Disputas: Per Kristian Bolstad

Per Kristian Bolstad skal forsvare avhandlingen sin for graden philosophiae doctor (ph.d.) ved Universitetet i Sørøst-Norge. 

Han har fulgt doktorgradsprogrammet i anvendte mikro- og nanosystemer ved fakultet for teknologi,naturvitenskap og maritime fag.

Alle interesserte ønskes velkommen til prøveforelesning og disputas.

Lenke til avhandlingen: Evaluation of Metallurgical Bonding for Ultrasound Transducers

Sammendrag

Komponenten som sender ut og mottar lyd i et ultralydsystem kalles for en transduser. En medisinsk ultralydtransduser kan være i bruk i flere timer hver dag i mange år. Det er viktig at den har stabil ytelse selv om den slites gjennom bruk og hyppige steriliseringsrutiner. I olje-og gassindustrien brukes transdusere til å inspisere rør og brønner. Her utsettes transduseren for høyt trykk og høy temperatur, og den må fungere godt også i disse tøffe omgivelsene.

Hensikten med dette forskningsprosjektet har vært å undersøke materialer og sammenstillingsmetoder for å sikre pålitelig ytelse av ultralydtransdusere i krevende omgivelser. Sammenstillingsmetodene som har blitt utviklet kan dessuten bidra til økt pålitelighet og forbedret ytelse for transdusere som brukes i normale omgivelser.

De vanligste ultralydtransduserene har et piezoelektrisk materiale som omformer elektrisk energi til akustisk energi. Bak det piezoelektriske materialet legges et lag som skal hindre lyden i å gå bakover, og foran det piezoelektriske materialet legges et lag som skal gi god kontakt til vann eller hud. Disse lagene festes som oftest sammen ved bruk av polymerbaserte lim. Dette har vist seg å være en effektiv sammenstillingsmetode som passer mange anvendelser. Imidlertid tåler ikke lim høye temperaturer spesielt godt, og i krevende omgivelser trengs det ofte spesielle design eller spesielle materialer for å sikre god ytelse og pålitelighet.

En mulighet er å erstatte limet med metalliske bindinger. Metaller har god temperaturstabilitet og høy elektrisk og termisk ledningsevne. Den høye akustiske impedansen i metaller er også en fordel for den akustiske ytelsen.
Universitetet i Sørøst-Norge har lang erfaring med en sammenføyningsteknikk kalt solid-liquid interdiffusion (SLID). Dette kan oversettes til «fast-flyende interdiffusjon». Denne teknikken er kjent fra elektronikkindustrien der den brukes til å lage solide tilkoblinger av elektriske komponenter. Det som er spesielt med SLID er formasjonen av intermetalliske sammensetninger. Disse sammensetningene er stabile ved temperaturer som er høyere enn den prosesseringstemperaturen som blir brukt for å lage bindingene.

Denne doktorgradsavhandlingen utforsker det binære metallsystemet gull-tinn for å sammenføye lagene i en ultralydtransduser. Sammenføyningsmetodene gull-tinn SLID og gull-tinn lodding ble vurdert opp mot standard liming. Transduser-prototyper ble produsert og testet under høye trykk og høye temperaturer, og det ble demonstrert at metalliske sammenføyninger gir god temperaturstabilitet med høy mekanisk styrke.

En vanlig utfordring med metalliske bindinger er formasjonen av hulrom internt i metallaget. Slike gap kan gi redusert akustisk ytelse og redusert mekanisk styrke. For at metalliske sammenføyningsteknikker skal kunne brukes i en ultralydtransduser, må betydningen av hulrommene estimeres. I avhandlingen ble dette undersøkt ved bruk av simuleringsverktøy. En beregningsmodell ble utviklet for å estimere effektive materialparametere for lag som inneholder hulrom i kontrollerte størrelser, konsentrasjon og geometrisk fordeling.