超声波清洗系统的设计与改进

目前在清洗行业，超声波清洗技术得到了极其广泛的应用。

超声波清洗系统的工作原理

超声波发生器的种类很多，大致可分为两种类型：机械型和电声型。

机械型超声波发生器直接用机械方法使物体振动而产生超声波。常见的机械型超声波发生器都是流体动力式的，即利用高压流体为动力来产生超声波。如旋笛是使流体以每秒几万次的频率断续从喷口喷出，在媒质中产生超声波。而空腔哨、簧片哨是使高压流体连续地从喷口喷出，撞击放在喷口前的空腔或簧片，引起共振在媒质中产生超声波。

电声型超声波发生器是应用得更广泛的。它是利用电磁能量转换成机械波能量。这种能量的转换是通过电声换能器来完成的。电声换能器的作用是将高频率电源的电磁振荡能量转换机械振动的能量而发生超声波。

电声换能器有压电式（电致伸缩）和磁致伸缩两种。压电式换能器是用压电材料（如石英、酒石酸钾钠、磷酸钾、钛酸顿、锆钛酸铅）制成的。

产生超声波的逆压电效应原理可用图5-71加以说明。

由钛酸顿（BaTiO₃）或错钛酸铅等晶体组成的压电陶瓷材料有一种特殊的电学性质：在受到外部应力作用时，处于压缩状态或伸长状态时都会形成电压，称为压电效应；而在压电陶瓷材料外部两端加有电压时，它又会产生伸缩的机械振动，称为逆压电效应。当外部加有交变电压时，它就会产生压缩或伸张的连续变化并产生超声波。这种逆压电效应就是压电式换能器产生超声波的原理。如图5-71所示，当压电材料与40kHz的交变电场相连时，就产生同频率（40kHz）的超声波。这种产生超声波的方式叫电致伸缩。而磁致伸缩换能器是利用某些铁磁体（如纯镰、镰钻合金及铁氧体）材料的磁致效应制成的。用铁磁体作成线圈的铁芯，当高频电流通过线圈时，随着铁芯中磁场强度周期性变化，铁芯长度就作周期性伸缩变化而激发出超声波。这种产生超声波的方法叫磁致伸缩。

图5-71逆压电效应示意图

由于超声波发生器的尺寸可以做得较小，以致单位面积上所发出的超声波功率可以达到较大，一般超声波发生器的电源功率在100W〜10kW之间，而单位面积上发射的超声波功率（输出功率密度）一般可达0.1~1.0W/cm³。例如一种用于清洗小型精密仪器零件、钟表、轴承、电子设备部件以及光学透镜的超声波清洗器，它的容积约为13dm³（长340mm，宽210mm，深195mm），是靠磁致伸缩的铁磁体发生的超声波进行清洗的。

它是输出功率为300W的单槽洗净机。随着超声波清洗器规模的扩大，效率也不断提高。种类也不断增加，除了单槽式清洗机外，还有手提式和附有搬运机械装置等不同形式，也有多槽的超声波清洗机。外形上也发生相应变化，如设计适合长条状清洗对象用的清洗机。超声波发生器在底部位置可以移动或安装在槽侧面等等。

超声波发生器电源技术的发展

从原理上说，超声波清洗设备中核心部分应该是超声波的作用。超声波清洗设备中的超声波部分分为两大部件：一个是超声波换能器（或称超声波振头）；另一个是超声波发生器，超声波换能器是将超声波发生器提供的电信号转换为机械振动，此处只讨论超声波发生器。

超声波发生器（以下简称发生器）实质是一个功率信号发生器，它产生一定频率的正弦（或类似正弦）信号，超声波发生器的发展与电力电子器件发展密切相关，一般可分为电子管、模拟式晶体管、开关式晶体管这几个阶段，下面分别叙述。

