Акустический блок Советский патент 1984 года по МПК G01B17/00 H03H9/25 

Выход

Фаг./ Изобретение относится к измерительной технике, в частности к изйеренню линейных размеров изделий, и может быть использовано для преци зионного контроля диаметра микропро вода. Известен акустический блок, соде жащий линию задержки поверхностных акустических волн, состоящую из волновода и преобразователей, разме щенных на его поверхности, и включенный между преобразователями широ кополосный усилитель. Линия задержк является частотозадающим элементом автогенератора ll . Указанный блок не позволяет конт ролировать диаметр микропровода, так как поверхностные акустические волны (ПАВ) возбуждаются на поверхности плоского волновода. Целью изобретения является расши рение функциональных возможностей. Поставленная цель достигается тем, что в акустическом блоке, содержащем линию задержки поверхностных акустических волн, состоящую из волновода и преобразователей, размещенных на его поверхности, и включенный между преобразователями широкополосный усилитель, линия задержки выполнена в виде цилиндрического волновода из пьезоэлектрического материала с фланцами, при этом преобразователи размещены по окружности на поверхностях фланцев, а переход от фланца к внутренней по верхности цилиндра выполнен радиусо R закругления, выбранным из условия R 5- (8-10) А , где Л - длина поверхностной акустической волны. На фиг. 1 показана схема акустического блока; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - зависимость величины скорости ПАВ от зазора меж микропроводом и внутренним диаметром волновода, на фиг. 4 - вариант акустического блока, включенного по дифференциальной схеме. Акустический блок (фиг.1) содержит линию 1 задержки ПАВ, являющуюс частотозадающим элементом автогенератора (не показан), входной 2 и выходной 3 преобразователи линии 1 задержки подключены соответственно к выходу и входу широкополосного ус лителя 4. Линия 1 задержки ПАВ выполнена из пьезоэлектрического мате риала в виде круглого волоконного волновода 5 с фланцами 6 и 7. Входной 2 и выходной 3 встречно-штьфевые преобразователи ПАВ (ВШП) размещены по окружности (фиг.2) на .соответствующих внешних торцовых поверхностях фланцев 6 и 7 волновода 5 непосредственно либо с использованием пьезоэлектрических пленок (например, окиси цинка ZnO). Фланцы 6 и 7 по радиусу R закругления переходят в сквозной канал 8 волновода 5. Для уменьшения последовательного сопротивления электродной структуры до необходимого уровня электродная структура ВШП 2 и 3 может быть разделена на сегменты (фиг.2), управляемые параллельно (электрическое соединение сегментов ВШП 2 и их подключение к усилителю 4 осуществляется известным образом). В варианте устройства, построенном по дифференциальной схеме (фиг.4) устройство содержит еще один ПАВ-ге-нератор 9, аналогичный первому, и смеситель 10. Микропровод 11 протягивают в отверстие 8 волновода 5. Процесс контроля осуществляется следующим образом. С помощью входного кругового ВШП 2 на торповой поверхности фланца 6 возбуждаются ПАВ, Вследствие того, что торцовая поверхность фланца 6 симметрично закруглена с радиусом закругления R5 (8-10)1 (где Ti длина ПАВ) и переходит во внутренний сквозной канал 8 волновода 5, ПАВ без существенных потерь на генерацию паразитных объемных волн направляются вдоль внутренней поверхности волоконного волновода 5. Радиус закругления нецелесообразно выбирать больше десяти Л из-за изменения траектории распространения ПАВ. Диаметр торцовых поверхностей фланцев 6 и 7 выбирается из возможности осуществления необходимого радиуса Я, закругления и размещения на торцовых частях этих поверхностей соответствующих ВШП ПАВ 2 и 3. Распространяющиеся вдоль внутренней поверхности волновода 5 волны имеют подобные рэлеевским аксиальную . и радиальную компоненты и не имеют азимутальной компоненты. Результирующее распределение энергии имеет круговую симметрию и уменьшается приблизительно экспоненциально с изменением радиуса внутренней поверхности канала 8. Дисперсионная связь для основной поверхностной моды. распространяющейся вдоль внутренней поверхности волновода 5 ПАВ, вьфажа ется уравнением ,.pS,,.2J. T,tmrT Р гдеР (р -/з;Лт (() - радиус сквозного канала 8, /3, ., р - соответственно, постоянные распространения поверхностной моды объемной продольной моды и объемной поперечной моды, - модифицированная функция Бесселя порядка i. С помощью ВШП 3, расположенного на торцовой поверхности фланца 7, аналогично ВШП 2 происходит прием ПАВ. В цепи обратной связи введен усилитель 4 с коэффициентом усиления , достаточным -для компенсации полных потерь в линии 1 задержки. Частоты, на которых возможно возбуж дение генератора ПАВ, описываются уравнением 2iin cOrl.(V+оСэ , где сОр - частота генерации, (Хэ электрический суммарный сдвиг фазы во ВШП 2 и 3 и усилителе 4, V скорость вдоль внутренней поверхнос ти волновода 5 ПАВ, U - рабочая дли на линии 1 задержки (расстояние между центрами ВШП 2 и 3). Толщину стенок 6 круглого волновода 5 в его неутолщенной части целесообразно выбирать равной 6 (5-10)Л . В этом случае паразитны объемные моды удаляются путем поглощения на внешней поверхности волновода 5, так как они обычно им ют большие глубины проникновения, основная, и, следовательно, удаляются по мере распространения волны Таким образом, в отсутствии кон ролируемой микропроволоки обеспечи вается чистый одномодовый режим ге нерации с частотой СОр . Контролируемый микропровод 11, полненный из электропроводного материала или имеющий электропроводя покрытие, направляется в сквозной канал 8 волновода 5. Наличие в канале 8 электропрово щего микропровода 11 приводит к за корачиванию тангенциальных составл щих сопровождающего распространени вдоль внутренней поверхности пьезо электрического волновода 5 ПАВ эле .ромагнитного поля, что приводит к уменьшению скорости V распространения ПАВ. При увеличении или уменьшении диаметра контролируемого микропровода 11 уменьшается или увеличивается зазор между его поверхностью и окружающей микропровод внутренней поверхностью волновода 5, что и приводит к соответствующему изменению скорости ПАВ. Величину изменения постоянной распространения р р -р ПАВ при изменении диаметра J микрпоровода 11 в функции нормализованного зазора РП между поверхностью микропровода 11 и внутренней поверхностью волновода 5 можно найти из л ) 2 eo ptgph С-Т Г,..Т -V ,,-Т ,1-1112. где )(t..,) J - коэффициент электромеханической связи, .., EXU диэлектрические постоянные пьезоэлектрического волновода, 8 диэлектрическая постоянная свободного пространства. Пример изменения скорости V .ПАВ в функции нормализованного зазора ЗЬ представлен на фиг. 3. Максимальную величину изменения JiV скорости ПАВ можно оценить из ус4. ловия , VI „ - О где VQ - скорость ПАВ для полностью электрически закороченной внутренней поверхности волновода 5 h (D-d), D 2r - диаметр сквозного канала 8, VQQ - скорость в отсутствие микропровода . Таким образом, при изменении диаметра микропровода происходит модуляция скорости и величины фазовой задержки линии 1 задержки генератора ПАВ и, следовательно, изменение ДСО частоты генерации. Для получения точного контроля частоты генератор должен содержать элемент с фазовой характеристикой, быстро изменяющейся с частотой. Наклон фазовой характеристики cj(x, /d пропорционален длине линии 1 задержки, поэтому эту длину целесообразно выбирать равной от сотен до тысяч длин ПАВ. С этой же целью обеспечение наиболее точного контроля диаметра микропровода 11 разница между диаметром О канала 8 и средним ожидаемым диаметром d микропровода (начальный зазор) выбирается небольшой, вплоть до долей длины ПАВ (фиг.2).

