APARATO DE PROCESAMIENTO MEGASONICO CON BARRIDO DE FRECUENCIA DE TRANSDUCTORES DE MODO DE ESPESOR
Antecedentes de la Invención Campo de la Invención Esta invención se refiere, de manera general, a aparatos y a métodos de procesamiento megasónico asociados que involucran uno o más transductores piezoeléctricos que operan en un modo de espesor en frecuencias megasónicas al menos de 300 KHz o más altas, y se refiere de manera más particular, a la mejora del rendimiento mediante el barrido de la frecuencia de una señal de excitación a través de todo un intervalo predeterminado o programable de frecuencia que extiende las frecuencias resonantes de todos los transductores.
Descripción de la Técnica Relevante El procesamiento megasónico involucra la generación y utilización de energía de alta frecuencia a frecuencias por encima de 300 KHz. Muchos sistemas megasónicos operan en frecuencias en o casi de 1000 KHz, o un Megahertzio. Aunque 1 MHz es el consenso, que es la frecuencia preferida para muchas aplicaciones, el intervalo de frecuencia es mucho más alto, con frecuencias tan altas como 10 MHz. Los usos comunes para los sistemas megasónicos incluyen la limpieza de objetos
delicados, tales como obleas semiconductoras de silicio y medios de unidad de disco. Este proceso megasónico de limpieza involucra la colocación de los objetos que serán limpiados en un tanque lleno con fluido, y la aplicación de energía de vibración en frecuencias megasónicas en una superficie o superficies de irradiación del tanque. Uno o más transductores piezoeléctricos son utilizados para generar la energía de vibración. Un generador suministra una señal de excitación de corriente alternante en la frecuencia resonante de los transductores. Los transductores megasónicos operan en un modo de espesor, en donde un elemento piezoeléctrico es excitado por una señal de excitación de corriente alternante que provoca la expansión y contracción alterna ante el transductor, principalmente expandiendo y contrayendo el espesor del transductor. Un transductor piezoeléctrico que tiene un espesor de 2.032 milímetros (0.080 pulgadas) tiene una frecuencia resonante fundamental del modo de espesor de 1000 KHz. El procesamiento megasónico tiene algunas similitudes con el procesamiento ultrasónico, el cual involucra frecuencias fundamentales más bajas, normalmente alrededor de 25 a 192 KHz. Comúnmente, los transductores ultrasónicos son equilibrados de masa con masas inertes en cualquier lado del elemento piezoeléctrico, y tienen un componente radial significante de movimiento en ángulo recto
al componente del espesor. Una construcción común de un transductor ultrasónico es para apilar varias capas de elementos piezoeléctricos de forma de anillo entre dos masas, y para mantener junto el ensamble con un tornillo de compresión axial. La limpieza ultrasónica está basada en la cavitación, que es la formación y el colapso de burbujas en el fluido. En las frecuencias utilizadas para la limpieza megasónica, no se presenta una cavitación significante, de modo que la acción de limpieza está basada en otro mecanismo conocido como micro-cavitación, que es un flujo general de partículas separadas que se desplazan fuera de los transductores megasónicos . Este flujo consiste de ondas planas que se originan en la superficie en la cual son montados los transductores. La naturaleza plana de esta micro-cavitación afecta la distribución de la energía megasónica a través del tanque. Una forma de mejorar la distribución es cubriendo un alto porcentaje del área superficial del tanque con transductores. Otra forma aunque menos eficiente es la oscilación o movimiento de las partes que serán procesadas a través de todo el tanque, de manera que todas las superficies sean expuestas a una energía megasónica suficientemente alta. Se conoce que la actividad ultrasónica de modo radial en un tanque de limpieza podría beneficiarse del
proceso de barrido o la variación de la frecuencia de la señal de excitación. No obstante, existe una amplia creencia en la industria que no se pueden barrer frecuencias megasónicas debido a que las ondas de sonido son demasiado pequeñas y débiles para obtener cualquier beneficio que provenga del barrido. Además, se ha pensado que no pudiera existir beneficio de las frecuencias megasónicas de barrido debido a los transductores de modo de espesor y la naturaleza plana resultante de las vibraciones megasónicas y debido a los distintos mecanismos de limpieza que funcionan si se compara con los mecanismos ultrasónicos.
