CN1371531A - 化学惰性的兆赫声波换能器系统 - Google Patents

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Abstract

一种兆赫声波清洗系统,包括一个容器,一个谐振器,一个压电晶体(130)和一个用于将该谐振器连接于该压电晶体的铟层(138)。该容器包括一个用于保存一定体积清洗溶液的液体室。该谐振器选自蓝宝石、石英、碳化硅、氮化硅和陶瓷。该谐振器构成该容器的底部并具有一个与液体室邻接的界面表面。

Description

化学惰性的兆赫声波换能器系统
技术领域
本发明涉及兆赫声波(megasonic)清洗系统，它具有连接于压电晶体的化学惰性的谐振器，更具体地说涉及将铟用于把谐振器连接于压电晶体的系统。
背景技术
众所周知，频率为0.4～2.0兆赫(MHz)的声波能够传进液体里并用来清洗损坏敏感基体的微粒物质。因为频率范围主要是接近兆赫的范围内，清洗方法通常称之为兆赫声波清洗。能够用这中方法清洗的物件是半导体装置制造各个阶段的半导体晶片、磁盘驱动器介质、平板显示器和其他敏感基体。
兆赫声波声能通常用射频交流电压激发晶体产生的。由晶体产生的声能通过一个能量传输件传进清洗液中。能量传输件往往是盛清洗液的容器壁。晶体与其相关部件称之为兆赫声波换能器。例如，美国专利第5,355,048号公开了一种兆赫声波换能器，它由用若干连接层连接于石英窗的压电晶体构成。该换能器在大约850千赫(KHz)下运行。类似地，美国专利第4,804,007号公开了一种兆赫声波换能器，其中由石英、蓝宝石、氮化硼、不锈纲或钽构成的能量传输件用环氧树脂粘接于一压电晶体。
压电晶体能够用铟连接于某些物质也是众所周知的。例如，美国专利第3,590,467号公开了一种用铟将压电晶体连接于延迟介质，其中延迟介质由例如玻璃、熔融石英和玻璃陶瓷等物质构成。
现有技术中的兆赫声波换能器的一个问题是由兆赫声波换能器在清洗液中产生的声能在活化压电表面限制在每平方厘米10瓦左右，对换能器不提供附加的冷却。由于这个原因，大多数兆赫声波能源的输出受到限制，要求液体或受力的空气冷却，或设计成固定输出的压电换能器。一般是，固定输出系统的功率限制在每平方厘米7～8瓦。这限制了传给清洗溶液的能量大小。如果更多的能量施加给换能器，则晶体发热到使其将能量传输传入清洗溶液的效率降低。这是由于晶体运行在接近于最高温度，或更多是由于用于将晶体连接于传能装置的物质达到失效温度所引起的。
现有技术使用兆赫声波换能器的清洗系统的另一个问题是一旦换能器连接于清洗系统，没有一种实际可行的方法替换失效的换能器。着意味着用户必须很高的费用替换失效的换能器，例如，买一台全新的清洗容器。
发明内容
简言之，本发明是一种清洗系统，包括一个容器、一个谐振器、一个压电晶体、和一个将谐振器连接于压电晶体的铟层。该容器包括一个具有清洗溶液体积的液体室。该谐振器选自蓝宝石、石英、碳化硅、氮化硅和陶瓷。该谐振器构成该容器的底部并有一个邻近液体室的界面，这种布置意味着当清洗溶液存在于液体室时该界面表面至少与一些清洗溶液接触。
当能源施加于该晶体时该压电晶体能够产生频率为0.4～2.0兆赫的声能。连接层包括铟并位于谐振器和压电晶体之间以便使压电晶体连接于能量传输件。一个由铬、铜和镍构成的第一粘接层设置成与压电晶体表面接触，一个由银构成的第一润湿层位于第一粘接层与连接层之间，以有助于将该连接层连接于第一粘接层。一个由铬、铜和镍构成的第二粘接层设置成与谐振器的表面接触。一个由银构成的第二润湿层位于第二粘接层和连接层之间，用于帮助将该连接层连接于该第二粘接层。
附图简要说明
图1是根据本发明的一种声换能器部件的截面图；
图2是根据本发明的一种声换能器部件的侧视图；
图3是根据本发明的一种弹簧/按钮式电接线板的侧视图；
图4是根据本发明的该声换能器部件的分解视图；
图5是根据本发明的一种声换能器部件的侧视图；
