Способ изготовления пьезоэлектрических преобразователей

 

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано при изготовлении пьезоэлектрических преобразователей для ультразвуковой технологии и дефектоскопии, а также в медицине для ультразвуковой терапии, хирургии и диагностики . Цель изобретения - улучшение акустического контакта, повышение механической прочности и КПД пьезоэлектрического преобразователя. При изготовлении пьезоэлектрических преобразователей осуществляют лужение поверхностей металлических прокладок. Собранные в пакет пьезоэлементы и прокладки помещают в ванну с жидким флюсом, сжимают под избыточным давлением, нагревают флюс до температуры пайки и накладывают на пакет ультразвуковые колебания широкого спектра частот с удельной акустической мощностью 0,5-5,0 Вт/см2 в диапазоне частот от 20 кГц до 1 МГц. Наложение на пакет ультразвуковых колебаний осуществляют также путем подачи на пьезоэлементы пакета электрических колебаний широкого спектра частот со спектральной плотностью мощности (1-10) В2/Гц. 1 з.п.ф-лы,2ил., 1табл. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 В 23 К 1/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4703758/27 (22) 08.06.89 (46) 07.05.92. Бюл. М 17 (71) Институт электроники АН БССР (72) B.М.Колешко, М.И.Гурин и А.В.Гулай (53) 621.791.3(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 585887, кл. В 06 В 1/06, 1978. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (57) Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано при изготовлении пьезоэлектрических преобразователей для ультразвуковой технологии и дефектоскопии, а также в.медицине для ул тразвуковой терапии, хирургии и диагностики. Цел ь изобретения — улучшение акустического контакта, повышение, мехаИзобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано при изготовлении пьезоэлектрических преобразователей для ультразвуковой технологии и дефектоскопии, а также в медицине для ультразвуковой терапии, хирургии и диагностики.

Цель изобретения — улучшение акустического контакта, повышение механической прочности пьезоэлектрического преобразователя.

На фиг. 1 показано изделие в сборке; на фиг. 2 — ванна для пайки.

Изготовление пьезоэлектрических преобразователей производят следующим образом.

На металлические прокладки 1 с двух сторон равномерно наносят известным способом сплошной слой припоя с температурой плавления ниже точки Кюри материала .Ж, 1731493 А1 нической прочности и КПД пьезоэлектрического преобразователя. При изготовлении пьезоэлектрических преобразователей осуществляют лужение поверхностей металлических прокладок. Собранные в пакет пьезоэлементы и прокладки помещают в ванну с жидким флюсом, сжимают под избыточным давлением, нагревают флюс до температуры пайки и накладывают на пакет ультразвуковые колебания широкого спектра частот с удельной акустической мощностью 0,5-5,0 Вт/см eдиапазоне частот от 20 кГц до 1 МГц. Наложение на пакет ультразвуковых колебаний осуществляют также путем подачи на пьезоэлементы пакета электрических колебаний широкого спектра частот со спект20альной плотностью мощности (1-10) 10 B /Гц. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл. пьезоэлементов. Облуженные металлические прокладки 1 устанавливают между пьезоэлементами 2. К выводам 3 металлических прокладок 1 припаивают проводники 4. Собранный таким образом пакет помещают в ванну 5, заполенную флюсом 6 и устанавливают под волноводом 7 ультразвукового вибратора, ось которого перпендикулярна плоскости пакета. Проводники 4 подключают к ультразвуковому генератору 8 колебаний широкого спектра частот.

С помощью волновода 7 собранный пакет с заданным давлением P прижимают к днищу ванны. Ванну с флюсом и помещенный в ней пакет подвергают нагреву до температуры больше температуры плавления припоя, но меньшей точки Кюри пьезокерамики. Одновременно с этим к пакету через волновод 7 подводят ультразвуковые колебания (УЗК) широкого спектра частот либо

1731493

=-азаужда;-or УЗ К широкого спектра частот с помощью пьезоэлементов 2, входящих в состав изготавливаемого преобразователя, В этом случае пьезоэлементы 2 изготавливаемого преобразователя возбуждаются ультразвуковым генератором 8 широкого спектра частот, Колебания широкого спектра частот представляют собой сумму бесконечно большого числа одновременно возбуждаемых колебаний, частоты которых отличаются одна от другой на бесконечно малую величину, а амплитуда и фаза колебаний изменяются па сл уч ай на му закону.

При воздействии УЗК широкого спектра частот или при возбуждении их с помощью пьезоэлементов, входящих в состав изготавливаемого преобразователя, происходит удаление всех воздушных пузырьков из зоны спая, равномерное распределение припая па спаю с заполнением всех микронеравнастей и каверн на поверхностях прокладок .1 и пьезоэлементов 2, 3а счет приложенного статического давления Р происходит удаление излишков расплавленного припоя из плоскостей спая в ванну с флюсом. После этого снимают УЗК, отключают нагрев и под давлением обеспечивают естественное охлаждение пакета до полно-о затвердевания припоя. Далее снимают давление с пакета, извлекают его из ванны с флю ам, мают и сушат.

