超聲波（bō）清洗係統的設計與改進

目前在清洗（xǐ）行業，超（chāo）聲（shēng）波清洗技術得到了極其廣泛的應用。

超聲波清洗係（xì）統的工作原理

超聲波發（fā）生器的種類很多，大致可分（fèn）為兩種類型：機械型和電聲型。

機械型（xíng）超聲波發生器直接用機械方法使物體振動而產生超聲（shēng）波。常見的機械型超聲波發生器都是流體動力（lì）式的，即利用（yòng）高（gāo）壓流體為動（dòng）力（lì）來產生超（chāo）聲波。如旋笛是（shì）使流體以每秒幾萬次的頻率斷（duàn）續從噴口噴出，在媒質中產生超聲波。而空腔哨、簧（huáng）片哨是使高（gāo）壓流體連續地從噴口噴出，撞擊放在噴口（kǒu）前的（de）空（kōng）腔或簧片，引起共（gòng）振在（zài）媒質中產生超聲波。

電聲型超聲波發生器是應用得更廣泛的。它是利用電磁能量轉換成機械波能量。這（zhè）種能量（liàng）的轉（zhuǎn）換是通過電（diàn）聲換能器來完成的。電聲（shēng）換能器的作用是將高頻率（lǜ）電源的（de）電磁（cí）振蕩能量轉換機械振動的能量而發生超聲波。

電聲換能器有壓電式（電致伸縮）和磁致伸（shēn）縮兩種。壓電式換能器是用壓電（diàn）材料（如石英、酒（jiǔ）石酸鉀鈉、磷（lín）酸鉀、鈦酸頓、鋯鈦酸鉛）製成的。

產生超聲波的逆（nì）壓電效應原理可用圖5-71加以說明。

由（yóu）鈦酸頓（BaTiO₃）或錯鈦酸鉛等晶體組成的壓電陶瓷材料有一種特殊的電學性質：在受到外部應力作用時，處於（yú）壓縮狀態或伸長狀態（tài）時都會（huì）形成電壓，稱為（wéi）壓電效應；而在壓電陶瓷材料外部兩端加有電壓時，它又會產生伸縮的機械振動，稱為逆壓電（diàn）效應。當外部加有交變電壓（yā）時，它（tā）就會產生（shēng）壓縮或伸張的連（lián）續變化並產生超聲波。這種逆壓電效應就是（shì）壓電式換能器產生超聲波的原理。如（rú）圖5-71所示（shì），當壓電材料與40kHz的交變電場相連時，就產生同頻（pín）率（40kHz）的超聲波（bō）。這種產（chǎn）生超聲波的方式叫電致伸縮。而（ér）磁致伸縮換能器是利用某些鐵（tiě）磁體（tǐ）（如純鐮、鐮鑽合金及鐵氧體）材料的磁致效應製成的。用鐵（tiě）磁體作成線（xiàn）圈的鐵芯，當高頻電流通過（guò）線圈時，隨著（zhe）鐵芯中磁場強度（dù）周期性（xìng）變化，鐵芯長度就作周期性伸縮變化而激發出超聲波。這種產生超聲波的方法（fǎ）叫磁（cí）致伸（shēn）縮。

圖5-71逆壓電（diàn）效應示（shì）意（yì）圖

由於超（chāo）聲波發生器的尺寸可以做得較小，以致單位（wèi）麵積上（shàng）所發出的超（chāo）聲波功率可以達到（dào）較大，一般超聲波發生器的電源功率在100W〜10kW之間，而單位麵積上發射的超聲波功率（輸出功率密度）一般（bān）可達0.1~1.0W/cm³。例如一種用於清洗小（xiǎo）型精密儀器零件、鍾表、軸承、電子設備部件以及（jí）光學透鏡的（de）超聲波清洗器，它的容積約為13dm³（長340mm，寬210mm，深195mm），是（shì）靠磁致伸縮的鐵磁體發生的超聲波進行清洗的（de）。

它是輸出功率為300W的單槽洗（xǐ）淨機。隨著超聲波清洗器規（guī）模的擴大，效率（lǜ）也不斷提高。種類也不斷增加，除（chú）了單槽式清洗機外，還有手提式和附有搬運機械裝置等不同形式，也有（yǒu）多槽的超（chāo）聲波清洗機。外形上也發生相應變（biàn）化，如（rú）設計適合長條狀清（qīng）洗對象用的清洗機。超聲波發生器（qì）在底部位置可以移動或安裝在槽側（cè）麵等等。

超聲波發生器電源技術的（de）發展

從原理上說，超聲波清洗設備中核心部分應該是超聲波的作用。超聲（shēng）波清洗設備中的超聲波部分分（fèn）為兩大（dà）部（bù）件：一個（gè）是超聲（shēng）波換能器（或稱超聲波振頭）；另一個是超聲波發生（shēng）器，超聲波換能器是將超聲波發生器提供的電信號（hào）轉換為機械振動，此處（chù）隻討論超聲波發生器。

超聲波發生器（以下簡稱發生器）實質是一個功率信號（hào）發（fā）生器，它產生（shēng）一定頻率的正弦（或類似（sì）正弦）信號，超聲（shēng）波發生器（qì）的發展（zhǎn）與電力電子器件（jiàn）發（fā）展密切相關，一般可分為電子管、模擬（nǐ）式（shì）晶體管（guǎn）、開關式晶體管這幾個階段，下（xià）麵分別敘（xù）述。