图6是根据本发明的兆赫声波清洗系统的分解视图；和
图7是本发明的电路原理示意图。
优选实施例的说明
图1是一个声换能器部件10的截面图，包括一个声换能器14，一个弹簧/按钮式电接线板18和一个壳体22。该声换能器14包括一个连接于一个压电晶体30的谐振器26。电接线板18包括一个印刷电路板(PCB)34，它具有多个第一弹簧/按钮式接线柱38和多个连接于它的第二弹簧/按钮式接线柱42。壳体22是一个包围电接线板18盒子，使电接线板不受外部环境的影响。电接线板18和声换能器14位于壳体22内的空腔46中。
谐振器26构成壳体22的壁的一部分，它盖住并密封空腔46。谐振器26的一个表面50构成声换能器部件10的一个外侧。在该优选实施例中，声换能器14用于产生在清洗设备中的兆赫声波声能，用于清洗半导体晶片。表面50将与清洗设备中的清洗液体接触。
图2示出声换能器14，它包括由一铟层60连接于谐振器26的压电晶体30。在该优选实施例中，多个外层设置在压电晶体30和谐振器26之间以便于连接。特别是，一个第一金属层64设置在邻接于铟层60的前表面68。一个第二金属层72设置在邻接于该铟层60的后表面76。一个阻挡(blocking)层80位于金属层72和压电晶体30之间以促进粘接。在该优选实施例中，该阻挡层80由铬-镍合金构成，而金属层64和72由银构成。该阻挡层80的最小厚度大约500而金属层72的厚度大约为500。
在该优选实施例中，压电晶体30由锆钛酸铅(PZT)组成。然而，如该领域众所周知，压电晶体30可以包括许多其他物质，例如钛酸钡、石英或聚偏氟乙烯树脂(PVDF)。在该优选实施例中，两个长方形的PZT晶体用于该换能器14中，并且每个PZT晶体是各自激发的。
一个阻挡/粘接层84将金属层64与谐振器26分开。在该优选实施例中，该阻挡/粘接层84由一层镍-铬合金构成，其厚度约为500。然而，其他物质和/或厚度也可以用做阻挡层84。阻挡层84的功能是为金属层64提供一个粘接层。在该优选实施例中，金属层64由银构成，并且其厚度约为500。然而，其他物质和/或厚度也可以用做金属层64。金属层64的功能是为熔融的铟提供一个润湿表面。
在压电晶体30的背面还设置一个附加层。具体说，在压电晶体30的背面设置一个金属层86，并且它基本覆盖晶体30背面的全部表面区域。一般来说，该金属层86是用晶体制造者施加于该压电晶体30。该层86的功能从图1所示的一组弹簧/按钮式接线柱上导电，以便在晶体30上产生电压。最好是，金属层86由银、镍或其他导电层构成。
在该优选实施例中，铟层60由纯铟(99.99％)构成，这种铟可以从Arconium或Indalloy公司买到。然而也可以用含有不同量的非纯金属的铟合金，虽然其效果差一点。使用纯铟和铟合金的好处是铟具有良好的剪切性，使得具有不同膨胀系数的材料能够连接在一起并能经受热循环而不损坏被连接的材料。
在该优选实施例中，谐振器26是一片蓝宝石(Al2O3)。最好是，该蓝宝石是高等级的蓝宝石，具有99.999％的标示(5，9s+纯度)。但是，其他材料，例如不锈钢、钽、铝、硅化合物(如石英)、陶瓷和塑料也可以用做谐振器26。谐振器26目的是将压电晶体30与清洗过程中所用的液体分离(隔离)，以使液体不会损坏压电晶体30。这样，用做谐振器26材料通常受液体的性质所支配，至少部分地受液体的性质所支配。谐振器26还必须能将晶体30产生的声能传入液体中。当被兆赫声波清洗装置清洗的东西要求万亿分之一的不纯度(parts pertrillion purity)时，蓝宝石是一种做谐振器的理想的材料。例如半导体晶片要求这种纯度。
在该优选实施例中，谐振器26的厚度为“e”，它最好是压电晶体30发射的声能波长的多个半波长，以便使反射最小。例如，对于蓝宝石“e”大约是6毫米而声能大约是925KHz。
