具有匹配的转换器和安装板的兆声波多频装置的制造方法
【专利说明】具有匹配的转换器和安装板的兆声波多频装置
[0001]分案申请
本申请为分案申请。原申请的申请号为201080061384.8，申请日为2010年11月10日，发明名称为“具有匹配的转换器和安装板的兆声波多频装置”。
技术领域
[0002]本发明总体上涉及兆声波处理装置以及涉及两个或更多个以厚度模式在至少300KHZ或更高的不同兆声波频率下操作的压电转换器的相关方法，并且更具体地涉及通过将多频转换器的基础共振或更高水平谐波频率与所述转换器安装于其上的板或其他安装结构的基础共振或更高水平谐波频率进行匹配来改进性能。
【背景技术】
[0003]兆声波处理涉及生成和使用高于300KHZ的频率下的高频能量。许多兆声波系统在ΙΟΟΟΚΗζ (1MHz)或接近ΙΟΟΟΚΗζ (1MHz)的频率下操作。虽然对许多应用而言1MHz是一致认定的优选频率，但频率范围会变得更高，所述频率可高达10MHz。兆声波系统的典型应用包括清洁易碎物体，例如半导体晶片和磁盘驱动介质。这种兆声波清洁过程涉及将待清洁物体放置在充满流体的箱体中，并且施加兆声波频率下的振动能量至箱体的一个或多个辐射表面。一个或多个压电转换器(PZT)用于生成振动能量。PZT被结合或以其他方式附接至板或箱体而无需外部压力或压缩。振荡器供应交流电驱动信号至转换器。兆声波转换器以厚度模式操作，其中压电元件通过导致转换器的交替膨胀和收缩一主要是转换器的厚度的膨胀和收缩的交流电驱动信号被激励。具有0.080英寸厚度的压电转换器具有ΙΟΟΟΚΗζ的基础厚度模式共振频率。较薄的ΡΖΤ将具有厚度模式下的较高共振频率，而较厚的ΡΖΤ将具有厚度模式下的较低共振频率。已为人们所知的是，如我的美国专利7598654中阐述的，遍及整个频率范围扫描驱动频率，从而改进高频率能量的分布和均匀性。
[0004]兆声波处理在比超声波处理更高的频率下发生，超声波处理涉及通常在25ΚΗζ至40ΚΗζ范围内的基础频率以及大约300ΚΗζ的最高水平的向上谐波。超声波转换器通常是质量平衡的，在压电元件的两侧上具有惯性质量，并且具有与厚度成直角的明显的径向移动分量。ΡΖΤ是中心切除的圆形环，并且它们的频率由内径与外径的关系决定。超声波转换器的一个常见构造是，在两个质量块之间堆叠一个或多个环形压电元件，并且通过轴向压缩螺栓将该组件保持到一起。压缩径向ΡΖΤ会增加其振动振幅，这与厚度模式ΡΖΤ发生的情况正好相反。超声波清洁基于气穴现象，该现象是流体中的气泡的形成和破碎。
[0005]在用于兆声波清洁的频率下，不会发生明显的气穴现象，从而所述清洁作用基于称为微流动的另一种机理，所述微流动是分离的颗粒从兆声波转换器流开的总体流动。这种流动包括在安装了转换器的表面处起源的平面波。如果转换器安装在箱体的底部上，那么平面波沿着竖直方向向上移动。这些微流动的平面特性影响兆声波能量在整个箱体中的分布。在兆声波转换器之间的反向空点或间隙之间具有很小或没有活性。使分布最大化的一种方式是用转换器覆盖箱体表面区域的很高百分比(例如80-90%)。另一个但效率不高的方式是使待处理部件在更个箱体中振荡或移动，使得所有表面暴露至足够高的兆声波能量。
[0006]已为人们所知的是，如在例如美国专利6019852中示出的，在超声波装置中使用不同频率的多个转换器。该专利公开了将较低频率转换器安装到比较高频率转换器更厚的板上，从而抵抗由所述较低频率转换器导致的过度腐蚀。
【发明内容】
[0007]本发明涉及一种具有以厚度模式在至少300KHZ的基础共振频率下操作的两个压电转换器(PZT)的兆声波处理装置。第一和第二转换器具有对应且不同的第一和第二操作频率。为了安装转换器而设置了安装板。在第一转换器的位置处，安装板具有第一厚度并且具有大体上等于第一操作频率的基础共振或谐波频率。在第二转换器的位置处，安装板具有第二厚度并且具有大体上等于第二操作频率的基础共振或谐波频率。所述装置还包括容纳液体以及一个或多个待处理部件的箱体。所述安装板操作性地联接至箱体，以便转换器提供振动至箱体以及其容纳物。所述装置还包括联接至转换器以便在第一和第二操作频率下供应驱动信号的一个或多个振荡器。