1.超聲波發（fā）生器的原理

超聲波發生器的原理用圖5-72來說明。

首先由信號發生器來產生一個特定（dìng）頻率的（de）信號，這個（gè）信號可以是正弦信號，也可以是脈衝信（xìn）號，這個特定頻率就是換能器的頻率，一般在超聲波設備中使用到的超（chāo）聲波頻率為25kHz、28kHz、35kHz、40kHz，100kHz或（huò）以上現在尚未大量使用，但隨著以後精密清（qīng）洗的不斷發（fā）展，相（xiàng）信使（shǐ）用麵會逐步擴大。

圖5-72超聲波發生器原理

功率（lǜ）放（fàng）大器可有多種形式，如電子管甲類放大器、甲乙類放（fàng）大器；晶體管甲類或乙類放大器（均屬於模擬（nǐ）式）；晶體管開關式放大器等，功率一（yī）般從50W到5000W不等，由信號發生器產生的頻率信號（hào）經（jīng）過功率（lǜ）放大器後需（xū）經過阻抗匹配，使得輸出的阻抗與換能器（qì）相符，推動換能器將電（diàn）信號轉換為機械振動。

比較完善的超聲波發生器還應有反饋環節，主要提供兩個方（fāng）麵的反饋信號：第一個是提供（gòng）輸出功率信（xìn）號。我們知道當發生器的供電電源發生變化（huà）時，發生器的輸出功率也會發生變化，這時反映在換能器上就（jiù）是機械振動忽大忽小，導致清洗效果不穩定。因此需要穩定輸出（chū）功率，通過功率反饋信號相應調整功率放大器，使得功率放大穩定。第二個是提供頻率跟蹤信號。當（dāng）換能器（qì）工作在諧振頻率點時其效率最（zuì）高，工作最（zuì）穩定，而換能器的諧振頻率（lǜ）點會由於（yú）裝配原因和工作老化後改變，當（dāng）然這種改變的頻率隻是漂移，變化不是很（hěn）大，頻率跟蹤信號可以控製信號發生器，使信號發生器的頻率在一定（dìng）範圍內跟蹤換能器的諧振頻率點，讓發生器工作在最佳狀態。

當然隨著現代電子技術，特（tè）別是微處理器（四）及信號處理器（qì）（DSP）的發展，發生器的功能越來越強大，但不管如何變化，其核心功能應該是如上所述的內容，隻是每部分在實（shí）現時技術不同而已。

2.發生器發展的幾個階段

發生器發（fā）展可（kě）以分為三個大的階段：第一個階段是采用電子管放大器；第二個階段（duàn）是采（cǎi）用晶體管模擬放大器；第三個階段（duàn）是（shì）采用晶體管數字（zì）（開關）放大器（qì）。

（1）電子管放大器

在（zài）早期（qī）（上世紀80年代前），信號的功率放大還（hái）采（cǎi）用電子（zǐ）管。采（cǎi）用（yòng）電子管的唯一（yī）好處是它的動態範圍（wéi）較寬，這個好處對於音頻放大器至關重要，但（dàn）對超聲波（bō）發生器沒有什（shí）麽用處，因此一旦功率晶體管出現後即（jí）遭淘汰。電子管的缺（quē）點很多，例如：功耗大（dà）、體積大、壽命短、效率低。

（2）晶體（tǐ）管模擬放大器

上世紀80年代到90年代中旬，功率晶體管發展已非常（cháng）成熟，各種OCL及OTL電路均適用於發生（shēng）器，它的原理（lǐ）圖（tú）如圖5-73所示。

圖（tú）5-73晶體（tǐ）管模擬放大器原理圖

圖片（piàn）P369頁

信號發生器產生一個特定頻率的正弦波，經前置放大器進行信號（hào）放大，推動功率（lǜ）放大器進行功率放大，再（zài）經阻抗（kàng）變換，提供給換能器，其中VCC、VEE是通過變壓、整流、濾波後（hòu）的直流電源。

但模擬功率放大器（qì）有幾個缺點：

①功耗較大。由於OTL、OCL電路（lù）理論效率隻（zhī）有78%左右，實際效率（lǜ）更低，功耗大，導致功率（lǜ）管發熱嚴重，需（xū）要較大的散熱功率（lǜ），功率管的（de）發熱導致工作不（bú）太穩定。

②體積大、重量重。由於（yú）功率管輸出（chū）的功率受到限製，要輸出較大的功率（lǜ）需要更多的功率管，況且發生器所需求的直流電源是通過變壓器降壓、整流、濾（lǜ）波後得到（dào）的，大功（gōng）率的變壓器（qì）比較重（chóng），效率也比較低。

③不易（yì）使（shǐ）用（yòng）現（xiàn）代的微處理器來處理，由於該電路呈現一個比較典型的模擬線路特征，用數字處理比較複雜，涉及到（dào）A/D（模（mó）擬轉數字）和D/A（數字轉模擬），成本比較高，可靠性低。

（3）晶體管開關型放大器

隨著電力電子器件的發展，特別是VDMOS管（垂直溝道MOS管，也可稱功（gōng）率場效應管）和IGBT（隔離柵雙極晶體管）的發展（zhǎn）和（hé）成熟，使得（dé）采（cǎi）用開關式發生器成為可能，實際上開關型發生器的發展是開關電源的（de）成果（guǒ）之一，下麵著重討論晶體管開關型發生器。

開關型發生器的原理是通過調節開關管的占空比（bǐ）（或導通與截止時間）來（lái）控製輸出的功率。由於晶體管在截止和飽和導通時的功耗（hào）很小，因此這種開關型發生器的特點是（shì）：

