hinaus ist das Material der Schutzplatte so ausgewählt, dass dieses im Wesentlichen den gleichen Temperaturausdehnungskoeffizenten haben, wie die piezoelektrische Platte, um so eine Spannung an der Energieschnittstelle zu minimieren. Die Schutzplatte wird vorzugsweise so ausgewählt, dass eine akustische Impedanz des gewünschten Wellenmodus im Wesentlichen gleich dem der piezoelektrischen Platte hat. Ein Anpassen der akustischen Impedanzen zwischen den zwei Materialien beseitigt, oder minimiert wenigstens, Reflektionen der zwischen diesen übertragenen Energie und erlaubt, dass eine einzige Wellenresonanz in der ganzen Verbundeinrichtung existiert, während gleichzeitig die Kontinuität von Bewegung und Spannung erfüllt wird.
Weitere Materialeigenschaften können auch einem spezifischen Material zu einer spezifischen Anwendung verhelfen. Beispielsweise hat Zirkonium eine gute Fließspannung, wird leicht zu Carbid und Nitrid und wird somit leicht passiviert, und ist leicht mit Titan und Stahl verschweißbar. Deshalb wird Zirkonium besonders gut für Hochdruckanwendungen passen. Aluminium ist preiswert, weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit nach Passivierung auf, hat eine gute Wärmeleitung und bietet eine ausgezeichnete Festigkeit gegenüber einem hohen Gewichtsverhältnis. So wird Aluminium gut für Anwendungen passen, bei welchen niedrige Kosten und ein geringes Gewicht gefordert werden.
Ferner kann die Schutzplatte eine Mehrzahl von Materialien umfassen, die einen gewünschten Satz an Eigenschaften erreichen. So kann, wie beispielsweise in 5 gezeigt ist, eine Schutzplatte aus einer Zirkoniumlegierungsplatte 510 konstruiert und auf der Steuerfläche mit einer Reihe von Haft- und Barrierenmetallen 509, 508 und 507 beschichtet sein, um so kompatibler mit einer Bindeschicht 505 zu sein, welche die Schutzplatte an der piezoelektrischen Platte befestigt. Die beanspruchte Fläche kann mit ein oder mehreren Schichten 511 und 512 beschichtet sein, welche die Zirkoniumlegierung an die kovalente Anbringung eines Polymer- oder Biorezeptorfilms 515 anpasst (Erfassungsfolie) oder an eine diamantartige Kohlenstoff-Schutzschicht. Die gesamte zusammengesetzte Schutzplatte von den Haft- und den Barrierenmetallen 507 bis 509 bis zu der Erfassungsfolie bzw. Schutzbeschichtung 515 repräsentiert eine Komposit-Schutzplatte.
Die piezoelektrische Platte ist vorzugsweise hergestellt aus einem piezoelektrischen Material mit einem guten piezoelektrischen Wirkungsgrad und mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer akustischen Impedanz, die in geeigneter Weise durch eine adäquate Schutzplatte aneinander angepasst sind. Beispielsweise haben Galliumphosphat, Lithiumniobat (LNB), Lithiumtantalat (LTA), Strontiumtantalgalliumsilikat (STGS) und Quarz (QTZ) alle große Richtungsabhängigkeiten ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten, derart, dass die herkömmlichen rotierten Y-Schnitte, die mit der Dicken-Felderregung der Dicken-Schermodussensoren verbunden sind, nicht in der Lage sind, durch eine Schutzplatte über einen sinnvollen Temperaturbereich angepasst zu werden. Da ferner die meisten Verbindungsprozesse eine thermische Härtung oder Schmelzprozesse beinhalten, sind diese Materialien schwer zu verarbeiten. Andere Materialien, wie Aluminiumnitrid (AIN), Strontiumniobgalliumsilikat (SNGS), Lantangalliumsilikat (LGS), Lantangalliumniobat (LGN) und Lantangalliumtantalat (LGT) bieten ähnliche Ausdehnungskoeffizienten in unterschiedliche Richtungen. Eine Familie von Materialien basierend auf Kalzium „X” „Y” Silikat und Strontium „X” „Y” Silikat, in welchen „X” Niob oder Tantal und „Y” Gallium oder Aluminium ist (CNGS, CTGS, CNAS, CTAS, SNGS, STGS, SNAS, STAS), versprechen auch, und vorläufige Daten zeigen dies, dass sie als Ersatz für LGS geeignet sind. Strontiumderivate, Strontium XY Silikat anstelle von STGS, scheinen auch attraktive Eigenschaften zu bieten. Bevorzugte Materialien für die piezoelektrische Platte umfassen solche wie LGS, LGN, LGT, STGS, SNGS, SNAS, STAS, CTGS, CNGS, CTAS und CTAS. Die äußerst bevorzugte Ausführungsform gegenwärtig verwendet LGS, aber Quarz, Aluminiumphosphat und dergleichen können auch verwendet werden.
