CN101918151A - 用于处理基板的复合换能器装置和系统及其构造方法 - Google Patents

Abstract

一种采用复合压电柱的换能器、系统及其构造方法。在一个实施例中，本发明是用于产生声能的装置，包括：由压电材料制成的多个柱体，这些柱体以相互间隔的方式排列以便相邻柱体之间存在间隔；这些柱体具有宽度和在顶面和底面之间延伸的高度，其中，所述柱体的高度大于柱体的宽度，并用弹性材料填充所述间隔以形成复合部件。

Description

用于处理基板的复合换能器装置和系统及其构造方法

相关专利申请的交叉参照

本申请要求享受2007年11月6日提交的美国临时专利申请No.60/985,947和2008年3月5日提交的美国临时专利申请No.61/034,142的优先权，它们的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明一般涉及用于产生处理基板(例如，半导体晶片、原硅基板、平板显示器、太阳能板、光掩模、磁盘、磁头或任何其它需要高处理精度的部件)的声能的装置和系统。本发明尤其涉及声能产生装置或包含此功能的系统，它们提供从包含精密设备的基板去除微粒的高等级效率以便对该精密设备造成的损伤最少。

背景技术

在半导体制造领域中，从产业一开始人们就认识到在制造过程中从半导体晶片除去微粒对生产质量上乘的晶片而言是关键要求。尽管多年来已经研发出许多不同的系统和方法从半导体晶片除去微粒，然而这些系统和方法中许多是不理想的，因为它们会对晶片造成损伤。因此，必须在从晶片除去微粒与由清洗方法和/或系统对晶片造成的损伤量之间取得平衡。因此需要一种能使微粒从脆弱的半导体晶片脱落而不会对器件结构造成损伤的清洗方法或系统。

现有的使微粒从半导体晶片的表面脱落的技术利用化学和机械工艺的结合。业内使用的一种典型的清洗化学剂是标准清洗剂1(“SC1”)，它是氢氧化铵、过氧化氢和水的混合物。SC1氧化并腐蚀晶片的表面。被称为基蚀的该腐蚀过程减少微粒粘连于表面的物理接触面积，由此便于去除。然而，仍然需要一种机械工艺以实际地将微粒从晶片表面去除。

对于较大的微粒和较大的器件，已使用擦洗器将微粒从晶片表面物理地刷下。然而，随着器件尺寸缩小，擦洗器和其它形式的物理清洗器将无法胜任，因为它们与晶片的物理接触会对较小的器件造成灾难性损伤。

在湿处理期间应用声能已经被广泛地接受用于有效去除微粒，尤其用于从半导体处理线上正在捏造的晶片(或板)上清洗亚微米微粒。基板处理中使用的声能是通过声能源产生的。典型地，该声能源包括由压电材料(例如陶瓷或晶体)制成的换能器。在工作时，该换能器连接至电能源。电能信号(即电)被提供给换能器。换能器将该电能信号转换成振动机械能(即声能)，该机械能随后被传输至所处理的基板。通常由声学上将该换能器连接到基板的流体来完成声能从该换能器到基板的传输。通常将能够进行声能传输的材料置于换能器本身和流体连接层之间以避免压电材料上的电接触“短路”。该传输材料可以呈现很多种不同的排列结构，包括薄层、刚性板、棒状探测器、镜片等等。该传输材料通常由对流体连接层有惰性反应的材料制成以避免污染基板。

已经证明将声能应用于基板是非常有效的去除微粒并提高其它处理步骤效率的方法，但是与任何机械处理过程一样，还是可能对基板及其上的设备造成损伤。因此，基板的声学清洗面临着与传统物理清洗一样的损伤问题。

现有换能器部件产生的声能通常已经足够对一些由电路构成的脆弱结构造成损伤(即，去除或部分去除会使得电路永远无法工作)。通过对现有换能器部件及相关声学特性的长期研究，本发明者已经确定压电材料的结构和现有换能器部件所传播的声波的方向和取向都存在很多问题。

