Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние и тенденции развития конструкций и технологии производства пьезоэлектрических преобразователей 6
1.1. Конструктивно-технологические особенности пьезокерамических преобразователей - 6
1.2. Особенности технологии изготовления пьезоэлектрических преобразователей 18
1.3. Анализ процессов поглощения и рассеивания ультразвуковых колебаний в элементах конструкции ПЭП - 27
1.4. Измерение параметров ультразвука в конструктивных элементах ПЭП и в объектах ультразвукового воздействия - 36
1.5. Конструкторско-технологические принципы разработки и изготовления демпферов ПЭП
1.6. Выводы по первой главе 51
1.7. Постановка задач исследования 52
ГЛАВА 2. Аналитическое обоснование конструкторско-технологических характеристик пьезоэлектрических преобразователей 54
2.1. Разработка математической модели ПЭП с учетом их конструкторско-технологических характеристик - 54
2.2. Разработка программного обеспечения для моделирования работы ПЭП с варьируемыми конструкторско-технологическими параметрами 64
2.3. Анализ конструктивно-технологических и рецептурных характеристик элементов ПЭП изготавливаемых из фунционально-композиционных материалов - 78
2.4. Выводы по второй главе 82
ГЛАВА 3. Методика экспериментальных исследований и обсуждение полученных результатов 84
3.1. Разработка функционально-композиционных материалов с задаваемыми свойствами на основании экспериментальных исследований 84
3.2. Создание матричного ультразвукового терапевтического излучателя на основе разработки технологии его сборки 109
3.3. Выводы по третьей главе 120
ГЛАВА 4. Разработка технологических процессов изготовления элементов и сборки пэп с применением разработанных материалов 122
4.1. Конструкции матричных ультразвуковых терапевтическихизлучателей (МУТИ) 122
4.2. Технологические процессы изготовления матричных ультразвуковых терапевтических излучателей (МУТИ) - 130
4.3. Новая конструкция пьезоэлектрического преобразователя диагностического зонда 149
4.4. Технологический процесс сборки пьезоэлектрического преобразователя - 154
4.5. Контроль эксплуатационных параметров изготовленного пьезоэлектрического преобразователя 161
4.6. Выводы по четвертой главе 165
Выводы 166
Список литературы
- Особенности технологии изготовления пьезоэлектрических преобразователей
- Разработка программного обеспечения для моделирования работы ПЭП с варьируемыми конструкторско-технологическими параметрами
- Создание матричного ультразвукового терапевтического излучателя на основе разработки технологии его сборки
- Технологические процессы изготовления матричных ультразвуковых терапевтических излучателей (МУТИ) -
Введение к работе
В современном приборостроении широкое распространение получили изделия на основе пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП). В настоящее время объемы выпуска таких изделий стабильно возрастают. Одновременно улучшаются эксплуатационные характеристики изделий на основе ПЭП: Снижается мертвая зона (МЗ), уменьшаются шумы, возрастает разрешающая способность (PC), увеличивается мощность излучения ПЭП непрерывного действия при снижении мощности излучения ПЭП, работающих в импульсном режиме.
Основными областями применения изделий на основе ПЭП являются ультразвуковая очистка (ПЭП непрерывного излучения), ультразвуковая дефектоскопия как разновидность неразрушающего контроля (импульсные ПЭП), а также диагностика (импульсные ПЭП) и терапия (ПЭП непрерывного излучения) в современной медицине. Если в области ультразвуковой дефектоскопии металлов имеется существенный научный задел, то разработке конструкций и технологии изготовления ПЭП для неразрушающего контроля (НК) композиционных материалов, ультразвуковой очистки сложнопрофиль-ных полостей, а также ПЭП для медицинской техники уделяется значительно меньше внимания.
В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются зонды для одномерной ультразвуковой диагностики, а также ультразвуковые излучатели непрерывного воздействия.
Конструкции и технологические процессы производства этих изделий требуют существенных изменений. В частности, в рамках выполненной работы конструкции ультразвуковых зондов импульсного излучения (НК композиционных материалов, медицинская диагностика) изменены на основе применения новых материалов с обеспечением повышения эксплуатационных характеристик зондов.