Es ist wichtig zu erkennen, dass das piezoelektrische Material durch die Schutzplatte mechanisch abgestützt wird, da diese Platte die piezoelektrische Platte mit dem Schutz versorgt, die diese vor der Messgröße benötigt, und als ein Teil der zusammengesetzten akustischen Welleneinrichtung (AWD) wirkt. Diese mechanische Verbindung kann auf mehreren Wegen erreicht werden, wie Schweißen, Binden oder möglicherweise sogar ein epitaktisches Kristallwachstum, wobei ein Binden die bevorzugte Weise ist, die unten diskutiert wird.
Wie oben ausgeführt, ist es erwünscht, die mechanische Dicke von der elektrischen Dicke zu entkoppeln. Der Fachmann wird erkennen, dass die piezoelektrische Platte selbst eine inhärente Resonanzfrequenz definiert. Diese Resonanzfrequenz wird als der Referenzpunkt verwendet. Das Entkoppeln der elektrischen Dicke von der mechanischen Dicke impliziert, dass die Kompositeinrichtung wenigstens der piezoelektrischen Platte und der Schutzeinrichtung sowie der Bindeschicht, falls vorhanden, veranlasst wird, elektrisch zu wirken, so, als wenn nur die piezoelektrische Platte wenigstens an oder nahe der Frequenz der Serienresonanz vorhanden wäre.
Zu diesem Zweck wird die piezoelektrische Plattendicke auf oder nahe auf ein ungerades Mehrfaches der halben Wellenlänge der Resonanzfrequenz t_piez ~ (2m – 1)·(λ_piez/2) gesetzt, in welcher m eine positive ganze Zahl ist und λ_piez die Resonanzfrequenz-Wellenlänge im piezoelektrischen Material ist. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Mehrfache m eine Einheit, das heißt, die piezoelektrische Plattendicke t_piez = λ_piez/2. Es wird wiederholt, dass das Erfordernis eines ungeraden Mehrfachen spezifisch ist für die Dicken-Feldanregung und dass die seitliche Feldanregung ein beliebiges Mehrfaches von λ_piez/2 zulassen kann.
Um geringste Störung der piezoelektrischen Platte zu erhalten, ist die Schutzplattendicke t_prot ein positives ganzzahliges Mehrfaches von λ_prot/2, in welcher λ_prot die Wellenlänge in dem Schutzplattenmaterial bei der Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Platte in Isolierung ist. Es sei angemerkt, dass, falls die Schutzplatte ein Verbund aus mehreren Materialien ist und/oder ein Bindemedium vorhanden ist, die Bedingung ist, dass die Summe der Phasenverschiebungen durch die Baumaterialien nahe einem Mehrfachen des Radianten π ist. Eine Analogie zu der verlustfreien Übertragungsleitungstheorie wird aufzeigen, dass die am Eingang einer λ/2 langen Übertragungsleitung zu sehende akustische Impedanz einfach die Impedanz ist, die am entgegengesetzten Ende der Übertragungslinie vorhanden ist. Deshalb verhält sich, in den Grenzen geringer Verluste, die Vorrichtung für einen schmalen Frequenzbereich so, als wenn keine Schutzplatte vorhanden wäre.
Die erlaubt eine relativ große Dicke der Schutzplatte, wenn der gewünschte Schutz gegenüber einem hohen Druck erfolgt. Falls der gewünschte Schutz gegenüber einer rauen chemischen Umgebung vorliegt, kann eine Schutzeinrichtung mit einer einzelnen halben Wellenlänge eine preiswertere aber ausreichend geschützte Vorrichtung liefern.
