專利名稱：隨機相移混頻型壓電振子組合兆聲波換能器裝置的制作方法
技術領域：
隨機相移混頻型壓電振子組合兆聲波換能器裝置技術領域[0001]本實用新型涉及一種兆聲波換能器，尤其涉及一種隨機相移混頻型壓電振子組合兆聲波換能器裝置。
背景技術：
[0002]隨著集成電路特征尺寸進入到深亞微米階段，集成電路晶片制造工藝中的濕法腐蝕及清洗的控制要求也越來越高，所要腐蝕的精度越來越高，所要清洗的顆粒越來越小，腐蝕及清洗的均勻性變成了一個挑戰(zhàn)性的問題。[0003]采用兆聲波作用下的化學腐蝕和清洗有助于加速腐蝕和清洗的效果，極大的提高了污染顆粒的去除。但是由于兆聲波聲場的干涉現(xiàn)象，在晶片上會形成很多聲場強度很高的熱點，同時也形成很多聲場強度很低的死點，在晶片上的聲場強度的均勻性很難達到。雖然在改進的過程中，有利用頻率掃描的辦法來減少熱點的形成，但由于頻率掃描僅圍繞一個中心頻率，并且這個圍繞中心頻率變化的掃描只施加在一個兆聲波振子上，兆聲波振子的機械振動的固有頻率是一定的(一般等于兆聲波的中心頻率)，偏離中心頻率的變化會造成振子振幅的減少使得傳播的兆聲波能量下降，從而在晶片表面上形成的聲能量密度隨著掃描頻率變化，無法產(chǎn)生均勻性的聲場。也有用頻率疊加組合的辦法，但由于頻率疊加組合的電壓仍施加在同一個壓電晶體振子上，振子振動的變化過大影響了電聲轉(zhuǎn)化的效率， 使得清洗的效果有所下降。實用新型內(nèi)容[0004](一 )要解決的技術問題[0005]本實用新型所要解決的技術問題是如何產(chǎn)生表面濕法腐蝕清洗所需要的均勻性聲場。[0006]( 二)技術方案[0007]為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種隨機相移混頻型壓電振子組合兆聲波換能器裝置，包括交流電壓激勵信號發(fā)生放大電路和兆聲波換能器組裝體，[0008]所述交流電壓激勵信號發(fā)生放大電路包括依次連接的微處理器、多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路、功率放大和阻抗匹配電路；[0009]所述微處理器用于輸出多路交流電壓激勵信號的頻率控制字和移相控制字至所述多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路，且至少一路所述移相控制字在一定范圍內(nèi)隨時間隨機變化；[0010]所述多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路用于根據(jù)所述頻率控制字和移相控制字產(chǎn)生多路交流電壓激勵信號；[0011]所述功率放大和阻抗匹配電路用于先通過功率放大電路將所產(chǎn)生的交流電壓激勵信號放大為驅(qū)動信號，再通過阻抗匹配電路輸出至兆聲波換能器組裝體；[0012]所述兆聲波換能器組裝體用于通過加載所述驅(qū)動信號而產(chǎn)生隨機變化的聲場。[0013]優(yōu)選地，所述兆聲波換能器組裝體包括壓電晶體振子組合、固定腔室、氣冷流體入口、氣冷流體出口、兆聲波耦合材料以及兆聲波換能器，[0014]所述壓電晶體振子組合包括中心振子和外圍振子；[0015]所述壓電晶體振子組合安裝在所述固定腔室內(nèi)，所述氣冷流體入口和氣冷流體出口分別設置在所述固定腔室的兩側(cè)；[0016]兆聲波換能器通過所述兆聲波耦合材料與所述壓電晶體振子組合粘接。[0017]優(yōu)選地，所述中心振子為圓形或圓環(huán)形，且所述外圍振子為圓環(huán)形。[0018]優(yōu)選地，所述微處理器和多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路通過地址映射的方式或串口通信的方式建立通信關系。[0019]優(yōu)選地，所述多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路用于采用直接數(shù)字合成技術產(chǎn)生多路頻率為700K 2MHz的交流電壓激勵信號。