(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験媒体の特性を音響的に測定する装置であって、その装置は、
試験媒体を格納するチャンバであって、少なくとも第１の面および前記試験媒体の入口を有するチャンバと、
前記チャンバの前記第１の面に動作可能に結合されて、かつ、前記試験媒体との間で音響エネルギーのパルスの送信および受信のうちの少なくとも一方を行うように構成された第１の音響変換器と、
前記第１の音響変換器に動作可能に結合された音響素子と
を備え、前記第１の音響変換器は、基本整合部と最終整合部とを備え、
前記基本整合部の第１の表面は前記音響素子に接触しており、
前記最終整合部は前記基本整合部に動作可能に結合されており、前記最終整合部は、前記試験媒体に接触するように構成された露出面を有し、前記最終整合部は、低インピーダンス層の上に設けられて前記露出面の少なくとも一部を構成する保護障壁を備え、前記保護障壁は第１の所定厚さを有し、前記低インピーダンス層は第２の所定厚さを有し、前記第１の所定厚さおよび前記第２の所定厚さは、前記装置が、保護障壁のない装置の予測伝達関数の７０％以内の予測伝達関数を生じるように働くよう形成されるとともに、ｆＣを中心動作周波数としたときに最も高い共振周波数が１．２ｆＣ以下で最も低い共振周波数が０．８ｆＣ以上となるように前記最終整合部の共振周波数を調整し、それにより、前記保護障壁によって引き起こされる前記音響エネルギーのパルスの送信および受信のうちの少なくとも一方の歪みを低減しつつ、前記試験媒体の一部が前記最終整合部上に生じるのを抑制することによって、時間の経過に伴う前記第１の音響変換器のドリフトを低減する、装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記第１の音響変換器の前記低インピーダンス層は、前記基本整合部の第２の表面に接触しており、前記基本整合部の前記第２の表面は、前記基本整合部の前記第１の表面に向かい合っている、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、前記音響素子は音響送信機であり、前記第１の音響変換器は、前記音響エネルギーのパルスを前記試験媒体中に送信するように構成されている、装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置は、
前記チャンバの第２の面に動作可能に結合されて、かつ、前記試験媒体を透過した音響エネルギーのパルスを受信するように構成された第２の音響変換器と、
前記第２の音響変換器に動作可能に結合された音響センサーと
をさらに備え、前記第２の音響変換器は、
前記音響センサーに接触した第１の表面を有する基本整合部と、
前記第２の音響変換器の前記基本整合部に動作可能に結合されており、さらに、前記試験媒体に接触するように構成された露出面を有する最終整合部であって、低インピーダンス層の上に設けられて前記露出面の少なくとも一部を構成する保護障壁を備える最終整合部とを備える、装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置において、前記第２の音響変換器の前記低インピーダンス層は、前記第２の音響変換器の前記基本整合部の第２の表面の上に設けられており、前記第２の音響変換器の前記基本整合部の前記第２の表面は、前記第２の音響変換器の前記基本整合部の前記第１の表面に向かい合っている、装置。
【請求項６】
請求項５に記載の装置において、前記第２の音響変換器は、前記チャンバの前記第２の面の上に設けられており、前記チャンバの前記第２の面は、前記チャンバの前記第１の面に平行である、装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置において、前記保護障壁は、複数の連続する金属層からなる複合材である、装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置において、前記低インピーダンス層はポリイミドを含む、装置。
【請求項９】
請求項１に記載の装置において、前記音響素子は双方向性であり、音響エネルギーを送信および受信するように構成されている、装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の装置において、前記試験媒体は気体である、装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の装置において、前記保護障壁は、２５μｍの仮想の厚さで７００ｍＬ／ｍ２・２４ｈ・ＭＰａ未満の二酸化炭素透過率を有する材料を含む、装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置において、前記低インピーダンス層はポリイミドであり、前記保護障壁はフッ素重合体を含む、装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の装置において、前記低インピーダンス層は、０℃〜４００℃の範囲において５０％未満の変化をする弾性率を有する、装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の装置において、前記音響素子は圧電セラミック材料で構成されている、装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の装置において、前記保護障壁は金属を含む、装置。
【請求項１６】
音響変換器の最終整合部を保護する方法であって、その方法は、
音響変換器の最終整合部の保護障壁の所定厚さを確定するステップであって、前記保護障壁は、試験媒体に曝露される低透過率材料で構成されていることと、
前記音響変換器の前記最終整合部に動作可能に結合される前記音響変換器の基本整合部の厚さを決定するステップと、
前記保護障壁に接触する前記音響変換器の前記最終整合部の低インピーダンス層の厚さを決定するステップであって、前記低インピーダンス層の前記厚さおよび前記保護障壁の前記厚さは、前記音響変換器が、保護障壁のない音響変換器の予測伝達関数の７０％以内の予測伝達関数を生じるように働くとともに、ｆＣを中心動作周波数としたときに最も高い共振周波数が１．２ｆＣ以下で最も低い共振周波数が０．８ｆＣ以上となるように前記最終整合部の共振周波数を調整し、それにより、前記保護障壁によって引き起こされる音響エネルギーのパルスの送信および受信のうちの少なくとも一方の歪みを低減しつつ、前記試験媒体の一部が前記最終整合部上に生じるのを抑制することによって、時間の経過に伴う前記音響変換器のドリフトを低減することと、
前記基本整合部および前記最終整合部を有する前記音響変換器を構成するステップであって、前記保護障壁は前記所定厚さを有し、前記低インピーダンス層は前記低インピーダンス層の前記厚さを有し、前記基本整合部は前記基本整合部の前記厚さを有することと
を含む、方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法において、前記保護障壁の前記所定厚さを確定するステップにおける前記保護障壁は金属製である、方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法において、前記保護障壁の前記所定厚さを確定するステップにおける前記所定厚さは０．０５λ以下であり、λ＝Ｃ／ｆＣであり、Ｃは前記保護障壁の材料中での音速である、方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、前記保護障壁の前記所定厚さは０．０１λ以下である、方法。