Da die akustische Ausbreitungsgeschwindigkeit in den Schutz- und piezoelektrischen Materialien unterschiedlich sein kann, ist festzustellen, dass die Dicke relativ zur Wellenausbreitung ist und somit zur Wellenlänge in jedem Medium an der Ziel-Resonanzfrequenz. Ähnliche Betrachtungen werden vorzugsweise an der Bindeschicht 30 vorgenommen, falls diese akustisch signifikant ist. Es wird für den Fachmann auch klar sein, dass die Berücksichtigung der akustischen Impedanz der Bindeschicht sowie ihrer physikalischen Dicke eine besser arbeitende Vorrichtung liefern wird, als offenbart durch Hickernell „The Characterization of Permanent Acoustic Bonding Agents" Fred S. Hickernell (University of Arizona, Tucson, Arizona, USA, University of Central Florida, Orlando, F1, USA) 2008 IEEE Frequency Control Symposium Proceedings (im Druck).
Diese Struktur liefert eine akustische Welle 70, die in die piezoelektrische Platte ausgebreitet wird, so dass diese im Wesentlichen eine kontinuierliche Verschiebungsbeziehung mit der akustischen Welle 60 hat, die sich in der Schutzplatte ausbreitet. Äußerst bevorzugt erlaubt das Zusammenfassen der Impedanzen den Phasen, ebenfalls kontinuierlich zu sein, ohne einen Rückgriff auf reflektierte oder refraktierte Wellen. Die akustische Impedanz einer Welle mit einer Phasengeschwindigkeit V und einer Materialmassendichte ρ ist einfach Vρ. Die Magnitude des Reflektionskoeffizienten zwischen zwei Medien ist |Γ| = |(V₁ρ₁ – V₂ρ₂)/(V₁ρ₁ + V₂ρ₂)| und wird typischerweise bezeichnet als ein Rückkehrverlust in dB als –20·log₁₀ (|Γ|). Hohe Rückkehrverluste geben niedrige Reflektionen und eine gute akustische Anpassung an. Ein Wert von 20 dB korrespondiert mit einer linearen Magnitude von 0,1 für den Reflektionskoeffizienten und wird als eine gute Anpassung für die Zwecke dieser Ausführungsform angesehen.
Die Spezifikation einer Resonanzfrequenz in der Piezoelektrik setzt die Auswahl einer von drei möglichen akustischen Wellen voraus, die sich zwischen der Anregungsfläche der Piezoelektrik und der Erfassungsfläche der Schutzplatte ausbreiten könnte. In einem isotropen Material, wie einer Metalllegierung, gibt es eine Kompressionswelle mit akustischen Verschiebungen parallel zur Richtung der Wellenausbreitung und zwei identische Scherwellen mit Verschiebungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Diese Scherwellen haben deshalb eine Ausbreitung senkrecht zu den Oberflächen und akustischen Verschiebungen, die in der Oberfläche liegen. Eine solche Bewegung ist zum Detektieren in Fluidumgebungen höchst erwünscht. Der allgemeine Fall des piezoelektrischen Materials weist drei zulässige Modi auf. Einer ist vornehmlich ein Kompressionsmodus und die verbleibenden zwei sind vornehmlich Schermodi. Die richtige Gestaltung der Erfindung empfiehlt, dass der Kristall in einer Ebene geschnitten wird, in welcher der akustische Mode entweder der reine Schermodus ist oder der reine Kompressionsmodus ist, um eine richtige Anpassung über die Energieschnittstelle zu ermöglichen.
