RU2091185C1 - Focusing acoustic converter - Google Patents

Focusing acoustic converter Download PDF

Info

Publication number
RU2091185C1
RU2091185C1 RU95112661A RU95112661A RU2091185C1 RU 2091185 C1 RU2091185 C1 RU 2091185C1 RU 95112661 A RU95112661 A RU 95112661A RU 95112661 A RU95112661 A RU 95112661A RU 2091185 C1 RU2091185 C1 RU 2091185C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
focusing
test piece
sample
depth
revolution
Prior art date
Application number
RU95112661A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU95112661A (en
Inventor
М.Н. Преображенский
В.П. Киргетов
С.В. Васильчиков
Original Assignee
Институт микроэлектроники РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт микроэлектроники РАН filed Critical Институт микроэлектроники РАН
Priority to RU95112661A priority Critical patent/RU2091185C1/en
Publication of RU95112661A publication Critical patent/RU95112661A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2091185C1 publication Critical patent/RU2091185C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: acoustic microscopes and flaw detectors. SUBSTANCE: proposed converter comprises base plate having concave focusing surface on side facing test piece, surface being coated with layer of piezoelectric material separated from test piece by immersion liquid. Focusing surface is formed as surface of body of revolution and has generatrix determined by system of differential-algebraic equations
Figure 00000003
validated at initial condition y(0)=H+h, wherein x and y are current coordinates at beginning of coordinates located at focusing point, h is depth at which focusing takes place, H is maximum distance from surface of test piece up to focusing surface, x1 is system parameter, and n=V1/V2 is ratio of sound velocities in test piece and immersion liquid. EFFECT: useful aid for quality control personnel. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области неразрушающих ультразвуковых методов контроля и может быть использовано в приборах различного назначения, например, акустических микроскопах и ультразвуковых дефектоскопах. The invention relates to the field of non-destructive ultrasonic testing methods and can be used in devices for various purposes, for example, acoustic microscopes and ultrasonic flaw detectors.

Известен фокусирующий акустический преобразователь, содержащий цилиндрическое основание, одна из торцевых поверхностей которого выполнена сферической, а на другой расположен слой пьезоэлектрического материала, причем со стороны сферической поверхности основания имеется иммерсионная среда (жидкость) [1]
Недостатками этого преобразователя являются отсутствие точной фокусировки излучения внутри исследуемого материала и низкая чувствительность на высоких частотах.
Known focusing acoustic transducer containing a cylindrical base, one of the end surfaces of which is made spherical, and on the other there is a layer of piezoelectric material, and from the side of the spherical surface of the base there is an immersion medium (liquid) [1]
The disadvantages of this converter are the lack of accurate focusing of radiation inside the material under study and the low sensitivity at high frequencies.

Выбор частоты принципиален в акустической микроскопии, поскольку длина волны определяет разрешающую способность прибора и чем выше частота (меньше длина волны), тем лучше разрешение прибора. Однако на высоких частотах (выше 1 ГГц) наблюдается значительное поглощение акустического излучения в иммерсионной среде (жидкости), что ведет к тому, что радиусы кривизны фокусирующей поверхности приходится делать малыми (порядка 50 мкм) и принципиально невозможно получить информацию с достаточно большой глубины. The choice of frequency is important in acoustic microscopy, since the wavelength determines the resolution of the device and the higher the frequency (the smaller the wavelength), the better the resolution of the device. However, at high frequencies (above 1 GHz), there is a significant absorption of acoustic radiation in an immersion medium (liquid), which leads to the fact that the radii of curvature of the focusing surface have to be made small (of the order of 50 μm) and it is fundamentally impossible to obtain information from a sufficiently large depth.

Прототип изобретения фокусирующий акустический преобразователь, состоящий из основания с выполненной в виде тела вращения фокусирующей поверхностью на стороне, обращенной к исследуемому образцу и нанесенным на эту поверхность слоем пьезоэлектрического материала и иммерсионной средой [2]
Недостаток этого преобразователя низкая разрешающая способность по глубине.
Prototype of the invention a focusing acoustic transducer consisting of a base with a focusing surface made in the form of a body of revolution on the side facing the test sample and a layer of piezoelectric material and immersion medium deposited on this surface [2]
The disadvantage of this converter is low resolution in depth.

Техническим результатом от использования изобретения является устранение этого недостатка. The technical result from the use of the invention is to eliminate this drawback.

Данный результат достигается тем, что образующая тела вращения определяется системой дифференциально-алгебраических уравнений:

Figure 00000004

при начальном условии y(0) H+h,
где x и y текущие координаты при начале координат, помещенном в точку фокусировки;
h глубина, на которой происходит фокусировка;
H максимальное расстояние от поверхности образца до фокусирующей поверхности;
X1 параметр системы;
n V1/V2 отношение скоростей звука в образце и иммерсионной жидкости.This result is achieved in that the generatrix of the body of revolution is determined by a system of differential-algebraic equations:
Figure 00000004

under the initial condition y (0) H + h,
where x and y are the current coordinates at the origin placed at the focus point;
h the depth at which focusing occurs;
H the maximum distance from the surface of the sample to the focusing surface;
X 1 system parameter;
n V 1 / V 2 the ratio of the speeds of sound in the sample and immersion fluid.

