TWI619942B - 改善聲學轉換的裝置及方法 - Google Patents

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Abstract

一種具有包含低穿透性之保護阻障的最終匹配部之聲學轉換器。保護阻障係接觸測試介質。於一實施例中，保護阻障包含一或多個低穿透性層，例如設置於低阻抗層(例如聚亞醯氨)上之金屬箔片或金屬塗層，使得低阻抗層及保護阻障構成聲學轉換器之最終匹配部。於其他實施例中，保護阻障包含氟聚合物。亦揭露一種用以決定聲學轉換器之各種層的厚度之用於改善效能的方法。

Description

改善聲學轉換的裝置及方法
本揭露係大致關於執行於氣體、液體、或固體之聲學測量，更具體言之，係有關於使用於聲學測量之聲學轉換器。
許多工業使用需要正確遞送包含有關於在載體氣體中散佈之氣體的氣體混合物之製程。正確遞送此等氣體混合物需要精確的測量關注的流動氣體混合物中之氣體的濃度，其中關注的氣體典型具有高純度且可能具有高度腐蝕性。這些製程的範例包含化學汽相沈積(CVD)、摻雜擴散(例如半導體工業所實行者)、及高效率氫冷發電機的操作。
控制關注的氣體或反應物之通量的一種方法是使用載體氣體，典型地為甲烷或氮氣，其係流經汽化器或「起泡器(bubbler)」。載體氣體的流動係藉由質流控制器來控制，且氣體流中的反應物之濃度當其離開汽化器時係假設為常數，且反應物之通量係與載體氣體之流量成比例。此方式不精確的幾個理由如下，起泡器溫度中的變化、二元氣體混合物之溫度與壓力的不穩定性、起泡器之氣體線上游及下游中可能的洩露、及質流控制器及關注的點之間的濃度時間延遲，尤其是低流速時。
美國專利第6,116,080、6,192,739、6,199,423、及6,279,379號(其為與本專利申請案之所有人所共同擁有)揭露一種預混合測量的改良 之技術及裝置。這些專利揭露一種聲學測量裝置，其推論出起泡器之下游及在汽化製程之後的關注的氣體之濃度，後文中稱為「後混合的測量(post-mixing measurement)」。
這些專利的特定觀點及後混合測量技術係被具體實現於PIEZOCON濃度感測器(後文中稱為「Piezocon感測器」)，其係由美國紐約州Poughkeepsie之Veeco Flow Technologies,Inc.所製造及販售。Piezocon感測器使用包含低阻抗介面之聲學轉換器。於此，「聲學轉換器」係界定為在測量時作為聲學元件(感測器或驅動器，例如壓電單元(piezoelement))及介質之間的一或多層介面。期望的聲學轉換器之特性包含廣帶聲學頻率中的高效率、測試介質之低聲學阻抗的匹配及具有阻抗測試介質之化學反應的暴露表面。聚亞醯氨(例如Kapton®膜)為用於聲學轉換器之較佳的材料，因為相較於傳統上使用於聲學轉換器之其他材料(例如氟聚合物)聚亞醯氨提供具有對化學反應有阻抗的低阻抗匹配層，同時在關注的溫度中提供較穩定的楊氏模數(Young’s Modulus)。
然而，不管聚亞醯氨之合理的高化學抗性，其已被發現，於使用氮化銦鎵之有機金屬化學汽相沈積(MOCVD)系統中隨著時間的經過，聲學轉換器之聚亞醯氨成分變成以氧化鎵及銦塗佈，其結果相信會造成感測器中的漂移，係因降低轉換器之間的距離及影響聲學轉換器之轉換功能。聚亞醯氨因吸收化學物質亦已知會增大，其亦可降低轉換器之間的距離及影響轉換功能。
因此，需要一種於後混合測量使用之聲學轉換器，其擁有良好的聚亞醯氨之機械屬性同時減輕發生於特定的後混合測量環境中所伴隨 的化學反應。
於本發明之各種實施例中，以具有良好的機械特性但在特定應用中易於化學反應之材料所形成的聲學轉換器係以包含薄保護層作為部分的聲學轉換器之最終匹配部為條件。此薄層係由低穿透性材料(例如鐵)製成於聲學轉換器之修改的最終匹配部之暴露面上(亦即，測試時聲學轉換器及介質之介面)。此方式與傳統思維的介面之暴露面必須為提供較金屬為佳的聲學阻抗之匹配的材料相反。
於本發明之另一實施例中，儘管提供不好的機械特性，低穿透性聚合物(例如氟聚合物)係被單獨使用以降低氣體穿透高穿透性層下。
目前工作的研究已發現組成聲學轉換器至相當活躍的先驅物之聚合物的暴露具有有害的效果，係因氣體(或有時為液體)之穿透這些聚合物的結構。化學成分會在聚合物內被捕捉，且儘管這些化學成分具有對聚合物之低反應性，其被捕捉會惡化化學反應的問題。聚亞醯氨膜具有良好的機械特性(亦即，相對穩定的彈性模數)以及具有合理的對化學反性之高抗性，但對許多氣體為可穿透的。其它聚亞醯氨膜之範例包含APICAL、KAPTREX、NORTON TH、UPILEX、及VTEC PI。聚亞醯氨膜以外的其它聚合物膜(包含但不限於聚醯胺、氟聚合物、及聚乙烯)可被使用。
舉例來說，25μm厚度之聚亞醯氨KAPTON類型HN膜具有對於二氧化碳為7000mL/m2．24h．MPa等級、對於氧氣為4000mL/m2．24h．MPa等級、對於氮氣為1000mL/m2．24h．MPa等級、對於甲烷為38,000mL/m2．24h．MPa等級、對於氦氣為63,000mL/m2．24h．MPa等級之穿透性。若 聲學轉換器之最終匹配部的穿透性被降低至例如對給定氣體之KAPTON的穿透性為約10%，穿透性惡化的效果可被實質降低。見“Summary of Properties for Kapton® Polyimide Films[.pdf],”可在以下網址找到http：//www2.dupont.com/Kapton/en_US/assets/downloads/pdf/summaryofprop.pdf(最後一次訪問該網頁為2012年8月24日)。此報告中用以決定穿透性參數的測試方法為ASTM D-1434-82(1988)。
