專利名稱：具有厚度模式換能器的頻率掃描的兆頻超聲波處理設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及包含一個或多個壓電換能器(transducer)的兆頻 超聲波處理設(shè)備和相關(guān)聯(lián)的方法，所述壓電換能器在厚度;f莫式(thickness mode)下以至少300 KHz或更高的兆頻超聲波(megasonic)頻率進行 工作，并且尤其涉及通過在預(yù)定或可編程的跨所有換能器共振頻率的頻 率范圍內(nèi)掃描驅(qū)動信號的頻率來提高性能。
相關(guān)技術(shù)描述
兆頻超聲波處理包括以300 KHz以上的頻率產(chǎn)生并使用高頻能量。 許多兆頻超聲波系統(tǒng)以處于或接近1000 KHz或1兆赫茲的頻率進行工 作。雖然對于許多應(yīng)用而言，1 MHz是一致同意的優(yōu)選頻率，但是頻率 范圍可達到遠遠高于此的10 MHz頻率。兆頻超聲波系統(tǒng)的典型應(yīng)用包 括清潔精密物體，例如半導(dǎo)體晶片或磁盤驅(qū)動介質(zhì)。這樣的兆頻超聲波
清潔處理包括將待清潔的物體置于充滿流體(fluid)的槽(tank)中， 并且以兆頻超聲波頻率向所述槽的一個或多個輻射面施加振動能量。一 個或多個壓電換能器被用來產(chǎn)生振動能量。發(fā)生器(generator)以換能 器的共振頻率提供交流驅(qū)動信號。兆頻超聲波換能器在厚度模式下工 作，其中通過引起換能器的交替擴展和收縮(主要是擴展和收縮換能器 的厚度)的交流驅(qū)動信號來激勵壓電元件。厚度為0.080英寸的壓電換 能器具有1000 KHz的基本(厚度模式)共振頻率。
兆頻超聲波處理與超聲波處理有一些類似之處，超聲波處理涉及較低的基本頻率(典型地從約25 KHz到約192 KHz)。典型地，超聲波 換能器是質(zhì)量平衡的(mass-balanced)，在壓電元件的任一側(cè)上具有惰 性質(zhì)量，并且移動的重要徑向分量與厚度分量成直角。超聲波換能器的 一種常見構(gòu)造是在兩個質(zhì)量之間堆疊多層的環(huán)形壓電元件，并且利用軸 壓縮栓將組件保持在一起。超聲波清潔是基于氣穴現(xiàn)象(cavitation), 這是流體中氣泡的形成和破裂。
在用于兆頻超聲波清潔的頻率不會發(fā)生顯著的氣穴現(xiàn)象，所以清潔 動作基于另一種被稱作微流(micro-streaming)的機制，其是從兆頻超 聲波換能器流出的分離粒子的一般性流。該流由在換能器所安裝于的表 面發(fā)生的平面波組成。這些微流的平面特性影響了兆頻超聲波能量在槽 中的分布。 一種改善所述分布的方式是利用換能器來覆蓋槽的高比例的 表面積。另一種(但效率較低)的方式是對槽內(nèi)待處理的部件進行震蕩 或移動以使得所有表面都暴露于足夠高的兆頻超聲波能量。
已知清潔槽中的徑向模式超聲波活動可以從對驅(qū)動信號的頻率進 行掃描或改變的過程獲益。然而，工業(yè)領(lǐng)域中相信你無法對兆頻超聲波 頻率進行掃描，原因在于聲波過小且過弱以至于無法從掃描獲得任何好 處。此外，已經(jīng)認為因為厚度模式換能器和兆頻超聲波振動所產(chǎn)生的平
掃描兆頻超聲波頻率獲益,
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及具有一個或多個壓電換能器(PZT)的兆頻超聲波處理 設(shè)備和方法，所述壓電換能器在厚度模式下以超過300KHz的兆頻超聲 波頻率進行工作。以兆頻超聲波頻率工作的兆頻超聲波發(fā)生器利用可變 頻率的驅(qū)動信號來驅(qū)動所迷換能器，所述驅(qū)動信號在預(yù)定或可編程的掃 描頻率范圍內(nèi)變化或掃描。所述兆頻超聲波發(fā)生器以兆頻超聲波頻率產(chǎn) 生驅(qū)動信號來為所述兆頻超聲波壓電換能器供給能量以使得它們以其 兆頻超聲波共振頻率在厚度4莫式下振動。所述壓電換能器以兆頻超聲波 頻率發(fā)出能夠被用于諸如在充滿流體的槽中清潔物體之類的各種應(yīng)用 的能量。所述發(fā)生器在包括所有兆頻超聲波壓電換能器的共振頻率的掃 描頻率范圍內(nèi)重復(fù)地改變或掃描所述驅(qū)動信號的頻率。