Существующие конструкции ультразвуковых излучателей непрерывно-
го действия (ультразвуковая очистка сложнопрофильных полостей, терапия) должны быть изменены с тем, чтобы обеспечивать возможность варьирования параметрами поля воздействия ультразвука на обрабатываемую поверхность или на биоткань. В частности имеется насущная потребность в технологических и терапевтических излучателях матричной конструкции.
Целью настоящей работы является повышение показателей качества пьезоэлектрических преобразователей путем совершенствования технологических процессов изготовления и сборки элементов конструкций, включающих разрабатываемые функционально композиционные материалы.
Научная новизна работы заключается в следующем: установлена взаи
мосвязь между основными эксплуатационными характеристиками, обеспечи
ваемыми пьезоэлектрическими преобразователями (мертвая зона, разре
шающая способность, динамический диапазон, мощность излучения) и тех
нологическими процессами получения функционально-композиционных ма
териалов, изготовления и сборки из них элементов пьезоэлектрических пре
образователей на основе разработки математической модели работы пьезо
электрического преобразователя, включающей конструктивно-
технологические параметры элементов ПЭП, изготавливаемых с применени
ем разрабатываемых функционально- композиционных материалов.
В результате выполненной работы разработана математическая модель ультразвуковых датчиков, позволяющая определять требуемые акустические свойства конструктивных элементов преобразователя, изготовленных из функционально композиционных материалов; разработаны методики определения параметров пьезоэлектрических преобразователей (мертвая зона, динамический диапазон, разрешающая способность) по конструктивно-технологическим характеристикам элементов ПЭП; разработаны и внедрены в производство технологические процессы изготовления диагностических и терапевтических ультразвуковых преобразователей и датчиков контроля композиционных материалов.
Особенности технологии изготовления пьезоэлектрических преобразователей
В конструкции совмещенных преобразователей предусматривается наличие нескольких обязательных элементов: ПЭ, демпфера, протектора и кор 19 пуса [34, 40]. Поэтому технология изготовления совмещенных преобразователей включает технологию получения каждого элемента и их соединения между собой [63]. Как правило, при изготовлении, корпусов пьезопреобразо-вателей добиваются их внешней эстетичности, высокой производительности труда, малой стоимости. Для электрического экранирования корпус ПЭП изготовляется из металла или диэлектрика (с металлизацией изнутри). Вначале собирают резонатор, включающий в себя ПЭ, демпфер, и протектор и закрепляют его в корпусе с помощью заливки подходящим компаундом [63]. Для этого припаивают электрические провода, подводящие электрический потенциал к ПЭ (или снимающие его). После установки в корпус провода выводят на разъем, а при его отсутствии припаивают к электрическому кабелю, идущему к электронному прибору, кабель фиксируют в корпусе.
Основным элементом преобразователя является пьезоэлемент, который осуществляет преобразование электрической энергии в упругую, и наоборот. Геометрические размеры пьезоэлемента в серийных преобразователях определяются частотой УЗ колебаний, необходимой для решения той или другой дефектоскопической задачи [23].
Важную, роль в обеспечении нормальной работы пьезоэлемента играют металлические электроды, покрывающие его поверхности. В качестве материала электродов на пьезокерамических пластинах в основном используют серебро и никель, дающие хорошую адгезию с пьезокерамикой и, как следствие, прочность пайки, стабильность работы и т.д. Соотношение между размерами площадей поверхности пьезопластины, покрытых электродами и свободных от них, оказывает существенное влияние при прочих равных условиях на добротность пьезоэлемента и характеристики акустического поля в объекте, т.е. влияет на выявление неоднородностей [1, 45, 46].
Часто электроды на поверхностях пьезоэлементов делают не сплошными, а секционированными, чем достигается разделение сплошного пьезоэле 20 мента на излучающие (принимающие) участки. Электрические соединения электродов выполняют различными способами [83].
Сборку резонатора начинают с подготовки пьезоэлементов. В основном используют пьезоэлементы, выпускаемые серийно на специализированных предприятиях, тем более, что к настоящему времени освоена довольно широкая номенклатура пьезоэлементов по толщине и поперечным размерам [36, 105]. В состоянии поставки пьезоэлементы поляризованы и покрыты электродами. Однако требования, предъявляемые к контролю тех или других изделий, иногда вызывают необходимость доработки выпускаемых серийных пьезоэлементов в лабораторных условиях.
