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(yīng)用。

超聲波清洗系統(tǒng)的工作原理

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

機(jī)械型超聲波發(fā)生器直接用機(jī)械方法使物體振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波。常見的機(jī)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)力來產(chǎn)生超聲波。如旋笛是使流體以每秒幾萬次的頻率斷續(xù)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(xù)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(yīng)用得更廣泛的。它是利用電磁能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械波能量。這種能量的轉(zhuǎn)換是通過電聲換能器來完成的。電聲換能器的作用是將高頻率電源的電磁振蕩能量轉(zhuǎn)換機(jī)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(yīng)原理可用圖5-71加以說明。

由鈦酸頓（BaTiO?）或錯(cuò)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(yīng)力作用時(shí)，處于壓縮狀態(tài)或伸長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)都會(huì)形成電壓，稱為壓電效應(yīng)；而在壓電陶瓷材料外部?jī)啥思佑须妷簳r(shí)，它又會(huì)產(chǎn)生伸縮的機(jī)械振動(dòng)，稱為逆壓電效應(yīng)。當(dāng)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(xù)變化并產(chǎn)生超聲波。這種逆壓電效應(yīng)就是壓電式換能器產(chǎn)生超聲波的原理。如圖5-71所示，當(dāng)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(yīng)制成的。用鐵磁體作成線圈的鐵芯，當(dāng)高頻電流通過線圈時(shí)，隨著鐵芯中磁場(chǎng)強(qiáng)度周期性變化，鐵芯長(zhǎng)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(yīng)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(dá)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(dá)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(shè)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(zhǎng)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(jī)。隨著超聲波清洗器規(guī)模的擴(kuò)大，效率也不斷提高。種類也不斷增加，除了單槽式清洗機(jī)外，還有手提式和附有搬運(yùn)機(jī)械裝置等不同形式，也有多槽的超聲波清洗機(jī)。外形上也發(fā)生相應(yīng)變化，如設(shè)計(jì)適合長(zhǎng)條狀清洗對(duì)象用的清洗機(jī)。超聲波發(fā)生器在底部位置可以移動(dòng)或安裝在槽側(cè)面等等。

超聲波發(fā)生器電源技術(shù)的發(fā)展

從原理上說，超聲波清洗設(shè)備中核心部分應(yīng)該是超聲波的作用。超聲波清洗設(shè)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(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)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)稱發(fā)生器）實(shí)質(zhì)是一個(gè)功率信號(hào)發(fā)生器，它產(chǎn)生一定頻率的正弦（或類似正弦）信號(hào)，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來說明。

首先由信號(hào)發(fā)生器來產(chǎn)生一個(gè)特定頻率的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以是正弦信號(hào)，也可以是脈沖信號(hào)，這個(gè)特定頻率就是換能器的頻率，一般在超聲波設(shè)備中使用到的超聲波頻率為25kHz、28kHz、35kHz、40kHz，100kHz或以上現(xiàn)在尚未大量使用，但隨著以后精密清洗的不斷發(fā)展，相信使用面會(huì)逐步擴(kuò)大。

圖5-72超聲波發(fā)生器原理

功率放大器可有多種形式，如電子管甲類放大器、甲乙類放大器；晶體管甲類或乙類放大器（均屬于模擬式）；晶體管開關(guān)式放大器等，功率一般從50W到5000W不等，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的頻率信號(hào)經(jīng)過功率放大器后需經(jīng)過阻抗匹配，使得輸出的阻抗與換能器相符，推動(dòng)換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。

