ФОКУСИРУЮЩИЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК B06B3/04 

Изобретение относится к области неразрушающих ультразвуковых методов контроля и может быть использовано в приборах различного назначения, например, акустических микроскопах и ультразвуковых дефектоскопах.

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.

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.

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.

Техническим результатом от использования изобретения является устранение этого недостатка.

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

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.

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.

На фиг. 1 представлена конструкция фокусирующего акустического преобразователя; на фиг. 2 фокусирующая поверхность акустического преобразователя и принцип ее работы.

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.

Преобразователь работает следующим образом.

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.

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.

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.

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.

Использование: в акустических микроскопах и дефектоскопах. Сущность изобретения: преобразователь состоит из основания с вогнутой фокусирующей поверхностью на стороне, обращенной к исследуемому образцу, и нанесенным на эту сторону слоем пьезоэлектрического материала, отделенным от образца иммерсионной жидкостью. Фокусирующая поверхность выполнена в виде поверхности тела вращения с образующей, определяемой системой дифференциально-алгебраических уравнений:
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. 2 ил.

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

(x21

(n²-1)+h²n²)(x-x₁)²-x21(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.