Диапазон частот указанных ультразвуковых колебаний составляет от 20 кГц до 1

МГц. Нижний предел данного диапазона выбран исходя из того, что для эффективнога возбуждения радиальных и изгибных мод колебаний а пьезоэлементах самых больших размеров, выпускаемых промышленностью (порядка 100 мм в диаметре) с учетом разброса скоростей звука в различных типах пьезоматериалов (2,85-5,0) 10 з м/с, длина палувалны, определяемая из соотношения А /2 = с/2f (где с — скорость звука в пьезаматериале; 1- частота возбуждаемых колебаний), должна совпадать с поперечными размерами соединяемых пьезоэлементов, т.е, быть порядка 100 мм, При возбуждении ультразвуковых колебаний на частотах, близких к основному резонансу (продальные колебания по толщине) соединяемых пьезоэлементов с самой малой толщиной порядка 1 мм при указанном разбросе скорости ультразвука, в различных пьезаматериалах необходимы частоты, близкие к 1 МГц, что соответствует верхнему пределу выбранного частотного диапазона ультразвуковых колебаний широкого спектра частот. Возбуждение колебаний с частотами выше 1 МГц нецелесообразно, так как неоправданно усложняется схема и конструкция ультразвукового генератора колебаний широкого спектра частот, особенно для сборки пьезопреобразователей

5 из элементов большой площади и малой толщины. Возбуждение колебаний по толщине для пьезоэлементов с такими размерами на частотах более 1 МГц сопряжено с большими затратами мощности генератора

10 ввиду большой величины емкостной составляющей нагрузки.

Удельную акустическую мощность ультразвуковых колебаний широкого спектра частот указанного диапазона выбирают в

15 пределах 0,5-5,0 Вт/см, что соответствует

2 спектральной плотности механического смещения 10 10 м/ Гц. При интенсивности больше 5,0 Вт/см наблюдается частич2 ная деструкция серебряных электродов

20 пьезоэлементов, а при интенсивности меньше 0,5 Вт/см начинают появляться лакаль2 ные непропаи соединяемых поверхностей.

Исходя из таких же соображений выбирают спектральную плотность мощности элект25 рических колебаний, подаваемых на пьезоэлементы преобразователя: при спектральной плотности мощности выше

10 10 В /Гц происходит частичное разрушение металлических электродов на павер30 хности пьезокерамики, а при значениях

-2 указанного параметра, меньших 1 10

В /Гц, снижается качество паяных соединений.

Пример. Производят сборку пьезоэ35 лектрического преобразователя, состоящего из трех дисковых пьезокерамических элементов из ЦТС-19 диаметром 30 мм и толщиной 2 мм с серебряным токопроводящим покрытием на основаниях элементов.

40 В качестве металлических прокладок 1 применяют пластины из медной фольги толщиной 50 мкм и диаметром 30 мм, Прокладки покрывают канифольно-спиртовым флюсом

ФКС и облуживают сплавом Розе методом

45 окунания, имеющим температуру плавления 96 С и значительно более низкую точки

Кюри для ЦТС-19 (290 С). Пьезоэлектрические элементы 2 одноименными полюсами присоединяют к прокладкам и сжимают в

50 пакет при помощи пружинного зажима, обеспечивающего избыточное давление от

4,5 10 до 5,5 10 Н/м . Далее пакет помещают в ванну с флюсом ФСкПс и нагревают с помощью электронагревателя до 11055 120 С, при этом на пакет с помощью конического волновода накладывают ультразвуковые колебания широкого спектра частот (50-250 кГц).

Выдержку пакета при указанной температуре с наложением ультразвуковых коле1731493

50 баний производят 20-30 с. За это время полностью удаляются пузырьки воздуха из зоны пайки и все микронеровности заполняются флюсом, при этом за счет слоя припоя на прокладках I происходит надежная пайка прокладок 1 и токопроводящих покрытий пьезоэлементов 2 по всей плоскости, За счет избыточного давления остатки припоя выдавливаются из зоны пайки. Охлаждение пакетного пьезоэлектрического преобразователя производят в естественных условиях при комнатной температуре за 20-30 мин. Пс",ле охлаждения пакетного преобразователя снимают избыточное давление и с помощью припоя ПОС-61 и канифол ьн о-сп и ртового флюса Ф КСп производят пайку проводников 4 к выводам

3 прокладок 1. Далее для удаления остатков флюса производят отмывку изделия в ванне со смесью бензина и этилового спирта в соотношении 1:1 при комнатной температуре, Для подачи электрических колебаний широкого спектра частот на пьезоэлементы к выводам 3 прокладок 1 припоем с тплавл. >120 С, например ПОС-61, припаивают проводники 4. Далее аналогичным образом собирают в пакет пьезоэлементы 2 и предварительно облуженные сплавом Pose прокладки 3 и помещают в ванну с флюсом, обеспечив при этом с помощью пружинного прижима избыточное давление на пакет также от 4,5-10 до 5,5.10 Н/м. С помощью проводников 4 к среднему пьезоэлементу пакета подключают ультразвуковой генератор широкого спектра частот и возбуждают в данном пьезоэлементе ультразвуковые колебания в диапазоне 50-250 кГц, с помощью которых эффективно озвучивают обе эоны спая пьезоэлементов. В остальном весь процесс сборки пьезопреобразователя аналогичен описанному, После остывания проводники 4 отклю чают от генератора 8 и отпаивают их от выводов 3 прокладок 1, Применение данного способа сборки пакетных пьезоэлектрических преобразователей позволяет полностью исключить непропаи соединяемых плоскостей пьезоэлементов, а также исключить разрушение электропроводящего слоя пьезоэлементов.

