超聲波清洗系統的設計與改進(jìn)

目前在清洗行業(yè)，超聲波清洗技術(shù)得到了極其廣泛的應用。

超聲波清洗系統的工作原理

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

機械型超聲波發(fā)生器直接用機械方法使物體振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波。常見(jiàn)的機械型超聲波發(fā)生器都是流體動(dòng)力式的，即利用高壓流體為動(dòng)力來(lái)產(chǎn)生超聲波。如旋笛是使流體以每秒幾萬(wàn)次的頻率斷續從噴口噴出，在媒質(zhì)中產(chǎn)生超聲波。而空腔哨、簧片哨是使高壓流體連續地從噴口噴出，撞擊放在噴口前的空腔或簧片，引起共振在媒質(zhì)中產(chǎn)生超聲波。

電聲型超聲波發(fā)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。這種能量的轉換是通過(guò)電聲換能器來(lái)完成的。電聲換能器的作用是將高頻率電源的電磁振蕩能量轉換機械振動(dòng)的能量而發(fā)生超聲波。

電聲換能器有壓電式（電致伸縮）和磁致伸縮兩種。壓電式換能器是用壓電材料（如石英、酒石酸鉀鈉、磷酸鉀、鈦酸頓、鋯鈦酸鉛）制成的。

產(chǎn)生超聲波的逆壓電效應原理可用圖5-71加以說(shuō)明。

由鈦酸頓（BaTiO?）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(xué)性質(zhì)：在受到外部應力作用時(shí)，處于壓縮狀態(tài)或伸長(cháng)狀態(tài)時(shí)都會(huì )形成電壓，稱(chēng)為壓電效應；而在壓電陶瓷材料外部?jì)啥思佑须妷簳r(shí)，它又會(huì )產(chǎn)生伸縮的機械振動(dòng)，稱(chēng)為逆壓電效應。當外部加有交變電壓時(shí)，它就會(huì )產(chǎn)生壓縮或伸張的連續變化并產(chǎn)生超聲波。這種逆壓電效應就是壓電式換能器產(chǎn)生超聲波的原理。如圖5-71所示，當壓電材料與40kHz的交變電場(chǎng)相連時(shí)，就產(chǎn)生同頻率（40kHz）的超聲波。這種產(chǎn)生超聲波的方式叫電致伸縮。而磁致伸縮換能器是利用某些鐵磁體（如純鐮、鐮鉆合金及鐵氧體）材料的磁致效應制成的。用鐵磁體作成線(xiàn)圈的鐵芯，當高頻電流通過(guò)線(xiàn)圈時(shí)，隨著(zhù)鐵芯中磁場(chǎng)強度周期性變化，鐵芯長(cháng)度就作周期性伸縮變化而激發(fā)出超聲波。這種產(chǎn)生超聲波的方法叫磁致伸縮。

圖5-71逆壓電效應示意圖

由于超聲波發(fā)生器的尺寸可以做得較小，以致單位面積上所發(fā)出的超聲波功率可以達到較大，一般超聲波發(fā)生器的電源功率在100W?10kW之間，而單位面積上發(fā)射的超聲波功率（輸出功率密度）一般可達0.1~1.0W/cm3。例如一種用于清洗小型精密儀器零件、鐘表、軸承、電子設備部件以及光學(xué)透鏡的超聲波清洗器，它的容積約為13dm3（長(cháng)340mm，寬210mm，深195mm），是靠磁致伸縮的鐵磁體發(fā)生的超聲波進(jìn)行清洗的。

它是輸出功率為300W的單槽洗凈機。隨著(zhù)超聲波清洗器規模的擴大，效率也不斷提高。種類(lèi)也不斷增加，除了單槽式清洗機外，還有手提式和附有搬運機械裝置等不同形式，也有多槽的超聲波清洗機。外形上也發(fā)生相應變化，如設計適合長(cháng)條狀清洗對象用的清洗機。超聲波發(fā)生器在底部位置可以移動(dòng)或安裝在槽側面等等。

超聲波發(fā)生器電源技術(shù)的發(fā)展

從原理上說(shuō)，超聲波清洗設備中核心部分應該是超聲波的作用。超聲波清洗設備中的超聲波部分分為兩大部件：一個(gè)是超聲波換能器（或稱(chēng)超聲波振頭）；另一個(gè)是超聲波發(fā)生器，超聲波換能器是將超聲波發(fā)生器提供的電信號轉換為機械振動(dòng)，此處只討論超聲波發(fā)生器。

超聲波發(fā)生器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)發(fā)生器）實(shí)質(zhì)是一個(gè)功率信號發(fā)生器，它產(chǎn)生一定頻率的正弦（或類(lèi)似正弦）信號，超聲波發(fā)生器的發(fā)展與電力電子器件發(fā)展密切相關(guān)，一般可分為電子管、模擬式晶體管、開(kāi)關(guān)式晶體管這幾個(gè)階段，下面分別敘述。