Obwohl in einem HBAR der Wunsch besteht, einen mit selektiver Hochfrequenz unbelasteten Resonator zu erzeugen, der für Sensorarbeiten deutlich unpassend ist, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Selektivität für eine moderate Frequenz im Lastbetrieb. Die Hoch-Q-Frequenz-Selektivität des HBAR wird durch die Verwendung eines Modus mit hohem Oberton erreicht, typischerweise im Bereich von einigen Hundert. Die vorliegende Erfindung hält den Betrieb bei mode ratem Oberton aufrecht, typischerweise in dem Bereich mehrerer Zehner, und somit ist sie weniger frequenzselektiv und geeigneter zum Belasten im Sensorbetrieb.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die piezoelektrische Platte an die Schutzplatte durch eine Bindeschicht 30 gekoppelt. Die Bindeschicht ist steif und nutzt ein Material mit hoher akustischer Qualität. Eine hohe akustische Qualität bezieht sich auf eine allgemein bekannte intrinsische Eigenschaft eines Materials. Die akustische Qualität (Q) ist das Verhältnis elastisch gespeicherter Energie pro Einheitsvolumen zu der verbrauchten Leistung pro Einheitsvolumen. Für ein herkömmliches viskoelastisches Material mit einer komplexen elastischen Konstanten μ = μ_o + jωη bei Radiantenfrequenz ω, wobei die Q das Verhältnis der korrekten elastischen Konstanten zum Frequenz-Viskositäts-Produkt μ_o/ωη ist. Qualitativ hochwertige Materialien haben deshalb niedrige interne Verluste (zum Beispiel Viskosität). Andere Verlustmechanismen, wie die Rayleigh-Streuung von intergranularen Grenzen, haben eine unterschiedliche Mathematik aber das gleiche Ergebnis.
Falls die Dicke der Bindeschicht signifikant ist, sollte die akustische Ausbreitung darin beachtet werden, wie die Dicke der Schutzplatte und/oder piezoelektrischen Platte gewählt wird. Die äußerst bevorzugte Ausführungsform fordert eine akustisch signifikante Bindeschicht mit hoher akustischer Qualität und hoher Spannungs/Haftungs-Festigkeit. Beispielsweise können in der bevorzugten Ausführungsform Methyl-Silsesquioxan „sein an glass”, oder Wismuth-Zink-Borglas als eine Bindesicht dienen, wenn die Schutzplatte aus einer feinkörnigen Zirkoniumlegierung hergestellt ist und die piezoelektrische Platte aus LGS hergestellt ist. Die vorerwähnten Materialien erfordern Bindetemperaturen von 260°C bis 500°C, wobei das Nahelegen einer ausgezeichneten Wärmeanpassung der Expansion der zwei Platten erforderlich ist. Metyhlmethacrylat und andere Haftmittel sind bei niedrigen Frequenzen anwendbar und erfolgreiche Vorrichtungen, die Quarz und Aluminium binden, werden gezeigt. Der Fachmann wird ohne Weiteres in der Lage sein, die Bindeschichteigenschaften, die benötigt werden, um eine Kompatibilität mit der Schutzplatte und der piezoelektrischen Platte zu schaffen, zu bestimmen und das erforderliche Material auszuwählen oder zu entwickeln, und zwar gemäß den wichtigsten Anforderungen an die akustische Qualität, den Wärmeausdehnungskoeffizienten, die Haftung und dergleichen, wie dies hier diskutiert wird.
Die bevorzugte Bindeschicht ist steif und liefert eine hohe akustische Qualität. Diese muss eine Schnittstelle bilden, durch welche sich die akustische Energie hindurchbewegen kann, ohne diese Energie durch elastische Verluste oder Wärme zu verbrauchen. Beispiele von Materialien, die für die Bindung geeignet sind, umfassen unter anderem amorphe oder glasartige Materialien, die in der Lage sind, bei einer ausreichend niedrigen Temperatur zu schmelzen und sich dann in dem glasartigen Zustand zu verfestigen, und feinkörnige eutektische Lötmetalle mit wenig Vorkommen großer intermetallischer Körner. Auf Blei basierende Gläser werden historisch bevorzugt, werden aber ausgeschlossen aufgrund umweltlicher Bedenken und ersetzt basierend auf Wismuth-Bor-Zink-Oxide und andere Phosphat- und Borsilikatgläser. Ein Gold/Zinn-Lötmittel hat ein komplexes intermetallisches System, kann aber im eutektischen Gemisch akzeptabel sein. Niedriger schmelzende Legierungen sind bekannt, können aber bei Verwendung wieder aufschmelzen und höher schmelzende Legierungen schränken den Anpassungsgrad der Wärmeausdehnung ein und sind somit geeigneter für Anwendungen im Niedrigtemperaturbereich.