1.超声波发生器的原理

超声波发生器的原理用图5-72来说明。

首先由信号发生器来产生一个特定频率的信号，这个信号可以是正弦信号，也可以是脉冲信号，这个特定频率就是换能器的频率，一般在超声波设备中使用到的超声波频率为25kHz、28kHz、35kHz、40kHz，100kHz或以上现在尚未大量使用，但随着以后精密清洗的不断发展，相信使用面会逐步扩大。

图5-72超声波发生器原理

功率放大器可有多种形式，如电子管甲类放大器、甲乙类放大器；晶体管甲类或乙类放大器（均属于模拟式）；晶体管开关式放大器等，功率一般从50W到5000W不等，由信号发生器产生的频率信号经过功率放大器后需经过阻抗匹配，使得输出的阻抗与换能器相符，推动换能器将电信号转换为机械振动。

比较完善的超声波发生器还应有反馈环节，主要提供两个方面的反馈信号：第一个是提供输出功率信号。我们知道当发生器的供电电源发生变化时，发生器的输出功率也会发生变化，这时反映在换能器上就是机械振动忽大忽小，导致清洗效果不稳定。因此需要稳定输出功率，通过功率反馈信号相应调整功率放大器，使得功率放大稳定。第二个是提供频率跟踪信号。当换能器工作在谐振频率点时其效率最高，工作最稳定，而换能器的谐振频率点会由于装配原因和工作老化后改变，当然这种改变的频率只是漂移，变化不是很大，频率跟踪信号可以控制信号发生器，使信号发生器的频率在一定范围内跟踪换能器的谐振频率点，让发生器工作在最佳状态。

当然随着现代电子技术，特别是微处理器（四）及信号处理器（DSP）的发展，发生器的功能越来越强大，但不管如何变化，其核心功能应该是如上所述的内容，只是每部分在实现时技术不同而已。

2.发生器发展的几个阶段

发生器发展可以分为三个大的阶段：第一个阶段是采用电子管放大器；第二个阶段是采用晶体管模拟放大器；第三个阶段是采用晶体管数字（开关）放大器。

（1）电子管放大器

在早期（上世纪80年代前），信号的功率放大还采用电子管。采用电子管的唯一好处是它的动态范围较宽，这个好处对于音频放大器至关重要，但对超声波发生器没有什么用处，因此一旦功率晶体管出现后即遭淘汰。电子管的缺点很多，例如：功耗大、体积大、寿命短、效率低。

（2）晶体管模拟放大器

上世纪80年代到90年代中旬，功率晶体管发展已非常成熟，各种OCL及OTL电路均适用于发生器，它的原理图如图5-73所示。

图5-73晶体管模拟放大器原理图

图片P369页

信号发生器产生一个特定频率的正弦波，经前置放大器进行信号放大，推动功率放大器进行功率放大，再经阻抗变换，提供给换能器，其中VCC、VEE是通过变压、整流、滤波后的直流电源。

但模拟功率放大器有几个缺点：

①功耗较大。由于OTL、OCL电路理论效率只有78%左右，实际效率更低，功耗大，导致功率管发热严重，需要较大的散热功率，功率管的发热导致工作不太稳定。

②体积大、重量重。由于功率管输出的功率受到限制，要输出较大的功率需要更多的功率管，况且发生器所需求的直流电源是通过变压器降压、整流、滤波后得到的，大功率的变压器比较重，效率也比较低。

③不易使用现代的微处理器来处理，由于该电路呈现一个比较典型的模拟线路特征，用数字处理比较复杂，涉及到A/D（模拟转数字）和D/A（数字转模拟），成本比较高，可靠性低。

（3）晶体管开关型放大器

随着电力电子器件的发展，特别是VDMOS管（垂直沟道MOS管，也可称功率场效应管）和IGBT（隔离栅双极晶体管）的发展和成熟，使得采用开关式发生器成为可能，实际上开关型发生器的发展是开关电源的成果之一，下面着重讨论晶体管开关型发生器。