【請求項２０】
請求項１６に記載の方法において、前記低インピーダンス層の前記厚さを決定するステップにおける前記所定の周波数範囲は０．７５・ｆＣ〜１．２５・ｆＣであり、ｆＣは所望の中心動作周波数である、方法。
【請求項２１】
請求項１６に記載の方法において、前記低インピーダンス層の前記厚さを決定するステップにおける前記低インピーダンス層はポリイミドである、方法。
【請求項２２】
請求項１６に記載の方法において、前記保護障壁の前記所定厚さを確定するステップにおける前記試験媒体は気体である、方法。
【請求項２３】
請求項１６に記載の方法において、前記基本整合部の前記厚さを決定するステップにおける前記基本整合部は、前記音響変換器の前記最終整合部に物理的に接触している、方法。
【請求項２４】
請求項１６に記載の方法において、前記音響変換器は送信用音響変換器である、方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法は、
受信用音響変換器の最終整合部の保護障壁の所定厚さを確定するステップであって、前記受信用音響変換器の前記保護障壁は、前記試験媒体に曝露される低透過率材料で構成されていることと、
前記音響変換器の前記最終整合部に動作可能に結合される前記受信用音響変換器の基本整合部の厚さを決定するステップと、
前記受信用音響変換器の前記保護障壁に接触する前記受信用音響変換器の前記最終整合部の低インピーダンス層の厚さを決定するステップと
をさらに含み、前記送信用音響変換器の前記低インピーダンス層および前記受信用音響変換器の前記低インピーダンス層の前記厚さは、所定の周波数範囲内に含まれる共振周波数を前記送信用音響変換器および前記受信用音響変換器に理論的に与えることにより、ｆＣを中心動作周波数としたときに最も高い共振周波数が１．２ｆＣ以下で最も低い共振周波数が０．８ｆＣ以上となるように選択される、方法。
【請求項２６】
低インピーダンス層と保護障壁とを含む最終整合部を備えた音響変換器を有する音響測定装置であって、前記保護障壁は試験媒体に接触するように構成されており、前記音響変換器は、
所定の厚さだけ離れた第１の表面および第２の表面を有する低インピーダンス層を用意するステップと、
前記低インピーダンス層の前記第２の表面の上に保護障壁を設けるステップであって、前記保護障壁は所定の厚さを有し、前記保護障壁の前記所定の厚さおよび前記低インピーダンス層の前記所定の厚さは、前記音響変換器が、保護障壁のない音響変換器の予測伝達関数の７０％以内の予測伝達関数を生じるように働くとともに、ｆＣを中心動作周波数としたときに最も高い共振周波数が１．２ｆＣ以下で最も低い共振周波数が０．８ｆＣ以上となるように前記最終整合部の共振周波数を調整し、それにより、前記保護障壁によって引き起こされる音響エネルギーのパルスの送信および受信のうちの少なくとも一方の歪みを低減しつつ、前記試験媒体の一部が前記最終整合部上に生じるのを抑制することによって、時間の経過に伴う前記音響変換器のドリフトを低減することと、
所定の厚さだけ離れた第１の表面および第２の表面を有する基本整合部を用意するステップと、
前記低インピーダンス層の前記第１の表面を前記基本整合部の前記第２の表面に動作可能に結合するステップと、
音響センサーおよび音響ドライバのうちの一方を前記基本整合部の前記第１の表面に取り付けるステップと
を含むプロセスにより作成されている、音響測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概して、気体、液体または固体に対して行われる音響測定に関し、より詳細には、音響測定に利用される音響変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
搬送気体中に分散した対象気体を含む気体混合物の高精度な供給を要するプロセスが非常に多くの業界で採用されている。このような気体混合物の高精度な供給では、流れている気体混合物中の対象気体の濃度を正確に測定する必要がある。この場合、対象気体は通常、高純度で、腐食性が高い場合がある。これらプロセスの例としては、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、ドーパント拡散（たとえば、半導体業界で実施されているもの）、および高効率水素冷却発電機の稼働等が挙げられる。
【０００３】
対象気体または反応物の流束を制御する一つの方法として、通常は水素または窒素である搬送気体の使用が挙げられ、この気体を気化器または「バブラー」を介して流す。搬送気体の流量は質量流量制御装置によって制御し、気化器から流出する際の気体流中の反応物の濃度は一定と考える。また、反応物の流束は、搬送気体の流量に比例する。この手法は、バブラーの温度が変動すること、２成分気体混合物の温度および圧力が不安定であること、バブラーの上流および下流の気体配管に漏れの可能性があること、特に低流量において、質量流量制御装置と対象点との間に濃度の時間遅延があること等、いくつかの理由のために精度が劣る。
【０００４】
本特許出願の所有者が共同所有している米国特許第６，１１６，０８０号明細書、米国特許第６，１９２，７３９号明細書、米国特許第６，１９９，４２３号明細書、および米国特許第６，２７９，３７９号明細書は、予混合測定の改良となる技術および装置を開示している。これらの特許は、バブラーの下流で気化プロセス後に対象気体の濃度を推定する音響測定装置を開示しており、本明細書では「混合後測定」と称する。
【０００５】
これらの特許および混合後測定技術の特定の態様は、ビーコフローテクノロジーズインク社（Veeco Flow Technologies,Inc.）［米国ニューヨーク州ポキプシー所在］が製造・販売しているＰＩＥＺＯＣＯＮ濃度センサー（以下、「Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサー」）に具現化されている。Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーは、低インピーダンスの界面を含む音響変換器を利用している。本明細書において、「音響変換器」は、圧電素子等の音響素子（センサーまたはドライバ）と測定する媒体との間の単層または多層界面として規定する。音響変換器の望ましい特性としては、広帯域の音響周波数にわたって高効率であること、試験媒体の低い音響インピーダンスと整合すること、露出表面が試験媒体との化学反応に対する耐性を有すること等が挙げられる。Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）膜等のポリイミドは、音響変換器に従来用いられているフッ素重合体等のその他の材料に匹敵する化学反応耐性を有する低インピーダンス整合層を提供する一方、対象温度の全域でより安定したヤング率を与えることから、音響変換器の好ましい材料である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，１１６，０８０号明細書
