194467. lajstromszámú szabadalom • Nagyfrekvenciás többhullámú ultrahangátalakító és eljárás annak előállítására
1 194.467 2 A találmány tárgya nagyfrekvenciás tömbhullámú ultrahangkeltő szerkezet, pl. akusztooptíkai eszközökhöz és eljárás annak előállítására. A szélessávú, nagyfrekvenciás akusztikus eszközök készítésének a leglényegesebb fázisa az ultrahangkeltő megfelelő kialakítása. Az ultrahangkeltő elektromosan rezgésbe hozható rezgőelemet és rezgésközvetítő réteget tartalmaz. A rezgésközvetítő réteg a rezgésbe hozható elem és a rezgést vivő, transzmissziós közeg közötti mechanikus, akusztikus és termikus kapcsolatot hoz létre. A rezgést közvetítő rétegnek a következő feltételeket kell kielégítenie: — a rezgő elem sávszélességét ne korlátozza; — a benne fellépő ultrahang abszorpció kicsi legyen az üzemi frekvenciasávban; — alacsony hőmérsékleten létrehozható legyen; — mechanikailag szilárd kötést hozzon létre a rezgő elem és a rezgést vivő, transzmissziós közeg között; — egyszerű berendezéssel és eljárással létrehozható legyen. A szakirodalomban különféle eljárásokat találunk a fenti követelmények kielégítésére nagyfrekvenciás (10®-1Ö10 Hz) eszközöknél. Az általánosan ismert ultrahangkdtő szerkezet egy rezgésbe hozható (rezgőelem) és egy rezgést vivő, transzmissziós közegből áll. A két közeg között van a rezgőelem -piezoelektromos lapka - rezgésbe hozásához szükséges alsó fémelektróda, míg a másik fémelektróda a piezoelektromos lapka másik oldalán van. Az ultrahangkeltő meghajtása a két fémelektródára kapcsolt nagyfrekvenciás feszültséggel történik. Az így kialakított ultrahangkeltő átviteli frekvenciatartományát alapvetően lekorlátozzák az elektromos és az akusztikus illesztétlenségből eredő reflexiók. Az elektromos illesztetlenséget a meghajtó elektronika és az ultrahangkeltő elektromos impedanciájának eltérése okozza. Az akusztikus illesztetlenséget a piezoelektromos lapka a kontaktus fémréteg és az ultrahangot vivő transzmissziós közeg akusztikus impedanciájának eltérése okozza. Az akusztikus illesztetlenségből a két határrétegen jelentős akusztikus hullámreflexió lép fel. Ez a reflexió a piezoelektromos lapkán visszaalakulva ismét mint reflektált elektromos teljesítmény jelenik meg. A sávszélesség növelésére ismert egyik eljárásnál az elrendezést úgy alakítják ki, hogy az átviteli sáv közepén ne lépjen fel akusztikus hullámreflexió. Ezt úgy érik el, hogy a rezgésbe hozható piezoelektromos lapka és a rezgést vivő transzmissziós közeg közé olyan fémkontaktus réteget alakítanak ki, melynek akusztikus impedanciája az említett két közeg akusztikus impedanciája közé esik. Ezen kontaktusréteg vastagságát X/4 választják, ahol X a sávközépen mérhető ultrahang hullámhossza. Ennél az eljárásnál az ultrahangkeltő még kiegészül egy kötőréteggel, ami a két közeget (struktúrát) mechanikailag Összekapcsolja. Ezek után a meghajtó elektronika (generátor) kimeneti impedanciáját és az ultrahangkeltő elektromos impedanciáját egyenlőnek választva az elektromos illesztetlenség is megszüntethető. Az ultrahangkeltő elektromos impedanciájának fő összetevője a kapacitás. Az így elérhető sávszélesség nagysága ideális esetben egy oktáv. Az ilyen szerkezetű ultrahangkeltő elkészítésére alapvetően két különböző eljárás ismert. Az egyik ismert eljárás fémes kötést alkalmaz. Ennél mind a piezoelektromos