1.超聲波發(fā)生器的原理

超聲波發(fā)生器的原理用圖5-72來(lái)說(shuō)明。

首先由信號發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生一個(gè)特定頻率的信號，這個(gè)信號可以是正弦信號，也可以是脈沖信號，這個(gè)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聲波頻率為25kHz、28kHz、35kHz、40kHz，100kHz或以上現在尚未大量使用，但隨著(zhù)以后精密清洗的不斷發(fā)展，相信使用面會(huì )逐步擴大。

圖5-72超聲波發(fā)生器原理

功率放大器可有多種形式，如電子管甲類(lèi)放大器、甲乙類(lèi)放大器；晶體管甲類(lèi)或乙類(lèi)放大器（均屬于模擬式）；晶體管開(kāi)關(guān)式放大器等，功率一般從50W到5000W不等，由信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻率信號經(jīng)過(guò)功率放大器后需經(jīng)過(guò)阻抗匹配，使得輸出的阻抗與換能器相符，推動(dòng)換能器將電信號轉換為機械振動(dòng)。

比較完善的超聲波發(fā)生器還應有反饋環(huán)節，主要提供兩個(gè)方面的反饋信號：第一個(gè)是提供輸出功率信號。我們知道當發(fā)生器的供電電源發(fā)生變化時(shí)，發(fā)生器的輸出功率也會(huì )發(fā)生變化，這時(shí)反映在換能器上就是機械振動(dòng)忽大忽小，導致清洗效果不穩定。因此需要穩定輸出功率，通過(guò)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(gè)是提供頻率跟蹤信號。當換能器工作在諧振頻率點(diǎn)時(shí)其效率最高，工作最穩定，而換能器的諧振頻率點(diǎn)會(huì )由于裝配原因和工作老化后改變，當然這種改變的頻率只是漂移，變化不是很大，頻率跟蹤信號可以控制信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器的頻率在一定范圍內跟蹤換能器的諧振頻率點(diǎn)，讓發(fā)生器工作在最佳狀態(tài)。

當然隨著(zhù)現代電子技術(shù)，特別是微處理器（四）及信號處理器（DSP）的發(fā)展，發(fā)生器的功能越來(lái)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，只是每部分在實(shí)現時(shí)技術(shù)不同而已。

2.發(fā)生器發(fā)展的幾個(gè)階段

發(fā)生器發(fā)展可以分為三個(gè)大的階段：第一個(gè)階段是采用電子管放大器；第二個(gè)階段是采用晶體管模擬放大器；第三個(gè)階段是采用晶體管數字（開(kāi)關(guān)）放大器。

（1）電子管放大器

在早期（上世紀80年代前），信號的功率放大還采用電子管。采用電子管的唯一好處是它的動(dòng)態(tài)范圍較寬，這個(gè)好處對于音頻放大器至關(guān)重要，但對超聲波發(fā)生器沒(méi)有什么用處，因此一旦功率晶體管出現后即遭淘汰。電子管的缺點(diǎn)很多，例如：功耗大、體積大、壽命短、效率低。

（2）晶體管模擬放大器

上世紀80年代到90年代中旬，功率晶體管發(fā)展已非常成熟，各種OCL及OTL電路均適用于發(fā)生器，它的原理圖如圖5-73所示。

圖5-73晶體管模擬放大器原理圖

圖片P369頁(yè)

信號發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)特定頻率的正弦波，經(jīng)前置放大器進(jìn)行信號放大，推動(dòng)功率放大器進(jìn)行功率放大，再經(jīng)阻抗變換，提供給換能器，其中VCC、VEE是通過(guò)變壓、整流、濾波后的直流電源。

但模擬功率放大器有幾個(gè)缺點(diǎn)：

①功耗較大。由于OTL、OCL電路理論效率只有78%左右，實(shí)際效率更低，功耗大，導致功率管發(fā)熱嚴重，需要較大的散熱功率，功率管的發(fā)熱導致工作不太穩定。

②體積大、重量重。由于功率管輸出的功率受到限制，要輸出較大的功率需要更多的功率管，況且發(fā)生器所需求的直流電源是通過(guò)變壓器降壓、整流、濾波后得到的，大功率的變壓器比較重，效率也比較低。

③不易使用現代的微處理器來(lái)處理，由于該電路呈現一個(gè)比較典型的模擬線(xiàn)路特征，用數字處理比較復雜，涉及到A/D（模擬轉數字）和D/A（數字轉模擬），成本比較高，可靠性低。

（3）晶體管開(kāi)關(guān)型放大器

隨著(zhù)電力電子器件的發(fā)展，特別是VDMOS管（垂直溝道MOS管，也可稱(chēng)功率場(chǎng)效應管）和IGBT（隔離柵雙極晶體管）的發(fā)展和成熟，使得采用開(kāi)關(guān)式發(fā)生器成為可能，實(shí)際上開(kāi)關(guān)型發(fā)生器的發(fā)展是開(kāi)關(guān)電源的成果之一，下面著(zhù)重討論晶體管開(kāi)關(guān)型發(fā)生器。