本發(fā)明的另一方面包括將兆頻超聲波壓電換能器分為具有類似共
5振頻率的組，并且利用來自發(fā)生器的獨立頻率-掃描驅(qū)動信號為每個組供 以動力，所迷發(fā)生器在包括相關(guān)聯(lián)換能器組的共振頻率的掃描頻率范圍 內(nèi)工作。這將總的掃描頻率范圍細分為更小的子范圍，其可以重疊也可 不重疊，并且減小了每次頻率掃描的范圍。對換能器進行分組的影響是 成比例增加了任意特定換能器以其共振頻率或接近其共振頻率進行工 作的時間量，從而提高了效率。
本發(fā)明包括一種兆頻超聲波系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個或多個壓電換 能器以及一個或多個兆頻超聲波發(fā)生器，所述兆頻超聲波發(fā)生器被耦合 到換能器以用于以可選擇或可編程的頻率范圍和掃描速率提供變化頻 率的兆頻超聲波驅(qū)動信號。
例如，當使用兆頻超聲波過程對硅晶片或磁盤驅(qū)動介質(zhì)進行清潔 時，貫穿所有厚度模式的兆頻超聲波換能器的共振頻率對驅(qū)動信號進行
掃描將使得換能器所產(chǎn)生的兆頻超聲波能量均衡(叫ualize)并且將使得 換能器表現(xiàn)一致。這引起兆頻超聲波能量的更加均勻的分布以及改進的 性能。而且還能夠通過掃描換能器的共振頻率范圍而在液體處理、非破 壞性測試、醫(yī)學成像以及使用兆頻超聲波厚度模式換能器的其他過程中 實現(xiàn)同樣的改進的兆頻超聲波能量均勻性和功能性。頻率掃描過程還將 延長兆頻超聲波換能器的壽命，原因在于與以單個固定頻率進行工作相 比，這對換能器的壓力更小。頻率掃描過程還改進了在槽或其他設(shè)備內(nèi) 兆頻超聲波能量的均勻性，原因在于每個換能器至少在每個頻率掃描周 期的一部分期間以其共振頻率進行工作?？梢灶A(yù)期，使用兆頻超聲波頻 率的任何應(yīng)用或過程都將受益于通過貫穿所有換能器的共振頻率對驅(qū) 動信號進行掃描而產(chǎn)生的功率均勻分布。
優(yōu)化兆頻超聲波過程的效率的關(guān)鍵在于在利用兆頻超聲波所激勵 的輻射表面內(nèi)具有均勻的能量。為此，優(yōu)選地輻射表面面積的80%或更 多被厚度模式的兆頻超聲波換能器所覆蓋。此外，每個兆頻超聲波換能 器通過遍及換能器組的最高和最低共振頻率對驅(qū)動信號的頻率進行掃 描來產(chǎn)生恒定的兆頻超聲波能量。
為了獲得最佳性能，需要與結(jié)合到相同表面的其他兆頻超聲波換能 器基本上相同地向每個兆頻超聲波換能器供給能量。為了實現(xiàn)這一 目 的，貫穿所有換能器的共振頻率對驅(qū)動頻率進行掃描。對兆頻超聲波換 能器的共振頻率進行掃描在每個周期中的某一點處以每個換能器的共振頻率來驅(qū)動每個換能器。這提供了先前在工業(yè)中沒有實現(xiàn)的換能器性 能的一致性。
此外，兆頻超聲波換能器的頻4^3描減少了利用固^率的兆頻超聲波換能
器所，￡^到的"噴^^r'。噴^^被認為是利用固魏率的驅(qū)動信號在換能 器的共振頻率工作的換能器所產(chǎn)生的，這產(chǎn)生了在隋中該換能器上方的液體明顯 的向上噴涌。對兆頻超聲^M率驅(qū)動信號進行掃描確保了任何特定換能器都不會 在^^振頻率處^il^驅(qū)動，從而消除與噴^^i相關(guān)聯(lián)的向上噴涌。取而4仏, 由于所有換能器都在每個掃描周期期間某一點處以M振頻率高效工作，所以兆 頻超聲波能量絲中均勻分布。
與例如40 KHz的^1聲波相比，就兆頻超聲^M率而言頻率掃描更加引人注 目。已經(jīng)看到利用兆頻超聲波共振頻率掃描可得到500%至700%的功率分布改善， 并JLil^^木^^得多的處理。
