CH644729A5 - Phasenunempfindlicher photoleitender ultraschallwandler und ein verfahren zum herstellen des wandlers. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE

1. Phasenunempfindlicher, photoleitender Ultraschallwandler, gekennzeichnet durch einen CdS-Kristall mit solchen physikalischen Eigenschaften, dass im wesentlichen maximale akustische Dämpfung bei der Betriebsfrequenz des Kristalls erzielt wird; sowie durch erste und zweite genannten CdS-Kristall befestigte Elektroden.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeitsfrequenz des CdS-Kristalls etwa gleich der Ultraschallwinkelfrequenz ist.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein äusseres, an der zweiten Elektrode befestigtes und an die akustische Impedanz des CdS-Kristalles angepasstes Grundmaterial.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial mit Wolfram beschickter Epoxidharz ist.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine mit der zweiten Elektrode verbundene Signalaufbereitungsschaltung, die einen Empfänger für die auf die erste Elektrode auftreffenden Ultraschallwellen bildet.

6. Verfahren nach Herstellen des Ultraschallwandlers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der CdS-Kristall zum Erzielen der im wesentlichen maximalen akustischen Dämpfung bei der Betriebsfrequenz in einer inerten Atmosphäre geglüht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der CdS-Kristall bei einer solchen Temperatur und während einer solchen Zeitspanne geglüht wird, bis die Leitfähigkeitsfrequenz des Kristalls etwa gleich der Ultraschallwinlcel-frequenz ist.

Ultraschallmessungen an flachen parallelen und homogenen Proben sind unkompliziert sowohl mit Pulsecho- als auch mit Dauerstrichverfahren. In modernen Anwendungen wird Ultraschall bei regulierter Flachheit und Parallelität bei zerstörungsfreier Auswertung (NDE) und biologischer Überwachung gebraucht. Bei der Interpretierung von Ultraschalldaten entstehen oft ernsthafte Schwierigkeiten bei diesen modernen Anwendungen. Ein signifikanter Fall von ungewöhnlichen Daten ist die Phasenmodulation in der akustischen Wellenfront infolge von inhomogenen Proben und nicht parallelen reflektierenden Grenzflächen. So z.B.

machen Phasenänderungen infolge Nichtparallelität genaue Absorptionsmessungen schwierig wenn nicht unmöglich und führen zu inhomogener Verbreiterung der mechanischen Resonanzbreite und Modulation des Pulsecho-Abklingverlaufs.

In letzter Zeit wurden Ultraschallmessungen üblicherweise mit piezoelektrischen, magnetostriktiven, kapazitiven oder elektromagnetischen Ultraschallwandlern durchgeführt, welche phasenempfindlich sind und akustischen Schalldruck oder Deformation in ein zum mittleren Druck oder der Deformation des Wandlers proportionalen elektrisches Signal umwandeln. Ein phasenempfindlicher Wandler, welcher grösser ist als die akustische Wellenlänge, kann zu falschen Daten führen, da sein Ausgang sowohl phasen- als auch amplitudenmoduliert ist. Eine Hälfte des Wandlers könnte eine akustische Welle und die andere Hälfte des Wandler könnte eine andere akustische Welle mit einer von der ersten verschiedenen Phase detektieren. In diesem einfachen Fall würde ein Fehler im Ausgang des Wandlers auftreten, da sein Ausgangssignal proportional zum durchschnittlichen Druck ist.

Ein zweite Klasse von Detektoren zur Ausführung von

Ultraschallmessungen umfasst thermische Wandler und Strahlendruckdetektoren. Gegenwärtig sind diese Detektoren komplizierte, umfangreiche physikalische Vorrichtungen, welche ungünstige Konfigurationen erfordern und nicht zweckmässig für allgemeine NDE-Ultraschallanwendungen sind, obschon sie phasenunempfindlich sind.

Eine dritte Klasse von Vorrichtungen zur Durchführung von Ultraschallmessungen sind die photoleitenden elektro-akustischen Wandlervorrichtungen (AET), welche von Photonen erzeugten Ladungsträgern zum Ankoppeln an die akustische Welle abhängen. Sie erfordern eine Lichtquelle, welche eine wesentliche Quelle von elektrischem Rauschen infolge von Intensitätsschwankungen ist und ausserdem transparente Elektroden an einem CdS-Kristall. Die Leitfähigkeit im Kristall kann ziemlich ungleichmässig sein, was zu Änderungen in der Ausgangsübertragungsfunktion des Kristalls führt.

Es ist die hauptsächliche Aufgabe dieser Erfindung, einen einfachen, billigen, elektroakustischen Wandler zu schaffen, welcher phasenunempfindlich ist.

