KR100924417B1 - 고압 환경용 전자 음향 센서 - Google Patents

Abstract

주변 압력이 가해지는 곳에서 동작하기에 적합한 결합 음향파 소자가 제공된다. 상기 음향파 소자는 맞대어진 관계인 두 압전판을 포함하고, 그 판들 사이에는 전극들이 부설되어진다. 상기 판들은 외부 압력의 영향을 중립화하도록 접착된다. 또한, 고압 환경에서의 물리적 측정을 위하여 그러한 음향파 소자를 사용하는 방법이 개시된다. 압전판들 사이에는 선택적으로 캐비티가 형성되고, 상기 캐비티는 압력을 측정할 수 있는 능력을 제공하고, 더 나아가 측정 정밀도에 대한 압력의 전류 효과를 중립화한다.

Description

고압 환경용 전자 음향 센서{ELECTRO ACOUSTIC SENSOR FOR HIGH PRESSURE ENVIRONMENT}

본 발명은 일반적으로 전자-음향 센서에 관한 것으로 특히 고압 환경 내에서 동작할 수 있는 전자-음향 센서에 관한 것이다.

압전 센서는 잘 알려져 있다. 이들 압전센서는 점도 및 밀도와 같은 물질의 특성을 감지하고, 어떤 환경 내에 특정 물질이 존재하는지를 감지하며, 유체 물질의 순도를 측정하는 분야, 및 기타 그와 유사한 분야에 사용되어진다. 음향 감지로 알려진 구조들은 단순한 수정 공진기, 수정 필터, 음향판 모드 장치, 램파 장치(Lamb wave devices), 및 기타에 걸쳐 존재한다. 각설하고 이러한 장치들은 석영, 랜거사이트(langasite) 또는 리튬 니오베이트(lithium niobate)과 같은 압전 물질로 이루어진 기판을 포함하거나 비압전 기판상에 질화 알루미늄(aluminum nitride), 산화아연(zinc oxide) 또는 황화 카드뮴(cadmium sulfide)과 같은 압전 물질 박막을 포함한다. 상기 기판은 일반적으로는 고도로 연마된 적어도 하나의 활성 압전면 영역을 가진다. 상기 면에 형성되는 것은 기판 내에서 입력 전기 에너지를 음향파 에너지로 변환하고 음향 에너지를 전기적인 출력 신호로 재변환하기 위한 입력 및 출력 변환기들이다. 이러한 변환기들은 병렬 판들(벌크파) 또는 주기적 인 깍지 구조 변환기(표면 생성파)로 이루어질 수 있다. 단일 변환기는 입력 또는 출력 변환기의 모두로서 작용할 수 있다는 것이 주목된다.

위에서 기술한 각 센서들은 완전히 액체에 잠긴 채로 동작되도록 설계될 수 있다. 하지만, 민감한 전자 분야에서는 적어도 노이즈 신호와 독출 오류들, 및 극단적으로는 부식 또는 폭발 위험까지 고려하여야 한다. 전자 분야의 패시베이션은 잘 알려져 있으며 일정한 한정된 분야에 적합한데, 이는 러브파 및 표면 진행파(surface traverse wave: STW) 센서들에서 볼 수 있으며, 예를 들어 알.엘. 바에르, 씨. 에이. 플로리, 엠. 톰-모이, 및 디. 에스. 솔로몬에 의한 "STW 화학 센서들(STW Chemical Sensors)", 1992년판 초음파 현상, 제293 ~ 298쪽(1991)에 기재된 바와 같다. 하지만, 패시베이션은 완벽하지 않아서 회로의 전기적인 부품들은 여전히 정전용량적 부하와 노이즈 유입에 노출되어 있다. 게다가 대부분의 패시베이션 방법들은 단일 크리스털 재료들에 비하여 열악한 음향 특성들을 가진 재료들을 사용할 것이 요구된다. 마지막으로, 이러한 패시베이션된 STW 센서들은 많은 액상 측정에서 소망하지 않는 높은 전단율을 나타낸다. 그러한 센서들은 잠재적으로 많은 센서 응용분야들에서 주목되고 있지만, 이들 센서들은 예를들어, 오일 생산, 특히 하부-분출 환경에서 액체를 측정하는데 있어서 이상적이지 않다.

대부분의 응용분야들에서 표면 대향 변환기들(surface opposite the transducers)은 측정되어지는 액체와 직접 또는 간접 접촉되고 그로부터 또는 그리로 향하는 음향 에너지에 인접하게 된다. 인접 관계에 추가적으로 압전 물질들은 액체와 캐비티 사이에 센서의 전기적인 요소를 포함하는 멤브렌을 형성한다. 압전 물질 뒤의 부피 부분은 통상 액체와 동일한 레벨로 압력이 가해지지 않아서, 압전 물질은 액체와 캐비티내의 압력 사이의 압력차이에 노출된다. 따라서, 압전 물질의 한정된 강도는 센서가 노출될 수 있는 동작 압력을 제한하게 된다. 그 물질이 압력을 견디기에 충분히 강하더라도 센서의 멤브렌 휘어짐에 따른 비선형 효과는 센서 특성에 심하게 영향을 준다.