In bestimmten Ausführungsformen ist es erwünscht, eine Bindeschicht 30 als eine Elektrode zu verwenden, wie eine Erdungselektrode. Beispielsweise kann eine Einkristall- oder Glas-Schutzplatte mit Titan-Platin-Gold beschichtet werden und dann mit Gold/Zinn an eine ähnliche Metallschicht auf der piezoelektrischen Platte gelötet werden. Diese mehrschichtige Metallbindeschicht kann akustisch unbedeutend sein und dennoch die geforderte Erdungselektrode für die Dickenfeldanregung liefern. Ebenso können aufgedampfte Beschichtungen auf den zwei Materialien zusammen geschmolzen oder durch Diffusion gebunden werden, um die Platten zu verbinden und ausreichend leitfähig sein, um als die Erdungselektrode zu dienen. Es sei angemerkt, dass die Elektrode nicht „geerdet” sein muss und die Terminologie eine traditionelle Art und Weise der Beschreibung solcher Vorrichtungen reflektiert.
Wie oben beschrieben, ist die Anpassung der mechanischen und elektrischen Charakteristika für den zufriedenstellenden Betrieb der Vorrichtung wichtig. Bestimmte bevorzugte Materialkombinationen sind hier beispielhaft offenbart. Die Kombination einer auf Zirkonium basierenden Schutzplatte und einer Langasitfamilie und einer auf eine Langasitfamilie (LGS, LGN, LGT, CTGS, CNGS, CTAS, CNAS, SNGS, STGS, SNAS STAS und verwandte Materialien) basierenden piezoelektrischen Platte liefert eine exzellente Anpassung für viele Anwendungen. Ebenso liefert die Kombination einer auf Aluminium basierenden Schutzplatte und einer auf einer Quarzfamilie basierenden piezoelektrischen Platte eine weitere gute Kombination, wie auch Aluminiumnitrid und Saphir. Der Fachmann wird keine Schwierigkeit haben, Materialien in einer solchen Weise zu kombinieren, dass eine gute Anpassung hinsichtlich der akustischen Impedanz, des Temperaturkoeffizienten und auch der mechanischen Eigenschaften geschaffen wird. Die Tabelle 1 ist jedoch vorgesehen, um den Fachmann dabei zu unterstützen, eine geeignete Legierung zu entwickeln und zeigt eine Anpassung (in dB) als Rückverlustmagnitude zwischen verschiedenen steifen Strukturmaterialien und verschiedenen piezoelektrischen Materialien. Hohe Zahlen zeigen eine gute Anpassung an. Die geschätzten Daten für CTAS, CTGS und STGS basieren auf Einzellabmessungen, molarer Masse und Interpolation. Es ist ohne Weiteres offensichtlich, dass die Metalle Titan, Zirkonium, Vanadium, Niob und Hafnium eine gute akustische Anpassung an die LGS-Familie liefern.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert eine akustische Komposit-Wellenvorrichtung für einen Sensor oder Anregungsanwendungen, mit einer piezoelektrischen Platte der Langasitfamilie, die eine Dicke von im Wesentlichen einem ungeraden Vielfachen halber Wellenlängen hat, starr an eine Platte aus Zirkoniumlegierung mit einer Dicke von im Wesentlichen einem Mehrfachen einer halben Wellenlänge gebunden ist. Eine solche zusammengesetzte AWD wird eine gute mechanische Stabilität und Streckgrenze und ein relativ inertes Material an der Abtastfläche zeigen. Der Fachmann wird ohne Weiters verstehen, dass, während diese Spezifikationen die Abmessungen, das Wellenverhalten, die elektrische und akustische Impedanz und dergleichen, in einer Weise beschreiben, dass diese als ideal angesehen wird, physikalische oder gestalterische Beschränkungen Abweichungen davon diktieren können. So kann beispielsweise, während eine ideale Vorrichtung gemäß der Erfindung eine vollständig kontinuierliche Verschiebungsphase und Spitzenamplitude an der Energiegrenzfläche oder an den Anregungs- oder Beanspruchungsflächen verlangt, eine gewissen Phasen- und/oder Amplitudendifferenz in einigen Fällen von bis zu 15 oder sogar 30 Grad im Wesentlichen ähnliche Ergebnisse innerhalb des gewünschten Kontext liefern kann. So erstreckt sich die Erfindung auf im Wesentlichen ähnliche Bedingungen, Materialien und dergleichen, abweichend von den idealen Bedingungen, die oben offenbart sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf die Verpackung eines piezoelektrischen oder ähnlichen Sensors.
