專(zhuān)利名稱(chēng)：用于測(cè)量材料厚度的裝置和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開(kāi)的主旨涉及使用超聲換能器測(cè)量材料厚度，并且在一個(gè)實(shí)施例中涉及包括柔性電路材料和壓電陶瓷的壓電感測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
若干工業(yè)(例如，油氣、精煉、化學(xué)、發(fā)電)要求通過(guò)管道輸送流體(例如，液體或氣體)。無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)可以放置在這些管道的外表面上來(lái)監(jiān)測(cè)這些管道的腐蝕/侵蝕，包括管道壁內(nèi)部上的腐蝕/侵蝕。這些系統(tǒng)通常實(shí)現(xiàn)為隨時(shí)間推移的人工檢查的一部分，其中隨時(shí)間監(jiān)測(cè)管道壁厚度和厚度的變化。在一些情況下，探頭或其他無(wú)損檢測(cè)裝置永久地耦合于管道的外表面來(lái)連續(xù)地監(jiān)測(cè)在該位置的腐蝕/侵蝕以確定管道腐蝕/侵蝕速率并且確定該管道位置是否需要預(yù)防性維護(hù)來(lái)防止管道故障。用于監(jiān)測(cè)管道的腐蝕/侵蝕的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)示例是超聲檢測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)實(shí)行管道的超聲檢測(cè)時(shí)，超聲脈沖從耦合于該管道的外表面的探頭發(fā)射并且通過(guò)該管道壁。當(dāng)該超聲脈沖傳遞進(jìn)入并且通過(guò)該管道壁時(shí)，因?yàn)樵撁}沖與該管道的外表面、該管道壁內(nèi)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并且與該管道壁的后壁相互作用，各種脈沖反射(叫做回聲)反射回到該探頭。 這些回聲信號(hào)可以在屏幕上顯示，其中回聲振幅表現(xiàn)為垂直軌跡并且飛行時(shí)間或距離作為水平軌跡。通過(guò)跟蹤該超聲脈沖的傳送和這些回聲的接收之間的時(shí)間差，可以確定該管道的各種特性，包括管道壁厚度。如果在超聲檢測(cè)系統(tǒng)的位置處的管道壁的厚度隨時(shí)間減小 (例如，將示為后壁回聲的飛行時(shí)間的減少)，這可以是腐蝕/侵蝕的指示。各種因素影響裝置的配置和特別地用于在這些無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)中使用的材料。在一些應(yīng)用中，例如操作溫度等操作條件例如可超過(guò)例如聚偏二氟乙烯(PVDF)的共聚物(例如，P(VDF-TrFE))等材料的溫度閾值。與制造期間某些處理步驟有關(guān)的包括溫度的處理?xiàng)l件也是限制性的。例如準(zhǔn)確度和對(duì)小缺陷和材料厚度的小變化的靈敏度等性能因素是排除特定材料和其組合的使用的其他因素。然而，盡管提高的性能可以使用材料的某些配置實(shí)現(xiàn)，這些配置常常導(dǎo)致限制所得裝置的可應(yīng)用性的物理特性(例如，高度輪廓)。因此提供適合材料厚度的超聲檢測(cè)和測(cè)量的裝置，其具有提高的性能和物理特征但也配置成用于高操作溫度和高工藝溫度，這將是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中壓電感測(cè)裝置包括基底、設(shè)置在該基底上的焊料層和通過(guò)該焊料層耦合于該基底的壓電元件，該壓電元件包括陶瓷。在該壓電感測(cè)裝置的一個(gè)示例中，該基底、該焊料層和該壓電元件設(shè)置為分層結(jié)構(gòu)，其具有不超過(guò)3mm的輪廓高度。在該壓電感測(cè)裝置的一個(gè)示例中，該基底包括與超過(guò)120°C的操作溫度相容的材料。在另一個(gè)實(shí)施例中用于測(cè)量目標(biāo)的材料厚度的測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)包括基底， 其包括柔性電路材料，其中一區(qū)域具有采用t形幾何結(jié)構(gòu)的電極。