開(kāi)關(guān)型發(fā)生器的原理是通過(guò)調節開(kāi)關(guān)管的占空比（或導通與截止時(shí)間）來(lái)控制輸出的功率。由于晶體管在截止和飽和導通時(shí)的功耗很小，因此這種開(kāi)關(guān)型發(fā)生器的特點(diǎn)是：

①功耗低、效率高：開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)瞬時(shí)的功耗較大，但時(shí)間很短，在截止或導通時(shí)的功耗很小，時(shí)間較長(cháng)，因此總的功耗較小，而且基本恒定，最高效率可以達到90%以上。

②體積小、重量輕：由于效率高，功耗低，使得散熱要求較低，而且各個(gè)開(kāi)關(guān)管可以推動(dòng)的功率較大，加上直流電源直接變換使用，不需電源變壓器降壓，因此它的體積較小，重量輕，單位功率所占的體積和重量值較小。

③可靠性好，與微處理器等配合較容易：電子器件在工作時(shí)的溫升較低，工作就可靠，加上全數字（開(kāi)關(guān)）輸出，可用微處理器直接控制。

（4）三種類(lèi)型發(fā)生器主要性能特點(diǎn)

見(jiàn)表5-30。

表5-30三種類(lèi)型發(fā)生器主要性能特點(diǎn)

3.開(kāi)關(guān)型發(fā)生器發(fā)展的幾個(gè)過(guò)程

開(kāi)關(guān)型發(fā)生器的發(fā)展其實(shí)與開(kāi)關(guān)型電源的發(fā)展息息相關(guān)，而開(kāi)關(guān)型電源發(fā)展又與電力電子開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展緊密相連，電力電子開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展過(guò)程如下（見(jiàn)表5-31）：

第一種型式是用雙極開(kāi)關(guān)晶體管（雙極型開(kāi)關(guān)晶體管）作為開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)管，它的主要缺點(diǎn)是由于雙極開(kāi)關(guān)管的上升、下降時(shí)延較大，開(kāi)關(guān)頻率不能太高（一般在20kHz以下），線(xiàn)路成熟、價(jià)格低，在開(kāi)關(guān)電源場(chǎng)合還有很多應用，但在超聲波發(fā)生器中由于開(kāi)關(guān)頻率低，沒(méi)有太大的應用。

表5-31電力電子開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展過(guò)程

表格P371頁(yè)

第二種型式是用VDMOS管（垂直溝道MOS管，或稱(chēng)功率MOS管），VDMOS管也有幾代的發(fā)展，其主要優(yōu)點(diǎn)是：開(kāi)關(guān)頻率高（可達1MHz），驅動(dòng)簡(jiǎn)單（電壓型驅動(dòng)），抗擊穿性好（沒(méi)有雪崩效應），缺點(diǎn)是耐高壓的器件，導通電阻大，在高壓大電流場(chǎng)合功耗較大，因此大功率（1500W以上）有些困難，但隨著(zhù)VDMOS工藝不斷改進(jìn)，輸出功率也越來(lái)越大，在超聲波中可以用于100kHz以上的發(fā)生器。

第三種型式是IGBT（隔離柵雙極管），是一種MOS與雙極管結合的產(chǎn)物，既有MOS管開(kāi)關(guān)頻率高，驅動(dòng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，也有雙極管導通壓降小、耐壓高等優(yōu)點(diǎn)。它的開(kāi)關(guān)頻率目前可以在40?50kHz，功率可以達到5000W，在一般超聲波發(fā)生器中很少運用，它的價(jià)格較高，保護線(xiàn)路要求復雜。它們之間的比較可用表5-32來(lái)說(shuō)明。

表5-32三種型式電力電子開(kāi)關(guān)器件的比較

表格P372頁(yè)

電力電子器件經(jīng)歷了工頻、低頻、中頻到高頻的發(fā)展歷程，與此相對應，電力電子電路的控制也從最初以相位控制為手段的由分立元件組成的控制電路發(fā)展到集成控制器，再到如今的旨在實(shí)現高頻開(kāi)關(guān)的計算機控制，并向著(zhù)更高頻率、更低損耗和全數字化的方向發(fā)展。

模擬控制電路存在控制精度低、動(dòng)態(tài)響應慢、參數整定不方便、溫度漂移嚴重、容易老化等缺點(diǎn)。專(zhuān)用模擬集成控制芯片的出現大大簡(jiǎn)化了電力電子電路的控制線(xiàn)路，提高了控制信號的開(kāi)關(guān)頻率，只需外接若干阻容元件即可直接構成具有校正環(huán)節的模擬調節器，提高了電路的可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模擬控制電路的固有缺陷，如元件參數的精度和一致性、元件老化等問(wèn)題仍然存在。此外，模擬集成控制芯片還存在功耗較大、集成度低、控制不夠靈活、通用性不強等問(wèn)題。