图3更详细地示出了弹簧/按钮式电接线板18。每个第一弹簧/按钮式接线柱38包括一个银上按钮90和一个银下按钮94。银上按钮90和银下按钮94连接于一个镀银的弹簧98并焊接于印刷电路板(PCB)34以便接线柱38能提供一个与换能器14的电连接。银上按钮90的厚度为“t”，大约是0.15英寸。
类似地，每个第二弹簧/按钮式接线柱42包括一个银上按钮98和一个银下按钮102。银上按钮98和银下按钮102连接于一个镀银的弹簧106并焊接于印刷电路板PCB 34，以便接线柱42能够提供一个与声换能器14的电连接。银上按钮98的厚度为“r”，大约是0.10英寸。一般来说，厚度“t”大于厚度“r”，因为第一弹簧/按钮式接线柱38比第二弹簧/按钮式接线柱42伸展得更向上使与声换能器14接触(见图1和图2)。
一个射频发生器为PCB提供电压。该PCB 34包括与弹簧/按钮式接线柱38和42的电连接，使弹簧/按钮式接线柱38的极性为正。弹簧/按钮式接线柱42的极性为负，或相反。图2示出在该声换能器中，层26、84和64的长度“j”大于层60、72、80和86的长度“k”。这银层64上产生一个阶梯形的区域110，该区域110能被弹簧/按钮式接线柱38的上按钮90接触。弹簧/按钮式接线柱42的上按钮98与银层86接触。
弹簧/按钮式接线柱38和42的目的是在压电晶体30上产生不同的电压，以便在由射频发生器施加的射频电压的频率下激发该压电晶体。接线柱38将金属层64连接于射频发生器。接线柱42将层86连接于射频发生器。射频发生器通过接线柱38和42提供一个射频交变电流给压电晶体30。最好是这是一个具有600瓦功率的925KHz的信号。在压电晶体30上的有效功率大约是每平方厘米15.5瓦。在压电晶体30上的有效功率定义成由发射给晶体24的功率减去反射回射频发生器的功率。这样，阶梯区域110，和弹簧/按钮式接线柱38和42能够使压电晶体30上形成一个电压而勿需将不连续的铅焊接与层64和盘托出6上。
在图3中，示出多个电元件114，如电容和/或导体。这些元件用来平衡射频输入和弹性输出之间的阻抗。
图4示出声换能器14、弹簧/按钮式电接线板18和壳体22安装在一起够成声换能部件10的方式。
声换能器14是按照如下的描述制做的(最好用上面所述的材料)。假定谐振器26是蓝宝石，将邻接于层84的蓝宝石的表面用喷砂，或化学方法，或溅射腐蚀法清洗。阻当/粘接层84然后用物理蒸镀法(“PVD”)，例如氩溅射，设置在谐振器26上。也可以用一种镀覆技术。银层64然后用氩溅射设置在铬阻挡/粘接层上。也可以用一种镀覆技术。
通常，购买的压电晶体30在其上已有层86。阻挡层80和金属层72用镀覆或物理蒸镀法沉积在晶体30上。
谐振器26和压电晶体30都被加热到大约200℃，最好是将谐振器26和压电晶体30防放置在一个热表面，例如一个热板上。当两者的温度达到160℃以上时，固态铟被擦在谐振器26和压电晶体30的要被连接的表面上。因为纯铟在大约157℃熔化，当固态铟施加在热表面时便会液化，因而用铟润湿表面。这时，用铟的表面张力加更多的铟以形成一个熔融铟的“胶土”(puddle)有时是有利的。
谐振器26和压电晶体30然后被压在一起以便用铟涂覆的表面相互接触因而形成换能器14。新近形成的换能器14能被冷却到室温以使铟固化。固体铟层的厚度为“g”，最好是只要厚到能形成一个无空白的连接(即越薄越好)。在该优选实施例中，“g”大约是一密耳(0.001英寸)。厚度最多可用到0.01英寸，但是当厚度增加是声传输的效率下降。
最好是，换能器14用谐振器26顶上的压电晶体30冷却到室温并且重力使两者保持在一起。或者是，一个重物放置在压电晶体30的顶部以帮助铟的结合。另一个可选的方法是将一个新近形成的换能起放置在夹具中。
一旦换能器14冷却到室温，从压电晶体30和谐振器26之间渗出的任何过量的铟用工具或其他器具去掉。