开关型发生器的原理是通过调节开关管的占空比（或导通与截止时间）来控制输出的功率。由于晶体管在截止和饱和导通时的功耗很小，因此这种开关型发生器的特点是：

①功耗低、效率高：开关管在开关瞬时的功耗较大，但时间很短，在截止或导通时的功耗很小，时间较长，因此总的功耗较小，而且基本恒定，最高效率可以达到90%以上。

②体积小、重量轻：由于效率高，功耗低，使得散热要求较低，而且各个开关管可以推动的功率较大，加上直流电源直接变换使用，不需电源变压器降压，因此它的体积较小，重量轻，单位功率所占的体积和重量值较小。

③可靠性好，与微处理器等配合较容易：电子器件在工作时的温升较低，工作就可靠，加上全数字（开关）输出，可用微处理器直接控制。

（4）三种类型发生器主要性能特点

见表5-30。

表5-30三种类型发生器主要性能特点

3.开关型发生器发展的几个过程

开关型发生器的发展其实与开关型电源的发展息息相关，而开关型电源发展又与电力电子开关器件的发展紧密相连，电力电子开关器件的发展过程如下（见表5-31）：

第一种型式是用双极开关晶体管（双极型开关晶体管）作为开关电源的开关管，它的主要缺点是由于双极开关管的上升、下降时延较大，开关频率不能太高（一般在20kHz以下），线路成熟、价格低，在开关电源场合还有很多应用，但在超声波发生器中由于开关频率低，没有太大的应用。

表5-31电力电子开关器件的发展过程

表格P371页

第二种型式是用VDMOS管（垂直沟道MOS管，或称功率MOS管），VDMOS管也有几代的发展，其主要优点是：开关频率高（可达1MHz），驱动简单（电压型驱动），抗击穿性好（没有雪崩效应），缺点是耐高压的器件，导通电阻大，在高压大电流场合功耗较大，因此大功率（1500W以上）有些困难，但随着VDMOS工艺不断改进，输出功率也越来越大，在超声波中可以用于100kHz以上的发生器。

第三种型式是IGBT（隔离栅双极管），是一种MOS与双极管结合的产物，既有MOS管开关频率高，驱动简单等优点，也有双极管导通压降小、耐压高等优点。它的开关频率目前可以在40〜50kHz，功率可以达到5000W，在一般超声波发生器中很少运用，它的价格较高，保护线路要求复杂。它们之间的比较可用表5-32来说明。

表5-32三种型式电力电子开关器件的比较

表格P372页

电力电子器件经历了工频、低频、中频到高频的发展历程，与此相对应，电力电子电路的控制也从最初以相位控制为手段的由分立元件组成的控制电路发展到集成控制器，再到如今的旨在实现高频开关的计算机控制，并向着更高频率、更低损耗和全数字化的方向发展。

模拟控制电路存在控制精度低、动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重、容易老化等缺点。专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路，提高了控制信号的开关频率，只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在。此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活、通用性不强等问题。

用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性。此外，还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现电力电子装置运行的智能化。

超声波发生器应用数字化控制技术一般有三种形式。

（1）采用单片机控制

单片机是一种在一块芯片上集成了CPU、RAM/ROM、定时器/计数器和I/O接口等单元的微控制芯片，具有速度快、功能强、效率高、体积小、性能可靠、抗干扰能力强等优点，在各种控制系统中应用广泛。单片机的CPU经历了由4、8，16、32直至64位的发展过程，主要以美国INTEL公司生产的MCS-51（8位）和MCS-96（16位）两大系列为代表。

在超声波发生器中，单片机主要用作数据采集和运算处理、电压电流调节、PWM信号生成、系统状态监控和故障自我诊断等，一般作为整个电路的主控芯片运行，完成多种综合功能。配合D/A转换器和MOSFET功率模块实现脉宽调制。另外，单片机还具有对过流、过热、欠压等情况的中断保护以及监控功能。

