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1、超声波和激光清洗技术,姓名：曹小兵 学号：2120110232 专业：物理电子学,一.清洁表面的重要性 二超声波清洗技术 1超声波技术的原理 2影响超声波清洗的因素 3超声波技术的应用领域 三激光清洗技术 1激光技术原理 2激光技术的影响因素 3激光技术的应用 四结束语,一清洁固体表面的重要性,据统计，在半导体工业当中由于表面不清洁引起芯片失效已造成制造环节总损失的一半以上。在光学加工镀有高反膜的超光滑光学基片有亚微级得粒子时，将导致膜的质量下降，并且产生严重的光散射及损耗，而且有可能会降低激光损伤阈值。因此对获取清洁的固体表面对生产实际具有重要意义。,一超声波清洗技术,1超声波清洗技术的介绍
2、：被誉为现代清洗手段的超声波清洗是利用超声波在液体介质中的空化效应，对液体介质所到之处拖把体内外表面进行清洗，具有优质、省力、高效和无污染等显著特点，在西方发达工业国家已得到了广泛应用，取得了很大的经济效益。我国也开始逐步推广使用这种新技术。,超声波清洗和机械搅拌清洗效果的对比曲线,2 超声波清洗原理,超声波发生器产生的高于20KHZ的超音频电能，通过换能器转换成同频率机械振动机械振动传入清洗液，超声波疏密相间地向前传导，产生无数的微小气泡，这些气泡是在超声波纵向传播的负压区形成及生长，而在正压区迅速破裂。这种微小气泡的形成、生长、迅速破裂过程称为“空化效应”。在空化效应中气泡破裂后产生超过1
3、0000个大气压的瞬时高压，连续不断 产生的瞬时高压就象一连串小爆炸不断地轰击物体表面，使物体表面污垢迅速脱落。,当液体介质中传入一定强度的超声波时，被清洗物体的表面反复出现加压和减压产生空化效应，液体内出现微小空洞，当声波达到一定强度时，空洞会发生剧烈爆炸，产生强烈碰撞，压力达.5-50吨/平方厘米，具有很大的能量，使水分以超过10000G的加速度撞击被清洗物体的表面，将污物撞击下来，从而达到显著的清洗效果，并且这种效果可随液体到达被清洗物体的所有表面,空穴形成的过程示意图,超声波清洗器的结构图,超声波清洗技术的几个参数,1.超声波频率 ：超声波频率越低，在液体中产生空化越容易，作用也越强。
4、频率高则超声波方向性强，适合于精细的物体清洗，一般频率大于20KHz. 2.功率密度：超声波的功率密度越高，空化效越强，速度越快，清洗效果越好。单对于精密的、表面光洁度甚高的物体，采用长时间的高功率密度清洗会对物体表面产生“空化”腐蚀。 3.温度：一般来说，超声波在30o40o时空化效果最好。清洗剂则温度越高，作用越显著。,应用领域,由于空化效应形成时会产生声波压力和热效应，故可对菌，特别是链状细菌进行打击，达到杀菌消毒的作用。此外，超声波具有强烈的乳化作用，并能起到均匀搅拌、研磨粉碎和加速化学反应的作用。 其主要应用列举如下： （1）机械零部件的清洗（特别是精密零部件）：轴承、油泵 。 (2
5、）光学零部件的清洗：光学器件、光学纤维等。 （3）半导体芯片清洗 （4）印刷电路板的清洗 （5）贵重金属的清洗,影响超声波清洗的因素,影响超声波清洗的因素有很多，如温度，静压力，超声强度，被清洗物件的声学特性，因此在清洗过程中要选择最佳工艺参数以保证清洗效率和效果。 1温度：温度升高有利于产生空穴，但由于温度升高导致蒸汽压升高，从而会引起空化强度降低，一般清洗温度选择在6070度左右。 2：超声声度:声强高，空化强度越大，空穴数量增多，有利于清洗，但是过高的声强会使声源表面产生大量的非空化得气泡而形成屏障，削弱清洗作用。 3被清洗物件的声学特性：吸声大的物体，如橡胶，它的清洗效果较差，而对声反