用數字化控制代替模擬控制，可以消除溫度漂移等常規模擬調節器難以克服的缺點(diǎn)，有利于參數整定和變參數調節，便于通過(guò)程序軟件的改變方便地調整控制方案和實(shí)現多種新型控制策略，同時(shí)可減少元器件的數目、簡(jiǎn)化硬件結構，從而提高系統的可靠性。此外，還可以實(shí)現運行數據的自動(dòng)儲存和故障自動(dòng)診斷，有助于實(shí)現電力電子裝置運行的智能化。

超聲波發(fā)生器應用數字化控制技術(shù)一般有三種形式。

（1）采用單片機控制

單片機是一種在一塊芯片上集成了CPU、RAM/ROM、定時(shí)器/計數器和I/O接口等單元的微控制芯片，具有速度快、功能強、效率高、體積小、性能可靠、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，在各種控制系統中應用廣泛。單片機的CPU經(jīng)歷了由4、8，16、32直至64位的發(fā)展過(guò)程，主要以美國INTEL公司生產(chǎn)的MCS-51（8位）和MCS-96（16位）兩大系列為代表。

在超聲波發(fā)生器中，單片機主要用作數據采集和運算處理、電壓電流調節、PWM信號生成、系統狀態(tài)監控和故障自我診斷等，一般作為整個(gè)電路的主控芯片運行，完成多種綜合功能。配合D/A轉換器和MOSFET功率模塊實(shí)現脈寬調制。另外，單片機還具有對過(guò)流、過(guò)熱、欠壓等情況的中斷保護以及監控功能。

單片機控制克服了模擬電路的固有缺陷，通過(guò)數字化的控制方法，得到高精度和高穩定度的控制特性，并可實(shí)現靈活多樣的控制功能。但是，單片機的工作頻率與控制精度是一對矛盾，而且處理速度也很難滿(mǎn)足高頻電路的要求，這就使人們不得不轉而尋求功能更強的芯片的幫助，于是DSP應運而生。

（2）采用DSP控制

數字信號處理器（DSP）是近年來(lái)迅速崛起的新一代可編程處理器，其內部集成了波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器，提供高速同步串口和標準異步串口，有的片內還集成了釆樣/保持和A/D轉換電路，并提供PWM信號輸出。與單片機相比，DSP具有更快的CPU、更高的集成度和更大容量的存儲器。DSP屬于精簡(jiǎn)指令系統計算機（RISC），大多數指令都能在一個(gè)周期內完成，并可通過(guò)并行處理技術(shù)，在一個(gè)指令周期內完成多條指令。同時(shí)，DSP采用改進(jìn)的哈佛結構，具有獨立的程序和數據空間，允許同時(shí)存儲程序和數據。內置高速的硬件乘法器，增加了多級流水線(xiàn)，使其具有高速的數據運算能力。而單片機為復雜指令系統計算機（CISC），多數指令要2~3個(gè)指令周期才能完成。單片機采用諾依曼結構，程序和數據在同一空間存儲，同一時(shí)刻只能單獨訪(fǎng)問(wèn)指令或數據。單片機的ALU只能做加法，而乘法則需要由軟件來(lái)實(shí)現，因而需要占用較多的指令周期，速度比較慢。與16位單片機相比，DSP執行單指令的時(shí)間快8?10倍，一次乘法運算時(shí)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的所有功能，如主電路控制、系統實(shí)時(shí)監控及保護、系統通信等。雖然DSP有著(zhù)許多優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在一些局限性，如采樣頻率的選擇、PWM信號頻率及其精度采樣延時(shí)、運算時(shí)間及精度等。這些因素會(huì )或多或少地影響電路的控制性能。

（3）采用FPGA控制

現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）屬于可重構器件，其內部邏輯功能可以根據需要任意設定，具有集成度高、處理速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)。其結構主要分為三部分：可編程邏輯塊、可編程I/O模塊、可編程內部連線(xiàn)。由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少則幾千個(gè)等效門(mén)多則幾萬(wàn)或幾十萬(wàn)個(gè)等效門(mén)。所以，一片FPGA就可以實(shí)現非常復雜的邏輯、替代多塊集成電路和分立元件組成的電路。它借助于硬件描述語(yǔ)言（VHDL）來(lái)對系統進(jìn)行設計，采用三個(gè)層次（行為描述、RTL描述、門(mén)級描述）的硬件描述和自上至下（從系統功能描述開(kāi)始）的設計風(fēng)格，能對三個(gè)層次的描述進(jìn)行混合仿真，從而可以方便地進(jìn)行數字電路設計，在可靠性、體積、成本上具有相當優(yōu)勢。比較而言，DSP適合取樣速率低和軟件復雜程度高的場(chǎng)合使用；而當系統取樣速率高（HHz級）、數據率高（20MB/S以上）、條件操作少、任務(wù)比較固定時(shí)，FPGA更有優(yōu)勢。