[0008]所述安装板具有匹配至转换器的操作频率的共振频率。在本发明的一个实施方式中，所有转换器都具有大体上相同的尺寸，但是某些转换器在基础共振频率下操作而其他转换器在第三谐波频率下操作。所述安装板具有均匀厚度并且具有大体上等于转换器的基础共振频率的基础共振频率，并且还具有大体上等于转换器的第三谐波频率的第三谐波频率。例如，转换器具有大约470KHz的基础共振频率以及大约1560KHZ的第三谐波频率。因此，安装板具有大约470KHz的基础共振频率以及大约1560KHZ的第三谐波频率，从而匹配转换器。
[0009]所述实施方式具有如下优点:安装板具有均匀厚度并且第三谐波转换器与基础共振频率转换器的尺寸相同。备选地，较高频率转换器可基于在其基础共振频率而非较高等级的谐波频率下被驱动的较薄的PZT。例如，0.23英寸厚的PZT将具有470KHZ的基础共振频率以及1560KHZ的第三谐波频率，而所述PZT的厚度将必须降低至大约0.05英寸以获得1560KHZ的基础共振频率。在其第三谐波频率下操作的较厚的PZT比在其基础共振频率下操作的较薄的PZT更耐用并且更抗破裂变形。
[0010]优选地，具有多个第一转换器(在基础共振频率下操作)以及多个第二转换器(在第三谐波频率下操作)并且它们以交替顺序布置在安装板上。转换器以厚度模式操作并且优选地是长度横越安装板的一个尺寸延伸的长矩形。
[0011]在其他实施方式中，所述安装板具有非均匀厚度。例如，安装板可以不匹配转换器的基础和谐波频率。安装板和转换器的基础共振频率可能匹配，而第三谐波频率不匹配。在这种情况中，安装板的厚度在第二转换器的安装位置处被调节，使得第三谐波频率被匹配。备选地，安装板和转换器的第三谐波频率可以匹配，但基础共振频率不匹配。为了匹配基础共振频率，安装板的厚度在第一转换器的安装位置处被调节。
[0012]在另一个实施方式中，所述安装板具有不同厚度，该厚度选定为使得其基础共振频率匹配对应的第一和第二转换器的操作频率。转换器的安装位置处的安装板的厚度被选定为允许该安装板在转换器的操作频率下以其基础共振模式来共振。安装板的厚度在较高频率转换器的位置将更薄。可通过机加工较厚的板以去除过量材料来得到较高频率转换器的位置处的安装板的减小的厚度。备选地，所述板可以具有匹配转换器的较高操作频率的基础共振频率的薄板开始，并且可增加额外材料来使厚度增加至匹配较低操作频率的基础共振频率所需的厚度。另一个备选方案是在样式设置成得到安装板的期望厚度的铸模或模具中模具铸造或模制安装板。模具铸造或模制过程可使用铝或其他金属。粉末金属可用作制造安装板的材料。优选地，具有多个在基础共振频率下操作的第一转换器以及多个在不同的基础共振频率下操作的第二转换器。这些转换器以交替顺序布置在安装板上。转换器以厚度模式操作并且优选地是长度横越安装板的一个尺寸延伸的长矩形。
[0013]在又一个实施方式中，设置了具有在频率范围内的多个不同操作频率的多个转换器的阵列。可以从最低到最高操作频率的顺序或另外以其他非顺序布局来布置转换器。该实施方式将与包括运输机构的箱体一起使用，运输机构将待处理部件从箱体的一端运送至另一端，由此使它们经受由转换器发出的所有各种频率。
[0014]说明书中描述的特征和优点并不是穷尽性的，更具体地说，所属领域技术人员在考虑本申请的附图、说明书以及权利要求书之后将清楚许多额外的特征和优点。此外，应当指出，说明书中使用的语言原则上选定为用于易读性和解说目的，并且可能不是选定为描绘或界定本发明的主题，要确定本发明的主题则需要求助于权利要求书。
【附图说明】
[0015]图1是根据本发明的兆声波多频处理系统的总立体图。
[0016]图2是本发明的兆声波多频处理系统中使用的箱体的顶部立体图。
[0017]图3是箱体的底部立体图。
[0018]图4是箱体的侧视图。
[0019]图5是箱体的仰视图。
[0020]图6是兆声波多频处理系统的示意图以及箱体和附接到其上的兆声波转换器的剖视图，所述兆声波转换器具有供应驱动信号至转换器从而在所述箱体内的液体中形成兆声波振动的振荡器。
[0021]图7是本发明的一个实施方式中使用的驱动信号的频率与时间的图表。
[0022]图8(a)和8(b)是作为传播穿过金属安装板的超