Sumario de la Invención La presente invención se refiere a un aparato y a método de procesamiento megasónico que tienen uno o más transductores piezoeléctricos (PZT) que operan en un modo de espesor en frecuencias megasónicas en exceso de 300 KHz . Un generador megasónico que opera en frecuencias megasónicas, excita los transductores con una señal de excitación de frecuencia variable que cambia o barre a través de todo un intervalo de frecuencia de barrido predeterminado o programable. El generador megasónico crea la señal de excitación en frecuencias megasónicas que proporcionan energía a los transductores piezoeléctricos megasónicos para provocar que vibren en un modo de espesor en sus frecuencias
resonantes megasónicas . Los transductores piezoeléctricos emiten energía en frecuencias megasónicas que pueden ser utilizadas para varias aplicaciones, tales como la limpieza de objetos en un tanque lleno con fluido. El generador varía o barre en forma repetida la frecuencia de la señal de excitación a través de un intervalo de frecuencia de barrido que incluye las frecuencias resonantes de todos los transductores piezoeléctricos megasónicos . Otro aspecto de la presente invención involucra el agrupamiento de los transductores piezoeléctricos megasónicos en grupos que tienen frecuencias resonantes similares y alimentan con energía cada grupo con una señal de excitación separada de barrido de frecuencia que proviene de un generador que opera dentro de un intervalo de frecuencia de barrido que incluye las frecuencias resonantes del grupo de los transductores asociados. Esto subdivide el intervalo de frecuencia de barrido total en subintervalos más pequeños, que podrían o no superponerse, y disminuye el intervalo de cada barrido de frecuencia. El efecto de agrupamiento de los transductores es para incrementar de manera proporcional la cantidad de tiempo que cualquier transductor particular está operando en o cerca de su frecuencia resonante y con lo cual, se mejora la eficiencia. La presente invención incluye un sistema megasónico que comprende uno o más transductores piezoeléctricos y uno o
más generadores megasónicos conectados con los transductores para el suministro de señales de excitación megasónicas de frecuencia variable en intervalo de frecuencias y velocidades de barrido que puede ser seleccionado o programado. Cuando sea utilizado un proceso megasónico, por ejemplo, para la limpieza de obleas de silicio o medios de unidad de disco, el barrido de la señal de excitación a través de las frecuencias resonantes de todos los transductores megasónicos del modo de espesor, igualará la energía megasónica generada por los transductores y provocará que los transductores funcionen al unísono. Esto origina una distribución más uniforme de la energía megasónica y un rendimiento mejorado. También puede conseguirse la misma uniformidad y funcionalidad de energía megasónica mejorada en el procesamiento de líquido, la verificación no destructiva, la formación de imagen médica y otros procesos que utilicen los transductores megasónicos del modo de espesor a través del barrido del intervalo de frecuencias resonantes de los transductores. El proceso de barrido de frecuencia también extenderá la vida de los transductores megasónicos debido a que es menos lleno de tensiones en los transductores que la operación en una frecuencia única fija. El proceso de barrido de frecuencia también mejora la uniformidad de la energía megasónica a través de todo el tanque u otro aparato debido a que cada transductor ópera en su frecuencia resonante al
menos durante una parte de cada ciclo de barrido de frecuencia. Se espera que cualquier aplicación o proceso que utilice frecuencias megasónicas se beneficie de la distribución uniforme de la energía creada por el barrido de la señal de excitación a través de todas las frecuencias resonantes de los transductores . Una clave para optimizar la eficiencia del proceso megasónico es tener una energía uniforme a través de toda la superficie de irradiación que está siendo excitada con los dispositivos megasónicos. Para hacerlo de este modo, se prefiere que el 80% o más del área de la superficie de radiación sea cubierta por transductores megasónicos de modo de espesor. Además, cada transductor megasónico produce una energía megasónica consistente mediante el barrido de la frecuencia de la señal de excitación a través de las frecuencias resonantes más altas y más bajas de un grupo de transductores . Para un mejor rendimiento, cada transductor megasónico necesita ser energizado, de manera sustancial, igual que otros transductores megasónicos unidos con la misma superficie. Para conseguir esto, la frecuencia de excitación es barrida a través de las frecuencias resonantes de todos los transductores. El barrido de las frecuencias resonantes de los transductores megasónicos excita cada transductor en su frecuencia resonante en el mismo punto en cada ciclo. Esto