Если необходимо уменьшить толщину пластины или обеспечить плоско - параллельность клиновидной пластины (такие пластины иногда встречаются в партии), то её шлифуют на чугунной доводочной плите. В качестве абразивного материала применяют карбид бора; плиту смачивают водой. Для обеспечения параллельности поверхностей несколько пластин приклеивают к плоской оправке смесью воска и канифоли [16, 54].
Электроды на поверхность пьезокерамики наносят вжиганием [59]. Для этого пластину моют в растворе соды или в спирте, затем сушат при температуре 600 С в течении 2 ч. Серебряную пасту наносят на поверхность кисточкой очень тонким слоем. Пасте дают высохнуть при температуре 60-80С. Затем пластину обжигают в муфельной печи в течение 2 ч и охлаждают вместе с печью. Далее наносят второй слой пасты тем же способом. Если нагрев пластины нежелателен, то её покрывают коллоидным серебром без обжига, но такие электроды соединяются с керамикой менее прочно. Кварцевые пластины серебрят напылением в вакууме [59].
Исследования структуры серебряных электродов пьезопластин из ЦТС-19, выпускаемых серийно, показали, что они имеют достаточно сложное строение и представляют собой тонкий пористый слой сплава серебра, свинца и висмута, покрытый с обеих сторон рыхлым, зернистым слоем окиси дисперсного серебра [19]. Размеры частиц дисперсного серебра с внешней стороны ПЭ в несколько раз меньше микрополостей пористого слоя. Это затрудняет вход клеящего компаунда в микропоры. Поэтому зернистый слой серебряного покрытия рекомендуется удалять доводкой пьезоэлемента специальным высокопористым абразивным инструментом [65].
Разработка программного обеспечения для моделирования работы ПЭП с варьируемыми конструкторско-технологическими параметрами
Фронтальная часть ультразвукового зонда представлена в виде матрицы N/, которая состоит из нескольких матриц: N,=NnN12NnNl0N9, (2.21) где Np описывает переднюю половинку пьезокерамической пластины; Nw и NJJ описывают первый и второй согласующие слои; N12 описывает акустическую среду между зондом и препятствием, a Nu - само препятствие. Каждая из матриц N9 - Ni3 описывается, как и матрица Ns, формулами, аналогичными формуле (2.15) для соответствующих проводящих линий. При этом в качестве импедансов и коэффициентов затухания принимают акустические импе-дансы и коэффициенты затухания ультразвука для соответствующих сред, а в качестве длин линий - половину толщины пьезокерамической пластины, толщины двух согласующих слоев (три эти толщины являются четвертьволновыми), расстояние от зонда до препятствия и толщину самого препятствия. Полная матрица зонда Nt ,таким образом, приобретает вид: t f em (2.22)
Если принять, что электрический импеданс выходного порта электронного блока составляет Ze , а акустический импеданс среды за препятствием равен Z/, то получаем следующее уравнение рассматриваемого зонда как одного сложного четырехполюсника:
Передаточная функция для принятого сигнала, пришедшего на электрический порт после отражения от всех границ раздела сред, теперь может быть записана по аналогии со случаем, рассмотренным в работе [112]: AZ 2 Я )=- -J. (2.24)
Если теперь подставить р =ja , то выражение (2.24), будучи умноженным на спектр импульса возбуждения (этот спектр получают разложением импульса возбуждения в ряд Фурье), дает спектр принятого эхо-сигнала. Для анализа конструктивно-технологических особенностей ПЭП достаточно рассматривать импульсное возбуждение в виде прямоугольного короткого сигнала, хотя в реальных приборах импульс возбуждения имеет более сложную форму - короткий нарастающий сигнал с отвесным задним фронтом. Иметь спектр принятого сигнала - значит иметь амплитудно-частотную и фазово-частотную его характеристики. А это значит, что, применив Фурье-преобразование, можно получить временную развертку сигнала. По этой развертке можно судить о влиянии физико-механических свойств применяемых материалов, в частности функционально-композиционных материалов, на показатели качества ПЭП и, таким образом, осуществлять оптимизацию этих свойств. Дальнейшая разработка таких функционально-композиционных материалов сводится к созданию материалов с заранее заданными свойствами.
