一種用于機械結構中液體層厚度監測的超聲傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于機械結構中液體層厚度監測的超聲傳感器，屬于機械結構監測【技術領域】。本發明的超聲傳感器包括用于產生和/或接收超聲波的壓電部件，所述壓電部件為固著于所述機械結構表面的壓電材料薄膜。所述壓電材料薄膜優選氮化鋁薄膜。本發明還公開了一種用于機械結構中液體層厚度監測的超聲監測系統，包括由多個如上所述超聲傳感器組成的超聲傳感器陣列。相比現有技術，本發明的超聲傳感器可大幅度減小體積，從而避免影響機械正常運行，同時還可以有效提高超聲波中心頻率，進而提升對超薄型液體層的測量精度。
【專利說明】一種用于機械結構中液體層厚度監測的超聲傳感器
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種超聲傳感器，尤其涉及一種用于機械結構中液體層厚度監測的超 聲傳感器，屬于機械結構監測【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 工業生產中，很多機器零件（例如齒輪、軸承、活塞和旋轉密封等）需要依靠潤滑 來減少摩擦和磨損。通常這些潤滑膜（通常也稱之為機械結構中的液體層）是微米級或亞 微米級的礦物油層。由于負載、高溫和振動等原因，油膜很容易破裂。當油膜破裂時，接觸 元件會急劇升溫并加速磨損，最后導致機器不能正常運作。可以說油膜破裂是造成機器故 障最常見的原因之一。因此，油膜厚度的狀態監測對于機械結構的安全運行有著十分重要 的意義。
[0003] 測量油膜厚度的方法很多，包括電學法和光學法。但這些方法都有一定的局限性。 電學法需要一個電絕緣表面或完全電隔離的接觸單元來安裝傳感器；而光學法則需要零件 上有一個透光窗口。因此，這些方法多數在實驗室中應用。作為常規無損檢測技術之一，超 聲波所具有的直線傳播性和穿透力使得超聲技術成為膜厚測量的一種重要手段。
[0004] 常見的超聲波測厚方法是通過聲速以及介質上、下表面反射波的時間差來計算。 當中間層厚度很薄時，反射脈沖會發生重疊現象，從而無法區分。這時，時間差法已經不再 適合。
[0005] 在早期的研究中，縱向超聲波的反射系數法已被證明可用于測量潤滑油膜的厚 度。然而，現有的超聲傳感器需要固定在被監測的機械設備上，往往會占用較大的體積，影 響機械設備的正常運行，有時甚至需要通過在被監測的機械設備上打孔的有損方式進行安 裝；此外，現有的超聲傳感器通常采用壓電晶片，其中心頻率較低，不適合用于微米級的油 膜測量。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術不足，提供一種用于機械結構中液 體層厚度監測的超聲傳感器，可大幅度減小體積，從而避免影響機械正常運行，同時還可以 有效提高超聲波中心頻率，進而提升對超薄型液體層的測量精度。
[0007] 本發明具體采用以下技術方案解決上述技術問題：
[0008] -種用于機械結構中液體層厚度監測的超聲傳感器，包括用于產生和/或接收超 聲波的壓電部件，所述壓電部件為固著于所述機械結構表面的壓電材料薄膜。
[0009] 優選地，所述壓電材料薄膜為氮化鋁薄膜。
[0010] 進一步地，所述氮化鋁薄膜使用磁控反應濺射法制備得到。
[0011] 根據本發明思路，還可得到一種用于機械結構中液體層厚度監測的超聲監測系 統，包括由多個如上所述超聲傳感器組成的超聲傳感器陣列。
[0012] 相比現有技術，本發明及其優選技術方案具有以下有益效果：
[0013] 本發明的超聲傳感器采用薄膜結構，且集成于被監測機械結構的表面，所占用的 體積極小，對機械設備的正常運行無影響，特別適合于油膜厚度的在線實時監測；
[0014] 本發明的超聲傳感器由于采用薄膜結構，可大幅提高超聲波中心頻率，進而可有 效提升超薄油膜的測量精度；
[0015] 本發明超聲傳感器的制造工藝簡單，有利于降低成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 圖1為【具體實施方式】中所述氮化鋁薄膜超聲傳感器的結構示意圖；其中，1為不銹 鋼襯底，2為氮化鋁薄膜，3為鋁電極，4為引線，5為保護罩；
[0017] 圖2為三層介質模型示意圖，其中I\、T2和T3為入射波，&和R 2為反射波。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明：
[0019] 本發明針對現有超聲傳感器難以有效地用于油膜厚度在線監測的問題，利用壓電 材料薄膜作為超聲傳感器的壓電部件，并將其固著于被監測設備的表面，一方面可大幅度 減小傳感器體積，從而避免影響機械正常運行，同時還可以有效提高超聲波中心頻率，進而 提升對超薄型液體層的測量精度。
[0020] 所述壓電材料薄膜可采用現有的各類壓電薄膜，例如氧化鋅（ZnO)薄膜、氮化鋁 (A1N)薄膜等。其中，A1N為典型的寬帶隙III-V化合物，具有聲波傳播速度快、壓電性能好 等優點，廣泛應用于體聲波（BAW)和聲表面波（SAW)器件上，因此本發明優選采用氮化鋁薄 膜。