【特許文献２】米国特許第６，１９２，７３９号明細書
【特許文献３】米国特許第６，１９９，４２３号明細書
【特許文献４】米国特許第６，２７９，３７９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ただし、ポリイミドは耐化学性がかなり高いものの、インジウム／ガリウム／窒素を用いた有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）システムでは、時間の経過とともに、音響変換器のポリイミド成分がガリウムおよびインジウム酸化物で被覆されることが分かっている。これにより、トランスデューサ間の距離が短くなって音響変換器の伝達関数に影響が及ぶことで、センサーにドリフトが発生すると考えられる。また、ポリイミドは、化学物質の吸収により膨張することが知られており、これによっても、トランスデューサ間の距離が短くなって伝達関数に影響が及ぶ可能性がある。
【０００８】
したがって、ポリイミドの有利な機械的特性を有する一方、特定の混合後測定環境において生じる付帯的な化学反応を緩和する混合後測定用の音響変換器が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の種々実施形態において、有利な機械的特性を有する材料で構成され、特定の用途において化学反応を起こし難い音響変換器は、音響変換器の最終整合部の一部として薄い保護層を備えていることを条件とする。この薄層は、音響変換器の改良された最終整合部の露出面の上（すなわち、音響変換器と供試媒体との界面）において、金属等の低透過率材料により構成されている。このような手法は、金属よりも音響インピーダンス整合が優れた材料で界面の露出面が構成されている必要がある、という一般通念に反する。
【００１０】
本発明の別の実施形態においては、不利な機械的特性を与えるものではあるが、直下の高透過率層中への気体の拡散を抑える手段としてのみ、フッ素重合体等の低透過性重合体を利用する。
【００１１】
本件に関する研究においては、音響変換器を構成する重合体を高活性の前駆体に曝露すると、気体（または、液体の場合もある）がこれら重合体の構造中に拡散するため、有害な影響が生じることが見出されている。化学物質は重合体中に捕獲され得るため、これら化学物質の重合体との反応性が低くても、捕獲によって化学反応の問題が深刻化する。ポリイミド膜は、有利な機械的特性（すなわち、比較的安定した弾性率）を有するとともに、かなり高い化学反応耐性を有するものの、多くの気体に対して透過性である。その他のポリイミド膜の例としては、ＡＰＩＣＡＬ、ＫＡＰＴＲＥＸ、ＮＯＲＴＯＮ  ＴＨ、ＵＰＩＬＥＸ、およびＶＴＥＣ  ＰＩ等が挙げられる。ポリイミド膜以外にも、その他の重合体膜を利用可能であり、ポリアミド、フッ素重合体、およびポリエチレン等が挙げられるが、これらに限定されない。
【００１２】
たとえば、厚さ２５μｍのポリイミドＫＡＰＴＯＮ型ＨＮ膜は、二酸化炭素に対しては約７０００ｍＬ／ｍ２・２４ｈ・ＭＰａ、酸素に対しては約４０００ｍＬ／ｍ２・２４ｈ・ＭＰａ、窒素に対しては約１０００ｍＬ／ｍ２・２４ｈ・ＭＰａ、水素に対しては約３８，０００ｍＬ／ｍ２・２４ｈ・ＭＰａ、およびヘリウムに対しては約６３，０００ｍＬ／ｍ２・２４ｈ・ＭＰａの透過率を有する。たとえば、所与の気体に対して、音響変換器の最終整合部の透過率がＫＡＰＴＯＮの透過率のおよそ１０％まで低くなれば、透過率の有害な影響は大幅に抑えられる。http://www2.dupont.com/Kapton/en_US/assets/downloads/pdf/summaryofprop.pdf（最終訪問日：２０１２年８月２４日）で入手可能な「Summary of Properties for Kapton（登録商標） Polyimide Films[.pdf]」を参照のこと。ここで報告されている透過率パラメータを決定するための試験方法は、ＡＳＴＭ  Ｄ−１４３４−８２（１９８８）である。
【００１３】
音響変換器の最終整合部の露出面が（たとえば、厚さ２５μｍのポリイミドＫＡＰＴＯＮ型ＨＮ膜の透過率のおよそ１０％以下まで）大幅に低くなった透過率を有する場合、この音響変換器の寿命は多くの用途について十分なものとなる。したがって、二酸化炭素の透過率をベンチマークとして用いると、２５μｍの仮想の厚さで７００ｍＬ／ｍ２・２４ｈ・ＭＰａ未満の二酸化炭素透過率を有する材料は、音響変換器の耐久性を向上させるのに十分低い透過率を有する。
【００１４】
問題は、音響変換器を構成する重合体の透過を如何に阻止するかである。音響変換器の用途における限定的な態様では、特に試験媒体が気体である場合、音響インピーダンスに相当な不整合が存在する可能性があり、界面で音響エネルギーが反射して、音響エネルギーの検知が非効率的となる。ここで、平面音響波および２つの半有限媒体の境界における垂直入射を考える。振幅反射係数Ｒは、以下のように表される。
【００１５】
【数１】
0006324959.tif 000002
ここで、Ｚ１＝ρ１Ｃ１およびＺ２＝ρ２Ｃ２はそれぞれ第１および第２の媒体の音響インピーダンス、ρはそれぞれの密度、Ｃは各媒体中での音速である。また、非限定的な一例として、送信機を有するシステムであって、第１すなわち伝搬用媒体がステンレス鋼３１６Ｌ、第２すなわち受信用媒体が窒素であるシステムを考える。ステンレス鋼３１６Ｌ（一般的に、半導体業界での利用として受け入れられている）は、約４５×１０６Ｐａ・ｓ／ｍの音響インピーダンスを有する。一方、窒素ガスは、室温で約４００Ｐａ・ｓ／ｍの音響インピーダンスを有する。この例では、反射率Ｒが１に近い。すなわち、ステンレス鋼／窒素ガス界面における略すべての音響エネルギーが反射される。
【００１６】
ここで、送信機と相補的な受信機を考える。この場合、伝搬用媒体と受信用媒体とが入れ替わる。すなわち、伝搬用媒体が気体であり、受信用媒体がステンレス鋼３１６Ｌである。反射率の大きさは同様であるが、位相が反対となる。２つの界面間の反射係数が高いと、受信機で受信する音響信号が検出不可能となる。
【００１７】
このため、音響インピーダンスが大幅に異なる材料間の音響整合を改善するには、多層音響変換器を利用するのが業界の慣例である。一般的に、低インピーダンス層は、センサー内部のステンレス鋼層と組み合わせて用いられる重合体（たとえば、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標））で構成されている。ただし、特定の用途においては、供試媒体の気体（液体の場合もある）に対してすべての重合体が透過性である。活性状態の前駆体が重合体に捕獲されると、気体が前駆体と反応する場合があり、この結果、化学反応によって、重合体の表面上あるいは重合体層の内部にまで酸化物の積層体が堆積する。この堆積により、送信用トランスデューサと受信用トランスデューサとの間の距離が短くなって、音響信号の伝達関数が歪む。このことから、一般通念として、金属（たとえば、ステンレス鋼）の整合層を追加すると、大きな不整合が生じて、信号が検出不可能となる。
【００１８】