lapkát (közeget), mind a rezgést vivő, transzmissziós közeget megfelelő vastagságú fémréteggel látják el. A fémezés vákuumtechnikai réteg felvitellel történik. Ezután a két közeget a fémezéseknél összeillesztve, termokompresszióval, ultrahanggal, vagy igen nagy nyomással kötik össze, ahol külön problémát jelent a X/4 rezgést közvetítő akusztikus transzformátor rétegvastagságának betartása. Ezeknek az ultrahangkeltőknek alapvető jellemzőjük az, hogy a piezoelektromos közeg és az ultrahang továbbító közeg között több különböző fémréteget alakítanak ki. Ezek közül az egyik nélkülözhetetlen réteg az akusztikus transzformátor réteg, amely egyben az egyik elektróda, a másik ilyen réteg a kötőréteg és ezenkívül a tapadás elősegítésére további rétegek alkalmazására is sor kerülhet. A tapadást elősegítő rétegekkel szemben támasztott követelmény az, hogy azok akusztikusán vékonyak legyenek. Az ilyen módon létrehozott ultrahangkeltők előnye az, hogy mechanikailag stabil szerkezetűek és az ultrahang továbbítás szempontjából maximális hatásfokúak. Ezen előnyök csak akkor érhetők cl, ha az akusztikus transzformátor réteg vastagsága X/4, tehát az illesztés pontos és az összes többi tapadás elősegítő kötőrétegek akusztikusán vékonyak, vagyis az ultrahangkeltőn belül akusztikus reflexiók nem lépnek fel. Hátrányuk abban rejlik, hogy vákuumban mindkét közegre több réteget kell felvinni, egymás után olymódon, hogy valamennyi réteg akusztikusán vékony legyen. Ezenkívül a kötést ugyancsak vákuumban kell létrehozni, ami jelentősen bonyolulttá teszi a gyártást. A kötőrétegeknek általában nemesfémeket is alkalmaznak, ami jelentősen megdrágítja az eszköz előállítását. Az előbbiekben ismertetett két ismert eljárás legfőbb hátránya a következőkben foglalható össze : A X/4 transzformátor rétegvastagság a gyakorlatban 5-20 pm-t jelent, anyagtól és frekvenciától függően. Ezt a rétegvastagságot szokványos vákuumtechnikai módszerekkel nehezen lehet megvalósítani. A fémes kötés létrehozásakor a szerkezetet erős mechanikai és hőmérsékleti igénybevételnek teszik ki, aminek következtében a transzformátor rétegvastagságának megtartása további problémát jelent. Bár ez körülményesen megoldható ugyan, de egyben további közbülső rétegek kialakítását igényli. A kötés másik megvalósítása úgy történik, hogy X/4 vastag fémréteggel bevont transzmissziós közegre ráragasztják a felső elektródával már ellátott piezoelektromos közeget. Ennek hátránya azonkívül, hogy ilyen vékony réteget vákuumtechnikai úton nehéz megvalósitani, hogy a dielektrikum ragasztóréteg sem akusztikusán, sem elektromosan nem elhanyagolható, ami szintén az átviteli frekvenciasáv korlátozását eredményezi. Ez utóbbi jelentős hátránya miatt kevésbé elterjedt az alkalmazása, mint a fémes kötéseké. Egy további alapvető sávszélesség növelő eljárást úgy valósítanak meg, hogy az ultrahangkeltő eszköz elektromos Impedanciáját felvéve, az eszközt elektromosan széles sávon illesztik a meghajtó elektronikához (generátorhoz), ami egy bonyolult áramkört jelent és a X/4-es transzformációval elérhető sávszélességet csak aktív erősítő elemek alkalmazásával lehet elérni. A találmánnyal célunk az előzőekben vázolt valamennyi nehézség egyidejű kiküszöbölése és olyan nagyfrekvenciás szélessávú ultrahangátalakitó kiala5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2