該說明書中所描述的特4i^優(yōu)勢并非都是包舍性的，特別地，通過閱讀i^E 的附圖、說明書和權(quán)矛J^^，許多另外的特4i^優(yōu)勢對于本領(lǐng)域技^Mv員A^而 易見的。；H^卜，應(yīng)當注意的是，該說明書中所使用的語言主要是已經(jīng)出于可讀性
和指示性的目的而選擇的，而并非^it擇為對發(fā)明iJi進^^葛^K艮制，有必要
借助^U'漆求來確定這樣的發(fā)明M。
附圖簡述
圖l是根據(jù)本發(fā)明的兆頻超聲波處理系統(tǒng)的整體透視圖。
圖2是在本發(fā)明的兆頻超聲波處理系統(tǒng)中使用的槽的頂部透視圖。 圖3是所述槽的底部透視圖。 圖4是所述槽的側(cè)視圖。 圖5是所述槽的底部視圖。
圖6是兆頻超聲波處理系統(tǒng)的示意圖，和所述槽和附加的兆頻超聲 波換能器的截面圖，所述換能器具有發(fā)生器，所述發(fā)生器為所述換能器 提供驅(qū)動信號以便在所述槽中的液體中產(chǎn)生兆頻超聲波振動。
圖7是在本發(fā)明一個實施例中使用的驅(qū)動信號的頻率與時間關(guān)系圖。
圖8是在本發(fā)明另一個實施例中使用的兩個驅(qū)動信號的頻率與時間 關(guān)系圖，其中掃描周期與圖7相同。
圖9是在本發(fā)明另一個實施例中使用的兩個驅(qū)動信號的頻率與時間
7相同。 優(yōu)選實施例的詳細描述
附圖僅出于說明的目的而對本發(fā)明的各優(yōu)選實施例進行了描繪。本 領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)以下的討論中很容易意識到可以在不偏離這里所描例。
本發(fā)明的一個方面是具有兆頻超聲波發(fā)生器的兆頻超聲波處理設(shè) 備和方法，所述兆頻超聲波發(fā)生器具有可編程的掃描頻率范圍和可編程 的掃描速率。掃描頻率范圍是這樣的頻率或帶寬范圍，兆頻超聲波發(fā)生 器在該范圍內(nèi)輸出驅(qū)動信號以便在其共振頻率驅(qū)動一個或多個兆頻超 聲波厚度模式壓電換能器。掃描速率是每秒掃描共振頻率的次數(shù)。
優(yōu)選地，兆頻超聲波發(fā)生器包括具有允許用戶對掃描頻率范圍或帶 寬以及用于驅(qū)動信號的掃描速率進行選擇或編程的裝置的控制器或其 他控制設(shè)備。用戶將掃描頻率范圍和掃描速率的一個或多個組合輸入到 發(fā)生器的存儲器設(shè)備中。發(fā)生器根據(jù)用戶所選擇的掃描頻率范圍和掃描 速率來產(chǎn)生和榆出驅(qū)動信號。
例如，當在清潔應(yīng)用中使用時， 一個或多個兆頻超聲波壓電換能器 可以被安裝在槽的底部或側(cè)面，或者密封在所迷槽內(nèi)的可浸入容器中。
能器:、優(yōu)選地，;;能器是在厚度才莫式下工作的壓電晶體或壓電陶瓷'(也
稱作PZT)，例如鈦酸鋇或鋯鈦酸鉛。在相同過程中使用不同的掃描速
率或掃描頻率范圍可以增強對一些部件的清潔，原因在于某些頻率可能 比其他頻率更為有效。
用于對驅(qū)動信號的頻率進行掃描的設(shè)備被合并到用于產(chǎn)生驅(qū)動信 號的兆頻超聲波發(fā)生器中。所述發(fā)生器包括用戶接口，所述用戶接口包 括一個或多個輸入設(shè)備，例如旋鈕、撥號盤、軟件、鍵盤、圖形用戶界 面、網(wǎng)絡(luò)連接或其他輸入設(shè)備，其允許用戶設(shè)置發(fā)生器所工作于的掃描 頻率范圍或帶寬，并且還允許用戶設(shè)置發(fā)生器在被編程范圍內(nèi)進行掃描 的掃描速率。用于用戶對掃描頻率范圍和掃描速率進行編程的控制可以 是模擬或數(shù)字的。