①功耗低、效率（lǜ）高：開（kāi）關管在開關瞬時的功耗較（jiào）大，但時間很短，在截止或導通時的功耗很小，時間較長（zhǎng），因此總的功（gōng）耗較小，而且基本恒定，最高效率可以達到90%以上。

②體（tǐ）積小、重量輕：由於（yú）效率高，功耗低，使得散熱要求較低，而且各個開（kāi）關管可以推動的功率較大，加上直流電源直接變換使用，不需電源變壓器降（jiàng）壓，因此它的體積較小，重量輕，單位功率所占的（de）體積和重量值較小（xiǎo）。

③可靠性（xìng）好（hǎo），與微處理器等配合較容易：電子器件在工作時的溫升（shēng）較低，工作就可靠，加上全（quán）數字（開關）輸出，可用微處（chù）理器直接控製。

（4）三種類型發生器主要性能特（tè）點

見表5-30。

表5-30三（sān）種類（lèi）型發生器主要性能特點

3.開關型發生器發展的幾個過程（chéng）

開關型發生器的發展其實與開關型（xíng）電源的（de）發展息息相關，而開關型電源（yuán）發展又與電力電子開關器件的（de）發展緊密相連，電力電子開關器件的發展過程如下（見（jiàn）表5-31）：

第一種型式是用雙極開關晶體管（雙極（jí）型開關晶體管（guǎn））作為開關（guān）電源的開（kāi）關管，它的主要缺點是由於雙極開關管的上升、下降時延較大，開關頻率不能（néng）太高（一般在20kHz以下），線路成熟、價格低，在開關電源場合還（hái）有很多應（yīng）用，但在超聲波發生器中由於開關頻率低，沒有太大的應（yīng）用。

表5-31電力電子開關器件（jiàn）的發展過程

表格P371頁

第二種型式（shì）是用VDMOS管（垂直溝道MOS管，或（huò）稱功率MOS管），VDMOS管也有幾代的發展，其主要優（yōu）點是：開關頻率高（gāo）（可達1MHz），驅動簡單（dān）（電（diàn）壓型驅動），抗擊穿性好（沒有雪崩效應），缺點是耐高壓的器件，導通電阻大，在（zài）高壓（yā）大電流場合功耗較大，因此大功率（1500W以上）有（yǒu）些困難，但（dàn）隨著VDMOS工藝不斷改進，輸出功率（lǜ）也越（yuè）來越大，在超聲波中（zhōng）可以用於100kHz以上的發生器（qì）。

第三種型式是IGBT（隔離柵雙極管（guǎn）），是一種MOS與（yǔ）雙極管結合的（de）產物，既有MOS管開關頻率高，驅動簡單等優點，也有雙極管導通壓降（jiàng）小、耐壓高（gāo）等優點。它的開關（guān）頻率目前可以在40〜50kHz，功率可以達到5000W，在一般超聲（shēng）波發生器中很少運用，它的價格較高，保護線路要求複雜。它們之間的比較（jiào）可用表5-32來（lái）說明。

表5-32三種型式電力電子開關器件（jiàn）的比較

表格P372頁（yè）

電力電子器件經曆了工頻、低頻、中頻到高頻的發展曆程，與此相對應，電力電子電路的控製也（yě）從（cóng）最初以相位控製為手段的由分立元件組成的控（kòng）製電路發展到集成控製器，再（zài）到如（rú）今的旨在實現高頻（pín）開關的計算機（jī）控製，並向著更高頻率、更低損耗和全數字化的（de）方向發展。

模擬控（kòng）製電路存（cún）在控（kòng）製精度低、動態響應慢、參數整定不方便、溫（wēn）度漂（piāo）移嚴重、容易老化等缺點。專用模擬集成控製芯片的出現大大簡化了電力電（diàn）子電路的控製線路，提高（gāo）了控製信號的開關頻率，隻需外（wài）接若幹阻容元（yuán）件即可直接構成具有校正環節的模擬調節器，提高了電路的可靠性。但（dàn）是（shì），也正是由於阻容元件的存在，模擬控製電路的固有缺陷，如元（yuán）件參數的精度（dù）和一致性、元件老化等問（wèn）題仍然存在。此外，模擬集（jí）成控製芯片還存在功耗較大、集成度低、控製不（bú）夠靈活、通用性不強等問題。

用數字化控（kòng）製代替模擬控製，可（kě）以消除溫度漂（piāo）移等常規模擬調節器難以克（kè）服的缺點，有（yǒu）利於參數整定和變參（cān）數（shù）調節，便於通過程序軟件的（de）改變方（fāng）便地調整控製方案和實現多種新型控製策略，同（tóng）時可減少元器件（jiàn）的數目、簡化硬件結構，從而提高係統的（de）可靠（kào）性。此外，還可以實現運行數據的自動儲存（cún）和（hé）故障自動診斷，有助於實現電力（lì）電子裝置運行的（de）智能化。

超聲波發生器應用數字化控製技術一般有三種形式。

（1）采（cǎi）用單片機控製

單片機是一種（zhǒng）在一塊芯片上集成了CPU、RAM/ROM、定（dìng）時器/計數器和I/O接口等單（dān）元的微控製芯片，具（jù）有速度快、功能強、效率高、體積小、性能可靠、抗幹擾能力強等（děng）優點，在各種控製係統中應用廣泛（fàn）。單片機的CPU經曆了由（yóu）4、8，16、32直至64位的發展過程，主（zhǔ）要（yào）以美國INTEL公司生（shēng）產的MCS-51（8位）和MCS-96（16位（wèi））兩大係列為代表。

