SI20046A - Ultrazvočni pretvornik in postopek za njegovo izdelavo - Google Patents
Ultrazvočni pretvornik in postopek za njegovo izdelavo Download PDFInfo
- Publication number
- SI20046A SI20046A SI9800203A SI9800203A SI20046A SI 20046 A SI20046 A SI 20046A SI 9800203 A SI9800203 A SI 9800203A SI 9800203 A SI9800203 A SI 9800203A SI 20046 A SI20046 A SI 20046A
- Authority
- SI
- Slovenia
- Prior art keywords
- layer
- metallized
- plate
- channels
- transducers
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims abstract description 10
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000011324 bead Substances 0.000 claims description 19
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 claims description 16
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims description 13
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims description 13
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000005476 soldering Methods 0.000 claims description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 20
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 abstract description 4
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 abstract description 4
- 229920005989 resin Polymers 0.000 abstract description 4
- 239000011347 resin Substances 0.000 abstract description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 abstract description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 abstract description 2
- 238000007711 solidification Methods 0.000 abstract 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 abstract 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 14
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 11
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 4
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 3
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 3
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 2
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 2
- NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N Acrylonitrile Chemical compound C=CC#N NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N haloperidol Chemical compound C1CC(O)(C=2C=CC(Cl)=CC=2)CCN1CCCC(=O)C1=CC=C(F)C=C1 LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 239000004922 lacquer Substances 0.000 description 1
- 238000013017 mechanical damping Methods 0.000 description 1
- 230000010358 mechanical oscillation Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 230000028161 membrane depolarization Effects 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
- G01F1/662—Constructional details
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
- B06B1/0648—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element of rectangular shape
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
- G01N29/2437—Piezoelectric probes
- G01N29/245—Ceramic probes, e.g. lead zirconate titanate [PZT] probes
-
- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
- G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
- G01N2291/028—Material parameters
- G01N2291/02836—Flow rate, liquid level
Abstract
Ultrazvočni pretvornik za oddajo in sprejem ultrazvoka v plinu je z namenom pocenitve izdelan skupinsko iz homogene, obojestransko metalizirane piezokeramične plošče (1) v katero najprej vrežemo vzporedne kanale, nakar stranske stene (7) teh kanalov metaliziramo in kontaktiramo z elektrodo (31). Na tako obdelano ploščo (1) nanesemo akustično prilagodilno plast (5) iz zmesi epoksidne smole in votlih plastičnih kroglic in jo po strditvi plasti (5) razrežemo z vzdolžnim in počeznimi rezi diamantne žage na posamezne pretvornike. Na ta način je možno doseči znižanje proizvodnih stroškov za faktor 20 in več. Posamezni ultrazvočni pretvorniki so prizmatične oblike in polarizirani po debelini, ki niha pri vzbujanju pretvornika. Prilagodilna plast (5) je odporna na organska topila, ki so često prisotna v zemeljskem plinu.ŕ
Description
ULTRAZVOČNI PRETVORNIK IN POSTOPEK ZA NJEGOVO IZDELAVO
Področje tehnike
Izum sodi v področje tehnike ultrazvočnih piezoelektričnih pretvornikov. Po MPK spada v razred H 04 R 7/10.
Tehniški problem
Izum rešuje tehniški problem konstrukcije in izdelave piezoelektričnega ultrazvočnega pretvornika majhnih mer, nizke cene in dobre akustične prilagoditve na plin pri frekvencah nad 200 kHz.
Stanje tehnike
Ultrazvočni merilniki pretoka plinov uporabljajo ultrazvočne pretvornike za oddajanje in sprejemanje ultrazvočnega valovanja. Razlika časa preleta v smeri toka in proti toku je osnova za določanje hitrosti oziroma prostominskega pretoka plina. Merilniki porabe plina v gospodinjstvih so velikoserijski izdelki, pri katerih je za uspešno prodajo izredno pomembna nizka cena v primerjavi z merilniki na meh. Znižanje cene ultrazvočnih pretvornikov pa je eden od načinov za znižanje cene merilnika.