반면에 많은 기술 분야들에서는 압력 변화에 덜 민감하거나 높은 압력 수준에 대하여 액체를 측정하는 것이 장점이 될 수 있다. 그러한 기술 분야들의 예로써는, 비한정적인 예시로써, 가스 생산, 오일 웰, 및 오일 파이프들, 유압 시스템들, 사출 성형 장비, 생물학적 및 화학적 물질 감지를 위한 대테러 감지 시스템, 및 그와 유사한 기타들이 포함된다. 따라서, 오랫동안 느껴져 왔고, 압력 변화 및/또는 높은 주변 압력 환경에 대하여 민감도가 낮은 상태로 동작할 수 있는 전자 음향 센서와 관련된 산업 분야에서 해결되지 않는 요구가 있다. 본 발명은 그러한 요구의 해법에 착안한 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 프로브가 잠기어 등압을 겪는 곳에 맞는 센서를 제공하는 것이다. 그러한 센서는 압전판의 보다 현저한 휘어짐에 기인하기 보다는 압전 물질의 비선형 탄성 상수(nonlinear elastic constants)에 기인하여 훨씬 저감된 레벨로 압력 차이가 나는 효과를 겪게 된다. 또한 본 발명의 일측면으로, 잠재적으로 부식성 또는 해로울 수 있는 측정되는 액체로부터, 액체가 고압하에 있을 때에도 센서의 전기적 구조에 대한 보호를 제공하는 것이다. 본 발명은 다른 목적은 센서가 감지 환경과 저압 캐비티 사이의 다이어프램으로서 적용되지 않게 전기적 구조를 보호하는 것이다.

그 결과로 거의 동일한 두 기판들의 결합으로 이루어진 압전 센서용 기판이 제공된다. 결합 기판은 활성 전기 연결과 압전 센서의 전극들이 결합 기판의 중심선과 접지된 또는 전기적으로 비활성화된 바깥면에 또는 부근에 위치하는 셀프-패시베이팅 프로브(self-passivating probe)를 제공한다.

당업자라면 전극이라는 용어는 압전 크리스털 내에서 섭동을 유발하거나 반사시키는 접지 전극들, 변환기들(특히 활성적으로 구동하거나 구동되는 전극들의 경우에), 및 다른 구조체들과 관련되는 것으로 인식될 것이다.

따라서 본 발명의 일측면에 따르면 안쪽 및 바깥쪽 표면을 구비하되 안쪽 표면들은 서로 면 방향으로 대향하도록 접합된 제1 및 제2 압전판을 포함하는 결합 음향파 소자(AWD)가 제공된다. 상기 제1 및 제2 압전판의 각 안쪽 표면들 사이에는 적어도 하나의 제1 전극과 리턴 전극이 부설된다. 특정 실시예에서 상기 리턴 전극은 적어도 하나의 상기 바깥쪽 표면상에 부설된다. 보다 바람직한 실시예에서는 접지 전극과 더불어 추가적으로 상기 제1 및 제2 압전판 사이에 제2 전극이 부설되며, 상기 제2 전극이 리턴 전극일 수 있다.

바람직하게는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 각각은 상기 리턴 전극을 가지는 각 병렬판 공진기를 형성하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 상기 제1 및 제2 공진기 사이에서 음향 에너지를 전달하는 것이 허용되기에 충분한 근접성을 가지도록 배치된다. 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 및 선택적으로 모든 개수의 다른 전극들은 단일판 전극 또는 깍지 구조 전극일 수 있다.

다른 바람직한 실시예에서 상기 제1 전극과 제2 전극은 그 전극들 사이에서 전기적 충전에 응용할 수 있도록 상기 압전판들내에서 이격을 주도록 배치되고, 상기 이격은 상기 바깥쪽 표면과 실질적으로 평행이 되도록 기판이 선택되고 전극이 구성된다. 그러한 기판 선택, 전극 구성 및 결과적인 센서는 잘 알려진 두께 전단 모드 센서(shear mode sensor)와 유사하다.

선택적으로, 상기 음향파 소자는 상기 바깥쪽 표면의 적어도 하나의 바깥쪽 표면 상에는 코팅을 포함한다. 상기 코팅은 복수 개의 코팅층들이 존재할 수 있고 상기 코팅이라는 용어는 본 명세서에서 복수의 단일 코팅들인 코팅을 참조하는 것으로 사용된다. 상기 코팅은 내마모성 부재, 내화학성 부재, 다이아몬드상 카본, 측정 환경에서 특정 화학 물질의 존재 또는 농도에 대하여 감지성이 있는 코팅, 또는 상기 코팅들의 모든 소망의 조합일 수 있다.

바람직한 실시예에서 상기 제1 및 제2 압전판들은 실질적으로 유사한 치수이다. 보다 바람직하게는 상기 제1 및 제2 압전판들은 실질적으로 유사한 결정 방향성을 가진다.

본 발명의 가장 바람직한 실시예에서 상기 제1 변환기 및/또는 제2 변환기(전극)은 단일판 전극들로 이루어지지만, 깍지 구조(interdigitated)의 변환기들로 이루어질 수도 있다.

다른 실시예에서는 소망의 주파수를 얻기 위하여 상기 판의 적어도 하나, 바람직하게는 양쪽에서, 상기 바깥쪽 표면내에서 함몰부가 제공된다.

특정 실시예에서 상기한 음향파 소자는 상기 안쪽 표면의 적어도 하나에서 함몰부를 포함한다. 함몰부는 상기 제1 및 제2 판 사이의 캐비티로 정의되고 이로써 압력에 대하여 감지성이 있는 센서 영역이 이루어진다.

또 다른 실시예에서 상술한 음향파 소자의 어느 것과 유사한 결합 음향파 소자를 포함하는 센서가 제공된다. 또한, 상기 제1 전극과 상기 리턴 전극 사이에 적어도 전기적 에너지를 커플링하는 회로를 포함한다. 명백하게, 상기 전기적 에너지의 적어도 하나의 변수를 측정하는 측정 회로부를 더 포함하는 것이 요구되어 지는데, 상기 측정 회로부는 개별적으로 구현될 수도 있다.