单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷，通过数字化的控制方法，得到高精度和高稳定度的控制特性，并可实现灵活多样的控制功能。但是，单片机的工作频率与控制精度是一对矛盾，而且处理速度也很难满足高频电路的要求，这就使人们不得不转而寻求功能更强的芯片的帮助，于是DSP应运而生。

（2）采用DSP控制

数字信号处理器（DSP）是近年来迅速崛起的新一代可编程处理器，其内部集成了波特率发生器和FIFO缓冲器，提供高速同步串口和标准异步串口，有的片内还集成了釆样/保持和A/D转换电路，并提供PWM信号输出。与单片机相比，DSP具有更快的CPU、更高的集成度和更大容量的存储器。DSP属于精简指令系统计算机（RISC），大多数指令都能在一个周期内完成，并可通过并行处理技术，在一个指令周期内完成多条指令。同时，DSP采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存储程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增加了多级流水线，使其具有高速的数据运算能力。而单片机为复杂指令系统计算机（CISC），多数指令要2~3个指令周期才能完成。单片机采用诺依曼结构，程序和数据在同一空间存储，同一时刻只能单独访问指令或数据。单片机的ALU只能做加法，而乘法则需要由软件来实现，因而需要占用较多的指令周期，速度比较慢。与16位单片机相比，DSP执行单指令的时间快8〜10倍，一次乘法运算时间快16〜30倍。

在超声波发生器中，DSP可以完成除功率变换以外的所有功能，如主电路控制、系统实时监控及保护、系统通信等。虽然DSP有着许多优点，但是它也存在一些局限性，如采样频率的选择、PWM信号频率及其精度采样延时、运算时间及精度等。这些因素会或多或少地影响电路的控制性能。

（3）采用FPGA控制

现场可编程门阵列（FPGA）属于可重构器件，其内部逻辑功能可以根据需要任意设定，具有集成度高、处理速度快、效率高等优点。其结构主要分为三部分：可编程逻辑块、可编程I/O模块、可编程内部连线。由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门多则几万或几十万个等效门。所以，一片FPGA就可以实现非常复杂的逻辑、替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言（VHDL）来对系统进行设计，采用三个层次（行为描述、RTL描述、门级描述）的硬件描述和自上至下（从系统功能描述开始）的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计，在可靠性、体积、成本上具有相当优势。比较而言，DSP适合取样速率低和软件复杂程度高的场合使用；而当系统取样速率高（HHz级）、数据率高（20MB/S以上）、条件操作少、任务比较固定时，FPGA更有优势。

4.几种典型的开关式发生器电路型式

（1）半桥型

原理图如图5-74所示。

半桥型电路比较简单，PWM控制器是一块多功能IC（集成电路），兼作频率发生器及脉宽调制器，还集成一些保护性电路，负反馈电路等。一般采用TL494、IC的输出经过信号驱动后供开关管。两个开关管轮流导通，抗匹配，供换能器使用。功率的调节有两种方式：第一种是调节频率。由于换能器在谐振频率时输出功率最大，其消耗功率也大，因此当调节频率为换能器的谐振频率时，其功率最大，我们可以调偏频率，使换能器偏离谐振频率，换能器的功率也会降低，偏离频率越大，功率降低越大，达到调节功率的目的。另一种方式是固定频率，调节占空比。当开关管导通时间较长时，输出的功率较大，导通时间较小，输出功率变小。

这种形式的电路还可以加上功率负反馈电路，当电源电压变化时可以通过反馈调节占空比，使输出功率稳定。

图5-74半桥型开关式发生器电路

图片P374页

（2）全桥型

原理图如图5-75所示。

全桥型原理基本上与半桥型相似。它是通过一对管同时开关而在负载上得到变频信号。当TA1与TA2导通而TB1、TB2截止时，Tout得到①负②正信号；当TB1、TB2导通而TA1与TA2截止时，Tout得到①正②负信号，如此循环，在Tout①、②得到一个交变的功率信号。