发明内容

因此，本发明的目的是提供利用声能清洗基板的系统和方法。

本发明的另一个目的是提供利用声能处理基板的系统和方法，其能够减小对该基板上的器件的损伤。

本发明的又另一个目的是提供利用声能清洗基板的系统和方法，其能够在达到适当的微粒去除率的同时减小对基板上的器件的损伤。

本发明的又一个目的是提供利用声能处理基板的系统和方法，其能够控制处理流体内的气穴现象(cavitation)。

本发明的又另一个目的是提供处理基板的系统和方法，其能够在换能器和要处理的基板之间引发较小的能量损失。

本发明的另一个目的是提供处理基板的系统和方法，其能够在基板表面上得到更均匀的能量分布。

本发明是利用在径向切面中组成并切割的陶瓷压电材料组成的声能产生设备，这样它就是由单独的声能产生柱组成的，这些声能产生柱相互连接以产生声波有效地、精确地连接到应用于晶片的正面和/或反面的流体声能传输媒介。设计压电单元的径向特征以便声能直接指向声能传输流体中和晶片(或板)表面上并且从产生源反射抑制驻波，该抑制驻波包含非常高能量和非常低能量的波节。高能量区域导致结构损伤，低能量区域会导致微粒去除率的降低。这两种情况在换能器的使用中都是不希望的。

在一个方面，本发明是一种用于产生声能的装置，包括：压电材料构造的多个柱体，所述柱体以相互间隔的方式排列以便相邻柱体之间存在间隔；所述柱体具有宽度和在顶面和底面之间延伸的高度，其中，所述柱体的高度大于所述柱体的宽度；并且所述间隔以弹性材料填充以便形成复合部件。

在另一个方面，本发明是一种用声能处理物体的装置，包括：换能器部件，其包含：传输结构，它具有凹现内表面和凸起外表面；第一换能器，它具有接合到所述传输结构的凹陷内表面的凸起底面；第二换能器，它具有接合到所述传输结构的凹陷内表面的凸起底面，所述第二有效换能器与所述第一有效换能器间隔开，从而使无效声能区域存在于所述第一和第二换能器之间的所述传输结构上。

在又另一个方面，本发明是一种构造用于产生声能的设备的方法，包括：提供一层支撑材料；将压电材料放置在粘性材料层上；将所述压电材料切割成多个柱体以便相邻柱体之间存在间隔；用弹性材料填充所述间隔以形成复合部件。

在又一个方面，本发明是一种处理物体的方法，包括：将物体支撑在支架上；提供换能器部件，所述换能器部件包括：具有凹陷内表面和凸起外表面的传输结构；具有接合到所述传输结构的所述凹陷内表面的凸起底面的第一换能器；具有接合到所述传输结构的凹陷内表面的凸起底面的第二换能器，所述第二有效换能器与所述第一有效换能器相间隔开，从而使无效声能区域存在于所述第一和第二换能器之间的所述传输结构上；将所述换能器部件放置成邻近于所述支架上的所述物体的表面，并将其定向成使所述传输结构的无效声能区域面对所述物体的表面；向所述物体的表面施加流体，以使所述传输结构的所述凸起底面流体性地与所述物体的表面耦接；以及启动所述第一和/或第二换能器，由此产生声波使其在所述物体的表面以非法线角度传播，从而导致反射声波从所述换能器部件离开。