Der Ultraschallwandler ist durch die im Patentanspruch 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet.

Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen des Ultraschallwandlers ist im Patentanspruch 6 definiert.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen: s

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Dämpfung und der Geschwindigkeit in einem CdS-Kristall als Funktion der Lichtintensität,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der in der nachfolgenden Beschreibung angegebenen Gleichung (5),

Fig. 3 den Verlauf des Widerstandes in einem CdS-Kristall als Funktion der Glühtemperatur,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Empfängers, bei welchem der phasenunempfindliche Ultraschallwandler verwendet wird.

Ein photoleitender, elektroakustischer Ultraschallwandler (AET) ist eine Vorrichtung, die auf Photon-Ladungsträgerkopplung in einem piezoelektrischen Halbleiter basiert. Zwei fundamentale Beziehungen beschreiben diese Vorrichtung. Die erste, entwickelt durch Hutson und White, ist in «Elastic Wave Propagation in Piezoelectric Semiconductor», Journal of Applied Physics, 33, page 40 (1962), beschrieben und bezieht sich auf einen Kopplungsmechanismus zwischen Pho-nonen und Elektronen und führt zur Absorption und Dispersion der akustischen Welle durch freie Ladungsträger. Die zweite Beziehung, entwickelt durch Weinreich, ist in «Ultrasonic Atténuation by Free Carriers in Germanium» Physical Review, 107 page 317 (1957), beschrieben und resultiert in einem zum akustischen Energieverlust der freien Ladungsträger proportionalen Feld. Da das elektrische Feld proportional zum Ultraschallphononenfluss ist, ist es unabhängig von der in der akustischen Welle vorliegenden Phaseninformation.

Hutson und White legen eine Theorie vor, welche Effekte infolge von Trägerdrift, Diffusion und Einfang in einem piezoelektrischen Halbleiter umfasst. Bei diesem Modell ist die Ausbreitung der akustischen Spannungswelle von einem elektrischen Feld begleitet, welches durch die Deformation des piezoelektrischen Kristalls erzeugt wird. Das elektrische Feld setzt sich aus Iongitudinalen und transversalen Komponenten zusammen, wobei die transversale Welle klein und deshalb vernachlässigbar ist. Die longitudinale Welle ist genügend gross, um messbare Effekte auf Ladungsträger zu erzeugen. Umgekehrt spielen die Ladungsträger eine Rolle in den Ultraschalleigenschaften des Kristalls, was in akustischer Dispersion und Änderungen in der Dämpfung resultiert.

Im oben erwähnten «Applied Physics»-Artikel wird gezeigt, dass Änderungen in der Ultraschallgeschwindigkeit v

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infolge von Ladungsträgern wie folgt ausgedrückt werden können:

« i/2 (üj AD)2 v°> - V _ N_ c

v0 2 1 + (ûJç/w)^

Die Resultate der oben erläuterten Theorie liefern den Mechanismus für die Kopplung der akustischen Welle an die Ladungsträger im Medium. Die Weinreich-Beziehung liefert das physikalische Modell zur Erzeugung des elektroakusti-schen Effekts (AE), wenn die akustische Welle an die Ladungsträger gekoppelt ist. Die Weinreich-Beziehung kann folgendermassen geschrieben werden:

wobei vo = (c/p'; = Schallgeschwindigkeit, voo =vo- (1 + K%), 10 c = Elastizitätskonstante; p = Massendichte; K% = elektrome-chanische Kopplungskonstante; co = Ultraschallwinkelfre-quenz; coc= «Leitfähigkeitsfrequenz» = a/ç, a= Leitfähigkeit und q = Elektrizitätskonstante. Für die Dämpfung ist der Effekt der Ladungsträger der folgende: 15

u K2 -e7" (2)

" ' vT 2 , . , , ,2

0 1 + lü)c/tdj 20

In den Gleichungen (1) und (2) wird angenommen, dass die Diffusionsfrequenz cûd»k> und coD»co0. Diese Annahme ist gültig für das in dieser Untersuchung verwendete Material (CdS) da bei 300°K coD^3 x 10'° Hz beträgt. 25

