Разработка методики и аппаратуры для измерения акустических характеристик малогабаритных керамических изделий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

САШТ-ШЗТЕ&УРГСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭЛЕКТРОТЕЯНИЧЕОКШ ИНСТИТУТ ИМ9НИ В.И.УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) ■

На правах рукописи

Воробьев Сергей Викторович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ¿ШПАРАТУРЫ ДЛН ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАЛОГАБАРИТНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИИ

Специальность 01.04.06 - акустика

Автореферат диссертации на сонскаше ученой степени кандидата технических наук

Сенкт-Пэтэрйург - 1992

Работа выполнена в Санкт-Петербургском ордена Ленина и срдэна Октябрьской Революции электротехническом институте имени В.И.Ульянова(Ленина).

Научный руководитель '

кандидат технических наук Федоров В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Гусева Е.К. кандидат физико-математических наук Богданов В.Н.

Ведущая организация-НПО ВШИТВЧ

»^3« & 1952 г.В

Защите состоится "^" 7 ' 1952 г.в У' часов на заседании специализированного совета К 063.36.11 Санкт-Петербургского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции электротехнического института имени В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 1Э7376* Санкт-Петербург.ул.Проф. Полова,5.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " 09 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Соботковский В.Е.

ВВЩЩПШЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ.Малогабаритные керамические изделия в виде дисков и пластан толщиной о,8...2 мм находят широкое применение в электронной технике в качестве подложек для мойных СВЧ-транзисторов,гибридных интегральных схем (ГИС) п т.п. Надежность изделий электронной техники ' значительной степени определяется физико-механическими свойствами подлокек (например,механической прочностью,способностью переносить термоудары);эти свойства, в свою очередь,зависят от структуры материала (величины зерна.наличия пор,микротрещин,макродефектов).Несмотря на развитие технологии производства керамических изделий, в процессе их формирования и спекания возмокны отклонения, приводящие к изменению структуры и ухудшению эксплуатационных характеристик.Выборочный контроль заготовок и исследование образцов-свидетелей лишь частично решает задачу повышения качества малогабаритных керамических изделий.

Получившие распространение прямые метода исследования кэрамшси(оптические,радаоврлновые,рентгеновские и др.)позволяют достоверно измерить определенные параметры структуры, однако их практическое применение при проведении сплошного контроля реальных изделий затруднено.Перспективными в этом случае являются неразрушаадие высокочастотные акустические методы.Однако классические методы ультразвуковой дефектоскопии не пригодны для. этих целей вследствие малых размеров образцов(толщина 0,8...2 мм,диаметр 5...20 мм) и большой скорости ультразвука в керамике(9000...ПОиО м/с).Проблемой является также ввод ультразвука в изделие, поскольку обычно используемый контактный способ для проведения точных измерений (например,по резонансной методике) не применим.Таким образом, разработка простых я надежных методов и аппаратуры для измерения акустических характеристик малогабаритных керамических изделий представляет актуальнув научную задачу.

ЦЕЛЬ И задачи РАБОТЫ. Целью диссертационной работа яв~

»г.

1 > I

БИьЛйОтгхл

0Т{«О

I я

ляется создание методики и аппаратуры для измерения акустических характеристик реальных керамических изделий малых размеров.При атом решались следующие задачи:

1.Выбор способа возбувдения и приема ультразвуковых колебаний, теоретическое и экспериментальное исследование выбранного способа.

2.Выбор оптимальных параметров акустического тракта, обеспечивающих наименьшую погрешность определение механической добротности с учетом затухания упругих волн во всех средах.

3.Выбор и обоснование методики измерения добротности реальных керамических изделий,обеспечивающей наименьшую погрешность.

4.Разработка аппаратуры для исследования акустических характеристик малогабаритных керамических изделий и выдача практических рекомендаций для создания методик неразрушакн щего контроля.

В качестве ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ были использованы образцы в форме дисков из поликристаллической бромеллито-всй, алюмооксидаой и алюмокитридной керамики.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. В диссертационной работе впервые установлено:

1.Дли измерения механической добротности малогабаритных керамических пластин в мегагерцном диапазоне частот наиболее перспективным и удобным является метод возбувдения и ¡приема с воздушо-якустической связью.

2.Для резко неоднородного по параметрам акустического тракта в пьезоэл&ктриках с сильным затуханием упругих волн необходим учет электрических потерь,однозначно связанных с механическими.

3.Несовершенство геометрии реальных, керамических изделий не препятствует измерению их механической добротности

в мегагерцном диапазоне частот с точностью, достаточной для сэя^шшя нрдежшс. метода- нрразрушацего контроля.