crea uniformidad en el rendimiento del transductor que no fue conseguida con anterioridad en la industria. Además, el barrido de frecuencia de los transductores megasónicos disminuye el "efecto de fuente" observado con los transductores megasónicos de frecuencia fija. El efecto de fuente se piensa que es provocado por un transductor que opera en su frecuencia resonante con una señal de excitación de frecuencia fija, lo cual produce un empuje ascendente significante del líquido en el tanque por encima del transductor. El barrido de la señal de excitación de frecuencia megasónica garantiza que cualquier transductor particular no será excitado en forma continua en su frecuencia resonante, de esta manera, se elimina el empuje ascendente asociado con el efecto de fuente. En su lugar, la energía megasónica es uniformemente distribuida a través de todo el tanque debido a que todos los transductores están operando de manera eficiente en sus frecuencias resonantes en algún punto durante cada ciclo de barrido. El barrido de frecuencia es más dramático con frecuencias megasónicas que con frecuencias ultrasónicas de 40 KHz . Las mejoras en la distribución de energía del 500 al 700% han sido observadas con el barrido de frecuencia resonante megasónica y esto significa un procesamiento sustancialmente mejor. No todas las características y ventajas descritas en
la especificación son incluidas, y de manera particular, muchas características y ventajas adicionales serán aparentes para una persona de experiencia ordinaria en la técnica en vista de las figuras, especificaciones reivindicaciones de la misma. Además, debe observarse que el lenguaje utilizado en la especificación ha sido principalmente seleccionado con propósitos de legibilidad y de instrucción, y no podría haber sido seleccionado para delinear o circunscribir la materia inventiva, para recurrir a las reivindicaciones que son necesarias para determinar esta materia inventiva.
Breve Descripción de las Figuras La Figura 1 es una vista en perspectiva general de un sistema de procesamiento megasónico de acuerdo con la presente invención. La Figura 2 es una vista en perspectiva superior del tanque utilizado en el sistema de procesamiento megasónico de la presente invención. La Figura 3 es una vista en perspectiva inferior del tanque . La Figura 4 es una vista en elevación lateral del tanque . La Figura 5 es una vista inferior del tanque. La Figura 6 es una vista esquemática del sistema de procesamiento megasónico y una vista en corte del tanque y el
transductor megasónico unido con un generador que suministra señales de excitación al transductor para la creación de vibraciones megasónicas en el líquido en el tanque. La Figura 7 es una gráfica de la frecuencia contra el tiempo de una señal de excitación utilizada en una modalidad de la presente invención. La Figura 8 es una gráfica de la frecuencia contra el tiempo de dos señales de excitación utilizadas en otra modalidad de la presente invención, en la cual el periodo de barrido es el mismo que en la Figura 7. La Figura 9 es una gráfica de la frecuencia contra el tiempo de dos señales de excitación utilizadas en otra modalidad de la presente invención en la cual la velocidad de barrido es la misma que en la Figura 7.
Descripción Detallada de las Modalidades Preferidas Las figuras representan varias modalidades preferidas de la presente invención sólo con propósitos de ilustración. Una persona experta en la técnica reconocerá con facilidad a partir de la siguiente discusión que podrían emplearse modalidades alternativas de las estructuras y métodos ilustrados en la presente sin apartarse de los principios de la invención que se describe en este documento. Un aspecto de la presente invención es un aparato y método de procesamiento megasónico que tiene un generador
megasónico con un intervalo de frecuencia de barrido programable y una velocidad de barrido programable . El intervalo de frecuencia de barrido es el intervalo de frecuencias o ancho de banda dentro del cual el generador megasónico da salida a una señal de excitación para excitar a uno o más transductores piezoeléctricos megasónicos de modo de espesor en sus frecuencias resonantes. La velocidad de barrido es el número de veces que las frecuencias resonantes son barridas por segundo. De preferencia, el generador megasónico incluye un controlador u otro dispositivo de control con medios que permitan al usuario seleccionar o programar el intervalo de frecuencia de barrido o ancho de banda y la velocidad de barrido para la señal de excitación. El usuario ingresa una o más combinaciones del intervalo de frecuencia de barrido y velocidad de barrido en el dispositivo de memoria del generador. El generador crea y da salida a la señal de excitación de acuerdo con el intervalo de frecuencia de barrido y la velocidad de barrido seleccionada por el usuario. Cuando se utilicen por ejemplo, en la aplicación de limpieza, el transductor o transductores piezoeléctricos megasónicos podrían ser montados en la parte inferior o los costados de un tanque, o podrían ser encerrados en un recipiente sumergible dentro del tanque. El generador de
