CN107427862B - 压电换能器 - Google Patents

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Abstract

一种压电换能器，包括压电元件，压电元件能够工作以将压电元件的机械运动转换成电信号，并且将压电元件中的电信号转换成压电元件的机械运动，其中，压电换能器能够工作以在高于200℃的温度进行转换。

Description

压电换能器
技术领域
本发明涉及压电换能器和制造压电换能器的方法，其中，压电换能器特别是但不限于具有在至少高于200℃的温度或在诸如高压、高应力或辐照的其他极端环境下有效工作的能力的压电换能器。
背景技术
压电材料表现出机电耦合，这使得它们能够以直接模式产生与施加的机械应力成比例的电荷。可替选地，在相反模式下，它们可以因外部电场的施加来产生应变。该现象于1880年由J.Curie和P.Curie首次发现，其对于现代器件如停车传感器、医用超声、燃料喷射阀和普遍存在的压电蜂鸣器而言是必要的。这些应用和其他典型应用跨越多个行业，但是可以归类为具有以下工作模式的换能器：(i)用于扬声器、燃料/油墨喷射、机器人学和MEMs的效应器、致动器以及电机模式；(ii)在医疗平台和声纳平台二者中的超声波成像、主动振动抑制、电子频率滤波器中采用的换能器模式，以及最后；(iii)用于拾音器、麦克风和气体点火器的传感器模式。事实上，市场空间由超过10万份申请专利覆盖并且每年价值大于100亿美元，并且市场空间由在效应器和换能器模式下使用的以锆钛酸铅(PZT)制成的换能器的销售所主导。
PZT含有高比例的铅(Pb)，而根据欧盟有关有害物质的限制指令(RoHS)，铅是在所有其他电子应用中被禁止的元素。目前，电陶瓷得到豁免，这是因为铅在提供这些材料所需的极化方面起着至关重要的作用，但是该豁免经常被审查，而且任何改变都将要求供应商和客户寻找无铅的替代品。
然而，主要地，虽然PZT被有效利用在广泛的市场中，但是PZT从根本上限于低于约200℃的应用——高于200℃时PZT压电性能的稳定性稳定下降。
高温电子是自二十世纪七十年代以来提出材料和设计挑战的研究领域，并且被公认为具有显著工业重要性的领域。目前，150℃的重复热循环的环境现在是典型的，其中，对于在最高达500℃工作的要求在诸如电子装置的应用中变得越来越必要，应用包括用于深的石油钻探的传感器、用于提高的工作效率的汽车致动器模式换能器、针对极端环境的核能和其他“清洁”能源解决方案。航空航天工业现在也需要传感器和效应器模式换能器以在大气和太空中承受超过500℃的温度达超过100,000小时，以提高效率、进行健康监测以及减少质量。例如，燃气涡轮的工作温度增加150℃使得不再需要涡轮冷却部件，并且随后可以将热效率提升6％。
PZT和其他常规压电材料的温度限制可以以若干种方式部分地克服；然而，这些解决方案中的每个解决方案均具有明显缺点。例如，一个解决方案可以通过使用一些中间材料来使换能器远离高温环境。然而，换能器的灵敏度和带宽受到不利影响。可替选地，一个解决方案可以通过将换能器间歇性地***高温环境或者用诸如水的液体冷却换能器来防止过热。然而，可能需要复杂的工程解决方案来以这种方式有效地防止过热。另一可能性是简单地接受材料在高温环境中将具有短寿命，但是定期更换换能器会既昂贵又耗时。当在具有高辐射或高压的环境中使用材料时，存在类似的问题。
已经做出了大量的努力来开发采用光学纤维、贵金属应变计和压电体的高温换能器，特别是针对用于压力、质量和化学测量的表面声波(SAW)换能器和体声波(BAW)换能器。与用于测量电荷、电压和频率相关机制的其他器件相比，压电换能器已经被证明提供优异的分辨率、温度稳定性、灵敏度以及低成本集成特性。
用于这些应用的材料在组分、形式和结构方面变化，但是重要地是目的在于具有高于支柱性PZT***的尽可能高的压电工作温度。这些材料包括诸如石英、铌酸锂和磷酸镓单晶的单晶、诸如氮化铝的薄膜以及诸如钛酸铋的多晶材料，所述材料由于它们的处理成本低并且易于集成到常见电气器件中而最有可能用在工业应用中。这些材料由铋基陶瓷主导并且包括类似于PZT中的机理的混合相***，所述PZT提供了其优异的压电性能。
近来，已经开发了可以承受高温的新的压电陶瓷材料。该材料在下文中被称为BF-KBT-PT，其在国际专利公开WO2012/013956A1中得到描述，据此将该国际专利公开的全部内容通过引用进行合并。尽管BF-KBT-PT能够承受较高的温度，但是不能仅修改常规的压电换能器以包括新的材料，这是因为换能器中使用的其他部件——例如背衬材料、壳、布线、焊料以及其他元件——未准备好承受所需条件。
本发明的目的是解决上述困难中的至少一些困难或根据下面的描述将理解的其他困难。
发明内容
根据本发明，提供了在所附权利要求中阐述的设备和方法。根据从属权利要求和下面的描述，本发明的其他特征将变得明显。
根据本发明的第一方面，提供了一种压电换能器，该压电换能器具有压电元件，该压电元件能够工作以将压电元件的机械运动转换成电信号并且将压电元件中的电信号转换成压电元件的机械运动，其中，压电换能器能够工作以在高于200℃的温度进行转换。
压电换能器能够工作以在210℃或高于210℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在215℃或高于215℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在220℃或高于220℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在225℃或高于225℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在230℃或高于230℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在235℃或高于235℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在240℃或高于240℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在245℃或高于245℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在250℃或高于250℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在270℃或高于270℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在280℃或高于280℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在290℃或高于290℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在300℃或高于300℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在310℃或高于310℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在320℃或高于320℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在330℃或高于330℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在340℃或高于340℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在350℃或高于350℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在360℃或高于360℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在370℃或高于370℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在380℃或高于380℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在390℃或高于390℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在400℃或高于400℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