Для уменьшения влияния внешних факторов на точность контроля, в частности, температурной стабилизации в широком диапазоне, акустический блок содержит еще один ПАВ генератор 9 (фиг.4), аналогичный первому. Контролируемый микропровод 11 подается в сквозной канал лишь первого ПАВ-генератора. При контрол микропровода 11 этим генератором разностная частота, выделяемая смесителем 10, приобретает значения, пропорциональные величине изменения диаметра микропровода. Изменение температуры в этом случае не привод к изменению разностной частоты на выходе смесителя 10.

Вид А Фиг. г

Устройство особенно эффективно для контроля очень малых изменений диаметра микропровода, что обеспечивается весьма высокой кратковременной стабильностью ПАВ-генератора (до 1СГ ), взаимодействием всей поверхности микропровода (по окружности в поперечном ее сечении) с электромагнитным полем, сопровождающим ПАВ, достаточно резкой зависимостью скорости V ПАВ от нормализованного воздушного зазора рЬ , удалением паразитных мод колебаний путем выбора толщины стенок круглого волновода.

Использование устройства в ультразвуковых микросварочных установках для сварки элементов ИС позволяет повысить процент выхода годных ИС за счет понижения коэффициента вариации и повышения механической прочности соединений. 0,2 0,2 Фиг.З 0,5j3h 0,

ФигЛ

АКУСТИЧЕСКИЙ БЛОК, содержащий линию задержки поверхностных акустических волн, состоящую из волновода и преобразователей, размещенных на его поверхности, и включенный между преобразователями широкополосный усилитель, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, линия задержки выполнена в виде цилиндрического волновода «3 пьезоэлектрического материала с фланцами, при этом преобразователи размещены по окружности на поверхностях фланцев, а переход от фланца к внутренней поверхности цилиндра выполнен радиусом R закругления, выбранным из условия R 5-