Способ изготовления ультразвукового фокусирующего преобразователя

 

Использование: средства неразрушающего контроля. Сущность изобретения: способ заключается в производстве заготовки концентратора из плавкого полиимидного материала, имеющего в стуктуре кислород, серу, другие гетероциклические соединения или алифатические группы, температуру размягчения около 200°С и температуру начала деструкции 350 - 450°С, формировании выемки вдавливанием шаблона в материал заготовки концентратора при нагревании. Причем перед вдавливанием шаблона в материал заготовки концентратора ее покрывают со стороны, обращенной к шаблону, антиадгезивной прокладкой микронной толщины из неразмягчающегося полиимида с последующим нагреванием материала заготовки концентратора до температуры размягчения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля ультразвуковыми и гиперзвуковыми волнами и может применяться в фокусирующей микроскопии для обнаружения внутренних микронеоднородностей и микродефектов в непрозрачных или малоконтрастных материалах и изделиях.

Известен способ изготовления ультразвукового преобразователя, заключающийся в производстве заготовки концентратора, формировании выемки вдавливанием шаблона в материал заготовки концентратора при ее нагревании, отделении заготовки концентратора от шаблона, охлаждении заготовки концентратора, нанесении на поверхность выемки пьезоматериала и электродов (патент США 4433461, кл. Н 01 L 41/22, 1984).

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления ультразвукового фокусирующего преобразователя, заключающийся в производстве заготовки концентратора из полиимидного материала, формировании выемки вдавливанием шаблона в материал заготовки концентратора при ее нагревании, отделении заготовки концентратора от шаблона, физико-технической обработке поверхности выемки, нанесении на поверхность выемки пьезоматериала и электродов.

Недостатком данного способа является сложность изготовления и контроля качества выемки, связанная с выбором исходного материала (полиимида в жидкой фазе).

Целью изобретения является упрощение технологии изготовления фокусирующего преобразователя за счет использования термостойких, но плавких пленочных полимеров.

Для этого в способе изготовления ультразвукового фокусирующего преобразователя, согласно изобретению заготовку концентратора производят из плавкого полиимидного материала, имеющего в структуре кислород, серу, другие гетероциклические соединения или алифатические группы, температуру размягчения около 200^оС и температуру начала деструкции 350-450^оС, а перед вдавливанием шаблона в материал заготовки концентратора ее покрывают со стороны, обращенной к шаблону, антиадгезивной прокладкой микронной толщины из неразмягчающегося полиимида с последующим нагреванием материала заготовки концентратора до температуры размягчения.

В способе исключается необходимость температурной сушки и полимеризации заготовки выемки преобразователя, ибо для формования выбирается готовая пленка заданной толщины, а сам процесс сводится к разогреву ее до температуры размягчения. Адгезионное "прикипание" шаблона к материалу пленки устраняется покрытием ее тонкой пленкой неразмягчающегося полиимида, которая после окончания формования может легко сниматься.

На фиг. 1 показано приспособление, используемое для реализации способа; на фиг. 2 - то же, сечение А-А на фиг. 1.

Приспособление состоит из нижнего диска (основания) 1 и верхнего диска, жестко скрепленных двумя направляющими 2. По ним с минимальным зазором могут перемещаться средний диск 3 и пластина 4 с двумя витыми пружинами 5 между ними. Два винта 6 служат для перемещения пластины 4 с целью изменения жесткости пружин 5, создающих усилие на средний диск 3. Дополнительное усилие на этот диск создает шток 7 с резьбой. Совместно они обеспечивают вдавливание модели (шаблона) 8 в полимерную пленку 9, находящуюся на диске 10 жесткости вместе с прокладкой 11 в полости 12. Пластина 13 ограничивает (устанавливает) глубину погружения модели 8 в пленку 9 и обеспечивает центрирование модели. Винт 14 фиксирует положение микрометрической головки (не показана), опускаемой в отверстие 15 и служащей для измерения заглубления модели в полимерную пленку, т. е. глубины выемки. Отверстие 16 служит для погружения внутрь приспособления датчика контроля температуры. Отверстие 17 облегчает удаление заготовки выемки из полости 12.

При выборе материала фокусирующего преобразователя учитывается, что на поверхность фокусирующей выемки должны наноситься тонкопленочные электроды и полуволновый слой электроакустического преобразователя. В высокочастотной части ультразвукового диапазона и в гиперзвуковом диапазоне волн толщина этих пленок составляет доли и единицы микрон. Изготовить их можно методами электронной технологии, которая сопровождается или связана с необходимостью нагрева напыляемого объекта. Поэтому требуется материал, сохраняющий форму изделия до t = =200^оС и выше. Из пластических масс, перспективных для изготовления фокусирующих преобразователей, таким требованиям удовлетворяют полиимиды, в строении которых имеются "шарнирные" группы (кислород, сера, другие гетероциклические или алифатические группы).

Такие полиимиды обладают свойствами термопластов, имеющих высокие температуры размягчения, плавления и деструкции.

Изготовление фокусирующего преобразователя включает подготовительную часть и основной технологический процесс.