frecuencia de barrido podría ser utilizado para excitar los transductores megasónicos en aplicaciones diferentes de la limpieza. De preferencia, los transductores son cristales piezoeléctricos o cerámica piezoeléctrica (también conocidos como PZTs) , tal como titanato de bario o titanato de zirconato de plomo, que operan en un modo de espesor. La utilización de distintas velocidades de barrido o intervalos de frecuencia de barrido en el mismo proceso podría mejorar la limpieza de algunas partes debido a que ciertas frecuencias podrían ser más efectivas que otras. Un dispositivo que barre la frecuencia de la señal de excitación es incorporado en el generador megasónico que crea la señal de excitación. El generador incluye una interfaz de usuario que comprende uno o más dispositivos de entrada, tales como perillas de mando, dispositivos de selección, software, teclado, interfaz gráfica de usuario, conexión de red u otros dispositivos de entrada que permitan al usuario establecer un intervalo de frecuencia de barrido o ancho de banda con respecto al cual opera el generador y también que establezca una velocidad de barrido en la cual el generador realice el barrido a través del intervalo programado. Los controles para el usuario que programa el intervalo de frecuencia de barrido y la velocidad de barrido podrían ser analógicos o digitales. Como se muestra en las Figuras 1-6, una modalidad de
la presente invención es un sistema de limpieza 10 que incluye un tanque de limpieza de cuarzo 12 que contiene un líquido o solución de limpieza 14 y una o más piezas 15 que serán limpiadas. La energía megasónica es suministrada al líquido de limpieza 14 a través de uno o más transductores de frecuencia megasónica 16 fijos en la parte inferior del tanque 12. En forma alterna, los transductores megasónicos podrían ser fijados en uno o más lados del tanque o podrían ser sumergidos en el mismo. De preferencia, el transductor megasónico 16 tiene un elemento piezoeléctrico (PZT) 18 unido en forma adhesiva o que es unido de otro modo con un lado de una placa de carburo de sílice 20. El otro lado de la placa de carburo de sílice 20 es unido en forma adhesiva con la superficie externa inferior del tanque de limpieza 12. De preferencia, las capas de unión 22 entre la placa de carburo de sílice 20 y el tanque 12 y entre la placa de carburo de sílice y el elemento piezoeléctrico 18 están compuestas de una hoja delgada perforada de cobre y un adhesivo de acoplamiento de impedancia. En forma alterna, las capas de unión podrían estar compuestas de un adhesivo epoxi u otro adhesivo utilizado para la unión de los chips de semiconductor con los sustratos del paquete . El elemento piezoeléctrico puede ser un disco cuadrado, rectangular, o circular u otra forma que tenga un espesor uniforme. Por ejemplo, para la operación en la
frecuencia nominal de 1000 KHz, el elemento piezoeléctrico 18 tendría un espesor aproximadamente de 2.032 milímetros (0.080 pulgadas) , la placa de carburo de sílice 20 tendría un espesor aproximadamente de 4.86 milímetros (0.19 pulgadas) y la parte inferior del tanque de cuarzo 12 tendría un espesor aproximadamente de 5.08 milímetros (0.20 pulgadas). El transductor 16 y el sistema de limpieza 10 son sólo un ejemplo de un transductor y aparato que incorporan la presente invención. Como se muestra en las Figuras 3-6, se prefiere que los transductores 16 sean de una forma rectangular y que sean situados en paralelo entre sí. De preferencia, los transductores 16 cubren una porción sustancial de la superficie inferior del tanque 12, de preferencia, al menos el 80%. Es deseable generar una energía megasónica y transferirla al tanque 12 y al fluido 14 de manera uniforme a través de toda el área total de la superficie en la cual son unidos los transductores 16. La cobertura de un alto porcentaje del área superficial de la parte inferior del tanque con transductores, garantiza que la energía megasónica transferida en el fluido 14 sea relativamente uniforme. Como se muestra en la Figura 6, los transductores 16 son excitados por una señal de excitación suministrada a través de los conductores eléctricos 24 por medio de un generador programable 26. El generador 26 es programado por