За счет этого повышается надежность акустического контакта, повышается прочность соединения элементов и КПД пакетного пьезоэлектрического преобразователя.

Оценку КПД пьезоэлектрических преобразователей производят по коэффициенту преобразования электрических колебаний в акустические на резонансной частоте преобразователя, Преобразователи изготовляют по предлагаемому и по известному

45 способам из трех одинаковых пьезоэлементов по 30 одинаковых преобразователей каждым способом, Оценку качества изготовляемых преобразователей производят по.специальной методике. С помощью генератора ГЗ-33 каждый преобразователь возбуждают на его резонансной частоте синусоидальным сигналом напряжением 24

В, Акустический отклик пьезопреобразователей снимают с помощью бесконтактного датчика акустических колебаний, состоящего из миниатюрного пьезопреобразователя и усилителя с большим входным сопротивлением, Отклик снимают с центра излучающей поверхности изготовленного пьезопреобразователя с расстояния 2 мм.

Величину напряжения электрического сигнала датчика акустических колебаний измеряют с помощью милливольтметра ВЗ-ЗЗ, При оценке качества тридцати пьезопреобразователей, изготовленных по известному способу, получают разброс напряжений акустического датчика от 112 мВ (для самого худшего пьезопреобразователя) до 560 MB (для самого лучшего пьезопреобразователя), при этом среднеарифметическая величина этого напряжения составляет 347 мВ.

Для оценки качества пьезоэлектрических преобразователей, выполненных по данному способу, изготовлено шесть партий пьезопреобразователей по тридцать штук в каждой. Все пьезопреобразователи изготовлены из одинаковых пьезоэлементов, таких же как и в партии пьезопреобразователей, изготовленных по известному способу. Для пьезоэлементов указанных размеров, установлен диапазон накладываемых колебаний широкого спектра частот, равный 50-250 кГц. Каждая партия пьезопреобразователей изготовлена при различных удельных мощностях накладываемых ультразвуковых колебаний, при этом три партии пьезопреобразователей изготовлены при внешнем наложении ультразвуковых колебаний, а три других — при возбуждении колебаний с помощью среднего пьезоэлемента, входящего в состав пьезопреобразователя, Данные оценки качества пьезопреобразователей сведены в таблицу.

Полученные данные указывают на то, что коэффициент преобразования и КПД пьезопреобразователей, изготовленных по данному способу, существенно выше, чем у пьезопреобразователей, изготовленных по известному способу. Повышена стабильность и воспроизводимость параметров преобразователей.

1731493

Производят также оценку качества спайки пьезоэлементов и прокладок в пьезопреобразователях.

Непропаи в преобразователях, изготовленных в соответствии с данным способом, не превышают 5 / площади пьезоэлемента.

Формула изобретения

1. Способ изготовления пьезоэлектрических преобразователей, включающих лужение соединяемых поверхностей, сборку пьезоэлементов и металлических прокладок в пакет, нагревание пакета до температуры пайки при внешнем статическом давлении и охлаждение, отличающийся тем, что, с целью улучшения акустического контакта

Напряжение Hà, выхо е ак стического атчика, MB при внешнем возбуждении ультразвуковых акустических колебаний

Наилучший пьезопреобра зователь

Наихудший пьезопреобра зователь

Среднеарифметическое значение отклика

Среднеарифметическое значение отклика

Наилучший пьезопреобра зователь

Наихудший пьезопреобра зователь

1.10

5.10

10,10

479

604

584

608

486

0,5

601

607

541

612

623

532

2,0

602

599

608

497

629

494

5,0

Удельная мощность ультразвуковых колебаний широкого спектра частот в диапазоне 50-250 кГц, Вт/см и повышения механической прочности пьезоэлектрического преобразователя, собранные в пакет пьезоэлементы и прокладки помещают в ванну с жидким

5 флюсом и накладывают на пакет ультразвуковые колебания широкого спектра частот с удельной акустической мощностью 0,5-5,0

Вт/см в диапазоне частот от 20 кГц до 1

М Гц.

10 2.Способпоп.1,отличающийся тем, что наложение на пакет ультразвуковых колебаний осуществляют путем подачи на пьезоэлементы электрических колебаний широкого спектра частот со спектральной

15 плотностью мощности (1-10).10 В /Гц, при возбуждении ультразвуковых колебаний с помощью среднего элемента пьезопеоб азователя

Плотность мощности ультразвуковых колебаний в диапазоне 50-250 кГц, В /Гц

1731493

/

I ч:

Составитель Л.Абросисова

Техред M. Moðãåíòàë Корректор Д,Сычева

Редактор С.Пекарь

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1541 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5