4.幾種典型的開(kāi)關(guān)式發(fā)生器電路型式

（1）半橋型

原理圖如圖5-74所示。

半橋型電路比較簡(jiǎn)單，PWM控制器是一塊多功能IC（集成電路），兼作頻率發(fā)生器及脈寬調制器，還集成一些保護性電路，負反饋電路等。一般采用TL494、IC的輸出經(jīng)過(guò)信號驅動(dòng)后供開(kāi)關(guān)管。兩個(gè)開(kāi)關(guān)管輪流導通，抗匹配，供換能器使用。功率的調節有兩種方式：第一種是調節頻率。由于換能器在諧振頻率時(shí)輸出功率最大，其消耗功率也大，因此當調節頻率為換能器的諧振頻率時(shí)，其功率最大，我們可以調偏頻率，使換能器偏離諧振頻率，換能器的功率也會(huì )降低，偏離頻率越大，功率降低越大，達到調節功率的目的。另一種方式是固定頻率，調節占空比。當開(kāi)關(guān)管導通時(shí)間較長(cháng)時(shí)，輸出的功率較大，導通時(shí)間較小，輸出功率變小。

這種形式的電路還可以加上功率負反饋電路，當電源電壓變化時(shí)可以通過(guò)反饋調節占空比，使輸出功率穩定。

圖5-74半橋型開(kāi)關(guān)式發(fā)生器電路

圖片P374頁(yè)

（2）全橋型

原理圖如圖5-75所示。

全橋型原理基本上與半橋型相似。它是通過(guò)一對管同時(shí)開(kāi)關(guān)而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；當TB1、TB2導通而TA1與TA2截止時(shí)，Tout得到①正②負信號，如此循環(huán)，在Tout①、②得到一個(gè)交變的功率信號。

全橋型發(fā)生器的功率調節也可分為兩種情況，與半橋型相似。

5-75全橋型開(kāi)關(guān)式發(fā)生器電路

圖片P375頁(yè)

超聲換能器對清洗機質(zhì)量的影響

超聲清洗設備根據清洗對象和生產(chǎn)規模的要求，其組成和結構差別很大，可以是復雜、龐大的設備，也可以是非常簡(jiǎn)單的結構。這里著(zhù)重探討由超聲頻電源、換能器和清洗槽組成超聲波清洗設備的核心部分的質(zhì)量問(wèn)題。

1.超聲換能器結構的選擇

在低超聲頻段（20?100kHz），目前工業(yè)上絕大多數是采用單螺釘夾緊的夾心式壓電換能器（復合換能器），結構上的差別主要在于輻射體（與不銹鋼板粘接的鋁塊）的形狀，一種是錐體喇叭；另一種直棒形狀。如圖5-76a、b所示。

喇叭狀換能器的聲輻射效率比棒狀換能器高，即同樣的輸入電功率，在清洗槽中得到較大的聲功率，而消耗在換能器上的電功率較少，因而換能器的發(fā)熱也低。當輸入換能器的電功率相同時(shí)，由于喇叭輻射面的面積比棒狀換能器大，所以輻射面的聲強較低，與其粘結的不銹鋼板表面空化腐蝕小，清洗槽（或浸入式換能器）的壽命延長(cháng)。所以在一般情況下采用喇叭狀換能器較好。

為進(jìn)一步提高聲輻射效率、展寬頻帶，我國研制出一種半穿孔結構的寬頻帶超聲清洗換能器，如圖5-77所示。

這種換能器尤其在較高頻段（40kHz以上），其優(yōu)點(diǎn)更為突出，因為它可以削弱橫向振動(dòng)所帶來(lái)的不良影響，由于頻帶較寬，也有利于掃頻清洗。

在某些場(chǎng)合，例如清洗較深螺孔時(shí)，宜采用高輻射聲強的換能器，此時(shí)換能器的輻射體常具有尖削聚焦形狀，以提高輻射面的聲強。這種換能器一般不是粘結在清洗槽上，而是直接插入液體中進(jìn)行清洗。

圖5-76超聲換能器的輻射體形狀示意圖

圖5-77半穿孔結構的超聲清洗換能器

2.換能器在清洗槽中的分布及粘結問(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(guò)密，一個(gè)緊挨一個(gè)的排列，輸入換能器的電功率強度達到2~3W/cm2，這樣高的強度一方面會(huì )加快不銹鋼板表面（與清洗液接觸的表面）的空化腐蝕，縮短使用壽命；另一方面由于聲強過(guò)高，會(huì )在鋼板表面附近產(chǎn)生大量較大的氣泡，增加聲傳播損失，在遠離換能器的地方削弱清洗作用。一般選用功率強度每平方厘米低于1.5W為宜（按粘有換能器的鋼板面積計算）。如果清洗槽較深，除槽底粘有換能器外，在槽壁上也應考慮粘結換能器。