本発明の一部の実施形態は、この一般通念に反するものである。これらの実施形態においては、ステンレス鋼３１６ＬまたはＩＮＣＯＮＥＬ６００といった金属等の低透過率の固体の薄層が重合体を覆っているか、あるいは重合体に付加されており、この低透過率固体は、０．０５λ以下、好ましくは０．０１λ未満の厚さを有する。本明細書において、λは「音響波の波長」を表し、以下で与えられる。
【００１９】
λ＝Ｃ／ｆＣ        式（２）
ここで、Ｃは低透過率固体の材料中での音速、ｆＣはトランスデューサの中心動作周波数である。低インピーダンス層の厚さの解は、シミュレーションによって、低インピーダンス層／保護障壁の組み合わせの最も高い共振周波数および最も低い共振周波数が所定の周波数範囲内となるように求めることができる。一実施形態において、この所定の周波数範囲は、０．７５・ｆＣ〜１．２５・ｆＣである。
【００２０】
音響変換器の整合層に一般的に使用される重合体としては、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素重合体が挙げられる。フッ素重合体の透過率はかなり低いが、温度によって弾性率が大幅に変動し、伝達関数が大きく変動するため、広い温度範囲で使用することはできない。
【００２１】
音響変換器の低音響インピーダンス材料として最も優れた候補の１つは、ポリイミド（たとえば、ＫＡＰＴＯＮ）であり、最高４００℃の温度で使用可能であるとともに、フッ素重合体と比べて、弾性率が非常に安定している。ポリイミドは、ほとんどの化学物質に対して耐化学性を有するものの、気体および液体に対する透過率が高いために、捕獲気体または液体との化学反応の問題が増幅される。
【００２２】
構造上、試験媒体を格納（containment）するチャンバであって、少なくとも第１の面および試験媒体の入口を有するチャンバを備えた、試験媒体の特性を音響的に測定する装置を記載する。第１の音響変換器は、チャンバの第１の面に動作可能に結合されて、かつ、音響エネルギーのパルスを試験媒体中に送信するか、あるいは試験媒体を透過した音響エネルギーのパルスを受信するか、あるいは音響エネルギーのパルスの試験媒体中への送信および試験媒体を透過した音響エネルギーのパルスの受信の両方を行うように構成されている。音響ドライバ／送信機または音響センサー／受信機等の音響素子は、第１の音響変換器に動作可能に結合されている。第１の音響変換器は、基本整合部であって、当該基本整合部の第１の表面が音響素子に接触した基本整合部と、この基本整合部に動作可能に結合され、低インピーダンス層の上に設けられた保護障壁を備える最終整合部とを含む。
【００２３】
なお、音響変換器の技術分野における従来の専門用語では、受信機または送信機の音響素子（センサーまたはドライバ）に接触した層として、「第１の」部分または「第１の」整合層と称する。本明細書においては、「第１の」整合層に相当するものとして、「基本」整合部という用語を採用している。また、「整合部」（たとえば、基本整合部または最終整合部）は、１つまたは複数の層を含むことができ、基本整合部と最終整合部との間に整合部を追加で設けることも可能である。
【００２４】
一実施形態において、第１の音響変換器の低インピーダンス層は、基本整合部の第２の表面に接触しており、この基本整合部の第２の表面は、当該基本整合部の第１の表面に向かい合い、保護障壁は、試験媒体に接触するように構成された露出面を有する。
【００２５】
一実施形態において、音響素子は音響送信機であり、第１の音響変換器は、音響エネルギーのパルスを試験媒体中に送信するように構成されている。また、第２の音響変換器は、チャンバの第２の面に動作可能に結合可能であり、試験媒体を透過した音響エネルギーの送信パルスを受信するように構成可能であるとともに、音響センサーが第２の音響変換器に動作可能に結合されている。第２の音響変換器は、音響センサーに接触した第１の表面を有する基本整合部と、第２の音響変換器の基本整合部に動作可能に結合され、低インピーダンス層の上に設けられた保護障壁を備える最終整合部とを含むことができる。一実施形態において、第２の音響変換器の低インピーダンス層は、第２の音響変換器の基本整合部の第２の表面上に設けられている。一実施形態において、第２の音響変換器の基本整合部の第２の表面は、第２の音響変換器の基本整合部の第１の表面に向かい合わせにすることができる。また、第２の音響変換器の保護障壁は、試験媒体に接触するように構成された露出面を有することができる。
【００２６】
種々の実施形態においては、チャンバの第２の面の上に音響受信機が設けられており、このチャンバの第２の面はチャンバの第１の面に平行である。音響素子は、圧電セラミック材料で構成可能である。保護障壁は、金属または合金を含むことができ、特定の実施形態において、保護障壁の金属は、複数の連続する金属層の複合材である。あるいは、保護障壁は、フッ素重合体および酸化物またはセラミックを含むことができる。また、種々の実施形態において、所与の音響変換器の低インピーダンス層はポリイミドを含む。さらに他の実施形態において、音響素子は双方向性であり、音響エネルギーの送信および受信の両方を行うように構成されている。一実施形態において、保護障壁は、２５μｍの仮想の厚さで７００ｍＬ／ｍ２・２４ｈ・ＭＰａ未満の二酸化炭素透過率を有する材料を含む。
【００２７】
他の実施形態において、所与の音響変換器の低インピーダンス層は、０℃〜４００℃の範囲において５０％未満の変化を有する弾性率を有し、保護障壁は、低透過率のフッ素重合体を含む。
【００２８】
特定の実施形態においては、音響変換器の最終整合部を保護する方法が用いられる。この方法は、
・音響変換器の最終整合部の保護障壁の所定厚さを確定するステップであって、保護障壁は、試験媒体に曝露される低透過率材料で構成されていることと、
・音響変換器の最終整合部に動作可能に結合される音響変換器の基本整合部の厚さを決定するステップと、
・保護障壁に接触する音響変換器の最終整合部の低インピーダンス層の厚さを決定するステップであって、低インピーダンス層の厚さは、所定の周波数範囲内に含まれる共振周波数を音響変換器に理論的に与えるように選択されることと、
を含む。
【００２９】
この方法は、基本整合部および最終整合部を有する上記音響変換器を構成するステップであって、保護障壁は上記所定厚さを有し、低インピーダンス層は上記インピーダンス層の上記厚さを有し、基本整合部は上記基本整合部の上記厚さを有することをさらに含むことができる。一実施形態において、この方法は、音響変換器の最終整合部に物理的に直接接触させて基本整合部を配置するステップを含む。
【００３０】
一実施形態において、音響変換器は、送信用音響変換器として設計されている。この実施形態においては、受信用音響変換器を設計する方法も設計可能であって、この方法は、
・受信用音響変換器の最終整合部の保護障壁の所定厚さを確定するステップであって、受信用音響変換器の保護障壁は、試験媒体に曝露される低透過率材料で構成されていることと、
・音響変換器の最終整合部に動作可能に結合される受信用音響変換器の基本整合部の厚さを決定するステップと、
・受信用音響変換器の保護障壁に接触する当該受信用音響変換器の最終整合部の低インピーダンス層の厚さを決定するステップと
をさらに含む。
【００３１】
この方法においては、送信用音響変換器の低インピーダンス層および受信用音響変換器の低インピーダンス層の厚さは、所定の周波数範囲内に含まれる共振周波数を送信用音響変換器および受信用音響変換器に理論的に与えるように選択可能である。