图5示出声换能器系统124的一个优选实施例。其中，谐振器可以是若干化学惰性的材料。这些材料包括蓝宝石、石英、碳化硅、氮化硅和陶瓷。示于图5的该声换能器系统124类似于图2所示的换能器14。但是，用于换能器系统124的几个连接层不同。
在图5中，声换能器系统124包括一个压电晶体130，用连接层138连接于一个谐振器134。多个连接层设备设置在压电晶体130和谐振器134之间一便于连接。具体说，一个第二润湿层142设置成邻接于连接层138的前表面146。一个第一润湿层150设置成邻接于连接层138的后表面154。一个第一粘接层158位于第一润湿层150和压电晶体130之间以便于将连接层机械地粘接于晶体130。
在优选实施例中，第一粘接层158包括一个厚度约5000的一个合金层，由铬和镍铜合金构成，例如，商标为Nickel 400TM或MONELTM的市场上出售的合金。然而，其他材料和/厚度也能用于第一连接层158。Nickel 400TM和MONELTM是由32％的铜和68％的镍组成的铜镍合金。
最好是，润湿层142和150由银构成。润湿层142和150每个的厚度是大约5000。然而，其他材料和/厚度也能用于润湿层142和150。润湿层142和150的作用是为熔融铟提供润湿表面，这意味着层142和150有助于将连接(铟)层138分别粘接于第一粘接层158和第二粘接层162，可以想到，润湿层142和150的银与铟形成一种合金，因而有助于将连接层138粘接于粘接层158和162。换能器系统124包括一个在润湿层142的阶梯区域195，它完全类似于前面图2所示的阶梯区域110。
在该优选实施例中，压电晶体130与已经描述的压电晶体30相同，并由锆钛酸铅(PZT)组成。但是，许多其他其他压电材料，如例如钛酸钡、石英或聚偏氟乙烯树脂(PVDF)也可以用做压电晶体，这在本领域是众所周知的。在该优选实施例中，4个长方形的PZT晶体用做换能器14(示于图6)，并且每个PZT晶体被分别激发。然而也可以用其他数目的晶体130，包括1和16之间的任数目的晶体130，并且也可以用其他形状，例如圆形的晶体。
第二粘接层162将第二润湿层142与谐振器134分开。在该优选实施例中，粘接层162由一个厚度大约为5000合金层构成，该合金是由铬和铜镍合金构成的，例如，商标为Nickel 400TM或MONELTM的市场上出售的合金。然而，其他材料和/厚度也能用于第二粘接层162。
第一粘接层158的作用是在结合(铟)层138和压电晶体130之间形成一个牢固的结合。正如前面所提到的，润湿层150在结合层138与铟形成一种合金，因而使粘接层158与结合层138结合。类似地，第二粘接层162的作用是在结合(铟)层138和谐振器134之间形成一个牢固的结合。润湿层142在结合层138与铟形成一种合金，因而使粘接层162与结合层138结合。此外，第一粘接层158必须是一个电导体，为了从阶梯面195到压电晶体130的表面一个电路。而且，粘接层158和162可以分别防止(阻止)结合层138的铟到达晶体130和/或谐振器134。
另外两层设置在压电晶体130的背面(即，面向离开谐振器134的一侧)。具体说，一个第三粘接层169和一个金属层170位于压电晶体130的背面。层169和170基本覆盖晶体130背面的全部表面区域。在该优选实施例中，第三粘接层169由一个厚度大约为5000合金层构成，该合金是由铬和铜镍合金构成的，例如，商标为Nickel 400TM或MONELTM的市场上出售的合金。然而，其他材料和/厚度也能用于第三粘接层169。第三粘接层169的作用是促进金属层170与晶体130的粘接。
最好是，金属层170由银构成，虽然也可以用其它导电材料，如镍。通常，晶体130是从市场上买到的没有层169和170的晶体。层169和170是然后用溅射技术，如物理蒸镀法(“PVD”)施加于压电晶体130的。层170的作用是作为一个电极，从一组如图1所示的弹簧/按钮使接线柱导电，以便在晶体130形成一个电压。由于层169也是导电的，所以层169和170实际上是一个电极。