V doslej znanih rešitvah (DE 2537788, EP 0347096) so imeli ultrazvočni pretvorniki za merilnike pretoka plinov aktivno piezoelektrično ploščico, najpogosteje okrogle oblike, pasivno prilagodilno plast za boljšo akustično prilagoditev na plin in okrov v katerega je ultrazvočni pretvornik zalit z zalivno maso, ki je v posameznih primerih izbrana tako, da duši nihanje pretvornika, da bi na ta način dosegli širši frekvenčni pas. Takšna konstrukcija zahteva bodisi posamično izdelavo ultrazvočnih pretvornikov ali sočasno izdelavo večjega števila pretvornikov v zahtevnejših in tudi dražjih orodjih.
Cena piezoelektričnega ultrazvočnega pretvornika je sestavljena iz cene piezoelektričnega materiala, kije sorazmerna masi in cene izdelave, ki je neodvisna od velikosti piezoelektrične ploščice. Z obstoječo tehnologijo zato ni možna bistvena pocenitev ultrazvočnih pretvornikov.
Opis nove rešitve
Bistvo nove rešitve je hkratna izdelava večjega števila pretvornikov z razrezom večje piezoelektrične ploščice.
Podrobneje bo nova rešitev pojasnjena v nadaljevanju in s pomočjo slik, ki prikazujejo:
Slika 1 : Ultrazvočni pretvornik po izumu.
Slika 2 : Piezokeramična ploščica z metalizirammi kanali v (prečnem prerezu).
Slika 3 : Piezokeramična ploščica s kanali zapolnjeni z električno prevodno smolo (v prečnem prerezu).
Slika 4 : Piezokeramična ploščica s prilagodilno plastjo in nakazanimi rezi.
Slika 5 : Skupina pretvornikov po izumu (v prečnem prerezu).
Ultrazvočni pretvornik po izumu je narejen iz piezoelektrične keramike. Piezoelektrična ploščica 11 je polarizirana po debelini, kar pomeni, daje dipolni električni moment orientiran v smeri debeline ploščice 11 oziroma pravokotno na oddajno ploskev 31 piezoelektrične ploščice 11 (slika 1). Zgornja ploskev 31 (slika 1) in spodnja ploskev 32 pretvornika imata elektrodi v obliki tanke plasti napatjene kovine in sta električno spojeni z elektronskim vezjem. Pri električnem vzbujanju ploščica 11 zaniha z najbližjo ali kombinacijo najbližjih izrazitejših resonančnih frekvenc. V primeru pretvornika, ki je predmet izuma, zaniha ploščica 11 v planamem načinu. To je sofazno ravninsko nihanje pri katerem se piezoelektrična ploščica 11 sofazno razteza in krči v obeh pravokotnih prečnih smereh. Posledično se ploščica 11 deformira v debelinski smeri z nasprotno fazo glede na prečno nihanje. Tako nastalo nihanje debeline (thickness mode vibration) pretvornika je osnova za generacijo zvočnih valov v plinu. Za oddajo ultrazvoka je uporabljena zgornja ploskev 31 pretvornika. Zaradi velike razlike akustičnih impedanc, to je produkta zvočne hitrosti in gostote v plinu in keramiki, je za učinkovit prenos energije od zgornje ploskve 31 pretvornika v plin in obratno, potrebna impedančna prilagodilna plast 5. Resonančna frekvenca ultrazvočnega pretvornika je obratno sorazmerna z odgovarjajočo mero piezoelektrične ploščice 11. V primeru planamega nihanja je to širina oziroma dolžina ploščice 11, v primeru nihanja debeline pa je to debelina ploščice Π. V ultrazvočnem pretvorniku, ki je predmet izuma, je uporabljen planami način nihanja zaradi sprejemljivih mer ploščice 11 v prečni smeri (okoli 5 mm) pri frekvenci ultrazvoka nekaj sto kHz. V primeru nihanja debeline z enako frekvenco bi morala biti debelina piezokeramične ploščice 11 okoli 5 mm, kar pri enaki površini sevalne ploskve pomeni večjo maso piezoelektričnega materiala. To tudi pomeni večji materialni strošek in slabšo homogenost keramike.