el usuario a través de una entrada o interfaz de usuario 28 para establecer o ajustar el intervalo de frecuencia de barrido o ancho de banda y la velocidad de barrido de la señal de excitación salida por el generador. Un transductor piezoeléctrico de frecuencia megasónica opera en un modo de espesor, de manera que las tensiones aplicadas provocan que el transductor se expanda y contraiga en su espesor. Estas expansiones y contracciones son transmitidas a través del resonador de carburo de sílice 20 y el tanque 12 al fluido 14 y los objetos 15 que se encuentran en el tanque. Como se muestra en la Figura 6, estas vibraciones de frecuencia megasónica son ondas principalmente horizontales 17, con la condición de que los transductores 16 se encuentren en la parte inferior del tanque 12. Las ondas se propagan hacia arriba y transportan las partículas limpiadas o separadas de los objetos 15 en el tanque. Esto es un proceso conocido como micro-cavitación, en el cual existe un movimiento neto hacia arriba, fuera de la fuente de la energía megasónica. Como se muestra en las Figuras 1 y 2, el tanque tiene un vertedero 21 sobre el cual se desplaza el fluido de exceso y las partículas, y una bomba 23 y filtro 25 para recircular y limpiar el fluido. De manera general, la frecuencia resonante es la frecuencia en donde las propiedades mecánicas y eléctricas de un transductor pueden transmitir de la manera más eficiente
ondas de sonido. En los transductores megasónicos que operan en el modo de espesor, el espesor del transductor determina la frecuencia resonante. Por ejemplo, un transductor que tiene un espesor de 2.032 milímetros (0.08 pulgadas) tendrá una frecuencia resonante aproximadamente de 1000 KHz . Un transductor que tiene un espesor de 1.651 milímetros (0.065 pulgadas) tendrá una frecuencia resonante aproximadamente de 1230 KHz. Un transductor que tiene un espesor de 1.27 milímetros (0.050 pulgadas) tendrá una frecuencia resonante aproximadamente de 1600 KHz. El término "frecuencia resonante" es utilizado en la presente de manera que signifique la frecuencia fundamental más baja en donde el transductor como es instalado tenga una resonancia natural. Como es señalado con anterioridad, un transductor piezoeléctrico que tiene un espesor de 2.032 milímetros (0.08 pulgadas) tiene una frecuencia resonante fundamental de 1000 KHz. La tolerancia en el espesor de este transductor tiene un efecto significante sobre la frecuencia resonante. Una variación de espesor de 0.254 milímetros (0.001 pulgadas) provocaría una variación de la frecuencia resonante de 12.5 KHz. Asimismo, las dos superficies principales del transductor tienen que ser planas y coplanares, aunque cualquiera de las variaciones también puede afectar la frecuencia resonante. Aún cuando sea deseable a partir del punto de vista del rendimiento que todos los transductores
tengan exactamente la misma frecuencia resonante, a partir del punto de vista de la tolerancia de manufactura, esto es impráctico. Sin embargo, el barrido de frecuencia de la presente invención supera este obstáculo. Una ventaja de la presente invención es que el barrido de frecuencia de la señal de excitación a través de las frecuencias resonantes de todos los transductores distribuye las ondas de sonido del mismo modo entre los transductores. Esto hace posible tener una energía megasónica sustancialmente igual a través de todo el tanque. Esto es importante debido a que los transductores de modo de espesor producen ondas de sonido que viajan en dirección vertical desde la parte inferior a la superior del tanque, con poca extensión o dispersión en las direcciones laterales. La distribución regular de la energía megasónica puede ser mejor conseguida mediante el barrido sólo fuera de las frecuencias resonantes más altas y más bajas de los transductores. Otra ventaja de la presente invención es que acomoda las tolerancias en las frecuencias resonantes de los transductores. El rendimiento sería mejor si las variaciones de la frecuencia resonante fueran minimizadas. La elección de los transductores exactamente con la misma frecuencia resonante ayudará a minimizar las variaciones (aunque a un costo incrementado) , aunque incluso entonces, existirán algunas variaciones de los adhesivos u otros materiales
aglomerantes utilizados para montar los transductores debido a que cualquier variación en el espesor crea una variación en la frecuencia con las aplicaciones de modo de espesor. El barrido de frecuencia de la señal de excitación de acuerdo con la presente invención acomoda estas variaciones inevitables . Todavía otra ventaja de la presente invención es que disminuye los empujes del fluido en el tanque. Sin el barrido de la señal de excitación, los transductores en o más cercanos a la frecuencia de la señal de excitación tienden a crear una fuerza ascendente poderosa que empuje el fluido hacia arriba, en algunas ocasiones tanto como 5.08 centímetros (2 pulgadas) por encima del nivel superficial. Estos empujes superficiales son un problema debido a que provocan que el aire sea incorporado en el fluido a medida que este es recirculado, lo cual puede interferir con el proceso megasónico. Los empujes también son un problema debido a que si el líquido fuera un solvente, éste sería evaporado en el aire y podría ser peligroso para el operador y la gente en el área, sobre todo si el fluido fuera un ácido u otro material dañino. El barrido de la señal de excitación con la presente invención reduce estos problemas. Como se muestra en la Figura 7, el generador 26 varía la frecuencia de la señal de excitación como una función del tiempo. Por ejemplo, la frecuencia de la señal de
