Способ изготовления пьезоэлектрических преобразователей Советский патент 1992 года по МПК B23K1/06 

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

Цель изобретения - улучшение акустического контакта, повышение механической прочности пьезоэлектрического преобразователя.

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

Изготовление пьезоэлектрических преобразователей производят следующим образом.

На металлические прокладки 1 с двух сторон равномерно наносят известным способом сплошной слой припоя с температурой плавления 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 перпендикулярна 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 плавления припоя, но меньшей точки Кюри пьезокера- мики. Одновременно с этим к пакету через волновод 7 подводят ультразвуковые колебания (УЗК) широкого спектра частот либо

VI

00

Ј

Ч) 00

ьозбуждз.ог УЗК широкого спектра частот с помощью пьезоэлементов 2, входящих в состав изготавливаемого преобразователя, В этом случае пьезоэлементы 2 изготавливаемого преобразователя возбуждаются ульт- развукоеым генератором 8 широкого спектра частот.

Колебания широкого спектра частот представляют собой сумму бесконечно большого числа одновременно возбуждав- мых колебаний, частоты которых отличаются одна от другой на бесконечно малую величину, а амплитуда и фаза колебаний изменяются по случайному закону.

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

Диапазон частот указанных ультразвуковых колебаний составляет от 20 кГц до 1 . Нижний предел данного диапазона выбран исходя из того, что для эффективного возбуждения радиальных и изгибных мод колебаний з пьезоэлементах самых больших размеров, выпускаемых промышленностью (порядка 100 мм в диаметре) с учетом разброса скоростей звука в различных типах пьезоматериалов (2,85-5,0) 10 м/с, длина полуволны, определяемая из соотношения А /2 c/2f (где с - скорость звука в пьезоматериале; f- частота возбуж- даемых колебаний), должна совпадать с по- перечными размерами соединяемых пьезозлементов, т.е. быть порядка 100 мм. При возбуждении ультразвуковых колебаний на частотах, близких к основному резо- нансу (продольные колебания по толщине) соединяемых пьезоэлементов с самой малой толщиной порядка 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 усложняется схема и конструкция ультразвукового генератора колебаний широкого спектра частот, особенно для сборки пьезопреобразователей из элементов большой площади и малой толщины. Возбуждение колебаний по толщине для пьезоэлементов с такими размерами на частотах более 1 МГц сопряжено с большими затратами мощности генератора ввиду большой величины емкостной составляющей 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 смещения Гц, При интенсивности больше 5,0 Вт/см2 наблюдается частичная деструкция серебряных электродов пьезоэлементов, а при интенсивности меньше 0,5 Вт/см2 начинают появляться локальные непропаи соединяемых поверхностей. Исходя из таких же соображений выбирают спектральную плотность мощности электрических колебаний, подаваемых на пьезоэлементы преобразователя: при спектральной плотности мощности выше 1010 В /Гц происходит частичное разрушение металлических электродов на поверхности пьезокерамики, а при значениях указанного параметра, меньших 1 102 В /Гц , снижается качество паяных соединений.

Пример. Производят сборку пьезоэлектрического преобразователя, состоящего из трех дисковых пьезокерамических элементов из ЦТС-19 диаметром 30 мм и толщиной 2 мм с серебряным токопроводя- щим покрытием на основаниях элементов. В качестве металлических прокладок 1 применяют пластины из медной фольги толщиной 50 мкм и диаметром 30 мм. Прокладки покрывают канифольно-спиртовым флюсом ФКС и облуживают сплавом Розе методом окунания, имеющим температуру плавления 96°С и значительно более низкую точки Кюри для ЦТС-19 (290°С). Пьезоэлектрические элементы 2 одноименными полюсами присоединяют 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 электронагревателя до 110- 120°С, при этом на пакет с помощью конического волновода накладывают ультразвуковые колебания широкого спектра частот (50-250 кГц).

Выдержку пакета при указанной температуре с наложением ультразвуковых колебаний производят 20-30 с. За это время полностью удаляются пузырьки воздуха из зо- ны пайки и все микронеровности заполняются флюсом, при этом за счет слоя припоя на прокладках 1 происходит надеж- 5 ная пайка прокладок 1 и токопроводящих покрытий пьезоэлементов 2 по всей плоскости. За счет избыточного давления остатки припоя выдавливаются из зоны пайки. Охлаждение пакетного пьезоэлектрического 10 преобразователя производят в естественных условиях при комнатной температуре за 20-30 мин. охлаждения пакетного преобразователя снимают избыточное давление и с помощью припоя ПОС-61 и кани- 15 фольно-спиртового флюса ФКСп производят пайку проводников 4 к выводам 3 прокладок 1. Далее для удаления остатков флюса производят отмывку изделия в ванне со смесью бензина и этилового спирта в 20 соотношении 1:1 при комнатной температуре.