Пакет программ UZP был разработан для анализа конструкторско -технологических факторов, влияющих на эксплуатационные параметры УЗ -зондов и основан на использовании электрических аналогий при расчете передаточной функции зонда. Особенность заложенной в основу пакета математической модели - это учет совокупности электромеханических факторов при проведении машинного моделирования процесса сканирования в биоло гических тканях, а именно: выходного импеданса и индуктивности электрического генератора; амплитуды и длительности возбуждающего импульса; электрических параметров соединительного кабеля; коэффициента трансформации согласующего трансформатора: диэлектрической постоянной и коэффициента электромеханической связи пьезокерамической пластины: геометрических (диаметра, толщины) и акустических (скорости звука, акустического импеданса) параметров пьезокерамической пластины и согласующих четвертьволновых слоев и демпфирующего элемента, причем при анализе этого элемента учитывается, что он может состоять из нескольких слоев (до трех слоев), а также учитывается интенсивность затухания в нем ультразвуковых колебаний. Кроме того, расчет ведется для зонда, работающего на заданной акустической нагрузке (фронтальной и тыльной). При этом фронтальной нагрузкой служит биоткань и две промежуточных акустических среды, а тыльной - материал втулки акустической развязки. В результате расчета определяются комплексные амплитудно - частотные передаточные функции для выходного акустического и принятого отраженного электрического сигналов, а также эквивалентный электрический импеданс УЗ - зонда. Возможно провести анализ принятого сигнала во временной области при помощи прямого Фурье-преобразования возбуждающего электрического сигнала, расчета спектра принятого сигнала и обратного Фурье - преобразования этого сигнала.
После запуска программы на экране появится изображение, аналогичное показанном на рис. 2.7.
Экран программы можно разделить на две части: верхнее меню и рабочее поле. На рабочем поле в процессе работы программы отображаются различные диалоговые окна
Создание матричного ультразвукового терапевтического излучателя на основе разработки технологии его сборки
Наиболее естественным техническим решением, обеспечивающим конструктивную целостность устройства, является наличие корпуса из полимерного материала, к которому изнутри приклеены пьезоэлементы (ПЭ).
Схематично матричный ультразвуковой терапевтический излучатель содержит передний и задний обтекатели, корпус, в котором расположены пьезоэлемены, и трубку, через которую проходят коммутирующие провода. Для опытных образцов излучателей применены следующие материалы: обтекатели и корпус изготовлены из оргстекла, трубка - из коррозионно-стойкой стали. Соединения осуществлены склеиванием эпоксидной смолой. Все поверхности, контактирующие с биотканью, отполированы. Корпус излучатели имеет овальную форму: наибольший размер овала 20 мм, наименьший - 12 мм. Общая длина корпуса и двух обтекателей 65 мм. Корпус имеет трубчатую конструкции и заполнен специальным композиционным материалом [61].
Источником ультразвуковых колебаний являются восемь пьезоэлемен-тов, которые в соответствии с анатомическим строением предстательной железы расположены в два ряда по четыре в двух плоскостях, образующих угол 150 градусов. Пьезокерамические элементы имеют форму, близкую к прямоугольной. Элементы изготавливаются из круглой пластины диаметром 8,5 мм путем шлифования лысок с двух противоположных сторон, так чтобы расстояние между ними было 5,5 мм. Рабочая частота ультразвуковых колебаний/ 0,88 МГц.
К каждому пьезоэлементу со стороны корпуса излучателя (тыльная сторона элемента) подпаян коммутирующий проводник. С противоположной (лицевой) стороны к расположенным по четыре в ряд пьезоэлементам наклеены контактолом металлические пластины, которые имеют четвертьволновую толщину и обеспечивают заземление лицевых электродов пьезоэле-ментов. Вторым четвертьволновым слоем является стенка пластмассового корпуса, к которой изнутри приклеены металлические пластины. Конструктивная целостность излучателя обеспечивается вклеенной в корпус трубкой, через которую проложены коммутирующие и заземляющие провода, а также наклеенными передним и задним обтекателями.
