用于改進(jìn)的聲音轉(zhuǎn)換的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開(kāi)總體上涉及在氣體、液體或固體中實(shí)施的聲學(xué)測(cè)量，更具體地涉及聲學(xué)測(cè) 量中所使用的聲學(xué)轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在許多工業(yè)中采用要求準(zhǔn)確地輸送包含分散于載氣中的特定氣體的混合氣體的 工藝。這種混合氣體的準(zhǔn)確輸送要求精確地測(cè)量特定氣體在流動(dòng)混合氣體中的濃度，其中 該特定氣體通常具有高純度并且會(huì)是高度腐蝕性的。這些工藝的實(shí)例包括化學(xué)氣相沉積 (CVD)、摻雜物擴(kuò)散（例如，在半導(dǎo)體工業(yè)中所實(shí)行的）、和高效率氫氣冷卻發(fā)生器的操作。
[0003] 控制特定氣體或反應(yīng)物的通量的一種方法是使用流經(jīng)氣化器或"鼓泡器"的載氣， 該載氣通常是氫氣和氮?dú)?。載氣的流量是由質(zhì)量流量控制器控制，假設(shè)當(dāng)氣流離開(kāi)氣化器 時(shí)氣流中反應(yīng)物的濃度是不變的，并且反應(yīng)物的通量與載氣的流量成正比。由于若干原因 此方法是不精確的，這些原因包括鼓泡器溫度中的變化、二元混合氣體的溫度和壓力中的 不穩(wěn)定性、在鼓泡器上游和下游位置氣體管路中的可能的泄漏、及在各質(zhì)量流量控制器和 各特定時(shí)間點(diǎn)之間的濃度時(shí)間滯后（特別是在低流率下）。
[0004] 由本專利申請(qǐng)的所有人共同擁有的美國(guó)專利6, 116, 080、6, 192, 739、6, 199,423 和6, 279, 379公開(kāi)了一種對(duì)混合前測(cè)量加以改進(jìn)的技術(shù)和裝置。這些專利公開(kāi)了一種聲學(xué) 測(cè)量裝置，該裝置推測(cè)在鼓泡器下游位置和在氣化工藝之后特定氣體的濃度，在本文中被 稱為"混合后測(cè)量"。
[0005] 這些專利的某些方面和混合后測(cè)量技術(shù)被具體化為PIEZ0C0N濃度傳感器（在下 文中被稱為"Piezocon傳感器")，由美國(guó)紐約州波基普西市（Poughkeepsie)的Veeco Flow Technologies有限公司制造和銷(xiāo)售。該P(yáng)iezocon傳感器采用包括低阻抗界面的聲學(xué)轉(zhuǎn)換 器。在本文中，"聲學(xué)轉(zhuǎn)換器"被定義為在例如壓電元件的聲學(xué)元件（傳感器或驅(qū)動(dòng)器）與 測(cè)量中的介質(zhì)之間的一層或多層界面。聲學(xué)轉(zhuǎn)換器的理想特征包括：在寬帶的聲頻率中的 高效率、測(cè)試介質(zhì)的低聲阻抗的匹配、及具有對(duì)與測(cè)試介質(zhì)所發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的耐性的暴露 表面。聚酰亞胺類(lèi)（例如Kapton?膜）是用于聲學(xué)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)選材料，因?yàn)榫埘啺奉?lèi)提 供低阻抗匹配層，該低阻抗匹配層具有與在聲學(xué)轉(zhuǎn)換器中傳統(tǒng)上所使用其它材料（例如氟 聚合物）類(lèi)似的化學(xué)反應(yīng)耐性，同時(shí)在所需溫度范圍內(nèi)提供更穩(wěn)定的楊氏模量。
[0006] 然而，雖然聚酰亞胺具有合理地高的耐化學(xué)性，但已發(fā)現(xiàn)在使用氮化銦鎵的金 屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積（M0CVD)系統(tǒng)中隨著時(shí)間推移聲學(xué)轉(zhuǎn)換器的聚酰亞胺構(gòu)件會(huì)變?yōu)楸?氧化鎵和氧化銦所覆蓋；由于減小各轉(zhuǎn)換器之間的距離并且影響聲學(xué)轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)， 因而該累積被認(rèn)為導(dǎo)致傳感器中的漂移。也已知的是聚酰亞胺類(lèi)由于對(duì)化學(xué)物質(zhì)的吸收而 膨脹，這也會(huì)減小各轉(zhuǎn)換器之間的距離并且影響傳遞函數(shù)。
[0007] 因此，需要一種用于混合后測(cè)量的聲學(xué)轉(zhuǎn)換器，其具備聚酰亞胺的有利機(jī)械特性， 同時(shí)減少在某些混合后測(cè)量環(huán)境中所發(fā)生的伴隨化學(xué)反應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，通過(guò)包含薄的保護(hù)層作為聲學(xué)轉(zhuǎn)換器的最后匹配部的 一部分，而對(duì)由具有有利機(jī)械特性但在某些用途中易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料所構(gòu)成的聲學(xué)轉(zhuǎn) 換器進(jìn)行調(diào)節(jié)。此薄層是由在聲學(xué)轉(zhuǎn)換器的改進(jìn)最后匹配部的暴露面（即，聲學(xué)轉(zhuǎn)換器與 測(cè)試中介質(zhì)之間的界面）上的低滲透率材料（例如金屬）所制成。這種方法與現(xiàn)有的常規(guī) 認(rèn)識(shí)方法相反，常規(guī)認(rèn)識(shí)是：在界面處的暴露面必須由提供比金屬所提供的更好的聲阻抗 匹配的材料制成。