在该优选实施例中，结合层138由纯铟(99.99％)构成，例如从Arconium或Inddalloy购买的。然而也可以用含有不同量的非纯金属的铟合金，虽然其效果差一点。使用纯铟和铟合金的好处是铟具有良好的剪切性，使得具有不同膨胀系数的材料能够连接在一起并能经受热循环(即不同膨胀率和收缩率的膨胀和收缩)而不损坏被连接的材料或谐振器134。铟的纯度越高，系统124的剪切性能越好。如果声换能器系统124的部件有类似的膨胀系数，那末，因为剪切因素不太重要可以用不太纯的铟。不太纯的铟(即铟合金)具有比纯铟高的熔点，因此可以经受较强的热。
不同的清洗任务决定不同的要求，谐振器134的组成选自一组惰性化学物质。例如，作为谐振器134工作的很好的惰性物质包括蓝宝石、石英、碳化硅、氮化硅和陶瓷。谐振器134的一个目的是分离(隔离)压电晶体130与用于清洗的液体，使液体不损坏晶体130。此外，不允许谐振器134与清洗液体发生化反应。因而用做谐振器134的材料通常受清洗液体的化学性质所支配，至少部分地受其支配。当用兆赫声波清洗设备清洗的东西要求万亿分之几的不纯度时，蓝宝石是谐振器的理想材料。例如半导体晶片要求如此高的纯度。氟化氢(HF)可作为清洗液用于半导体晶片的这种清洗过程。
谐振器134还必须能将由晶体130产生的声能传入液体。因此谐振器134的声学性质十分重要。通常，希望谐振器134的声学阻抗在压电晶体130的声学阻抗和液体室190(示于图6)中清洗液的声学阻抗之间。最好是，谐振器134的声学阻抗越接近清洗液的声学阻抗越好。
在一个优选实施例中，谐振器134是一块人造蓝宝石(Al2O3的单晶体基片)。最好是，该蓝宝石是高等级的蓝宝石，有99.999％(5个9以上的纯度)的标示。当用人造蓝宝石做作谐振器134时，其厚度“v”，示于图5，大约为6毫米。应当注意，也可以用其他形式的宝石做谐振器134，如红宝石或绿宝石。但是，由于一些实际的原因，如成本和纯度，最好是用人造蓝宝石。此外，厚度“v”也可以用其他值。
在该优选实施例中，谐振器134的厚度“v”是压电晶体130发射的声能波长的多个半波长，以便使反射最小。例如，对于蓝宝石并且声能为925MHz时“v”大约为6毫米。在谐振器134中声能波长由下面的等式1给出：
          λ＝vL/2f                     (1)
其中，
vL＝声音在谐振器134的速度(mm/毫秒)
f＝压电晶体130的固有频率(MHz)
λ＝谐振器134中声能的波长
从等式1可以得出，当谐振器的组成改变时或当压电晶体130的固有共振频率改变时，谐振器134的理想厚度将改变。因此，这里讨论的所有实例中，其值为多个半波长(波长为λ)的厚度“v”都可以使用。
在另一个优选实施例中，谐振器134是一块石英(SiO2-人造熔凝石英)。最好是，该石英具有99.999％(5个9的纯度)的纯度。当用石英做谐振器134时，厚度“v”，示于图5，大约是3～6毫米。
在另一个实施例中，谐振器134是一块碳化硅(SiC)。最好是该碳化硅具有99.999％(5个9以上的纯度，半导体等级)的纯度。当用碳化硅做谐振器134时，厚度“v”，示于图5，大约是6毫米。
在另一个实施例中，谐振器134是一块氮化硅。最好是该氮化硅具有99.999％(5个9以上的纯度，半导体等级)的纯度。当用氮化硅做谐振器134时，厚度“v”，示于图5，大约是6毫米。
在另一个实施例中，谐振器134是一块陶瓷材料。在这一应用中，术语陶瓷指的是铝化合物(Al2O3)，例如Coors陶瓷公司供应的标示为Coors AD-998的陶瓷材料。最好是，该陶瓷材料是纯度为99.8％的Al2O3。当用陶瓷材料做谐振器134时，厚度“v”，示于图5，大约是6毫米。