全桥型发生器的功率调节也可分为两种情况，与半桥型相似。

5-75全桥型开关式发生器电路

图片P375页

超声换能器对清洗机质量的影响

超声清洗设备根据清洗对象和生产规模的要求，其组成和结构差别很大，可以是复杂、庞大的设备，也可以是非常简单的结构。这里着重探讨由超声频电源、换能器和清洗槽组成超声波清洗设备的核心部分的质量问题。

1.超声换能器结构的选择

在低超声频段（20〜100kHz），目前工业上绝大多数是采用单螺钉夹紧的夹心式压电换能器（复合换能器），结构上的差别主要在于辐射体（与不锈钢板粘接的铝块）的形状，一种是锥体喇叭；另一种直棒形状。如图5-76a、b所示。

喇叭状换能器的声辐射效率比棒状换能器高，即同样的输入电功率，在清洗槽中得到较大的声功率，而消耗在换能器上的电功率较少，因而换能器的发热也低。当输入换能器的电功率相同时，由于喇叭辐射面的面积比棒状换能器大，所以辐射面的声强较低，与其粘结的不锈钢板表面空化腐蚀小，清洗槽（或浸入式换能器）的寿命延长。所以在一般情况下采用喇叭状换能器较好。

为进一步提高声辐射效率、展宽频带，我国研制出一种半穿孔结构的宽频带超声清洗换能器，如图5-77所示。

这种换能器尤其在较高频段（40kHz以上），其优点更为突出，因为它可以削弱横向振动所带来的不良影响，由于频带较宽，也有利于扫频清洗。

在某些场合，例如清洗较深螺孔时，宜采用高辐射声强的换能器，此时换能器的辐射体常具有尖削聚焦形状，以提高辐射面的声强。这种换能器一般不是粘结在清洗槽上，而是直接插入液体中进行清洗。

图5-76超声换能器的辐射体形状示意图

图5-77半穿孔结构的超声清洗换能器

2.换能器在清洗槽中的分布及粘结问题

目前有些超声清洗机商品，粘在清洗槽底或壁上的换能器分布过密，一个紧挨一个的排列，输入换能器的电功率强度达到2~3W/cm²，这样高的强度一方面会加快不锈钢板表面（与清洗液接触的表面）的空化腐蚀，缩短使用寿命；另一方面由于声强过高，会在钢板表面附近产生大量较大的气泡，增加声传播损失，在远离换能器的地方削弱清洗作用。一般选用功率强度每平方厘米低于1.5W为宜（按粘有换能器的钢板面积计算）。如果清洗槽较深，除槽底粘有换能器外，在槽壁上也应考虑粘结换能器。

换能器与清洗槽的粘结质量对超声清洗机整机的质量影响很大。不但要粘牢，而且要求胶层均匀、不缺胶和不允许有裂缝，使超声能量最大限度地向清洗液中传输，以提高整机效率和清洗效果。目前有些清洗设备为避免换能器从清洗槽上掉下来，采取螺钉加粘胶的固定方式，这种连接方式虽然换能器不会掉下来，但是存在许多隐患。如果螺钉焊接质量差，例如不垂直于不锈钢板表面，则胶层不均匀，套至有裂痕或缺胶，能量传输会削弱；另一方面，如果焊接不好也会影响不锈钢表面的平整，导致加速空化腐蚀，缩短使用寿命。

判断粘结质量的方法之一，是在清洗槽装水并开机工作一段时间后，测量换能器的温升。如果在众多的换能器中某个换能器温升特别快，则表明该换能器可能粘结不好。因为此时声辐射不好，电能量大部分消耗在换能器上而发热。另一个方法是在小信号条件下逐个测量换能器的电阻抗大小来判别粘结质量。