在超聲（shēng）波發生器中，單片機主（zhǔ）要用作數據采集和運算處理、電壓電流（liú）調節、PWM信號生成（chéng）、係統狀態監控和故障自我診斷等，一（yī）般作為整個（gè）電路的主控芯片運行，完成多（duō）種（zhǒng）綜合功（gōng）能。配合D/A轉（zhuǎn）換器和MOSFET功率模塊實現（xiàn）脈寬調製。另（lìng）外，單片機還具有對（duì）過流、過熱、欠壓等情況的中斷保護（hù）以及監控功（gōng）能。

單片機控製克服（fú）了模擬電路（lù）的固有（yǒu）缺陷，通過數字化（huà）的控製方法（fǎ），得（dé）到高精度和高（gāo）穩定度的控製特性，並（bìng）可（kě）實現靈（líng）活（huó）多樣的控製功能。但是，單片機的工作頻率與控製精度是（shì）一對矛盾，而且處理速度也很（hěn）難滿足高頻電路的要求，這就（jiù）使人們不得不（bú）轉而尋求功能更強的芯片的幫助，於是DSP應運而生。

（2）采（cǎi）用DSP控製

數字信（xìn）號處理器（DSP）是近年來迅速崛起（qǐ）的新一代可編程處理器，其內部集成了波（bō）特（tè）率發生器和FIFO緩衝器，提供高速同（tóng）步（bù）串口和標準異步串口，有（yǒu）的片內（nèi）還集成了（le）釆樣/保持和A/D轉換電路，並提供PWM信號輸出。與單片機相比，DSP具有（yǒu）更快的CPU、更高的（de）集成度和更大容量的存儲器。DSP屬（shǔ）於精簡指令係統計算機（RISC），大多（duō）數指令都能在一個周期內（nèi）完（wán）成，並可通過並行（háng）處理技術，在一個指令周期內完成多條指令。同時，DSP采用改進的哈佛結構，具有獨立的程序（xù）和數據空間，允（yǔn）許同時存（cún）儲程序和數據。內置高速的硬件乘法器，增加了多級流水線，使其具（jù）有高速的數據運（yùn）算能力（lì）。而單片機為複雜指令係統計算機（CISC），多數指令要2~3個指令周期才能完成。單片機采用諾（nuò）依曼結構，程序和數據在同一空間存儲（chǔ），同一時刻隻能單獨訪問指令或數據。單片機（jī）的ALU隻能（néng）做（zuò）加法，而乘法則需要由軟件來實現，因而需要占用較多的指令周期，速度（dù）比較慢。與16位單片（piàn）機相比，DSP執行（háng）單指令的時間快8〜10倍，一次乘法運算時間快16〜30倍。

在超聲波發（fā）生器中，DSP可以完成除功率變換以外（wài）的所有功能，如主電路（lù）控製、係統（tǒng）實時監控（kòng）及保護、係統通（tōng）信等。雖然DSP有著許多優點，但是它也存在一些局限性，如采樣頻率的選擇、PWM信號（hào）頻率及其精度采樣延時、運算時間及精度等。這些因素（sù）會或多或少地影響電路的控製性能。

（3）采用FPGA控製

現場可編程門陣列（FPGA）屬於可重（chóng）構器件，其內部邏輯功能（néng）可以根據需要任意設定，具有集成（chéng）度高、處理速度快、效率高等優點。其結構主要分為三部（bù）分：可編程（chéng）邏（luó）輯塊、可編程I/O模塊、可編程內（nèi）部連線。由於FPGA的集成度非常（cháng）大，一片FPGA少則幾千個等效門（mén）多則幾萬或幾十萬個等效門。所以，一片FPGA就可以實現非常複雜的邏輯、替（tì）代（dài）多塊集成電路和分立元（yuán）件組成的電路。它借（jiè）助於硬（yìng）件描述語言（VHDL）來對係統進（jìn）行設計，采（cǎi）用三個層次（行為（wéi）描述、RTL描述、門級描述）的硬件描（miáo）述和自上至（zhì）下（從係（xì）統功能描述開始）的設計（jì）風格，能對三個層次（cì）的描述進行混合仿真，從而可以方便地進行數字電路設計，在可靠性、體積、成本上具有相當優勢。比較而言（yán），DSP適合取樣（yàng）速率低（dī）和軟件複雜程度高的場合使用；而當係統取樣速率高（HHz級）、數據率高（20MB/S以（yǐ）上）、條件操作少、任務比較固定時，FPGA更有優勢。

4.幾種典型的開關式發生（shēng）器（qì）電路型式

（1）半橋型

原理圖如圖5-74所（suǒ）示。

半橋型電路比較簡單，PWM控製器是一塊多功能IC（集成電路），兼（jiān）作頻率發（fā）生器及（jí）脈寬調製器，還集成一些保護性電路，負反饋電路等（děng）。一般采用TL494、IC的輸出經過信號驅動後供開（kāi）關管。兩個開關管輪流導通，抗（kàng）匹配，供換能器使用。功率的調節有兩種方式：第（dì）一種是調節頻率。由於換能器在諧振頻率時輸出功率最大，其消耗功率（lǜ）也大，因此當調節頻率為換能器的諧振頻率時，其功率最大，我們可以調偏頻率，使換（huàn）能器偏離諧振頻率，換能器的功率也會降低，偏離頻率越大，功率降低越大，達（dá）到調節功率的目的。另一種方式是固定頻率（lǜ），調節占空比。當開關管導通時間較長時，輸出的功率較大，導通時間較小，輸出功率變小。