Использование поверхности заявленной формы позволяет получить пучок акустических лучей, сходящихся в данном материале в одну точку. Разрешающая способность акустического микроскопа при этом будет соответствовать теоретическому пределу, т. е. длине волны. При этом можно изготовить преобразователь для работы на высоких частотах, где разрешающая способность выше фокусирующей акустическое излучение на любую глубину. Using the surface of the claimed form allows you to get a beam of acoustic rays converging in this material at one point. The resolution of the acoustic microscope in this case will correspond to the theoretical limit, i.e., the wavelength. In this case, it is possible to manufacture a converter for operation at high frequencies, where the resolution is higher than focusing the acoustic radiation to any depth.

На фиг. 1 представлена конструкция фокусирующего акустического преобразователя; на фиг. 2 фокусирующая поверхность акустического преобразователя и принцип ее работы. In FIG. 1 shows a design of a focusing acoustic transducer; in FIG. 2 focusing surface of the acoustic transducer and the principle of its operation.

Преобразователь состоит из основания 1, представляющего собой кремниевую пластину. На одной стороне пластины методами, использующимися в технологическом процессе изготовления интегральных схем, сформированы фокусирующая поверхность заданной формы 2 и площадки для контактов 3. Далее нанесен слой диэлектрика (SiO2) 4, нижний металлический электрод 5, слой пьезоэлектрического материала 6 и второй электрод 7.The converter consists of a base 1, which is a silicon wafer. On one side of the plate, using the methods used in the manufacturing process of manufacturing integrated circuits, a focusing surface of a given shape 2 and a contact area 3 are formed. Next, a dielectric layer (SiO 2 ) 4, a lower metal electrode 5, a layer of piezoelectric material 6 and a second electrode 7 are applied.

Преобразователь работает следующим образом. The converter operates as follows.

Электрический сигнал от генератора подается на электроды 5, 7 и возбуждает в пьезоэлектрическом слое 6 акустическую волну. Акустическая волна распространяется в иммерсионной жидкости в направлении поверхности образца и после преломления на границе фокусируется в некоторую точку на заданной глубине образца благодаря выбору формы поверхности преобразователя. The electric signal from the generator is supplied to the electrodes 5, 7 and excites an acoustic wave in the piezoelectric layer 6. An acoustic wave propagates in an immersion liquid in the direction of the sample surface and, after refraction at the boundary, focuses at a certain point at a given depth of the sample due to the choice of the shape of the transducer surface.

Из некоторой точки 8, где будет происходить фокусировка, расположенной на заданной глубине образца 9, направляются к поверхности акустические лучи, идущие под различными углами. На границе раздела образец иммерсионная жидкость 10 эти лучи преломления в соответствии с законом преломления равны
V1sinβ = V2sinα,
где α и β углы падения и преломления соответственно.
From a certain point 8, where the focusing will take place, located at a predetermined depth of the sample 9, acoustic rays directed at different angles are directed to the surface. At the interface between the sample and immersion liquid 10, these refraction rays are equal to the law of refraction
V 1 sinβ = V 2 sinα,
where α and β are the angles of incidence and refraction, respectively.

Далее, начиная от некоторой точки 11, строится поверхность, перпендикулярная всем лучам, исходящим из точки 8 и преломленным на границе 10. Положение точки 11 будет определять расстояние H от акустического преобразователя до поверхности, при котором будет происходить фокусировка на заданной глубине h. Это положение выбирается в зависимости от частоты и составляет для высоких частот (0,5-2,0 ГГц) 20-100 мкм. Размер преобразователя также выбирается в зависимости от частоты. Further, starting from a certain point 11, a surface is constructed that is perpendicular to all the rays emanating from point 8 and refracted at the boundary 10. The position of point 11 will determine the distance H from the acoustic transducer to the surface at which focusing will take place at a given depth h. This position is selected depending on the frequency and for high frequencies (0.5-2.0 GHz) is 20-100 microns. The size of the converter is also selected depending on the frequency.

Приведенная на фиг. 2 поверхность соответствует случаю фокусировки в кремнии (V1 9130 м/с) на глубину 20 мкм при использовании в качестве иммерсионной жидкости воды (V2 1430 м/с) и расстоянии от преобразователя до поверхности 20 мкм при диаметре выемки 50 мкм. Форма поверхности вычисляется на ЭВМ путем численного решения системы дифференциально-алгебраических уравнений с соответствующими параметрами и начальными условиями и не задается простым аналитическим выражением.Referring to FIG. 2, the surface corresponds to the case of focusing in silicon (V 1 9130 m / s) to a depth of 20 μm when using water (V 2 1430 m / s) as an immersion liquid and the distance from the transducer to the surface is 20 μm with a notch diameter of 50 μm. The surface shape is calculated on a computer by numerically solving a system of differential-algebraic equations with appropriate parameters and initial conditions and is not specified by a simple analytical expression.

