SU1731493A1 - Способ изготовлени пьезоэлектрических преобразователей - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к ультразвуковой технике и может быть использовано при изготовлении пьезоэлектрических преобразователей дл  ультразвуковой технологии и дефектоскопии, а также в медицине дл  ультразвуковой терапии, хирургии и диагностики . Цель изобретени  - улучшение акустического контакта, повышение механической прочности и КПД пьезоэлектрического преобразовател . При изготовлении пьезоэлектрических преобразователей осуществл ют лужение поверхностей металлических прокладок. Собранные в пакет пьезоэлементы и прокладки помещают в ванну с жидким флюсом, сжимают под избыточным давлением, нагревают флюс до температуры пайки и накладывают на пакет ультразвуковые колебани  широкого спектра частот с удельной акустической мощностью 0,5-5,0 Вт/см2 в диапазоне частот от 20 кГц до 1 МГц. Наложение на пакет ультразвуковых колебаний осуществл ют также путем подачи на пьезоэлементы пакета электрических колебаний широкого спектра частот со спектральной плотностью мощности (1-10) В2/Гц. 1 з.п.ф-лы,2ил., 1табл. (Л С

Description

Изобретение относитс  к ультразвуковой технике и может быть использовано при изготовлении пьезоэлектрических преобразователей дл  ультразвуковой технологии и дефектоскопии, а также в медицине дл  ультразвуковой терапии, хирургии и диагностики .

Цель изобретени  - улучшение акустического контакта, повышение механической прочности пьезоэлектрического преобразовател .

На фиг. 1 показано изделие в сборке; на фиг. 2 - ванна дл  пайки.

Изготовление пьезоэлектрических преобразователей производ т следующим образом .

На металлические прокладки 1 с двух сторон равномерно нанос т известным способом сплошной слой припо  с температурой плавлени  ниже точки Кюри материала

пьезоэлементов. Облуженные металлические прокладки 1 устанавливают между пье- зоэлементами 2. К выводам 3 металлических прокладок 1 припаивают проводники 4. Собранный таким образом пакет помещают в ванну 5, заполенную флюсом 6 и устанавливают под волноводом 7 ультразвукового вибратора, ось которого перпендикул рна плоскости пакета. Проводники 4 подключают к ультразвуковому генератору 8 колебаний широкого спектра частот.

С помощью волновода 7 собранный пакет с заданным давлением Р прижимают к днищу ванны. Ванну с флюсом и помещенный в ней пакет подвергают нагреву до температуры больше температуры плавлени  припо , но меньшей точки Кюри пьезокера- мики. Одновременно с этим к пакету через волновод 7 подвод т ультразвуковые колебани  (УЗК) широкого спектра частот либо

VI

00

Ј

Ч) 00

ьозбуждз.ог УЗК широкого спектра частот с помощью пьезоэлементов 2, вход щих в состав изготавливаемого преобразовател , В этом случае пьезоэлементы 2 изготавливаемого преобразовател  возбуждаютс  ульт- развукоеым генератором 8 широкого спектра частот.

Колебани  широкого спектра частот представл ют собой сумму бесконечно большого числа одновременно возбуждав- мых колебаний, частоты которых отличаютс  одна от другой на бесконечно малую величину, а амплитуда и фаза колебаний измен ютс  по случайному закону.

При воздействии УЗК широкого спектра частот или при возбуждении их с помощью пьезозлементов, вход щих в состав изготавливаемого преобразовател , происходит удаление всех, воздушных пузырьков из зоны спа , равномерное распределение припо  по спаю с заполнением всех микронеровностей и каверн на поверхност х прокладок 1 и пьезоэлементов 2, За счет приложенного статического давлени  Р происходит удаление излишков расплав- ленного припо  из плоскостей спа  в ванну с флюсом. После этого снимают УЗК, отключают нагрев и под давлением обеспечивают естественное охлаждение пакета до полного затвердевани  припо . Далее снимают давление с пакета, извлекают его из ванны с флюсом, моют и сушат.