본 발명의 가장 바람직한 실시예에서는, 체결 볼트를 더 포함한다. 상기 회로 또는 그 회로부는 상기 볼트에 끼워지며, 예를 들어, 볼트의 몸체에 대하여 상기 음향파 소자 부재는 상기 몸체로부터 측정되는 물질로 연장되어진다. 개별적인 입력 및 출력 변환기를 구비하는 실시예에서, 상기 제1 전극은 전기 신호를 상기 AWD로 유도하는 입력 변환기로 작용하고, 상기 제2 전극은 상기 AWD로부터 전기 신호를 추출하는 출력 변환기로 작용한다. 일반적으로, 회로부는 입력신호를 커플링하도록 상기 입력 변환기에 커플링된 신호 소오스와, 입력신호와 추출된 신호들의 적어도 한가지 관계를 측정하는 측정 회로를 포함한다.

측정되는 변수들은 예시적으로 입력 및 출력 신호의 상대적인 위상, 입력 및 출력 신호의 상대적인 진폭, 일정한 위상 시프트를 유지하는 신호의 주파수, 센서를 통한 펄스화 신호의 시간 지연, 트랜스듀서의 임피던스, 또는 이들의 조합과 같이 전기적으로 모니터링될 수 있는 음향파 소자의 어떤 특성들중의 하나 이상을 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에서는, 고압으로부터 간섭받지 않고 어떤 물질의 하나 이상의 물리적인 변수를 측정하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 상기한 음향파 소자 또는 그러한 부분을 상기 물질에 접촉하여 위치시키는 단계와, 전기 신호를 상기 제1 전극에 커플링시키는 단계와, 상기 음향파 소자로부터 추출된 전기신호를 측정하는 단계를 포함한다. 상기 추출된 신호는 상기 커플링된 신호와의 차이가 있고 상기 차이는 상기 센서의 측정 변수를 나타낸다. 상기 측정 변수는 물리적 또는 화학적 측정 대상에 의하여 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 바람직하게는, 상기 측정 단계는 상기 추출된 신호와 상기 커플링된 신호 사이의 관계 변수를 측정하는 단계를 포함하여, 상기 변수는 주파수, 삽입 손실, 위상, 지연시간, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다. 가장 바람직한 실시예에서, 상기 물리적 변수는 점도, 밀도, 온도, 압력, 화학적 농도, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.

본 발명의 가장 바람직한 실시예에서, 상기 AWD 활성 전극들은 제1 동작 센서를 형성한다. 또한, 상기 음향파 소자는 안쪽 표면의 적어도 하나에, 보다 바람직하게는 안쪽 표면의 모두에 함몰부를 포함하는 압력 센서를 포함한다. 함몰부는 상기 제1 및 제2 안쪽 표면 사이의 캐비티로 정의된다. 함몰부를 구비하는 상기 판 영역상에서의 압력 효과에 대해 감지성이 있는 감지 부재는 상기 캐비티내에 부설된다. 상기 감지 부재는 응력 게이지를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 상기 함몰부를 구비하는 판에 전기적인 에너지를 공급하는 적어도 하나의 변환기를 포함할 수 있다.

본 발명의 가장 바람직한 실시예에서는 상기 제2 안쪽 표면은 유사한 크기로 상기 제1 안쪽 표면의 함몰부에 대향하는 방향으로의 함몰부를 더 포함하며 상기 제1 함몰부와 제2 함몰부의 결합으로 캐비티가 정의되며, 상기 제1 함몰부상에 부설된 제1 입력 변환기 및 제1 출력 변환기, 및 상기 제2 함몰부상에 부설된 제2 입력 변환기 및 제2 출력 변환기를 더 포함한다.

보다 바람직하게는 상기 압력 센서로부터 얻어진 출력과 제1 동작 센서의 출력을 비교하는 단계를 더 포함한다.

상술한 설명과 이하의 상세한 설명은 바람직한 실시예들을 나타낸 첨부된 도면들을 참조하여 보다 잘 이해될 것이다. 하지만 본 발명은 도면에 나타낸 세부적인 배열에 한정되지 않으며 단지 예시적으로만 제공된 것이다.

도 1은 본 발명의 기본적인 실시예를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 나타낸 단순화된 횡당면도.

도 3a는 바람직한 실시예로서 전극들 및 전기적인 접속을 나타낸 도면.

도 3b는 바람직한 다른 실시예로서 전극들 및 전기적인 접속을 나타낸 도면.

도 4는 바람직한 실시예로서 전기적인 접속을 보이도록 모서리를 나타낸 도면.

도 5는 가장 바람직한 실시예로서 볼트에 체결된 센서를 나타낸 도면.

도 6은 에칭된 멤브렌의 실시예를 나타낸 도면.

도 7은 결합된 압력 및 점도 센서의 실시예를 나타낸 도면.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예로서 결합된 센서를 압력 감지성 및 압력 비감지성 구조들로 구현된 것을 비교 도시한 도면.

도 9는 바람직한 실시예로 센서 부재에 커플링된 전자 회로를 나타낸 간단화한 다이어그램.

도 10은 오실레이터상의 한 부분으로 작용하는 센서용 구동 회로를 나타낸 회로도.