該測(cè)量系統(tǒng)還包括設(shè)置在該電極上的焊料層和設(shè)置在該焊料層上的壓電元件。該壓電元件包括具有第一電極、第二電極和耦合于該第一電極和該第二電極中的每個(gè)的包繞片(wrap tab)的陶瓷體。該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)一步包括用于向和從該壓電元件傳導(dǎo)輸入和輸出的連接。在該測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)示例中，該柔性電路材料、該焊料層和該壓電元件設(shè)置為分層結(jié)構(gòu)，其具有不超過(guò)3mm的輪廓尚度。在再另一個(gè)實(shí)施例中用于監(jiān)測(cè)目標(biāo)的材料厚度的設(shè)備。該設(shè)備包括固定到該目標(biāo)的換能器陣列和耦合于該換能器陣列的儀器。在該設(shè)備的一個(gè)示例中，該換能器陣列包括壓電感測(cè)裝置。在該設(shè)備的一個(gè)示例中，該壓電感測(cè)裝置包括分層結(jié)構(gòu)，其具有柔性電路材料、焊料層和通過(guò)該焊料層耦合于該柔性電路材料的陶瓷體。在該設(shè)備的一個(gè)示例中，該分層結(jié)構(gòu)具有不超過(guò)3mm的輪廓高度。


因此可以理解本發(fā)明的特征所采用的方式、本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明可通過(guò)參考某些實(shí)施例(其中一些在附圖中圖示)來(lái)獲得。然而，要注意圖僅圖示本發(fā)明的某些實(shí)施例并且因此不認(rèn)為限制它的范圍，因?yàn)楸景l(fā)明的范圍涵蓋其他同等有效的實(shí)施例。圖不必按比例繪制，重點(diǎn)一般放在圖示發(fā)明的某些實(shí)施例的特征上。從而，對(duì)于本發(fā)明的進(jìn)一步理解，可以參考連同圖閱讀的下列詳細(xì)說(shuō)明，圖中圖1是測(cè)量系統(tǒng)的示范性實(shí)施例的示意圖。圖2是壓電感測(cè)裝置的示范性實(shí)施例的分解組件視圖。圖3是圖2的壓電感測(cè)裝置的側(cè)橫截面組裝視圖。圖4是壓電感測(cè)裝置的另一個(gè)示范性實(shí)施例的正視圖。圖5是圖4的壓電感測(cè)裝置的側(cè)橫截面視圖。圖6是壓電感測(cè)裝置的再另一個(gè)示范性實(shí)施例的正視圖。圖7是圖6的壓電感測(cè)裝置的側(cè)橫截面視圖。圖8是例如圖2-5的壓電感測(cè)裝置等壓電感測(cè)裝置的實(shí)現(xiàn)的示意圖。圖9是例如圖2、3、6和7的壓電感測(cè)裝置等壓電感測(cè)裝置的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)的示意圖。部件列表
10 14 18 22
4
測(cè)量系統(tǒng)儀器
感測(cè)元件基底
12換能器陣列
16連接
20壓電元件
24超聲檢測(cè)單元26公共基底100壓電感測(cè)裝置102基底104壓電元件106陶瓷體108電極110接地部112包繞片114柔性電路材料116第一層118第二層120收容區(qū)域122電極124接地電極126熱線電極128電極幾何結(jié)構(gòu)130隔離間隙132形狀幾何結(jié)構(gòu)134T形幾何結(jié)構(gòu)136焊料層138分層結(jié)構(gòu)200壓電感測(cè)裝置202基底204壓電元件214柔性電路材料220收容區(qū)域222電極224接地電極226熱線電極236焊料層240正面242背面244電纜連接246電纜連接焊盤(pán)248應(yīng)變釋放250接地焊盤(pán)252熱線焊盤(pán)254通孔256地線層300壓電感測(cè)裝置302基底304壓電元件314柔性電路材料320收容區(qū)域322電極324接地電極326熱線電極336焊料層358公共基底360導(dǎo)體362熱線導(dǎo)體364接地導(dǎo)體366自由端368連接器400壓電感測(cè)裝置402基底404