若聲學轉換器之最終匹配部的暴露面具有實質上降低厚度25μm的聚亞醯氨KAPTON型HN膜之穿透性(例如至約10%或更少)，聲學轉換器的壽命將滿足許多應用。因此，以二氧化碳之穿透性作為基準，具有少於700mL/m2．24h．MPa的二氧化碳穿透性的材料(假設厚度為25μm)係有足夠的低穿透性以改善聲學轉換器的持久性。
問題之一是如何避免包含聲學轉換器之聚合物的穿透。聲學轉換器之應用中的一限制觀點為其會有聲學阻抗之實質不匹配，尤其是測試介質為氣體，會導致聲能於介面處之反射，其造成聲能之無效率感測。考慮一平面聲波及在兩半有限介質(semi finite)之邊界的正交入射。強度反射係數R係表示如下 其中Z1=ρ1C1且Z2=ρ2C2分別為第一及第二介質之聲學阻抗，ρ為個別密度及C為個別介質中聲音之速度。藉由非限制範例，考慮具有傳送器之系統，其中第一或傳送介質為不鏽鋼316L且第二或接收介質為氮氣。在室溫下，不鏽鋼316L(通常用於半導體工業)具有45 x 106Pa．s/m之等級的聲學阻抗，而氮氣氣體具有400Pa．s/m之等級的聲學阻抗。於此範例中，反射率R 接近一，亦即，幾乎所有聲能在不鏽鋼/氮氣氣體介面係被反射。
現考慮與傳送器互補之接收器，其中傳送及接收介質互換。亦即，傳送介質為氣體，而接收介質為不鏽鋼316L。強度與反射比類似，但具有相反相。兩介面間的高反射係數使得由接收器所接收的聲學訊號無法偵測。
因此，工業上通常使用多層聲學轉換器以改善具有實質不同聲學阻抗之材料的聲學匹配。通常，低阻抗層係由聚合物(例如TEFLON)製成，其係結合感測器內部的不鏽鋼層被使用。然而，於特定應用中，所有的聚合物在測試下對介質之氣體(有些情況為液體)為可穿透的。當活躍的先驅物於聚合物中被捕捉，氣體可與先驅物反應，而此將導致化學反應造成聚合物表面上或甚至聚合物層內部之氧化物的累積之增加。此增加導致傳送及接收轉換器之間的距離之降低且亦導致聲學訊號之轉換功能的失真。因此，傳統思維係額外的金屬(例如不鏽鋼)之匹配層將造成嚴重的不匹配，且因而導致無法偵測的訊號。
本發明之某些實施例與此傳統思維相反。於這些實施例中，金屬或其他低穿透性固體(例如不鏽鋼316L或INCONEL 600)之薄層覆蓋或係另外加入至聚合物，低穿透性固體具有不大於0.05λ之厚度，且較佳小於0.01λ。於此，λ係稱為「聲波之波長」而以如下方程式表示λ=C/fC 方程式(2)其中C為低穿透性固體之材料中聲音的速度而fC為轉換器之中心操作頻率。其中一種方式係使用模擬來取得低阻抗層之厚度，使得低阻抗層/保護 阻障組合之最高及最低共振頻率的共振頻率係在預定的頻率範圍內。於一實施例中，預定的頻率範圍落於0.75．fC及1.25．fC之間。
通常使用於聲學轉換器的匹配層之聚合物包含氟聚合物(fluoropolymers)，例如PFA(Perfluoroalkoxy)、FEP(fluorinated ethylene propylene)、及PTFE(polytetrafluoroethylene)。氟聚合物具有合理的低穿透率，然而，其無法被使用於廣的溫度範圍中，係因隨溫度的變化，彈性模數的實質變化會導致轉換函數之大變化。
用於聲學轉換器之低聲學阻抗材料的其中一種最佳候選者為聚亞醯氨(例如KAPTON)，其可被使用於達400℃之溫度且具有相對於氟聚合物實質穩定的彈性模數。儘管聚亞醯氨在化學上阻抗大部分的化學物質，聚亞醯氨對於氣體及液體的較高穿透率擴大與被捕捉的氣體或液體之化學反應的問題。
結構上，一種用以聲學地決定測試介質之性質的裝置係被說明，包含一腔室，用以容納一測試介質，該腔室具有至少一第一側及用於該測試介質之一入口。一第一聲學轉換器可操作地與該腔室之第一側耦接且經組構以傳送聲能之脈衝至該測試介質或接收經由該測試介質所傳送的聲能之脈衝、或同時傳送聲能之脈衝至該測試介質及接收經由該測試介質所傳送的聲能脈衝。聲學元件(例如聲學驅動器/傳送器或聲學感測器/接收器)可操作地與該第一聲學轉換器耦接。一第一聲學轉換器包含：一基礎匹配部，該基礎匹配部之第一表面與該聲學元件接觸；及一最終匹配部，與該基礎匹配部耦接，該最終匹配部包含設置於一低阻抗層上之一保護阻障。
應注意的是，聲學轉換器之領域中的傳統命名法是將接收器 或傳送器之聲學元件(感測器或驅動器)接觸之層稱之為「第一」部或「第一」匹配層。於此專利中，「基礎(base)」匹配層係等效於「第一」匹配層。進一步需注意的是，「匹配部」(例如基礎匹配部或最終匹配部)可包含一或多層，且在基礎與最終匹配部之間可設置額外的匹配部。
於一實施例中，第一聲學轉換器之低阻抗層係接觸基礎匹配部之第二表面，基礎匹配部之第二表面相對於基礎匹配部之第一表面，保護阻障具有適於與該測試介質接觸之暴露面。
於一實施例中，該聲學元件為一聲學傳送器且該第一聲學轉換器係經組構以傳送該聲能脈衝至該測試介質。同樣的，一第二聲學轉換器可操作地耦接該腔室之一第二側，且組構以接收透過該測試介質所傳送的聲能脈衝；及一聲學感測器，可操作地耦接該第二聲學轉換器。該第二聲學轉換器可包含：一基礎匹配部，具有接觸該聲學感測器之一第一表面；一最終匹配部，可操作地耦接該第二聲學轉換器之該基礎匹配部，且包含設置於一低阻抗層上之一保護阻障。於一實施例中，該第二聲學轉換器之該低阻抗層係被設置於該第二聲學轉換器之該基礎匹配部的一第二表面上。於一實施例中，該第二聲學轉換器之該基礎匹配部的該第二表面與該第二聲學轉換器之該基礎匹配部的該第一表面相對。同樣的，第二聲學轉換器之保護阻障可具有適於與該測試介質接觸之暴露面。