excitación podría variar linealmente en un patrón de diente de sierra con respecto a un intervalo de frecuencia de barrido programado 30 que incluye las frecuencias resonantes 31 de todos los transductores megasónicos 16. El intervalo de frecuencia de barrido o ancho de banda del generador es programado por el usuario y almacenado en un dispositivo de memoria asociado con el generador 26. La velocidad en la cual varía la frecuencia es determinada por la velocidad de barrido programada por el usuario y almacenada en el dispositivo de memoria del generador. El generador puede ser programado para variar las frecuencias de la señal de excitación de acuerdo con otras funciones o programas y no necesita limitarse a las funciones lineales que forman una onda triangular o patrón de diente de sierra como se muestra en la Figura 7. La variación de frecuencia puede ser, por ejemplo, una función sinusoidal, exponencial y otras funciones. La señal de excitación por sí misma podría ser de una forma de onda sinusoidal, cuadrada, triangular u otras formas de onda. Las velocidades de barrido no necesitan ser las mismas para el barrido ascendente (la frecuencia de incremento) y descendente (la frecuencia de disminución) . De preferencia, el usuario también puede ajustar el número de periodos y puede establecer los tiempos de reposo cuando el generador desconecte la señal de excitación. En una aplicación de limpieza, algunas partes
podrían ser mejor limpiadas a través de un transductor único en lugar de múltiples transductores. En esta configuración, el rendimiento del transductor puede ser mejorado utilizando un programa de software programado que identifique la frecuencia resonante óptima y realice el barrido a través de esta frecuencia dentro de un intervalo definido. Para mejores resultados, la frecuencia de excitación puede ser barrida a través de un intervalo de barrido del 1% o menos para garantizar que la frecuencia resonante del transductor esté siendo excitada en forma repetida. Un beneficio de la presente invención es que reduce los efectos adversos del cambio de frecuencia resonante, debido a que la frecuencia resonante de cada transductor es excitada en cada ciclo aun si cambiara con el tiempo, con la condición de que el intervalo de barrido o ancho de banda sea lo suficientemente amplio. De manera común, son utilizados múltiples transductores megasónicos 16 para una tarea o proceso dado, en este caso es común excitar todos los transductores con el mismo generador y la misma señal de excitación. No obstante, cuando sean utilizados múltiples transductores, no podría existir una frecuencia única óptima debido a las variaciones de rendimiento y tolerancias de manufactura entre los transductores. Las tolerancias de producción originan transductores megasónicos que tienen frecuencias resonantes
dentro del intervalo del 3 al 4%. Por ejemplo, en 1000 KHz, un intervalo del 4% sería más o menos 20 KHz de los 1000 KHz nominal, o un intervalo de 980 para 1020 KHz. En estas aplicaciones de acuerdo con la presente invención, es adecuado realizar el barrido de frecuencia de manera repetida de la señal de excitación para garantizar que al menos alguna parte del tiempo el transductor 16 esté operando en o casi su frecuencia resonante. Con el fin de tener cada transductor 16 operado en o casi su frecuencia resonante, el generador realiza el barrido a través de un intervalo predeterminado de frecuencia de barrido que es desigual para alcanzar las frecuencias resonantes más bajas y más altas 31 del grupo de transductores. La función de barrido de frecuencia del generador 26 cubre este intervalo de variación. La función de barrido de frecuencia puede ser fijada o puede ser programada de modo que sea variable en cuanto a la velocidad (barridos por segundo) o en cuanto al intervalo (las frecuencias máximas y mínimas) . Otro aspecto de la presente invención se refiere al agrupamiento de los transductores piezoeléctricos megasónicos en múltiples grupos de acuerdo con sus frecuencias resonantes, y la excitación de cada grupo con una señal de excitación separada de frecuencia variable. Los transductores con frecuencias resonantes similares son agrupados juntos para reducir el intervalo de frecuencias a través del cual el