在410℃或高于410℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在420℃或高于420℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在430℃或高于430℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在440℃或高于440℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在450℃或高于450℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在460℃或高于460℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在470℃或高于470℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在480℃或高于480℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在490℃或高于490℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在500℃或高于500℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在510℃或高于510℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在520℃或高于520℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在530℃或高于530℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在540℃或高于540℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在550℃或高于550℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在560℃或高于560℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在570℃或高于570℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在580℃或高于580℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在590℃或高于590℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在600℃或高于600℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在610℃或高于610℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在620℃或高于620℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在630℃或高于630℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在640℃或高于640℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在650℃或高于650℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在660℃或高于660℃的温度进行转换。
压电换能器能够工作以在660℃或低于660℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在650℃或低于650℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在640℃或低于640℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在630℃或低于630℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在620℃或低于620℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在610℃或低于610℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在600℃或低于600℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在590℃或低于590℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在580℃或低于580℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在570℃或低于570℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在560℃或低于560℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在550℃或低于550℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在540℃或低于540℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在530℃或低于530℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在520℃或低于520℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在510℃或低于510℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在500℃或低于500℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在490℃或低于490℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在480℃或低于480℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在470℃或低于470℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在460℃或低于460℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在450℃或低于450℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在440℃或低于440℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在430℃或低于430℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在420℃或低于420℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在410℃或低于410℃的温度进行转换。压电换能器能够工作以在400℃或低于400℃的温度进行转换。
压电换能器能够工作以在上面给出的两个值之间的范围内进行转换。
压电换能器的转换功能可以是功能性转换，转换功能可以是至少20d33pm N-1、优选地至少22d33pm N-1、优选地至少24d33pm N-1、优选地至少26d33pm N-1、优选地至少28d33pmN-1、优选地至少30d33pm N-1、优选地至少35d33pm N-1、优选地至少40d33pm N-1、优选地至少45d33pm N-1、优选地至少50d33pm N-1、优选地至少60d33pm N-1、优选地至少70d33pm N-1、优选地至少80d33pm N-1、优选地至少90d33pm N-1、优选地至少100d33pm N-1、优选地至少150d33pmN-1、优选地至少200d33pm N-1的转换活性，其中，d33是压电电荷系数，pm是10-12m，N是以牛顿为单位的应力，优选地针对处于室温的压电材料的样品，而所述样品在先前已经被加热到至少380℃达1小时，或针对处于室温的压电材料的样品，而所述样品在先前已经被加热到至少400℃达1小时，或针对处于室温的压电材料的样品，而所述样品在先前已经被加热到至少420℃达1小时，或针对处于室温的压电材料的样品，而所述样品在先前已经被加热到至少440℃达1小时。