於各種實施例中，聲學接收器係被設置於該腔室之一第二側上，且該腔室之該第二側與該腔室之該第一側平行。該聲學元件可由壓電陶瓷材料製成。該保護阻障可包含金屬或金屬合金，且於特定實施例中，保護阻障之金屬由複數個接續金屬層組成。替代地，該保護阻障可包含氟 聚合物、及氧化物或陶瓷。同樣於各種實施例中，給定的聲學轉換器之低阻抗層包含聚亞醯氨。於其他實施例中，該聲學元件為雙向且被組構以同時傳送聲能及接收聲能。於一實施例中，該保護阻障包含假定厚度25μm的情況下二氧化碳穿透性小於700mL/m2．24h．MPa之材料。
於其他實施例中，給定聲學轉換器之低阻抗層具有在0℃至400℃範圍中變化小於50%的彈性模數，且該保護阻障包含低穿透性氟聚合物。
於特定實施例中，係使用一種用以保護聲學轉換器之最終匹配部之方法，該方法包含：˙建立一聲學轉換器之一最終匹配部的一保護阻障之預定的厚度，該保護阻障為低穿透性材料用於暴露至測試介質；˙決定該聲學轉換器之一基礎匹配部的厚度，用於操作地耦接該聲學轉換器之該最終匹配部；˙決定該聲學轉換器之該最終匹配部的一低阻抗層之厚度，用於接觸該保護阻障，該低阻抗層之厚度係被選擇，以理論地提供該聲學轉換器落於預定的頻率範圍內之一共振頻率。
該方法可進一步包含建構該聲學轉換器具有該基礎匹配部及該最終匹配部，該保護阻障具有該預定的厚度，該低阻抗層具有該低阻抗層之厚度，及該基礎匹配部具有該基礎匹配部之厚度。於一實施例中，該方法包含將該基礎匹配部與該聲學轉換器之該最終匹配部直接物理(實體)接觸。
於一實施例中，該聲學轉換器係被設計作為一傳送聲學轉換 器。於此實施例中，亦可設計一種用以設計一接收聲學轉換器之方法，該方法更包含：˙建立一接收聲學轉換器之一最終匹配部的一保護阻障之預定的厚度，該接收聲學轉換器之該保護阻障為低穿透性材料用於暴露至該測試介質；˙決定該接收聲學轉換器之一基礎匹配部的厚度，用於操作地耦接該聲學轉換器之該最終匹配部；及˙決定該接收聲學轉換器之該最終匹配部的一低阻抗層之厚度，用於接觸該接收聲學轉換器之該保護阻障。
於此方法中，該傳送聲學轉換器之該低阻抗層及該接收聲學轉換器之該低阻抗層的厚度係被選擇，以理論地提供該傳送聲學轉換器及該接收聲學轉換器落於一預定的頻率範圍內之一共振頻率。
於一實施例中，一金屬保護阻障係藉由將一金屬箔片結合至該低阻抗層被實現。於其他實施例中，設置一金屬保護阻障之步驟包含化學汽相沈積製程及/或連續沈積複數個不同金屬於該低阻抗層上。
20‧‧‧聲學單元時序圖
22‧‧‧聲能脈衝
24‧‧‧前緣
26‧‧‧尾緣
28‧‧‧前緣
32‧‧‧測試腔室
34‧‧‧測試介質
36‧‧‧第一聲學轉換器
38‧‧‧低阻抗層
42‧‧‧保護阻障
46‧‧‧測試腔室之相對表面
48‧‧‧第二聲學轉換器
52‧‧‧接收轉換器
54,132‧‧‧保護阻障
Δt‧‧‧時間間隔
r1(t),r2(t),S(t)‧‧‧訊號
60‧‧‧基線聲學感測器
62‧‧‧傳送器
64‧‧‧接收器
66‧‧‧聲學驅動器
68‧‧‧傳送聲學轉換器
70‧‧‧基礎匹配部
71,96‧‧‧層膠
72‧‧‧低阻抗層
74,100‧‧‧最終匹配部
76‧‧‧邊界
78‧‧‧腔室
82‧‧‧氣體介質
84,106‧‧‧機械阻尼
86,88,88b,98‧‧‧厚度
90‧‧‧聲學感測器
92‧‧‧接收聲學轉換器
94‧‧‧不鏽鋼基礎匹配部
102,142‧‧‧低阻抗層
104,104b‧‧‧厚度
130‧‧‧聲學轉換器
134‧‧‧保護阻障
138‧‧‧複合匹配層
140‧‧‧低阻抗層
120‧‧‧預測的基線轉換函數
122‧‧‧實際基線轉換函數
124‧‧‧第一共振頻率
125‧‧‧第二共振頻率
126‧‧‧第三共振頻率
127‧‧‧第四共振頻率
110‧‧‧基礎電路模型
112a~112g‧‧‧有損耗傳送線
114a~114d‧‧‧單純傳送線
114e,114f‧‧‧傳送線
116,118‧‧‧電流轉換器
150‧‧‧修改的電路模型
184,186‧‧‧圖線
190,190a‧‧‧資料集
192,194,196‧‧‧資料集
180‧‧‧第二預測修改的轉換函數
182,163‧‧‧頻寬
160‧‧‧轉換函數
161,162‧‧‧共振頻率
164‧‧‧第一實際修改的轉換函數
第1圖為本發明之實施例之聲學單元時序圖；第2圖為以「陰影(shadow)」組態建構之聲學感測器；第2A及2B圖分別為第2圖之聲學感測器的傳送器及接收器之部分放大剖面圖；第3圖為第2圖之聲學感測器的基線電路模型； 第4圖為使用第3圖之電路模型所計算地預測基線轉換函數及實驗結果；第5A及5B圖分別為本發明之實施例中的修改聲學感測器的傳送器及接收器之部分放大剖面圖；第6圖為本發明之實施例中之包含保護阻障的聲學感測器之修改電路模型；第7圖為本發明之實施例中對於結合至低阻抗層之不鏽鋼316L箔的保護阻障之預測基線轉換函數與第6圖之修改的電路模型之預測的第一修改轉換函數之比較及實驗結果；第8圖本發明之實施例中對於結合至低阻抗層之金、鎳、銅連續層的保護阻障之預測的基線轉換函數與第6圖之修改的電路模型之預測的第二修改轉換函數之比較；第9圖為暴露至三乙基鎵(triethylgallium)先驅物之本發明之實施例的實驗驗證測試結果之圖式；及第10圖為暴露至三乙基鎵先驅物之連同基線聲學感測器之測試結果的第9圖之實驗驗證測試結果之子集的圖式。
參照第1圖，聲學單元時序圖20係圖示於本發明之實施例中。時間上具有前緣24及尾緣26的聲能脈衝22係由轉換器28來發送，且藉由具有與保護阻障42耦接之低阻抗層38的第一聲學轉換器36，而耦接至含有受測試介質34之測試腔室32中。第一聲學轉換器36可被訂製以在轉換器28及測試介質34提供有效能量。以此方式產生的聲能脈衝22構成所傳送的 訊號S(t)。聲能脈衝22透過測試介質34穿過測試腔室32且入射於測試腔室32之相對的表面46上。顯示由相對表面46所接收且由時間間隔Δt’所隔開的訊號r’1(t)及r’2(t)之時間軌跡係圖示於第1圖。