Za dober izkoristek energije pretvornika pa je potrebna še akustična prilagoditev na plin oziroma zrak. Doslej znane rešitve uporabljajo plast 5 debeline dm = λ/4, katere specifična akustična impedanca Uzmnožek gostote plasti in hitrosti zvoka v tej plasti), je blizu geometrijske sredine akustičnih impedanc piezoelektrične keramike in plina. V primeru piezoelektrične keramike in zraka kot medija, z akustičnima impedancama 34 Mrayl oziroma 410 Rayl pri monokromatskem delovanju, je teoretično zahtevana impedanca prilagoditvene plasti 5 0,12 MRayl. To je mogoče doseči z zmanjšanjem gostote plasti 5 in zmanjšanjem hitrosti zvoka v plasti 5, pri tem pa se absorpcija valovanja v plasti 5 ne sme bistveno povečati. Pri dosedanjih rešitvah (npr. DE 25 37 788) je ta plast narejena kot zmes votlih
-4· steklenih ali kremenčevih (S1O2) kroglic in viskoelastične smole (npr. epoksidna smola ali polistirol). V primeru polistirola in steklenih kroglic gostote 0,3 g/cm3 je bila dosežena specifična akustična impedanca 0,36 MRayl, z uporabo kvarčnih kroglic gostote 0,18 g/cm3 pa okoli 0,26 Mrayl. Z uporabo benzola kot redčila, se je ta impedanca zmanjšala na okoli 0,21 MRayl, pri gostoti plasti 5 okoli 0,16 g/cm3. Zaradi občutljivosti polistirola na nekatera organska topila, ki so lahko prisotna v zemeljskem plinu, je tovrstna zmes neprimerna za delovanje v takšnem mediju. Tedaj je bolj primerna zmes votlih steklenih kroglic in o
epoksidne smole. S to zmesjo je dosegljiva gostota okoli 0,5 - 0,6 g/cm in hitrost zvoka okoli 2200 - 2400 m/s, kar pomeni, daje specifična akustična impedanca okoli 1-1,4 Mrayl. Prilagoditveno plast 5 za pline, ki vsebujejo organska topila, lahko izboljšamo v smislu zmanjšanja impedance z uporabo votlih plastičnih kroglic in nizkoviskozne epoksidne smole.Z uporabo impregnacijske epoksidne smole LY5138 in votlih kroglic iz akrilonitrila proizvajalca Expancel so bile dosežene gostote 0,34 g/cm3 in zvočne hitrosti 1470 m/s, kar pomeni, da je impedanca okoli 0,5 Mrayl, pri čemer so imele votle kroglice srednji premer
A v e okoli 60 μπι m gostoto okoli 0,03 g/cm . Zal pa je absorpcija zvoka približno štirikrat večja kot pri plasti s steklenimi votlimi kroglicami. Pri debelejših plasteh je to moteče zaradi večjega slabljenja koristnega signala, vendar pa so pri prehodu na višjo frekvenco delovanja f in pri zmesi z manjšo hitrostjo zvoka Cm potrebne tanjše prlagoditvene plasti dm — λ/4 = Cm/f
V tem primeru je slabljenje manjše.