[0020]優(yōu)選地，所述多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路包括基準時鐘、頻率字寄存器、移相字寄存器、相位累加器、數(shù)字加法器、輸出鎖存器、波形存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器； 所述頻率字寄存器、移相字寄存器、相位累加器、數(shù)字加法器、輸出鎖存器和波形存儲器均通過FPGA實現(xiàn)；所述基準時鐘是由高穩(wěn)定晶振所產(chǎn)生的頻率為fclk的全局時鐘，頻率字寄存器用于緩存由微處理發(fā)送的第一通道的交流電壓激勵信號的頻率控制字Kl，所述相位累加器是一個位數(shù)為N的二進制加法器，所述移相字寄存器用于緩存由微處理發(fā)送的第一通道的交流電壓激勵信號的移相控制字P1，P1小于或等于N;在每個時鐘周期，頻率控制字Kl 在相位累加器中進行累加，累加結果在位數(shù)為M的數(shù)字加法器中與移相控制字Pl相加，結果輸出到輸出鎖存器，波形存儲器用于存儲正弦函數(shù)表，并根據(jù)輸出鎖存器的值進行尋址， 輸出對應正弦函數(shù)表的函數(shù)幅值至D/A轉(zhuǎn)換器，得到所需頻率、相位的正弦階梯波，再經(jīng)低通濾波器平滑后作為交流電壓激勵信號輸出。[0021]優(yōu)選地，所述中心振子用于加載由功率放大和阻抗匹配電路產(chǎn)生的固定相移的驅(qū)動信號；所述中心振子的外圍振子用于加載相對所述中心振子所加載的驅(qū)動信號具有隨機相移變化的驅(qū)動信號，或由功率放大和阻抗匹配電路產(chǎn)生的固定相移的驅(qū)動信號。[0022]優(yōu)選地，所述兆聲波耦合材料為膠水。[0023]優(yōu)選地，所述兆聲波換能器為石英或紅寶石兆聲波換能器。[0024](三)有益效果[0025]本實用新型的有益效果如下[0026]1)本實用新型基于DDS (直接數(shù)字合成)技術產(chǎn)生頻率和相位可控的交流電壓激勵信號。傳統(tǒng)方法中一般采用模擬延遲線來實現(xiàn)相位的延遲控制，通過電子開關分段切換來控制延遲量的大小，造成相位延遲可調(diào)量分辨率低，并且需要搭建龐大的LC網(wǎng)絡和電子開關矩陣，且模擬器件的電氣參數(shù)容易漂移、容易受電磁干擾。本實用新型采用的DDS技術從相位概念出發(fā)進行信號的數(shù)字合成，因此大大提高了信號頻率分辨率和相位分辨率的精度、降低了頻率轉(zhuǎn)換時間和相位噪聲。[0027]2)本實用新型用兩個或兩個以上的驅(qū)動信號，其中至少一個驅(qū)動信號的相位偏移可隨時間在一定范圍內(nèi)隨機設定，分別加載到一個組合型的兆聲波換能器上。由固定相移和相對具有隨機相移變化的驅(qū)動信號作用在不同壓電振子組合所激發(fā)的兆聲波所合成波形的畸變在腐蝕清洗的介質(zhì)聲場內(nèi)產(chǎn)生了一個隨機變化的聲場，使得無法形成目前已有兆聲波換能器所激發(fā)的固定兆聲波合成聲場相干所產(chǎn)生的熱點和死點，從而產(chǎn)生表面濕法腐蝕清洗所需要的均勻性聲場，減小和消除了由熱點產(chǎn)生的劇烈氣蝕對特征尺寸結構的破壞。


[0028]圖1為本實用新型實施例的裝置結構示意；[0029]圖2是多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路的原理框圖；[0030]圖3是功率放大和阻抗匹配電路的原理框圖；[0031]圖4是兆聲波換能器組裝體的結構示意圖。
具體實施方式
[0032]下面對于本實用新型所提出的一種隨機相移混頻型壓電振子組合兆聲波換能器裝置，結合附圖和實施例詳細說明。[0033]本實用新型采用兩個或兩個以上的驅(qū)動信號，信號頻率在700KHZ 2MHz范圍之間，其中至少一個驅(qū)動信號的相位偏移可隨時間在一定范圍內(nèi)隨機設定，分別加載到一個兆聲波換能器組裝體上。由固定相移和相對具有隨機相移變化的驅(qū)動信號作用在不同壓電晶體陣子組合，所激發(fā)的兆聲波合成波形在腐蝕清洗介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生一個隨機變化的聲場，不會形成目前已有兆聲波換能器所激發(fā)的固定兆聲波合成聲場相干所產(chǎn)生的熱點和死點，從而產(chǎn)生表面濕法腐蝕清洗所需要的均勻性聲場，減小和消除了由熱點產(chǎn)生的劇烈氣蝕對特征尺寸結構的破壞。