這種形式的電路還（hái）可以加上功率負反饋（kuì）電路（lù），當電源電壓變化（huà）時可以通過反饋調節占空比，使輸出功率穩定（dìng）。

圖5-74半橋型開關式發生器電路

圖片P374頁

（2）全橋（qiáo）型

原理圖如圖5-75所示。

全橋型原（yuán）理基本上與半橋型相似。它是通過一對管同（tóng）時開關而（ér）在負載上得到變頻信號。當TA1與TA2導通而TB1、TB2截止時（shí），Tout得到①負②正信號（hào）；當（dāng）TB1、TB2導通（tōng）而TA1與TA2截止時（shí），Tout得到①正②負信號，如此循環，在（zài）Tout①、②得（dé）到一個交變的功率信號。

全（quán）橋型發生器的功率調節也可分（fèn）為兩種情況，與半橋型相似。

5-75全橋型（xíng）開（kāi）關式發生器電路

圖片（piàn）P375頁

超聲換能器對清洗機質量的（de）影響

超聲清洗設備根據清洗對象和生產規模的要求，其（qí）組成和結構差別很大，可以是（shì）複雜、龐大的設備，也（yě）可以是非常簡單的結構（gòu）。這裏著重探（tàn）討由超聲頻電源、換能器和清洗（xǐ）槽（cáo）組成超聲波清洗設備（bèi）的核心部分的質量問題。

1.超聲換能器結構的選擇

在低超聲（shēng）頻（pín）段（20〜100kHz），目前工業上（shàng）絕大多數是采用單螺（luó）釘夾緊的夾心式（shì）壓電換能器（複合（hé）換能器），結構上的差別（bié）主要在於輻射體（與不鏽鋼板粘接的鋁塊（kuài））的形（xíng）狀，一種是錐體喇叭；另一種直棒（bàng）形狀。如圖（tú）5-76a、b所示。

喇叭狀換能器的（de）聲輻射效率比棒狀換能器高，即同樣的輸入電（diàn）功率，在清洗槽中得到（dào）較大的聲功率，而消耗在換能器上（shàng）的電功率較（jiào）少，因而換能（néng）器的（de）發熱也低。當輸入換能器的電功率相同時，由於喇叭輻射麵的麵積比棒狀換能器（qì）大，所以輻射麵的（de）聲強較低，與其（qí）粘結的不鏽鋼板表麵空化腐蝕小，清洗槽（或浸入式換能器）的（de）壽（shòu）命延長。所以在一般情況下采用喇叭狀換能（néng）器較（jiào）好。

為進一步提高聲輻（fú）射效率、展寬頻帶，我國研（yán）製出一種半穿孔結構的寬頻（pín）帶超聲清（qīng）洗換能器，如圖5-77所示。

這種換（huàn）能器尤其在較高頻段（40kHz以上），其優點更（gèng）為突出，因為它（tā）可以削弱（ruò）橫向振動所帶（dài）來的不良影響，由於頻帶較寬，也（yě）有利於掃頻清洗。

在某些場合，例如清洗較深螺孔時，宜采用高輻射聲強的換能器（qì），此時換能器的輻射體常具有尖削聚焦形狀，以提高輻（fú）射麵的聲強。這種換（huàn）能器一般不是粘結在清（qīng）洗槽上，而是直接插（chā）入液體中進行清洗。

圖5-76超聲換能器的輻射體形狀示意圖（tú）

圖5-77半穿（chuān）孔結構的（de）超聲清洗換能器

2.換（huàn）能器在清（qīng）洗槽（cáo）中的分布及粘結問（wèn）題

目前有些超聲清洗機商品，粘在清洗槽底或壁上的換能器分布過密，一個緊挨（āi）一個的排列，輸入換能器的電功率強度達（dá）到2~3W/cm²，這樣高的強度一方麵會加快不（bú）鏽鋼板表麵（與清洗液接觸的表麵）的空化腐蝕，縮短使用壽（shòu）命；另一方麵由於聲強過高，會在鋼板表麵附近產生大量較大（dà）的氣泡，增加聲傳播損失，在遠（yuǎn）離換能（néng）器的地方削弱清洗作用。一般（bān）選用功率強（qiáng）度每平方厘米低於1.5W為宜（按（àn）粘有換能器的（de）鋼板麵積計算）。如果清洗槽（cáo）較深，除槽底粘有（yǒu）換能器外，在槽壁上也應考（kǎo）慮粘結換能器。

換能器與清洗（xǐ）槽的粘結質量（liàng）對超聲清（qīng）洗機整機的質量影響很大。不但要粘牢，而且要求膠層均勻、不缺膠（jiāo）和不（bú）允許（xǔ）有裂縫，使（shǐ）超聲能量（liàng）最大限度地向清洗液中傳輸，以提高整機效率和清（qīng）洗效果。目前有些清洗設備為避免換能器從清洗槽上掉下來，采取螺釘加粘膠的固定方（fāng）式，這種連接方（fāng）式雖然換能器不（bú）會掉下來，但是存在（zài）許多隱患（huàn）。如果螺釘焊接質量差，例如不垂直於不（bú）鏽鋼板表麵，則膠層不均勻，套至有裂痕或缺膠，能量傳輸會削弱；另一方麵，如（rú）果焊接（jiē）不好也會影響不鏽鋼表（biǎo）麵的平整，導（dǎo）致加速空化腐蝕，縮短使用壽命。

