[发明专利]具有厚度模式换能器的频率扫描的兆频超声波处理设备

说明书

相关申请

本申请要求J.MichaelGoodson发明的于2007年3月16日提交的 题为“MEGASONICPROCESSINGAPPARATUSWITHFREQUENCY SWEEPINGOFTHICKNESSMODETRANSDUCERS”的美国专利申请 和于2006年3月17日提交的题为“MEGASONICPROCESSING APPARATUSWITHFREQUENCYSWEEPING”的共同未决的美国临时 申请号60/783,213的优先权。在此将这些在先申请并入本文作为参考。

发明领域

本发明总体上涉及包含一个或多个压电换能器(transducer)的兆频 超声波处理设备和相关联的方法，所述压电换能器在厚度模式(thickness mode)下以至少300KHz或更高的兆频超声波(megasonic)频率进行 工作，并且尤其涉及通过在预定或可编程的跨所有换能器共振频率的频 率范围内扫描驱动信号的频率来提高性能。

相关技术描述

兆频超声波处理包括以300KHz以上的频率产生并使用高频能量。 许多兆频超声波系统以处于或接近1000KHz或1兆赫兹的频率进行工 作。虽然对于许多应用而言，1MHz是一致同意的优选频率，但是频率 范围可达到远远高于此的10MHz频率。兆频超声波系统的典型应用包 括清洁精密物体，例如半导体晶片或磁盘驱动介质。这样的兆频超声波 清洁处理包括将待清洁的物体置于充满流体(fluid)的槽(tank)中， 并且以兆频超声波频率向所述槽的一个或多个辐射面施加振动能量。一 个或多个压电换能器被用来产生振动能量。发生器(generator)以换能 器的共振频率提供交流驱动信号。兆频超声波换能器在厚度模式下工 作，其中通过引起换能器的交替扩展和收缩(主要是扩展和收缩换能器 的厚度)的交流驱动信号来激励压电元件。厚度为0.080英寸的压电换 能器具有1000KHz的基本(厚度模式)共振频率。

兆频超声波处理与超声波处理有一些类似之处，超声波处理涉及较 低的基本频率(典型地从约25KHz到约192KHz)。典型地，超声波 换能器是质量平衡的(mass-balanced)，在压电元件的任一侧上具有惰 性质量，并且移动的重要径向分量与厚度分量成直角。超声波换能器的 一种常见构造是在两个质量之间堆叠多层的环形压电元件，并且利用轴 压缩栓将组件保持在一起。超声波清洁是基于气穴现象(cavitation)， 这是流体中气泡的形成和破裂。

在用于兆频超声波清洁的频率不会发生显著的气穴现象，所以清洁 动作基于另一种被称作微流(micro-streaming)的机制，其是从兆频超 声波换能器流出的分离粒子的一般性流。该流由在换能器所安装于的表 面发生的平面波组成。这些微流的平面特性影响了兆频超声波能量在槽 中的分布。一种改善所述分布的方式是利用换能器来覆盖槽的高比例的 表面积。另一种(但效率较低)的方式是对槽内待处理的部件进行震荡 或移动以使得所有表面都暴露于足够高的兆频超声波能量。

已知清洁槽中的径向模式超声波活动可以从对驱动信号的频率进 行扫描或改变的过程获益。然而，工业领域中相信你无法对兆频超声波 频率进行扫描，原因在于声波过小且过弱以至于无法从扫描获得任何好 处。此外，已经认为因为厚度模式换能器和兆频超声波振动所产生的平 面特性并且由于与超声波相比不同的清洁机制起作用的缘故而不会从 扫描兆频超声波频率获益。

发明内容

本发明涉及具有一个或多个压电换能器(PZT)的兆频超声波处理 设备和方法，所述压电换能器在厚度模式下以超过300KHz的兆频超声 波频率进行工作。以兆频超声波频率工作的兆频超声波发生器利用可变 频率的驱动信号来驱动所述换能器，所述驱动信号在预定或可编程的扫 描频率范围内变化或扫描。所述兆频超声波发生器以兆频超声波频率产 生驱动信号来为所述兆频超声波压电换能器供给能量以使得它们以其 兆频超声波共振频率在厚度模式下振动。所述压电换能器以兆频超声波 频率发出能够被用于诸如在充满流体的槽中清洁物体之类的各种应用 的能量。所述发生器在包括所有兆频超声波压电换能器的共振频率的扫 描频率范围内重复地改变或扫描所述驱动信号的频率。