換能器與清洗槽的粘結質(zhì)量對超聲清洗機整機的質(zhì)量影響很大。不但要粘牢，而且要求膠層均勻、不缺膠和不允許有裂縫，使超聲能量最大限度地向清洗液中傳輸，以提高整機效率和清洗效果。目前有些清洗設備為避免換能器從清洗槽上掉下來(lái)，采取螺釘加粘膠的固定方式，這種連接方式雖然換能器不會(huì )掉下來(lái)，但是存在許多隱患。如果螺釘焊接質(zhì)量差，例如不垂直于不銹鋼板表面，則膠層不均勻，套至有裂痕或缺膠，能量傳輸會(huì )削弱；另一方面，如果焊接不好也會(huì )影響不銹鋼表面的平整，導致加速空化腐蝕，縮短使用壽命。

判斷粘結質(zhì)量的方法之一，是在清洗槽裝水并開(kāi)機工作一段時(shí)間后，測量換能器的溫升。如果在眾多的換能器中某個(gè)換能器溫升特別快，則表明該換能器可能粘結不好。因為此時(shí)聲輻射不好，電能量大部分消耗在換能器上而發(fā)熱。另一個(gè)方法是在小信號條件下逐個(gè)測量換能器的電阻抗大小來(lái)判別粘結質(zhì)量。

目前在超聲波清洗機的性能方面還存在一些模糊的認識：認為功率越大，換能器數目越多，其性能越好，價(jià)值越高，甚至以此論價(jià)。這種認識是不全面的。如上述，換能器布得過(guò)密，功率密度過(guò)大，不但清洗效果不好，而且槽底易空化腐蝕。另一方面，目前超聲波清洗機商品所標的功率大多是電功率而不是聲功率，如果所標是指消耗工頻功率，則超聲波清洗機質(zhì)量的優(yōu)劣應該由效率來(lái)判斷。如果效率低，在同樣清洗效果時(shí)則耗電大，反而增加了用戶(hù)的費用。超聲清洗機的效率包括兩部分：一是超聲頻電源的效率，即輸入換能器的高頻電功率與消耗工頻電功率之百分比；另一部分是電聲轉換效率，即進(jìn)入清洗液中的聲功率與輸入換能器的電功率之百分比。目前我國在工業(yè)生產(chǎn)中還沒(méi)有一種簡(jiǎn)便的方法和設備來(lái)測量電聲轉換效率。各廠(chǎng)家所標的超聲波清洗機的功率是含糊不清的，亟須有行業(yè)的統一標準。

超聲波清洗技術(shù)的改進(jìn)

1.超聲波清洗裝置的改進(jìn)

（1）匯聚增強超聲波清洗裝置：用一截面積為多邊形的管或圓管代替通常的超聲波清洗槽，在管的外周面上安裝許多超聲換能器，在管中充滿(mǎn)清洗液，這樣各個(gè)換能器輻射的聲能量都可匯聚到管子的中心線(xiàn)上，并可得到比一般超聲波清洗槽高十幾倍的聲強，因而能大大提高清洗速度。如一種這樣的裝置，管長(cháng)19cm，內徑7.5cm，把總功率為1kW的多個(gè)鐮磁致伸的伸縮換能器焊接在管的外周面上，使用時(shí)在管中心線(xiàn)上可以得到16W/cm2的聲強。用于冷拔鋼絲、銅線(xiàn)等線(xiàn)材的清洗，清洗速度高，線(xiàn)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桿連接，在變幅桿的輻射端面可得到較大聲強，一些難清洗的深盲孔、深螺孔可以用這種專(zhuān)用超聲清洗工具進(jìn)行清洗，清洗時(shí)向孔中流滿(mǎn)清洗液，在聲空化及輻射壓力的作用下孔中的清洗液被劇烈攪拌，脫離清洗件表面的污物能很快被去除。用這種設備清洗深螺孔特別有效。

2.超聲波頻率的改變

在許多高技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中需要清除粒徑小于微米的污垢粒子，例如大規模集成電路硅片、硬磁盤(pán)和光刻掩蔽膜的清洗等。此時(shí)用低頻超聲波清洗不但沒(méi)有效果而且易損傷產(chǎn)品，如采用700kHz?1MHz的超聲波（波長(cháng)在μm級）進(jìn)行清洗可以使附著(zhù)在表面上的微小污粒脫離。這類(lèi)高頻超聲波不產(chǎn)生空穴而具有更高的能量，它的清洗能力主要依靠聲波傳遞的能量引起媒液劇烈的振動(dòng)，使污垢在巨大能量的作用下解離分散。因此，這種兆赫超聲波的清洗不是利用超聲波的空化作用，而且依靠超聲波產(chǎn)生的聲速梯度、粒子速度及聲流作用配合清洗液的化學(xué)作用使細小顆粒脫離被清洗物表面的。利用兆赫超聲波清洗具有不損傷清洗物體表面，可去除粒徑在0.15μm的微小污垢的特點(diǎn)。