目前在超声波清洗机的性能方面还存在一些模糊的认识：认为功率越大，换能器数目越多，其性能越好，价值越高，甚至以此论价。这种认识是不全面的。如上述，换能器布得过密，功率密度过大，不但清洗效果不好，而且槽底易空化腐蚀。另一方面，目前超声波清洗机商品所标的功率大多是电功率而不是声功率，如果所标是指消耗工频功率，则超声波清洗机质量的优劣应该由效率来判断。如果效率低，在同样清洗效果时则耗电大，反而增加了用户的费用。超声清洗机的效率包括两部分：一是超声频电源的效率，即输入换能器的高频电功率与消耗工频电功率之百分比；另一部分是电声转换效率，即进入清洗液中的声功率与输入换能器的电功率之百分比。目前我国在工业生产中还没有一种简便的方法和设备来测量电声转换效率。各厂家所标的超声波清洗机的功率是含糊不清的，亟须有行业的统一标准。

超声波清洗技术的改进

1.超声波清洗装置的改进

（1）汇聚增强超声波清洗装置：用一截面积为多边形的管或圆管代替通常的超声波清洗槽，在管的外周面上安装许多超声换能器，在管中充满清洗液，这样各个换能器辐射的声能量都可汇聚到管子的中心线上，并可得到比一般超声波清洗槽高十几倍的声强，因而能大大提高清洗速度。如一种这样的装置，管长19cm，内径7.5cm，把总功率为1kW的多个镰磁致伸的伸缩换能器焊接在管的外周面上，使用时在管中心线上可以得到16W/cm²的声强。用于冷拔钢丝、铜线等线材的清洗，清洗速度高，线材不需弯曲变形，即可连续进行超声清洗。

（2）棒状超声波清洗器其换能器与一棒状变幅杆连接，在变幅杆的辐射端面可得到较大声强，一些难清洗的深盲孔、深螺孔可以用这种专用超声清洗工具进行清洗，清洗时向孔中流满清洗液，在声空化及辐射压力的作用下孔中的清洗液被剧烈搅拌，脱离清洗件表面的污物能很快被去除。用这种设备清洗深螺孔特别有效。

2.超声波频率的改变

在许多高技术产品的生产过程中需要清除粒径小于微米的污垢粒子，例如大规模集成电路硅片、硬磁盘和光刻掩蔽膜的清洗等。此时用低频超声波清洗不但没有效果而且易损伤产品，如采用700kHz〜1MHz的超声波（波长在µm级）进行清洗可以使附着在表面上的微小污粒脱离。这类高频超声波不产生空穴而具有更高的能量，它的清洗能力主要依靠声波传递的能量引起媒液剧烈的振动，使污垢在巨大能量的作用下解离分散。因此，这种兆赫超声波的清洗不是利用超声波的空化作用，而且依靠超声波产生的声速梯度、粒子速度及声流作用配合清洗液的化学作用使细小颗粒脱离被清洗物表面的。利用兆赫超声波清洗具有不损伤清洗物体表面，可去除粒径在0.15µm的微小污垢的特点。

（1）清洗对象

微电子、计算机制造过程中的清洗对象，如集成电路芯片、光掩膜、硅片、薄膜、磁盘、驱动器、读写头、液晶玻璃及平面显示器；微组件和抛光金属件：用于医学和宇航方面的精细零部件等。这些对象要求在清洗过程中不能受到任何微小的损伤，要能洗掉微米、亚微米的微小污物，这就要求在声参数方面有特殊的考虑。

（2）扫频清洗

为改善清洗槽中的声场分布，避免驻波场中存在最小声压值，低频超声清洗设备中有时也采用扫频工作方式。而精细超声清洗则用高一些的中心频率，例如100kHz以上作扫频清洗。这种工作方式有缺点，因为换能器有一定的带宽，在换能器的共振频率上（即中心频率）输出功率大，当作上下扫频时，输出功率减少，因而在清洗槽中的声功率是脉冲形状，脉冲的重复频率为扫频速率的两倍。这种固定重复的能量脉冲可能引起清洗槽中某些清洗件的共振而导致损坏。因此，为避免共振，曾采用扫频速率变化的方式。