壓電元件414柔性電路材料424接地電極426熱線電極436焊料層440正面442背面470測(cè)量系統(tǒng)472換能器陣列474儀器476連接478電纜480連接端子482表面484目標(biāo)486耦合劑488外部結(jié)構(gòu)490保護(hù)層492固定機(jī)構(gòu)500壓電感測(cè)裝置502基底504壓電元件524接地電極526熱線電極536焊料層558公共基底566自由端568連接器570測(cè)量系統(tǒng)572換能器陣列574儀器576連接586耦合劑590保護(hù)層592固定機(jī)構(gòu)594單個(gè)電纜596配對(duì)連接器
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參照?qǐng)D，在圖1中圖示有具有改進(jìn)的靈敏度和構(gòu)造的測(cè)量系統(tǒng)10的示范性實(shí)施例，其中改進(jìn)的構(gòu)造有益于測(cè)量系統(tǒng)10在大于例如120°c的操作溫度下以及在由其他測(cè)量系統(tǒng)的使用受到限制的區(qū)域中的實(shí)現(xiàn)。該測(cè)量系統(tǒng)10可以包括換能器陣列12和儀器 14，其經(jīng)由連接16操作耦合于該換能器陣列12。該換能器陣列12可以包括一個(gè)或多個(gè)感測(cè)元件18，這些感測(cè)元件18中的每個(gè)具有耦合于基底22的壓電元件20。換能器陣列12可以設(shè)置在可因?yàn)樵谄渲休斔土黧w而受到腐蝕和侵蝕的例如管道、管和有關(guān)導(dǎo)管等目標(biāo)上。該換能器陣列12的該設(shè)置允許由壓電元件20產(chǎn)生的超聲信號(hào)撞擊在該目標(biāo)的材料上。這些超聲信號(hào)例如被材料表面反射，其中這些反射信號(hào)由壓電元件20檢測(cè)。在一個(gè)實(shí)施例中，儀器14可以包括產(chǎn)生波形脈沖(一般，“輸入”)的超聲檢測(cè)單元24，這些波形脈沖經(jīng)由連接16施加于壓電元件20。這些波形脈沖引起壓電元件20中的機(jī)械變化(例如，尺寸變化)。該變化可以引起聲波，其被傳送通過(guò)目標(biāo)的材料。相反地，當(dāng)從處于檢查的材料反射的聲波接觸壓電元件20的表面時(shí)，壓電元件20產(chǎn)生電壓差。該電壓差由該超聲檢測(cè)單元24或其他信號(hào)處理電子設(shè)備探測(cè)為接收信號(hào)(一般，“輸出”)。超聲檢測(cè)單元24可以包括各種控制裝置，其對(duì)于確定由壓電元件20產(chǎn)生的波形脈沖的振幅、時(shí)序和傳送序列是有用的。波形脈沖一般在大約5MHz至大約20MHz的頻率范圍中。通過(guò)跟蹤波形脈沖的傳送和接收的信號(hào)的接收之間的差別并且測(cè)量反射波的振幅， 可以確定材料的各種性質(zhì)。在一個(gè)示例中，目標(biāo)的材料的厚度以及厚度的任何對(duì)應(yīng)變化可以使用飛行時(shí)間分析來(lái)確定，其的主旨將由具有換能器和有關(guān)領(lǐng)域中的技術(shù)的那些技工認(rèn)識(shí)到。在一個(gè)實(shí)施例中，感測(cè)元件18單獨(dú)設(shè)置并且構(gòu)建為個(gè)體感測(cè)單元。這些個(gè)體單元和超聲檢測(cè)單元24之間的通信由連接16而便利化，并且在一個(gè)構(gòu)造中連接16具有多個(gè)電纜(沒(méi)有示出)。這些電纜耦合于感測(cè)元件18中的每個(gè)。示范性電纜可以包括同軸電纜和光纖，以及單股和多股銅和/或有關(guān)材料，其可以如本文預(yù)期的那樣向和從壓電元件20傳導(dǎo)輸入和輸出(例如，波形脈沖和接收的信號(hào))。在另一個(gè)實(shí)施例中，感測(cè)元件18設(shè)置在公共基底(在本示例中用數(shù)字26大體上來(lái)定界)上。該設(shè)置由設(shè)置在該公共基底26上的壓電元件20中的一個(gè)或多個(gè)限定。感測(cè)元件18的壓電元件20可以沿例如材料條帶彼此隔開(kāi)，并且如在下文一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中論述的那樣，該材料可以包括可以與目標(biāo)形狀保形的柔性電路材料。