【００３２】
一実施形態においては、金属箔を低インピーダンス層に貼り付けることによって、金属製の保護障壁が実現される。他の実施形態において、金属製の保護障壁を設けるステップは、化学気相蒸着プロセスおよび／または複数の異なる金属を低インピーダンス層の上に連続して設けるステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態における音響セルのタイミング図である。
【図２】「シャドー」構成で構築された音響センサーである。
【図２Ａ】図２の音響センサーの送信機の拡大部分断面図である。
【図２Ｂ】図２の音響センサーの受信機の拡大部分断面図である。
【図３】図２の音響センサーの基本回路モデルである。
【図４】図３の回路モデルを用いて計算した予測基本伝達関数および実験結果である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態における改良された音響変換器を有する送信機の拡大部分断面図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態における改良された音響変換器を有する受信機の拡大部分断面図である。
【図６】本発明の一実施形態における保護障壁を備えた音響センサーの改良された回路モデルである。
【図７】本発明の一実施形態における低インピーダンス層に貼り付けたステンレス鋼３１６Ｌ箔からなる保護障壁について、上記予測基本伝達関数と図６の改良された回路モデルの第１の予測改良伝達関数との比較および実験結果である。
【図８】本発明の一実施形態における低インピーダンス層に貼り付けた金、ニッケル、および銅の連続層からなる保護障壁について、上記予測基本伝達関数と図６の改良された回路モデルの第２の予測改良伝達関数との比較である。
【図９】トリエチルガリウム前駆体に曝露した本発明の一実施形態の実験的な確認試験結果のグラフである。
【図１０】トリエチルガリウム前駆体に曝露した基本音響センサーの試験結果を図９の実験的な確認試験結果の一部に加えたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１には、本発明の一実施形態における音響セルのタイミング図２０を図示する。時間的な立ち上がり２４および立ち下がり２６を有する音響エネルギーパルス２２は、トランスデューサ２８から放出され、保護障壁４２に結合された低インピーダンス層３８を有する第１の音響変換器３６によって、試験媒体３４を含む試験チャンバ３２中に結合されている。第１の音響変換器３６は、トランスデューサ２８と試験媒体３４との間でエネルギー伝達が効率的になるように調整可能である。このように生成された音響エネルギーパルス２２は、送信信号Ｓ（ｔ）を構成する。音響エネルギーパルス２２は、試験媒体３４を通って試験チャンバ３２を横断し、試験チャンバ３２の対向表面４６に入射する。図１には、対向表面４６で受信される時間間隔Δｔ’だけ分離した信号ｒ’１（ｔ）およびｒ’２（ｔ）を示した時間トレースを図示する。
【００３５】
本明細書において「エコー構成」と称する一実施形態において、対向表面４６は、１に近い反射係数を特徴とする高効率反射器（図示せず）である。エコー構成の高効率反射器の目的は、音響エネルギーを第１の音響変換器３６側へ跳ね返して検出できるようにすることである。図１には、第１の音響変換器３６側へ跳ね返される時間間隔Δｔだけ分離した信号ｒ１（ｔ）およびｒ２（ｔ）を示した時間トレースも図示する。一実施形態において、放射用トランスデューサ２８は、この目的のために双方向性（すなわち、音響エネルギーの生成および検出の両方に最適）とすることも可能である。
【００３６】
本明細書において「シャドー構成」と称する別の実施形態において、試験チャンバの対向表面４６は、一方の面が受信用トランスデューサ５２と結合され、反体側の面に保護障壁５４を有する第２の音響変換器４８を備える。第２の音響変換器４８は、低反射係数となるように調整可能である。「低反射係数」とは、整合用音響変換器を持たないシステムと比べて、検出信号の強度が大幅に改善される反射係数である。連続波かつ固体状態または液体の媒体の場合、低反射係数は、ゼロに近い反射係数である。ただし、気体／固体界面の場合、数式（１）で算出される反射係数は１に近い値、すなわち約０．９９９９以上が可能である。固体の音響インピーダンス（約１０６Ｐａ・ｓ／ｍ）が気体（約数百Ｐａ・ｓ／ｍ）よりもはるかに大きいためである。この場合でも、整合用音響変換器を実装していないシステムに対して、受信信号の信号対雑音比が数倍あるいは数桁大きいため、１に近い反射係数でも「低い」と言える。
【００３７】
この低い反射係数によって、試験媒体３４と受信用トランスデューサ５２との間の効率的な伝達が可能であり、また、第１の音響変換器３６と同様の構成が可能である。シャドー構成は、動作周波数において試験媒体３４の損失がかなり大きく、試験媒体と音響トランスデューサとの間の音響インピーダンスに相当な不整合が存在する用途に特に適している。
【００３８】
特定の実施形態において、第１および第２の音響変換器３６，４８は、別々の設計によって反射係数を低くしているのではなく、システムとして設計され、第１および第２の音響変換器３６，４８間の相互作用により望ましい伝達関数が与えられるものと考えられる。
【００３９】
音響インピーダンスの高効率な整合のため、一般通念としては、多層音響変換器の露出層（供試媒体に接触した層）が低い音響インピーダンス（数式（１）に従う低い反射係数）を有することで試験媒体と適正に音響整合している。ただし、本発明の種々の実施形態において、保護障壁５４は、金属等の音響インピーダンスが高い材料で構成可能である。本件に関する研究においては、第２の整合層が複合材構造として設計されていれば、十分に薄い高音響インピーダンスの保護障壁５４（すなわち、厚さが約０．０１λの保護障壁）によって音響変換器の性能が大幅に損なわれることはないことが明らかとなっている。
【００４０】
図２、図２Ａおよび図２Ｂには、従来技術のシャドー構成の基本音響センサー６０を図示する。この基本構成６０は、送信機６２および受信機６４を備える。送信機６２は、たとえば接着剤層７１によって送信用音響変換器６８に貼り付けられた音響ドライバ６６を備える。送信用音響変換器６８は、ポリイミド等の低インピーダンス材料で構成された低インピーダンス層７２の最終整合部７４が積層された第１の部分すなわち基本整合部７０を備える。基本整合部７０は、３１６Ｌステンレス鋼等の金属製である場合が多い。他の実施形態において、最終整合部７４は、基本整合部７０に動作可能に結合されているものの、基本整合部７０と最終整合部７４との間に設けられた１つまたは複数の中間整合部（図示せず）には結合されていない。
【００４１】
最終整合部７４は、チャンバ７８を画定する境界７６の一部を画定し、このチャンバ７８は供試気体媒体８２を含む。音響ドライバ６６の背面は、機械的ダンパー８４に接触している。第１の部分すなわち基本整合部７０および最終整合部７４は、それぞれ厚さ８６、８８を有することを特徴とする。
【００４２】