如圖l-6中所示，本發(fā)明的一個實施例是清潔系統(tǒng)10,其包括容納清潔液或溶液14的石英清潔槽12以及一個或多個待清潔的片狀物 (piece) 15。通過附著于槽底部的一個或多個兆頻超聲波頻率換能器 16向清潔液14施加兆頻超聲波能量?？商鎿Q地，兆頻超聲波換能器16 可以被附著于所述槽的一個或多個側(cè)面或浸入所迷槽中。優(yōu)選地，兆頻 超聲波換能器16具有粘合結(jié)合(adhesively bonded)或以其他方式附于 金剛砂盤20—側(cè)的壓電元件(PZT) 18。金剛砂盤20的另一側(cè)粘合結(jié) 合或以其他方式附于清潔槽12的外側(cè)底表面。優(yōu)選地，處于金剛砂盤 20和槽12之間并且處于所述金剛砂、盤和壓電元件18之間的結(jié)合層 (bonding layer) 22由穿孔銅箔和阻抗匹配粘合劑構(gòu)成。可替換地，所 述結(jié)合層可以由用于將半導(dǎo)體芯片模片(die)結(jié)合于封裝襯底的環(huán)氧的 或其他粘合劑構(gòu)成。
壓電元件可以是正方形、矩形或圓盤或具有均勻厚度的其他形狀。 例如，為了以1000 KHz的額定頻率進行工作，壓電元件18將具有約0.08 英寸的厚度，金剛砂盤20將具有約0.19英寸的厚度，并且石英槽12的 底部將具有約0.20英寸的厚度。換能器16和清潔系統(tǒng)IO僅是包含本發(fā) 明的換能器和設(shè)備的一個示例。
如圖3-6所示，換能器16優(yōu)選為矩形并且被彼此平行排列。優(yōu)選 地，換能器16覆蓋了槽12底表面的大部分，優(yōu)選地至少80%。所希望 的是產(chǎn)生兆頻超聲波能量并且將其在換能器16所附于的表面的整個區(qū) 域內(nèi)均勻傳送到槽12和流體14。利用換能器覆蓋槽底部的高比例表面 積確保了傳送到流體14的兆頻超聲波能量相對均勻。
如圖6所示，通過可編程發(fā)生器26在電線24上提供的驅(qū)動信號來 驅(qū)動換能器16。發(fā)生器26由用戶通過用戶輸入或接口 28進行編程以設(shè) 置發(fā)生器所輸出的驅(qū)動信號的掃描頻率范圍或帶寬以及掃描速率。
兆頻超聲波頻率壓電換能器在厚度模式下工作，這樣所施加的電壓 使得換能器的厚度擴展和收縮。這些擴展和收縮通過所述金剛砂諧振器 20和槽12傳送到槽中的流體14和物體15。如圖6所示，如果換能器 16位于槽12的底部上，則這些兆頻超聲波頻率振動主要是水平波17。 波向上傳播并且傳遞從槽中物體15清潔或分離出的粒子。這是被稱作 微流的過程，其中存在遠離兆頻超聲波能量源的向上的凈移動。如
圖1 和2所示，所述槽具有多余流體和粒子在其上流過的堰(weir) 21以及 對流體進行再循環(huán)和清潔的泵23和過濾器25。共振頻率通常是換能器的機械和電氣性質(zhì)能夠最高效地傳送聲波 的頻率。在工作于厚度模式的兆頻超聲波換能器中，換能器的厚度決定
了共振頻率。例如，0.08英寸厚的換能器具有約1000 KHz的共振頻率。 0.065英寸厚的換能器具有約1230 KHz的共振頻率。0.050英寸厚的換 能器具有約1600 KHz的共振頻率。術(shù)語"共振頻率"在這里被用來表 示所安裝的換能器具有自然共振的最低基本頻率。
如以上所提到的，厚度為0.080英寸的壓電換能器具有1000 KHz 的基本共振頻率。這樣的換能器的厚度公差對于共振頻率具有明顯的影 響。0.001英寸的厚度變化會引起12.5 KHz的共振頻率變化。而且，換 能器的兩個主要表面應(yīng)當是平坦且共面(co-planar)的，但是任何變化 還是會影響共振頻率。即使從性能的觀點看希望所有換能器具有完全相 同的共振頻率，但是從制造公差的觀點來看這是不切實際的。然而，本 發(fā)明的頻率掃描克服了這一 障礙。
本發(fā)明的一個優(yōu)勢在于貫穿所有換能器的共振頻率對驅(qū)動信號的 頻率進行掃描可以將聲波均等地分布在換能器之間。這^f吏得有可能在整 個槽內(nèi)具有基本均等的兆頻超聲波能量。這是重要的，原因在于厚度模
"聲波。^通過正好曰在^能口器日的最;高和最低共振頻率外進:掃描能夠最好 地實現(xiàn)兆頻超聲波能量的均勻分布。