Отличительная особенность излучателя заключается в заполнении полости корпуса специальным функциональным композиционным материалом, обеспечивающим сильное затухание ультразвуковых волн, создаваемых тыльными сторонами пьезоэлементов и распространяющихся в направлениях, отличающихся от терапевтически эффективных. Указанный композиционный материал представляет собой полые стеклянные микросферы, связанные между собой кремнийорганическим герметиком ВИКСИНТ. Этот состав будем называть композитом ВМС. Для этого материала коэффициент затухания продольных ультразвуковых излучений на рабочей частоте /= 0,88 МГц равен 50 дБ/мм.
Необходимость применения такого материала обусловлена тем, что воздействие ультразвука на биоткани, расположенные с тыльной и боковых сторон излучателя, следует исключить. Наряду с рассеянием и поглощением распространяющейся в композиционном материале продольной ультразвуковой волны, указанная конструкция обеспечивает затухание поверхностных и изгибных волн по следующей схеме. Толщинные колебания пьезоэлементов возбуждают в корпусе излучателя (он имеет трубчатую форму) изгибные и поверхностные волны, которые охватывают всю поверхность корпуса. При отсутствии в полости корпуса композиционного материала эти волны, обладая значительной энергией, воздействуют на прилегающую биоткань. В конструкции излучателя предусмотрено наличие акустического контакта между корпусом и композиционным материалом. За счет этого часть энергии по верхностных и изгибных волн переходит из корпуса излучателя в композиционный материал, что и обеспечивает гашение этих волн.
Для этой конструкции принципиально важным элементом является корпус 4 (см. рис. 3.8), который имеет в поперечном сечении овальную форму. Такая форма корпуса может оказаться вполне технологичной в условиях серийного производства излучателей (желательно - крупносерийное производство). В этом случае корпус должен изготавливаться из термопластичного полимерного материала, удовлетворяющего требованиям медицинской промышленности по биосовместимости как материал, контактирующий с биотканью. В качестве такого материала может быть использован полипропилен. Формообразование корпуса 4 в этом случае производится способом литья пластмасс под давлением. Критерием эффективности такого технического решения является окупаемость соответствующей пресс-формы.
В условиях единичного производства корпус 4 приходится изготавливать методами обработки материалов резанием. Материалом корпуса в этом случае может быть блочный полиметилметакрилат (оргстекло). Технологический процесс изготовления такого корпуса описывается ниже.
Корпус 4 содержит два продольных паза шириной 5,5 мм, в которые вклеены пьезокерамические пластины 3 - по четыре ПЭ в каждый паз. При этом наружный (обращенный к контактируемой биоткани) электрод ПЭ должен быть заземлен. Поэтому ПЭ соединен с корпусом через промежуточный слой, представляющий собой латунную или медную фольгу.
На ПЭ подаются сигналы в соответствии с циклограммой. Провода, подводящие сигналы к ПЭ, подпаяны к тыльным сторонам ПЭ. Далее эти провода проходят через отверстия внутрь трубки 5, а затем через эту трубку - к коммутирующему устройству. Сама трубка 5 расположена внутри корпуса 4.
Технологические процессы изготовления матричных ультразвуковых терапевтических излучателей (МУТИ) -
Будем рассматривать две конструктивные разновидности МУТИ, соответствующие применению в их составе единичных пьезокерамических элементов (ЕПКЭ) и моноблочных секционированных пьезокерамических преобразователей (СПКП). ЕПКЭ приняты в форме прямоугольника с размерами 8,0 х 5,0 мм. СПКП представляют собой фрагмент многогранники и имеют конфигурацию и размеры, приведенные на рис. 4.1.
Указанные конструктивные характеристики пьезокерамических элементов (ПКЭ) предложены со стороны ЦНИИ АГ в качестве исходных.
В основе конструкции МУТИ на основе ЕПКЭ - предположение о том, что тонкая стенка (толщина стенки менее 1/20 длины продольной волны) не оказывает влияния на характеристики излучаемой волны, когда ПКЭ присоединен к стенке с обеспечением акустического контакта. Излучающей становится поверхность стенки. Появляется необходимость обеспечения прочностных характеристик конструкции. Сущность конструктивного решения ясна из приведенного на рис. 4.2 поперечного сечения МУТИ.