在一個(gè)示例中，導(dǎo)體包含在該柔性電路材料中，其中每個(gè)導(dǎo)體在壓電元件20并且在該公共基底26的端部處終止。 連接16可以包括耦合于這些導(dǎo)體且可以被結(jié)合或以別的方式附加于自由端上的一個(gè)或多個(gè)連接器(沒(méi)有示出)。該連接器可以耦合于配對(duì)連接器或例如從超聲檢測(cè)單元24延伸的一束同軸電纜等其他裝置。該組合可以在壓電元件20和儀器14之間傳送輸入和輸出。換能器陣列12中的感測(cè)元件18的數(shù)目可以改變，并且在一個(gè)構(gòu)造中數(shù)目可以從一改變到二十。在一個(gè)特別示例中，數(shù)目是十四。數(shù)目的備選選擇可以基于檢查中的目標(biāo)的尺寸、感測(cè)元件18在目標(biāo)上的優(yōu)選間隔和正探測(cè)的缺陷的類(lèi)型中的任何一個(gè)或組合。當(dāng)連同公共基底26實(shí)現(xiàn)時(shí)，壓電元件20的近似中心之間的間隔可以從大約IOmm至大約100mm。 此外，在其中感測(cè)元件18設(shè)置為個(gè)體化的單元的實(shí)現(xiàn)中，每個(gè)可以位于目標(biāo)上且獨(dú)立于換能器陣列12的感測(cè)元件18中的其他感測(cè)元件18。從而，可以根據(jù)期望來(lái)對(duì)感測(cè)元件18中的每個(gè)優(yōu)化壓電元件20的鄰近元件之間的空間和壓電元件20關(guān)于目標(biāo)的特征(例如，邊緣)的位置。盡管換能器陣列12描繪為線性陣列(例如，其中感測(cè)元件18形成具有一列或多列的單行)，也設(shè)想其他配置。在一個(gè)實(shí)施例中，換能器陣列12可以包括一行或多行和一列或多列感測(cè)元件18。在另一個(gè)實(shí)施例中，感測(cè)元件18采用具有行和列的不同陣列的構(gòu)形設(shè)置。通過(guò)示例，換能器陣列12的一個(gè)構(gòu)形可以包括第一行感測(cè)元件18和第二行感測(cè)元件 18，其中該第二行關(guān)于該第一行垂直安置，從而形成“t”形。現(xiàn)在關(guān)注感測(cè)元件18的構(gòu)造，可以參照?qǐng)D2和3。這里描繪有壓電感測(cè)裝置100 的示范性實(shí)施例，其可以部署為圖1的感測(cè)元件18中的一個(gè)或多個(gè)。在一個(gè)實(shí)施例中，該壓電感測(cè)裝置100可以包括基底102和具有陶瓷體106的壓電元件104。該陶瓷體106可以配置有電極108、接地部110和包繞片112，其由沉積在該陶瓷體106上的金鍍層或相當(dāng)?shù)膫鲗?dǎo)材料來(lái)構(gòu)建。該基底102可以包括柔性電路材料114，其在該示例中示出具有第一層116和第二層118，并且具有收容區(qū)域120，其配置成收容該壓電元件104。該收容區(qū)域120 可以具有用于連接到例如電極108和接地部110的電極122。這些電極122可以包括第一或接地電極124和第二或熱線電極126。這些電極122可以保形為由這些電極122之間的隔離間隙130限定的電極幾何結(jié)構(gòu)128和/或如應(yīng)用于這些電極122中的一個(gè)或多個(gè)的形狀幾何結(jié)構(gòu)132。在一個(gè)示例中，該形狀幾何結(jié)構(gòu)132包括該熱線電極126的t形幾何結(jié)構(gòu) 134。在一個(gè)實(shí)施例中，壓電感測(cè)裝置100還可包括焊料層136，其包括例如錫、鉛、銀、 鉍和銦等一個(gè)或多個(gè)材料。該焊料層136在組裝期間沉積并且用于將壓電元件104耦合于基底102的收容區(qū)域120。當(dāng)組裝時(shí)，基底102、壓電元件104和該焊料層136的組合設(shè)置為具有輪廓高度P的分層結(jié)構(gòu)138。壓電感測(cè)裝置100的實(shí)施例可以配置使得該輪廓高度 P不超過(guò)大約7mm，并且在一個(gè)示例中該輪廓高度從大約0. 25mm至大約1mm。