결합 기판이라는 용어는 적어도 두 영역의 실질적으로 유사한 반응성 기판을 가르키며, 여기서, 각 기판은 일반적으로는 압전 물질이나 자왜(magnetostrictive) 재료, 압자(piezomagnetic) 물질, 강유전체, 및 강자성체도 사용될 수 있고, 여기서는 명백하게 압전 분야에 관해서 일반적으로 반응성 기판으로 기술될 것이며 균등하게 일컫어질 것이다. 당업자는 압전 효과 및 압전 기판 또는 재료에 관한 자료들을 도처에서 입수할 수 있을 것이며 전기적 신호에 의하여 기판 등 내에서 음향 또는 초음파를 유기할 수 있는 다른 방법을 포함할 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 본 명세서와 첨부된 청구항들에서 상기 영역들은 압전판들로 참조될 것이다. 어떠한 반응성 기판의 다양한 모양 및 단면들과 관련한 용어들은 센서에 소망의 특성을 주기 위한 것임이 명백하다 할 것이다. 또한, 본 명세서에 기재된 구조들 및 해법들은 적어도 하나의 기본적인 특성, 또는 선택적으로, 다른 변수에 대하여 하나의 변수가 특이하게 중요성을 가지지 않는 이차적인 특징으로 관련될 수 있는 복 수의 액체 특성들을 측정하기 위하여 적용될 수 있다는 것에 주목하여야 할 것이다. 즉, 비한정적 예시로써, 기본적인 특성은 점도이고 이차적인 특성은 본원인에 의하여 출원된 PCT/US2004/012546호에 개시된 바와 같이 밀도 또는 미국 특허출원 10/958,896호에 개시된 바와 같이 전단율일 수 있다.

가장 기본적인 측면으로 본 발명은 상술한 바와 같은 반응성 재료의 두 압전판으로 된 결합 기판을 포함한다. 두 압전판은 바람직하게는 유사한 치수들이고 유사한 물질, 및 결정 방향성의 것들이다. 두 압전판의 경계 영역은 적어도 하나의 바람직하게는 복수 개의 활성 전극들을 구비한다. 몇몇 전극 배열들은 이하에서 비한정적 예시의 방법으로 기술된다. 두 압전판들을 커플링시키고 전극들을 주위 환경으로부터 이격시키는 밀폐재로 작용하도록 하기 위해서 접착 부재가 사용된다. 압전판들 사이에 캐비티가 요구되지 않고, 두 판들은 유사한 압력에 노출되기 때문에, 비대칭적 압력과 관련된 판의 굽힘 응력은 실질적으로 상쇄된다. 따라서, 압전 물질은 압축될 수 있는데, 그러한 압력이 물질을 붕괴시킬 만큼이 되지 않을 때까지는 휘어지거나 부러지지 않게 된다. 센서가 실효 변환기 면적의 두 배를 가진다는 사실로부터 유기되는 추가적인 장점은 낮은 변환기 임피던스와 보다 높은 압전 물질의 질량을 제공하고, 주어진 음향 전력 수준에서 보다 낮은 균등한 전단율을 제공한다는 것이다. 현재 당업계에서 알려져 있는 이러한 개선 사항들을 사용하기 위해서는 전극 면적이 두 배가 되고 그로 인한 전체 센서 패키지의 크기와 무게의 증가를 요구하게 될 것이다. 이러한 요소들의 각각은 최소한의 부피 변화를 가지고 보다 높은 품질의 센서를 구성할 수 있도록 허용한다.

가장 기본적인 실시예에서는 두 개의 유사한 치수의 반응성 재료로 된 각각은 실질적으로 평평하고 표면 연마되어 있는 압전판(즉, 영역: 10, 15)을 포함한다. 평평한 표면들은 안쪽 표면들과 서로 대향하는 것을 가르킨다. 평평한 면들 사이에 부설된 것은 활성 전극(5)이다. 두 압전판들은 호환적인 물리 특성과 우수한 음향 특성을 가지는 접착 부재(70)에 의하여 서로 접착된다. 바람직하게는 상기 접착 부재는 낮은 융점의 보로실리케이트 글라스이지만, 당업자라면 고주파에서는 애폭시, 열플라스틱, 및 폴리이미드 물질들, 저주파에서는 실란 및 실록산 웨이퍼 접착 방법과 같은 다른 적절한 재료들이 사용될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 접지 전극들(20, 25)는 판들의 바깥쪽 표면에 부설된다. 접지 전극들이 선택적인 경우에 단일 전극(5) 대신에 깍지 구조 변환기가 사용될 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이며, 본 발명 및 청구범위는 그러한 실시예들까지 확장되며 당업자들에게 자명할 것이므로 본 실시예에서 나타내어지지는 않는다.

도 2에는 본 발명의 보다 바람직한 실시예를 나타내었다. 도 1에 나타낸 보다 단순한 구조와 유사하게 두 압전판들(10, 15)이 결합 기판을 형성한다. 입력 변환기(30)와 출력 변환기(40)가 두 압전판들 사이에 부설된다. 가장 바람직한 실시예에서는 도 3a에 도시한 바와 같이 각 전극으로 단일 전극을 사용한다. 도 3b에는 깍지구조 변환기를 사용한 대안적인 실시예를 나타내었다. 변환기들(30, 40)의 활성 전극에 추가적으로 영역(50)이 두 변환기들을 매개시킬 수 있고, 상기 영역(50)은 비활성 전극과 같이 당업자에게 알려져 있는 매개 격자를 포함할 수 있다. 바람직하게는 압전판들의 바깥쪽 표면에 선택적인 접지 전극들(20, 25)이 부설될 수 있 다.