（1）清洗對象

微電子、計算機制造過(guò)程中的清洗對象，如集成電路芯片、光掩膜、硅片、薄膜、磁盤(pán)、驅動(dòng)器、讀寫(xiě)頭、液晶玻璃及平面顯示器；微組件和拋光金屬件：用于醫學(xué)和宇航方面的精細零部件等。這些對象要求在清洗過(guò)程中不能受到任何微小的損傷，要能洗掉微米、亞微米的微小污物，這就要求在聲參數方面有特殊的考慮。

（2）掃頻清洗

為改善清洗槽中的聲場(chǎng)分布，避免駐波場(chǎng)中存在最小聲壓值，低頻超聲清洗設備中有時(shí)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，例如100kHz以上作掃頻清洗。這種工作方式有缺點(diǎn)，因為換能器有一定的帶寬，在換能器的共振頻率上（即中心頻率）輸出功率大，當作上下掃頻時(shí)，輸出功率減少，因而在清洗槽中的聲功率是脈沖形狀，脈沖的重復頻率為掃頻速率的兩倍。這種固定重復的能量脈沖可能引起清洗槽中某些清洗件的共振而導致?lián)p壞。因此，為避免共振，曾采用掃頻速率變化的方式。

圖5-78是另一種掃頻方式。掃頻時(shí)是單調地由高向低頻掃，這樣會(huì )在清洗槽中產(chǎn)生一種"恒膨脹波"（ever-expanding），這種波會(huì )產(chǎn)生一向上力作用于污物，使污物浮上液面，如果清洗槽采用溢流方式，污物會(huì )不斷溢離，避免重新沉積在零件表面。

圖5-78掃頻清洗頻率變化示意圖

圖片P278頁(yè)

（3）多頻工作方式

這種工作方式的應用已近40年的歷史。我們知道，工作頻率高時(shí)，在液體中的空化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?？栈瘡姸冗^(guò)高則易損壞清洗件?？栈芏雀?，穿達微細結構好，所以精細清洗一般選取較高的頻率，由于對清洗件的不同部位所需要的空化強度和密度可能不同，因而設計出多頻同時(shí)作用的超聲清洗設備。

①第一類(lèi)：在一個(gè)清洗槽中安裝有兩個(gè)以上的換能器陣，每個(gè)陣以不同頻率工作，分別用不同電源在不同頻率上驅動(dòng)。這類(lèi)設備始于上世紀50年代末，到上世紀70年代美國B(niǎo)ranson公司曾設計一種在槽底安裝一組工作在25kHz的換能器，另一組安裝在槽壁上而工作在40kHzo這類(lèi)設備沒(méi)有得到應用。到上世紀90年代AmerimadeTechnologySoldSystems公司做了一種槽壁，不是平行而是帶有夾角，將兩組換能器分別安裝在兩壁上，其中一組換能器以中心頻率為72kHz進(jìn)行掃頻；另一組為104kHz也進(jìn)行掃頻，這類(lèi)設備在軟盤(pán)清洗方面得到大量應用。

②第二類(lèi)：用一組換能器同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)頻率的超聲清洗設備。換能器陣的特點(diǎn)是具有豐富的諧頻。當用一脈沖或方波電源激勵換能器時(shí)，即可在清洗槽中同時(shí)產(chǎn)生多頻超聲。美國Crest公司曾生產(chǎn)這類(lèi)產(chǎn)品。

③第三類(lèi)：最近國外開(kāi)發(fā)一種新的多頻超聲清洗設備。只用一組換能器，用一個(gè)超聲頻電源驅動(dòng)，其工作特點(diǎn)是：在某一時(shí)間內，在換能器某一段帶寬中作連續的頻率變化，然后跳到另一段帶寬范圍內進(jìn)行掃頻清洗。特點(diǎn)是對具有不同尺寸及污物類(lèi)型的零部件都能清洗。在低頻時(shí)，例如40kHz讓其清洗時(shí)間縮短，這樣去污力強而不至于損壞零件。因為其工作頻率范圍寬，故適合于各種零部件及使用各種化學(xué)清洗劑的清洗。

（4）兆赫級超聲清洗

某些對于污物極敏感而又易損壞的零件的清洗，采用更高的頻率效果更好。兆赫超聲清洗是指工作頻率在700kHz?MHz范圍的超聲清洗。其清洗機理一般認為主要是由于聲壓梯度、粒子速度及聲流的作用，而空化效應是次要的，因此對零件表面不會(huì )損傷，但可除去附著(zhù)在零件表面的亞微米大小的顆粒污物。其特點(diǎn)是清洗方向性強，一般零件表面置于與聲束平行的方向。