Для 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 колебания в диапазоне 50-250 кГц, с помощью которых эффективно озвучивают обе зоны спая пьезоэлементов. В остальном 40 весь процесс сборки пьезопреобразователя аналогичен описанному. После остывания проводники 4 отключают от генератора 8 и отпаивают их от выводов 3 прокладок 1.

Применение данного способа сборки 45 пакетных пьезоэлектрических преобразователей позволяет полностью исключить непропаи соединяемых плоскостей пьезоэлементов, а также исключить разрушение электропроводящего слоя пьезоэлементов. 50 За счет этого повышается надежность акустического контакта, повышается прочность соединения элементов и КПД пакетного пьезоэлектрического преобразователя. Оценку КПД пьезоэлектрических преобра- 55 зователей производят по коэффициенту преобразования электрических колебаний в акустические на резонансной частоте преобразователя. Преобразователи изготовляют по предлагаемому и по известному

способам из трех одинаковых пьезоэлементов по 30 одинаковых преобразователей каждым способом. Оценку качества изготовляемых преобразователей производят по специальной методике. С помощью генератора ГЗ-33 каждый преобразователь возбуждают на его резонансной частоте синусоидальным сигналом напряжением 24 В. Акустический отклик пьезопреобразова- телей снимают с помощью бесконтактного датчика акустических колебаний, состоящего из миниатюрного пьезопреобразователя и усилителя с большим входным сопротивлением. Отклик снимают с центра излучающей поверхности изготовленного пьезопреобразователя с расстояния 2 мм. Величину напряжения электрического сигнала датчика акустических колебаний измеряют с помощью милливольтметра ВЗ-33. При оценке качества тридцати пьезопреоб- разователей, изготовленных по известному способу, получают разброс напряжений акустического датчика от 112 мВ (для самого худшего пьезопреобразователя) до 560 мВ (для самого лучшего пьезопреобразователя), при этом среднеарифметическая величина этого напряжения составляет 347 мВ. Для 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. Для пьезоэлементов указанных размеров, установлен диапазон накладываемых колебаний широкого спектра частот, равный 50-250 кГц. Каждая партия пьезопреобразователей изготовлена при различных удельных мощностях накладываемых ультразвуковых колебаний, при этом три партии пьезопреобразователей изготовлены при внешнем наложении ультразвуковых колебаний, а три других - при возбуждении колебаний с помощью среднего пьезоэлемента, входящего в состав пьезопреобразователя.

Данные оценки качества пьезопреобразователей сведены в таблицу.

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

Производят также оценку качества спайки пьезоэлементов и прокладок в пье- зопреобразователях.

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

Формула изобретения

1, Способ изготовления пьезоэлектрических преобразователей, включающих лужение соединяемых поверхностей, сборку пьезоэлементов и металлических прокладок в пакет, нагревание пакета до температуры пайки при внешнем статическом давлении и охлаждение, отличающийся тем, что, с целью улучшения акустического контакта

и повышения механической прочности пьезоэлектрического преобразователя, собранные в пакет пьезоэлементы и прокладки помещают в ванну с жидким

флюсом и накладывают на пакет ультразвуковые колебания широкого спектра частот с удельной акустической мощностью 0,5-5,0 Вт/см2 в диапазоне частот от 20 кГц до 1 МГц.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что наложение на пакет ультразвуковых колебаний осуществляют путем подачи на пьезоэлементы электрических колебаний широкого спектра частот со спектральной

плотностью мощности (1-10) В2/Гц.

--J4

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано при изготовлении пьезоэлектрических преобразователей для ультразвуковой технологии и дефектоскопии, а также в медицине для ультразвуковой терапии, хирургии и диагностики. Цель изобретения - улучшение акустического контакта, повышение механической прочности и КПД пьезоэлектрического преобразователя. При изготовлении пьезоэлектрических преобразователей осуществляют 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 колебания 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 осуществляют 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

-. V

| f А А Л АЛ чАА/|чААЛ

1IIтт „ .

-ru Фиг. 2

ААЛ

L