図示の実施形態において、受信機６４は、送信機６２と同じ材料構成要素を含む。ただし、構成要素の厚さは、送信機と異ならせることができる。受信用音響変換器９２に取り付けられた音響センサー９０は、接着層９６を備えたステンレス鋼の基本整合部９４を含み、このステンレス鋼の基本整合部９４は厚さ９８を有する。最終整合部１００は、ステンレス鋼の基本整合部９４に積層され、厚さ１０４を有する低インピーダンス層１０２を備え、ポリイミドが試験媒体８２に隣接している。また、音響センサー９０の背面は、機械的ダンパー１０６に接触している。
【００４３】
一実施形態において、音響ドライバ６６および音響センサー９０は、圧電セラミック素子を備える。一実施形態において、機械的ダンパー１０６は、センサーの特定構成および構成要素に応じた比率で低粘度エポキシに混合したタングステン粉末を含む。機械的ダンパー１０６は、たとえばエポキシまたは溶融ゴムに対して、タングステンまたはセメント等の微粉末のその他の組み合わせを混合して得ることもできる。種々の実施形態において、機械的ダンパー１０６は、音響素子に近い音響インピーダンスおよび非常に高い吸収率を有するように設計される。
【００４４】
図３には、図２のシステムの基本回路モデル１１０を図示する。本件に関しては、ＳＰＩＣＥ（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）モデルを利用したが、別の回路モデルを実装することも可能である。図示のモデルにおいて、音響素子６６，９０、低インピーダンス層７２，１０２、機械的ダンパー８４，１０６、および気体媒体８２は、損失の大きい伝達線１１２ａ〜１１２ｇとしてモデル化している。一方、接着剤層７１，９６およびステンレス鋼の基本整合部７０，９４は、これらの素子において音響エネルギーの減衰が小さいため、単純な伝達線１１４ａ〜１１４ｄとしてモデル化している。
【００４５】
音響ドライバ６６およびセンサー９０は、音響信号の生成および検出をそれぞれ行う変流器１１６，１１８を備えたメイソンの等価回路のレッドウッド版に基づいて示している。図示の実施形態において、変流器１１６は、可変周波数電圧ＶＩＮを生成する電圧源１１８に接続されている。変流器１１８は、反転させて可変周波数信号出力ＶＯＵＴを送信することも可能である。
【００４６】
基本回路モデル１１０を用いることにより、以下の特性を有する構造によって低インピーダンス気体での高効率および広い周波数帯域幅の両方が実現されることが分かった。
・送信用音響変換器６８：  厚さ８６が０．４５８λの３１６Ｌステンレス鋼の基本整合部７０および厚さ８８が０．３１５λのポリイミドの低インピーダンス層７２。
【００４７】
・受信用音響変換器９２：  厚さ９８が０．５５１６λの３１６Ｌステンレス鋼の基本整合部９４および厚さ１０４が０．２１λのポリイミドの低インピーダンス層１０２。
図４には、図３の回路モデル１１０により計算した予測基本伝達関数１２０を図示する。基本回路モデル１１０は、１ＭＨｚを中心とするトランスデューサの０．６〜１．４ＭＨｚの帯域幅における１０Ｖの入力電圧ＶＩＮについてシミュレーションを行った。図４には、上述の基本構成と類似の実装により中心周波数が１．０ＭＨｚの圧電セラミックドライバおよびセンサーを用いて得られた実際の基本伝達関数１２２も示している。この実際の基本伝達関数１２２は、予測基本伝達関数１２０と実質的に一致している。図４のグラフの出力（縦座標）は、任意単位で示している。
【００４８】
予測基本伝達関数１２０は、主として送信用音響変換器６８の最終整合部７４の共振周波数の影響を受ける０．８ＭＨｚ近傍の第１の共振周波数１２４を含む。０．９２ＭＨｚ近傍の第２の共振周波数１２５は、主として受信用音響変換器９２の基本整合部９４の共振周波数の影響を受ける。第３の共振周波数１２６（１．０８ＭＨｚ近傍）は、主として送信用音響変換器６８の基本整合部７０の共振周波数の影響を受ける。第４の共振周波数１２７（１．２ＭＨｚ近傍）は、主として受信用音響変換器９２の最終整合部１００の共振周波数の影響を受ける。整合部７０，７４，９４または１００のうちの１つに変更すると、共振周波数の位置にも２次以降の影響が及ぶ可能性がある。すなわち、基本整合部９４に変更すると、共振周波数１２５の位置に対する大きな影響に加えて、共振周波数１２４，１２６および１２７、あるいは共振周波数１２４，１２６または１２７の位置に対する小さな影響が及ぶ可能性があり、基本整合部７０に変更すると、第１の共振周波数１２６の位置に対する大きな影響に加えて、共振周波数１２４，１２５および１２７、あるいは共振周波数１２４，１２５または１２７の位置に対する小さな影響が及ぶ可能性があり、以下同様である。
【００４９】
図５Ａおよび図５Ｂには、本発明の一実施形態における改良された音響変換器１２８，１３０を図示する。改良された音響変換器１２８，１３０はそれぞれ、音響変換器６８，９２と同じ基本整合部７０，９４を備える。ただし、最終整合部７４は、複雑な整合層１３６，１３８をそれぞれ備える。複雑な整合層１３６，１３８は、低インピーダンス層１４０，１４２と低透過率保護固体の薄層１３２，１３４との組み合わせを含むことができる。保護障壁１３２，１３４は、試験媒体８２に対する高い耐化学性および低い透過率を与えることによって、試験媒体８２との相当な接触から低インピーダンス層１４０，１４２を保護する材料または複合材であることを特徴とする。
【００５０】
一実施形態において、保護障壁１３２および１３４、あるいは保護障壁１３２または１３４は、低インピーダンス層７２および１０２、あるいは低インピーダンス層７２または１０２に積層された金属箔を含む。様々な用途における金属箔の候補材料としては、ステンレス鋼３１６Ｌ、ＩＮＣＯＮＥＬ、アルミニウム／アルミニウム合金、銅／銅合金、ニッケル／ニッケル合金等、試験媒体による化学的侵食との互換性または化学的侵食に対する耐性を有する本質的に任意の金属が挙げられる。
【００５１】
別の実施形態において、保護障壁１３２および１３４、あるいは保護障壁１３２または１３４は、たとえば気相蒸着プロセスによって低インピーダンス層１４０，１４２の上に堆積された１つまたは複数の金属膜または酸化膜を含む。たとえば、金であれば、ＭＯＣＶＤプロセスに用いられるほぼすべての化学物質と互換性があり、低透過率を与える。ただし、ポリイミド上に金を直接堆積させるという実用上の困難がある。そこで、試験媒体８２に接触した金層を実現する１つの解決手段として、まず、ポリイミドとの貼り付き性に優れた銅で低インピーダンス層１４０，１４２を被覆し、銅および金の両方によく貼り付くニッケルで銅を被覆した後、金層を仕上げる。したがって、露出金属膜と低インピーダンス層との間の耐久接合を実現する最良の方法は、場合によっては、露出金属膜と低インピーダンス層との間に１つまたは複数の低インピーダンス層を追加することである。その他の金属膜の組み合わせとしては、ニッケル／ニッケル合金、ＭＯＮＥＬ合金、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ合金、およびＩＮＣＯＮＥＬ合金等、銅と接合可能であるとともに試験媒体との互換性に必要な耐性特性を有する任意の適当な金属が挙げられる。低インピーダンス層への直接接合には、ニッケル／ニッケル合金等のその他の金属も適している。
【００５２】