Диапазон частот указанных ультразвуковых колебаний составл ет от 20 кГц до 1 . Нижний предел данного диапазона выбран исход  из того, что дл  эффективного возбуждени  радиальных и изгибных мод колебаний з пьезоэлементах самых больших размеров, выпускаемых промышленностью (пор дка 100 мм в диаметре) с учетом разброса скоростей звука в различных типах пьезоматериалов (2,85-5,0) 10 м/с, длина полуволны, определ ема  из соотношени  А /2 c/2f (где с - скорость звука в пьезоматериале; f- частота возбуж- даемых колебаний), должна совпадать с по- перечными размерами соедин емых пьезозлементов, т.е. быть пор дка 100 мм. При возбуждении ультразвуковых колебаний на частотах, близких к основному резо- нансу (продольные колебани  по толщине) соедин емых пьезоэлементов с самой малой толщиной пор дка 1 мм при указанном разбросе скорости ультразвука, в различных пьезоматериалах необходимы частоты, близкие к 1 МГц, что соответствует верхнему пределу выбранного частотного диапазона ультразвуковых колебаний широкого спектра частот. Возбуждение колебаний с частотами выше 1 МГц нецелесообразно,

так как неоправданно усложн етс  схема и конструкци  ультразвукового генератора колебаний широкого спектра частот, особенно дл  сборки пьезопреобразователей из элементов большой площади и малой толщины. Возбуждение колебаний по толщине дл  пьезоэлементов с такими размерами на частотах более 1 МГц сопр жено с большими затратами мощности генератора ввиду большой величины емкостной составл ющей нагрузки.

Удельную акустическую мощность ультразвуковых колебаний широкого спектра частот указанного диапазона выбирают в пределах 0,5-5,0 Вт/см , что соответствует спектральной плотности механического смещени  Гц, При интенсивности больше 5,0 Вт/см2 наблюдаетс  частична  деструкци  серебр ных электродов пьезоэлементов, а при интенсивности меньше 0,5 Вт/см2 начинают по вл тьс  локальные непропаи соедин емых поверхностей. Исход  из таких же соображений выбирают спектральную плотность мощности электрических колебаний, подаваемых на пьезоэлементы преобразовател : при спектральной плотности мощности выше 1010 В /Гц происходит частичное разрушение металлических электродов на поверхности пьезокерамики, а при значени х указанного параметра, меньших 1 102 В /Гц , снижаетс  качество па ных соединений .

Пример. Производ т сборку пьезоэлектрического преобразовател , состо щего из трех дисковых пьезокерамических элементов из ЦТС-19 диаметром 30 мм и толщиной 2 мм с серебр ным токопровод - щим покрытием на основани х элементов. В качестве металлических прокладок 1 примен ют пластины из медной фольги толщиной 50 мкм и диаметром 30 мм. Прокладки покрывают канифольно-спиртовым флюсом ФКС и облуживают сплавом Розе методом окунани , имеющим температуру плавлени  96°С и значительно более низкую точки Кюри дл  ЦТС-19 (290°С). Пьезоэлектрические элементы 2 одноименными полюсами присоедин ют к прокладкам и сжимают в пакет при помощи пружинного зажима, обеспечивающего избыточное давление от 4,5 104 до 5,5 104 Н/м2. Далее пакет помещают в ванну с флюсом ФСкПс и нагревают с помощью электронагревател  до 110- 120°С, при этом на пакет с помощью конического волновода накладывают ультразвуковые колебани  широкого спектра частот (50-250 кГц).

Выдержку пакета при указанной температуре с наложением ультразвуковых колебаний производ т 20-30 с. За это врем  полностью удал ютс  пузырьки воздуха из зо- ны пайки и все микронеровности заполн ютс  флюсом, при этом за счет сло  припо  на прокладках 1 происходит надеж- 5 на  пайка прокладок 1 и токопровод щих покрытий пьезоэлементов 2 по всей плоскости . За счет избыточного давлени  остатки припо  выдавливаютс  из зоны пайки. Охлаждение пакетного пьезоэлектрического 10 преобразовател  производ т в естественных услови х при комнатной температуре за 20-30 мин. охлаждени  пакетного преобразовател  снимают избыточное давление и с помощью припо  ПОС-61 и кани- 15 фольно-спиртового флюса ФКСп производ т пайку проводников 4 к выводам 3 прокладок 1. Далее дл  удалени  остатков флюса производ т отмывку издели  в ванне со смесью бензина и этилового спирта в 20 соотношении 1:1 при комнатной температуре .

Дл  подачи электрических колебаний широкого спектра частот на пьезоэлементы к выводам 3 прокладок 1 припоем с 25 1плавл. 120°С, например ПОС-61, припаивают проводники 4. Далее аналогичным образом собирают в пакет пьезоэлементы 2 и предварительно облуженные сплавом Розе прокладки 3 и помещают в ванну с флюсом, 30 обеспечив при этом с помощью пружинного прижима избыточное давление на пакет также от 4,5-Ю4 до 5,5-10 Н/м. С помощью проводников 4 к среднему пьезоэлементу пакета подключают ультразвуковой генера- 35 тор широкого спектра частот и возбуждают в данном пьезоэлементе ультразвуковые колебани  в диапазоне 50-250 кГц, с помощью которых эффективно озвучивают обе зоны спа  пьезоэлементов. В остальном 40 весь процесс сборки пьезопреобразовател  аналогичен описанному. После остывани  проводники 4 отключают от генератора 8 и отпаивают их от выводов 3 прокладок 1.