KOVAR (Marke von Carpenter Technology Corporation) ist eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung, die üblicherweise bei einer elektronischen Verpackung verwendet wird, wie sie gestaltet wurde, um einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Wesentlichen gleich denjenigen von Silizium zu liefern und sich an Borsilikatglas über einen weiten Temperaturbereich anzupassen. KOVAR ist jedoch häufig inkompatibel mit rauen Umgebungen und liefert eine beschränkte Festigkeit gegenüber hohem Druck, einem Eintauchen in Salze, starken Säuren und starker Alkali und dergleichen. Deshalb gibt es ein Bedarf nach einer Verpackung, die besser für einen Sensor und andere Anwendungen geeignet ist, welche eine Aussetzung in solchen Umgebungen erfordern. So liefert dieser Aspekt der Erfindung eine solche Verpackung.
Mit nun auf 2 Bezug nehmend ist dort eine Ausführungsform des oben geschriebenen Sensors gezeigt. Diese Ausführungsform verwendet einen einzelnen Wandler 40, der auf einer Anregungsfläche 24 angeordnet ist, und die Bindeschicht 30 wirkt als Rückelektrode. Eine KOVAR-Basis 80 hat wenigstens ein und vorzugsweise eine Mehrzahl von Löchern 85 darin, um einen Durchgang für Verbindungsdrähte durch Borsilikatdichtungen (nicht gezeigt) zu ermöglichen. Die KOVAR-Basis hat einen optionalen Schweißflansch 90. Eine Zirkonium- oder Titanhülse mit einer Oberseite und einem Boden ist an die Basis geschweißt, äußerst bevorzugt an den Schweißflansch. Titan wird äußerst bevorzugt aufgrund seiner extrem hohen Zugfestigkeit.
Die Stelle der Rückelektrode unterliegt der technischen Wahl und während die Stelle zwischen der Schutzplatte und der piezoelektrischen Platte für die Dickenfeldanregung äußerst bevorzugt ist, werden andere Stellen für den Fachmann klar sein, um so auf spezifische Anwendungserfordernisse zu reagieren, wie beispielsweise eine Seitenfeldanregung, in welcher die Rückelektrode koplanar mit der Eingangs- und Ausgangselektrode ist.
Eine Schutzplatte, vorzugsweise mit einer Zirkoniumlegierung, aber optional mit einem beliebigen Material, das an die Hülse schweißbar ist und die oben offenbarten weiteren Anforderungen erfüllt, ist an der Oberseite der Hülse angeordnet.
So liefert die Zirkonium oder Titanhülse einen ausgezeichneten Schutz gegenüber Druck und chemischem Einfluss auf den inneren Raum, der über der KOVAR-Basis gebildet wird. Eine solche Konstruktion erlaubt das Anordnen eines auf Silizium basierenden Schaltkreises nahe an den Sensor oder empfindlicher Metallelektroden auf dem Sensor, während nach wie vor ein ausgezeichneter Schutz gegenüber rauen Umgebungen geliefert wird.
Es sollte anerkannt werden, dass die Erfindung nicht auf das beschränkt ist, was oben nur beispielsweise beschrieben wurde. Während beschrieben wurde, was derzeit als bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angesehen wird, wird für den Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene weitere Ausführungsformen, Änderungen und Modifikationen in ihrem Rahmen gemacht werden können, ohne den Gedanken oder Schutzbereich dieser Erfindung zu verlassen und dass deshalb angestrebt wird, alle solche Änderungen und Modifikationen, soweit sie unter den wahren Gedanken und Schutzbereich der Erfindung fallen, für welche das Patent angemeldet ist, abzudecken.