比較完善的超聲波發(fā)生器還應(yīng)有反饋環(huán)節(jié)，主要提供兩個(gè)方面的反饋信號(hào)：第一個(gè)是提供輸出功率信號(hào)。我們知道當(dāng)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(jī)械振動(dòng)忽大忽小，導(dǎo)致清洗效果不穩(wěn)定。因此需要穩(wěn)定輸出功率，通過功率反饋信號(hào)相應(yīng)調(diào)整功率放大器，使得功率放大穩(wěn)定。第二個(gè)是提供頻率跟蹤信號(hào)。當(dāng)換能器工作在諧振頻率點(diǎn)時(shí)其效率最高，工作最穩(wěn)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(dāng)然這種改變的頻率只是漂移，變化不是很大，頻率跟蹤信號(hào)可以控制信號(hào)發(fā)生器，使信號(hào)發(fā)生器的頻率在一定范圍內(nèi)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(dāng)然隨著現(xiàn)代電子技術(shù)，特別是微處理器（四）及信號(hào)處理器（DSP）的發(fā)展，發(fā)生器的功能越來越強(qiáng)大，但不管如何變化，其核心功能應(yīng)該是如上所述的內(nèi)容，只是每部分在實(shí)現(xiàn)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(shù)字（開關(guān)）放大器。

（1）電子管放大器

在早期（上世紀(jì)80年代前），信號(hào)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(duì)于音頻放大器至關(guān)重要，但對(duì)超聲波發(fā)生器沒有什么用處，因此一旦功率晶體管出現(xiàn)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(jì)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

信號(hào)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(hào)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(dǎo)致功率管發(fā)熱嚴(yán)重，需要較大的散熱功率，功率管的發(fā)熱導(dǎo)致工作不太穩(wěn)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(xiàn)代的微處理器來處理，由于該電路呈現(xiàn)一個(gè)比較典型的模擬線路特征，用數(shù)字處理比較復(fù)雜，涉及到A/D（模擬轉(zhuǎn)數(shù)字）和D/A（數(shù)字轉(zhuǎn)模擬），成本比較高，可靠性低。

（3）晶體管開關(guān)型放大器

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

開關(guān)型發(fā)生器的原理是通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比（或?qū)ㄅc截止時(shí)間）來控制輸出的功率。由于晶體管在截止和飽和導(dǎo)通時(shí)的功耗很小，因此這種開關(guān)型發(fā)生器的特點(diǎn)是：

①功耗低、效率高：開關(guān)管在開關(guān)瞬時(shí)的功耗較大，但時(shí)間很短，在截止或?qū)〞r(shí)的功耗很小，時(shí)間較長(zhǎng)，因此總的功耗較小，而且基本恒定，最高效率可以達(dá)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(shù)字（開關(guān)）輸出，可用微處理器直接控制。

（4）三種類型發(fā)生器主要性能特點(diǎn)

見表5-30。

表5-30三種類型發(fā)生器主要性能特點(diǎn)

3.開關(guān)型發(fā)生器發(fā)展的幾個(gè)過程

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

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

表5-31電力電子開關(guān)器件的發(fā)展過程

表格P371頁

第二種型式是用VDMOS管（垂直溝道MOS管，或稱功率MOS管），VDMOS管也有幾代的發(fā)展，其主要優(yōu)點(diǎn)是：開關(guān)頻率高（可達(dá)1MHz），驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單（電壓型驅(qū)動(dòng)），抗擊穿性好（沒有雪崩效應(yīng)），缺點(diǎn)是耐高壓的器件，導(dǎo)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VDMOS工藝不斷改進(jìn)，輸出功率也越來越大，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(jié)合的產(chǎn)物，既有MOS管開關(guān)頻率高，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，也有雙極管導(dǎo)通壓降小、耐壓高等優(yōu)點(diǎn)。它的開關(guān)頻率目前可以在40?50kHz，功率可以達(dá)到5000W，在一般超聲波發(fā)生器中很少運(yùn)用，它的價(jià)格較高，保護(hù)線路要求復(fù)雜。它們之間的比較可用表5-32來說明。

表5-32三種型式電力電子開關(guān)器件的比較

表格P372頁

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(duì)應(yīng)，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(xiàn)高頻開關(guān)的計(jì)算機(jī)控制，并向著更高頻率、更低損耗和全數(shù)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(yīng)慢、參數(shù)整定不方便、溫度漂移嚴(yán)重、容易老化等缺點(diǎn)。專用模擬集成控制芯片的出現(xiàn)大大簡(jiǎn)化了電力電子電路的控制線路，提高了控制信號(hào)的開關(guān)頻率，只需外接若干阻容元件即可直接構(gòu)成具有校正環(huán)節(jié)的模擬調(diào)節(jié)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(shù)的精度和一致性、元件老化等問題仍然存在。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(qiáng)等問題。