压电换能器的转换功能可以是最高达约100d33pm N-1、优选地最高达约110d33pmN-1、优选地最高达约120d33pm N-1、优选地最高达约130d33pm N-1、优选地最高达约140d33pmN-1、优选地最高达约150d33pm N-1、优选地最高达约160d33pm N-1、优选地最高达约170d33pmN-1、优选地最高达约180d33pm N-1、优选地最高达约190d33pm N-1、优选地最高达约200d33pmN-1的转换活性，优选地针对处于室温的压电材料的样品，而所述样品在先前已经被加热到至少380℃达1小时，或针对处于室温的压电材料的样品，而所述样品在先前已经被加热到至少400℃达1小时，或针对处于室温的压电材料的样品，而所述样品在先前已经被加热到至少420℃达1小时，或针对处于室温的压电材料的样品，而所述样品在先前已经被加热到至少440℃达1小时。
转换可以是在上面给出的两个值之间的范围内的转换活性。与当压电材料处于室温(25℃)时压电材料的转换活性相比，当压电材料处于超过200℃的温度时压电材料的转换活性可以更大。
压电换能器能够工作以转换具有各种模式的电信号。电信号可以是单个超声波脉冲或一串连续脉冲。脉冲可以是单极性的或双极性的，可以取决于是否意在增加能量***或减小振铃来做出关于单极性或双极性的选择。为了进一步增加声能***，可以应用其他模式。可以应用形成的单极性(DC)电信号或双极性(AC)电信号。可以连续应用电信号以及/或者电信号可以在幅度和/或频率方面进行扫描。模式可以是连续正弦波，或者更优选地是诸如“啁啾”的扫描信号。
换能器能够工作以对多个频率作出响应和/或转换多个频率。换能器可以包括多于一个压电元件。换能器可以包括单个压电元件，在使用中该单个压电元件可以通过电刺激在不同的频率处被激励。在使用中，可以以两个或更多个谐振模式来激励压电元件。模式可以是厚度和平面/径向模式。
压电换能器能够工作以转换具有10伏或高于10伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有12伏或高于12伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有24伏或高于24伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有30伏或高于30伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有40伏或高于40伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有50伏或高于50伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有60伏或高于60伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有70伏或高于70伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有80伏或高于80伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有90伏或高于90伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有100伏或高于100伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有150伏或高于150伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有200伏或高于200伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有250伏或高于250伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有300伏或高于300伏的电压的电信号。
压电换能器能够工作以转换具有500伏或低于500伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有400伏或低于400伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有300伏或低于300伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有200伏或低于200伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有150伏或低于150伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有140伏或低于140伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有130伏或低于130伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有120伏或低于120伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有110伏或低于110伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有100伏或低于100伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有90伏或低于90伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有80伏或低于80伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有70伏或低于70伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有60伏或低于60伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有50伏或低于50伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有30伏或低于30伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有24伏或低于24伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有12伏或低于12伏的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有3.2伏或低于3.2伏的电压的电信号。
压电换能器能够工作以转换具有周期为80纳秒或大于80纳秒的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有周期为100纳秒或大于100纳秒的电压的电信号。压电换能器能够工作以转换具有周期为120纳秒或大于120纳秒的电压的电信号。
压电换能器能够工作以转换具有1kHz或大于1kHz的频率的电信号。压电换能器能够工作以转换具有10kHz或大于10kHz的频率的电信号。压电换能器能够工作以转换具有100kHz或大于100kHz的频率的电信号。压电换能器能够工作以转换具有1MHz或大于1MHz的频率的电信号。压电换能器能够工作以转换具有2MHz或大于2MHz的频率的电信号。压电换能器能够工作以转换具有3MHz或大于3MHz的频率的电信号。压电换能器能够工作以转换具有4MHz或大于4MHz的频率的电信号。压电换能器能够工作以转换具有5MHz或大于5MHz的频率的电信号。压电换能器能够工作以转换具有10MHz或大于10MHz的频率的电信号。