這些值小于常規(guī)裝置，其允許壓電感測(cè)裝置100在對(duì)于常規(guī)構(gòu)造的測(cè)量裝置一般不可使用的地方使用。選擇具有包括例如與組裝期間的處理?xiàng)l件(例如使焊料層136回熔需要的回熔溫度等)的相容性的材料性質(zhì)的在陶瓷體106中使用的材料。這些回熔溫度典型地超過(guò) 200°C，并且在一個(gè)示范性工藝中這些回熔溫度是大約220°C。要考慮的其他性質(zhì)包括但不限于材料的介電常數(shù)，其中對(duì)陶瓷體106選擇的材料應(yīng)該具有提供良好的電阻抗匹配同時(shí)最小化壓電元件104的總尺寸的介電常數(shù)。這些尺寸包括例如大約3mm乘大約5mm的圖2 的矩形形狀的尺寸，但長(zhǎng)度和寬度可以分別從大約2mm改變到大約8mm。在其他示例中，壓電元件104的形狀可以包括正方形、圓形和/或橢圓形。參考上文論述的輪廓高度P，進(jìn)一步考慮形成具有從大約0. Imm至大約Imm的總厚度的壓電元件104。在一個(gè)實(shí)施例中，使用例如Navy Type II材料和有關(guān)陶瓷(例如，鈦酸鉛鋯壓電) 等壓電陶瓷可是可取的，但同樣考慮并且可使用具有相似性質(zhì)和組成的其他材料。為了構(gòu)建陶瓷體106 (—般而言和壓電元件104)的目的，在一個(gè)示例中Navy Type II材料磚可以切成具有大約0. 6mm的厚度的板。這些板可以通過(guò)精磨操作完成使得所得板的厚度是大約 0. 2mm。線性研磨、擦光和背面研磨都是可接受的精磨操作。這些板此后可以切成具有大約 9mm的寬度的條帶，并且可以形成、極化和檢測(cè)電極。例如濺射等覆鍍操作可以用于沉積金 (Au)鍍層并且這些完成的板可以切割以形成個(gè)體壓電元件(例如，壓電元件104)。在一個(gè)示例中，單個(gè)NaVy Type II材料磚可以出產(chǎn)近似2880個(gè)壓電元件104。將意識(shí)到電極122 可以使用某些沉積、蝕刻、濺射和在本公開(kāi)的范圍和精神內(nèi)認(rèn)識(shí)到的有關(guān)處理技術(shù)與工藝來(lái)形成。柔性電路材料114的層(例如，第一層116和第二層118)可以包括例如基于聚酰胺的膜等材料以及包括聚酯(PET)，聚酰亞胺(PI)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚醚酰亞胺(PEL)中的一個(gè)或多個(gè)的其他材料和膜。這些層可以構(gòu)建在一起以形成與本文論述的處理?xiàng)l件、操作溫度和物理特性(例如，輪廓高度P)相容的疊層片。例如像金屬箔的電導(dǎo)體等導(dǎo)體可包括在這些層中，或在其他示例中導(dǎo)體可以例如通過(guò)使用電鍍和有關(guān)覆鍍和沉積技術(shù)而包含在這些層之中。這些導(dǎo)體可以延伸到電極122以及到基底102的外圍邊緣和區(qū)域。該配置對(duì)于向和從壓電元件104傳導(dǎo)脈沖和電信號(hào)是有用的，其示例在上文連同公共基底(例如，圖1的公共基底26)論述。接著參照?qǐng)D4-7，提供有壓電感測(cè)裝置200 (圖4和5)和300 (圖6和7)的示范性實(shí)施例。為了下文接著的論述的目的，類(lèi)似的數(shù)字用于標(biāo)識(shí)如圖2-7之間類(lèi)似的部件，但是這些數(shù)字增加100 (例如，100是圖4和5中的200，并且200是圖6和7中的300)。這些壓電感測(cè)裝置200和300對(duì)于在上文連同圖1論述的換能器陣列12的配置中的一個(gè)或多個(gè)中的實(shí)現(xiàn)是有用的。在圖4和5中描繪的壓電感測(cè)裝置200例如適合連同換能器陣列12(圖1)的配置 (其中感測(cè)元件18中的每個(gè)設(shè)置為個(gè)體單元)使用。在一個(gè)實(shí)施例中，壓電感測(cè)裝置200 可以包括基底202和壓電元件204。該基底202可以包括柔性電路材料214，其具有該壓電元件204安置在其中的收容區(qū)域220。該收容區(qū)域220可以具有包括接地電極224和熱線電極226的電極222。焊料層236可以使用在本領(lǐng)域中認(rèn)識(shí)到的絲網(wǎng)印刷技術(shù)設(shè)置在這些電極222中的一個(gè)或多個(gè)上。