图5-78是另一种扫频方式。扫频时是单调地由高向低频扫，这样会在清洗槽中产生一种"恒膨胀波"（ever-expanding），这种波会产生一向上力作用于污物，使污物浮上液面，如果清洗槽采用溢流方式，污物会不断溢离，避免重新沉积在零件表面。

图5-78扫频清洗频率变化示意图

图片P278页

（3）多频工作方式

这种工作方式的应用已近40年的历史。我们知道，工作频率高时，在液体中的空化强度低而空化密度高；低频工作则相反，空化强度高而密度低。空化强度过高则易损坏清洗件。空化密度高，穿达微细结构好，所以精细清洗一般选取较高的频率，由于对清洗件的不同部位所需要的空化强度和密度可能不同，因而设计出多频同时作用的超声清洗设备。

①第一类：在一个清洗槽中安装有两个以上的换能器阵，每个阵以不同频率工作，分别用不同电源在不同频率上驱动。这类设备始于上世纪50年代末，到上世纪70年代美国Branson公司曾设计一种在槽底安装一组工作在25kHz的换能器，另一组安装在槽壁上而工作在40kHzo这类设备没有得到应用。到上世纪90年代AmerimadeTechnologySoldSystems公司做了一种槽壁，不是平行而是带有夹角，将两组换能器分别安装在两壁上，其中一组换能器以中心频率为72kHz进行扫频；另一组为104kHz也进行扫频，这类设备在软盘清洗方面得到大量应用。

②第二类：用一组换能器同时产生多个频率的超声清洗设备。换能器阵的特点是具有丰富的谐频。当用一脉冲或方波电源激励换能器时，即可在清洗槽中同时产生多频超声。美国Crest公司曾生产这类产品。

③第三类：最近国外开发一种新的多频超声清洗设备。只用一组换能器，用一个超声频电源驱动，其工作特点是：在某一时间内，在换能器某一段带宽中作连续的频率变化，然后跳到另一段带宽范围内进行扫频清洗。特点是对具有不同尺寸及污物类型的零部件都能清洗。在低频时，例如40kHz让其清洗时间缩短，这样去污力强而不至于损坏零件。因为其工作频率范围宽，故适合于各种零部件及使用各种化学清洗剂的清洗。

（4）兆赫级超声清洗

某些对于污物极敏感而又易损坏的零件的清洗，采用更高的频率效果更好。兆赫超声清洗是指工作频率在700kHz〜MHz范围的超声清洗。其清洗机理一般认为主要是由于声压梯度、粒子速度及声流的作用，而空化效应是次要的，因此对零件表面不会损伤，但可除去附着在零件表面的亚微米大小的颗粒污物。其特点是清洗方向性强，一般零件表面置于与声束平行的方向。

换能器阵曾采用厚度共振的压电晶片，在一个平面内排成阵列。高频电源能对阵中每一个晶片进行自动调谐，以提高效率及工作的稳定性。激励源如果釆用脉冲工作方式，清洗效果会更好。国外在半导体工业中的生产线上已有这类产品。在直径为100〜300mm硅片的清洗过程中，能除去硅片表面小到0.15mm的微小颗粒污物，清除率接近百分之百。在漂洗工艺中可加快漂洗过程，并能有效地阻止粒子重新附着在硅片表面上。

（5）超声能量计

在微电子、半导体等高技术产品的精细清洗过程中，控制在清洗槽中的声能水平是很重要的一环。过高的能量会损坏清洗元件，过低则达不到洗净目的。美国ppb公司自1996年开始生产超声能量计并用于超声清洗过程的控制。