於一實施例中，於此專利中稱為「回音組態(echo configuration)」，是指相對表面46為高效率反射器(未圖示)者，其特徵在於反射係數接近一。回音組態之高效率反射器的目的在於將聲能反射回第一聲學轉換器36以供偵測。顯示反射回第一聲學轉換器36之由時間間隔Δt所隔開的訊號r1(t)及r2(t)之時間軌跡亦顯示於第1圖。於一實施例中，對於此目的之發射轉換器28可為雙向(亦即，適於產生及偵測聲能兩者)。
於另一實施例中，於此專利中稱為「陰影組態(shadow configuration)」，是指測試腔室之相對表面46包含第二聲學轉換器48者，其與接收轉換器52耦接於一面且相對面具有保護阻障54。第二聲學轉換器48可被訂製為具有低反射係數。「低反射係數」為(相較於不具有匹配聲學轉換器之系統)可實質改善所偵測的訊號之強度的一反射係數。對於連續波及對於固態或液體介質，低反射係數係接近零。然而，對於氣體/固體介面，由方程式(1)所計算的反射係數可接近一(0.9999或更高之等級)，係因固體之聲學阻抗(於106Pa．s/m之等級)係遠大於氣體(幾百Pa．s/m之等級)。然而，接近一的反射係數仍可稱為「低」，因與不實現匹配聲學轉換器之系統相比，所接收的訊號之訊號雜訊比為遠大於數個因數或數個數量級。
低反射係數可提供測試介質34及接收轉換器52之間有效率的轉換，且亦可為與第一聲學轉換器36相同的結構。陰影組態尤其適合測試介質34在操作頻率處相當耗損，及在測試介質及聲學轉換器之間的聲學 阻抗中有實質不匹配情形之應用中。
於特定實施例中，沒有針對低反射係數而分開設計第一及第二聲學轉換器36及48，而是作為一系統，其中在第一及第二聲學轉換器36及48之間的交互作用係被考慮以提供期望的轉換函數。
對於聲學阻抗之高效率匹配，傳統思維係多層聲學轉換器之暴露層(測試時與介質接觸的層)具有低聲學阻抗(依據方程式(1)，低反射係數)以用於適當的與測試介質之聲學匹配。然而，對於本發明之各種實施例，保護阻障54可包含具有高聲學阻抗之材料，例如金屬。目前研究顯示，若第二匹配層係被設計為複合結構，則聲學轉換器之效能無法由足夠薄的高聲學阻抗之保護阻障54(亦即，保護阻障具有之厚度0.01λ等級)所有效地妥協。
參照第2、2A、2B圖，係顯示先前技術之陰影組態的基線(baseline)聲學感測器60。基線組態60包含傳送器62及接收器64。傳送器62包含例如以一層膠71黏附至傳送聲學轉換器68之聲學驅動器66。傳送聲學轉換器68包含第一部或稱基礎匹配部70，其係由低阻抗材料(例如聚亞醯氨)之低阻抗層72與一最終匹配部74對基礎匹配部70層化。基礎匹配部70通常為金屬，例如316L不鏽鋼。於其他實施例中，最終匹配部74係操作地耦接基礎匹配部70，但有一或多個中間匹配部(未圖示)設置於基礎及最終匹配部70及74之間。
最終匹配部74界定一部分的邊界76，部分的邊界76界定腔室78，腔室78含有受測試用之氣體介質82。聲學驅動器66之背側係與機械阻尼84接觸。第一部或基礎匹配部70及最終匹配部74之特徵在於分別具有厚 度86及88。
於所圖示之實施例中，接收器64包含與傳送器62相同材料的組件，雖然組件的厚度可與傳送器的不同：以一層膠96裝附(連結)至包含不鏽鋼基礎匹配部94之一接收聲學轉換器92的一聲學感測器90、具有厚度98之不鏽鋼基礎匹配部94、包含具有厚度104而層壓於不鏽鋼基礎匹配部94上之低阻抗層102的一最終匹配部100、與測試介質82相鄰之聚亞醯氨。聲學感測器90之背側係與機械阻尼106接觸。
於一實施例中，聲學驅動器66及聲學感測器90包含壓電陶瓷元件。於一實施例中，機械阻尼106包含與低黏度環氧樹脂混合之鎢粉，其比例係根據感測器之特定組態及組件而定。其他細粉(例如鎢或水泥)之組合亦可被混合，例如環氧樹脂或融化的橡膠，以用於機械阻尼106。於各種實施例中，機械阻尼106係被設計以接近聲學元件之聲學阻抗及超高吸收力。
參照第3圖，係圖示第2圖之系統的基線電路模型110。對於目前的研究，係使用SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)模型，但亦可使用其他電路模型。於所圖示的模型中，聲學元件66及90、低阻抗層72及102、機械阻尼84及106及氣體介質82係被模擬(model)為有損耗傳送線112a-112g，而膠層71及96及不鏽鋼基礎匹配部70及94係被模擬為單純傳送線114a-114d，係因於這些元件中之聲能的衰減較小。
基於Redwood版本的Mason等效電路而展示聲學驅動器66及感測器90，其電流轉換器116及118分別用於產生及偵測聲學訊號。於所圖示的實施例中，電流轉換器116係連接至電壓源118，其產生可變頻率電壓VIN。電流轉換器118可被反向，傳送VOUT之可變頻率訊號輸出。
使用基線電路模型110，發現到具有以下特性之結構可達成高效率低阻抗氣體及頻寬兩者：
˙傳送聲學轉換器68：厚度86為0.458λ的316L不鏽鋼之基礎匹配部70及厚度88為0.315λ的聚亞醯氨之低阻抗層72。
˙接收聲學轉換器92：厚度98為0.5516λ的316L不鏽鋼之基礎匹配部97及厚度104為0.21λ的聚亞醯氨之低阻抗層102。