附图说明

图1是现有技术的换能器的示意图。

图2的示意图示出了由图1的现有技术换能器生成的具有波节和波腹的声波。

图3A是根据本发明的一个实施例，蜡质基底上支撑的并用于创建换能器的压电柱体阵列的顶视图。

图3B是图3A的压电柱阵列的侧视图。

图3C是图3A的压电柱阵列的立体图。

图3D是根据本发明的一个实施例的、图3A的压电柱阵列的侧视图，柱体之间的间隔填充有弹性材料。

图3E是根据本发明的一个实施例的复合配置的侧视图，该复合配置包括如图3D中所示的压电柱，柱体之间的间隔填充有弹性材料，其中，蜡质基底已经被移除。

图3F是根据本发明的一个实施例的、包含图3E的复合配置的换能器的侧视图，其中，传输材料接合到底电极。

图4A是根据本发明的一个实施例的、代表图3F的换能器的示意图，其中，对电极加电以便单个柱体产生声能波。

图4B是根据本发明的一个实施例的、代表图3F的换能器的示意图，其中，对电极加电以便柱体的单独的声能波有效地结合形成平面波形。

图5是根据本发明的一个实施例的复合换能器的侧视图，其中，添加了阻抗匹配层。

图6是根据本发明的一个实施例的弯曲复合换能器的横截面侧视图。

图7是根据本发明的一个实施例的声学处理系统的立体图。

图8是沿着VIII-VIII视角对图7的声学处理系统的换能器部件的横截面视图。

图9是图8的换能器部件的简图，显示了一组优选的量度。

图10是根据本发明的第二个实施例的声学处理系统的立体图，其中，由载体棒将小的复合换能器部件移动穿过晶片表面。

图11是根据本发明的第三个实施例的声学处理系统的立体图，其中，复合换能器部件延伸到穿过晶片的整个直径。

图12是图11的声学处理系统处理矩形板的立体图。

图13是不同形状的示例图，其中，可以根据本发明构造弯曲复合换能器。

图14是根据本发明和三个现有技术的换能器结构的换能器部件的、沿着晶片的不同距离产生的声能等级的比较图表。

具体实施方式

参照图1，示出了用于现有声学处理系统的典型的现有技术换能器1。虽然业内使用的现有技术换能器1的准确形状和取向有所不同，但是，所有公知的现有技术换能器1都是大的平板结构。已经发现三种现有技术换能器1的问题在于，当在相反的两侧用电极2、3驱动它们时，该板和压电材料4会被内在压电效应置为振荡，根据平板结构的准确形状，所得到的振荡趋势会是多结点的。如图2中可以看到的，这实际上传输出复合声波5。该声波5有非均匀的能量模式。

另外，如果换能器1被放置为其大部分表面与要处理的基板平行(即，声波5的传播方向垂直于基板的表面)，则声波5从晶片的表面反射并回到换能器1。这就产生了驻波。实际上，已经发现即使在声能波平行于晶片表面传输但是对于该晶片有常态辐射状分量的换能器排列中也存在驻波问题。

驻波由波节和波腹组成并且因此从能量方面来说，使晶片服从高能量和低能量点的局部化区域。返回换能器1的波将热量消散在换能器1中，因此需要一些形式的冷却，液体和/或气体。没有冷却的话，与该结构相关联的一些组件会很快退化。传统的陶瓷或晶体压电材料的阻抗也会随着温度变化。如果温度从匹配供电的温度(固定匹配50欧姆负载)发生变化，则压电材料以热量的形式将多余的能量在材料中消散掉。这会进一步加热换能器1，从而进一步造成阻抗的变化。如果不检查，这会导致换能器1的失效。

现在参照图3A-3F，将会根据本发明的一个实施例描述复合换能器100及其结构。首先，提供了典型的平形片状的压电材料(未示出)。压电材料可以是陶瓷、晶体或任何其它能够将电能转换为机械能的材料。然后将平形片状压电材料放置于蜡质基底10上或其它支撑材料上(例如，粘连剂)。支撑材料可以是能够执行下面描述的支撑功能的任何材料或结构。

现在专门参照图3A-3C，一旦将平形压电材料放置于蜡质基底10上，则在x和y平面上将压电材料切割为小块，因此形成压电材料柱阵列20。在切割过程中，锯应该只切透平形压电材料，而不切蜡质基底10。蜡质基底10支撑柱体20使其在位置上相互间隔并且一般是垂直方向。在柱体20之间形成多个交叉的路径因此在相邻柱体20之间提供间隔30。虽然在所示实施例中柱体20是等间距排列，但是也可以实现其它配置和几何图案。此外，如果需要，柱体20可以采用其它几何形状，包括圆柱体、辐射片等等。为了避免零乱，图中只数字化标出了一些柱体20和间隔30。

每个柱体20高度为H，由它的底面21和顶面22之间的距离来定义。每个柱体还有宽度W。比较好的是柱体20的高度H大于宽度W。更好的是高度H是宽度W的二倍或更大。还比较好的是柱体宽度W和间隔30的宽度近似相等，或者至少是相同量级。在其它实施例中，比较好的是间隔30的宽度小于柱体20的宽度W。

此外，从功能角度看，还比较好的是柱体20的宽度W和间隔30的宽度小于复合换能器100产生的声能波的波长。举个例子，对于以1MHz频率工作的柱体20，优选量是柱体20的高度H约等于1.6mm，柱体20的宽度W约等于0.8mm或更小，周围间隔30的宽度在有效区域内小于或等于0.8mm。在下面描述的其它实施例中，要求没有透声性的有效区域。有很多种方法创建下面描述的有效和无效声学产生区域。