[0021] 氮化鋁薄膜的制備可采用現有的大多數成膜方法，例如化學氣相沉積法、反應分 子束外延法、等離子體輔助化學氣相沉積法、激光化學氣相沉積法、脈沖激光沉積法、離子 注入法、磁控濺射法等。本發明優選采用磁控反應濺射法，該方法的基本原理是以磁場改變 電子的運動方向，并束縛和延長電子的運動軌跡，提高了電子對工作氣體的電離幾率，有效 利用了電子的能量。從而使正離子對靶材轟擊所引起的靶材濺射更加有效，同時受正交電 磁場束縛的電子又只能在其能量耗盡時才能沉積在基片上，這就使磁控濺射具有"低溫、高 速"兩大特點。磁控濺射常分為直流（DC)磁控濺射和射頻（RF)磁控濺射。由于所用鋁靶 材具有良好的導電性，因此本發明優選采用直流（DC)磁控濺射的方法。
[0022] 圖1顯示了本發明的氮化鋁薄膜超聲傳感器的基本結構，如圖所示，該傳感器包 括：固著于不銹鋼襯底（即被監測機械設備表面）1上的氮化鋁薄膜2,鋁電極3、引線4,為 了保護氮化鋁薄膜、鋁電極和引線，本實施例中的傳感器還包括由電絕緣材料（優選PCB材 料FR-4)制成的保護罩5,粘合在機械設備的表面并覆蓋氮化鋁薄膜2、鋁電極3以及引線 4的一部分。
[0023] 上述氮化鋁薄膜超聲傳感器可采用以下方法制成：
[0024] (1)氮化鋁薄膜：
[0025] 通過磁控反應濺射的方法在襯底上生長一層c軸取向的氮化鋁薄膜，該方法具體 為：
[0026] (a)襯底的清洗：分別用丙酮和無水乙醇超聲清洗10分鐘，去除表面油污，然后用 去離子水超聲清洗10分鐘，氮氣吹干，備用；
[0027] (b)靶材：純鋁，純度 99. 999% ;
[0028] (c)鋁靶與襯底之間的距離設置為5cm ;
[0029] (d)濺射工藝參數：濺射功率250W，濺射氣壓0. 5Pa，襯底溫度300°C，總氣體流速 20sccm，氮氦氣體比3:7。
[0030] 濺射完成的氮化鋁薄膜，其厚度為5 μ m。使用X射線衍射儀（XRD)檢測試件，發 現其圖譜在2 Θ =36°具有很強的衍射峰，說明其具有較好的c軸取向。用原子力顯微鏡 (AFM)觀察其表面形貌，在δμπιΧδμπι范圍內，薄膜表面均方根粗糙度為0. 04nm。
[0031] (2)電極
[0032] 通過真空熱蒸發鋁，使其通過一個6X2mm2掩膜孔，最終沉積成電極。
[0033] ⑶引線
[0034] 用導電膠將電極和細金屬絲連接在一起，并將襯底接地，以形成回路。
[0035] (4)極化
[0036] 壓電陶瓷必須經過極化之后才具有壓電性能。由于考慮到器件放入硅油中極化不 易清理，因此選擇在空氣中極化，在氮化鋁薄膜兩端加上極化電場，等待至充分極化。
[0037] (5)保護套
[0038] 由于陶瓷膜、電極和引線是裸露在外的，在做好電極、引出導線并經過測試后，將 由一種電絕緣材料（PCB材料FR-4)制成的保護罩粘合在襯底上表面使其覆蓋氮化鋁薄膜、 鋁電極以及引線的一部分，以保護裸露在外的陶瓷膜、電極和引線。
[0039] 為了更好的進行監測，還可以利用多個以上的氮化鋁薄膜超聲傳感器構成傳感器 陣列，從而構成監測性能更好的超聲監測系統。
[0040] 利用本發明的超聲傳感器進行油膜厚度監測時，采用縱向超聲波的反射系數法， 并根據待測油膜的厚度采用不同的模型進行測量，為了使公眾更好的理解，下面對該方法 的基本原理進行簡要介紹。
[0041] 圖2顯示了鋼-液-鋼三層介質模型，該模型中，待測油膜（即介質II)位于不銹 鋼（介質I、m)之間，圖中的?\、Τ 2和T3為入射波，Ri和R2為反射波。由于不同機械設備 中的油膜厚度各不相同，將油膜厚度大于入射波波長的油膜定義為厚油膜，反之則稱為薄 油膜。根據油膜厚度的不同，提出了兩種膜厚分析模型，當膜厚為厚油膜時采用諧振模型， 反之則采用彈簧模型。下面將分別針對厚油膜和薄油膜進行分析。
[0042] 1、厚油膜
[0043] 當油膜為厚油膜時，超聲波垂直入射到油膜的分界面上，由聲波方程得到介聲波 在介質中的位移和應力公式
【權利要求】
1. 一種用于機械結構中液體層厚度監測的超聲傳感器，包括用于產生和/或接收超聲 波的壓電部件，其特征在于，所述壓電部件為固著于所述機械結構表面的壓電材料薄膜。
2. 如權利要求1所述用于機械結構中液體層厚度監測的超聲傳感器，其特征在于，所 述壓電材料薄膜為氮化鋁薄膜。
3. 如權利要求2所述用于機械結構中液體層厚度監測的超聲傳感器，其特征在于，所 述氮化鋁薄膜使用磁控反應濺射法制備得到。
4. 如權利要求3所述用于機械結構中液體層厚度監測的超聲傳感器，其特征在于，在 用所述磁控反應濺射法制備氮化鋁薄膜時，使用的靶材為純鋁，鋁靶與襯底之間的距離為 5cm，濺射功率為250W，濺射氣壓為0. 5Pa，襯底溫度為300°C，總氣體流速為2〇SCCm，氮氬氣 體比為3:7。
5. -種用于機械結構中液體層厚度監測的超聲監測系統，其特征在于，包括由多個如 權利要求1?4任一項所述超聲傳感器組成的超聲傳感器陣列。
【文檔編號】G01B17/02GK104101311SQ201410284953
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月23日 優先權日:2014年6月23日
【發明者】馬希直, 郭思寧, 章何菁, 王衛英 申請人:南京航空航天大學