參照第4圖，係揭示第3圖之電路模型110所計算的預測的基線轉換函數120。基線電路模型110係被模擬用於頻寬為0.6-1.4MHz中輸入電壓VIN為10volts，以用於以1MHz為中心之轉換器。實際基線轉換函數122係亦存在於第4圖，其自類似於上述基線組態及使用壓電陶瓷驅動器及具有中心頻率為1MHz之感測器的實現而取得。實際基線轉換函數122係與預測的基線轉換函數120實質上一致。第4圖中圖式之輸出(縱座標)係以任意單位(arbitrary units)表示。
預測的基線轉換函數120包含位於0.8MHz附近的第一共振頻率124，其主要被傳送聲學轉換器68之最終匹配部74的共振頻率所影響。位於0.92MHz附近的第二共振頻率125主要被接收聲學轉換器92之基礎匹配部94的共振頻率所影響。第三共振頻率126(接近1.08MHz)主要被傳送聲學轉換器68之基礎匹配部70的共振頻率所影響。第四共振頻率127(接近1.2MHz)主要被接收聲學轉換器92之最終匹配部100的共振頻率所影響。改變匹配部70、74、94或100中其中一者對於共振頻率之位置，亦可具有較少或次要的效果。意即，除共振頻率125之位置的主要效果以外，基礎匹配部94之改變可具有於共振頻率124、126及/或127之位置的較小效果；除共振頻 率126之位置的主要效果以外，基礎匹配部70之改變可具有於共振頻率124、125及/或127之位置的較小效果；等等。
參照第5A及5B圖，為本發明之實施例中之修改的聲學轉換器128及130。修改的聲學轉換器128及130各包含聲學轉換器68及92之相同的基礎匹配部70及94。然而，最終匹配部74分別包含複合匹配層136及138。複合匹配層136及138可包含低阻抗層140及142與低穿透性保護固體132及134之薄層的組合。保護阻障132及134之特徵在於為提供對測試介質82有高化學抗性及低穿透性之材料或材料之複合層，以保護低阻抗層140及142會實質接觸到測試介質82。
於一實施例中，保護阻障132及/或134包含層壓於低阻抗層72及/或102之金屬箔片。用於各種應用之金屬箔片的候選材料基本上包含任何相容(compatible)或對測試介質有化學抗性之金屬，例如不鏽鋼316L、INCONEL、鋁/鋁合金、銅/銅合金、鎳/鎳合金。
於另一實施例中，保護阻障132及/或134包含沈積於低阻抗層140及142上之一或多個金屬或氧化物膜，例如藉由汽相沉積製程。舉例來說，金係符合幾乎所有被使用於MOCVD製程中及提供低穿透性之化學物。然而，將金直接沈積於聚亞醯氨上實際上有困難。因此，要實現一金層接觸測試介質82，一種方式是先以銅對低阻抗層140及142進行塗層，其中銅提供對聚亞醯氨的良好附著性，接著以鎳(其對銅及金有良好附著)對銅進行塗層，然後完成金層。因此，在某些例子中，於暴露金屬膜及低阻抗層之間提供耐用的接合之最佳方式，係藉由暴露金屬膜及低阻抗層之間的一(或多)層額外的低阻抗層來達成。其他金屬膜組合包含任何適合的金屬， 例如鎳/鎳合金、MONEL合金、HASTELLOY合金及INCONEL合金，其可與銅接合及擁有對於符合測試介質必須的阻抗性性質。其它金屬亦適合於直接接合至低阻抗層，例如鎳/鎳合金。
於其他實施例中，保護阻障132及/或134包含沈積於低阻抗層140及142上之氟聚合物，例如PFA、FEP或PTFE。其他實施例包含氧化物或陶瓷之保護阻障132及/或134，舉例來說，矽、鋁、氮化硼、合成鑽石或類鑽碳(DLC)，其可藉由噴濺(濺鍍)製程來施加。這些替代塗層可提供應對化學攻擊的抗性及適當的低穿透性，同時，低阻抗層140及142提供聲學轉換器期望的機械特性，例如在廣溫度範圍(例如達400℃之溫度)中適當穩定的彈性模數。
參照第6圖，本發明之實施例中提出一修改的電路模型150。修改的電路模型150包含一部分如基線電路模型110之相同安排(此方面以相同元件符號顯示)。應注意的是，第6圖之傳送線112c及112d被修改，以反映低阻抗層140及142的性質。對於保護阻障132及134，阻障132及134係由分別在聚亞醯氨有損耗傳送線112c及112d及氣體介質有損耗傳送線112g之間的附加的傳送線114e及114f所模擬。雖然以單一傳送線表示，依照所模擬的保護阻障之建構方式，保護阻障傳送線114e及114f可包含串聯的數個傳送線。舉例來說，對於層壓至聚亞醯氨層的單一箔片材料，保護阻障傳送線可被模擬為具有箔片材料的特性之單一傳送線。於沉積於聚亞醯氨層上之接續(successive)薄金屬膜的複合層之其他範例中，每一膜係被模擬為與其他者串聯之自身傳送線。
參照第7圖，自修改的電路模型150所得之第一預測修改的轉 換函數160係與本發明之實施例之預測的基線轉換函數120進行比較。為了取得第一預測修改的轉換函數160，修改的電路模型之保護阻障傳送線114e及114f係被模擬為厚度25.4μm(0.001inches或1mil)之不鏽鋼316L單層。兩聲學轉換器128及130之複合匹配層136及138的低阻抗層140及142之實際厚度可由運作電路模型150來決定，以在轉換函數中界定兩複合匹配層之最高及最低共振頻率的理論位置。
應注意的是，預測的基線轉換函數120(亦即，聲學轉換器68及92之最高及最低預測的共振頻率)之共振頻率124及127(第4圖)符合此準則。
於一實施例中，複合匹配層136及138之低阻抗層140及142的厚度及/或基礎匹配部70及94的厚度86及98，係使用電路模型150於參數研究中加以變化，使最高及最低共振頻率接近1.2．fC及0.8．fC。應注意的是，第一預測修改的轉換函數160之共振頻率161及162(亦即，最高及最低預測的)符合此準則。因此，聲學轉換器128及130之預測的共振頻率皆落於中心頻率的約20%範圍內。
以下列出取得第一預測修改的轉換函數160之聲學轉換器128及130的模擬性質：