柔性電路材料214可以包括正面240和背面242，電極222位于其上。壓電感測(cè)裝置200還可以包括具有電纜連接焊盤(pán)246和應(yīng)變釋放構(gòu)件(strain relief) 248的一個(gè)或多個(gè)電纜連接244。這些電纜連接焊盤(pán)246可以包括接地焊盤(pán)250和熱線焊盤(pán)252，每個(gè)通過(guò)一個(gè)或多個(gè)通孔254分別耦合于接地電極224和熱線電極226。這些通孔254延伸通過(guò)柔性電路214，由此將在正面240上的這些電纜連接焊盤(pán)246耦合于在背面242上的電極 222。在一個(gè)示例中，地線層(ground plane) 256也包含在柔性電路材料214中。該地線層 256耦合于接地電極224和該接地焊盤(pán)250。當(dāng)換能器陣列12(圖1)利用公共基底(例如，公共基底26(圖1))時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)如在圖6和7中描繪的壓電感測(cè)裝置300。在一個(gè)實(shí)施例中，壓電感測(cè)裝置300可以包括基底302和壓電元件304。該基底302可以包括柔性電路材料314，其具有配置成在其上收容該壓電元件304的一個(gè)或多個(gè)收容區(qū)域320。這些收容區(qū)域320可以具有包括接地電極 324和熱線電極326的電極322。還包括焊料層336用于將該壓電元件304固定到這些電極 322。壓電感測(cè)裝置300可以包括公共基底358，其中包含多個(gè)導(dǎo)體360。這些導(dǎo)體360 可以包括熱線導(dǎo)體362和接地導(dǎo)體364，每個(gè)圖示為從該公共基底358的自由端366延伸。 例如多引腳連接器等連接器368設(shè)置在該自由端366上，連接器368耦合于這些導(dǎo)體360 中的每個(gè)。該連接器368同樣配置成耦合于如可能與本文考慮的儀器(例如，儀器14 (圖 1))關(guān)聯(lián)的配對(duì)連接器(沒(méi)有示出)現(xiàn)在論述例如上文論述的壓電感測(cè)裝置100、200和300等壓電感測(cè)裝置的實(shí)現(xiàn)， 現(xiàn)在參照?qǐng)D8和9。圖8和9分別圖示壓電感測(cè)裝置400和500的示范性實(shí)施例，這些實(shí)施例配置成在例如上文描述的并且在下文更詳細(xì)描述的測(cè)量系統(tǒng)等測(cè)量系統(tǒng)中使用。類(lèi)似的數(shù)字也用于標(biāo)識(shí)如圖2-9之間類(lèi)似的部件。然而，盡管本公開(kāi)的壓電感測(cè)裝置的特征和概念中的一些可不連同圖8和9描繪或論述，考慮了這樣的特征和概念可應(yīng)用于壓電感測(cè)裝置400和500以及其的實(shí)施例和衍生。在圖8中描繪有例如多個(gè)壓電感測(cè)裝置400，其中每個(gè)可以包括基底402和壓電元件404。該基底402可以包括柔性電路材料414，其具有接地電極424、熱線電極426和焊料層436，其用于將該壓電元件404固定到該基底402。該柔性電路材料414包括正面440 和背面442。在一個(gè)實(shí)施例中，這些壓電感測(cè)裝置400實(shí)現(xiàn)為測(cè)量系統(tǒng)470的部分，其可以包括換能器陣列472、儀器474和例如耦合于該壓電元件404的一個(gè)或多個(gè)電纜478等連接476。該測(cè)量系統(tǒng)470還可以包括連接端子480來(lái)集中電纜478，其在一個(gè)示例中充當(dāng)用于向和從該儀器474和該換能器陣列472的這些壓電感測(cè)裝置400傳送信號(hào)的中央集線器。在一個(gè)實(shí)施例中，壓電感測(cè)裝置400使用設(shè)置在基底402的背面442上的例如粘合劑等耦合劑固定到目標(biāo)484的表面482。為了進(jìn)一步確保壓電感測(cè)裝置400到該表面482 的正常功能和耦合，可以利用例如保護(hù)層490和固定機(jī)構(gòu)492等一個(gè)或多個(gè)外部結(jié)構(gòu)488。 