现在参照图3D，一旦创建了柱体20，则用可固化的填充物40填充间隔30。在一个实施例中，可固化填充物最好是弹性材料40。其它可固化填充物的例子包括人造橡胶和环氧树脂。一旦填充物40固化，则将蜡质基底10去除，因此得到由填充物40分隔压电单元的柱体20形成的复合部件50。图3E中示出了该复合部件。

现在参照图3E，复合部件50包括底面51和顶面52。如下面将要详细描述的，复合部件50可以成形为或稍后定形为弯曲的。

现在参照图3F，一旦复合部件50形成要求的形状(所示实施例中为平的)，将导电材料应用于复合部件50的底面51和顶面52，因此形成电极61、62。结果就形成了依照本发明的一个实施例的换能器100。用于形成电极61、62的导电材料可以是金属(例如银)、导电环氧树脂或能够传导电流以激励压电柱20的任何材料。

如下面将要进一步详细描述的，在某些情景中，要求只对压电柱20中的某一个或其子集加电。因此，虽然电极61、62示为作用于复合部件50的整个底面51和顶面52，但是在其它实施例中，电极61、62可以只覆盖所选的相互电孤立的区域(如图6的实施例中所示)。

当换能器100要与物体湿处理结合使用时，要求将换能器100(及其电极)与处理液体屏蔽以避免短路和/或污染处理液体。这可以通过将传输结构70(一般地显示)与换能器100接合来实现。如图3F中所示，传输结构70直接接合到换能器100。传输结构700可以由很多种材料、形状和量度来构造。根据想要的功能，传输结构可以是刚性结构或薄膜或金属薄片。用于传输结构70的适当的材料包括聚合物、石英、蓝宝石、氮化硼玻璃质碳化物、不锈钢或能够有效传输声能以助于目标处理过程的任何其它材料。

在一个实施例中，传输结构70最好是聚合物膜。适当的聚合物包括类海拉尔(ECTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚砜或其它聚合物。聚合物膜的厚度最好从0.1密耳(mil)到18密耳，更好的是从1密耳到5密耳。这些聚合物薄膜可以被化学处理或制造为改进材料的表面特性以向处理流体提供较低的表面张力。

现在参照图4A，示意图代表了换能器100被加电以便产生声能。由操作性地与电源连接的电线为电极61、62供电。每个压电柱20将电能转化为独立的声波80。可以看到，柱体20作为独立的活塞，每个柱体在基本上平行于其高度H的方向上产生它自己的独立的声波80。

但是，如图4B中可见，声波80的累加效果就是激发没有波节和波腹的平面波。随着柱体20由压电效应在它们的轴向方向上扩展(即，垂直地沿着它们的高度H)，柱体20按照泊松比率在横向方向上进行约束(即，水平地沿着它们的宽度W)。类似的，当柱体20由压电效应在其轴向方向上进行约束时，柱体20在横向方向上依照泊松比率扩展。但是，由于间隔30被弹性材料填充，在横向方向上产生的任何波都会被严重减弱或抑制。这实际上激发了从换能器100表面的平面波。

如上所述，可以对柱体20独立加电或分组成子集以便创建声学有效区域和声学无效区域。没有相反电极或电极没有被加电的柱体20没有压电效应，并且不会激发声波。因此，声学有效区域的范围可以适应于要求的精确情景来制定。另外，如果不要求换能器100的区域(或设备所用于的部件)是声学有效的，可以从这些部分的复合物移除压电柱20并且由弹性材料填充，或者留作无效的。

现在参照图5，示出了换能器100的实施例，其中，在传输结构70和电极之间添加了匹配层75。最好选择该匹配层75(或多层)作为阻抗匹配层以便减少声能到处理流体的传输过程中的能量损失。换句话说，将匹配层(75)设计为声学的以便声波有效地耦接至传输流体并且不在接触面反射。举个例子，1/4波动环氧匹配层(近似于0.029”)和非常薄的透声聚合体(海拉尔薄膜)可以分别用作匹配层75和传输结构70。在不同的设计中，随着外部聚合物薄膜厚度的增加并且看作声学层的一部分，也包含聚合物薄膜作为匹配层，并且调整所有层厚度和特性以便有效地将声能从压电柱20传递到处理流体。