4.В рэрльш? керамических аадзлкях дефекты структуры ('.Хччтьи!, гор»;, мэигристаллпт-е иагрленечкл и т.п.) згфе

.доляот добротность в мегагерцном диапазоне частот.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Результаты, полученные в диссертационной работе, представляют интерес для дальнейшего развития акустических методов исследования внутренней структура твердого т§ла.Разработанный алгоритм расчетов многослойных систем с потерями механической энергии в кавдом слое (пьезоактивном или пассивном) позволяет не только найти оптимальные параметры акустического тракта, обеспечивающие минимальную погрешность измерений,но и успешно решать широкий круг задач: расчет широкополосных преобразователей, линий задержки, акустических трактов дефектоскопов и т.п. Созданная с учетом теоретических выводов и экспериментальных данных аппаратура для измерения поглощения упругих волн в реальных керамических изделиях надезша в эксплуатации; методика измерения добротности неслодна и дает возможность использовать установку для разбраковки керамических подлоаек на начальной стадии технологического процесса изготовления электронных приборов. Применение разработанной методики и аппаратуры позволило впервые провеста практические измерения механической добротности малогабаритных керамических образцов в виде дисков и установить корреляционную связь механической прочности с добротностью для бромеллитовой и алюмонитридной керамик. Материалы диссертации использованы в шести научно-исследовательских работах, способ измерения добротности и отдельные блоки установки защищены тремя авторскими свидетельствами.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Разработанные акустичес-" кие методы и измерительная аппаратура прошли опытное внедрение в НИИ "Пульсар"(г.Москва), НПО "Светлана" и ГОИ им. Вавилова (г.Санкт-Петербург).

АПРОБАЦИЯ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. ПО материалам диссертации имеется 14 научных публикаций.Основные результаты диссертационной работы докладывались на X Всесоюзной научно-технической конференции "Неразруиащие физические методы и средства контроля"(Львов,1984), 7-й Уральской

конференццн "Современные методы неразрушащш'о контроля и их метрологическое обеспечение" (Устинов,1386), Всесоюзной конференции "Приборы и мэт-оды неразрушавдего контроля" (Киев,1985), й-м городском научно-техническом сем!шаре "Применение стекла,керамики и и их спаев с металлами в радио электронике" (Ленинград,1983), конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭТИ им.Ульянова(Ленина).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация срстоит из введения, пяти глав с выводами,заключения.Основная часть работы изложена на 90 страницах машинописного текста.Работа содержит 9 таблиц, 43 рисунка.Список литературы включает 58 наименований.

Результаты диссертациошюи работы получены в процессе выполнения научно-исслелляательсюа работ, проводимых на ка^дро прикладной механики (ПМИГ) ЛЗТИ по проблемам. "Керазрушащие физические методы контроля" и межвузовской комплексной программе работ "Разработка и применение методов и средств неразрушащего контроля - качества промышленных изделий".

ИССЛВДОВАНШЗ РЕЗОНАНСНОГО МЕТОДА С В ОЗДУШКО-АКУСТИЧЕСКОЙ СВЯЗЬЮ

Зависимость акустических характеристик от структуры материала общеизвестна (Меркулов ,1955,1957; Гусева, Яков-лев,| 1378,1982).Анализ работ по данной теме свидетельствует, что потери упругой энергии в значительной степени связаны с микроструктурой материала, поэтому механическая добротность мокот служит^ мерой прочности изделия и использоваться для создания методик неразруиаюцего контроля.

Классическим высокочастотные импульсные метода нераз-рушавдэго контроля практически непригодны для измерети акустически, характеристик и выявления, например, макроде-фекчсв из-за малых размеров изделия и высокого уровня структурной ропербараа'ли в мегвгерцном диапазоне частст.Б &то:и случив оолое перспективен резонэионнЯ рисскочусготный

метод (Федоров, Воробьев, 1988).Контактный резонансный метод не применим вследствие сильного влияния механического контакта на резонансные свойства образца; необходим бесконтактный способ ввода ультразвука в изделие.Одако широко известные бесконтактные преобразователи, например, ЭМА или емкостные, не пригодны для неметаллизировзнных керамических изделий.Проблему решает использование резонансного метода с воздушно-акустической связью пьезопреобра-зователей с образцом.Главным препятствием при практической реализации этого метода является необходимость применения . мегагерцного диапазона частот.Предложенный метод был теоретически исследован, для чего использовалась математическая модель акустического тракта в виде произвольного количества плоско-параллельных слоев ( в качестве которых могут выступать как кристаллы произвольных срезов, так и изотропные твердые тела, жидкости,газы) с учетом затухания упругих волн.Получена полная система линейных алгебраических уравнений с применением граничных условий для смещений, механических напряжений и электрических: величин, решение которой позволяет определить смещения в слоях, токи, потребляемые пьезослоями и коэффициент передачи акустического . тракта

к=Ц(вых)/1Г(вх), где и(вх)-электрическое напряжение генератора, и(вых)-налряжение на пьезоприемнике.