他の実施形態において、保護障壁１３２および１３４、あるいは保護障壁１３２または１３４は、低インピーダンス層１４０，１４２の上に堆積されたＰＦＡ、ＦＥＰ、またはＰＴＦＥ等のフッ素重合体を含む。さらに他の実施形態は、たとえばスパッタリングプロセスによって適用可能なシリカ、アルミナ、窒化ホウ素、合成ダイヤモンド、またはダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）等の酸化物またはセラミックの保護障壁１３２および１３４、あるいは保護障壁１３２または１３４を備える。これらの代替的なコーティングが化学的侵食に対する耐性および十分に低い透過率を提供可能である一方、低インピーダンス層１４０，１４２は、広い温度範囲（たとえば、最高温度４００℃）にわたる十分に安定した弾性率等、音響変換器に望ましい機械的特性を与える。
【００５３】
図６には、本発明の一実施形態における改良された回路モデル１５０を図示する。この改良された回路モデル１５０は、基本回路モデル１１０（同様の参照符号で図示）と同じ態様を含む。なお、図６の伝達線１１２ｃ，１１２ｄは、低インピーダンス層１４０，１４２の特性を反映するようにモデル化している。また、障壁１３２，１３４は、損失の大きなポリイミド伝達線１１２ｃ，１１２ｄと損失の大きな気体媒体伝達線１１２ｇとの間に保護障壁１３２，１３４用の伝達線１１４ｅ，１１４ｆをそれぞれ追加することによって改良している。保護障壁伝達線１１４ｅ，１１４ｆは、単一の伝達線として図示しているが、モデル化する保護障壁の構成に応じて、連続した複数の伝達線を含むことができる。たとえば、単一の箔材料がポリイミド層に積層されている場合、保護障壁伝達線は、当該箔材料の特性を有する単一の伝達線としてモデル化可能である。連続する金属薄膜の複合材がポリイミド層の上に堆積された他の例では、他の伝達線と直列のそれ自体の伝達線としてこれら各膜をモデル化する。
【００５４】
図７では、本発明の一実施形態において、改良された回路モデル１５０による第１の予測改良伝達関数１６０を予測基本伝達関数１２０と比較している。第１の予測改良伝達関数１６０を求めるため、改良された回路モデルの保護障壁伝達線１１４ｅ，１１４ｆは、厚さ２５．４μｍ（０．００２５ｃｍ（０．００１インチ）または０．００２５４ｃｍ（１ミル））の単層のステンレス鋼３１６Ｌとしてモデル化した。両音響変換器１２８，１３０の複雑な整合層１３６，１３８の低インピーダンス層１４０，１４２の実際の厚さは、回路モデル１５０を実行し、複雑な両整合層の最も高い共振周波数および最も低い共振周波数の理論的な位置を伝達関数において規定することにより決定可能である。
【００５５】
なお、予測基本伝達関数１２０の共振周波数１２４，１２７（図４）（すなわち、音響変換器６８，９２の最も高い予測共振周波数および最も低い予測共振周波数）は、この基準を満足する。
【００５６】
一実施形態において、複雑な整合層１３６，１３８の低インピーダンス層１４０，１４２の厚さおよび／または基本整合部７０，９４の厚さ８６、９８は、パラメータ研究において回路モデル１５０を用いることにより、最も高い共振周波数および最も低い共振周波数がおよそ１．２・ｆＣ，０．８・ｆＣとなるように変更する。なお、第１の予測改良伝達関数１６０の共振周波数１６１、１６２（すなわち、最も高い予測共振周波数および最も低い予測共振周波数）は、この基準を満足する。したがって、音響変換器１２８，１３０の予測共振周波数はすべて、中心周波数のおよそ２０％以内となる。
【００５７】
第１の予測改良伝達関数１６０を求めるための音響変換器１２８，１３０のモデル化特性は、以下の通りであった。
・送信用音響変換器１２８：  厚さ８６が０．４５８λの３１６Ｌステンレス鋼の基本整合部７０、厚さ８８ｂが０．２５６４λのポリイミドの低インピーダンス層１４０を含む複雑な整合層１３６、および厚さ０．００４４５λのステンレス鋼箔の保護障壁１３２。
【００５８】
・受信用音響変換器１３０：  厚さ９８が０．５５１６λの３１６Ｌステンレス鋼の基本整合部９４、厚さ１０４ｂが０．１５１λのポリイミドの低インピーダンス層１４２を含む複雑な整合層１３８、および厚さ０．００４４５λのステンレス鋼箔の保護障壁１３２。
【００５９】
結果として、改良された回路モデル１５０の場合、箔の厚さに対応できるように厚さが改良されたポリイミドの低インピーダンス層１４０、１４２に貼り付けられた保護障壁１３２、１３４を０．００２５４ｃｍ（１ミル）のステンレス鋼箔（１ＭＨｚで０．００４４５λ）としてモデル化することにより、第１の予測改良伝達関数１６０は予測基本伝達関数１２０と非常に良く一致することが分かる。予測基本伝達関数１２０に対して、さらに近く整合させることも可能である。ただし、経済的には、ＫＡＰＴＯＮおよびステンレス鋼箔の両方ともに０．００２５４ｃｍ（１ミル）単位でしか市販されていない、という制約要因がある。第１の予測改良伝達関数１６０の半値全幅としての当該第１の予測改良伝達関数１６０の周波数応答の帯域幅１６３は、およそ０．７８ＭＨｚ〜およそ１．２２ＭＨｚの範囲である。実際のところ、帯域幅１６３は、予測基本伝達関数１２０の周波数応答の帯域幅と同じである。さらに、第１の予測改良伝達関数１６０の予測受信機出力（図７のｙ軸）は、帯域幅１６３の全域で、予測基本伝達関数の予測受信機出力の７０％以内である。
【００６０】
図７に示す第１の実改良伝達関数１６４は、音響素子６６，９０が１．０ＭＨｚに中心周波数を有する状態で、上述の０．００２５４ｃｍ（１ミル）箔の保護障壁１３２，１３４に応じて改良された音響変換器から求めた。第１の実改良伝達関数１６４の共振周波数の位置は、第１の予測改良伝達関数１６０と実質的に一致している。
【００６１】
図８では、本発明の一実施形態において、改良された回路モデル１５０による第２の予測改良伝達関数１８０を予測基本伝達関数１２０と比較している。第２の予測改良伝達関数１８０を求めるため、改良された回路モデル１５０の保護障壁伝達線１１４ｅ，１１４ｆは、連続する金、ニッケル、および銅の層の複合材としてモデル化した。ここで、金は試験媒体８２に曝露されるものとして模擬し、銅はポリイミド層の上に直接堆積されるものとして模擬し、ニッケルは金層と銅層との間の間質性として模擬している。低インピーダンス層１４０，１４２（ポリイミド）の実際の厚さは、回路モデル１５０を実行し、複雑な両最終整合層の最も高い共振周波数および最も低い共振周波数（およそ１．２・ｆＣ，０．８・ｆＣ）の理論的な位置を予測伝達関数において規定することにより決定した。したがって、保護障壁１３２，１３４用の連続する金、ニッケル、および銅の層を有する音響変換器１２８，１３０について、第２の予測改良伝達関数１８０を求めるためのモデル化特性は、以下の通りであった。
【００６２】
・送信用音響変換器１２８：  厚さ８６が０．４５８λの３１６Ｌステンレス鋼の基本整合部７０、厚さ８８ｂが０．２９１λのポリイミドの低インピーダンス層１４０を含む複雑な整合層１３６、ならびに厚さ０．０００６３８λの銅、厚さ０．０００４５１λのニッケル、および厚さ０．０００２３５λの金である保護障壁１３２。
【００６３】
・受信用音響変換器１３０：  厚さ９８が０．５５１６λの３１６Ｌステンレス鋼の基本整合部９４、厚さ１０４ｂが０．１８６λのポリイミドの低インピーダンス層１４２を含む複雑な整合層１３８、ならびに厚さ０．０００６３８λの銅、厚さ０．０００４５１λのニッケル、および厚さ０．０００２３５λの金である保護障壁１３２。
【００６４】