Pri ultrazvočnem pretvorniku s sevalno ploskvijo kvadratne oblike s stranico a = 4,55 mm je frekvenca delovanja f = 350 kHz, kar pri doseženi zvočni hitrosti Cm = 1470 m/s v prilagodilni plasti 5 pomeni debelino dm približno 1 mm (slika 1). To je približno četrtina debeline plasti 5 kot jo imajo ultrazvočni pretvorniki, ki delajo na frekvencah 150 - 200 kHz in uporabljajo prilagodilno plast 5 iz epoksidne smole in votlih steklenih ali kvarčnih kroglic. Zaradi štirikrat večjih izgub zaradi absorpcije v plasti 5, ki vsebuje votle plastične kroglice, je ta zmes uporabna zgolj pri ultrazvočnih pretvornikih, ki delujejo s frekvencami nad 300 kHz. V tem primeru niso izgube zaradi absorpcije nič večje kot pri zmesi, ki vsebuje steklene votle kroglice, pri pretvornikih delujočih s frekvencami pod 200 kHz. V pogledu akustične prilagojenosti na plin, pa je zmes s plastičnimi votlimi kroglicami ugodnejša zaradi manjše akustične impedance. Teoretično oceno za prehod energije iz piezokeramike v plin za enodimenzionalni in monokromatski primer je možno podati s pomočjo teorije transmisijskih linij
Te = _*-Zk-Zp_ {ζ, + zjf *cos2 k.d. + (z„ -sin2 k„d kjer je Te koeficient prenosa energije med piezoelektrično keramiko in plinom, Zk in ZP specifična akustična impedanca piezoelektrične keramike oziroma plina, km valovni vektor v prilagodilni plasti, dm debelina te plasti in Zm njena specifična akustična impedanca. V primeru, da je dm = λ/4 je
Pri akustični impedanci keramike Zk = 34 Mrayl in plina ZP = 300 Rayl je pri prilagodilni plasti 5 s plastičnimi votlimi kroglicami z impedanco Zm = 0,5 Mravl prenos energije -8 dB, pri prilagodilni plasti 5 iz votlih steklenih kroglic z impedanco Zm = 1,4 Mrayl pa -17 dB. To pomeni, da so pri pretvorniku s frekvenco 350 kHz in plastičnimi kroglicami v prilagodilni plasti 5 amplitude signalov za 18 dB višje kot pri pretvorniku s frekvenco 170 kHz in votlimi steklenimi kroglicami v prilagodilni plasti 5.
V primeru pretvornikov s serijsko resonančno frekvenco fs približno 350 kHz in paralelno frekvenco fP približno 390 kHz, je osnovna stranica a pretvornika 4,55 mm, debelina piezokeramične plošče 2 mm, globina kanalov 0,8 mm, širina zarezanih kanalov 0,4 mm, globina kontaktnega dela stranice pretvornika 0,1 mm m debelina prilagodilne plasti 5 dm = 0,95 mm. Maksimum prenosne funkcije para pretvornikov je približno pri fs, pasovna Širina pri - 3 dB pa 40 kHz. Tako narejen pretvornik ima čas vnihavanja τ = 20 ps, kar pomeni porast signala pri vnihavanju od 10% do 90% maksimalne vrednosti v 7 periodah. Dodatno mehansko dušenje tega pretvornika ni potrebno, zato je vpetje elastično in narejeno z zalivanjem v mehko poliuretansko zalivko, katera nudi zadostno akustično izolacijo pred mehanskimi valovanji, ki bi se lahko delno širila po okrovu. Zaradi majhne mase pretvornika nudi takšna zalivka tudi zadostno oporo pri zagotavljanju pozicije..
V primeru potrebe po ustvamjanju približka ravnega vala v delu prostora, ki je širši od dolžine stranice a pretvornika , v obravnavanem primeru je to več kot 5 mm, je možna uporaba več vzporedno nameščenih in enako orientiranih pretvornikov, ki so zaliti v skupno poliuretansko zalivko. Takšna zgradba je lahko eno- ali več-vrstična. Na ta način narejen skupek ultrazvočnih pretvornikov 1 niha podobno kot pretvornik z večjo prečno mero. Zaradi sofaznih in po površini bolj izenačenih amplitud nihanja zgornje sevalne ploskve 51
-6posameznega pretvornika (slika 2) je tudi nihanje opisanega sestava bolj homogeno m sofazno kot pri enem večjem pretvorniku enakih lateralnih mer. Ta pa potem pomeni ustvarjanje bolj homogenega ravnega vala.