這些外部結(jié)構(gòu)488可以包含為壓電感測(cè)裝置400的部分，或在一個(gè)實(shí)施例中這些外部結(jié)構(gòu) 488包括與壓電感測(cè)裝置400分開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)元件。這些外部結(jié)構(gòu)488的這些元件的組裝一般可以在壓電感測(cè)裝置400和測(cè)量系統(tǒng)470的實(shí)現(xiàn)和安裝時(shí)進(jìn)行。耦合劑486可以設(shè)置在基底402的表面上(如在圖8中描繪的)以及在壓電元件 404上。在施加期間應(yīng)該小心進(jìn)行以避免壓電元件404的性能的退化。除性能特性外，用于作為耦合劑486使用的材料與基底402和目標(biāo)484的材料特性相容可是可取的。在一個(gè)示例中，例如丙烯酸粘合劑(acrylic adhesive)等粘合劑可以作為具有大約Imm的標(biāo)稱(chēng)初始厚度的層來(lái)施加?？梢酝瑯涌山邮艿钠渌澈蟿┖陀嘘P(guān)材料包括但不限于氰基丙烯酸酯 (cyanocrylate)、環(huán)氧樹(shù)脂、溶劑型粘合劑和冷流粘合劑以及其的組合和派生。保護(hù)層490用于防止對(duì)下面的結(jié)構(gòu)(例如，壓電感測(cè)裝置400)的損傷。材料同樣可以具有電絕緣性質(zhì)從而提供保護(hù)免受外部環(huán)境影響以及防止電弧放電、短路和能夠發(fā)生的其他電致故障。用于作為保護(hù)層490使用的示范性材料可以包括硅、尼龍、氯丁二烯橡膠、聚合材料和其的組合與派生。固定機(jī)構(gòu)492可以采用在圖8中圖示的帶狀結(jié)構(gòu)的形式。當(dāng)目標(biāo)484是管道或其他圓周裝置時(shí)，這樣的結(jié)構(gòu)可以繞圓周附加。這些結(jié)構(gòu)可以包含輔助固定和緊固特征，其減小該帶繞該管道的直徑，由此施加力到壓電感測(cè)裝置400上。對(duì)于目標(biāo)484的其他配置，例如對(duì)于具有平坦或不規(guī)則構(gòu)造的目標(biāo)，固定機(jī)構(gòu)492可配置有設(shè)計(jì)成用于目標(biāo)484的特定配置的裝置。這些裝置可包括磁體和磁化工具，可以使得被施加以作用力到壓電感測(cè)裝置 400 上?，F(xiàn)在參照?qǐng)D9，看見(jiàn)壓電感測(cè)裝置500可以包括基底502和壓電元件504。該基底 502可以包括接地電極524和熱線電極526，并且如本文考慮的那樣包括焊料層436。該基底502設(shè)置為具有自由端566的公共基底558，連接器568設(shè)置在該自由端566上。壓電感測(cè)裝置500是測(cè)量系統(tǒng)570的部分，其可以包括換能器陣列572、儀器574和耦合于它們之間的連接576。為了固定壓電感測(cè)裝置500，使用耦合劑586并且由保護(hù)層590和固定機(jī)構(gòu)592給予進(jìn)一步保護(hù)。在一個(gè)實(shí)施例中，該連接576可以包括耦合于該連接器568和該儀器574的單個(gè)電纜594。該單個(gè)電纜594可以包括例如配對(duì)連接器596，其配置成與該連接器568配對(duì)。該書(shū)面說(shuō)明使用示例以公開(kāi)本發(fā)明的實(shí)施例，其包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)和執(zhí)行任何包含的方法。本發(fā)明的專(zhuān)利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員想到的其他示例。這樣的其他示例如果它們具有不與權(quán)利要求的書(shū)面語(yǔ)言不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括與權(quán)利要求的書(shū)面語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件則規(guī)定在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種壓電感測(cè)裝置(100)，包括基底(102)；設(shè)置在所述基底(102)上的焊料層(136)；以及通過(guò)所述焊料層(136)耦合于所述基底(102)的壓電元件(104)，所述壓電元件(102) 包括陶瓷；其中所述基底(102)、所述焊料層(136)和所述壓電元件(104)設(shè)置為具有不超過(guò)3mm 的輪廓高度的分層結(jié)構(gòu)(138)，并且其中所述基底(102)包括與超過(guò)120°C的操作溫度相容的材料。