示于图5的声换能器系统124是用下面所述的方法制成的：假定谐振器134是蓝宝石，该蓝宝石邻接粘接层162的表面用研磨料喷砂或化学方法或溅射腐蚀法(sputter etching)清洗。粘接层162然后用物理蒸镀法(“PVD”)技术，例如氩溅射，沉积在在谐振器134上。更具体地说，构成层162的铬和镍铜合金(例如，Nickel 400TM或MONELTM)共同溅射在谐振器134上，使得层162由50％的铬和50％的镍铜合金构成。润湿(银)层142然后用氩溅射沉积在粘接层162上。该步骤也可以用涂覆技术。
压电晶体130最好是其表面上没有任何电极层的购买品。第三粘接层169然后用PVD技术，例如氩溅射沉积在晶体130上。更具体地说，构成曾169的铬和镍铜合金被共同溅射在晶体130上，使得层169由50％的铬和50％的镍铜合金(例如，Nickel 400TM或MONELTM)所构成。电极(银)层170然后用氩溅射沉积在粘接层169上。在这一步骤也可以用涂覆技术。
类似地，第一粘接层158用PVD技术如氩溅射沉积在晶体130与粘接层169相对的面上。更具体地说，构成层158的铬和镍铜合金被共同溅射在晶体130上，使得层158由50％的铬和50％的镍铜合金构成。润湿层150然后用氩溅射沉积在粘接层158上。在这一步骤也可以用涂覆技术。
谐振器134和压电晶体130两者被加热到约200℃，最好是将谐振器134和压电晶体130放在一个加热表面上，例如一个热板上。当两者达到160℃以上时，固态铟被擦在谐振器134和压电晶体30的要被连接的表面上。因为纯铟在大约157℃熔化，当固态铟施加在热表面时便会液化，因而用铟润湿表面。这时，用铟的表面张力加更多的铟以形成一个熔融铟的“胶土”(puddle)有时是有利的。
谐振器134和压电晶体30然后被压在一起，以便用铟涂覆的表面相互接触，因而形成换能器系统124。新近形成的换能器系统124能被冷却到室温以使铟固化。最好是结合(铟)层138的厚度为“g”，它最好是只要厚到能形成一个无空白的结合。在该优选实施例中，“g”大约是一密耳(0.001英寸)。应当想到，厚度“g”应当尽可能小，以使声能传输最大，所以厚度小于1密耳甚至更好。可用的厚度最多到0.01英寸，但是当厚度“g”增加声传输的效率下降。
最好是，换能器系统124用谐振器134顶上的压电晶体30冷却到室温并且重力使两者保持在一起。或者是，一个重物放置在压电晶体130的顶部以帮助铟的结合。另一个可选的方法是将一个新近形成的换能器系统放置在夹具中。
一旦换能器系统124冷却到室温，从压电晶体130和谐振器134之间渗出的任何过量的铟用工具或其他器具去掉。
图6示出一个利用声能换能器系统124(或声能换能器14)兆赫声波清洗系统180。其中，清洗溶液保存在容器184内。在该优选实施例中，容器184是方形的并有4个垂直边188。谐振器134够成容器184的底部表面部分，容器184也可以用其他形状，并且在其他实施例中，谐振器134只够成容器184的底部表面的一部分。
液体室190是一个被侧面188围绕的开口区。由于侧面没有覆盖容器184的顶部和底部表面，侧面188应当说是部分地围绕液体室190。液体室190保持清洗溶剂，所以侧壁188和谐振器134必须液密安装以防渗漏。谐振器134有一个邻接液体室的界面表面191，因此当清洗溶液存在与液体室190时界面表面191至少部分地与清洗溶液接触。显然，界面表面191任何时候只与直接邻近界面表面191的清洗溶液接触。
在图6所示的优选实施例中，采用4个压电晶体130。在一个典型的优选实施例中，每个晶体一个长方形其大小为1英寸(宽)×6英寸(图5中的长度“k”)×0.1英寸(图5中的厚度“s”)。由于晶体的固有频率随着厚度变化，减小厚度将使晶体的固有频率变高。正如前面所提到的，也可以用其他数目、其他形状的晶体，并且晶体也可以有其他的大小，如1.25×7×0.1英寸或1.5×8×0.1英寸。每个晶体130由前面相对于图5所述的多层连接于谐振器134。一个间隙192存在于相邻的晶体之间以防止晶体的耦合(coupling)。