Проведено решение системы на.ЭВМ для случаев, когда излучатель работает на чисто продольных или квазипродольных^ волнах, а приемник-на чисто продольных. Проанализирована точность решения; при этом показано, что относительная ошибка не превышает 10~14..Л0~15.

Получены аналитические выракения для потерь электрической и акустической энергий в пьезослое с учетом затухания. Установлено, что для пьезоактсш&х слоев с низкой добротностью (пьезокерамика) относительная разность мезду потерями электрической и акустической энергии кокет достигать

10...15$.Этот факт вызывает необходимость учета электрических потерь, которые однозначно связаны с механическими. С учетом электрических потерь разбаланс энергий для акустического тракта не превышает 0,5%.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ АКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА

Как показали расчеты, наиболее существенное . влияние на погрешность измерений механической добротности оказывают толщины воздушных прослоек.При толщинах, кратных полуволновой, влияние пьезопреобразователей на резонансные свойства образца максимально, что приводит к резкому увеличению погрешности измерений.Оптимальной можно считать толщину воздушной прослойки

1в=(п/2±(1/10...1/20)хв , где хв-длина волны в воздухе, 11=1,2,3...

При толщинах, больших (20...50)хв, вследствие затухания обратной водны в слое воздуха, погрешность в" худаем случае не превышает 15...20$.

Использование высокодобротных ( >1000) пьезопреобразователей с частотой резонанса излучателя или антирезонанса приемника, близких к собственной частоте образца, влечет за собой возрастание погрешности измерения добротности из-за искажения АЧХ. тракта.Однако, для реальных преобразователей, добротность которых не превышает 1000, в при измерении керамических образцов с добротностью более 5000 искажения АЧХ тракта невелики и, следовательно, влиянием преобразователей на погрешность измерений можно пренебречь.

Демпфирование преобразователей сказывается, в первую очередь, на коэффициенте передачи и равномерности АЧХ акустического 'тракта, а на погрешность измерения добротности влияет незначительно.

а

При измерении образцов с 0>(10...20;.10 как методом свободных колебаний, так и -методом резонансной кривой, необходимо упитывать излучение образца в окружающую среду

(воздух).Найдены зависимости, позволяющие исключить связан-1ую с этим систематическуг ошибку.

Показано, что при практической реализации акустичес-сого тракта целесообразно в качестве материала излучателя зыбрать пьезок^рамику, а приемншса-ниобат лития или обладаний несколько меньшей чувствительностью, но более технологичный при изготовлении преобразователя кварц Х-среза.На шстотах, больших 10 МГц, эффективность системы генератор-гьезоизлучатель резко падает, и в качестве материала излу-1ателя предпочтительно использовать ниобат лития.

Найдены параметры оптимального для практической реали-шции акустического тракта, работающего в диапазоне частот !,9...3,1 МГц, и приведены его АЧХ и ФЧХ,

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И СОЗДАНИЕ АППАРАТУР!! ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАЛОГАБАРИТНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЯ

Для реализации высокой точности измерения мэханичвс-:ой добротности на практике необходимо выбрать оптимальную гатодику измерения добротности, конструкцию и электричес-ие схемы узлов и блоков установки.

Метод резонансной кривой позволяет измерять дабротнос-и от нескольких сотен до нескольких тысяч; при использо-ании прецизионного генератора ( например, ГЗ-П9 )-до .10^.Недостатками метода являются трудоемкость и сложность втоматизации измерений, повышенные требования к широко-олосности тракта.Для реальных образцов, обладающих разно-олщинностью, форма АЧХ тракта может искажаться, что при-одит к увеличению относительной погрешности измерений (до 0% и более).

Метод свободных колебаний дает возможность измерять обротности от £00... 1000 до (100...200ыо3; требования к ирокополосности тракта пониженные, процесс измерений не-рудно автоматизировать.Показано, что при использовании того метода для получения минимальной погрешности первый

пороговнй уровень экспоненциально спадающего сигнала следует измерять в момент, соответствующий началу экспоненты, а второй уровень должен быть в е«2,7 раз меньше.