本發(fā)明的另一個優(yōu)勢在于其考慮到換能器的共振頻率的公差。如果 共振頻率的偏差(variance)被最小化，則性能最佳。選擇具有完全相 同的共振頻率的換能器將有助于使得偏差最小化(不過成本有所增加)， 但是即使這樣用來安裝所迷換能器的粘合劑或其他粘合材料也會帶來 些許偏差，原因在于厚度的任何變化都會引起厚度才莫式應(yīng)用的頻率有所 變化。根據(jù)本發(fā)明對驅(qū)動信號的頻率進行掃描考慮了這樣不可避免的變 化。
本發(fā)明的再另一個優(yōu)勢在于其減少了槽中流體的噴涌。在不對驅(qū)動 信號進行掃描的情況下，處于或接近驅(qū)動信號的頻率的換能器趨于產(chǎn)生 將流體上推的強有力的向上力，有時將流體向上推至表面水平上方兩英 寸那么高。由于這樣的表面噴涌在其再循環(huán)時導(dǎo)致空氣混入流體中，而 這會與兆頻超聲波過程相干擾，所以它是個問題。因為如果液體是溶劑， 則其會在空氣中蒸發(fā)并且會對操作者或該區(qū)域中的人有害，尤其是流體是酸或其他危險材料更是如此，所以就此而言噴涌也是個問題。利用本 發(fā)明對驅(qū)動信號進行掃描減少了這些問題。
如圖7所示，發(fā)生器26隨時間而改變驅(qū)動信號的頻率。例如，所 述驅(qū)動信號的頻率在編程的掃描頻率范圍30內(nèi)以鋸齒圖案線性變化， 所述掃描頻率范圍30包括所有兆頻超聲波換能器16的共振頻率31。所 述發(fā)生器的掃描頻率范圍或帶寬由用戶進行編程并被存儲在與發(fā)生器 26相關(guān)聯(lián)的存儲器設(shè)備中。所迷頻率變化的速率由用戶編程的掃描速率 來確定并且被存儲在發(fā)生器的存儲器設(shè)備中。能夠?qū)Πl(fā)生器進行編程以 根據(jù)其他函數(shù)或程序來改變驅(qū)動信號的頻率，而無需局限于形成如圖7 所示的鋸齒圖案或三角波的線性函數(shù)。例如，頻率的變化可以是正弦、 指數(shù)以及其他函數(shù)。驅(qū)動信號本身可以是正弦曲線、方形、三角形或其 他波形。掃描速率對于向上掃描(增加頻率)和向下掃描(降低頻率) 而言無需相同。優(yōu)選地，用戶還能夠設(shè)置周期的數(shù)目并且能夠確定發(fā)生 器切斷驅(qū)動信號時的靜寂時間(resttimes)。
在清潔應(yīng)用中，通過單個換能器而不是多個換能器可以對一些部件 進行最佳清潔。在這樣的配置中，能夠通過使用所編程的用于識別最優(yōu) 共振頻率并且在所定義范圍內(nèi)通過該頻率進行掃描的軟件程序來增強 換能器的性能。為了得到最佳結(jié)果，能夠在1%或更小的掃描范圍內(nèi)對 驅(qū)動頻率進行掃描以確保所述換能器的共振頻率被反復(fù)激勵。本發(fā)明的 好處在于其降低了共振頻率漂移的不利影響，原因在于如果掃描范圍或 帶寬足夠?qū)?，則即使共振頻率隨時間而改變，每個換能器的共振頻率也 會在每個周期被激勵。
一般地，多個兆頻超聲波換能器16被用于給定的任務(wù)或過程，在 這種情況下，通常利用相同的發(fā)生器和驅(qū)動信號來驅(qū)動所有的換能器。 然而，在使用多個換能器的情況下，由于換能器之間的性能變化和制造 公差的緣故，可能不存在單個最優(yōu)頻率。生產(chǎn)公差使得兆頻超聲波換能 器具有3%至4%范圍內(nèi)的共振頻率。例如，在1000 KHz， 4%的范圍會 比額定1000 KHz多或少20 KHz,或980至1020 KHz的范圍。
根據(jù)本發(fā)明，在這樣的應(yīng)用中，重復(fù)地掃描驅(qū)動信號的頻率以確保 換能器16在至少一些時間工作于其共振頻率或其共振頻率附近是適當 的。為了使每個換能器16工作于其共振頻率或其共振頻率附近，發(fā)生 器在預(yù)定掃描頻率范圍內(nèi)進行掃描，所述掃描頻率范圍^皮設(shè)計為達到換能器組的最低和最高共振頻率31。發(fā)生器26的掃描頻率函數(shù)覆蓋了該 偏差范圍。頻率掃描函數(shù)可以是固定的或者其可以;故編程為能夠相對于 速度(每秒的掃描)或范圍(最小和最大頻率)而變化。