31과 32로 참조된 바와 같이 입력 변환기(30)는 서로 대칭이고, 음향적으로 거울과 같은 형식인 상부 압전판(10)과 하부 압전판(15)의 모두로 에너지를 커플링시키며, 41 및 42로 참조된 바와 같이 커플링된 출력 변환기(40)로 그 에너지를 전달한다. 바람직하게는 입력 및 출력 변환기는 상기 변환기들 사이에서 음향적 커플링(36, 37)이 작용하도록 충분한 근접성을 가지게 배치된다. 가장 바람직하게는 다중-폴 공진기를 구성하도록 변환기들 사이의 거리가 선택된다. 도 3a에 나타낸 바와 같은 구조는 미국 특허 6,033,852호에 개시된 일명 모노리틱 압전 센서를 본 발명에 적용한 것이다. 도 3b에 나타낸 구조는 음향파 모드, 러브파, 램파, SAW, 및 그와 유사한 것과 같은 AWD 기반의 깍지 구조 변환기들(interdigital transducers : IDT)에 적용한 것이다.

도 3a에 나타낸 가장 바람직한 실시예에서는 입력 및 출력 변환기들(30, 40)에 단일판 전극들이 각각 사용된다. 양 전극들은 압전판(10) 상에 부설된다. 도 3b에 나타낸 실시예에서 변환기들(30, 40)은 적어도 하나의 압전판 상의 안쪽 표면상에 부설된 주기적인 전극들을 포함한다. 도 3b에서는 선택적인 매개 격자(35)를 나타내었다. 도 3a와 도 3b에서는 공급선(65)이 변환기들에서 압전판의 모서리로 연장되며, 여기서 압전판 모서리를 넘어 둘러싸게 되어 도 4에 나타낸 접촉 패드들(75)을 형성한다. 도 4는 두 압전판(10, 15)을 보인 상기 센서 모서리의 측면도이다. 접촉들(75)는 전기적으로 변환기들에 연결되어 센서에 접속을 제공하기에 편리한 표면을 형성한다. 선택적인 접지 전극들의 예시적인 하나는 해당 접지 접촉 패드(80)와 함께 20으로 나타낸 바와 같다.

본 발명의 가장 바람직한 실시예의 센서 부재는 각 변환기(30, 40)의 각각에 대하여 접지 평면을 감싸고 병렬판 공진기들을 형성하는 것으로 참조된 변환기들로 단일 금속 전극을 적용한다. 각 변환기는 병렬판 두께 모드 공진을 나타내며, 그 주파수는 압전판의 전체 두께에 의하여 결정되고, 그 두께는 압전판들의 상대적인 두께, 따라서 활성 금속 영역의 위치에 대한 음향 파장의 소망의 배수가 되되, 소망의 배수와 관련하여 전기적 포텐셜 피크 상당의 이상 또는 미만이 된다. 보다 바람직하게는 상기 배수는 일이고 압전판들 각각은 기본적으로 동일한 두께가 되는 것이 바람직하다. 변환기들(30, 40) 사이 간격의 적절한 선택에 의하여 변환기(30)로 삽입되는 에너지가 36 및 37로 참조된 점선으로 나타낸 바와 같이 변환기(40)등에 의하여 형성되는 공진기로 커플링될 수 있게 된다. 결과적인 커플링된 공진기 필터는 특히 본 발명에 따라 구성되면 다른 센서들에 비하여 많은 이점들을 제공한다. 이러한 이점들은 단순한 금속 패턴화, 접착 재료 영역에서의 극히 낮은 음향 전력 레벨, 및 센서 전단율의 우수한 제어를 포함한다. 압력 효과와 과도한 변환기 임피던스로 제한되어져 왔던 액상 센싱에 이러한 구조들을 현시점에서 적용할 수 있게 되므로, 본 발명은 특히 압력 효과들과 변환기 임피던스를 보상하는 것에 있어서 특히 이점이 있다 하겠다.

본 발명의 가장 바람직한 실시예에서는 센서 부재를 볼트(85)와 같은 캐리어에 체결하여, 용이하게 설치가 가능한 센서 어셈블리를 형성한다. 도 5에는 그러한 어셈블리의 단순화한 실시예를 나타내었다. 상기 센서는 볼트에 또는 볼트의 연장 부(90)에 그 모서리가 연결될 수 있다. 접촉 패드(75, 80)들을 매칭시키도록 전기적 접촉들이 제공된다. 고압 실링재(95)가 볼트 상의 센서 부재 모두를 지지하도록 가해지고, 접촉부가 주위 환경으로부터 격리된다. 실링재는 압력 및 주위 환경을 견뎌내는데 요구되는 임의의 두께와 임의의 물질일 수 있다. 바람직한 일실시예에서 세라믹 물질이 실란트로서 사용된다. 보로실리케이트 글라스, 에폭시, 실리콘, 및 폴리이미드가 추가적인 예들로써 당업자에 의하여 적절한 실란트로 인식될 수 있을 것이다.

볼트 체결된 센서의 접촉부들은 센서로부터 분리되어 지지 전자회로들에 인가될 수 있으나, 가장 바람직한 실시예에서는 지지 전자회로부(100)가 센서 어셈블리에 일체화되고, 상기 어셈블리로부터 조정되고 정규화된 데이터만이 보내어진다. 바람직한 실시예로서 상기 회로는 볼트 범위내에 위치된다. 비한정적 예시로써 상기 회로는 음향파를 발생시키고 측정할 수 있는 RF 회로, 주파수 계수, 전력 감지, 및/또는 무선 주파수 신호를 센서 응답으로 변환하기 위한 위상 측정 회로, 외부 제어 시스템 또는 이들의 임의의 조합과 다른 소망의 회로에 적절한 디지털 인터페이스를 구비하는 아날로그-디지털 인터페이스 및 마이크로프로세서를 포함할 수 있다.