现在参照图6，示出了根据本发明的一个实施例的，具有曲率半径的换能器100。在物体的某些处理应用中，需要换能器100采用弯曲形状以实现声能控制和连接到该物体的流体。

图6的弯曲换能器100可以由复合部件50组成，具有在上面讨论的步骤中的曲率半径，或通过操控后续的复合部件50以形成平面形状。电极61、62和传输结构70(以及任何匹配层)可以在形成弯曲部分之前接合到复合部件50。在图6中，这些材料在形成弯曲部分之前接合。作为另外的构造顺序，复合部件50可以单独形成为弯曲形式，然后在后面的步骤将电极61、62和传输结构70(以及阻抗匹配层，如果有的话)接合。通常在弯曲部分的形成过程之后和接下来的组装步骤中包含传输结构70。

传输结构70包括凸起外表面71和凹陷内表面72。换能器100接合到凹陷内表面71上。可以看到，顶电极62用作复合部件50的顶面上的两个独立区域。因此，在通过对电极61、62应用电信号从而对换能器加电时，只有被电极62覆盖的那些柱体20才会产生声能，从而得到两个单独的声学有效区域A、B。由于复合部件50的中央区域内没有电极62，因此该区域没有接收到电信号，该区域内的柱体20不会产生声能，从而得到声学无效区域C。声学有效区域A、B被声学无效区域C在周围分隔开。

电极61、62创建有效压电柱20的模式可以有很多种，以便针对任何需要的配置改变声能模式。减小电极形状区域也可以降低给定区域内的有效声强。另外，不仅可以通过省略区域内的电极来制作复合部件50中不要求有任何声能的区域，还可以通过使电极不接电，或将这些区域的复合部件50去除和/或使其留作无效或用弹性材料替代来制作。在另外的实施例中，可以将压电柱20分组，每组有其自己的电极61、62和供电/控制电线。这使得每组柱体20可以由外部控制器单独控制。使得每组柱体有其子集的功率等级、操作频率、开/关周期。在其它实施例中，可以将外部电极划分为多个区域。每个电极有其自己的供电/控制电线。这是另一种控制设备的有效区域的方法。

现在参照图7，示出了用于处理平面物体400的超声波系统1000。该超声波系统1000包括旋转支架(不可见)，物体一般在该支架上以水平方向支撑并旋转。超声波系统1000还包括换能器部件200，放置在与物体400相邻的位置并与其上表面401相对。换能器部件200以悬臂支架的形式由支撑装置来支撑，该支撑装置一般显示在方块210。如果需要，支撑装置可以具有平移移动和/或枢轴移动的能力。换能器部件200被支撑的离物体表面401足够近，以便分配器300在晶片表面使用液体时，液体薄膜能将换能器部件200连接到表面401以便将换能器部件200产生的声能传输到物体400。这种单个物体声学辅助的处理系统的一般原理是业内公知的，并且在授予Mario Bran的美国专利6,684,891这样的专利中公开出来，该专利的全部内容以引用的形式并入本文。

换能器部件200被支撑的基本上平行于物体400的表面401。虽然换能器部件200显示为伸长的棒状探测器，但是本发明并不仅限于此。需要理解的是，换能器部件可以采取很多种不同的形状、取向和结构排列。

现在参照图8，示出了换能器部件200的横截面视图。除了包含了上面图6中描述的阻抗匹配层75并且传输结构70采用管状单元的形状以外，换能器部件200还包含了弯曲换能器。在这个实施例中，传输结构70是布满支撑结构90的保护性高分子薄膜，该支撑结构在设备中不起声学作用，但是提供硬度和结构完整性。在另外的实施例中，传输结构70可以由足够硬度的材料构造和/或构造为足够的厚度以便提供所需的结构完整性用于支撑。例如，传输结构70可以由石英、蓝宝石、熔融石英或对处理过程中所用的化学物质和/或液体具有惰性的其它材料来制造。

传输结构70采用圆柱管的形式并且包括外表面71和内表面72。当然，传输结构70可以采用其它弯曲的实施例，例如透镜、弯曲盘、侧面圆柱槽等等。

电线63、64可操作地连接到电极61、62并穿过换能器部件200到达外面连接电信号源的地方。电源提供电信号，驱动位于复合换能器100的有效区域A、B内的压电柱20产生声能波80。声能波80最好具有在超声范围内的频率，更好的是在500KHz到5MHz之间。