用數(shù)字化控制代替模擬控制，可以消除溫度漂移等常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器難以克服的缺點(diǎn)，有利于參數(shù)整定和變參數(shù)調(diào)節(jié)，便于通過程序軟件的改變方便地調(diào)整控制方案和實(shí)現(xiàn)多種新型控制策略，同時(shí)可減少元器件的數(shù)目、簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。此外，還可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)儲(chǔ)存和故障自動(dòng)診斷，有助于實(shí)現(xiàn)電力電子裝置運(yùn)行的智能化。

超聲波發(fā)生器應(yīng)用數(shù)字化控制技術(shù)一般有三種形式。

（1）采用單片機(jī)控制

單片機(jī)是一種在一塊芯片上集成了CPU、RAM/ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和I/O接口等單元的微控制芯片，具有速度快、功能強(qiáng)、效率高、體積小、性能可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在各種控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。單片機(jī)的CPU經(jīng)歷了由4、8，16、32直至64位的發(fā)展過程，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(jī)主要用作數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算處理、電壓電流調(diào)節(jié)、PWM信號(hào)生成、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和故障自我診斷等，一般作為整個(gè)電路的主控芯片運(yùn)行，完成多種綜合功能。配合D/A轉(zhuǎn)換器和MOSFET功率模塊實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。另外，單片機(jī)還具有對(duì)過流、過熱、欠壓等情況的中斷保護(hù)以及監(jiān)控功能。

單片機(jī)控制克服了模擬電路的固有缺陷，通過數(shù)字化的控制方法，得到高精度和高穩(wěn)定度的控制特性，并可實(shí)現(xiàn)靈活多樣的控制功能。但是，單片機(jī)的工作頻率與控制精度是一對(duì)矛盾，而且處理速度也很難滿足高頻電路的要求，這就使人們不得不轉(zhuǎn)而尋求功能更強(qiáng)的芯片的幫助，于是DSP應(yīng)運(yùn)而生。

（2）采用DSP控制

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是近年來迅速崛起的新一代可編程處理器，其內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)異步串口，有的片內(nèi)還集成了釆樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換電路，并提供PWM信號(hào)輸出。與單片機(jī)相比，DSP具有更快的CPU、更高的集成度和更大容量的存儲(chǔ)器。DSP屬于精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC），大多數(shù)指令都能在一個(gè)周期內(nèi)完成，并可通過并行處理技術(shù)，在一個(gè)指令周期內(nèi)完成多條指令。同時(shí)，DSP采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增加了多級(jí)流水線，使其具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。而單片機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（CISC），多數(shù)指令要2~3個(gè)指令周期才能完成。單片機(jī)采用諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)在同一空間存儲(chǔ)，同一時(shí)刻只能單獨(dú)訪問指令或數(shù)據(jù)。單片機(jī)的ALU只能做加法，而乘法則需要由軟件來實(shí)現(xiàn)，因而需要占用較多的指令周期，速度比較慢。與16位單片機(jī)相比，DSP執(zhí)行單指令的時(shí)間快8?10倍，一次乘法運(yùn)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(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控及保護(hù)、系統(tǒng)通信等。雖然DSP有著許多優(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(hào)頻率及其精度采樣延時(shí)、運(yùn)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(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）屬于可重構(gòu)器件，其內(nèi)部邏輯功能可以根據(jù)需要任意設(shè)定，具有集成度高、處理速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)主要分為三部分：可編程邏輯塊、可編程I/O模塊、可編程內(nèi)部連線。由于FPGA的集成度非常大，一片F(xiàn)PGA少則幾千個(gè)等效門多則幾萬或幾十萬個(gè)等效門。所以，一片F(xiàn)PGA就可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)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言（VHDL）來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用三個(gè)層次（行為描述、RTL描述、門級(jí)描述）的硬件描述和自上至下（從系統(tǒng)功能描述開始）的設(shè)計(jì)風(fēng)格，能對(duì)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(shù)字電路設(shè)計(jì)，在可靠性、體積、成本上具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。比較而言，DSP適合取樣速率低和軟件復(fù)雜程度高的場(chǎng)合使用；而當(dāng)系統(tǒng)取樣速率高（HHz級(jí)）、數(shù)據(jù)率高（20MB/S以上）、條件操作少、任務(wù)比較固定時(shí)，F(xiàn)PGA更有優(yōu)勢(shì)。