Nadaljnja možnost je sestav skupine ultrazvočnih pretvornikov, katerih spodnje strani 32 (elektrode) kot je prikazano na sliki 5 so medsebojno povezane s tanko plastjo nerazrezane keramične plošče 1. Takšna povezava omogoča zagotovitev medsebojne lege in orientacije posameznih ultrazvočnih pretvornikov sestava, hkrati pa ne povzroča takšne sklopitve mehanskega nihanja med posameznimi pretvomiškimi enotami, ki bi bistveno vplivala na nihanje takšnega sestava.
Za izdelavo preje opisanih ultrazvočnih pretvornikov s kar najmanjšimi stroški je bil razvit poseben postopek, ki izhaja iz obojestransko metalizirane piezoelektrične plošče 1 v katero najprej zarežemo paralelne kanale . Stranske stene kanalov nato metaliziramo in spravimo v električni kontakt z zgornjo elektrodo 31 s postopkom naprševanja spajkljive kovinske plasti 2 ali zapolnitvijo kanalov s prevodno epoksidno smolo 6 (slika 3). V primeru naprševanja opravimo delo v dveh korakih in sicer najprej napršimo plast Ni ali podobne kovine za zagotovitev oprijemljivosti na keramiko in nato še plast Au za dobro spajkljivost. V obeh primerih so debeline kovinskih plasti v submikrometerskem področju. Kanale nato zapolnimo z odtržno kritino 4. Zapolnitev opravimo s pomično brizgo, ki ima pomik vzdolž kanala sinhroniziran s pretokom laka. Odtržno kritino nato utrdimo v peči na temperaturi okoli 100 °C. Temu sledi nanašanje zmesi nizkoviskozne epoksidne smole in votlih plastičnih kroglic, ki jo s strgalom enakomerno razporedimo po vsej površini keramične plošče 1. Po utrditvi zmesi je možno to plast zbrusiti na predpisano debelino. Tako obdelano ploščo 1 je potrebno še prečno in vzdolžno razrezati na posamezne ploščice 11- ultrazvočne pretvornike. Podrobneje bo postopek opisan na izvedbenem primeru.
Piezoelektrično ploščo 1 pritrdimo s termičnim lepilom na paleto, kar zagotavlja ponovljivo pozicijo vpetja v priprave v vseh obdelovalnih fazah. Zarezovanje opravimo z žago za zarezovanje keramičnih materialov, ki ima običajno pnevmatsko vodene pomike z natančnostjo 0,005 mm in visoke vrtljaje (15000 o/min). List žage je debel 0,35 mm in ima na rezalnem robu prilepljen diamantni prah, zato je širina reza okoli 0,4 mm. Med žaganjem mesto reza hladimo, da na ta način preprečimo depolarizacijo piezoelektričnega matertiala zaradi pregrevanja. Po opravljenem vrezovanju kanalov keramično ploščo dobro .očistimo ostankov hladiva in ostružkov. Stranske stene kanalov nato metaliziramo m spravimo v električni stik z elektrodo 31 s postopkom naprševanja spajkljive kovinske plasti 2 v
-7 vakuumski naprševalni napravi (vacuum sputtering device). Lahko pa kanale tudi zapolnimo s prevodno epoksidno smolo 6 (slika 3). V primeru naprševanja ta postopek opravimo v dveh korakih in sicer najprej napršimo plast Ni ali podobne kovine za zagotovitev dobre oprijemljivosti na keramiko in nato Še plast Au za dobro spajkljivost. V obeh primerih so debeline plasti v submikrometerskem področju. Kanale nato zapolnimo z odtržno kritino 4 (zaščitni lak) s pomočjo pomične brizge, ki ima pomik vzdolž kanala sinhroniziran s tokom laka iz brizge. Utrjevanje odtržne kritine vršimo v peči na temperatzuri okoli 100 °C. Sledi nanašanje zmesi niskoviskozne epoksidne smole in votlih plastičnih kroglic, ki jo s strgalom enakomerno