Таким образом, метод свободных колебаний является более подходящим для измерения добротности реальных керамических образцов, обладающих несовершенной геометрией.

Проведен анализ погрешностей измерений, связанны с электрическими блоками установки; показано, что при оптимальном выборе отсчетных уровней относительная погрешность не превышает I...2%.Установлено, что при использовании современной элементной базы минимальный коэффициент передачи акустического тракта, позволяющий производить измерения без существенного увеличения погрешности, составляет -120 дБ.

В соответствии с теоретическими расчетами и рекомендациями разработаны конструкция и основные электрические блоки установки для измерения акустических характеристик малогабаритных керамических изделий.В частности, в установке применен малошумящий предварительный усилитель, расиоло-кенный в одном корпусе-зкране с пьезоприемником, позволяющий добиться малого уровня шумов и помех.Выходной каскад усилителя мощности выполнен на мощных полевых транзисторах, что дает возмоаоюсхь получить достаточный для работы уровень сигнала (3...10 В) на низкоомном недемпфированном пьезокерамическом преобразователе.Работой всех блоков и проведением измерений управляет мини-ЭВМ. Механическая часть установки обеспечивает крепление образца в трех точках, установку взаимной параллельности преобразователей и образца и регулировку воздушных зазоров с точностью 2...4 юсм.

ИСПЫТАНИЕ УСТАНОВКИ

Проведены измерения амплитудно-частотных характеристик электронных блоков установки и ее акустического тракта. Наблюдается качественное соответствие теоретической и

экспериментальной АЧХ тракта.Более низкий (на 6...16 дБ) коэффициент передачи реального тракта объясняется возникновением вваиикых перекосов при ориентации преобразователей и образца, s также неидеальностыо их. геометрии.Погрепгаость при измерении резонансной частоты эталонного образца с собственной добротностью 24 ЛО3 составила 0,03&,при измерении добротности 20%, что согласуется с выводами,полученными при теоретическом анализе акустического тракта.

Показано, что акустическое поле излучателя установки достаточно однородно.Определен коэффициент затухания упругих волн в воздухе на частоте 3 МГц; его значение 190 м"1 является средним из значений, полученных для данного параметра другими исследователями (Бергман, 1956; Клюев, 1976).

В ходе эксплуатации установки разработаны практические рекомендации по выбору излучателя и приемника, а такие по регулировке толщин воздушных зазоров при работе с реальными керамическими изделиями.

Исследование различных партий керамических образцов (ВеО, А1203, A1N ) в количестве более 500 шт., показали возможность измерения добротности пластин, имеющих резно-толщинность и коробозатость не более 50 мкм при годщинэ изделия 1,5...2,О мм.

Проведенные затем разрушающие испытания этих образцов с последующим исследованием микроструктуры доказывают, что механическая добротность в мегагерцном диапазоне частот существенно зависит от несовершенств структуры (пористости, микротрещин, рыхлости и др.) и может служить (при выборе соответствующих критериев) показателем прочности керамического изделия (Воробьев, Федоров, 1983; 1985).

Разработанная методика и аппаратура для измерения механической добротности позволяет создавать методики не-разрулашего контроля физико-механических сеойсте малогабаритных керамических: изделий электронной техники.

-КЗ-

ВЫВОДЫ

1. Показана возможность возоувдения и приема механических колнбвний в керамической пластине малых размеров через воздушную прослойку в мегагерцном диапазоне частот.

2. Разработан удобный для программирования алгоритм расчета акустического тракта, состоящего из "п" плоскопараллельных пьезоактивных слоев, с учетом поглощения упругих волн в каждой среде.Показано, что для повышения точности расчетов в средах с сильным поглощением (пьезокерамика) необходимо учитывать электрические потери, однозначно связанные с механическими.

• 3. Исследован резонансный метод возбуждения и приема механических колебаний образца с использованием воздущно-акустической связи; найдены оптимальные параметры акустического тракта (толщины воздушных прослоек,материал пьезо-преобразователей и степень их демпфирования), позволявдие измерять механическую добротность с погрешностью 5...20%.

4. Обоснован выбор методики измерения механической добротности, обеспечивающей минимальную погрешность; показано, что для реальных керамических образцов с несовершенной геометрией следует использовать метод свободных коле-бшшй.

5. На основании проведенных исследований сконструирована и изготовлена установка для 'измерения акустических характеристик малогабаритных керамических изделий электрон ной техники.

6. Созданная установка прошла опытное внедрение в НИМ "Пульсар" (г. Москва), НПО "Светлана" и ГОИ им. Вавилова (г. Санкт-Петербург).