4.幾種典型的開關(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(diào)制器，還集成一些保護(hù)性電路，負(fù)反饋電路等。一般采用TL494、IC的輸出經(jīng)過信號(hào)驅(qū)動(dòng)后供開關(guān)管。兩個(gè)開關(guān)管輪流導(dǎo)通，抗匹配，供換能器使用。功率的調(diào)節(jié)有兩種方式：第一種是調(diào)節(jié)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(dāng)調(diào)節(jié)頻率為換能器的諧振頻率時(shí)，其功率最大，我們可以調(diào)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(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。另一種方式是固定頻率，調(diào)節(jié)占空比。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，輸出的功率較大，導(dǎo)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(fù)反饋電路，當(dāng)電源電壓變化時(shí)可以通過反饋調(diào)節(jié)占空比，使輸出功率穩(wěn)定。

圖5-74半橋型開關(guān)式發(fā)生器電路

圖片P374頁

（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。它是通過一對(duì)管同時(shí)開關(guān)而在負(fù)載上得到變頻信號(hào)。當(dāng)TA1與TA2導(dǎo)通而TB1、TB2截止時(shí)，Tout得到①負(fù)②正信號(hào)；當(dāng)TB1、TB2導(dǎo)通而TA1與TA2截止時(shí)，Tout得到①正②負(fù)信號(hào)，如此循環(huán)，在Tout①、②得到一個(gè)交變的功率信號(hào)。

全橋型發(fā)生器的功率調(diào)節(jié)也可分為兩種情況，與半橋型相似。

5-75全橋型開關(guān)式發(fā)生器電路

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超聲換能器對(duì)清洗機(jī)質(zhì)量的影響

超聲清洗設(shè)備根據(jù)清洗對(duì)象和生產(chǎn)規(guī)模的要求，其組成和結(jié)構(gòu)差別很大，可以是復(fù)雜、龐大的設(shè)備，也可以是非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。這里著重探討由超聲頻電源、換能器和清洗槽組成超聲波清洗設(shè)備的核心部分的質(zhì)量問題。

1.超聲換能器結(jié)構(gòu)的選擇

在低超聲頻段（20?100kHz），目前工業(yè)上絕大多數(shù)是采用單螺釘夾緊的夾心式壓電換能器（復(fù)合換能器），結(jié)構(gòu)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(dāng)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(qiáng)較低，與其粘結(jié)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(zhǎng)。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(jié)構(gòu)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?yàn)樗梢韵魅鯔M向振動(dòng)所帶來的不良影響，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(qiáng)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(qiáng)。這種換能器一般不是粘結(jié)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(jié)構(gòu)的超聲清洗換能器

2.換能器在清洗槽中的分布及粘結(jié)問題

目前有些超聲清洗機(jī)商品，粘在清洗槽底或壁上的換能器分布過密，一個(gè)緊挨一個(gè)的排列，輸入換能器的電功率強(qiáng)度達(dá)到2~3W/cm2，這樣高的強(qiáng)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(qiáng)過高，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(yuǎn)離換能器的地方削弱清洗作用。一般選用功率強(qiáng)度每平方厘米低于1.5W為宜（按粘有換能器的鋼板面積計(jì)算）。如果清洗槽較深，除槽底粘有換能器外，在槽壁上也應(yīng)考慮粘結(jié)換能器。

換能器與清洗槽的粘結(jié)質(zhì)量對(duì)超聲清洗機(jī)整機(jī)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(jī)效率和清洗效果。目前有些清洗設(shè)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式，這種連接方式雖然換能器不會(huì)掉下來，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(dǎo)致加速空化腐蝕，縮短使用壽命。