Zusammenfassung
Eine zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung liefert einen verbesserten Schutz gegenüber Umweltfaktoren, während sie gleichzeitig hohe elektrische Charakteristika beibehält und ein dynamischer Bereich vorgesehen ist. Die Vorrichtung umfasst eine steife Schutzplatte mit qualitativ hochwertigen akustischen Eigenschaften und eine Dicke, welche ein Vielfaches einer halben Wellenlänge der Resonanzfrequenz beträgt. Eine piezoelektrische Platte ist an die Schutzplatte gekoppelt, wird von dieser abgestützt und bildet mit dieser eine Energieschnittstelle. Die piezoelektrische und Schutz-Platte sind derart bemessen, dass eine Welle der Resonanzfrequenz, die sich zwischen der Anregungsfläche und der beanspruchten/abtastenden Fläche bewegt, eine Welle mit im Wesentlichen kontinuierlicher Phase bildet, an im Wesentlichen einer Spitzenwertamplitude, an der Energieschnittstelle. Dadurch entkoppelt die Vorrichtung die elektrische Dicke der Wellenvorrichtung von ihrer mechanischen Dicke.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Measurement of the equivalent circuit parameters of chemical interface layers on bulk acoustic wave resonator” von G J Gouws, R. C. Holt und J Zhen, Proceeding of the 2004 IEEE International Frequency Control Symposium and exposition [0011]
„PMMA polymer film characterization using thickness-shear mode (TSM) quartz resonator” von Boima Morray, Suiquong li, Jeanne Hossenlopp, Richard Cernosek und Fabien Josse, 2002 IEEE International Frequency Control Symposium and exposition [0011]
„The Characterization of Permanent Acoustic Bonding Agents” Fred S. Hickernell (University of Arizona, Tucson, Arizona, USA, University of Central Florida, Orlando, F1, USA) 2008 IEEE Frequency Control Symposium Proceedings [0053]

Claims

Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung mit einer Ziel-Resonanzfrequenz, die mit einer ausgewählten Polarisation einer akustischen Verschiebung verbunden ist, wobei die Vorrichtung umfasst: eine steife Schutzplatte, die an eine mechanische Halterung montiert ist, wobei die Schutzplatte ein Material mit qualitativ hochwertigen akustischen Charakteristika umfasst, wobei die Schutzplatte eine Steuerfläche und eine Abtastfläche hat, und ferner mit einer Dicke, welche im Wesentlichen ein Mehrfaches einer halben Wellenlänge der Resonanzfrequenz beträgt; eine piezoelektrische Platte mit einer Dicke von im Wesentlichen einem Mehrfachen einer halben Wellenlänge der Resonanzfrequenz in der Platte, wobei die piezoelektrische Platte eine Anregungsfläche mit wenigstens einer darauf angeordneten Wandlerelektrode hat; wobei die Elektrode und wenigstens eine weitere Elektrode einen Wandler bilden, der in der piezoelektrischen Platte elektrische und akustische Energie untereinander umwandelt; dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Platte von der Schutzplatte abgestützt wird, die eine Energie-Schnittstelle zwischen der Steuerfläche und einer Steuerfläche der piezoelektrischen Platte bildet; derart, dass eine Welle der Resonanzfrequenz, die sich zwischen der Anregungsfläche und der Abtastfläche bewegt, eine Welle mit im Wesentlichen kontinuierlicher Phase bilden soll, bei einer im Wesentlichen Spitzenwert-Verschiebungsamplitude, an der Energieschnittstelle.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die piezoelektrische Platte eine Dicke von im Wesentlichen einer halben Wellenlänge der Resonanzfrequenz hat.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in welcher die Schutzplatte hergestellt ist aus einem Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Zirkonium, Zirkoniumlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Niob, Nioblegierungen, Vanadium, Vanadiumlegierungen, Silizium und Siliziumcarbid.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die ausgewählten akustischen Verschiebungen tangential zur Abtastfläche sind.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die Schutzplatte umfasst ein oder mehrere Schichten oder Regionen mit einer Legierung, die wenigstens 50% Zirkonium aufweist, und in welcher die piezoelektrische Platte aufweist ein Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus LGS, LGN, LGT; CNGS, CTGS, SNGS, STGS, CTAS, CNAS, STAS, SNAS und ein Kombination davon.