generador debe realizar el barrido con el fin de operar el grupo de transductores en o casi sus frecuencias resonantes. La reducción del intervalo de frecuencia del barrido aumenta el tiempo que cada transductor opera en o casi su frecuencia resonante . . A medida que es reducido el intervalo de cobertura de frecuencia de barrido, la velocidad de barrido puede ser aumentada para crear una mayor actividad si fuera requerido para una aplicación particular, o si la velocidad de barrido permaneciera igual, entonces, la velocidad de repetición sería incrementada. El resultado es que la transmisión megasónica en cada frecuencia resonante de transductor será más grande debido a que el barrido cubre una extensión más corta y el transductor opera para un porcentaje más grande de tiempo en o casi su frecuencia resonante, lo cual incrementa la eficiencia del proceso megasónico. Este punto se ilustra en las Figuras 7, 8 y 9. En la Figura 7, un generador único realiza el barrido de la señal de excitación entre las frecuencias mínimas y máximas con respecto a un intervalo 30. En la Figura 8, son utilizados dos generadores para cubrir el mismo intervalo total, aunque cada generador cubre un subintervalo 32 que es la mitad del intervalo total 30. La mitad de los transductores tienen frecuencias resonantes 31' en el subintervalo superior 32' y la otra mitad de los transductores tienen frecuencias
resonantes 31" en el subintervalo inferior 32" . El número de barridos por unidad de tiempo es el mismo en las Figuras 7 y 8. En la Figura 9, la velocidad de cambio de la frecuencia de barrido es la misma que en la Figura 7 , aunque el intervalo es cortado a la mitad, de modo que el doble de barridos se presenten en el mismo período de tiempo. Como un ejemplo del agrupamiento, se supone que son utilizados 12 transductores megasónicos en un proceso que tiene las siguientes frecuencias resonantes nominales (en KHz) : 1010 1030 1015 1007 1019 1004 1027 1038 1022 1014 1031 1040 Este intervalo de frecuencia de un mínimo de 1004 KHz a un máximo de 1040 KHz, para un intervalo total de 36 KHz (± 18 KHz) centrado en 1022 KHz. El barrido de frecuencia de la señal de excitación que incluye las frecuencias resonantes de todos los 12 transductores requeriría un barrido total de 36 KHz. Estos 12 transductores podrían ser divididos en dos grupos, A y B, a fin de reducir el intervalo de barrido: Generador A Generador B 1004 1014 1022 1031 1007 1015 1027 1038 1010 1019 1030 1040
Los transductores excitados por el Generador A varían de 1004 a 1019 KHz, para un intervalo total de 15 KHz (±7.5 KHz) centrado en 1011.5 KHz. Los transductores excitados por el Generador B varían de 1022 a 1040 KHz, para un intervalo total de 18 KHz (± 9 KHz) centrado en 1031 KHz. Mediante el agrupamiento de los transductores de acuerdo con sus frecuencias resonantes y la reducción del intervalo de frecuencia para cada generador de barrido, el número de barridos por unidad de tiempo puede ser incrementado o la velocidad de barrido puede ser disminuida, cualquiera de los cuales permite que los transductores sean excitados en o casi sus frecuencias resonantes de manera más frecuente, lo cual mejora el proceso megasónico. En la práctica actual, los intervalos de frecuencia de barrido son establecidos ligeramente fuera de las frecuencias resonantes máximas y mínimas para los transductores asociados. De este modo en el ejemplo anterior, el intervalo de frecuencia de barrido del Generador A podría ser establecido de 1033 a 1020 KHz o de 1002 a 1021 KHz y el intervalo de frecuencia de barrido del Generador B podría ser establecido de 1021 a 1041 KHz o 1020 a 1042 KHz. Esto garantiza que cada transductor opere por debajo y por encima de su frecuencia resonante en cada ciclo de barrido de frecuencia y también permite que pudieran presentarse cambios de las frecuencias resonantes debido al calentamiento o a
otras variables . Los transductores pueden ser agrupados dentro del sistema o proceso individual o entre múltiples sistemas o procesos que operan de manera simultánea. Por ejemplo, si existieran dos tanques cada uno con múltiples transductores y ambos tanques fueran utilizados de manera simultánea, pueden agruparse los transductores del universo más grande de todos los transductores en los dos tanques. Los agrupamientos podrían ser seleccionados a fin de producir un resultado más uniforme puesto que los transductores energizados por un generador único no tienen que estar uno enseguida del otro o pueden ser utilizados con el mismo tanque que se encuentra en el grupo. Debido a que todos los transductores trabajan de manera simultánea, el diseñador de la disposición de transductor puede enfocarse en la maximización de la eficiencia del agrupamiento sin considerar en donde son situados los miembros de los grupos. Como un ejemplo del agrupamiento entre múltiples procesos simultáneos, se supone que los mismos 12 transductores megasónicos señalados en el ejemplo previo son situados en dos diferentes tanques: Tanque 1 Tanque 2 1010 1030 1015 1007 1019 1004 1027 1038 1022 1014 1031 1040