判斷粘結(jié)質(zhì)量的方法之一，是在清洗槽裝水并開機(jī)工作一段時(shí)間后，測(cè)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(jié)不好。因?yàn)榇藭r(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(hào)條件下逐個(gè)測(cè)量換能器的電阻抗大小來判別粘結(jié)質(zhì)量。

目前在超聲波清洗機(jī)的性能方面還存在一些模糊的認(rèn)識(shí)：認(rèn)為功率越大，換能器數(shù)目越多，其性能越好，價(jià)值越高，甚至以此論價(jià)。這種認(rèn)識(shí)是不全面的。如上述，換能器布得過密，功率密度過大，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(jī)商品所標(biāo)的功率大多是電功率而不是聲功率，如果所標(biāo)是指消耗工頻功率，則超聲波清洗機(jī)質(zhì)量的優(yōu)劣應(yīng)該由效率來判斷。如果效率低，在同樣清洗效果時(shí)則耗電大，反而增加了用戶的費(fèi)用。超聲清洗機(jī)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(zhuǎn)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)中還沒有一種簡(jiǎn)便的方法和設(shè)備來測(cè)量電聲轉(zhuǎn)換效率。各廠家所標(biāo)的超聲波清洗機(jī)的功率是含糊不清的，亟須有行業(yè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

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(qiáng)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上，并可得到比一般超聲波清洗槽高十幾倍的聲強(qiáng)，因而能大大提高清洗速度。如一種這樣的裝置，管長(zhǎng)19cm，內(nèi)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)在管中心線上可以得到16W/cm2的聲強(qiáng)。用于冷拔鋼絲、銅線等線材的清洗，清洗速度高，線材不需彎曲變形，即可連續(xù)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(qiáng)，一些難清洗的深盲孔、深螺孔可以用這種專用超聲清洗工具進(jìn)行清洗，清洗時(shí)向孔中流滿清洗液，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(shè)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)過程中需要清除粒徑小于微米的污垢粒子，例如大規(guī)模集成電路硅片、硬磁盤和光刻掩蔽膜的清洗等。此時(shí)用低頻超聲波清洗不但沒有效果而且易損傷產(chǎn)品，如采用700kHz?1MHz的超聲波（波長(zhǎng)在μm級(jí)）進(jìn)行清洗可以使附著在表面上的微小污粒脫離。這類高頻超聲波不產(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(xì)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(duì)象

微電子、計(jì)算機(jī)制造過程中的清洗對(duì)象，如集成電路芯片、光掩膜、硅片、薄膜、磁盤、驅(qū)動(dòng)器、讀寫頭、液晶玻璃及平面顯示器；微組件和拋光金屬件：用于醫(yī)學(xué)和宇航方面的精細(xì)零部件等。這些對(duì)象要求在清洗過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(shù)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(shè)備中有時(shí)也采用掃頻工作方式。而精細(xì)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?yàn)閾Q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(dāng)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(fù)頻率為掃頻速率的兩倍。這種固定重復(fù)的能量脈沖可能引起清洗槽中某些清洗件的共振而導(dǎo)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(diào)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

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（3）多頻工作方式

這種工作方式的應(yīng)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(qiáng)度低而空化密度高；低頻工作則相反，空化強(qiáng)度高而密度低?？栈瘡?qiáng)度過高則易損壞清洗件?？栈芏雀撸┻_(dá)微細(xì)結(jié)構(gòu)好，所以精細(xì)清洗一般選取較高的頻率，由于對(duì)清洗件的不同部位所需要的空化強(qiáng)度和密度可能不同，因而設(shè)計(jì)出多頻同時(shí)作用的超聲清洗設(shè)備。

①第一類：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(qū)動(dòng)。這類設(shè)備始于上世紀(jì)50年代末，到上世紀(jì)70年代美國Branson公司曾設(shè)計(jì)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這類設(shè)備沒有得到應(yīng)用。到上世紀(jì)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，這類設(shè)備在軟盤清洗方面得到大量應(yīng)用。

②第二類：用一組換能器同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)頻率的超聲清洗設(shè)備。換能器陣的特點(diǎn)是具有豐富的諧頻。當(dāng)用一脈沖或方波電源激勵(lì)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)這類產(chǎn)品。