本發(fā)明的另一個方面涉及根據(jù)換能器的共振頻率將兆頻超聲波壓 電換能器分成多個組，并且利用獨立的可變頻率驅(qū)動信號來驅(qū)動每個 組。將具有相似共振頻率的換能器被集合在一起來減小這樣的頻率范 圍，其中發(fā)生器必須在所述頻率范圍內(nèi)進行掃描以便于在其共振頻率或 其共振頻率附近操作換能器組。減小掃描的頻率范圍增加了每個換能器 在其共振頻率或其共振頻率附近工作的時間。
如果特定應(yīng)用需要，則隨著掃描頻率覆蓋的范圍減小，掃描速率會 增大以產(chǎn)生更多活動，或者如果掃描速率保持不變，則重復(fù)率增大。結(jié) 果是在每個換能器的共振頻率處兆頻超聲波傳輸會更強，原因在于掃描 覆蓋了較短的跨度并且換能器在其共振頻率或其共振頻率附近工作的 時間比例更大，這提高了兆頻超聲波過程的效率。
這一點在圖7、 8和9中示出。在圖7中，單個發(fā)生器在范圍30內(nèi) 的最小和最大頻率之間對驅(qū)動信號進行掃描。在圖8中，兩個發(fā)生器被 用來覆蓋相同的整體范圍，但是每個發(fā)生器覆蓋作為全部范圍30的一 半的子范圍32。 一半的換能器具有上部子范圍32'中的共振頻率31',而 另一半換能器具有下部子范圍32"中的共振頻率31"。在圖7和8中，每 單位時間的掃描次數(shù)相同。在圖9中，掃描頻率的變化速率與圖7中相 同，但是范圍減半，所以在相同時間段內(nèi)出現(xiàn)兩倍的掃描次數(shù)。
如一個分組示例，假設(shè)在過程中使用的12個兆頻超聲波換能器具 有以下額定的共振頻率(KHz):
1010 1030 1015 1007 1019 1004 1027 1038 1022 1014 1031 1040 這些頻率在從最小1004KHz到最大1040 KHz的范圍內(nèi)變動，總范圍為 以1022 KHz為中心的36 KHz ( ± 18KHz)。掃描驅(qū)動信號的頻率以包 括所有12個換能器的共振頻率將需要總的36 KHz的掃描。
這12個換能器可被分為兩組A和B以減小掃描范圍 發(fā)生器A 發(fā)生器B 1004 1014 1022 10311007 1015 1027 1038
1010 1019 1030 1040
由發(fā)生器A驅(qū)動的換能器在從1004 KHz到1019 KHz的范圍內(nèi)變動，總 范圍為以1011.5 KHz為中心的15KHz ( ±7.5 KHz)。由發(fā)生器B驅(qū)動 的換能器在從1022 KHz到1040 KHz的范圍內(nèi)變動，總范圍為以1031 KHz為中心的18 KHz ( ±9 KHz)。通過將換能器根據(jù)其共振頻率進行 分組并且減小每個掃描發(fā)生器的掃描范圍，每單位時間的掃描次數(shù)能夠 增加或者掃描速率能夠降低，其中任何一種都允許換能器在其共振頻率 或其共振頻率附近被更頻繁地驅(qū)動，這會增強兆頻超聲波過程。
在實際的實踐中，將掃描頻率范圍設(shè)置為略處于相關(guān)聯(lián)換能器的最 大和最小共振頻率之外。所以，在以上示例中，發(fā)生器A的掃描頻率范 圍可以;故設(shè)置為1003至1020 KHz或1002至1021 KHz,而發(fā)生器B的 掃描頻率范圍可以被設(shè)置為1021至1041 KHz或1020至1042 KHz。這 確保了每個換能器在每個頻率掃描周期中在其共振頻率之上和之下都
進行工作，并且還考慮到共振頻率由于加熱或其他變化而發(fā)生的偏移。 能夠在單獨系統(tǒng)或過程內(nèi)對換能器進行分組，或者在多個同時運行
的系統(tǒng)和過程之中對換能器進行分組。例如，如果存在兩個均具有多個 換能器的槽，并且兩個槽將被同時使用，則能夠從兩個槽上的所有換能 器的較大范圍內(nèi)對換能器進行分組。因為由單個發(fā)生器供以動力的換能 器不必彼此相鄰或者與組中待使用的相同槽 一起使用，所以可以進一步 選擇分組來產(chǎn)生更為一致的結(jié)果。因為所有換能器同時運行，所以換能 器布局的設(shè)計者能夠?qū)⒆⒁饬杏谑沟梅纸M效率最大化而不必考慮 這些組的成員位于何處。
