[发明专利]电容式超声换能器

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容式超声换能器，包括一个具有背板的传感器头，所述背板的结构化的正面设有绝缘层并且其背面设有电极。

背景技术

当今主要将两种类型的超声传感器用于在空气或在气体环境中的应用，在此涉及的是压电陶瓷和/或电容式超声传感器。除了功能原理和声学特性的差异之外，只在温度适中并且介质没有腐蚀性时才能使用这两种类型。

肯定有一些温度较高的应用迄今为止无法使用测量技术，例如在内燃机的研发中。在这种情况下，视工况和流量传感器在排气系中的位置而定，排气温度可能为-40℃(例如当发动机在气温箱中冷起动时)直至大约1000℃。关键还有这样的事实：内燃机的排气温度可能迅速且剧烈地变化，例如当从满负荷的发动机运行到牵引运行的负荷变化时。所使用的传感技术应当能够耐受这种极度的热交变负荷。

压电陶瓷超声传感器(例如在DE 10040344、DE 4434692、DE102006026674、DE 102008027970、DE 102009032809和DE 202004002107中公开了最近的研发成果)只能在350℃以下的温度中使用。这种限制源自于所使用压电晶体的居里温度，压电晶体在超过该温度之后就会丧失其压电特性。持续的热交变负荷可能在这些传感器中导致材料疲劳(永久破坏压电晶体)。

传统的电容式超声换能器也不具有所需的耐温性。这些电容式超声换能器的在导电基质上绷紧的金属涂层的膜片同时构成电容的绝缘层，其中通常用作介电膜片材料的塑料膜或还有由氮化硅构成的膜片都不能满足温度要求，像例如在D.A.Hutchins、D.W.Schindel、A.G.Bashford和W.M.D.Wright于1998年第36期Elservier Ultrasonics上发表的“Advances in ultrasonic electrostatic transduction”一文中所解释的那样。即使在使用纯金属的膜片时，在高于300℃的温度下也已出现氧化，如果换能器膜片的材料厚度很小，这种氧化导致其迅速毁坏。

除了膜片的耐热性之外，常见绝缘层和电极的耐热性也不够高。通过高温还在绝缘层中引起导致传感器永久毁坏的电击穿。原因就在于温度引起的绝缘层的结构重组或再结晶。如果是背电极，则通过高温，金属层加速扩散到硅晶体中，这在一定时间之后导致电极完全消失。在热交变负荷情况下，由于热膨胀系数的匹配很差，导致绝缘层从载体材料上剥落，或者导致膜片从传感器壳体离开，这意味着传感器的破坏。

发明内容

本发明的任务在于超声换能器的一种改进结构，借此即使在强氧化和还原介质中也能实现直至几百摄氏度的提高的耐温性。

为了解决所述任务，根据本发明，所述换能器的特征在于，膜片沿平面方向被施加拉应力。

在此按照第一种实施方式，膜片被挤压在两个环之间。

而一种备选的实施方式的特征在于，膜片与至少一个环焊接在一起。

以有利的方式设定，膜片的材料选自Ni-Cr合金、奥氏体钢、铁素体钢或“超级合金”。

在此特别具有优点的是，膜片由一种铬含量至少为16％和铝含量至少为1％的材料构成。

还有一种实施方式适合于解决上述任务，其中，绝缘层由一种具有非结晶结构的材料构成。

在此优选设定，绝缘层由多个非结晶层构成。

上述任务还可以通过本发明所述的特征加以解决，即背电极具有多层的结构，其中至少一个层相对于背板的基底材料构成扩散阻挡层，以及表面层由铂构成。

此外以有利的方式设定，传感器头设计成独立于超声换能器的其余部分可更换的组件。

根据本发明的超声换能器的一种有利的实施方式的特征在于，设置有一个用于声辐射面的加热装置。

根据本发明的超声换能器的另一种有利的实施方式的特征在于，通过在换能器中的通道连接在膜片上方和下方的各区域。

在此有利的方式是，在通道中设置有过滤器。

本发明的另一特征可以在于，经由一个弹性销触点接通传感器头的背板。

在此有利的方式是，在销和背板之间插入一个金属的中间板。