Подготовительная часть заключается в изготовлении (например, с помощью соответствующего штампа) дискообразных заготовок 9, 10, 11, 13 нужного диаметра и толщин. Диаметр их с учетом температурных уходов размеров и технологических допусков выбирается на 3-10% меньше диаметра d₂ полости 12, который определяется наибольшими поперечными размерами выемки, подлежащей изготовлению на данном устройстве формования. Например, при наибольших радиусе R = 5 мм и апертурном угле Θ_а = 50^о выемки преобразователя максимальный ее диаметр d_м = 2Rsin Θ_a.

Толщина h₁₅ пленки 9 выбирается больше требуемой глубины выемки h = R(1 - -cos Θ_a) << h₁₅. Она может выбираться из нескольких слоев пленки меньшей толщины, свариваемых в процессе температурного формования.

Толщина h₁₄ пластины 13 h₁₄ = 2R - h. Диаметр ее центрального отверстия для сферической модели радиуса R должен совпадать с его диаметром 2R.

Минимальная толщина h₁₆ диска 10 по требованиям жесткости должна составлять 0,1-0,2 мм. Она вместе с толщинами других слоев определяет минимальную глубину полости 12 h_2m = h₁₄ + h₁₅ + h₁₆. Толщина микронной полиимидной пленки-прокладки d₁₇ ≅ 10 мкм и поэтому может не приниматься в расчет.

Основной технологический процесс состоит из следующих операций: 1. Укладывают в полость 12 (при поднятом диске 3) последовательно друг на друга диск 10 жесткости, полиамидную пленку 9, микронную полиимидную прокладку 11 и пластину 13. Прижимают (спрессовывают) полученную слоистую структуру опущенным подпружиненным диском 3 и при необходимости штоком 7 путем его вращения. После прессования в течение нескольких минут и установки устройства формования в вертикальное положение диск 3 приподнимают, а в отверстие пластины 13 опускают модель (шаблон) выемки (в нашем примере - шарик). Затем на носовую часть диска 3 надвигают пружину 5 и, опуская его, сжимают слоистую структуру с моделью. По индикатору опущенного в отверстие 15 щупа микрометрической головки делается отметка глубины (положения) верхней площадки диска 3.

2. Нагревают указанную слоистую структуру в термокамере до температуры размягчения полимерной пленки 200^оС (493 К).

Определяют по разности показаний индикатора микрометрическую глубину погружения модели в размягченную пленку под действием пружин. Если она меньше требуемой глубины выемки, то модель вдавливают дополнительно штоком 7 до необходимой глубины.

3. Охлаждают устройство формования с заготовкой до комнатной температуры при сохранении нагруженного состояния модели в выемке. Поднимают диск 3, удаляют пластину 13 с моделью 8, удаляют из полости 12 заготовку выемки преобразователя, "спеченную" с диском 10 жесткости. Осуществляют визуальную проверку заготовки. Снимают антиадгезионную прокладку 11 пинцетом (при необходимости под оптическим микроскопом). Осуществляют оптический контроль качества выемки.

4. Изготавливают концом нагретого паяльника радиальную канавку для соединительного проводника на лицевом торце заготовки. При необходимости канавку можно изготовить путем плазменного или химического травления.

5. Наносят внутрь выемки тонкопленочный тыльный электрод и внутрь канавки - дорожку соединительного проводника. Материалами служат, например, золото, алюминий, медь.

6. Осуществляют изоляцию соединительной дорожки в канавке диэлектрическим материалом, например тем же полимером, с помощью тонкого жала паяльника, нагретого до температуры плавления пленки.

7. Напыляют внутрь выемки на тыльный электрод слои акустоэлектрического преобразователя, например пленку ZnO. В процессе напыления температура заготовки не должна подниматься до температуры размягчения полимерного материала, так же как и при нанесении электродов.

8. Наносят пленку наружного металлического электрода внутрь выемки и на лицевой торец заготовки.

9. Осуществляют монтаж фокусирующего преобразователя в корпус, соединение его электродов с проводниками электрического согласующего устройства и покрывают рабочую часть преобразователя защитной или согласующей пленкой.

По сравнению с процессом, описанным в прототипе, предложенный здесь процесс изготовления фокусирующего преобразователя сокращается на несколько операций.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ФОКУСИРУЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ, заключающийся в производстве заготовки концентратора из полиимидного материала, формировании выемки вдавливанием шаблона в материал заготовки концентратора при ее нагревании, отделении заготовки концентратора от шаблона, физико-химической обработке поверхности выемки, нанесении на поверхность выемки пьезоматериала и электродов, отличающийся тем, что заготовку концентратора производят из плавкого полиимидного материала, имеющего в структуре кислород, серу, другие гетероциклические соединения или алифатические группы, температуру размягчения около 200^oС и температуру начала деструкции 350-450^oС, а перед вдавливанием шаблона в материал заготовки концентратора ее покрывают со стороны, обращенной к шаблону, антиадгезионной прокладкой микронной толщины из неразмягчающего полиимида с последующим нагреванием материала заготовки концентратора до температуры размягчения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве плавкого полиимидного материала используют размягчающиеся полиимид, полиамидоимид, полиэфиримид или полиалканимид.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2