压电换能器可以适于检测在-55℃与600℃之间的温度的液体中的气体分数。压电换能器可以适于检测在-55℃与500℃之间的温度的液体中的气体分数。压电换能器可以适于检测在-55℃与400℃之间的温度的液体中的气体分数。压电换能器可以适于检测在-55℃与390℃之间的温度的液体中的气体分数。压电换能器可以适于检测在-55℃与380℃之间的温度的液体中的气体分数。压电换能器可以适于检测在-55℃与370℃之间的温度的液体中的气体分数。压电换能器可以适于检测在-55℃与360℃之间的温度的液体中的气体分数。
压电换能器的元件可以利用机械固定装置固定在一起，机械固定装置可以是可逆的机械固定装置。机械固定装置可以是螺纹紧固件，螺纹紧固件可以包括压电换能器的元件的配合螺纹。
有利地，压电换能器不要求利用粘合剂或焊料将换能器的元件固定在一起。
压电换能器可以包括效应器，效应器优选地能够工作以检测目标的运动。此处，效应器可以是由目标移动并且使压电元件产生电流的一件换能器，而不是由供应至压电元件的电流引起其移动的元件。效应器可以与压电元件接触。压电换能器可以是流量换能器。
压电换能器可以是测距换能器。压电换能器能够工作以发送并且接收振动信号，优选地，压电元件能够工作以发送并且接收振动信号。振动信号可以用于声纳定位。
压电换能器可以是定向换能器，定向换能器优选地具有目标方向，目标方向优选地沿着压电换能器的纵轴。压电换能器可以具有背衬材料，背衬材料优选地与压电元件相邻。背衬材料可以相对于压电元件位于目标方向的后方。优选地，背衬材料适于相对于压电元件在目标方向后方吸收或散射振动信号。背衬材料可以适于粘附至压电元件。背衬材料可以适于封装压电元件。背衬材料可以在声学特性上类似于匹配层。背衬材料可以在声学上活跃的。背衬材料可以在声学上不活跃的。
背衬材料可以具有与压电材料的声阻抗基本上相同数量级的声阻抗，这可以允许从目标方向向后方移动的越过压电材料的能量由背衬材料吸收。优选地，背衬材料应当例如通过作为复合材料或由两种材料制成或者是不均匀的或具有不规则形状来散射能量。
背衬材料可以是钨或其他重金属(例如钽)与铸造陶瓷和/或玻璃的混合物。
背衬材料可以包括以下中的一种或更多种：莫来石、堇青石、硅酸铝、具有不均匀结构或内部孔隙的陶瓷。背衬材料可以具有圆柱形形状，圆柱形形状可以被芯钻。
背衬材料可以是金属泡沫或可以是多孔烧结金属体。优选地，多孔金属背衬材料具有与压电体匹配的、优选地高度匹配的声阻抗(25MRayls至30MRayls)。优选地，多孔金属背衬材料在金属基体中具有20％或低于20％空隙体积的孔隙率。一种优选的形式可以大体上是钛合金泡沫，或者更优选地大体上是烧结的铜合金。
背衬材料可以是固体，其中，固体是致密且均匀的，但是由于后处理的特征而发生散射，后处理的特征可以是孔、铸件和/或凹槽。可能由于这些特征而发生散射。背衬材料可以是固体，其中，固体可以是多孔的，并且固体可以在密度方面渐变和/或可以在孔隙率方面渐变。
另外，背衬材料可以是导电的或可以是电阻性的。另外，背衬材料可以在高于400℃工作达短时间段或长时间段。
背衬材料能够在其液相下形成，优选地随后被固化，或者可以当其在压电传感器中处于原位时被固化。背衬材料可以由固体切割而成或由固体形成。
背衬材料可以接合至压电元件。接合可以借助于导电粘合剂如银粘合剂。接合可以借助于干耦合。接合可以借助于扩散接合、真空钎焊等。接合可以借助于热和压力来形成接合。接合可以借助于多层材料，材料可以是不同材料，材料可以在不同层是不同材料。接合可以借助于高温玻璃，高温玻璃可以通过使用热和应力来产生接合。
背衬材料可以是与压电材料相同的材料。该背衬材料可以是极化的、未极化的或部分极化的。在压电材料与背衬材料之间可以存在中间层。优选地，如果背衬材料是与压电元件相同的材料，则背衬材料可以是多孔的，优选地具有内部孔隙。孔隙率的水平可以在整个背衬材料中变化，例如，孔隙率可以在离开与压电材料的界面处增加。
压电元件在平面图中可以是规则形状。压电元件在平面图中可以是不规则形状。压电元件在平面图中可以是圆形的。压电元件在平面图中可以是方形的。压电元件在平面图中可以是矩形的。压电元件可以是环形的。压电元件可以是圆柱形的。
根据本发明的另一方面，提供了用于压电换能器的一组部件，该一组部件包括壳体、效应器、压电元件以及电接触装置。
该一组部件还可以包括电极板。
该一组部件还可以包括隔离器。该一组部件还可以包括帽。
根据本发明的另一方面，提供了用于压电换能器的一组部件，该一组部件包括壳体、耐磨板、压电元件以及电接触装置。
压电材料可以是包括(例如，主要由以下成分构成或由以下成分构成)符合以下配方的固溶体的陶瓷：
x(BiaK1-a)TiO3-yBiFeO3-zPbTiO3
其中，0.4≤a≤0.6；
0<x<1；
0<y<1；
0≤z≤0.5；并且
x+y+z＝1，
其中，除孔隙以外，所述陶瓷基本上不含非钙钛矿相。
有利地，陶瓷可以表现出超过350℃的居里点。有利地，陶瓷可以表现出超过400℃的居里点。有利地，陶瓷可以表现出超过450℃的居里点。有利地，陶瓷可以表现出超过500℃的居里点。有利地，陶瓷可以表现出超过550℃的居里点。有利地，陶瓷可以表现出超过600℃的居里点。有利地，陶瓷可以表现出超过650℃的居里点。有利地，陶瓷可以表现出超过700℃的居里点。
优选地，陶瓷基本上由固溶体组成。例如，固溶体在陶瓷中的存在的量可以为50wt％或更多(例如，在50wt％至99wt％的范围内)，优选地为75wt％或更多，特别优选地为90wt％或更多，更优选地为95wt％或更多。
优选地，陶瓷还包括一个或更多个钙钛矿相。特别优选地，(或每个)钙钛矿相选自：(BiaK1-a)TiO3、BiTiO3、KTiO3、BiFeO3和PbTiO3。(或每个)钙钛矿相存在的量可以为75wt％或更少，优选地50wt％或更少，特别优选地25wt％或更少，更优选地5wt％或更少。(或每个)钙钛矿相可以微量地存在。
非钙钛矿相可以是Bi、K、Ti、Fe或Pb中的两种或更多种(例如三种)的混合金属相。示例包括Bi2O3、K2O、Bi2Fe4O9以及Bi3Ti4O12。
存在于陶瓷中的非钙钛矿相的量可以使得相在X射线衍射图中不可辨别。存在于陶瓷中的非钙钛矿相的量可以是微量。
优选地，存在于陶瓷中的非钙钛矿相的总量小于10wt％，特别优选地小于8wt％，更优选地小于5wt％，还更优选地小于2wt％，还更优选地小于1wt％，最优选地小于0.1wt％。
固溶体可以是部分固溶体。优选地，固溶体是完全的固溶体。
固溶体可以基本是单相的。
固溶体可以是双相的。优选地，固溶体具有以下中的两种：三方相、单斜相、正交相和四方相。固溶体可以具有三方相和单斜相。固溶体可以具有三方相和正交相。优选地，固溶体具有四方相和三方相。
优选地，0≤z≤0.3。
z可以大于。优选地，在该实施方式中，陶瓷包括(例如，主要由以下成分构成或由以下成分构成)符合以下配方的固溶体：
x(BiaK1-a)TiO3-(1-x)BiFeO3
其中，a在0.4至0.6的范围内，x在0.01至0.99的范围内，其中，陶瓷基本上不含非钙钛矿相。
固溶体可以是(BiaK1-a)TiO3在BiFeO3中的固溶体。固溶体可以是BiFeO3在(BiaK1-a)TiO3中的固溶体。
优选地，x在0.1至0.9的范围内。
特别优选地，x在0.7至0.9的范围内。在该范围内，特别优选地是具有四方相和三方相的双相固溶体。
特别优选地，x在0.1至0.4的范围内。在该范围内的陶瓷表现出出人意料的高居里点并且在高温环境下潜在有用。
特别优选地，x在0.5至0.6的范围内。
优选地，a在0.45至0.55的范围内。特别优选地，a在0.48至0.52的范围内。更优选地，a为0.50。
在固溶体中，Bi、K、Fe和Ti中的一种或更多种可以被金属掺杂剂取代。用于每个取代的金属掺杂剂可以相同或不同。金属掺杂剂的存在可以对固溶体的特性有显著且不可预测的影响。例如，可以提高居里点和/或压电活性。
(或每种)金属掺杂剂存在的量可以最高达50at％，优选地最高达20at％，特别优选地最高达10at％，更特别优选地最高达5at％，还更优选地最高达3at％，最优选地最高达1at％。
金属掺杂剂可以是A位金属掺杂剂。例如，A位金属掺杂剂可以取代Bi和/或K和/或Pb。优选地，A位金属掺杂剂选自：Li、Na、Ca、Sr、Ba以及稀土金属。
金属掺杂剂可以是B位金属掺杂剂。例如，B位金属掺杂剂可以取代Fe和/或Ti。
优选的A位金属掺杂剂是Li或Na。Li或Na在A位上的取代可以修改(例如提高)居里点和/或有利地改变任何双相固溶体(例如三方相-四方相固溶体)的相组成。
优选的A位金属掺杂剂是Ca、Sr或Ba。Ca、Sr或Ba在A位上的取代可以降低介电损耗、修改(例如提高)居里点和/或有利地改变任何双相固溶体(例如三方相-四方相固溶体)的相组成。