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電感測(cè)裝置(100)，其中所述基底(102)和所述陶瓷與用于處理所述焊料層(136)的回熔溫度相容。
3.如權(quán)利要求1所述的壓電感測(cè)裝置(100)，其中所述陶瓷包括NavyType II材料。
4.如權(quán)利要求1所述的壓電感測(cè)裝置(100)，其中所述基底(102)包括基于聚酰胺的膜。
5.如權(quán)利要求1所述的壓電感測(cè)裝置(100)，其中所述基底(102)包括具有電極(122) 的區(qū)域，所述電極(122)具有t形幾何結(jié)構(gòu)(134)，并且其中所述壓電元件(104)用所述焊料層(136)固定到所述區(qū)域。
6.如權(quán)利要求1所述的壓電感測(cè)裝置(100)，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述壓電元件(104) 的至少一部分周?chē)陌@片(112)。
7.如權(quán)利要求1所述的壓電感測(cè)裝置(100)，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述壓電元件(104) 上的金鍍層。
8.如權(quán)利要求1所述的壓電感測(cè)裝置(100)，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述基底(202)的正面(240)上的一個(gè)或多個(gè)電纜連接(244)，其中所述壓電元件(204)設(shè)置在所述基底(202) 的背面(242)上，并且其中所述一個(gè)或多個(gè)電纜連接(244)配置成向和從所述壓電元件 (204)和固定到所述一個(gè)或多個(gè)電纜連接(244)的一個(gè)或多個(gè)電纜(478)傳導(dǎo)輸入和輸出。
9.如權(quán)利要求1所述的壓電感測(cè)裝置(100)，進(jìn)一步包括包含進(jìn)入所述基底(302)的導(dǎo)體(360)，其中所述導(dǎo)體(360)耦合于所述壓電元件(304)和所述基底(302)的自由端 (366)。
10.如權(quán)利要求9所述的壓電感測(cè)裝置(100)，進(jìn)一步包括在所述自由端(366)耦合于所述導(dǎo)體(360)的連接器(368)，其中所述連接器(368)向和從所述壓電元件(204)傳送輸入和輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于測(cè)量材料厚度的裝置和系統(tǒng)。描述用于測(cè)量例如管道、管和運(yùn)送流體的其他導(dǎo)管等目標(biāo)的材料厚度的壓電感測(cè)裝置(100)。該壓電感測(cè)裝置(100)包括例如柔性電路材料(114)等基底(102)、壓電元件(104)和設(shè)置在其間的焊料層(136)。這些特征采用提供適合高溫應(yīng)用(例如其中溫度超過(guò)120℃的那些應(yīng)用等)的薄型測(cè)量裝置的這樣的方式來(lái)設(shè)置。該壓電感測(cè)裝置(100)的實(shí)施例可以配置成作為單獨(dú)位于該目標(biāo)上的獨(dú)立單元來(lái)使用或作為通過(guò)該柔性電路材料(114)耦合在一起的一串感測(cè)元件來(lái)使用。
文檔編號(hào)G01B17/02GK102346022SQ201110217808
公開(kāi)日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月21日
發(fā)明者F·馬修斯, J·N·巴辛格, M·克羅恩, N·史密斯, P·A·邁爾, 范穎 申請(qǐng)人:通用電氣公司