Claims (1)

Фокусирующий акустический преобразователь, состоящий из основания с выполненной в виде тела вращения фокусирующей поверхностью на стороне, обращенной к исследуемому образцу, и нанесенным на эту поверхность слоем пьезоэлектрического материала и иммерсионной средой, отличающийся тем, что образующая тела вращения определяется системой дифференциально-алгебраических уравнений
Figure 00000005

(x 2 1 (n2-1)+h2n2)(x-x1)2-x 2 1 (y-h)2= 0
при начальном условии y(0) Н + h,
где x и y текущие координаты при начале координат, помещенном в точку фокусировки;
h глубина, на которой происходит фокусировка;
H максимальное расстояние от поверхности образца до фокусирующей поверхности;
X1 параметр системы;
n V1/V2 отношение скоростей звука в образце и иммерсионной среде.
A focusing acoustic transducer consisting of a base with a focusing surface made in the form of a body of revolution on the side facing the sample under study and a layer of piezoelectric material and immersion medium deposited on this surface, characterized in that the generatrix of the body of revolution is determined by the system of differential-algebraic equations
Figure 00000005

(x 2 one (n 2 -1) + h 2 n 2 ) (xx 1 ) 2 -x 2 one (yh) 2 = 0
under the initial condition y (0) H + h,
where x and y are the current coordinates at the origin placed at the focus point;
h the depth at which focusing occurs;
H the maximum distance from the surface of the sample to the focusing surface;
X 1 system parameter;
n V 1 / V 2 the ratio of the speeds of sound in the sample and immersion medium.
RU95112661A 1995-07-20 1995-07-20 Focusing acoustic converter RU2091185C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU95112661A RU2091185C1 (en) 1995-07-20 1995-07-20 Focusing acoustic converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU95112661A RU2091185C1 (en) 1995-07-20 1995-07-20 Focusing acoustic converter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU95112661A RU95112661A (en) 1997-07-27
RU2091185C1 true RU2091185C1 (en) 1997-09-27

Family

ID=20170372

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU95112661A RU2091185C1 (en) 1995-07-20 1995-07-20 Focusing acoustic converter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2091185C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006121371A1 (en) * 2005-05-12 2006-11-16 Schekutiev, Georgy Alexandrovich Biological tissue stimulation by magneto-acoustical action
RU2544878C2 (en) * 2009-11-09 2015-03-20 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. Ultrasonic hifu-transducer with non-magnetic conducting through connections
RU2554892C2 (en) * 2009-11-09 2015-06-27 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. Curvilinear converter of high-intensity focused ultrasound with deformable electric connections
RU218305U1 (en) * 2023-03-30 2023-05-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" Device for focusing radiation into a curved region in the form of an acoustic hook

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. /Под ред. И.П. Голяминой. - М.: Сов. энциклопедия, 1979, с. 217. 2. Дорожкин Л.М., Дороженко В.С. и др. Пленочный фокусирующий преобразователь для акустического микроскопа. Акустический журнал. 1994, т. 40, N 3, с. 390 - 395. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006121371A1 (en) * 2005-05-12 2006-11-16 Schekutiev, Georgy Alexandrovich Biological tissue stimulation by magneto-acoustical action
RU2544878C2 (en) * 2009-11-09 2015-03-20 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. Ultrasonic hifu-transducer with non-magnetic conducting through connections
RU2554892C2 (en) * 2009-11-09 2015-06-27 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. Curvilinear converter of high-intensity focused ultrasound with deformable electric connections
RU218305U1 (en) * 2023-03-30 2023-05-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" Device for focusing radiation into a curved region in the form of an acoustic hook

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lemons et al. Acoustic microscope—scanning version
US5870351A (en) Broadband microfabriated ultrasonic transducer and method of fabrication
JP2664443B2 (en) Equipment for examining samples with ultrasound
US4297886A (en) Ultrasonic flaw detector for immersion testing of articles
JPH0136584B2 (en)
EP0187866A1 (en) Surface ultrasonic wave interference microscope
US4694699A (en) Acoustic microscopy
RU2091185C1 (en) Focusing acoustic converter
US5381695A (en) Apparatus for investigating a sample with ultrasound
JPH0421139B2 (en)
EP0039457B1 (en) Acoustic microscope
JP7489345B2 (en) Ultrasonic Inspection Equipment
US4909082A (en) Acoustic transducer for acoustic microscopy
JPH0575267B2 (en)
GB1602741A (en) Acoustic test devices
JPH0376419B2 (en)
JPH0668487B2 (en) Acoustic transducer for ultrasonic microscope
RU34794U1 (en) ACOUSTIC MICROSCOPE HEAD
JPH0731169Y2 (en) Ultrasonic probe
USH2049H2 (en) Differential property sensitive acoustic lens
Wilson An Ultrasonic Array Technique for the Examination of Deep Seated Defects in Steel
JPH05256828A (en) Acoustic wave conversion element
SU1337053A1 (en) Ultrasonic transducer for investigating biological media
SU1188643A1 (en) Ultrasonic converter for liquid investigation
JP2718091B2 (en) Ultrasonic non-destructive inspection method and apparatus