判斷粘結質量的方法之一，是在清洗槽裝水並（bìng）開機工作一段時間後，測量換能器的溫升。如果在眾多的換能器中某（mǒu）個換能器溫升特（tè）別（bié）快，則表明該換能器可能粘（zhān）結不好。因為此時聲輻射不好，電能（néng）量大部分消耗在換能器（qì）上而發熱。另一個方法是在小信號條件下逐個測量換能器的電阻抗大小來判別（bié）粘結質量。

目前在超聲波清洗機（jī）的性能方麵還（hái）存在一些模糊的（de）認識：認為功率（lǜ）越大（dà），換能器數（shù）目越多，其（qí）性能越好，價值越高，甚至以此論價。這種認識是不全麵的。如上（shàng）述（shù），換能器布得過密，功率密度過大，不但（dàn）清（qīng）洗效果不好（hǎo），而且槽底易空化腐蝕（shí）。另一方麵（miàn），目前超聲波清洗（xǐ）機商品所標的功率（lǜ）大多是電功率而不是聲功率（lǜ），如果所標是指消耗工頻功率，則超聲波清洗機質量的優劣應該由效率來判斷。如果（guǒ）效（xiào）率低，在同樣清洗效果時則耗電（diàn）大，反而（ér）增加了用戶的（de）費用（yòng）。超聲清（qīng）洗機的效率包括兩（liǎng）部分：一是超聲頻電源的效率，即輸（shū）入換能器的高頻電功率與消（xiāo）耗工頻（pín）電功率之百分比；另一部分是電聲轉換效率，即進入清洗液中的聲功率與輸入換能器的電功率之（zhī）百分比。目前我國在工業生產中還沒有一種簡（jiǎn）便（biàn）的方法和設備來測量電聲轉（zhuǎn）換效率（lǜ）。各廠（chǎng）家所標（biāo）的超聲波清洗機的（de）功率是含糊不清的，亟須有行業（yè）的統一標準。

超（chāo）聲波清洗技（jì）術（shù）的改進

1.超聲波清洗裝置的改進

（1）匯聚增強超聲波（bō）清洗裝置：用一截麵積為多邊形的管或圓管代替通常的超聲波（bō）清洗槽，在管的外（wài）周麵（miàn）上安裝許多超聲換（huàn）能器，在管中充滿清洗液，這樣各個換能器輻射的聲能量都可匯聚到管子的中心線上，並可得到比一般超聲波清洗槽高（gāo）十幾倍的聲強，因而能大大提高清洗速度。如一（yī）種這樣的裝置，管（guǎn）長19cm，內徑7.5cm，把（bǎ）總功率為1kW的（de）多個鐮磁致伸的伸縮換能器焊接在管的外周麵上，使用時在管中心線上可以得到16W/cm²的聲強。用於冷拔鋼絲（sī）、銅（tóng）線等線材的清（qīng）洗，清（qīng）洗速度高，線材不需彎曲變形，即可連續進（jìn）行超聲清洗。

（2）棒狀超聲波清洗器其換能器與一棒狀變幅杆連接，在變幅杆的輻射端麵可得到（dào）較大聲強，一些難清洗的深（shēn）盲孔、深螺孔可以用這種專用超聲清洗工具進行清洗，清（qīng）洗時向（xiàng）孔中流滿清洗液，在聲空化及輻射壓力的作用下孔（kǒng）中的清洗液被劇烈攪拌，脫離清洗件表麵（miàn）的（de）汙物（wù）能很快被去除。用這種設備清洗深螺孔特別有效。

2.超聲波頻（pín）率（lǜ）的改變

在許多高技術產品的生產過程中需要清除粒徑小於（yú）微米的汙垢粒子，例如大規模集成電路矽片、硬磁盤和光刻掩（yǎn）蔽膜的清洗等。此時用低頻超聲波清洗不但沒有效（xiào）果而且易損（sǔn）傷產品，如采（cǎi）用700kHz〜1MHz的（de）超聲波（波長在µm級）進行清洗可以使附著在表麵上的微小汙粒脫離。這類（lèi）高（gāo）頻超聲波不產（chǎn）生空穴而具有更高的能量（liàng），它的清洗能（néng）力主要依靠聲波傳遞的能量引起媒液劇烈的振動，使汙垢在巨大能量的作用下（xià）解離分散。因此，這種（zhǒng）兆赫超聲波的清洗不是利用超聲波的（de）空化作用，而且依（yī）靠超聲波（bō）產生的聲速梯度、粒子速度及聲流作用配合清洗液的化學作用使（shǐ）細小顆粒脫（tuō）離被清洗物（wù）表麵的（de）。利用兆赫超（chāo）聲（shēng）波清洗具有（yǒu）不損傷（shāng）清洗物體表麵，可去除粒徑（jìng）在0.15µm的微小汙垢的（de）特點。

（1）清洗對象

微電子、計算機製造過程中的清洗對（duì）象，如集成電路芯片、光掩膜、矽片、薄膜、磁盤、驅動（dòng）器、讀寫頭、液晶玻（bō）璃及平麵顯示（shì）器；微組件和拋光金屬件：用（yòng）於（yú）醫學和宇航方（fāng）麵的精細零部件等。這些對象要求在清洗過程中不能受到任何微小的（de）損傷，要能洗掉微米、亞微米的微小汙物，這就要（yào）求在聲參數方麵有特殊的考慮。