复合换能器100接合到传输结构70在底部圆周部分的内表面71上，这样可以将复合换能器100的有效部分A、B产生的声能传输到物体表面401中的液体层310中。通过结合换能器部件200的旋转方向和压电柱20的声学有效部分A、B之间的圆周距离，声能平面波80通过液体层310以某一角度传输到物体400的表面401，这样，波80不会反射回换能器部件200。作为替换，波80从物体400反射回来并且无害地从换能器部件200转向。

换句话说，通过仅使两个上边缘上的柱体20电有效，从这些柱体20激发的声波就不会反射回换能器100，从而形成抑制驻波。可能产生驻波的柱体20(在声学无效区域C内的那些柱体)没有电连接到电极上。

传输结构70形成空隙腔95，可以留作由空气或其它气体填充的无效区，或者可选地由衰减(dampening)材料填充，以衰减应用于这一结构内部的换能器100的背面的声能。衰减材料的存在可以抑制任何不想要的声能。传输结构70是密封的，这样液体310不会溢出腔体95，并且腔体95内的材料不会到外面来污染液体310以及潜在地污染物体，该物体可能是具有deleciate结构的半导体晶片或太阳能板。

还可能需要的是处理或改变传输结构70的外表面，使其对传输液体310具有较低的表面张力，至少部分湿润。气穴、泡沫或空隙都会造成声能反射回换能器。

同时参照图7和图8，描述了利用系统1000清洗半导体晶片400的方法。首先，将半导体晶片400放置在可旋转支架上，一般在水平方向上对其进行支撑。然后以箭头指示的方向旋转晶片400。然后通过分配器300将液体介质310分布在晶片400的顶面401上。该液体可以是化学物质、溶液或类似的用于处理晶片的物质，例如DI水、SC1、SC2臭氧化DI水等等。

将换能器部件200放置于紧邻晶片表面401，这样在传输结构70的底部和晶片400的表面401之间存在小的缝隙。换能器部件刚好大于晶片400的半径。举个例子，对于300mm的硅晶片，换能器200应该是240mm长的棒状，其中150mm是有效声学长度。

随着晶片400的旋转，应用于表面401上的液体310形成一层液体310，流动地将换能器部件200连接至晶片400。然后通过电线63、64加电以激励有效区域A、B内的柱体20，从而以需要的频率和功率等级产生声能波80。然后将声能波80以成角度的形式传输出换能器部件200并进入液体层310，最终接触到晶片表面401。在换能器部件200之下的卡盘上旋转晶片400提供了对表面401的完整的声学覆盖。声能波80从晶片表面去除微粒，从而完成清洗。

如图9中所示，声学有效区域A、B由至少45度或更多的声学无效区域分隔开。这保证了声波80不会反射回换能器200。当然，无效区域C的尺寸可以由结构的弯曲率和其它特性来确定。此外，虽然传输结构70的内表面和外表面71、72显示为弯曲表面，但是本发明的成角度波应用技术也可以用相互成角度的平面来实现。因此，术语弯曲的、凸的、凹的意在覆盖平面相互有角度取向的实施例以达到相同的效果。

现在参照图10，示出了根据本发明的系统200的第二个实施例。在这个实施例中，复合换能器部件200是第一个系统100的换能器的一小段。这一小段换能器200附着在以放射状方式横贯旋转卡盘的支撑臂90上。对该放射状扫描编程以便解决晶片区域随着换能器移动出外边缘而增大。声学传输介质310应该如上所述分布在晶片表面401以达到流体连接。声学设备200可以是24mm长的棒状体，其中20mm为有效声学长度。

现在参照图11-12，示出了根据本发明的系统300的第三个实施例，用于处理不同形状的物体。在这个实施例中，复合换能器200是要处理的目标400的整个直径(或宽度)。换能器200应该放置在适当位置，目标(晶片、平板等等)应该在换能器200下面进行线性扫描。声学传输介质应该分布在晶片/平板表面上。

在每个实例中，所期望的目标是抑制应用于表面的声能造成的结构损伤，但是又有足够的能量移除微粒。利用复合压电材料，还可能制造由很多分段构成的换能器(扩展复合模式)以便原则上长度可以是任何尺寸。此外，一般要求形状不是圆棒，如图13中所示的设备的各种其它形状可以增强设备性能。