˙傳送聲學轉換器128：厚度86為0.458λ的316L不鏽鋼之基礎匹配部70、包含厚度88b為0.2564λ的聚亞醯氨之低阻抗層140及厚度為0.00445λ的不鏽鋼箔片之保護阻障132的複合匹配層136。
˙接收聲學轉換器130：厚度98為0.5516的316L不鏽鋼之基礎匹配部94、包含厚度104b為0.151λ的聚亞醯氨之低阻抗層142及厚度為0.00445λ的不鏽鋼箔片之保護阻障132的複合匹配層138。
結果顯示，對於修改的電路模型150，模擬保護阻障132及134為1-mil的不鏽鋼箔片(0.00445λ於1MHz)，黏附至聚亞醯氨、低阻抗層140及142，各具有修改的厚度以符合箔片之厚度，第一預測修改的轉換函數160係與預測的基線轉換函數120實質一致。即使與基線預測的轉換函數120更接近的匹配亦為可能的。然而，經濟因素上，限制因素之一係為商業上可用的KAPTON及不鏽鋼箔片兩者只有1mil增量(increment)的形式。第一預測修改的轉換函數160之頻率反應的頻寬163(採第一預測修改的轉換函數160之最大高度的一半之全寬)範圍在約0.78MHz至約1.22MHz間。實際上，頻寬163與基線預測的轉換函數120之頻率反應的頻寬相同。再者，跨越頻寬163，第一預測修改的轉換函數160之預測的接收器輸出(第7圖之y軸)係於基線預測的轉換函數之所預測的接收器輸出值的70%之內。
第7圖中所示之第一實際修改的轉換函數164係由根據上述1-mil箔片的保護阻障132及134修改的聲學轉換器所取得，其中聲學元件66及90的中心頻率在1.0MHz。第一實際修改的轉換函數164之共振頻率的位置係實質上一致於第一預測修改的轉換函數160之共振頻率的位置。
參照第8圖，來自修改的電路模型150之第二預測修改的轉換函數180係與本發明之實施例中之基線預測的轉換函數120作比較。為了取得第二預測修改的轉換函數180，修改的電路模型150之保護阻障傳送線114e及114f係被模擬為接續的金、鎳、及銅層的複合層，其中金係被模擬為 暴露至測試介質82、銅係被模擬為直接沉積至聚亞醯氨層、及鎳係被模擬為金及銅層之間的填(間)隙(interstitial)。低阻抗層140及142(聚亞醯氨)之實際厚度係藉由執行電路模型150而取得，以便在預測的轉換函數中複合最後匹配層之最高及最低共振頻率的理論位置會接近1.2．fC及0.8．fC。因此，對於保護阻障132及134具有接續金、鎳、及銅層，以取得第二預測修改的轉換函數180的聲學轉換器128及130之模擬性質係如下所列：
˙傳送聲學轉換器128：厚度86為0.458λ的316L不鏽鋼之基礎匹配部70、包含厚度88b為0.291λ的聚亞醯氨之低阻抗層140及厚度為0.000638λ的銅、0.000451λ的鎳、0.000235λ的金之不鏽鋼箔片之保護阻障132的複合匹配層136。
˙接收聲學轉換器130：厚度98為0.5516λ的316L不鏽鋼之基礎匹配部94、包含厚度104b為0.186λ的聚亞醯氨之低阻抗層140及厚度為0.000638λ的銅、0.000451λ的鎳、0.000235λ的金之保護阻障132的複合匹配層138。
結果顯示，對於修改的電路模型150，模擬保護阻障132及134為上述接續金屬層，修改的預測轉換函數180係再次顯著地與基線預測的轉換函數120一致。第二預測修改的轉換函數180之頻率反應的一頻寬182基本上係與基線預測的轉換函數120及第一預測修改的轉換函數160的相同(亦即，自約0.78MHz至約1.23MHz)。再者，在頻寬182內，第二預測修改的轉換函數180之預測的接收器輸出係典型地為基線預測的轉換函數120的預測的接收器輸出值的90%之內。
參照第9及10圖，圖線184及186顯示本發明之實施例之驗證 測試結果。以下所說明的測試程序係用以產生圖線184及186中顯示的資料。
未暴露的修改型Piezocon感測器(對應至第5A及5B圖所示修改的聲學轉換器128及130)係被安裝於主動(active)MOCVD工具中。意即，修改型Piezocon感測器包含具有316L不鏽鋼之基礎匹配部70、包含聚亞醯氨(KAPTON)之低阻抗層140及不鏽鋼箔片(INCONEL)之保護阻障132的複合匹配層136之傳送聲學轉換器128；接收聲學轉換器130包含316L不鏽鋼之基礎匹配部94、包含聚亞醯氨(KAPTON)之低阻抗層142及不鏽鋼箔片(INCONEL)之保護阻障132的複合匹配層138之傳送聲學轉換器130。
此外，三個先前未暴露的Piezocon感測器係被安裝於其他主動MOCVD工具。各基線Piezocon感測器包含具有與前述第2A及2B圖中所示之基線聲學轉換器實質類似建構之聲學轉換器(亦即，具有KAPTON暴露層)。對於此試驗的所有Piezocon感測器(修改的感測器及基線感測器)係被設定以測量氯-氦(Cl2-He)混合物之氯濃度，同時透過Piezocon感測器流送高純度氮氣(N2)。第9及10圖中，濃度係以流量比Qgas/Qmix表示，其中Qgas為關注的氣體之容量流速率(體積流量)而Qmix為總混合物之容量流速率。
在安裝各種Piezocon感測器(修改的及基線)之後，含有修改的及基線Piezocon感測器之MOCVD工具係逐日被操作於生產環境中，及暴露至三乙基鎵(triethylgallium；TEGa)先驅物。TEGa為一種已知可以活躍地於暴露的KAPTON上建立氧化物層的物質，其藉由降低腔長(cavity length)而影響效能。TEGa亦可穿透及增大KAPTON，造成厚度增加且亦降低腔長。基線Piezocon感測器係被用以服務數天之期間，而修改的Piezocon感測器係被用以服務數月之期間。