Применение данного способа сборки 45 пакетных пьезоэлектрических преобразователей позвол ет полностью исключить непропаи соедин емых плоскостей пьезоэлементов , а также исключить разрушение электропровод щего сло  пьезоэлементов. 50 За счет этого повышаетс  надежность акустического контакта, повышаетс  прочность соединени  элементов и КПД пакетного пьезоэлектрического преобразовател . Оценку КПД пьезоэлектрических преобра- 55 зователей производ т по коэффициенту преобразовани  электрических колебаний в акустические на резонансной частоте преобразовател . Преобразователи изготовл ют по предлагаемому и по известному

способам из трех одинаковых пьезоэлементов по 30 одинаковых преобразователей каждым способом. Оценку качества изготовл емых преобразователей производ т по специальной методике. С помощью генератора ГЗ-33 каждый преобразователь возбуждают на его резонансной частоте синусоидальным сигналом напр жением 24 В. Акустический отклик пьезопреобразова- телей снимают с помощью бесконтактного датчика акустических колебаний, состо щего из миниатюрного пьезопреобразовател  и усилител  с большим входным сопротивлением . Отклик снимают с центра излучающей поверхности изготовленного пьезопреобразовател  с рассто ни  2 мм. Величину напр жени  электрического сигнала датчика акустических колебаний измер ют с помощью милливольтметра ВЗ-33. При оценке качества тридцати пьезопреоб- разователей, изготовленных по известному способу, получают разброс напр жений акустического датчика от 112 мВ (дл  самого худшего пьезопреобразовател ) до 560 мВ (дл  самого лучшего пьезопреобразовател ), при этом среднеарифметическа  величина этого напр жени  составл ет 347 мВ. Дл  оценки качества пьезоэлектрических преобразователей, выполненных по данному способу, изготовлено шесть партий пье- зопреобразователей по тридцать штук в каждой. Все пьезопреобразователи изготовлены из одинаковых пьезоэлементов, таких же как и в партии пьезопреобразователей, изготовленных по известному способу. Дл  пьезоэлементов указанных размеров, установлен диапазон накладываемых колебаний широкого спектра частот, равный 50-250 кГц. Кажда  парти  пьезопреобразователей изготовлена при различных удельных мощност х накладываемых ультразвуковых колебаний, при этом три партии пьезопреобразователей изготовлены при внешнем наложении ультразвуковых колебаний, а три других - при возбуждении колебаний с помощью среднего пьезоэлемента, вход щего в состав пьезопреобразовател .

Данные оценки качества пьезопреобразователей сведены в таблицу.

Полученные данные указывают на то, что коэффициент преобразовани  и КПД пьезопреобразователей, изготовленных по данному способу, существенно выше, чем у пьезопреобразователей, изготовленных по известному способу. Повышена стабильность и воспроизводимость параметров преобразователей.

Производ т также оценку качества спайки пьезоэлементов и прокладок в пье- зопреобразовател х.

Непропаи в преобразовател х, изготовленных в соответствии с данным способом, не превышают 5% площади пьезоэлемента.

Claims (2)

1. Формула изобретени 

   1, Способ изготовлени  пьезоэлектрических преобразователей, включающих лужение соедин емых поверхностей, сборку пьезоэлементов и металлических прокладок в пакет, нагревание пакета до температуры пайки при внешнем статическом давлении и охлаждение, отличающийс  тем, что, с целью улучшени  акустического контакта

   и повышени  механической прочности пьезоэлектрического преобразовател , собранные в пакет пьезоэлементы и прокладки помещают в ванну с жидким

   флюсом и накладывают на пакет ультразвуковые колебани  широкого спектра частот с удельной акустической мощностью 0,5-5,0 Вт/см2 в диапазоне частот от 20 кГц до 1 МГц.
2. 2. Способ по п. 1,отличающийс  тем, что наложение на пакет ультразвуковых колебаний осуществл ют путем подачи на пьезоэлементы электрических колебаний широкого спектра частот со спектральной

   плотностью мощности (1-10) В2/Гц.

   --J4

   -. V

   | f А А Л АЛ чАА/|чААЛ

   1IIтт „ .

   -ru Фиг. 2

   ААЛ

   L