Die Hutson- und White-Theorie gemäss den Gleichungen ( 1 ) und (2) sieht ein Relaxationsphänomen zwischen der akustischen Welle und der Ladungsträgerdichte voraus, welches in Fig. 1 dargestellt ist. Die maximale akustische Dämpfung entspricht der Bedingung coc = co. 30

c - $ Q .e eae"7h?f (3)

wobei cp der zur Welle gehörige akustische Kraftfluss v die Wellengeschwindigkeit, a die Dämpfung, n die Teilchendichte, e die Ladung pro Teilchen, und f der Bruchteil der beweglichen Raumladung (1 — f ist eingefangen) ist. Die Gleichung (3) ist unter der Annahme gültig, dass coD » co und dass die Driftgeschwindigkeit infolge elektrischer Felder im AET sehr viel kleiner ist als die Ultraschallphasengeschwindigkeit. Man erhält den messbaren Betrag der elektroakusti-schen Spannung (VAE) durch Integration des Feldes (EAF) über die Länge des photoleitenden elektroakustischen Wandlers (AET). Wenn die Annahme getroffen wird, dass der Wandler flach und parallel ist, dass eine unbedeutende Umwandlung der Schwingungsform an der Reflexionsgrenze erfolgt, und dass komplette Reflexion an der Grenze erfolgt, so wird VAE:

a/2

vae ~ J

-ctX

eae e'

dx a/2 /

(ici

2

"ae

-ax ,

e dx +

a/2 _ -ax,

e ~aä £ e dx e tAE e

7

(4)

= e ae a

a à

2

-e wobei a/2 die AET-Länge ist. Wenn der Einfang von Trägern vernachlässigt wird (gültig für co"1 »x = 10~9 Sekunden Einfangszeit) und die Gleichungen (4) und (3) kombiniert werden, so gilt für die elektroakustische Spannung:

'ae

-

nev

1 - e aâ

2

nev

1 + e aa 2

aa 2

(5)

Bis jetzt wurde nur Phononen-Ladungsabsoption betrachtet. Um genauer einen wirklichen photoleitenden elektroakustischen Wandler (AET) zu entwickeln, muss auch die nicht elektrische Absorption eingeschlossen werden. Deshalb umfassen alle theoretischen Berechnungen in dieser Beschreibung eine 0,01 cm-1 nichtelektrische Hintergrundsabsorption o5 (typisch bei 10 MHz), welche sich nur zur Abklingrate der akustischen Welle und nicht zum AET-Signal addiert. Eine graphische Darstellung der Gleichung (5) ist in Fig. 2 für die Werte aa/2 = 0,l, 0,5, 1,0 und 2,0 für eine Konstante n (d.h.

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ein festes a) gezeigt. Das Schwingungsverhalten von VAE dämpft die ansteigende Reflexionszahl j und den ansteigenden Wert aa/2. In Wirklichkeit ist für grosse aa/2,VAE nur eine Funktion des akustischen Flusses (n fest) und ist deshalb inhärent breitbandig. Diese Bedingung ist wünschenswert für 5 den photoleitenden elektroakustischen Wandler (AET). Die für den Wert j = 0 erzeugte elektroakustische Spannung weist eine grössere Amplitude auf als für jeden anderen j-Wert. Deshalb liefern Null-Reflexionen im AET die optimale VAE. Null-Reflexionen können erzielt werden, indem die akusti- 10 sehe Impedanz des AET genau demjenigen eines externen Grundmaterials wie mit Wolfram beschicktes Epoxidharz angepasst wird.

Gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die maximale Kopplung einer akustischen Welle an die 15

Ladungsträger in einem CdS-Kristall zur Herstellung eines photoleitenden, elektroakustischen Wandlers (AET) erzielt, indem UHP (hohe Leitfähigkeit)-CdS thermisch in einer Argonatmosphäre ausgeglüht wird. Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung des Widerstandes als Funktion der Glühtempera- 20 tur bei verschiedenen CdS-Proben. Dabei wurde während drei Stunden ausgeglüht.

Wie oben erläutert wurde, entspricht maximale akustische Dämpfung der Bedingung C0c = 0). Da co bekannt ist (Empfängerfrequenz mal 27t) ist auch bekannt, welchen Wert coc auf- 25 weisen sollte. Da der Widerstand R einer geglühten Probe gleich der Länge der Probe 1, dividiert durch das Produkt der Querschnittsfläche A der Probe mal coc£, ist (R = l/(Acocç)), wobei ç die Dielektrizitätskonstante ist, können die Glühtemperatur und die Glühzeit so gewählt werden, damit coc = co 20 wird.