Los 12 transductores de los Tanques 1 y 2 son divididos en dos grupos de acuerdo con las frecuencias resonantes y son excitados por los Generadores A y B como sigue (con el número de tanque mostrado en paréntesis) : Generador A Generador B 1004 (1) 1014 (1) 1022 (1) 1031 (2) 1007(2) 1015(2) 1027(2) 1038(2) 1010(1) 1019(1) 1030(1) 1040(2) El Generador A excita cuatro transductores del Tanque 1 y los transductores del Tanque 2. El Generador B excita dos transductores del Tanque 1 y cuatro transductores del Tanque 2. Debido a que todos los transductores están operando al mismo tiempo, este agrupamiento permite que los dos generadores realicen el barrido a través de intervalos más pequeños. De esta manera en procesos de limpieza y otros procesos en donde sean utilizados múltiples tanques o sistemas, la población total de transductores en múltiples tanques o sistemas puede combinarse para crear una evaluación óptima de las frecuencias que serán agrupadas juntas, con cada grupo energizado por un distinto generador de barrido. Por ejemplo, en los cuatro procesos que utilizan cuatro tanques, los transductores de cualquiera o la totalidad de los cuatro tanques podrían ser interconectados juntos para conseguir el intervalo óptimo de frecuencias para el barrido.
Obviamente, todos los procesos tienen que estar activos al mismo tiempo para este agrupamiento . Otro aspecto de la presente invención es la construcción del transductor megasónico 16 y su unión con otra estructura, tal como la parte inferior del tanque 12, utilizando una capa perforada de metal y un adhesivo de acoplamiento de impedancia. Como se muestra en las Figuras 4 y 6, se prefiere que el transductor megasónico 16 tenga una placa de carburo de sílice 20 entre el elemento piezoeléctrico 18 y la superficie del tanque de limpieza 12 u otra estructura con la cual es unido el transductor. El elemento piezoeléctrico 18 es unido con la placa de carburo de sílice 20, y el montaje es unido con el tanque 12 con capas de unión compuestas de una hoja delgada perforada de metal, de preferencia, de cobre y un adhesivo. La hoja delgada perforada de cobre (u otro metal) mejora la planeidad y la uniformidad del espesor de la capa de unión 22. El cobro perforado tiene un espesor predeterminado que permite que el adhesivo sea distribuido de manera uniforme, de esta manera, se evitan irregularidades o falta de uniformidad del espesor de adhesivo sin utilizar un dispositivo de fluctuación u otro dispositivo de estabilización. El metal perforado proporciona una superficie plana controlable que mantiene la uniformidad en el espesor del adhesivo. El metal perforado también sirve como un
electrodo entre el elemento piezoeléctrico y la placa de carburo de sílice. La aplicación de la presente invención no se limita a las operaciones de limpieza. El mismo principio de barrido de la energía acústica para transductores megasónicos puede ser aplicado en otros usos de microcavitación de la energía megasónica, tal como la prueba no destructiva o cualquier otro tipo de aplicaciones que utilizan transductores de modo de espesor que tengan frecuencias resonantes fundamentales al menos de 300 KHz . El barrido de los transductores megasónicos crea explosiones más grandes de energía, lo cual genera una actividad mejorada y más fuerte de la microcavitación, lo cual a su vez mejorar la eficiencia de la limpieza de microcavitación y otros usos de microcavitación. La microcavitación es un flujo del líquido energizado que es creado por la liberación de energía ultrasónica que es demasiado débil para provocar la cavitación. En frecuencias por encima de los 300 KHz, las cavitaciones dejan de existir aunque la energía de frecuencia megasónica crea un flujo del líquido. A partir de la descripción anterior, será aparente que la invención descrita en este documento proporciona un nuevo y ventajoso aparato y método de procesamiento megasónico que utilizan una señal de excitación de frecuencia variable. La discusión anterior detalla y describe
simplemente los métodos y modalidades de ejemplo de la presente invención. Como será entendido por aquellas personas familiarizadas con la técnica, la invención podría ser incluida en varias otras formas sin apartarse del espíritu o características esenciales de la misma. En consecuencia, la descripción de la presente invención se pretende que sea ilustrativa, aunque no limitante, del alcance de la invención que es señalado en las siguientes reivindicaciones.