优选的A位金属掺杂剂是稀土金属。特别优选的A位金属掺杂剂是La或Nd。通常La或Nd取代K。用La或Nd取代可以以居里点为代价增加压电活性。作为示例(对于给定的BiFeO3浓度)，用La和Nd取代将通常将居里点降低约100℃至200℃并且将压电活性提高50％。
在特别优选的实施方式中，A位金属掺杂剂是取代K(即K+)的La(例如La3+)。该取代可以显著提高电阻率。
优选的B位金属掺杂剂具有比其取代的金属的化合价更高的化合价。钙钛矿的导电率通常归因于电子空穴或氧空位。在B位上以高价金属掺杂剂进行取代可以明显提高电阻率(即抑制导电率)。
在特别优选的实施方式中，B位金属掺杂剂具有在IV至VII范围内的化合价。更特别优选的是选自Ti、Zr、W、Nb、V、Ta、Mo和Mn的B位金属掺杂剂。还更特别优选的是选自Nb、Ta、Mo、W、Zr和V的B位金属掺杂剂。
优选的B位金属掺杂剂选自Ti、Fe、Co和Ni。特别优选的是取代Fe(即Fe3+)的Ti(例如Ti4+)。
在优选的实施方式中，B位金属掺杂剂具有混合价。在B位上以混合价金属掺杂剂进行取代可以显著提高电阻率。
在特别优选的实施方式中，B位金属掺杂剂是Mn。Mn的优点在于：在它可以采用可以提高一系列陶瓷内的电阻率的一系列氧化态的意义上来说，它作为缓冲。
在特别优选的实施方式中，B位金属掺杂剂是Co。通常Co取代Fe(即Fe3+)。
陶瓷可以采用织构陶瓷、单晶、薄膜或复合材料(例如，陶瓷/玻璃或陶瓷/聚合物复合材料)的形式。
优选地，陶瓷的居里点为350℃或更高。陶瓷的居里点可以为400℃或更高。陶瓷的居里点可以为450℃或更高。陶瓷的居里点可以为500℃或更高。陶瓷的居里点可以为550℃或更高。陶瓷的居里点可以为600℃或更高。陶瓷的居里点可以为650℃或更高。陶瓷的居里点可以为700℃或更高。
优选地，陶瓷具有基本上如图2或图7所示的X射线衍射图。
可以通过以下方式来获得陶瓷：烧结含有Bi、K、Fe和Ti(以及可选地Pb)的可烧结形式的混合金属氧化物的来制造陶瓷。
优选地，陶瓷还包括预烧结添加剂。
预烧结添加剂存在的量可以为75wt％或更少、优选地为50wt％或更少、特别优选地为25wt％或更少、更优选地为5wt％或更少。预烧结添加剂可以微量地存在。
预烧结添加剂可以是钙钛矿。预烧结添加剂可以是层状钙钛矿，例如Bi4Ti3O12。预烧结添加剂可以是含铅的钙钛矿。含铅的钙钛矿可以是PbTiO3或PbZrO3。
可以在后续反应(例如在煅烧后)添加预烧结添加剂以形成含有Bi、K、Fe和Ti(以及可选地Pb)的混合金属氧化物。预烧结添加剂可以用作烧结助剂。
在优选的实施方式中，能够通过包括以下步骤的方法来获得陶瓷：
(A)制备基本上按化学计算量的各个Bi、K、Ti和Fe(以及可选地Pb)的化合物的均匀混合物；
(B)将均匀混合物转化为均匀粉末；
(C)在均匀粉末中诱导反应以产生混合金属氧化物；
(D)将混合金属氧化物处理成可烧结形式；以及
(E)烧结可烧结形式的混合金属氧化物以产生陶瓷。
从又一方面看，本发明提供了用于制备前文定义的陶瓷的方法，该方法包括：
(A)制备基本上按化学计算量的各个Bi、K、Ti和Fe(以及可选地Pb)的化合物的均匀混合物；
(B)将均匀混合物转化为均匀粉末；
(C)在均匀粉末中诱导反应以产生混合金属氧化物；
(D)将混合金属氧化物处理成可烧结形式；以及
(E)烧结可烧结形式的混合金属氧化物以产生陶瓷。
在步骤(A)中，Fe、Ti、K和Bi(以及可选地Pb)的化合物中的一种或更多种化合物偏离化学计算量可能是有利的。例如，Fe、Ti、K和Bi(以及可选地Pb)中的一种或更多种以超过化学计算量的方式存在。例如，原子百分比可以偏离化学计量±20％或更少，优选地±10％或更少，特别优选地±5％或更少。通过偏离化学计量，陶瓷可以有利地配备有用的氧化物相(例如钙钛矿相)。
优选地，在步骤(A)中，基本上按化学计算量的各个Bi、K、Ti和Fe(以及可选地Pb)的化合物由以下组成配方表示：
x(BibKc)TiO3-y(BiFe1-dBdO3)-zPbTiO3
其中：
B是前文定义的B位金属掺杂剂；
b在0.4至0.6的范围内；
c在0.4至0.6的范围内；
d在0至0.5的范围内；并且
x、y和z如前文所定义。
在特别优选的实施方式中，B是Ti。
在特别优选的实施方式中，B是Co。
在特别优选的实施方式中，d在0至0.2的范围内。更优选地d为零。
在特别优选的实施方式中，z为零。
在特别优选的实施方式中，b是前文所定义的a并且c是(1-a)。
步骤(A)可以包括提供前文所定义的金属掺杂剂的金属掺杂剂氧化物。
各个Bi、K、Ti和Fe(以及可选地Pb)的化合物可以独立地选自：氧化物、硝酸盐、氢氧化物、碳酸氢盐、异丙醇盐、聚合物和碳酸盐，优选地氧化物和碳酸盐。示例是Bi2O3和K2CO3。
均匀混合物可以是浆料(例如研磨的浆料)、溶液(例如水溶液)、悬浮液、分散体、溶胶-凝胶或熔融熔剂。
步骤(C)可以包括加热(例如煅烧)。优选地，步骤(C)包括逐步或间歇加热。步骤(C)可以包括逐步或间歇冷却。
在均匀混合物为溶液的情况下，化合物可以是盐(例如硝酸盐)。
在均匀混合物为溶胶-凝胶的情况下，化合物可以是异丙醇盐。
在均匀混合物为熔融熔剂的情况下，化合物可以是溶解在盐熔剂中的氧化物。来自步骤(C)的混合金属氧化物可以在冷却时沉淀析出。
优选地，均匀粉末是研磨的粉末。步骤(A)可以是：
(A1)制备基本上按化学计算量的各个Bi、K、Ti和K(以及可选地Pb)的化合物的浆料；
(A2)研磨浆料；
并且，步骤(B)可以是
(B1)对浆料进行以制造研磨的粉末。
步骤(E)可以是逐步或间歇烧结。优选地，步骤(E)包括逐步或间歇加热以及逐步或间歇冷却。
步骤(E)可以在烧结助剂存在的情况下进行。烧结助剂的存在促进致密化。烧结助剂可以是CuO2。
步骤(D)可以包括研磨混合金属氧化物。步骤(D)可以包括对混合金属氧化物进行造粒。
步骤(D)可以包括使混合金属氧化物悬浮在有机溶剂中。步骤(D)可以包括刷涂、喷涂或印刷混合金属氧化物悬浮液以为烧结做准备。
从再一方面看，本发明提供了前文所定义的陶瓷在压电器件中的用途。
优选地，在根据本发明的用途中，压电器件能够在超过200℃的温度进行工作。
压电器件可以是能够在致动器、传感器或变压器模式下工作的压电换能器。例如，压电器件可以是工业蒸汽传感器。
附图说明
为了更好地理解本发明并且为了说明可以如何实施本发明的实施方式，现在将通过示例方式来参照所附示意图，在所附示意图中：
图1a是压电换能器的示意性分解侧视图；
图1b是图1a的压电换能器的示意性分解透视图；
图2a是压电测距或缺陷检测换能器的示意性透视侧视图；
图2b是图2(a)的测距/缺陷检测换能器的示意性截面侧视图；
图3a是压电换能器的示意性分解侧视图；
图3b是图3a所示的压电换能器的示意性装配侧视图；
图4是图3a和图3b的换能器的概括性截面，示出了部件的内部布置；
图5是在被保持在350℃处的12天之前在室温和350℃以及在被保持在350℃处的12天之后在室温和350℃从图3b所示的器件发送和接收的超声波信号的曲线图；
图6是用于检测液体中的气体的换能器的实施方式的示意性分解图；
图7是图7的附接至目标管的换能器的示意性透视图；
图8是图7中的管的示意截面图，示出了液体中的气泡；
图9示出了针对图7所示的实施方式的接收信号；
图10示出了图3a和图3b所示的器件在室温处工作的结果(顶部)以及在600℃下1小时后工作的结果(底部)；以及
图11示出了图3a和图3b所示的器件的多次A型扫描，所述器件根据最高达50小时的处于温度的时间(y轴)在600℃工作，其中，阴影示出信号幅度。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的第一示例实施方式的压电换能器器件100的分解图。压电换能器器件100被配置成在高温环境中感测振动。
压电换能器器件100包括壳体11、垫圈12、效应器13、压电元件14、电极板15、隔离器16以及帽17。
在使用时，壳体11保持压电换能器器件100的其他元件。在一个示例中，壳体11由不锈钢制成。特别地，不锈钢可以是304型或316型不锈钢或可替选地是钛或镍合金。
壳体11包括例如螺纹部11a，该螺纹部11a促进例如安装至当使用时包含高温流体的管。有利地，壳体11的尺寸使得装配的压电换能器器件100可以***标准管夹或管配件或焊接的短的突出部(welded stub)中。
壳体11还包括用于接纳垫圈12和效应器13等的凹部11b。上部11c从外部形成螺纹以接纳帽17，帽17在下面进行描述。