作為在多個同時進行的過程之中進行分組的示例，假設(shè)先前示例中 所陳述的相同的12個兆頻超聲波換能器位于兩個不同的槽上
槽1槽2
1010103010151007
1019100410271038
1022101410311040
槽1和2的12個換能器根據(jù)共振頻率而被分為兩個組并且由發(fā)生 器A和B如下驅(qū)動(槽編號在括號中示出) 發(fā)生器A 發(fā)生器B訓4(1) 1007(2) 1010(1)
1014(1) 1015(2) 1019(1)
1022(1) 1027(2) 1030(1)
1031(2) 1038(2) 1040(2)
發(fā)生器A驅(qū)動槽1的四個換能器和槽2的兩個換能器。發(fā)生器B驅(qū) 動槽1的兩個換能器和槽2的四個換能器。由于所有的換能器同時運行， 所以該分組允許兩個發(fā)生器在較小范圍內(nèi)進行掃描。
因此，在其中使用多個槽和系統(tǒng)的清潔和其他過程中，多個槽或系 統(tǒng)中的換能器的全部成員能夠被組合以創(chuàng)建要被集合在一起的最優(yōu)頻 率分類，其中每個組由不同的掃描發(fā)生器供以動力。例如，在使用四個 槽的四個過程中，來自所述四個槽中的任何或所有槽的換能器可以被聯(lián) 網(wǎng)在一起以獲得供掃描的最優(yōu)頻率范圍。當然，對于這樣的分組而言， 所有的過程必須同時有效(active)。
本發(fā)明的另一方面是構(gòu)造兆頻超聲波換能器16以及使用穿孔金屬 層和阻抗匹配粘合劑將其附于諸如槽12的底部之類的另一結(jié)構(gòu)。如圖4 和6所示，兆頻超聲波換能器16優(yōu)選地具有處于壓電元件18和清潔槽 12的表面或換能器所附于的其他結(jié)構(gòu)之間的金剛砂盤20。壓電元件18 被結(jié)合到金剛砂盤20，并且該組件利用由穿孔金屬箔(優(yōu)選為銅)和粘 合劑所構(gòu)成的結(jié)合層而結(jié)合到槽12。
穿孔銅(或其他金屬)箔改善了結(jié)合層22的平坦性和厚度均勻性。 穿孔銅具有預(yù)定厚度，該厚度允許粘合劑被均勻分布，由此避免了沒有
穿孔金屬提供可控的平坦結(jié)構(gòu)以保持粘合劑厚度的均勻性。穿孔金屬還 用作壓電元件和金剛砂盤之間的電極。
本發(fā)明的應(yīng)用并不局限于清潔應(yīng)用。對于兆頻超聲波換能器進行聲 學能量掃描的相同原理能夠被應(yīng)用于兆頻超聲波能量的微流的其他使 用，例如非破壞性測試，或者使用具有至少300KHz的基本共振頻率的 厚度^f莫式換能器的任何其他應(yīng)用。掃描兆頻超聲波換能器產(chǎn)生了更大的 能量爆發(fā)，其產(chǎn)生了改進的且更強的微流活動，這提高了微流清潔以及 其他微流使用的效率。微流是通過釋放超聲能量而產(chǎn)生的賦能液體的流 動，所述超聲能量太弱以至于無法引起氣穴現(xiàn)象。在超過300KHz的頻 率，氣穴現(xiàn)象不再出現(xiàn)，但是兆頻超聲波頻率能量產(chǎn)生液體的流動。
通過以上描述，將會明白這里所公開的發(fā)明提供了利用可變頻率的勻性。驅(qū)動信號的新潁且具備優(yōu)勢的兆頻超聲波處理設(shè)備和方法。以上討論僅 公開和描述了本發(fā)明的示例性方法和實施例。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理 解的，可以在不頻率本發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì)特性的情況下以各種其他形式 來實現(xiàn)本發(fā)明。因此，本發(fā)明的公開旨在進行說明而并非對本發(fā)明的范 圍進行限定，本發(fā)明的范圍在以下權(quán)利要求中給出。