驱动晶体的能源由射频发生器(RF)194(示于图7)提供。射频发生器194与晶体130之间的电连接由多个第一弹簧/按钮式接线柱38和多个第二弹簧/按钮式接线柱42提供，正如前面相对于图3所说明的。多个第二弹簧/按钮式接线柱42提供与RF发生器194的正(+)连接，而多个第一弹簧/按钮式接线柱38提供与RF发生器194的负(-)连接。
换能器系统124包括一个阶梯区域195(示于图5)，它与前面相对于图2所述的阶梯区域110完全相似。梯区域195是在第二润湿层142上的一个区域，它能够被弹簧/按钮式接线柱38的上按钮90接触由于第二润湿层和晶体130之间的所有的层都是导电的(即层138、150和158)，与阶梯区域195的接触等于是与晶体130的前表面接触。弹簧/按钮式接线柱42的上按钮98与金属层170电接触，形成一个驱动压电晶体130的电路。该电路示意地示于图7。
参考图6，印刷电路板(PCB)34和压缩电晶体130设置在一空腔46中并被壳体22所围绕，如前面参考图1所描述的。多个被清洗的物件196通过容器184的顶部插入。
声换能器系统124(示于图5)的功能如下面所描述。应当注意到，换能器14(示于图2)与声换能器系统124以同样的方式工作。但是，为简单起见，在这个讨论中参考系统124的组成。
由射频发生器194施加的一个射频(RF)电压在压电晶体130上产生一个电势差。因为该电压是一个交流电压，晶体130在射频电压的频率下膨胀和收缩并发射出这个频率的声能。最好是，施加给晶体130的射频电压的频率在大约925MHz的范围内。但是，频率在大约0.4～2.0MHz范围内的射频电压也可以用于该系统124，这取决于晶体130的厚度和固有频率。例如从德国的Dressler Industrials of Strohlberg购买到的1000瓦的射频发生器作为射频发生194是适合的。
在该优选实施例中，在一给定的时间只有一个晶体被射频发生器驱动。这是因为每个晶体130有不同的固有频率。在该优选实施例中，每个晶体130的固有频率是确定的并储存在软件中。射频发生器然后以软件指示的第一晶体的固有频率驱动第一晶体。在一定时间之后(例如1毫秒)，射频发生器194停止驱动第一晶体并以软件指示的第二晶体的固有频率开始驱动第二晶体130。这个过程对多个晶体的每个晶体被重复。另外，对不同晶体130的固有频率可以通过调节该晶体的几何形状近似地匹配，然后同时驱动所有的晶体130。
大多数声能通过设置在晶体130和谐振器134之间的所有个层传输，并传如清洗液体。但是，压电晶体130产生的某些声能所有这些层或部分这些层所反射。这种被反射的能量使这些层变热，特别是当给晶体的能量增加时。
在本发明中，结合层138具有高于其他连接物质组，如环氧树脂的声抗。这减小谐振器134和结合层138之间的反射声能的量。这给本发明带来两大优点。第一，在换能器系统中产生的热较少，因而使更多的射频能量用于压电晶体130。例如，在示于图5的换能器系统中，在没有外部冷却的情况下，每平方厘米25～30瓦的能量可以施加给晶体130(对于单个激发的晶体)。其次，系统124可以在没有冷却时以连续的模式运行(例如，30分钟到24小时或更长)，因此能够做到更好地清洗。相反，现有技术的系统在没有外部冷却时用每平方厘米7～8瓦的能量。现有技术的以每平方厘米7～8瓦的能量运行的兆赫声波清洗系统，以连续模式工作时需要对换能器进行外部冷却。
第二，在本发明中，减少反射使更多的能量传入液体中，因此减少了清洗循环所需要的时间。例如，在现有技术中，对于0.5微米以下的微粒一个清洗循环通常需要15分钟的清洗时间。而本发明，对于许多应用这个时间减少到少于1分钟。一般来说，使用结合(铟)层138，当输给压电晶体130的总能量在400～1000瓦(即对于压电晶体的面积为20平方厘米时，每平方厘米50瓦)，使压电晶体130产生的能量的90～98％被传输给清洗液体。在该优选实施例中，结合(铟)层138使传入清洗清洗液体中的声能的减小不超过0.5dB。据信，该系统124可以被用于高达5000瓦的能量。一般来说，对于压缩电晶体130较高能量的应用可导致更快的清洗时间。它还可能导致更彻底的清洗。