結果として、改良された回路モデル１５０の場合、上述の通り連続する金属層で構成されたものとして保護障壁１３２，１３４をモデル化することにより、ここでも、予測改良伝達関数１８０は予測基本伝達関数１２０と非常に良く一致することが分かる。第２の予測改良伝達関数１８０の周波数応答の帯域幅１８２は、予測基本伝達関数１２０および第１の予測改良伝達関数１６０の場合と本質的に同じである（すなわち、およそ０．７８ＭＨｚ〜およそ１．２３ＭＨｚ）。さらに、第２の予測改良伝達関数１８０の予測受信機出力は通常、帯域幅１８２における予測基本伝達関数１２０の予測受信機出力の９０％以内である。
【００６５】
図９および図１０には、本発明の一実施形態の確認試験結果を示したグラフ１８４，１８６を図示する。グラフ１８４，１８６に示すデータを生成するため、以下に説明する試験手順を構築した。
【００６６】
図５Ａおよび図５Ｂに図示したものと対応する音響変換器１２８，１３０を含むように改良された非露出の改良Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーを有効なＭＯＣＶＤツールに導入した。すなわち、改良Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーは、３１６Ｌステンレス鋼の基本整合部７０を有する送信用音響変換器１２８を備え、複雑な整合層１３６がポリイミド（ＫＡＰＴＯＮ）の低インピーダンス層１４０およびステンレス鋼箔（ＩＮＣＯＮＥＬ）の保護障壁１３２を含む。受信用音響変換器１３０は、３１６Ｌステンレス鋼の基本整合部９４を備え、複雑な整合層１３８がポリイミド（ＫＡＰＴＯＮ）の低インピーダンス層１４２およびステンレス鋼（ＩＮＣＯＮＥＬ）箔の保護障壁１３２を含む。
【００６７】
また、予め非露出とされた３つのＰｉｅｚｏｃｏｎセンサーを他の有効なＭＯＣＶＤツールに導入した。各基本Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーは、上述の図２Ａおよび図２Ｂに図示した基本音響変換器（すなわち、ＫＡＰＴＯＮの露出層を有する）と非常によく似た構成を有する音響変換器を備える。この実験のすべてのＰｉｅｚｏｃｏｎセンサー（改良および基本）は、高純度の窒素（Ｎ２）をＰｉｅｚｏｃｏｎセンサーに流しつつ塩素−ヘリウム（Ｃｌ２−Ｈｅ）混合物の塩素濃度を測定するように設定した。図９および図１０において、濃度は、流量比Ｑｇａｓ／Ｑｍｉｘで表している。ここで、Ｑｇａｓは対象気体の体積流量、Ｑｍｉｘは全混合物の体積流量である。
【００６８】
様々なＰｉｅｚｏｃｏｎセンサー（改良および基本）を導入した後、改良および基本Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーを含むＭＯＣＶＤツールを生産環境において動作させ、日常的にトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）前駆体に曝露した。ＴＥＧａは、露出ＫＡＰＴＯＮ上に酸化層を積層する際に活性となることが知られた物質であり、キャビティ長の短縮によって性能に影響が及ぶ。また、ＴＥＧａは、ＫＡＰＴＯＮを透過・膨張させることによって、厚さを増大させるとともにキャビティ長を短縮可能である。基本Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーは数日間にわたって稼働させ続け、改良Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーは数か月間にわたって稼働させ続けた。
【００６９】
各ＭＯＣＶＤツールは毎日、高純度の窒素が各Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーを流れた場合に確認手順を実行することとした。窒素流が高純度であることから、確認手順によって、分子量が既知の気体が通過する間、各Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーの出力を測定する機会が毎日得られた。窒素の分子量（およそ２８ｇ／モル）に基づいて、Ｃｌ２／Ｈｅ（それぞれおよそ７１ｇ／モル、２ｇ／モルの分子量を有する）の濃度を測定するように設定された各Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーの正確な濃度指示値が０．０１％以内の変動で３７．６５％〜３７．７２％の範囲１８８になるものと判定した。また、各Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーの分解能は０．０１％であった。
【００７０】
データセット１９０，１９０ａは、図９および図１０の両方に示すとともに、改良Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーで取得したデータを表している。データセット１９０は、およそ１９週間の連続使用にわたって、ステンレス鋼の保護障壁を備えた改良Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーが±０．０１％以内の指示濃度３７．６８％を出力したことを示している。
【００７１】
一方、図１０に示すデータセット１９２，１９４，１９６は、基本Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーで取得したデータを表している。図１０には、比較のため、データセット１９０の一部であるデータセット１９０ａも示している。すべての基本Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーにおいて、ＴＥＧａに曝露した最初の数日間にわたる大幅な下降が実証された。稼働の第１週目において、基本Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーの測定値はすべて、許容範囲１８８の下限（３７．６５％）を大きく下回った。また、稼働の第１週目において、すべての基本Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーの変動は約０．０５％であった。実験後の解析により、基本Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーの音響変換器上に１０μｍ〜１２μｍのガリウム酸化物が積層されていることが明らかとなった。
【００７２】
グラフ１８４，１８６の結果は、精度および安定性の両方に関して、改良Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーが基本Ｐｉｅｚｏｃｏｎセンサーよりも優れていることを実証している。
本発明の特許請求の範囲を解釈するため、対象の請求項において特有の用語「〜する手段（means for）」または「〜するステップ（step for）」の使用がなければ、米国特許法第１１２条の第６項の規定が行使され得ないことは明らかである。
【図１】
0006324959.tif 000003
【図２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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