가장 바람직한 실시예에서 상기 센서 부재는 저온 소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic : LTCC) 또는 유사한 하이브리드 회로들(93)을 포함하는 마운트(93)에 고정되며, 이 마운트는 전기 회로를 통합하고 접촉 패드들을 구비하는 센서 모서리로 본딩된다. 상기 마운트는 드릴링, 본딩, 및 기타와 같은 소 망의 방법에 의하여 볼트에 연결된다. 그러한 실시예에서는 고압씰(95)이 마운트(93)의 일부로써 형성되는 것이 바람직하다.

두 압전판들 사이의 본딩재는 유효 압전판 두께보다 상당히 얇은 것이 바람직하지만 이것이 필수적이지는 않다. 이상적인 본딩재료는 모든 특성들이 타이트하게 맞아서 어긋남을 방지하도록 하기 위하여 고품질의 음향특성을 가져야 할 것이고, 판 재료와 열적으로 호환되고 또는 플라스틱이 열 팽창되는 것을 충분히 허용하도록 해야 할 것이다. 상기 본딩 재료는 압전판들 사이에 위치하므로 변환기와 판들 사이의 열 전달에 최소한의 영향을 주어야 할 것이다. 하지만 당업자라면 압전판들 사이의 공간이 본딩재에 의하여 채워질 수 있고 압력 효과에 대처하는 다른 물질들과 변환기들이 정상파의 등가적인 최대점에 위치하도록 하는 한 상기 압전판들은 서로간에 어떠한 소망의 거리로 위치될 수 있다는 것이 인식되어질 것이다. 즉 필요한 경우에는 압전판들 사이에 중간층이 부설될 수 있다. 명백하게 그러한 실시예들에서 압전판들의 각각에 대하여 개별 변환기들이 요구될 것이다.

상기 장치를 만드는 바람직한 방법은 크리스털을 평행 웨이퍼들로 슬라이싱하는 단계를 포함한다. 각 웨이퍼의 적어도 한 면, 바람직하게는 양쪽 면이 폴리싱된다. 하나 또는 그 이상의 평평하지 않은 면들이 요구되면, 소망의 모양이 에칭되어지거나 표면내로 형성되어진다. 비한정적 예시로서 밀도 측정을 위한 액체 트랩을 형성하는 텍스쳐된 표면들(textured surfaces)과, 개선된 에너지 트래칭을 위한 실린더형, 타원 또는 원형 윤곽 및, 에칭된 얇은 멤브렌을 포함한다. 도 6에 나타낸 본 발명의 바람직한 실시예에서는 소망의 보다 두껍고 강인한 지지영역을 유 지하면서도 소망의 고 동작주파수 및 고감도를 이루도록 바깥쪽 압전판내에 함몰부(105)가 형성되어 있는 에칭된 멤브렌 구조가 도시되어 있다.

일단 압전판 표면들이 소망의 형태 및 거칠기가 되면, 그 쪽은 선택적으로 메탈라이징되는 모든 압전판들의 바깥쪽 센서 표면이 된다. 반대쪽 표면상의 적어도 판의 절반에는 활성 전극들이 피막된다. 전기적인 접속들이 압전판 모서리로 포선된다. 압전판의 각 쌍은 함께 본딩되고 센서 부재는 마운트(93)에 고정된다. 명백하게 다른 방법들이 적용될 수도 있다. 그러한 방법들로는 각 압전판의 안쪽면에 전극을 피막하는 방법과 필요에 따라 구 전극들의 집합 사이에 접촉이 되거나 되지 않도록 하는 본딩하는 방법을 포함한다.

본 발명의 기본적인 장점은 종래 기술에 의하여 제공되는 해법으로서 바깥쪽 및 안쪽 압전판 표면들 사이의 압력 차이에서 유발되는 판의 굽힘 응력을 회피한다는 것이다. 하지만, 이러한 압력 차이가 어떠한 환경에서는 도움이 되도록 사용될 수 있다는 것을 인식하는 것도 중요하다. 즉, 예컨대, 도 7에 도시한 바와 같이 신중하게 선택된 치수의 캐비티(110)가 두 압전판들 사이에서 센서의 개별 구획에 제공될 수 있다. MEMS와 같은 응력 센서, 스트레인 게이지, 또는 바람직하게는 깍지 구조 변환기(120)가 캐비티내에 피막되며, 이는 측정되는 매질의 압력에 직접적으로 연관되는 굽힙 응력을 측정하는데 사용된다. 즉, 상기 센서는 측정된 변수에 부가적으로 압력 측정이 결합된 측정을 제공한다.

도 8에는 본 발명의 바람직한 실시예로서 하나의 측정 대상이 압력인 곳에서의 측정 대상 결합된 센서를 나타내었다. 상기 결합 센서는 기본적으로 압전판의 서로 다른 부분에 위치하는 두 개의 보수 관계의 센서를 포함한다. 제1 센서(150)는 어떠한 소망의 측정 대상 또는 측정 대상들을 측정하기 위하여 실질적으로 상기한 어느 예시에 기술된 바와 같이 형성된다. 센서(150)에는 상술한 바와 같이 압전판의 바깥 측상에 함몰부(105)가 제공된다. 보수 관계의 제2 센서(160)에는 반대(안쪽) 압전판 표면으로 에칭되는 함몰부(106)가 형성되어, 압전판들의 안쪽 표면들이 서로 대향하게 되면 캐비티(110)를 형성한다. 두 센서는 각각의 활성 영역내에서 유사한 전체 두께와 임피던스를 가진다. 상기 두 센서는 어떠한 소망의 변환기 스타일을 적용할 수 있다. 상기와 같은 바람직한 실시예에서는 입력 변환기들(30, 130)와 출력 변환기(40, 140)의 각각에 대하여 단일 전극 변환기를 사용한다. 바람직하게는 압전판(10, 15)의 각각은 유사한 변환기 배치를 가짐으로써, 두 변환기들이 제1 센서(150)에 사용되는 경우에 두 변환기들(130, 140)은 제2 변환기(160)내에서 각 압전판들의 각각에 적용된다. 제1 및 제2 센서들(150, 160)은 유사한 임피던스, 질량, 주파수 및 감도를 가지기 때문에, 압력이 없을 때에 서로 잘 정합된다. 제1 센서는 유발되는 압력 감도로 알려진 압력에 대하여 매우 낮은 감도를 가지고 제2 센서는 내부 캐비티(110)를 사용하여 설계되므로, 제1 및 제2 센서의 결합은 오직 하나의 압전 구조만을 사용하면서도 압력 효과의 정밀한 측정을 가능하게 하는 차이 쌍을 형성한다. 또한, 측정되는 압력은 압력에 민감하지 않은 제1 센서내의 어떠한 잔류 압력 효과에 대한 보정을 제공하는데 사용될 수 있어 제1 센서부에서의 보다 정밀한 측정 대상(들)의 측정을 가능하게 한다.