Из рассмотрения рис. 4.2 видно, что рабочий объем излучающей головки, в котором размещены ПКЭ 1, образован полукорпусом 3 и тонкой стенкой 2, имеющей требуемую, функционально-анатомически детерминированную конфигурацию. Габаритно-конфигурационные требования к конструкции МУТИ обеспечены. Кроме того, обеспечена возможность иметь металлическую рабочую поверхность излучателя, что, в свою очередь, повышает ее износостойкость, а также, благодаря высокой электропроводности рабочей поверхности МУТИ, обеспечивается возможность дополнительного электрофореза в процессе терапевтического воздействия.
ПКЭ 1 закреплены изнутри на тонкой стенке 2. Возможны следующие способы крепления: 1) пайка; 2) склеивание; 3) механический прижим.
Преимуществом крепления пайкой является прочность соединения и возможность обеспечить минимальность переходного слоя припоя между ПКЭ и стенкой. Для реализации крепления пайкой необходимо нанести низкотемпературный припой, например, сплав Вуда, на внутреннюю поверхность стенки способом напыления. Эту технологию надо разрабатывать.
Преимуществом крепления склеиванием является технологическая простота реализации. В качестве клея следует применять контактол. При этом появляется необходимость исследования поведения различных контак-толов по обеспечению минимальной толщины клеевого слоя. При необходимости следует разработать новый контактол, обеспечивающий достаточно тонкую клеевую прослойку.
Способ механического прижима заключается в том, что между ПКЭ и стенкой находится прослойка электропроводящей жидкости, например, воды. Здесь необходимо выдержать два условия: во-первых, необходимо обеспечить повышенную герметичность рабочего объема излучающей головки для предотвращения испарения воды; во-вторых, необходимо предотвратить возможность короткого замыкания через воду электродов, нанесенных на противоположные стороны ЕПКЭ.
Конкретный вариант крепления ЕПКЭ к стенке следует выбрать на основе проведения соответствующих экспериментальных исследований.
Для обеспечения механической прочности тонкой стенки внутренний объем излучающей головки заполнен акустоизоляционным материалом 8. Заполнение объема указанным материалом может быть осуществлено двумя способами: 1) законопачиванием в объем привносимых доз недополимеризо-ванного материала; 2) изготовлением из полимеризованного материала детали, являющейся негативным отображением требуемой конфигурации объема. Конкретный способ заполнения объема акустоизоляционным материалом за висит от выбранного способа крепления ЕПКЭ к стенке. Если выбраны способы пайки или склеивания, то заполнять объем следует законопачиванием. Если же выбран способ механического поджима ПКЭ к стенке, то заполненный объем следует изготовить в виде единой детали.
Конструктивная целостность рабочей части МУТИ достигается свинчиванием балки 4 и полукорпуса 3 через тонкую стенку 2 винтами 7. Поскольку в ТЗ конструкция МУТИ описывается как неразборная и неремонтопригодная, а также для повышения герметичности внутреннего объема и исключения щелей, в которых могут собираться микроорганизмы, полукорпус 3 к стенке 2 следует приклеивать. Клеевая прослойка обеспечивает герметичность внутреннего объема и заполняет щель между полукорпусом 3 и стенкой 2. Необходимое усилие прижима при склеивании обеспечивается самими винтами 7. Головки винтов на тыльной поверхности МУТИ следует замазать клеем, стойким к дезинфицирующим веществам.
Внутри излучающей головки находятся коммутирующие провода 6, которые одним концом припаяны к электродам ПКЭ, а другим концом проходят через штангу и ручку МУТИ. Наличие этих проводов обуславливает ряд особенностей выполнения операции законопачивания акустоизоляцион-ного материала. При изготовлении внутреннего пространства излучающей головки в виде единичной детали, в последней могут быть просверлены отверстия для прохождения через них коммутирующих проводов.
Для создания конструктивной целостности излучающей головки в осевом направлении предназначены две шпильки 5, расположение которых относительно основных элементов конструкции МУТИ поясняется на рис. 4.3.
