用于改进的声音转换的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本公开总体上涉及在气体、液体或固体中实施的声学测量，更具体地涉及声学测 量中所使用的声学转换器。
【背景技术】
[0002] 在许多工业中采用要求准确地输送包含分散于载气中的特定气体的混合气体的 工艺。这种混合气体的准确输送要求精确地测量特定气体在流动混合气体中的浓度，其中 该特定气体通常具有高纯度并且会是高度腐蚀性的。这些工艺的实例包括化学气相沉积 (CVD)、掺杂物扩散（例如，在半导体工业中所实行的）、和高效率氢气冷却发生器的操作。
[0003] 控制特定气体或反应物的通量的一种方法是使用流经气化器或"鼓泡器"的载气， 该载气通常是氢气和氮气。载气的流量是由质量流量控制器控制，假设当气流离开气化器 时气流中反应物的浓度是不变的，并且反应物的通量与载气的流量成正比。由于若干原因 此方法是不精确的，这些原因包括鼓泡器温度中的变化、二元混合气体的温度和压力中的 不稳定性、在鼓泡器上游和下游位置气体管路中的可能的泄漏、及在各质量流量控制器和 各特定时间点之间的浓度时间滞后（特别是在低流率下）。
[0004] 由本专利申请的所有人共同拥有的美国专利6, 116, 080、6, 192, 739、6, 199,423 和6, 279, 379公开了一种对混合前测量加以改进的技术和装置。这些专利公开了一种声学 测量装置，该装置推测在鼓泡器下游位置和在气化工艺之后特定气体的浓度，在本文中被 称为"混合后测量"。
[0005] 这些专利的某些方面和混合后测量技术被具体化为PIEZ0C0N浓度传感器（在下 文中被称为"Piezocon传感器")，由美国纽约州波基普西市（Poughkeepsie)的Veeco Flow Technologies有限公司制造和销售。该Piezocon传感器采用包括低阻抗界面的声学转换 器。在本文中，"声学转换器"被定义为在例如压电元件的声学元件（传感器或驱动器）与 测量中的介质之间的一层或多层界面。声学转换器的理想特征包括：在宽带的声频率中的 高效率、测试介质的低声阻抗的匹配、及具有对与测试介质所发生化学反应的耐性的暴露 表面。聚酰亚胺类（例如Kapton?膜）是用于声学转换器的优选材料，因为聚酰亚胺类提 供低阻抗匹配层，该低阻抗匹配层具有与在声学转换器中传统上所使用其它材料（例如氟 聚合物）类似的化学反应耐性，同时在所需温度范围内提供更稳定的杨氏模量。
[0006] 然而，虽然聚酰亚胺具有合理地高的耐化学性，但已发现在使用氮化铟镓的金 属-有机化学气相沉积（M0CVD)系统中随着时间推移声学转换器的聚酰亚胺构件会变为被 氧化镓和氧化铟所覆盖；由于减小各转换器之间的距离并且影响声学转换器的传递函数， 因而该累积被认为导致传感器中的漂移。也已知的是聚酰亚胺类由于对化学物质的吸收而 膨胀，这也会减小各转换器之间的距离并且影响传递函数。
[0007] 因此，需要一种用于混合后测量的声学转换器，其具备聚酰亚胺的有利机械特性， 同时减少在某些混合后测量环境中所发生的伴随化学反应。
【发明内容】
[0008] 在本发明的各种实施例中，通过包含薄的保护层作为声学转换器的最后匹配部的 一部分，而对由具有有利机械特性但在某些用途中易发生化学反应的材料所构成的声学转 换器进行调节。此薄层是由在声学转换器的改进最后匹配部的暴露面（即，声学转换器与 测试中介质之间的界面）上的低渗透率材料（例如金属）所制成。这种方法与现有的常规 认识方法相反，常规认识是：在界面处的暴露面必须由提供比金属所提供的更好的声阻抗 匹配的材料制成。
[0009] 在本发明的另一个实施例中，使用低渗透性聚合物（例如氟聚合物）仅仅是作为 一种减少气体渗透入下面的高渗透率层的手段，并为顾及它提供了不利的机械特性。
[0010] 目前进行的研宄已发现：将构成声学转换器的聚合物暴露于非常腐蚀性的前体 中，会由于气体或者有时液体渗透入这些聚合物的结构中而具有有害作用。化学物质会变 得被束缚于聚合物中，即使这些化学物质会具有与聚合物的低反应性，对它们的捕集使化 学反应的问题变得严重。聚酰亚胺膜具有有利的机械特性（即，相对稳定的弹性模量）并 且具有合理地高的对化学反应的耐性，但对于许多气体是可渗透的。其它聚酰亚胺膜的例 子包括APICAL、KAPTREX、N0RT0N TH、UPILEX和VTEC PI。可以使用除聚酰亚胺膜以外的其 它聚合物膜，包括但不限于聚酰胺类、氟聚合物和聚乙烯。
[0011] 例如，厚度为25ym的聚酰亚胺KAPT0N型HN膜具有大约7000mL/m2，24h，MPa(二 氧化碳）、大约4000mL/m2?24h?MPa(氧气）、大约10POmT./m2?24h?MPa(氮气）、大约 38, 000mL/m2?24h?MPa(氢气）和大约63, 000mL/m2?24h?MPa(氦气）的渗透率。如 果将声学转换器最后匹配部的渗透率减小到例如用于给定气体的KAPT0N的渗透率的大 约10%，那么将会显著地减小对渗透率的不利作用。参见"Kapton?聚酰亚胺膜性质的总 结（SummaryofPropertiesforKapton?PolyimideFilms「pdf1" 可从http://www2. dupont.com/Kapton/enUS/assets/downloads/pdf/summaTvofprop.pdf1^获得（于2012 年8月24日最后一次访问）。在其中报告的用于测定渗透率参数的测试方法是ASTM D-1434-82(1988年）。
[0012] 如果声学转换器最后匹配部的暴露面具有显著减小的渗透率（例如，大约10%以 下），那么厚度为25 y m聚酰亚胺KAPTON型HN膜的渗透率、声学转换器的使用寿命对于许 多用途而言将是令人满意的。因此，使用二氧化碳的渗透率作为参照，具有在25 ym假设厚 度中小于700mL/m2 ? 24h ? MPa二氧化碳渗透率的材料具有充分低的渗透率，从而提高声学 转换器的耐用性。
[0013] 一个问题是如何防止对组成声学转换器的聚合物的渗透。在声学转换器应用中的 一个限制性方面是会存在声阻抗的明显不匹配，尤其在测试介质是气体的情况下，从而导 致声能量在界面处被反射，这造成对声能量的低效率感测。考虑在两个半有限介质的界面 处的平面声波和垂直入射。振幅反射系数R表示为
[0014]
【主权项】
1. 一种以声学方法确定测试介质的性质的装置，所述装置包括： 用于容纳测试介质的室，所述室至少具有第一侧和用于所述测试介质的进口； 第一声学转换器，所述转换器可操作地与所述室的第一侧耦合并且构造成经所述测试 介质进行声能量脉冲的传递和接收中的至少一种；及 声学元件，所述声学元件可操作地与所述第一声学转换器耦合， 其中所述第一声学转换器包括： 基层匹配部，所述基层匹配部的第一表面与所述声学元件接触； 最后匹配部，所述最后匹配部可操作地与