또한 선택적으로, 통칭하여 코팅으로 참조되는, 하나 이상의 코팅층이 센서 의 바깥쪽 표면 또는 그런 부분에 적용될 수 있다. 그러한 코팅(55, 60)은 측정되는 물질의 접착을 방지, 내마모, 내화학성의 제공 및 기타 그와 유사한 것과 같은 소망의 특성을 제공할 수 있다. 바람직한 실시예에서 상기 코팅은 다이아몬드상 카본, 보론 나이트라이드, 실리콘-알루미늄 옥시나이트라이드 또는 유사한 재료를 프로브상에 피막함으로써 이루어질 수 있다. 가장 바람직한 실시예에서는 불소화 다이아몬드상 카본층이 냔융금속 접지면에 걸쳐 피막될 수 있다.

선택적으로, 상기 프로브는 물질 감지성 필름이 바람직하게는 기판상의 코팅(55, 60)의 가장 바깥쪽 층으로서 피막됨으로써 직접 또는 간접적으로 특정 물질을 감지하는데 적용될 수 있다. 물질 감지성 필름은 특정 분자들 또는 분자군들을 잡아낼 수 있는 화학적인 구조의 폴리머, 생화학, 메탈 옥사이드 또는 메탈 필름 또는 다른 재료일 수 있다. 그러한 분자들이 잡히면 필름의 물리적 특성(예를들어, 질량, 강성도, 점도 또는 전도도)의 변화가 유발되고, 이로써 그러한 분자들의 존재를 감지하여 측정되어 질 수 있다. 그러한 구조는 코팅으로서 센서를 효소, 항체, 항원, 또는 핵산 분자들을 사용한 적은 량의 생화학 물질 탐지에 보다 잘 적용할 수 있도록 한다. 금속 필름에 전기 화학적 방법을 사용하는 것은 용융된 금속들을 추적하는데 검토되어진다. 그러한 센서는 임의의 포텐셜에 접속될 수 있고 전기 화학적 셀의 작동 전극으로서 적용될 수 있는 외측 도전체를 포함할 수 있다. 당업자라면 많은 다른 화학적으로 선택가능한 코팅들이 적용될 수 있고 그러한 조합들로부터 화학적으로 선택가능한 센서들이 될 수 있음이 인식되어질 것이다.

에너지 레벨과 같은 다양한 물리적인 변수들이 소망의 측정 대상에 맞도록 최적 센서 특성을 이루는 압전 물질들, 방향성, 장치 구조, 및 결과적인 변환기들을 선택하는 것은 본 발명의 다양한 측면들의 가르침으로부터 당업자의 능력 범위내에서 선택될 수 있고, 기술적 선택 사항의 문제일 뿐이다. 이와 유사하게, 적절한 지원 회로 및 장치를 선택하는 것은 소망의 최종 결과에 맞추기 위한 기술적 선택사항이며, 다른 실시예에서 크게 변화될 수 있을 것이지만, 이는 당업자에게 명백한 것이다.

도 9에는 상기 센서 부재에 커플링된 바람직한 전자 회로의 단순화한 다이어그램을 나타내었다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 뚜렷히 구별되는 입력 및 출력 신호를 제공하는 두 변환기 구조가 적용된다. 신호 소오스(900)은 입력 변환기(30)에 적용되고 신호 감지기(910)은 출력 변환기(40)를 모니터링한다. 데이터 변환기(920, 930)은 각각의 출력 및 입력 변환기들의 신호를 CPU(940)에 의하여 해석될 수 있는 신호로 변환한다. 상기 신호들은 CPU에 의하여 비교되어지고 그 관계는 센서의 측정 대상으로서 해석된다. 상기 CPU는 측정 결과를 디지털 버스(950)을 통하여 전송한다.

AWD가 단일 변환기인 경우에, 출력 신호는 입력 신호의 반사된 부분이다. 이들은 임피던스 분석기를 사용하여 직접 비교되어지거나, 방향성 커플러를 사용하여 개별적으로 비교되어질 수 있으며, 콜피츠(Collpitts), 피어스(Pierce) 또는 유사한 구조의 임피던스 기반 오실레이터를 사용하여 간접적으로 모니터링될 수 있다. 그러한 측정 방법들은 당업자에게 명백한 것이다. 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 따른 센서 어셈블리 회로는 도 10에 도시한 바와 같이 루프 오실레이터내에 일 련의 피드백 부재로서 센서 부재를 적용한다. 상기 오실레이터는 자연 크리스털인 센서와, 입력 및 출력 변환기 사이에는 연결된 증폭기(970)를 포함한다. 상기 오실레이터는 출력 신호를 측정하는 작용을 하며, 입력 신호를 출력신호의 증폭된 모사(replica)로서 인가하며, 신호들 사이의 미리 선택된 위상과 증폭된 관계를 지속적으로 평가한다. 그러한 오실레이터는 피드백 루프에서 360°위상 시프트의 배수를 가지는 주파수의 신호를 임의적으로 생성한다. 신호의 진폭은 센서의 삽입 손실과 증폭기의 포화된 이득이 균형을 이루도록 결정된다. 측정 대상은 순간적인 임의적 진동점에서 센서의 삽입 손실 및/또는 신호의 주파수를 모니터링함에 의하여 결정된다.