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die Schutzplatte aufweist ein oder mehrere Schichten oder Regionen mit einer Zirkoniumlegierung, die zwischen 0 und 10% Niob und zwischen 0 und 10% Hafnium aufweist.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die Schutzplatte Aluminium aufweist und die piezoelektrische Platte Quarz aufweist.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die akustische Impedanz der Schutzplatte und der piezoelektrischen Platte ausreichend angepasst ist, um so einen Reflektionskoeffizienten von weniger als 10% an der Energieschnittstelle zu ermöglichen.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Bindeschicht, die zwischen der Schutzplatte und der piezoelektrischen Platte angeordnet ist.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die Schutzplatte eine Zusammensetzung aus einer Mehrzahl von Materialien umfasst.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach Anspruch 10, in welcher die zusammengesetzte Schutzplatte Impedanz-Anpassregionen hat.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die Schutzplatte aufweist ein oder mehrere Schichten oder Regionen mit einer Legierung, die wenigstens 50% im Aggregat von einer Niob- und Vanadiumkombination hat, und in welcher die piezoelektrische Platte aufweist Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus LGS, LGN, LGT; CNGS; CTGS; SNGS; STGS; CTAS; CNAS; STAS; SNAS und eine Kombination davon.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die Spitzenwert-Verschiebungsamplitude innerhalb λ/12 von der Energieschnittstelle liegt.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die Spitzenwert-Verschiebungsamplitude innerhalb λ/24 von der Energieschnittstelle liegt.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die akustische Impedanz der Schutzplatte und der piezoelektrischen Platte ausreichend angepasst sind, um so einen Reflektionskoeffizienten von weniger als 10% an der Energieschnittstelle zu ermöglichen.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch eine Bindeschicht, die zwischen der Schutzplatte und der piezoelektrischen Platte angeordnet ist.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzplatte eine Zusammensetzung einer Mehrzahl von Materialien umfasst.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach Anspruch 17, in welcher die zusammengesetzte Schutzplatte Impedanz-Anpassregionen hat.
Zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die Schutzplatte Material mit einer kontinuierlich veränderten akustischen Impedanz aufweist.
Elektronische Verpackung zum Anordnen eines Sensors in rauen Umgebungen, wobei die Verpackung umfasst: eine Basis mit einem Schweißflansch, wobei die Basis wenigstens eine elektrische Durchgangsöffnung zum Übertragen von Signalen durch diese hindurch aufweist; eine Hülse aus einer Zirkoniumlegierung oder Titanlegierung mit einer Oberseite und einer Unterseite, wobei die Bodenseite mit der Basis an oder um den Schweißflansch herum gekoppelt ist; einen Sensor mit einer Schutzplatte, die an der Oberseite angeordnet ist; wobei die Schutzplatte eine befestigte piezoelektrische Platte stützt; derart, dass ein Raum zwischen der Basis und der Schutzplatte ausgebildet ist.
Verpackung nach Anspruch 20, ferner mit einer zusammengesetzten akustischen Wellenvorrichtung mit einer Ziel-Resonanzfrequenz, wobei die steife Schutzplatte auf der Hülse montiert ist, wobei die Schutzplatte eine Steuerfläche und eine beanspruchte Fläche hat, und ferner mit einer Dicke, welche im Wesentlichen ein Mehrfaches einer halben Wellenlänge der Resonanzfrequenz beträgt; wobei die zusammengesetzte akustische Wellenvorrichtung ferner umfasst: eine piezoelektrische Platte mit einer Dicke von im Wesentlichen einem Vielfachen einer halten Wellenlänge der Resonanzfrequenz, wobei die piezoelektrische Platte eine Anregungsfläche mit wenigstens einer darauf angeordneten Elektrode hat; wobei die piezoelektrische Platte von der Schutzplatte gestützt wird und zwischen der Steuerfläche und einer Steuerfläche der piezoelektrischen Platte eine Energie-Schnittstelle bildet; derart, dass eine Welle der Resonanzfrequenz, die sich zwischen der Anregungsfläche und der Steuerfläche bewegt, eine Welle mit im Wesentlichen kontinuierlicher Phase bilden soll, an im Wesentlichen der Spitzenwertamplitude an der Energie-Schnittstelle.
Verpackung nach Anspruch 20 oder 21, in welcher die Basis KOVAR umfasst, und in welcher die Hülse mit der Basis durch Schweißen gekoppelt ist.