每日，個別MOCVD工具會經歷驗證程序，其中高純度氮氣係流經個別Piezocon感測器。由於高純度氮氣流過，驗證程序每天有機會測量個別Piezocon感測器之輸出，同時已知分子量的氣體係流經其中。根據氮氣之分子量(約28g/mole)，對於個別Piezocon感測器測量Cl2/He(分別具有分子量約71g/mole及2g/mole)之濃度的正確指示將確定在37.65%至37.72%的範圍188中，波動在0.01%內。個別Piezocon感測器的分辨率(resolution，解析度)亦為0.01%。
資料集190及190a係分別顯示於第9及10圖，且表示修改的Piezocon感測器所獲取的資料。資料集190顯示出修改的Piezocon感測器與其不鏽鋼保護阻障，輸出37.68%指示的濃度，其於約19周的期間連續使用下，變動在±0.01%內。
同時，第10圖所示之資料集192、194及196表示基線Piezocon感測器所獲得之資料。資料集190a(資料集190之子集)係亦顯示於第10圖以用於比較。在暴露至TEGa的前幾天中，所有基線Piezocon感測器展示實質向下漂移的現象。在第一周的操作中，基線Piezocon感測器讀數皆明顯低於可接受的範圍188之下限(37.65%)。於第一周的操作期間，所有基線Piezocon感測器之變化係在約0.05%的等級。試驗後分析顯示基線Piezocon感測器之聲學轉換器上的氧化鎵增加10μm to 12μm。
相對於基線Piezocon感測器，圖線184及186的結果展示修改的Piezocon感測器較優異之準確性及穩定性。
以下參考文獻(參照上述)係全文併入於此作為參考，除了表示定義及申請專利範圍：美國專利第6,116,080、6,192,739、6,199,423及 6,279,379號；Summary of Properties for Kapton® Polyimide Films[.pdf]可在以下網址找到http：//www2.dupont.com/Kapton/en_US/assets/downloads/pdf/summaryofprop.pdf(最後一次訪問該網站為2012年8月24日)；ASTM D-1434-82(1988)。

Claims (26)

  1. 一種聲學地決定受測介質之性質的裝置，包含：一腔室，用以容納一受測介質，該腔室具有至少一第一側及用於該受測介質之一入口；一第一聲學轉換器，可操作地與該腔室之第一側耦接、且相對於該受測介質被組構以進行聲能脈衝的傳送及接收兩者中之至少其中一者；一聲學元件，可操作地與該第一聲學轉換器耦接，其中該第一聲學轉換器包含：一基礎匹配部，該基礎匹配部之一第一表面與該聲學元件接觸；一最終匹配部，可操作地與該基礎匹配部耦接且具有一暴露面，該暴露面適於與該測試介質接觸，該最終匹配部包含設置於一低阻抗層上之一保護阻障以形成該暴露面的至少一部分，該保護阻障具有一第一預定厚度，而該低阻抗層具有一第二預定厚度，其中該低阻抗層之該第二預定厚度係藉由改變該裝置之一電路模型之一阻抗來決定，直到該電路模型之一計算轉換函數之最高及最低預測共振頻率係於該聲學元件之一中心頻率的20%內，且用於該電路模型之計算轉換函數之一預測接收器輸出係於橫跨該電路模型之該計算轉換函數之一頻率反應之一頻寬的一不具有保護阻障之裝置之一電路模型之一計算基線轉換函數之一預測接收器輸出的70%內。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該第一聲學轉換器之該低阻抗層係接觸該基礎匹配部之一第二表面，該基礎匹配部之該第二表面與該基礎匹 配部之該第一表面相對(opposite)。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該聲學元件為一聲學傳送器且該第一聲學轉換器係被組構以傳送該聲能脈衝至該測試介質。
  4. 如申請專利範圍第3項之裝置，更包含：一第二聲學轉換器，可操作地耦接該腔室之一第二側，且被組構以接收透過該受測試介質所傳送的聲能脈衝；及一聲學感測器，可操作地耦接該第二聲學轉換器，其中該第二聲學轉換器包含：一基礎匹配部，具有接觸該聲學感測器之一第一表面；及一最終匹配部，可操作地耦接該第二聲學轉換器之該基礎匹配部，且具有適於接觸該測試介質之一暴露面，該最終匹配部包含設置於一低阻抗層上之一保護阻障以形成暴露面的至少一部份。
  5. 如申請專利範圍第4項之裝置，其中該第二聲學轉換器之該低阻抗層係被設置於該第二聲學轉換器之該基礎匹配部的一第二表面上，該第二聲學轉換器之該基礎匹配部的該第二表面與該第二聲學轉換器之該基礎匹配部的該第一表面相對(opposite)。
  6. 如申請專利範圍第5項之裝置，其中該第二聲學轉換器係被設置於該腔室之該第二側上，該腔室之該第二側與該腔室之該第一側平行。
  7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該保護阻障係由複數個接續金屬層所組成的一複合層。
  8. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該低阻抗層包含聚亞醯氨(polyimide)。
  9. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該聲學元件為雙向且被組構以傳送聲能及接收聲能。
  10. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該測試介質為氣體。