效应器13包括上部13a和下部13b。上部13a和下部13b二者在外形上基本上为圆柱形。上部13a的直径使得其不能穿过壳体11中的凹部11b，并且因此被保持在壳体11中。相反，下部13b的直径使得其可以延伸到凹部11b中并且从壳体11的下端突出。
效应器13的底表面13c包括带螺纹的腔(未示出)，该带螺纹的腔被构造成接纳接触销(未示出)。
效应器13的顶表面可以包括被构造成接纳压电元件14的圆形凹口。
垫圈12被布置在凹部11b中、在壳体11与效应器13之间。垫圈具有基本上对应于凹部11b的直径的直径，并且垫圈包括具有允许效应器13的下部13b穿过的大小的孔。因此，垫圈12将壳体11密封，从而保护壳体11的元件免受高温环境的影响。
在一个示例中，垫圈12由高温聚合物制成，其中，高温聚合物可以例如是聚酰亚胺。在另一示例中，垫圈由金属制成，其中，金属可以例如是铜。在另一示例中，垫圈由陶瓷制成，其中，陶瓷可以是例如氧化铝。在另一示例中，可以从换能器中省去垫圈12。
压电元件14包括WO2012/013956 A1中所描述的BF-KBT-PT。在压电元件14的上表面上形成上电极14a，在压电元件14的下表面上形成下电极14b。在一个示例中，电极14a、14b包括高温银涂层，例如烤上的涂料。在另一示例中，电极14a、14b包括磁控溅射金属，例如金。电极必须具有以下特性：(a)与隔离器16的良好粘附；(b)高温操作；(c)耐腐蚀性；以及(d)导电性。这广泛用于PZT和其他换能器，并且用于在氧化铝上制作线路，例如开关。
电极板15由导电材料形成，并且被构造成布置为与上电极14a和下电极14b电接触。下电极14b包括围绕压电元件14的边缘延伸至上侧以允许连接至电极板15的凸舌(tab)(未示出)。该凸舌与上电极适当地隔离以防止短路。电极板15包括被构造成接纳电缆(未示出)的接纳部15a。在一个示例中，电缆被机械地夹紧至电极板15。一旦压电换能器器件100被装配，则电极板15形成压电元件14与电缆之间的电连接，从而消除了对焊接连接的需求。该特征是特别有利的，这是因为避免使用焊料的能力改善了器件在高温下的功能，其中，所述高温通常高于300℃，在该温度焊料可能已经熔化。
隔离器16布置在电极板15与帽17之间。隔离器通过将压电元件14的上表面与换能器的本体隔离来防止压电元件14的表面上的电荷的平衡。在一个示例中，隔离器由陶瓷形成。隔离器16包括通道部16a，在装配时通道部16a将电缆与电极板15之间的夹紧连接与帽17隔离，并且允许电缆穿过。
帽17将压电换能器器件100的元件密封在内部。帽17具有螺纹部17a，该螺纹部17a被构造成与壳体11的凹部11b的外螺纹接合。帽17的底表面成形为用于接纳隔离器16。
在帽17的顶表面形成有中心孔17b，在中心孔17b中接纳压盖18以用于接纳用于换能器的电缆。压盖18借助于配合螺纹固定至帽17中的开口17b。中心开口18a允许电缆穿过。
压电换能器器件100以下列方式进行装配。
首先，将垫圈12放置在壳体11的凹部11b中。接下来，***效应器13，使得下部13b穿过垫圈12和壳体11中的孔，同时上部13a由垫圈12保持。将理解的是，可以省略垫圈12，在这种情况下，上部13a与凹部11b直接接触。
接下来，将压电元件14***到效应器13的凹口中，其中，上部13a面向上。
接下来，通过压盖18中的开口18a***电线并使其穿过帽17中的中心孔17b、隔离器16中的通道16a，并且机械地夹紧至电极板15的接纳部15a。
接下来，使电极板15与上电极14a、下电极14b接触并且使隔离器16与帽17的底表面接触。然后，将帽拧入到适当位置，其中，螺纹部17a与凹部11b的螺纹接合。
在使用中，压电换能器器件100布置在管上。例如在航空航天或核应用中，管包含高温流体。
通过壳体11的底部突出的效应器13因被测体内的振动而被移动。由于效应器13在换能器壳体11内自由移动，因此压电元件14检测到振动，从而产生电信号。
有利地，不使用粘合剂或焊料来构造压电换能器器件100，而是仅使用机械夹具来装配压电换能器器件100。这样的粘合剂或焊料在高温下可能失效，因此该结构有利地增加了压电换能器器件100的工作温度。因此，考虑到焊料在300℃通常会熔化，所以可以实现高于300℃的工作温度。
图2(a)示出了根据本发明的示例实施方式的装配的换能器的侧视图。该换能器是高温超声波测距仪并且能够在最高达500℃的温度工作。
该换能器具有壳体211，壳体211包括上部211a和下部211b。上部211a和下部211b借助于布置在相应部分上的互补螺纹拧在一起。特别地，如上部211a的内部部分211d那样，下部211b的顶部部分211c也包括螺纹。
在该实施方式中，下部211b可以用作波导。
在一个示例中，壳体211由不锈钢制成。
下部211b的顶部部分211c还包括适于保持换能器的元件的凹口211e。特别地，压电元件214布置在凹口211e中。
在一个示例中，上部211a具有带螺纹的中心孔216a，并且螺纹管216将压电元件214固定在适当位置。螺纹管216中形成有中心孔216a以允许电线穿过。
在该实施方式中，压电元件214用作发射振动并且检测振动的换能器。为了检测从压电元件214到目标的给定距离，通过从进入中心孔216a并且固定至压电元件214的电线向压电元件214施加适当的电流或电压，来使得从压电元件214发射信号。然后，由用作波导的下部211b朝向目标引导振动。然后，振动信号从目标反射并且返回至压电元件214，以转换成用于处理并且量化成距离值的电信号。
为了帮助使压电元件214和壳体211的振铃最小化，在压电元件214的上表面布置背衬材料215。可替选地，压电元件214可以位于背衬材料215中的凹口中。
背衬材料215散射并且耗散从有源压电元件214的后部引导的能量，其中，所述能量可以是在凹口处接收的已经绕过压电元件214并且在凹口的背部处被反射的信号的反射。有利地，背衬材料215能够承受器件必须运行于其处的高温。
背衬材料必须吸收和/或散射来自压电元件214的背面的声能。这可以以许多方式来实现。声阻抗由Z＝c给出，其中，是密度，c是背衬材料中的声速。理想地，背衬材料215和压电材料的声阻抗应当基本上匹配以吸收和/或散射声能。
从背衬材料215与压电元件214之间的界面反射的能量的量由R给出。当对于背衬材料和压电材料二者Z相同时，R的值最小化。
Figure GDA0002061179860000201
在室温处，背衬材料215可以是载有钨的聚合物，例如环氧树脂或硅树脂。在这种情况下，背衬材料215的声阻抗将类似于PZT的压电元件214的声阻抗，但是背衬材料215是复合材料的事实意味着它将基于钨部分散射和聚合物部分吸收来进行散射，如磨砂玻璃中的光。
用于背衬材料215的材料的示例是钨或其他重金属(例如钽)与铸造陶瓷和/或玻璃的混合物。
用于背衬材料215的替选材料包括莫来石、堇青石、硅酸铝、具有不均匀结构或内部孔隙的陶瓷。该材料的圆柱形毛坯可以是芯钻的并且作为背衬。
另外的示例包括金属泡沫或本质上由金属粉末制成且具有内部孔隙的烧结金属体。典型的材料可以是钢或黄铜。
可替选地，背衬材料可以是固体，其中，固体是致密且均匀的，但是由于后处理特征如钻孔、铸件、凹槽而发生散射。由于这些特征而发生散射。背衬材料可以是固体，其中，固体是多孔的并且在密度和孔隙率方面渐变。
在一个示例中，背衬材料215是铸造陶瓷+50Wt％的钨+20％的水。在一个示例中，电线与背衬材料215一体地形成，并且电线形成背衬材料215的下表面的一部分。螺纹管216将背衬材料215固定至压电元件214，从而实现电线与压电元件214之间的电连接。
在另外的示例中，作为替代，背衬材料215形成在压电元件214的表面上或接合至压电元件214的表面。
接合涉及压电元件214与背衬材料215之间的接合和/或压电元件214与位于压电元件214上以提供一些保护的耐磨板217之间的接合。这两种接合对换能器的成功工作是重要的，这是因为部件需要在声学上耦合。
高温银粘合剂的使用提供了电接触和声耦合。
另一选择是使用干耦合，例如使用软金属如铜或金，或者使用靠近熔点的金属如锌或锌合金。可以使用放置在压电元件214与耐磨板217之间和/或压电元件214与背衬材料215之间的薄片(例如100微米厚)。通过紧固螺纹管216来使这些部件保持在适当位置。
另一选择是使用高温耦合剂，例如被设计成在高温下工作的流体。
另一选择是使用扩散接合或扩散焊接，包括真空钎焊。通过蒸发来使压电元件214上涂覆有金，然后将压电元件214直接地或利用中间层接合至钢(也可以被涂覆)。可以使用热和压力来形成接合。