（2）掃頻清洗

為改善清洗（xǐ）槽中的聲場分布，避免駐波場中存在最小聲壓值，低頻超（chāo）聲清洗設備中有時也采用掃頻工作方式。而精細超聲清洗則用高一些的中心頻率，例（lì）如100kHz以上作（zuò）掃頻清洗。這種工作方式有缺點（diǎn），因為換能器有一定（dìng）的帶寬，在（zài）換能器的共振頻率上（shàng）（即中心頻率）輸出功率大，當作上下掃頻時，輸出功率（lǜ）減少，因（yīn）而在清洗槽中的聲功率（lǜ）是脈衝形狀，脈衝的重複頻率為掃頻速率的兩倍。這種固定重複的能（néng）量脈（mò）衝可能引起清洗槽中某些清（qīng）洗件的共振而導致損壞。因此，為避（bì）免共振，曾采（cǎi）用掃頻速率變化的方式。

圖5-78是另一種掃頻方式。掃頻時是單（dān）調地由高向低頻（pín）掃，這樣會在清洗（xǐ）槽中（zhōng）產（chǎn）生（shēng）一種"恒膨脹波"（ever-expanding），這種波（bō）會（huì）產生一向（xiàng）上力作用於（yú）汙物，使（shǐ）汙物浮上液麵，如果清洗槽采（cǎi）用溢流方（fāng）式，汙物會不斷溢離，避免重新沉積在零件表麵。

圖5-78掃頻清洗頻率變化示意圖

圖片P278頁

（3）多頻工作（zuò）方式

這種工作方式的應用已近40年的曆史。我們知道，工作頻率高時（shí），在液體中（zhōng）的空化（huà）強度低而空化密度高；低頻工作則相反，空化強度高而密度低。空化強度過高則易損壞清洗（xǐ）件。空化密度（dù）高，穿達微細結構好，所以精細清（qīng）洗一般選取較高的頻（pín）率（lǜ），由於對清洗（xǐ）件的不同（tóng）部位所需要的（de）空化強度和密度可能不同，因而設計出多頻同時作（zuò）用的（de）超聲清洗設備。

①第一類：在一個清洗槽中安裝有兩個（gè）以上的換能器陣，每個陣以不同頻率工作，分別用不同電源在不同頻率上驅動。這類設備始（shǐ）於上世紀（jì）50年代末，到上世（shì）紀70年代美國Branson公司曾設計一種在槽底安裝一組（zǔ）工（gōng）作在25kHz的換能器，另一組安裝在槽壁上而工作在40kHzo這類設備沒有得到應用。到（dào）上世紀90年代AmerimadeTechnologySoldSystems公司做了一種槽壁，不是平行而是帶有夾角（jiǎo），將兩組換能器分（fèn）別（bié）安裝在兩壁上，其中一組換能器以中心頻率為72kHz進行掃（sǎo）頻；另（lìng）一（yī）組（zǔ）為104kHz也進行掃頻，這類設備（bèi）在軟盤清洗方麵得到大量應用。

②第二類：用一組換能器同時產生多個頻率的超聲清洗（xǐ）設備（bèi）。換能器陣的特點是具有豐富的諧頻。當用一脈衝或方波電源激勵換能器時，即可在清洗槽中同時產生（shēng）多頻超聲。美國Crest公司曾生產這類產品（pǐn）。

③第三類：最（zuì）近國外開（kāi）發一種新的多頻超聲清洗設備（bèi）。隻用（yòng）一組換能器，用一（yī）個超聲頻（pín）電源驅動（dòng），其工作（zuò）特點是：在某一時間內，在換能器（qì）某一段帶寬中（zhōng）作連續的頻率變化，然（rán）後跳到另（lìng）一段帶寬範圍內進行掃頻清洗。特點是對具有不同尺寸及汙（wū）物類型的零部件都能清洗。在低頻（pín）時，例如40kHz讓其清洗時間（jiān）縮短，這樣去汙力強而不至於損（sǔn）壞零件。因為（wéi）其工作頻率範圍寬，故適合於各種零部件及使（shǐ）用各種化學清洗（xǐ）劑的清洗。

（4）兆赫級超聲清洗

某些對於汙物極敏感而又易損壞的（de）零件的清洗，采用更高（gāo）的頻率效（xiào）果（guǒ）更好。兆赫超聲清洗是指工作頻率在700kHz〜MHz範（fàn）圍的超聲清洗。其清洗機理一般認（rèn）為主（zhǔ）要（yào）是由於聲壓梯度、粒子速（sù）度及聲流的作用，而空化效應是次要的（de），因此對零件表（biǎo）麵不會損傷，但可除去附著在零件表麵的亞（yà）微米大小的顆粒汙物。其特點是清洗方向性強，一（yī）般零件表麵置於與聲束（shù）平行的方向。

換能器陣（zhèn）曾采用厚（hòu）度共振的壓電晶片，在一個平麵內排成陣（zhèn）列。高頻電源能（néng）對（duì）陣中（zhōng）每一個（gè）晶片進行（háng）自動調諧，以提高效率及工作的穩定性。激勵源如果釆（biǎn）用脈衝工作方式，清洗效果會（huì）更好。國外在半導體工業中的生產線上已有這類產品。在直徑為100〜300mm矽片的清洗過程中，能除去矽片表麵小到0.15mm的微小顆粒汙物，清除率接近百分之百。在漂洗工（gōng）藝中可加快漂洗過（guò）程，並（bìng）能有效地阻止粒子重新附著在矽片表麵上。

（5）超聲能量計

在（zài）微電子、半導體（tǐ）等高技術產品的（de）精細清洗過程中，控製在清洗槽中的聲能水平是很重（chóng）要的一（yī）環。過高的能量會損壞清洗元件，過低則達不到洗淨目的。美國ppb公司自1996年開始生產超聲能量計並用於超聲清洗過程（chéng）的控製。