換能器陣曾采用厚度共振的壓電晶片，在一個(gè)平面內排成陣列。高頻電源能對陣中每一個(gè)晶片進(jìn)行自動(dòng)調諧，以提高效率及工作的穩定性。激勵源如果釆用脈沖工作方式，清洗效果會(huì )更好。國外在半導體工業(yè)中的生產(chǎn)線(xiàn)上已有這類(lèi)產(chǎn)品。在直徑為100?300mm硅片的清洗過(guò)程中，能除去硅片表面小到0.15mm的微小顆粒污物，清除率接近百分之百。在漂洗工藝中可加快漂洗過(guò)程，并能有效地阻止粒子重新附著(zhù)在硅片表面上。

（5）超聲能量計

在微電子、半導體等高技術(shù)產(chǎn)品的精細清洗過(guò)程中，控制在清洗槽中的聲能水平是很重要的一環(huán)。過(guò)高的能量會(huì )損壞清洗元件，過(guò)低則達不到洗凈目的。美國ppb公司自1996年開(kāi)始生產(chǎn)超聲能量計并用于超聲清洗過(guò)程的控制。

①原理

釆用壓電晶體接收聲能，壓電接收器的頻率響應在20kHz到幾MHz范圍內是平直的，輸出信號為各個(gè)諧波的疊加，然后求出復雜波形的有效值（RMS值），此值用DC輸出作數碼顯示，不是求平均值。

②結構

探頭是一種半球形的外殼，材料是乙烯及丙烯（EPDM），窗口透鏡用石英做成。在半球殼的45°方向上裝有管子，管子材料用316不銹鋼，外徑6.35mm，508mm長(cháng)，外包Teflon材料。有接頭可與手提儀表連接，也可以直接裝在清洗槽的面板上。

③校準

在美國海軍水聲校準系統中進(jìn)行標定標準探頭，然后專(zhuān)門(mén)制造帶有一個(gè)40kHz換能器的清洗槽，探頭精確固定在槽中的固定位置，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能量密度（W/m2）。因為即使輸入換能器的功率不變，但是由于清洗液的蒸氣壓及化學(xué)成分的改變，其空化能量會(huì )變化，用此儀器測量的能量包括空化能量。

b.設定清洗槽中的能量水平。

c.在不同超聲清洗槽之間建立相同的能量水平。

d.測量檢查超聲清洗槽中的能量分布。

e.可在超聲清洗槽中某一固定位置測量能量的平均值、最小值、最大值及標準偏差，在LCD顯RMS值（W/m2），所有數據可以貯存在100個(gè)記憶單元中，然后輸出到PC機中處理，可顯示頻率。

3.節水型超聲波清洗設備

近年來(lái)，隨著(zhù)人們環(huán)保意識的提高，在LCD制造工廠(chǎng)，降低清洗設備使用的藥液、純水、排氣等的用量及降低廢液、廢水處理負荷已經(jīng)成了最大的課題。日本海上株式會(huì )社致力于該課題的研究，開(kāi)發(fā)出節水型超聲波清洗設備。該設備具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a.純水使用量大幅節減（與本社以往設備比約1/3程度）

b.省設備支撐（與本社以往設備比約1/3程度）

C.采用機能水后，無(wú)藥液清洗過(guò)程，使廢水處理負荷大幅降低。

（1）含氫水超聲波淋浴清洗

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

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動(dòng)，形成液膜。然后通過(guò)超聲波作用，使被清洗物表面的異物被剝離。同時(shí)，由于清洗液能夠快速排出，自然預防了污垢的再附著(zhù)。

圖5-79含氫水超聲波淋浴基本結構圖

圖片P380頁(yè)

（2）機能水的應用

日本機能水學(xué)會(huì )于2002年9月13日成立，該學(xué)會(huì )在“日本機能水學(xué)會(huì )的概要"中，給出的機能水定義為：機能水是指在經(jīng)過(guò)人為處理獲得的具再現性有用機能的水溶液中，那些在處理與技能方面被明確了科學(xué)依據的水、機能水以電解水為主。

圖5-80含氫水兆聲波清洗效果（203.2mm硅片自旋清洗）

圖片P380頁(yè)

目前，LCD洗凈領(lǐng)域，除了純水外，多采用藥液或清洗劑。但是，考慮到環(huán)保問(wèn)題，今后藥液的使用可能要受到嚴格限制。最近，作為代替藥液的清洗液，機能水受到了矚目。尤其是含氫水與超聲波組合的清洗方法，更是大幅度提高了清洗能力。圖5-80的實(shí)驗結果表明：若使用含氫水，清洗能力可提高約10%。加上因未使用藥液，又有了不需要排水處理這個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

（3）節水型清洗設備

節水型清洗設備通過(guò)含氫水與超聲波組合使用，另外采用UV處理作為前處理，從而實(shí)現了設備的小型化，降低了純水使用量和廢液廢水處理負荷。該設備見(jiàn)圖5-81。

圖5-81節水型超聲波清洗設備

圖片P381頁(yè)

（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量與以往設備比約為1/3。由于設備的小型化，使清洗室內的設計自由度和流水線(xiàn)構成比較容易。

表5-33設備比較