上面对原本发明的优选实施例的描述是为了解释说明和描述的目的。而不是意在穷举的或将本发明精确地限制于所公开的形式。根据上面所讲的内容，很多修改和变化也是可能的。本发明的范围并不仅限于本文的详细描述，而是由所附的权利要求限制的。

Claims (46)

1.一种用于产生声能的装置，包括：

压电材料构造的多个柱体，所述柱体以相互间隔的方式排列以便相邻柱体之间存在间隔；

所述柱体具有宽度和在顶面和底面之间延伸的高度，其中，所述柱体的高度大于所述柱体的宽度；

所述间隔以弹性材料填充以便形成复合部件。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述相邻柱体之间的间隔和所述柱体的宽度基本相等。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述柱体的高度至少是所述柱体的宽度的二倍。

4.如权利要求1所述的装置，其中，所述柱体的高度大约是所述柱体的宽度的二倍。

5.如权利要求1所述的装置，还包括：

所述柱体底面上的第一电极；

所述柱体顶面上的第二电极；

与所述第一和第二电极可操作地耦接的电源，以便每个所述柱体从所述底面产生声波。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述相邻柱体之间的间隔和所述柱体的宽度是相同量级的。

7.如权利要求1所述的装置，还包括：

所述柱体的底面上的第一电极；

所述柱体的顶面上的第二电极；

可操作地耦接到所述第一和第二电极的电源，以便每个所述柱体从底面产生具有频率和波长的声波；

其中，所述柱体的宽度和所述相邻柱体之间的间隔小于所述声波的波长。

8.如权利要求7所述的装置，其中，所述声波的频率在兆频声波范围内。

9.如权利要求1所述的装置，还包括：

在所述柱体阵列的顶面和底面上的电极；

可操作地耦接到所述电极的电源；

所述电极以允许所述单个柱体或所述多个柱体中的子集独立工作以产生单独的声波的方式排列。

10.如权利要求1所述的装置，其中，所述柱体的底面具有曲率半径。

11.如权利要求1所述的装置，还包括：

所述柱体的底面上的第一电极；

所述柱体的顶面上的第二电极；

电源，其与所述第一和第二电极可操作地耦接，并使所述每一个柱体以这样的方式产生独立的声波，该方式使得各所述独立声波合在一起起到平面波的作用。

12.如权利要求1所述的装置，还包括：接合到所述复合部件的底面的传输材料。

13.如权利要求12所述的装置，其中，所述传输材料是聚合物膜。

14.如权利要求12所述的装置，还包括设置在所述复合部件的底面和所述传输材料之间的阻抗匹配层。

15.如权利要求14所述的装置，其中，所述阻抗匹配层是环氧树脂。

16.如权利要求1所述的装置，其中，所述复合部件的底面具有曲率半径。

17.如权利要求16所述的装置，还包括：接合到所述复合部件的底面的传输材料，以及设于所述传输材料和所述复合部件的底面之间的阻抗匹配层。

18.如权利要求16所述的装置，其中，所述传输材料与耦接流体相接触的外表面受到处理以降低对所述耦接流体的表面张力。

19.如权利要求1所述的装置，还包括：

所述复合部件具有凸起的曲率半径的底面以及顶面；

可操作地连接至所述复合部件的顶面和底面的电极；

传输结构，其具有凸起的外表面和凸起的内表面，所述复合部件包括接合至所述传输结构的凹陷内表面的所述电极。

20.如权利要求19所述的装置，其中，所述复合部件位于封闭空间内。

21.如权利要求20所述的装置，其中，所述封闭空间由声衰减材料填充。

22.如权利要求19所述的装置，其中，所述传输结构是中空的棒状结构。

23.一种用声能处理物体的装置，包括：

换能器部件，包括：

传输结构，具有凹陷内表面和凸起外表面；

第一换能器，具有接合到所述传输结构的凹陷内表面的凸起底面；

第二换能器，具有接合到所述传输结构的凹陷内表面的凸起底面，所述第二个有效换能器与所述第一个有效换能器间隔开，从而使无效声能区域存在于所述第一和第二换能器之间的所述传输结构上。