Die dreistündige Glühzeit gemäss Fig. 3 erlaubt keine genügende Steuerung der Materialeigenschaften. Diese wurde für experimentelle Zwecke gewählt. Wenn einmal der Temperaturbereich, bei welchem coc = co auftritt, bestimmt ist, 35 können längere Glühzeiten gewählt werden. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, können mit einer Glühzeit von 28 Stunden bei 515 °C für einen 0,7 cm x 0,7 cm x 0,1 cm grossen Kristall aus UHP-Material die Eigenschaften bei einer Betriebsfrequenz von 5 MHz optimiert werden. Es wurde eine Argonatmo- 40 Sphäre verwendet, um jegliche Oxidbildung oder jegliche andere Oberflächenformation infolge Einwirkung von Verunreinigungen auszuschliessen.

Beim Ausführungsbeispiel des Empfängers gemäss Fig. 4 wurde der Kristall 11 aus CdS-UHP-Material bei einer sol- 45 chen Temperatur und einer solchen Zeitspanne ausgeglüht,

dass die gewünschten Eigenschaften erhalten werden. Es wird erwünscht, dass die akustische Energie durch die freien Ladungsträger im CdS-Kristall absorbiert wird. Dies wird durch Maximierung der akustischen Dämpfung coc = co und 50 durch eine so lang als zweckmässige Kristallänge erzielt. Einmal geglühte Elektroden 12 und 13 und äusseres Grundmaterial (wie zum Beispiel Wolfram beschickter Epoxidharz) 14 werden falls notwendig, beim Kristall angebracht. Der Kristall mit den Elektroden und dem Grundmaterial werden in 55

einem passenden Halter 15 montiert. Eine elektrische Verbindung 16 verbindet die Elektrode 13 über einen Verstärker 17, eine Verbindung 18 und einen Verstärker 19 mit einem Signalaufbereitungssystem 20. Der Verstärker 17 ist im Halter 15 angebracht um die Kapazität zu minimalisieren, welche der elektroakustischen Wandler AET treiben muss.

Änderungen in der Geometrie des Kristalls, der Elektroden und des Grundmaterials können vorgenommen werden, um spezielle Funktionen zu erfüllen. Es können Linsen im akustischen Weg angeordnet werden, um den akustischen Strahl im Kristall zu konzentrieren. Der Kristall selbst kann als Linse hergestellt werden. Falls das verwendete Material piezoelektrisch ist, kann es als Wandler ebenso als Empfänger verwendet werden, indem die Treiberschaltung parallel mit den Verstärkern geschaltet wird. Zu diesm Zweck können einige Kompromisse zwischen maximaler Empfängerempfindlichkeit und Treiberausgang wünschenswert sein. Oder der elektroakustische Wandler (AET) könnte in Kombination mit einem konventionellen Wandler in einer konzentrischen Konfiguration oder einer Weiterleitungs-Konfiguration (transmission through) verwendet werden. Es sind ebenfalls andere Konfigurationen und Kombinationen möglich. Selbst wenn die photoinduzierte Leitfähigkeit einige Nachteile aufweist, sind Beispiele vorhanden, wo eine zum Kristall gehörige kleine optische Quelle (konstanter Ausgang oder getaktet) wünschbare Effekte erzeugen kann, indem die Leitfähigkeit geändert wird und dabei der Relaxations-Absorptions-spitzenwert der Frequenz verschoben wird. Zu diesem Zweck sind verschiedene thermische Glühungen möglich, um den spezifischen Kristall-Dunkel-Widerstand für optimale Bedingungen einzustellen.

Da das Material piezoelektrisch ist, ist ebenfalls gewöhnliche Phaseninformation im elektrischen Ausgangssignal vorhanden und kann durch passende Bandpassfilter abgespalten werden. Ein Detektor kann für Dämpfungs- (Wellenamplitude) und Geschwindigkeits- (Wellenphase) Messungen verwendet werden.

Bei passender Verwendung einer Vorspannung, so dass die Träger-Driftgeschwindigkeit grösser ist als die Schallgeschwindigkeit gemäss Gleichung (1), wird die Vorrichtung die akustische Welle verstärken, welche ausgesandt wird oder phasenunempfindlich in einem nicht vorgespannten Bereich gemessen wird.

Vorteile dieses neuen elektroakustischen Wandlers (AET) gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich aus seiner Phasenunempfindlichkeit, welche den Wandler speziell nützlich macht für Messungen in inhomogenen Materialien und bei unregelmässigen Geometrien.

Da die Vorrichtung monolithisch ist, ist sie einfach, leicht und klein. Sie kann in fast jeder Form und Grösse hergestellt werden. Es besteht die Möglichkeit, die Ultraschallauflösung von Materialeigenschaften für NDE und medizinische Diagnose-Abbildung bedeutsam zu erhöhen, wo Phasenlösch-effekte die akustische Wandlerausgangsgrösse modulieren.

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2 Blatt Zeichnungen