[发明专利]用于高温的超声波传感器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波传感器，并且更具体地，涉及适合用于测量高温流体的流率的超声波传感器及其制造方法。

背景技术

超声波流量计将超声波发射到流体中、接收发射的超声波以获得流速，并将获得的流速转化为流体的流率，从而测量流率(非专利文献1)。超声波传感器是一种压电振子，被用来发射或接收超声波。作为获得流速的方法，存在使用多普勒效应的方法等。然而，一种用于测量传递时间差的方法已经得到了广泛的应用，所述方法采用分别设置在管子的上游侧和下游侧的超声波传感器，并包括：获得基于被传送至上游侧的超声波的传播时间和被传送至下游侧的超声波的传播时间之间的差的流速；以及通过获得的流速计算流率。

所述用于测量传递时间差的方法使用选通门和高速计数器，所述选通门被构造为测量基于设置在所述管子的上游侧和下游侧的超声波传感器之间的超声波传送时机和超声波接收时机的时间，所述高速计数器用于测量向上游侧的超声波传播时间和向下游侧的超声波传播时间。作为时间检测方法，存在过零法来测量所接收到的超声波信号经过零位时的位置。

同时，关联法得到基于传送波形和接收波形的自相关峰值时间的向上游侧的传播时间和向下游侧的传播时间。

超声波流量计也已被用于诸如锅炉的设备中来测量在高温和高压条件下的流体的流率。当锅炉的出口温度为约100℃时，采用压电锆钛酸盐(PZT)的传感器已主要被用在本领域中，所述压电锆钛酸盐(PZT)是压电陶瓷。然而，根据PZT的组成，PZT的居里点(curie point)为约150至250℃，并且所述PZT的压电常数在居里点附近显著降低。出于这个原因，为了测量在超过200℃的区域中的流体的流率，采用压电材料或采用具有比PZT高的居里点的压电单晶材料的传感器已被使用(非专利文献2)。

作为在高温区域中的超声波流动测量方法，已经提出了通过冷却由基于传统的PZT的材料制成的传感器而使用所述传感器的方法。例如，专利文献1公开了根据传递时间差原理，通过将高温流体流过其中的管子设置于充满低温液体的容器中，并在所述管子的上游侧和下游侧的管壁上设置超声波传感器，使得所述超声波传感器被所述低温液体冷却，从而得到高温流体的流率的方法。另外，专利文献2公开了当测量高温流体的流率时通过在压电振子和高温流体之间安装石英材料的声音传送通道来防止压电振子的温度由于高温流体的热量而升高的构造。

同时，作为压电材料，存在具有比PZT高得多的居里点并且可以承受高温条件的铌酸锂(LiNbO₃：以下简称为LN)。在非专利文献5中描述了LN的一般性质。LN的居里点为约1200℃。图1(a)示出了LN的晶体结构。LN具有三方晶系的晶体结构，并且如图1中所示的那样，从晶体学上定义了X轴、Y轴和Z轴。另外，作为LN的晶格常数，并且

当LN被用作超声波流量计的超声波传感器时，具有短持续时间的超声波需要作为脉冲波产生，并因此需要阻尼振动。为阻尼振动，金属件(即阻尼器)被连接到所述LN振子。作为金属件的连接位置，有两种情况：一种情况，如专利文献4等所描述的那样，其中所述金属件被连接到与超声波传感器中的超声波的输出面相同的表面上；以及一种情况，如专利文献5等所描述的那样，其中所述金属片被连接到与超声波的输出面相对的表面上。专利文献4公开了铝合金导线材料被用于将阻尼部分连接到压电振子上，并且专利文献5公开了银(Ag)被用作阻尼部分用于通过银和金(Au)薄膜之间的共晶连接将阻尼部分连接到压电振子上。另外，专利文献7公开了一种金属鞋(shoe)，所述金属鞋形成温度梯度，同时作为阻尼部分被连接到由具有高居里点的强电介质材料制成的压电振子上。另外，专利文献10公开了使用Al-Si-Mg合金或银焊料作为用于实施与LN压电振子的连接的导线材料，并且，使用含有45％的Ag、16％的Cu、24％的Cd而余量为Zn的材料作为所述银焊料。另外，专利文献10公开了当LN压电振子被连接到由金属陶瓷绝缘材料制成的保护层时，通过离子镀在金属陶瓷绝缘材料的表面上形成Cu或Ni的薄膜，在所述压电振子上形成银电极，然后通过银焊料将压电振子的银电极连接到金属陶瓷绝缘材料上。