24.如权利要求23所述的装置，其中，所述第一和第二换能器相互分隔开至少所述凹陷内表面的45度。

25.如权利要求23所述的装置，还包括：

用于支撑要处理的物体的支架；

用于将流体施加在所述物体的表面的导管；

紧邻所述物体并且与其表面相对放置的换能器部件，在所述导管将所述流体施加于所述物体表面时，所述传输结构的所述凸起底面流动地耦接至所述物体的表面；

所述换能器部件被导向成使得所述传输结构的非有效声学区域对着所述物体的表面。

26.如权利要求25所述的装置，其中，所述支架是旋转支架。

27.如权利要求25所述的装置，其中，所述支架是平移运动支架。

28.如权利要求25所述的装置，其中，所述换能器部件被导向成使得所述第一和第二换能器所产生的声波在所述物体表面以非法线角度传播，从而导致反射声波从所述换能器部件离开。

29.如权利要求23所述的装置，其中，所述第一和第二换能器中的每一个均由这样的复合部件组成，该复合部件包括多个由压电材料构成的柱体，所述柱体以相互间隔的方式排列以便相邻柱体之间存在间隔；所述柱体具有宽度和在顶面和底面之间延伸的高度，其中，所述柱体的高度大于所述柱体的宽度；并且用弹性材料填充所述间隔以形成复合部件。

30.一种构造用于产生声能的设备的方法，包括：

提供一层支撑材料；

将压电材料放置在粘性材料层上；

将所述压电材料切割成多个柱体以便相邻柱体之间存在间隔；

用弹性材料填充所述间隔以形成复合部件。

31.如权利要求30所述的方法，其中，所述柱体有宽度和高度，所述高度大于所述宽度。

32.如权利要求30所述的方法，其中，所述柱体的高度至少是所述柱体的宽度的二倍。

33.如权利要求30所述的方法，还包括：

将导电材料施加于所述复合部件的顶面的至少一部分；

将导电材料施加于所述复合部件的底面的至少一部分。

34.如权利要求30所述的方法，其中，所述支撑材料是蜡或粘合剂。

35.如权利要求30所述的方法，还包括：

将所述复合部件形成为使其底面具有曲率半径。

36.如权利要求35所述的方法，还包括：

将导电材料施加于所述复合部件的顶面的至少一部分；

将导电材料施加于所述复合部件的弯曲底面至少的一部分。

37.如权利要求35所述的方法，还包括：

将传输材料接合到所述复合部件的底面上的所述导电材料上。

38.如权利要求37所述的方法，其中，所述传输材料是蓝宝石或石英。

39.如权利要求37所述的方法，其中，所述传输材料是聚合物膜。

40.如权利要求37所述的方法，其中，所述传输材料具有凸起的外表面。

41.如权利要求40所述的方法，其中，施加于所述复合部件的顶面的所述导电材料被无效区域分隔为两个电隔离的部分。

42.如权利要求40所述的方法，还包括：

处理所述传输材料的外表面以减小它对流体的表面张力。

43.如权利要求40所述的方法，其中，所述传输材料形成内部空腔，所述复合部件位于该空腔内，所述方法还包括：用衰减材料填充所述内部空腔。

44.一种处理物体的方法，包括：

将物体支撑在支架上；

提供换能器部件，所述换能器部件包括：具有凹陷内表面和凸起外表面的传输结构；具有接合到所述传输结构的所述凹陷内表面的凸起底面的第一换能器；具有接合到所述传输结构的凹陷内表面的凸起底面的第二换能器，所述第二有效换能器与所述第一有效换能器间隔开，从而使无效声能区域存在于所述第一和第二换能器之间的所述传输结构上；

将所述换能器部件放置成邻近于所述支架上的所述物体的表面，并将其定向成使所述传输结构的无效声能区域面对所述物体的表面；

向所述物体的表面施加流体，以使所述传输结构的所述凸起底面流体性地与所述物体的表面耦接；以及

启动所述第一和/或第二换能器，由此产生声波使其在所述物体的表面以非法线角度传播，从而导致反射声波从所述换能器部件离开。

45.如权利要求44所述的方法，其中，所述第一和第二换能器中的每一个均由这样的复合部件组成，该复合部件包括多个由压电材料构成的柱体，所述柱体以相互间隔的方式排列以便相邻柱体之间存在间隔；所述柱体具有宽度和在顶面和底面之间延伸的高度，其中，所述柱体的高度大于所述柱体的宽度；并且用弹性材料填充所述间隔以形成复合部件。

46.如权利要求44所述的方法，其中，所述支架能够实现所述物体的转动或平动。

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