[0034]圖1為裝置結構示意圖，包括微處理器、多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路、功率放大和阻抗匹配電路、兆聲波換能器組裝體，其中微處理器和多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路可通過地址映射的方式或串口通信的方式建立通信關系，微處理器和多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路、多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路、功率放大和阻抗匹配電路均通過電路連接。[0035]圖1的工作原理如下微處理器根據(jù)各壓電晶體振子的固有頻率設定各通道交流電壓激勵信號的頻率控制字，并采用現(xiàn)有的隨機數(shù)產(chǎn)生算法產(chǎn)生至少一個通道的相位隨機偏移值，設定為交流電壓激勵信號的移相控制字。各通道交流電壓激勵信號的頻率控制字和移相控制字通過擴展外設寄存器或串口通信方式寫入多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路中FPGA內(nèi)部相應的寄存器內(nèi)。多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路根據(jù)頻率控制字和移相控制字產(chǎn)生一定頻率和相位的多路交流電壓激勵信號。功率放大和阻抗匹配電路通過功率放大電路將交流電壓激勵信號放大為驅(qū)動信號，再輸出至兆聲波換能器組裝體，通過激勵兆聲波換能器組裝體中的壓電晶體振子組合，產(chǎn)生一個隨機變化的聲場，從而保證表面濕法腐蝕清洗所需要聲場的均勻性。[0036]圖2是多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路的原理框圖，它由基準時鐘、頻率字寄存器、移相字寄存器、相位累加器、數(shù)字加法器、輸出鎖存器、波形存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器組成。其中頻率字寄存器、移相字寄存器、相位累加器、數(shù)字加法器、輸出鎖存器、波形存儲器通過FPGA實現(xiàn)。[0037]圖2的工作原理如下[0038]基準時鐘是由高穩(wěn)定晶振所產(chǎn)生的頻率為f。lk的全局時鐘。CHl頻率字寄存器緩存由微處理發(fā)送的通道1的交流電壓激勵信號的頻率控制字K1。相位累加器是一個位數(shù)為 N的二進制加法器。CHl相移字寄存器緩存由微處理發(fā)送的通道1的交流電壓激勵信號的移相控制字Pl，Pl小于或等于相位累加器的字長N。在每個時鐘周期對頻率控制字Kl在相位累加器中進行累加，累加結果在位數(shù)為M的數(shù)字加法器中與移相控制字Pl相加，結果輸出到CHl輸出鎖存器。而波形存儲器中存儲著一張正弦函數(shù)表，可根據(jù)CHl輸出鎖存器的值進行尋址，輸出對應表格單元的函數(shù)幅值至D/A轉(zhuǎn)換器，得到所需頻率、相位的正弦階梯波，再經(jīng)低通濾波器平滑后輸出。通道2的交流電壓激勵信號輸出原理與之類似，同樣移相控制字的值由微處理器輸出。利用FPGA的并行處理能力，可并行輸出多通道的交流電壓激勵信號。并且其中至少有一個通道的移相控制字是由微處理器輸出的隨機數(shù)。[0039]設輸出的交流電壓激勵信號頻率為f。ut，頻率分辨率為Δ fmin，則[0040]
權利要求1.一種隨機相移混頻型壓電振子組合兆聲波換能器裝置，其特征在于，包括交流電壓激勵信號發(fā)生放大電路和兆聲波換能器組裝體，所述交流電壓激勵信號發(fā)生放大電路包括依次連接的微處理器、多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路、功率放大和阻抗匹配電路；所述微處理器用于輸出多路交流電壓激勵信號的頻率控制字和移相控制字至所述多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路，且至少一路所述移相控制字在一定范圍內(nèi)隨時間隨機變化；所述多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路用于根據(jù)所述頻率控制字和移相控制字產(chǎn)生多路交流電壓激勵信號；所述功率放大和阻抗匹配電路用于先通過功率放大電路將所產(chǎn)生的交流電壓激勵信號放大為驅(qū)動信號，再輸出至兆聲波換能器組裝體；所述兆聲波換能器組裝體用于通過加載所述驅(qū)動信號而產(chǎn)生隨機變化的聲場。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述兆聲波換能器組裝體包括壓電晶體振子組合、固定腔室、氣冷流體入口、氣冷流體出口、兆聲波耦合材料以及兆聲波換能器，所述壓電晶體振子組合包括中心振子和外圍振子；所述壓電晶體振子組合安裝在所述固定腔室內(nèi)，所述氣冷流體入口和氣冷流體出口分別設置在所述固定腔室的兩側(cè)；兆聲波換能器通過所述兆聲波耦合材料與所述壓電晶體振子組合粘接。