razporedimo po površini keramične plošče. Strgalo je del namenske naprave z vodili, katera omogočajo doseganje planparalelnosti nanosa ±0,01 mm. Ravnanje zmesi s pomočjo strgala poteka v večjih korakih preko nekaj desetink mm debele poliesterske (ali slične) folije, katera je premazana z ločilnim sredstvom in je s svojo spodnjo površino v stiku z zmesjo. Namen folije je preprečiti, da bi strgalni nož pri ravnanju vlekel zmes za seboj. Tak način nanosa je potreben predvsem zato, ker v zmesi ne smejo nastati notranji tlaki, ki pomenijo kompresijo plastičnih votlih kroglic. Zato je vpenjalni del priprave za nanos prilagodilne zmesi oblikovan tako, da ima odvečna zmes veliko prostora za iztis. Po utijevanju zmesi pobrusimo plast prilagodilne zmesi na zahtevano mero. Tako obdelano ploščo 1 še razrežemo z vzdolžnimi in prečnimi rezi na posamezne pretvornike (slika 4). Delo opravimo z žago s katero smo že zarezovali kanale . Po razrezu segrejemo paleto z razrezano ploščo 1 na temperaturo okoli 120 °C, da lepilo popusti. Spodnje elektrode 32 pretvornikov očistimo od ostankov lepila z organskim topilom (npr. s Solkanom). Vzdolžni rezi potekajo po zapolnjenih kanalih tako, da dobimo na stranski ploskvi 7 kanala področje metalizacije 2, ki je v električnem kontaktu z zgornjo elektrodo 31. V primeru napršitve (slika 2) je potrebno mehansko odstraniti odtržno kritino 4, nakar se na metalizirani del 7 stranice prispajka električni vodnik. Če so kanali zapolnjeni s prevodno epoksiodno smolo, opravimo kontaktiranje s prav takšno smolo. Glede na tehnologijo izdelave pretvornikov in način kontaktiranja, je priporočljiva debelina piezoelektrične 1 plošče okoli 2 mm. Pretanka plošča 1 povzroča težave pri kontaktiranju, predebela pa pomeni večji materialni strošek.
Uporabni frekvenčni pas za meritve pretoka plina s preletom ultrazvočnega signala skozi plin sega do približno 500 kHz. Predlagana oblika pretvornika je prizma, pri kateri določa prečno mero piezokeramične plošče zahtevana frekvenca delovanja. Za območje frekvenc 200 do 500 Hz je prečna mera pretvornika v območju 3-8 mm. Najugodneje je, da je osnovna ploskev prizme kvadrat s stranico a « λ/2, ker na ta način obe prečni nihanji enako
-8in sofazno prispevata k nihanju zgornje, oddajne ploskve pretvornika. Kar zadeva velikost osnovne piezoelektrične plošče 1 je ugodno uporabiti ploščo čim večjih mer. Po drugi strani pa večje stranske mere piezoelektričnih plošč 1 pomenijo slabšo homogenost piezoelektričnega materiala pri enakih tehnoloških stroških izdelave, oziroma porast teh stroškov pri zagotovitvi enake homogenosti. Smiselne maksimalne mere plošč 1 so zato od 50 x 50 mm do 110 x 110 mm, pač glede na tehnološke zmogljivosti dobavitelja. V našem primeru so bili pretvorniki s stranico kvadrata a = 4,55 mm narezani iz plošče 1 mer 60 x 60 mm in je bilo iz ene plošče 1 izdelanih 144 pretvornikov. To je omogočilo znižanje proizvodnih stroškov za faktor 20, glede na dosedanjo tehnologijo. Vsi pretvorniki narejeni iz iste plošče 1 imajo primerljive akustične in električne lastnosti, kar povečuje stopnjo recipročnosti pretvomiških parov in omogoča sestavljanje pretvorniških skupin. Takšne skupine so primerne za oblikovanje valovnih front z željeno obliko oziroma za hkratno oddajo in sprejem ultrazvoka.