[0009] 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，使用低滲透性聚合物（例如氟聚合物）僅僅是作為 一種減少氣體滲透入下面的高滲透率層的手段，并為顧及它提供了不利的機(jī)械特性。
[0010] 目前進(jìn)行的研宄已發(fā)現(xiàn)：將構(gòu)成聲學(xué)轉(zhuǎn)換器的聚合物暴露于非常腐蝕性的前體 中，會(huì)由于氣體或者有時(shí)液體滲透入這些聚合物的結(jié)構(gòu)中而具有有害作用?；瘜W(xué)物質(zhì)會(huì)變 得被束縛于聚合物中，即使這些化學(xué)物質(zhì)會(huì)具有與聚合物的低反應(yīng)性，對(duì)它們的捕集使化 學(xué)反應(yīng)的問(wèn)題變得嚴(yán)重。聚酰亞胺膜具有有利的機(jī)械特性（即，相對(duì)穩(wěn)定的彈性模量）并 且具有合理地高的對(duì)化學(xué)反應(yīng)的耐性，但對(duì)于許多氣體是可滲透的。其它聚酰亞胺膜的例 子包括APICAL、KAPTREX、N0RT0N TH、UPILEX和VTEC PI。可以使用除聚酰亞胺膜以外的其 它聚合物膜，包括但不限于聚酰胺類(lèi)、氟聚合物和聚乙烯。
[0011] 例如，厚度為25ym的聚酰亞胺KAPT0N型HN膜具有大約7000mL/m2，24h，MPa(二 氧化碳）、大約4000mL/m2?24h?MPa(氧氣）、大約10POmT./m2?24h?MPa(氮?dú)猓?、大約 38, 000mL/m2?24h?MPa(氫氣）和大約63, 000mL/m2?24h?MPa(氦氣）的滲透率。如 果將聲學(xué)轉(zhuǎn)換器最后匹配部的滲透率減小到例如用于給定氣體的KAPT0N的滲透率的大 約10%，那么將會(huì)顯著地減小對(duì)滲透率的不利作用。參見(jiàn)"Kapton?聚酰亞胺膜性質(zhì)的總 結(jié)（SummaryofPropertiesforKapton?PolyimideFilms「pdf1" 可從http://www2. dupont.com/Kapton/enUS/assets/downloads/pdf/summaTvofprop.pdf1^獲得（于2012 年8月24日最后一次訪問(wèn)）。在其中報(bào)告的用于測(cè)定滲透率參數(shù)的測(cè)試方法是ASTM D-1434-82(1988年）。
[0012] 如果聲學(xué)轉(zhuǎn)換器最后匹配部的暴露面具有顯著減小的滲透率（例如，大約10%以 下），那么厚度為25 y m聚酰亞胺KAPTON型HN膜的滲透率、聲學(xué)轉(zhuǎn)換器的使用壽命對(duì)于許 多用途而言將是令人滿意的。因此，使用二氧化碳的滲透率作為參照，具有在25 ym假設(shè)厚 度中小于700mL/m2 ? 24h ? MPa二氧化碳滲透率的材料具有充分低的滲透率，從而提高聲學(xué) 轉(zhuǎn)換器的耐用性。
[0013] 一個(gè)問(wèn)題是如何防止對(duì)組成聲學(xué)轉(zhuǎn)換器的聚合物的滲透。在聲學(xué)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中的 一個(gè)限制性方面是會(huì)存在聲阻抗的明顯不匹配，尤其在測(cè)試介質(zhì)是氣體的情況下，從而導(dǎo) 致聲能量在界面處被反射，這造成對(duì)聲能量的低效率感測(cè)?？紤]在兩個(gè)半有限介質(zhì)的界面 處的平面聲波和垂直入射。振幅反射系數(shù)R表示為
[0014]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種以聲學(xué)方法確定測(cè)試介質(zhì)的性質(zhì)的裝置，所述裝置包括： 用于容納測(cè)試介質(zhì)的室，所述室至少具有第一側(cè)和用于所述測(cè)試介質(zhì)的進(jìn)口； 第一聲學(xué)轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器可操作地與所述室的第一側(cè)耦合并且構(gòu)造成經(jīng)所述測(cè)試 介質(zhì)進(jìn)行聲能量脈沖的傳遞和接收中的至少一種；及 聲學(xué)元件，所述聲學(xué)元件可操作地與所述第一聲學(xué)轉(zhuǎn)換器耦合， 其中所述第一聲學(xué)轉(zhuǎn)換器包括： 基層匹配部，所述基層匹配部的第一表面與所述聲學(xué)元件接觸； 最后匹配部，所述最后匹配部可操作地與