3.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述中心振子為圓形或圓環(huán)形，且所述外圍振子為圓環(huán)形。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述微處理器和多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路通過地址映射的方式或串口通信的方式建立通信關系。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路用于采用直接數(shù)字合成技術產(chǎn)生多路交流電壓激勵信號。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路包括基準時鐘、頻率字寄存器、移相字寄存器、相位累加器、數(shù)字加法器、輸出鎖存器、波形存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器；所述頻率字寄存器、移相字寄存器、相位累加器、數(shù)字加法器、輸出鎖存器和波形存儲器均通過FPGA實現(xiàn)；所述基準時鐘是由高穩(wěn)定晶振所產(chǎn)生的頻率為f。lk的全局時鐘，頻率字寄存器用于緩存由微處理發(fā)送的第一通道的交流電壓激勵信號的頻率控制字K1，所述相位累加器是一個位數(shù)為N的二進制加法器，所述移相字寄存器用于緩存由微處理發(fā)送的第一通道的交流電壓激勵信號的移相控制字Pl，Pl小于或等于N ；在每個時鐘周期，頻率控制字Kl在相位累加器中進行累加，累加結果在位數(shù)為M的數(shù)字加法器中與移相控制字Pl相加，結果輸出到輸出鎖存器，波形存儲器用于存儲正弦函數(shù)表，并根據(jù)輸出鎖存器的值進行尋址，輸出對應正弦函數(shù)表的函數(shù)幅值至D/A轉(zhuǎn)換器，得到所需頻率、相位的正弦階梯波，再經(jīng)低通濾波器平滑后作為交流電壓激勵信號輸出。
7.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述中心振子用于加載由功率放大和阻抗匹配電路產(chǎn)生的固定相移的驅(qū)動信號；所述中心振子的外圍振子用于加載相對所述中心振子所加載的驅(qū)動信號具有隨機相移變化的驅(qū)動信號，或由功率放大和阻抗匹配電路產(chǎn)生的固定相移的驅(qū)動信號。
8.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述兆聲波耦合材料為膠水。
9.如權利要求2 8中任一項所述的裝置，其特征在于，所述兆聲波換能器為石英或紅寶石兆聲波換能器。
專利摘要本實用新型涉及兆聲波換能器技術領域，公開了一種隨機相移混頻型壓電振子組合兆聲波換能器裝置，其中，交流電壓激勵信號發(fā)生放大電路的微處理器用于輸出多路交流電壓激勵信號的頻率控制字和移相控制字至多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路，且至少一路移相控制字在一定范圍內(nèi)隨時間隨機變化；多通道交流電壓激勵信號發(fā)生電路根據(jù)頻率控制字和移相控制字產(chǎn)生多路交流電壓激勵信號；功率放大和阻抗匹配電路用于先通過功率放大電路將所產(chǎn)生的交流電壓激勵信號放大為驅(qū)動信號，再通過阻抗匹配電路輸出至兆聲波換能器組裝體；兆聲波換能器組裝體通過加載所產(chǎn)生的驅(qū)動信號產(chǎn)生隨機變化的聲場。通過本實用新型能產(chǎn)生表面濕法腐蝕清洗所需要的均勻性聲場。
文檔編號B06B1/06GK202290529SQ201120417509
公開日2012年7月4日 申請日期2011年10月27日 優(yōu)先權日2011年10月27日
發(fā)明者吳儀, 馬嘉 申請人:北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司