①原理

釆用壓（yā）電晶體接收聲能，壓電接收器的頻率響應在20kHz到幾MHz範圍內是平（píng）直的，輸出信號為各個諧波的疊加（jiā），然後求出複雜波形的有效值（zhí）（RMS值（zhí）），此值用DC輸出作數碼顯示（shì），不是求（qiú）平均值。

②結（jié）構

探頭是一種半球形的外殼，材料是乙烯及丙烯（xī）（EPDM），窗口（kǒu）透鏡用石英（yīng）做成（chéng）。在半球殼的45°方向上（shàng）裝有管子，管子（zǐ）材料用316不鏽鋼（gāng），外徑6.35mm，508mm長，外包Teflon材料。有接（jiē）頭可與手提儀表連接，也可以直（zhí）接裝在清洗槽的麵板上。

③校準

在美（měi）國海軍水聲校準係統中進行標定標準探頭，然後專門製造帶有（yǒu）一個40kHz換能器的清洗槽，探頭精確固定在槽（cáo）中的固（gù）定位置，將測量探頭與標準探頭比較，標定讀數。

④應用

a.衡量清洗槽中的超聲（shēng）能量密度（W/m²）。因為即使輸（shū）入換能（néng）器的功率不變，但是由於清洗液的蒸氣壓及化學成分的改（gǎi）變，其空化能量會變化，用此儀器測量的（de）能量包括空化能量。

b.設定清（qīng）洗槽（cáo）中的能量水平。

c.在不同（tóng）超聲（shēng）清洗槽之間建立相同的能量水平。

d.測量檢（jiǎn）查（chá）超聲（shēng）清洗槽中的能量分（fèn）布。

e.可在超聲清洗槽中某一固定位置（zhì）測量能量的平（píng）均值、最小值、最大值及（jí）標準（zhǔn）偏差，在LCD顯RMS值（W/m²），所有數據（jù）可以貯存在100個記憶單元中，然後輸出到PC機中處理，可（kě）顯示（shì）頻率。

3.節水型超聲波清洗設備

近年來，隨著人們環保意識的提高，在LCD製造工廠，降低清洗設（shè）備使用的藥液、純水、排氣等的用量及降低廢液、廢水處理負荷已經成了最大的課題（tí）。日本海上（shàng）株式會社致力於（yú）該課（kè）題的研究，開發出節水型超聲波清洗設備。該設備具（jù）有以下（xià）優點：

a.純水使用（yòng）量大幅節（jiē）減（與本社以往設備（bèi）比（bǐ）約1/3程度）

b.省設備支撐（與本社以（yǐ）往設備（bèi）比約1/3程（chéng）度）

C.采用機能水後，無藥（yào）液清洗過程，使廢水處理負荷大（dà）幅降低。

（1）含氫水超聲波（bō）淋浴（yù）清洗

含氫水（shuǐ）超聲波就是在超聲波振四周，對液體實行控製，使其僅用以往超聲波設備的1/10程度的清洗液就能達（dá）到同等以上的（de）清洗效果。

圖5-79所示，清洗液在被清洗物（玻璃基板）和超聲波振子間數毫米空隙內流（liú）動，形（xíng）成液膜。然後通過超聲波作用，使被清（qīng）洗物表麵的異物被剝離。同時，由於清洗液能夠快速（sù）排出，自然預防了汙垢（gòu）的（de）再附著。

圖5-79含氫（qīng）水超聲波淋浴基本結構圖

圖片P380頁

（2）機能水的應用

日本機能水（shuǐ）學（xué）會於2002年9月13日成立，該學會在“日本機能（néng）水學會的概要"中，給出的機能水定義（yì）為：機能水是指在經過人為處理獲（huò）得的具再現（xiàn）性有用機能的水溶液中，那些在處理（lǐ）與技能方麵被明確了科學依據的水、機（jī）能水（shuǐ）以電解（jiě）水為主。

圖5-80含氫（qīng）水（shuǐ）兆聲波清洗效果（203.2mm矽片自旋（xuán）清洗）

圖片P380頁

目前，LCD洗淨領域，除了純水外，多采（cǎi）用（yòng）藥液或清洗劑。但是，考慮到環保問題，今（jīn）後藥（yào）液的使用可能要受到嚴格限製（zhì）。最近，作為代替藥液的清洗液，機能水受到了矚目。尤其是含（hán）氫水與超（chāo）聲波組合的清洗方法，更（gèng）是大幅度提高了清洗能力。圖5-80的實驗結果表明：若使（shǐ）用（yòng）含氫水，清洗能（néng）力（lì）可提高約10%。加（jiā）上因未使用藥液，又（yòu）有了不需要排水處理這個優點。

（3）節水（shuǐ）型清（qīng）洗設備

節水型（xíng）清洗設備通過含氫水（shuǐ）與超聲波組合（hé）使用，另外采用UV處理作為前處理，從而實現（xiàn）了設備的小型化，降低了純（chún）水使用量和廢（fèi）液廢水處理負荷。該設備見圖5-81。

圖5-81節水型超聲波（bō）清洗設備

圖片P381頁

（4）與以往設備的比較

從表5-33可以看出設備大小和純水使用（yòng）量與（yǔ）以往設（shè）備比約為1/3。由於設備的小型（xíng）化，使清洗（xǐ）室內（nèi）的設計自由度和流水線構（gòu）成比較容易。

表5-33設備比（bǐ）較