③第三類：最近國外開發(fā)一種新的多頻超聲清洗設(shè)備。只用一組換能器，用一個(gè)超聲頻電源驅(qū)動(dòng)，其工作特點(diǎn)是：在某一時(shí)間內(nèi)，在換能器某一段帶寬中作連續(xù)的頻率變化，然后跳到另一段帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻清洗。特點(diǎn)是對(duì)具有不同尺寸及污物類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(qiáng)而不至于損壞零件。因?yàn)槠涔ぷ黝l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(jí)超聲清洗

某些對(duì)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(jī)理一般認(rèn)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(yīng)是次要的，因此對(duì)零件表面不會(huì)損傷，但可除去附著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(qiáng)，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(nèi)排成陣列。高頻電源能對(duì)陣中每一個(gè)晶片進(jìn)行自動(dòng)調(diào)諧，以提高效率及工作的穩(wěn)定性。激勵(lì)源如果釆用脈沖工作方式，清洗效果會(huì)更好。國外在半導(dǎo)體工業(yè)中的生產(chǎn)線上已有這類產(chǎn)品。在直徑為100?300mm硅片的清洗過程中，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程，并能有效地阻止粒子重新附著在硅片表面上。

（5）超聲能量計(jì)

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

①原理

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

②結(jié)構(gòu)

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(zhǎng)，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(zhǔn)

在美國海軍水聲校準(zhǔn)系統(tǒng)中進(jìn)行標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)探頭，然后專門制造帶有一個(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(cè)量探頭與標(biāo)準(zhǔn)探頭比較，標(biāo)定讀數(shù)。

④應(yīng)用

a.衡量清洗槽中的超聲能量密度（W/m2）。因?yàn)榧词馆斎霌Q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(cè)量的能量包括空化能量。

b.設(shè)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(cè)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(cè)量能量的平均值、最小值、最大值及標(biāo)準(zhǔn)偏差，在LCD顯RMS值（W/m2），所有數(shù)據(jù)可以貯存在100個(gè)記憶單元中，然后輸出到PC機(jī)中處理，可顯示頻率。

3.節(jié)水型超聲波清洗設(shè)備

近年來，隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，在LCD制造工廠，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(fù)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，開發(fā)出節(jié)水型超聲波清洗設(shè)備。該設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a.純水使用量大幅節(jié)減（與本社以往設(shè)備比約1/3程度）

b.省設(shè)備支撐（與本社以往設(shè)備比約1/3程度）

C.采用機(jī)能水后，無藥液清洗過程，使廢水處理負(fù)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(duì)液體實(shí)行控制，使其僅用以往超聲波設(shè)備的1/10程度的清洗液就能達(dá)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(shù)毫米空隙內(nèi)流動(dòng)，形成液膜。然后通過超聲波作用，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(yù)防了污垢的再附著。

圖5-79含氫水超聲波淋浴基本結(jié)構(gòu)圖

圖片P380頁

（2）機(jī)能水的應(yīng)用

日本機(jī)能水學(xué)會(huì)于2002年9月13日成立，該學(xué)會(huì)在“日本機(jī)能水學(xué)會(huì)的概要"中，給出的機(jī)能水定義為：機(jī)能水是指在經(jīng)過人為處理獲得的具再現(xiàn)性有用機(jī)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(jù)的水、機(jī)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

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)保問題，今后藥液的使用可能要受到嚴(yán)格限制。最近，作為代替藥液的清洗液，機(jī)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(yàn)結(jié)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(jié)水型清洗設(shè)備

節(jié)水型清洗設(shè)備通過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(xiàn)了設(shè)備的小型化，降低了純水使用量和廢液廢水處理負(fù)荷。該設(shè)備見圖5-81。

圖5-81節(jié)水型超聲波清洗設(shè)備

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（4）與以往設(shè)備的比較

從表5-33可以看出設(shè)備大小和純水使用量與以往設(shè)備比約為1/3。由于設(shè)備的小型化，使清洗室內(nèi)的設(shè)計(jì)自由度和流水線構(gòu)成比較容易。

表5-33設(shè)備比較