본 발명은 본 명세서에서 단지 예시적으로만 기재한 사항으로 한정되지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 본 발명의 위에서 기재한 것들은 바람직한 실시예로서 고려될 수 있는 것들이며, 당업자에 의하여 자명하다 할 것이므로 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어남이 없이 다양한 다른 실시예들, 변형, 및 수정이 만들어질 수 있고 따라서 따라서 모든 그러한 변경들 및 변형들은 문언적 특허로 출원되는 본 발명의 진정한 사상 및 범위에 속한다 할 것이다.

Claims (33)

1. 결합 음향파 소자에 있어서,

   안쪽 및 바깥쪽 표면들을 가지며 안쪽 표면들은 서로 면 방향으로 대향하여 접합된 제1 압전판 및 제2 압전판;

   상기 제1 압전판 및 제2 압전판의 안쪽 표면들 사이에 부설되는 적어도 하나의 제1 전극; 및

   상기 제1 압전판 및 제2 압전판의 안쪽 표면들 또는 바깥쪽 표면들에 구비되는 적어도 하나의 리턴 전극을 포함하고,

   상기 결합 음향파 소자는 공진 주파수인 상태에서 양 바깥쪽 표면 부근에서본질적으로 동일한 무선 주파수 포텐셜을 가지는 두께 전단 모드 공진기를 이루는 것을 특징으로 하는 결합 음향파 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 리턴 전극은 상기 바깥쪽 표면상에 부설된 것을 특징으로 하는 결합 음향파 소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 압전판 및 제2 압전판 사이의 안쪽 표면들 사이에 부설된 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 음향파 소자.
4. 제3항에 있어서 상기 제2 전극이 상기 리턴 전극인 것을 특징으로 하는 결합 음향파 소자.
5. 제3항에 있어서,

   상기 리턴전극은 상기 바깥쪽 표면의 적어도 하나에 부설되고, 상기 제1 및 상기 제2 전극의 각각은 상기 리턴 전극을 가지는 각 병렬판 변환기를 형성하고, 상기 제1 및 제2 전극 사이의 거리는 상기 제1 및 제2 공진기 사이에서 음향 에너지를 전달할 수 있는 거리로 배치되는 것을 특징으로 하는 결합 음향파 소자.
6. 제5항에 있어서,

   다른 하나의 바깥쪽 표면상에 대향적으로 부설된 다른 하나의 리턴전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 음향파 소자.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 바깥쪽 표면들 중의 적어도 하나의 바깥쪽 표면은 내마모성 부재, 내화학성 부재, 다이아몬드상 카본, 측정 환경에서 특정 화학 물질의 존재 또는 농도에 대하여 감지성이 있는 코팅, 또는 상기 코팅들의 모든 소망의 조합에서 선택된 하나의 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 음향파 소자.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 제1항 내지 제6항 또는 제8항 중 어느 한 항에 기재된 결합 음향파 소자를 포함하는 센서; 및

    상기 제1 전극과 상기 리턴 전극 사이에 적어도 전기적 에너지를 커플링하는 회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
19. 제18항에 있어서, 상기 전기적 에너지의 적어도 하나의 변수를 측정하는 측정 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
20. 제18항에 있어서,

    체결 볼트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
21. 제20항에 있어서, 상기 회로 또는 그 회로부는 상기 볼트에 끼워지는 것을 특징으로 하는 센서.
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제
26. 고압하의 물질에서 적어도 하나의 물리적 변수를 측정하는 방법에 있어서,

    제1항 내지 제6항 또는 제8항 중 어느 한 항에 기재된 결합 음향파 소자 또는 그 일부를 상기 물질에 접촉하여 위치시키는 단계;

    전기 신호를 상기 제1 전극에 커플링시키는 단계;

    상기 음향파 소자로부터 추출된 전기신호를 측정하되, 상기 추출된 신호는 상기 커플링된 신호와의 차이가 있고 상기 차이가 센서의 측정 변수를 나타내며, 상기 측정 변수는 물리적 또는 화학적 측정 대상에 의하여 영향을 받는 것으로 알려진 측정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
27. 제26항에 있어서, 상기 측정 단계는,

    상기 추출된 신호와 상기 커플링된 신호 사이의 관계 변수를 측정하는 단계를 포함하여, 상기 변수는 주파수, 삽입 손실, 위상, 지연시간, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 측정 방법.
28. 제26항에 있어서, 상기 측정 변수는,

    점도, 밀도, 온도, 압력, 화학적 농도, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 측정 방법.
29. 제26항에 있어서, 상기 결합 음향파 소자의 활성 전극들은 제1 동작 센서를 형성하고, 안쪽 표면의 적어도 하나에 상기 제1 및 제2 안쪽 표면 사이의 캐비티로 정의되는 함몰부를 포함한 압력 센서를 더 포함하며, 상기 함몰부를 구비하는 판 영역상에서의 압력 효과에 대해 감지성이 있는 감지 부재는 상기 캐비티 내에 부설된 것을 특징으로 하는 측정 방법.
30. 삭제
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