Claims (6)
- Patentni zahtevki1. Ultrazvočni pretvornik namenjen oddajanju in sprejemanju ultrazvoka v plinu sestoječ iz piezokeramične ploščice (11) in akustične prilagodilne plasti (5), značilen po tem, da je ploščica (11) polarizirana po debelimi in prizmatične oblike, daje na stransko ploskev (7) odrezanega kanala nanesena spajkljiva kovinska plast, ki je v električnem stiku s sosednjo elektrodo (31) ter, daje prilagodilna plast (5) narejena iz zmesi votlih plastičnih kroglic in epoksidne smole.
- 2. Ultrazvočni pretvornik po zahtevku 1, značilen po tem, da stranska ploskev (7), ni metalizirana, pač pa je na njo nanesena električno prevodna epoksidna smola (6), ki je v električnem kontaktu z elektrodo (31).
- 3. Skupina ultrazvočnih pretvornikov po zahtevku 1 ali 2, značilna po tem, da so medsebojno povezani z delom nerazrezane piezokeramične plošče (1).
- 4. Postopek za izdelavo ultrazvočnega pretvornika, značilen po tem, da vrši zarezovanje kanalov v eno stran obojestransko metalizirane piezokeramične plošče (1), metaliziranje stranskih sten (7) teh kanalov, kontaktiranje metaliziranih stranskih sten (7) z elektrodo (31), polnjenje kanalov z odtržno kritino (4), nanašanje prilagodilne plasti (5), njeno brušenje na predpisano mero po utrditvi in končno razrez tako obdelane plošče (1).
- 5. Postopek po zahtevku 4, značilen po tem, da ne metaliziramo stranskih sten (7) kanale pa zapolnimo z električno prevodno epoksidno smolo (6) namesto z odtržno kritino (4)
- 6. Postopek po zahtevku 4 ali 5, značilen po tem, da ima eden ali več rezov globino manjšo od debeline plošče (1), da na ta način nastane ena ali več skupin pretvornikov, ki so medsebojno mehansko povezani z delom nerazrezane plošče (1).
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SI9800203A SI20046A (sl) | 1998-07-16 | 1998-07-16 | Ultrazvočni pretvornik in postopek za njegovo izdelavo |
| EP99113647A EP0973150A3 (de) | 1998-07-16 | 1999-07-14 | Ultraschallwandler und das Verfahren zu seiner Herstellung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SI9800203A SI20046A (sl) | 1998-07-16 | 1998-07-16 | Ultrazvočni pretvornik in postopek za njegovo izdelavo |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| SI20046A true SI20046A (sl) | 2000-02-29 |
Family
ID=20432306
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SI9800203A SI20046A (sl) | 1998-07-16 | 1998-07-16 | Ultrazvočni pretvornik in postopek za njegovo izdelavo |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0973150A3 (sl) |
| SI (1) | SI20046A (sl) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003259491A (ja) * | 2002-03-04 | 2003-09-12 | Nisshinbo Ind Inc | 音響整合層用組成物、音響整合層成形品の製造方法及びそれらを用いる超音波センサー |
| US6904798B2 (en) * | 2002-08-08 | 2005-06-14 | Airmar Technology Corporation | Multi-functional marine sensing instrument |
| DE102007010500A1 (de) * | 2007-03-05 | 2008-09-11 | Robert Bosch Gmbh | Ultraschallwandler mit direkt eingebettetem Piezo |
| US7969068B2 (en) * | 2007-12-19 | 2011-06-28 | Ueda Japan Radio Co., Ltd. | Ultrasonic transducer with a retracted portion on a side surface of the piezoelectric layer |