  11. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該保護阻障包含假定厚度為25μm的情況下二氧化碳穿透性小於700mL/m2．24h．MPa之一材料。
  12. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該低阻抗層為聚亞醯氨且該保護阻障包含氟聚合物。
  13. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該低阻抗層的彈性模數在0℃至400℃範圍，其變化小於50%。
  14. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該聲學元件係由壓電陶瓷材料製成。
  15. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該保護阻障包含金屬。
  16. 一種用以保護聲學轉換器之最終匹配部之方法，該方法包含：模擬一基線電路，該基線電路包含一聲學元件、一基礎匹配部及一最終匹配部，該最終匹配部不具有一保護層；計算該基線電路之一基線轉換函數；模擬一修改電路，該修改電路包含該基線電路之該聲學元件及該基礎匹配部，並耦接至一修改最終匹配部，該修改最終匹配部包含一低阻抗層及一保護阻障，該保護阻障係一預定的厚度之低穿透性材料而用於暴露於測試介質；藉由計算該修改電路之一修改轉換函數以決定該修改最終匹配部的一低阻抗層之一厚度，並改變該低阻抗層之一阻抗直到該計算修改轉換函 數之最高及最低共振頻率落在該聲學元件之一中心操作頻率的20%內，且用於該計算修改轉換函數之一預測接收器輸出係於橫跨該修改電路模型之該計算修改轉換函數之一頻率反應之一頻寬的該計算基線轉換函數之一預測接收器輸出的70%內；及建構該聲學轉換器，該聲學轉換器具有該聲學元件、該基礎匹配部及該修改最終匹配部，具有該預定的厚度的該保護阻障，及該低阻抗層具有該低阻抗層之該決定的厚度。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中於該保護阻障為金屬。
  18. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該預定的厚度為0.05λ或更少，其中λ=C/fC，C為於該保護阻障之材料中的聲音之速度，且fC為期望的中心操作頻率。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該保護阻障之該預定的厚度為0.01λ或更少。
  20. 如申請專利範圍第16項之方法，其中於決定該低阻抗層之厚度的步驟中之該預定的頻率範圍為0.75．fC至1.25．fC，其中fC為期望的中心操作頻率。
  21. 如申請專利範圍第16項之方法，其中於決定該低阻抗層之厚度的步驟中之該低阻抗層為聚亞醯氨。
  22. 如申請專利範圍第16項之方法，其中於建立該保護阻障之該預定的厚度之步驟中的該測試介質為氣體。
  23. 如申請專利範圍第16項之方法，其中於決定該基礎匹配部之厚度的步驟中之該基礎匹配部係實體地接觸該聲學轉換器之該最終匹配部。
  24. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該聲學轉換器為一傳送聲學轉換 器。
  25. 如申請專利範圍第24項之方法，更包含：建立一接收聲學轉換器之一最終匹配部的一保護阻障之一預定的厚度，該接收聲學轉換器之該保護阻障為低穿透性材料而用於暴露於該測試介質；決定該接收聲學轉換器之一基礎匹配部的一厚度，用於操作地耦接該聲學轉換器之該最終匹配部；及決定該接收聲學轉換器之該最終匹配部的一低阻抗層之一厚度，用於接觸該接收聲學轉換器之該保護阻障，其中該傳送聲學轉換器之該低阻抗層及該接收聲學轉換器之該低阻抗層的厚度係被選擇，以理論地使該傳送聲學轉換器及該接收聲學轉換器具有落於一預定的頻率範圍內之共振頻率，而將最高共振頻率限制在1.2fC以下，並且將最低共振頻率限制在0.8fC以下，其中fC為中心操作頻率。
  26. 一種具有一聲學轉換器之聲學測量裝置，該聲學轉換器具有一最終匹配部，該最終匹配部包含一低阻抗層及一保護阻障，該保護阻障係被設置以接觸一測試介質，該聲學轉換器係藉由包含以下步驟之程序所製備：創造一聲學轉換器之一基線電路模型，其包含連接至一可變頻率電壓源之一聲學驅動器、一基礎匹配部及不具有一保護層之一最終匹配部；自該基線電路模型計算一基線轉換函數；創造一聲學轉換器之一修改電路模型，其包含連接至該可變頻率電壓源之該聲學驅動器及耦接至一修改最終匹配部之該基線電路模型之該 基礎匹配部，該修改最終匹配部包含一低阻抗層及一保護阻障；自該修改電路模型計算一修改轉換函數；改變該修改電路模型之該低阻抗層之一厚度參數，直到該計算修改轉換函數之最高及最低共振頻率係於該聲學驅動器之一中心操作頻率的20%內，且用於該計算修改轉換函數之一預測接收器輸出係於橫跨該修改電路模型之該計算修改轉換函數之一頻率反應之一頻寬的該計算基線轉換函數之一預測接收器輸出的70%內；自該修改電路模型之該低阻抗層之該厚度參數決定一聲學轉換器之一低阻抗層之一真實厚度；提供一低阻抗層，其具有一第一表面及一第二表面，該第一表面與該第二表面被該決定的真實厚度隔開；設置一保護阻障於該低阻抗層之該第二表面上；提供具有一第一表面及一第二表面之一基礎匹配部；將該低阻抗層之該第一表面操作地耦接至該基礎匹配部之該第二表面；及將一聲學驅動器裝附至該基礎匹配部之該第一表面。
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