①原理

釆用压电晶体接收声能，压电接收器的频率响应在20kHz到几MHz范围内是平直的，输出信号为各个谐波的叠加，然后求出复杂波形的有效值（RMS值），此值用DC输出作数码显示，不是求平均值。

②结构

探头是一种半球形的外壳，材料是乙烯及丙烯（EPDM），窗口透镜用石英做成。在半球壳的45°方向上装有管子，管子材料用316不锈钢，外径6.35mm，508mm长，外包Teflon材料。有接头可与手提仪表连接，也可以直接装在清洗槽的面板上。

③校准

在美国海军水声校准系统中进行标定标准探头，然后专门制造带有一个40kHz换能器的清洗槽，探头精确固定在槽中的固定位置，将测量探头与标准探头比较，标定读数。

④应用

a.衡量清洗槽中的超声能量密度（W/m²）。因为即使输入换能器的功率不变，但是由于清洗液的蒸气压及化学成分的改变，其空化能量会变化，用此仪器测量的能量包括空化能量。

b.设定清洗槽中的能量水平。

c.在不同超声清洗槽之间建立相同的能量水平。

d.测量检查超声清洗槽中的能量分布。

e.可在超声清洗槽中某一固定位置测量能量的平均值、最小值、最大值及标准偏差，在LCD显RMS值（W/m²），所有数据可以贮存在100个记忆单元中，然后输出到PC机中处理，可显示频率。

3.节水型超声波清洗设备

近年来，随着人们环保意识的提高，在LCD制造工厂，降低清洗设备使用的药液、纯水、排气等的用量及降低废液、废水处理负荷已经成了最大的课题。日本海上株式会社致力于该课题的研究，开发出节水型超声波清洗设备。该设备具有以下优点：

a.纯水使用量大幅节减（与本社以往设备比约1/3程度）

b.省设备支撑（与本社以往设备比约1/3程度）

C.采用机能水后，无药液清洗过程，使废水处理负荷大幅降低。

（1）含氢水超声波淋浴清洗

含氢水超声波就是在超声波振四周，对液体实行控制，使其仅用以往超声波设备的1/10程度的清洗液就能达到同等以上的清洗效果。

图5-79所示，清洗液在被清洗物（玻璃基板）和超声波振子间数毫米空隙内流动，形成液膜。然后通过超声波作用，使被清洗物表面的异物被剥离。同时，由于清洗液能够快速排出，自然预防了污垢的再附着。

图5-79含氢水超声波淋浴基本结构图

图片P380页

（2）机能水的应用

日本机能水学会于2002年9月13日成立，该学会在“日本机能水学会的概要"中，给出的机能水定义为：机能水是指在经过人为处理获得的具再现性有用机能的水溶液中，那些在处理与技能方面被明确了科学依据的水、机能水以电解水为主。

图5-80含氢水兆声波清洗效果（203.2mm硅片自旋清洗）

图片P380页

目前，LCD洗净领域，除了纯水外，多采用药液或清洗剂。但是，考虑到环保问题，今后药液的使用可能要受到严格限制。最近，作为代替药液的清洗液，机能水受到了瞩目。尤其是含氢水与超声波组合的清洗方法，更是大幅度提高了清洗能力。图5-80的实验结果表明：若使用含氢水，清洗能力可提高约10%。加上因未使用药液，又有了不需要排水处理这个优点。

（3）节水型清洗设备

节水型清洗设备通过含氢水与超声波组合使用，另外采用UV处理作为前处理，从而实现了设备的小型化，降低了纯水使用量和废液废水处理负荷。该设备见图5-81。

图5-81节水型超声波清洗设备

图片P381页

（4）与以往设备的比较

从表5-33可以看出设备大小和纯水使用量与以往设备比约为1/3。由于设备的小型化，使清洗室内的设计自由度和流水线构成比较容易。

表5-33设备比较