另一选择是使用高温玻璃。例如，放置在压电元件214与耐磨板217之间和/或压电元件214与背衬材料215之间的界面处的玻璃粉末，或薄玻璃片，然后，对玻璃粉末或薄玻璃板进行加热和加压以产生接合。
众所周知，定义压电材料的性能是困难的，这是因为使用压电体的温度范围以及压电体所暴露于的不同温度分布的影响造成性能的显著差别。然而，下面表1提供了压电材料的比较，并且给出了在室温处以d33pm N-1为单位的活性、去极化温度以及在样品被加热至380℃达1小时之后以d33pm N-1为单位的活性。
Figure GDA0002061179860000221
表1
在上述示例结果中，器件在380℃工作1小时。处于该温度1小时之后，PZT已经失去了其大部分活性，器件的性能将受到很大的损害。
钛酸铋将不遭受活性的显著下降，然而，最初活性非常低。
在这些条件下，BF-KBT-PT提供最高达2-15倍于钛酸铋的活性。
对于在250℃至500℃的活性范围内的应用，由BF-KBT-PT制成的器件将显著优于PZT(承受较高温度的能力)和钛酸铋(灵敏度、活性、功能性能)。
在上述器件中，全部使用可以被称为颗粒(pellet)的压电元件。颗粒可以采取许多物理形状，物理形状可以包括以下中的一个或更多个：圆形的、正方形的、矩形的、环形的和圆柱形的。所采用的致动/换能器矢量可以是厚度模式或径向/横向或剪切。剪切板可以是厚度极化的或长度极化的。可以存在单个或多个颗粒/体。电极可以是环绕的，以便于电连接。
可以使用的其他形状包括：螺旋的、多体、多层、半球或球体。振动模式可以是谐振(与尺寸有关)、高阶谐波(一个或更多个节点)或复杂谐波。
图3a和图3b示出了适于在高温下工作的2MHz压电换能器的示例，其中，所述高温例如大于200℃，或优选地大于300℃，优选地最高达400℃，或大于400℃，或更优选地最高达500℃，或更优选地最高达600℃。图4示出了实施方式的内部部件的概括版本。
压电换能器包括外壳310，在该示例中，为了具有温度和腐蚀稳定性，该外壳310由316不锈钢制成。外壳310从外部、在310a处形成螺纹以附接至适当的攻有螺纹的开口。外壳的头部310b是平面六边形的以允许用扳手对其进行操纵或紧固。
外壳310的下端包括用于保护(下面讨论的)压电元件免受磨损的耐磨板311。
耐磨板311的厚度(t)可能需要是正在检测的振动的波长的四分之一，以允许与(下面讨论的)压电元件同相的声音的传播。基于在316不锈钢中声速为5720m/s，耐磨板311的厚度应当是t＝0.715mm。
已经针对耐磨板311考虑了各种材料，但是为了使从正在测试的物品——正在测试的物品将由316不锈钢构造——至压电元件的振动传播最大化，耐磨板311也应当是316不锈钢。
其他材料包括钛，钛是用于薄箔的良好的高强度材料，但是是高度衰减的。316不锈钢具有良好的耐热性和耐腐蚀性并且易于加工。黄铜具有良好的声学特性，但是作为铜/锌合金，其具有可变的温度效应。
外壳310具有中心孔310c，在中心孔310c中接纳有与耐磨板311相抵接的压电元件312。压电元件312位于管状内部套筒316的内部，管状内部套筒316具有对应于孔310c的内部尺寸的外部尺寸，以允许内部套筒316紧密地配合在孔310c中。压电元件312位于内部套筒316的下端。背衬材料314位于压电元件312的上方并且也在内部套筒316内，其中，背衬材料314按照与关于图2a和图2b所提及的背衬材料相同的方式进行使用。
压电元件312、背衬材料314以及内部套筒316通过与外壳310的头部310b相接合的压盖318被保持在适当位置。
线支持器320从压盖318的顶端延伸，其中，线支持器320支持附接至下面讨论的压电元件312的电极的线322和线324。
压电元件312是压电陶瓷。其可以是任何陶瓷，但是此处的实施方式是针对铁酸铋基陶瓷——特别是上面提及的BF-PT-KBT范围的材料中的任何材料——来优化的。
为了实现2MHz的频率响应，压电元件312为0.73mm厚。其中，对于BF-PT-KBT族中的给定成员，相关特征可以是：
密度＝7850kg/m3；
弹性模量＝66.9Gpa；
声速＝2919m/s；
中心频率＝2MHz，器件内的压电体的谐振频率
c＝2919m/s，声速
因此，波长＝1.46mm，与尺寸和声速有关
波长/2＝t
t＝0.73mm
压电元件312包括分别在压电元件312的上表面和下表面上的上电极312a和下电极312b。电极312a和电极312b附接至线322和线324。
将电极附接至压电材料可能是困难的。对于由PZT制成的压电元件312，用于电极的合适材料包括诸如银、金和铂的贵金属糊以及可以被磁控溅射的其他金属如铜和镍。
对于高温应用，必须考虑以下几点：氧化；熔点温度；与压电元件312的反应；导电率；成本；热膨胀系数；以及电极与压电元件312的粘附。
制备电极的一种方式是使用Cr层和Ag层来对PZT压电元件使用金属化，其中，Cr层附接至压电元件312并且Ag层附接至Cr层。然而，由于银在工作温度范围内的热失配和氧化，所以该方法对于Bi基材料是无效的。
图5示出了图3a和图3b所示的器件在室温处工作的结果、在350℃1小时后工作的结果、在350℃12天后工作的结果以及再次返回到室温处工作的结果。
该器件被示为返回并且检测来自处于室温的不锈钢测试块的后壁回波，返回并且检测来自被加热至350℃温度的同一个块的后壁回波。器件检测到回波的飞行时间随温度升高而增加。信号强度的变化从-1.2dB变化至+0.75dB，这指示了器件在被保持在350℃处的12天之前在室温和350℃以及在被保持在350℃处的12天之后在室温和350℃的稳定工作。这指示了有源压电元件312、壳体310、背衬材料314、耦合和电连接在最高达350℃的温度的稳定性。
图10和图11示出了图3a和图3b的器件的结果，但是是在与图5的结果相比更高的温度。图10示出了图3a和图3b所示的器件在室温处工作的结果(顶部)以及被保持在600℃的温度1小时后工作的结果(底部)。图11示出了图3a和图3b所示的器件的多次A型扫描，所述器件根据最高达50小时的处于温度的时间(y轴)在600℃工作。垂直柱所示的结果的清晰迹线示出了结果在不同温度的稳定性，这示出了在样品加热至600℃许多小时之后检测到清晰的信号。
该器件被示为返回并且检测来自处于室温的不锈钢测试块的后壁回波，返回并且检测来自被加热至600℃温度达最高达50小时的时间段的同一个块的后壁回波。图中的第一冲激是输出脉冲，第二冲激是检测到的返回脉冲。通过该器件检测到由于钢测试块的热膨胀而引起回波的飞行时间随温度升高而增加。这指示了有源压电元件312、壳体310、背衬材料314、耦合和电连接在最高达600℃的温度的稳定性。
有利地，压电换能器可以允许用“典型的”超声波电刺激脉冲驱动换能器的有源元件。
降低到30V之下的刺激电压允许与内在安全考虑的兼容性并且允许对在危险环境中的使用的许可，例如，如国际标准IEC 60079所述。例如，有利地，可以使用被设计成限制传递至危险环境的电能的屏障器件或等效电路，屏障器件或等效电路对于这些应用将刺激限制为<28VDC、300Ohm、93mA，其中，典型的超声波换能器在高得多的电压下工作，通常>100V。
有利地，在升高温度的情况下，与其他类型的“高温”压电材料(如在第2页和下面的表中概述的)相比，本文所述的压电元件陶瓷材料显示出压电活性(d33)的显著增强。这允许在不使用放大或能量转换方法的情况下使用低电压电刺激，以实现与高电压下其他材料中的响应相同的响应。
Figure GDA0002061179860000251
Figure GDA0002061179860000261
图6和图7示出了根据本发明的实施方式的压电换能器器件装配。此处，换能器是用于感测基质(下表中的A)溶体内的一个或更多个相(下表中的B和C)的存在和分数的高温换能器，所述高温换能器适于高温下的工作，例如大于200℃，或优选地大于300℃，或最优选地最高达400℃，或大于400℃，最高达或低于660℃。或者可替选地，在660℃或低于660℃、在最高达65kGy每小时的放射性环境中。
其中，下表中的A部分构成溶液体系中的最大体积分数，下表中的B部分构成比A小的体积分数，并且可以具有不同的相，或具有相同的相——但是具有不同的声阻抗，以及其中，下表中的C部分是构成低于A和B的分数的后续分数的一个或更多个相，并且可以具有与A和/或B不同的相，或具有相同的相——但是具有不同的声阻抗。组成部分A、B和C还可以是牛顿或非牛顿、线性或非线性流体，加上三相点物质，优选地是水，其中，多个相可以共存于由国际温标ITS-90定义的热力学平衡中。优选溶液混合物的示例在下面的表中给出。
示例 A部分 B部分 C部分