当用做系统124的谐振器134的材料被指定后下面的表1指出可以使用的功率的大小。输入功率(有效功率)被定义成输给晶体130的功率减去反射回射频发生器194的功率。如上面所指出的，系统124使的至少大约90～98％的输入功率被传输给清洗溶液。表1
谐振器 输入瓦数/cm2
石英 12.5瓦/cm2
碳化硅或氮化硅 20瓦/cm2
不锈钢 25瓦/cm2
陶瓷 40瓦/cm2
蓝宝石 50瓦/cm2
虽然本发明依据优选实施例进行了说明，应当明白，这种公开不能解释为限制。在阅读了上述公开之后，各种变化和修改对本领域的技术人员来说毫无疑问是显而易见的。因此，权利要求被解释为覆盖属于本发明真正的精神实质和范围内的所有变化和修改。

Claims (18)

1.一种兆赫声波清洗系统，包括：
一个容器，它具有一个保存一定体积清洗溶液的液体室；
一个谐振器，选自蓝宝石、石英、碳化硅、氮化硅和陶瓷，该谐振器具有一个邻接液体室的界面表面，当清洗溶液的体积存在于该液体室时该界面表面与至少一定量的清洗溶液接触；
一个压电晶体，当电源施加给该压电晶体时用于产生频率范围为0.4～2.0Mhz的声能；
一个由铟构成的结合层，设置在该谐振器和该压电晶体之间，用于将该压电晶体连接于能量传输件。
2.根据权利要求1的兆赫声波清洗系统，其中结合层的铟由至少99.99％的纯铟构成。
3.根据权利要求1的兆赫声波清洗系统，其中谐振器由蓝宝石构成。
4.根据权利要求1的兆赫声波清洗系统，其中谐振器由石英构成。
5.根据权利要求1的兆赫声波清洗系统，其中压电晶体由锆钛酸铅构成。
6.一种兆赫声波清洗系统，包括：
一个容器，它具有一个用于保存一定体积清洗溶液的液体室；
一个谐振器，选自蓝宝石、石英、碳化硅、氮化硅和陶瓷，该谐振器具有一个邻接液体室的界面表面，当清洗溶液存在于该液体室时该界面表面与至少一定量清洗溶液接触；
一个压电晶体，当电源施加给该压电晶体时用于产生频率范围为0.4～2.0Mhz的声能；
一个由铟构成的结合层，设置在该谐振器和该压电晶体之间，用于将该压电晶体连接于能量传输件；
一个第一粘接层，设置成与压电晶体的表面接触；
一个第一润湿层，设置在该第一粘接层与该结合层之间，用于帮助将该结合层结合于该第一粘接层。
7.根据权利要求6的兆赫声波清洗系统，其中结合层的铟由至少99.99％的纯铟构成。
8.根据权利要求6的兆赫声波清洗系统，其中谐振器由蓝宝石构成。
9.根据权利要求6的兆赫声波清洗系统，其中谐振器由石英构成。
10.根据权利要求6的兆赫声波清洗系统，其中压电晶体由锆钛酸铅构成。
11.根据权利要求6的兆赫声波清洗系统，其中第一粘接层由铬构成。
12.根据权利要求6的兆赫声波清洗系统，其中第一润湿层由银构成。
13.根据权利要求6的兆赫声波清洗系统，还包括：
一个第二粘接层，设置成与谐振器的表面接触；和
一个第二润湿层，设置在该第二粘接层与该结合层之间，该结合层用于帮助将该结合层结合于该第二粘接层。
14.根据权利要求13的兆赫声波清洗系统，其中第二粘接层由铬构成。
15.根据权利要求13的兆赫声波清洗系统，其中第二润湿层由银构成。
16.根据权利要求13的兆赫声波清洗系统，还包括：
一个第三粘接层，设置成与该压电晶体的表面接触；和
一个金属层，设置成与该第三粘接层的表面接触，该表面面向离开压电晶体。
17.根据权利要求16的兆赫声波清洗系统，其中该第三粘接层由铬构成。
18.根据权利要求16的兆赫声波清洗系统，其中该金属层由银构成。
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