權(quán)利要求
1.一種兆頻超聲波處理設(shè)備，包括一個或多個壓電換能器，每個壓電換能器具有至少300KHz的基本共振頻率；適于容納流體和待處理的一個或多個部件的槽，其中所述一個或多個換能器適于向所述槽及其內(nèi)容物提供振動；發(fā)生器，被耦合到換能器以用于在遍及包括所有換能器的共振頻率的頻率范圍內(nèi)以可變頻率提供驅(qū)動信號。
2. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述發(fā)生器具有可調(diào)節(jié)的掃描 速率和可調(diào)節(jié)的頻率范圍。
3. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述掃描速率在每秒50至1200 次掃描的范圍中。
4. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備具有至少四個換能器 和兩個發(fā)生器，其中換能器按類似的共振頻率來分組，并且其中每組換 能器由產(chǎn)生驅(qū)動信號的獨立發(fā)生器供以動力，所述驅(qū)動信號具有在包括 其相關(guān)聯(lián)組的所有換能器的共振頻率的頻率范圍內(nèi)變化的可變頻率。
5. 如權(quán)利要求1所迷的設(shè)備，其中所述壓電換能器在厚度模式下 工作。
6. —種兆頻超聲波處理系統(tǒng)，包括兩個或更多槽，每個槽適于容納流體和待處理的一個或多個部件； 耦合到每個槽的一個或多個壓電換能器，每個換能器具有至少300KHz的基本共振頻率，其中換能器能夠向所述槽及其內(nèi)容物提供振動；耦合到換能器的兩個或更多發(fā)生器，其用于向換能器提供驅(qū)動信 號，其中換能器按類似的共振頻率來分組，并且其中每組換能器由產(chǎn)生 驅(qū)動信號的獨立發(fā)生器供以動力，所述驅(qū)動信號具有在包括其相關(guān)聯(lián)組 的所有換能器的共振頻率的頻率范圍內(nèi)變化的可變頻率。
7. —種兆頻超聲波清潔設(shè)備，包括一個或多個壓電換能器，每個壓電換能器具有在厚度模式下以至少 300 KHz的頻率振動的基本共振頻率；適于容納清潔流體和待清潔的一個或多個部件的槽，所述一個或多個換能器適于向所迷槽中的清潔流體和部件提供振動；耦合到所述一個或多個換能器的發(fā)生器，其用于以預(yù)定頻率范圍和掃描速率提供驅(qū)動信號，其中所述頻率范圍包括所有所述一個或多個換 能器的共振頻率，并且其中所述發(fā)生器包括用于針對驅(qū)動信號限定掃描 頻率范圍和掃描速率的可編程裝置。
8. —種兆頻超聲波處理方法，包括提供一個或多個壓電換能器，每個換能器具有至少300KHz的基本 共振頻率；提供適于容納流體和待處理的一個或多個部件的槽，其中所述一個 或多個換能器被耦合到所述槽并且適于向所述槽及其內(nèi)容物提供振動；產(chǎn)生驅(qū)動信號并將其提供給換能器，其中所述驅(qū)動信號具有遍及包 括所有換能器的共振頻率的頻率范圍的可變頻率。
全文摘要
兆頻超聲波處理設(shè)備和方法具有一個或多個壓電換能器，所述壓電換能器在厚度模式下以至少300KHz的基本共振頻率進行工作。發(fā)生器利用可變頻率的驅(qū)動信號向換能器供以動力，所述可變頻率的驅(qū)動信號在預(yù)定掃描頻率范圍內(nèi)變化或掃描。所述發(fā)生器在包括所有換能器的共振頻率的掃描頻率范圍內(nèi)重復(fù)地改變或掃描所述驅(qū)動信號的頻率。
文檔編號H01L41/09GK101517766SQ200780017619
公開日2009年8月26日 申請日期2007年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月17日
發(fā)明者J·邁克爾·古德森 申請人:J·邁克爾·古德森