1 航空燃料 水 沙和/或冰
2 油 空气 -
3 蒸汽 水 空隙
4 蒸汽 水 石灰和污染微粒
在图6和图7中，壳体由不锈钢制成并且壳体包括攻有螺纹的开口101b(参见图6)、电连接端口101a以及顶板中的用于固定压电元件104的凹口102a。在该示例中，壳体中的电连接端口101a中的孔允许电线穿过。不锈钢可以具体是304型或316型不锈钢，或者可替选地含有铁和/或铬的钛或镍合金。
壳体包括上部101和下部102，上部101和下部102可以借助于外部螺钉103拧在一起。102与101之间的密封可以优选地提供达到等级IP65的侵入防护并且可以符合易爆气体环境要求。
在该实施方式中，壳体中的压电元件104用作换能器，并且可以检测振动或发射振动，或者可以在正常工作期间根据需要发射振动和检测振动。可替选地，第二壳体107中的另一压电元件可以在正常工作期间根据需要针对壳体中的压电元件104的检测或发射来分别发射振动或检测振动。
在该实施方式中，利用导电玻璃使压电换能器元件104用作两个平面上的电极。电极可以是环绕型的，以便于电连接。
通过电刺激——在该实施方式中通过施加具有多个频率的连续10VAC正弦波——来实现发射振动。通过压电材料104将能量转换成电信号来实现对振动的检测。在这两种情况下，电信号由通过线缆连接的常规电子装置进行处理，其中，所述线缆通过导管105和108连接至实施方式。
为了促使本实施方式中的性能误差最小化，可以将诸如高温环氧树脂的材料施加至压电元件104的前表面和后表面，以有助于粘合并且提供声耦合以及压电元件104与凹口102a之间的接合。
在该实施方式中，当以小于工作声波长的1/4的厚度施加材料时，该材料可以用作面板。
在该实施方式中，材料可以用作耦合剂以将压电元件与目标在声学上耦合。
在该实施方式中，材料可以用作背衬材料。
在该实施方式中，材料可以用作波导。
在一种情况下，材料将优选地是液施加的热固化树脂。
另一选择是使用高温玻璃，其中，薄玻璃片将取代树脂并且提供类似的特性，但是基本上与热膨胀系数匹配。
在该实施方式中，压电换能器将发射的振动信号与检测到的振动信号进行电地比较，以表征如图8所示包含混合物或溶液的管106内的A部分(201)中B部分(202)的分数体积。在该示例中，溶液可以使管表面温度为660℃或低于660℃。
该实施方式应用于管106，其中，管由不锈钢制成，DN为1.5，管表号为40。可替选地，管可以在直径和壁厚方面变化，其中，在直径方面内径为3mm或大于3mm，而壁厚为0.5mm或大于0.5mm。
在该实施方式中，包含换能器的壳体101、107借助于相对的螺纹螺钉110、111和112固定至管，其中，110和112还用作导轨以保持与管表面垂直的界面，并且其中，螺钉111用于拧紧或松开该实施方式并且控制夹紧或移除。
在该实施方式中，在底侧使用第二组螺钉以实现足够的耦接强度，但是第二组螺钉可能并非必需的，特别是对于较小直径的管而言。
在该示例中，A部分可以是过热蒸汽并且B部分是水，其中，发射的信号与检测的信号的幅度差与体积分数关联。在该实施方式中，B部分的微粒在直径方面为约1mm或小于约1mm。
在图9中，示出了实施方式根据频率的工作示例。图9示出了图7中描述的实施方式的接收信号，其中，以(a)2.5MHz、(b)5MHz和(c)10MHz来施加10伏连续正弦波。较高幅度的线对应于A部分为100％的水的情况下的检测信号。较低幅度的线对应于A部分为>99.9％的空气并且B部分含有<0.01％空气的情况下的检测信号。
应当注意与本说明书同时提交或在本说明书之前提交的与本申请有关的并且关于本说明书对公众查阅开放的所有文件和文献，所有这样的文件和文献的内容通过引用并入本文中。
在本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以任意进行组合，除了这样的特征和/或步骤中的至少一些是相互排斥的组合之外。
除非另有明确说明，否则在本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由服务于相同、等同或类似目的替选特征替代。因此，除非另外明确说明，否则所公开的每个特征仅是一系列通用的等同或类似特征的一个示例。
本发明不限于上述实施方式的细节。本发明扩展至在本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征中的任何一个新颖特征或任何新颖的特征组合，或者扩展至如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何一个新颖步骤或任何新颖的步骤组合。

Claims (20)

1.一种压电换能器，包括:
压电元件，所述压电元件能够工作以将所述压电元件的机械运动转换成电信号并且将所述压电元件中的电信号转换成所述压电元件的机械运动，
背衬材料，所述背衬材料与所述压电元件相邻并且适于相对于所述压电元件在目标方向后方吸收或散射振动信号，其中，所述背衬材料具有与压电材料的声阻抗基本上匹配的声阻抗，以及
电极板，所述电极板与所述压电元件电接触并且包括用于接纳电缆的接纳部，其中，所述电缆被机械地夹紧至所述接纳部，使得所述电极板形成所述压电元件与所述电缆之间的电连接，
其中，所述压电元件、所述背衬材料和所述电极板被容纳在换能器壳体中，其中所述换能器壳体包括上部和下部，所述上部和所述下部借助于布置在其相应部分上的互补螺纹而拧在一起，其中，所述换能器壳体的所述上部和所述下部的螺纹接合将所述压电元件固定在适当位置，
其中，所述压电换能器能够工作以在高于350℃的温度进行转换，所述背衬材料能够承受所述压电换能器必须工作的温度，以及
其中，所述压电元件由包括符合以下配方的固溶体的陶瓷材料形成：
x(BiaK1-a)TiO3-yBiFeO3-zPbTiO3；
其中，0.4≤a≤0.6；
0<x<1；
0<y<1；
0<z≤0.5；并且
x+y+z＝1，
其中，除孔隙以外，所述陶瓷不含非钙钛矿相。
2.根据权利要求1所述的压电换能器，其中，所述背衬材料包括以下中的一种或更多种：莫来石、堇青石、硅酸铝、具有不均匀结构或内部孔隙的陶瓷。
3.根据权利要求1所述的压电换能器，其中，所述背衬材料是金属泡沫或多孔烧结金属体。
4.根据权利要求3所述的压电换能器，其中，所述背衬材料在金属基体中具有20％或低于20％空隙体积的孔隙率。
5.根据权利要求3或4所述的压电换能器，其中，所述背衬材料包括钛合金泡沫，或者烧结铜合金。
6.根据权利要求1所述的压电换能器，其中，所述背衬材料能够在其液相下形成。
7.根据权利要求1所述的压电换能器，其中，所述背衬材料接合至所述压电元件。
8.根据权利要求1所述的压电换能器，其中，所述背衬材料是与压电材料相同的材料。
9.根据权利要求8所述的压电换能器，其中，在所述压电材料与所述背衬材料之间存在中间层。
10.根据权利要求1所述的压电换能器，其中，所述压电换能器的转换功能具有至少20d33pm N-1的转换活性，其中，d33是压电电荷系数，pm是10-12m，并且N是以牛顿为单位的应力。
11.根据权利要求1所述的压电换能器，其中，所述压电换能器的转换功能具有最高达100d33pm N-1的转换活性，其中，d33是压电电荷系数，pm是10-12m，并且N是以牛顿为单位的应力。
12.根据权利要求10所述的压电换能器，其中，所述d33的值是针对处于室温的压电材料的样品，而所述样品在先前已经被加热到至少200℃达1小时。
13.根据权利要求1所述的压电换能器，其中，与当所述压电材料处于室温时所述压电材料的转换活性相比，当所述压电材料处于超过200℃的温度时所述压电材料的转换活性更大。
14.根据权利要求1所述的压电换能器，其中，所述压电换能器能够工作以转换具有各种模式中的至少一种模式的电信号。
15.根据权利要求1所述的压电换能器，其中，所述换能器包括多于一个压电元件。
16.根据权利要求1所述的压电换能器，所述压电换能器能够工作以转换具有3.2伏或高于3.2伏的电压的电信号。
17.根据权利要求1所述的压电换能器，所述压电换能器能够工作以转换具有500伏或低于500伏的电压的电信号。
18.根据权利要求1所述的压电换能器，所述压电换能器能够工作以转换具有周期为80纳秒或大于80纳秒的电压的电信号。
19.根据权利要求1所述的压电换能器，所述压电换能器能够工作以转换具有1kHz或大于1kHz的频率的电信号。
20.根据权利要求1所述的压电换能器，所述压电换能器包括能够工作以检测目标的运动的效应器。
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