| DE102011082615A1 (de) * | 2011-09-13 | 2013-03-14 | Endress + Hauser Flowtec Ag | Ultraschallwandler eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts |
| RU2701179C1 (ru) * | 2019-03-26 | 2019-09-25 | Общество с ограниченной ответственностью Завод "Саратовгазавтоматика" | Датчик ультразвуковой |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4385255A (en) * | 1979-11-02 | 1983-05-24 | Yokogawa Electric Works, Ltd. | Linear array ultrasonic transducer |
| US4523122A (en) * | 1983-03-17 | 1985-06-11 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric ultrasonic transducers having acoustic impedance-matching layers |
| US5274296A (en) * | 1988-01-13 | 1993-12-28 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Ultrasonic probe device |
| JPH01246998A (ja) * | 1988-03-29 | 1989-10-02 | Fuji Electric Co Ltd | 超音波トランスジューサ |
| DE4142372A1 (de) * | 1991-12-20 | 1993-06-24 | Siemens Ag | Ultraschall-wandlerarray |
| US5423220A (en) * | 1993-01-29 | 1995-06-13 | Parallel Design | Ultrasonic transducer array and manufacturing method thereof |
-
1998
- 1998-07-16 SI SI9800203A patent/SI20046A/sl not_active IP Right Cessation
-
1999
- 1999-07-14 EP EP99113647A patent/EP0973150A3/de not_active Withdrawn
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0973150A3 (de) | 2002-11-20 |
| EP0973150A2 (de) | 2000-01-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100299277B1 (ko) | 초음파변환기어레이및그제조방법 | |
| US4952832A (en) | Surface acoustic wave device | |
| Kino et al. | Design of slotted transducer arrays with matched backings | |
| Benetti et al. | Growth of AlN piezoelectric film on diamond for high-frequency surface acoustic wave devices | |
| CN112491379B (zh) | 一种具有声子晶体反射器的声表面波谐振器 | |
| EP4028486A1 (en) | 5g system containing a polymer composition | |
| WO2006114930A1 (ja) | 弾性境界波装置 | |
| CN102089970A (zh) | 板波元件和使用该板波元件的电子设备 | |
| CN103378817A (zh) | 滤波器装置、滤波器装置的制造方法和双工器 | |
| JPH0239251B2 (sl) | ||
| US7951272B2 (en) | Thin film producing method | |
| KR20190070274A (ko) | 전자부품 모듈 | |
| RU2004116689A (ru) | Радиальный акустический преобразователь мегагерцового диапазона | |
| KR0150389B1 (ko) | 표면탄성파소자 | |
| US3665225A (en) | Hybrid surface-wave transducer | |
| SI20046A (sl) | Ultrazvočni pretvornik in postopek za njegovo izdelavo | |
| KR20200078347A (ko) | 탄성파 장치, 및 전자부품 모듈 | |
| KR970004619B1 (ko) | 탄성 표면파 소자 | |
| EP0810725A2 (en) | Wafer and surface acoustic wave device | |
| Osugi et al. | Single crystal FBAR with LiNbO3 and LiTaO3 piezoelectric substance layers | |
| EP2940864B1 (en) | Piezoelectric component | |
| US20110210802A1 (en) | HBAR Resonator with a High Level of Integration | |
| WO1995010882A3 (en) | Surface acoustic wave devices for controlling high frequency signals using modified crystalline materials | |
| CN105047188A (zh) | 一种带匹配层的压电复合材料高频换能器 | |
| EP1496553B1 (en) | Composite piezoelectric body |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| IF | Valid on the prs date | ||
| KO00 | Lapse of patent |
Effective date: 20060410 |