7. Научная новизна работы защищена тремя авторскими свидетельствами на изобретения.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

I. Ультразвуковой метод неразруваицего контроля механической прочности керавдгческих изделий. С.В Воробьев,

В.А.Федоров//Вакуумная и газоразрядная электроника: Ыеавуз. сб. науч. тр./Рязанский радиотехнический институт. -Рязань, 1983. -С.49-55.

2. Ультразвуковая установка неразрушащэгс• контроля [рочности ко^-шческшс микрсизделий электронно® техника U.A.Богданов, С.В.Воробьев, G.Н.Степанов, В.А.Федоров '/Тезисы докладов X Всесоюзной научно-технической конферен-(ии "Неразрушащие физические метода и средства контроля". •Львов, 25-27 сент. 1984, -4.1, -С.102.

3. О прогнозировании прочности керамических микроизде-шй по акустическим характеристикам. С.В.Воробьев, С.К.Сте-töHOB, В.4.Федоров//Изв.ЛЭТИ: Сб.науч.тр./Ленингр. электро-:ехн. ин-т им.Ульянова(Ленина).-Л.,1985.-Вып. 355.-С.68-71.

4. Воробьев C.B., Степанов С.К., Федоров В.А. Система (бработки информации бесконтактной установки неразрушащаго юнтроля прочности керамических микроизделий//Тбзисы доклеив Всесоюзной конф."Приборы и метода неразрущающего контро-И". -Киев, 5-7 июня 1985. -С.54.

•6. A.c. 1173298 СССР, МКИ G Ol N 29/00. Устройство для [змерения механической добротности микроизделий методом сво-¡одных колебаний/Ю.А.Богданов, С.В.Воробьев, С.К.Степаноз, (.А.Федоров (CCCP).-N 3655741/25-28; Заявлено 26.10.83; публ. 15.05.85, Бюл. N ЗО/УОткрытия.Изобретения.-1983 ■N 30.-С.35.

6. Система обработки информации и управления'ул^тра-шуковой установкой неразрушащего контроля малогабаритных :ерамиче ских изделий/Ю. А. Богданов, С. В. Воробьев, В. А. Федоров. /Тезисы докладов 7-й Уральской научи.-техн. конф. "Совре-юнные методы неразрушащего контроля и их метрологическое 1беспечение". -Устинов, 9-II апр. 1986, -4.I.-C.I4.

7. A.c. Т229680 СССР, МКИ С Ol N 29/04.Способ опреде-1ения механической добротности образцов./ С.В.Воробьев, 1.А.Федороз (CCCP).-N 3753273/25-28; Заяачено 12.06.34; т/уЗл. 07.05.36, Бил. Я 17//Сткрнтая.Изобретения.-1986 N I7.-C.Ç4. г

8. ьчсконтсктк^я уотгнонхг для измерения акутл^ъсшх.

характэристик малогабаритных керамических изделий электрон ной техники. С.В.Воробьнв, С.К.Степанов, В.А.Федоров.//Изв ЛЭТИ: Сб.науч.тр./Лениягр.электротехн.кн-т.-Л.•, 1987. -Вып 385.-С.53-Б7.

9. A.c. I293S25 СССГ. ШШ G 01 N 29/00. Устройство д определения механической добротности образцов./С.В.Воробье; Г.й.Головня, С.К.Степанов, В.А.Федоров (СССР).-N 3927381/2! 28; Заявлено 15.07.85; Опубл. 28.02.87, Вт. H 8//0ткрйИ1Я Изобретения.-I987-N 8.-С.51.

10. Контроль малогабаритных керамических изделий бес контактным резонансным методом. В.А.Федоров, С.В.Воробьев. //Дефектоскопия. -1988. -И II.-С.79-87.

11. Об БффЭКТИВНОСТП ИСПОЛЬЗОВаННЯ ЕИОбагГ-ЛиТЕбБ! преобразователей- в резонансном методе с воздуш акустической связью. С.В.Воробьев, О.П.Зобшп, В.А.Фэдоро: //Кзв.ЛЭТИ: Сб.науч.тр./Ленингр.элэктротехн.пн-т. -Л.,1989 -ВНП. 407.-С.39-42.

Подл, к печ. 14.09.9г. Сормат ЬС*84 1/16, Офсетнай пач«То. П»ч„ 0,75} yvi.-изд. л. 0,75. Trtpa* 100 экз. За<. К 333

Ротапринт С.-Г£.ЗТ!! 197'7í, С*нкт-Патер5ург, y¿i. Прр?. Tar.oaâ,