6、射强的材料，比如，金属，玻璃制品清洗效果较好。,4,激光清洗技术,激光清洗是一种新型的激光表面处理技术,近 10年来迅速发展,已由实验室进入实际应用。人们 对激光清洗的机理进行了系统深入地研究,清洗工 艺日趋成熟,现在已有成套的激光清洗商品出售。 在许多应用中,激光清洗技术已成为不可替代的技 术。,激光清洗技术的优点,激光清洗与传统的化学清洗、机械刷磨、流体 颗粒冲刷、超声清洗等相比,具有以下优点: (1)激光清洗属于干洗,不需碳氟氯化合物及其他有机溶剂,没有废液排放,不造成环境污染,清洗残渣很少。 (2)能有效清洗其他方法难以去除干净的吸附在物体表面的亚微米粒子。 (3)能对其他方法难以达到
7、或危险的地方进行清洗,易于实现远距离遥控清洗。 (4)清洗效率较高,成本较低。 (5)可控性好、柔性高,易于实现选区定域、实时的精密清洗。 6)热影响区小,对于光剥离清洗则是打开材料的结合键,没有热作用发生对周边材料没有热损伤。 (7)可在大气中进行清洗,不需要抽真空,激光清洗技术的原理,物体表面附着的微粒主要为氧化物和灰尘。激光清洗划分为两种类型:一为干式激光清洗，另一种为蒸气激光清洗。前者,附着在物体表面的微小颗粒在短脉冲激光辐照下快速加热,使颗粒和基体表面热膨胀,形成很大的清洗力,克服基体表面对颗粒的粘着力,而将颗粒清除。由于颗粒从物体表面剥离阈值远小于基体自身表面材料的剥离阈值,故颗粒
8、被去除掉了,而基体并不会受到损伤。蒸气清洗的机制是在激光作用下,物体表面的液体薄膜骤然气化膨胀,从而将颗粒抛掉。,(1)干式激光清洗 微米级颗粒在物体表面的粘着力以范德华力为大于50m的颗粒以静电力为主。对于小颗粒,德华力超过万有引力,与固体表面单位面积上的着力F,近似计算公式如下中r颗粒半径; h材料的Lifshitz-Vander waals常数; 粘着面积半径; z颗粒和物体表面间的原子间距,约为0.4nm。,蒸气激光清洗 当物体表面有液体薄膜存在时,除了范德华力 外,还有表面张力,此时粘着力F由下式计算,式中液体表面张力。,影响清洗效果的因素,激光清洗去除的微粒子数与同一表面积内前的前
9、子数的比值,定义为清洗表面的洁净度,以百分数表示。它是衡量激光清洗效果的主要指标。激光束的波长、能量密度、脉冲次数、偏振状态、入射方向、使用的气流以及被清洗物体的材料和污染物的性质、大小等,都对清洗效果有重要影响。,激光波长对清洗效果的影响,由图可知波长愈短产生清洗作用所需的最低注入量密度(以下称为阈值能量密度)愈小。波长=1064nm时阈值能量密度约为40mJ/cm2;=532nm时约30mJ/cm2;=266nm时约为10mJ/cm2。在高于其阈值的某一能量密度下辐照,例如,在80mJ/cm2下使用=266nm的激光照射,其洁净度可达90%;=532nm时所得洁净度为70%;=1064nm
10、时所得洁净度不到30%。激光束的波长愈短所需的能量密度愈低。可见为了获得彻底的清洗效果,激光清洗宜选用较短的波长。,激光束入射方向对清洗效果的影响,准分子激光束从石英基体的正面和背面照射,清洗其表面粘附的微粒,如图4所示。照射前后用光学显微镜观察石英表面,测量清洗的洁净度。量密度100mJ/cm2,重复频率10Hz,同一位置经100次脉冲照射后,光束由正面入射的洁净度仅有24%,而背面入射的洁净度达100%。可见,对于能透过准分子激光的石英来说,从背面入射比从正面入射能更有效地清除粘附于表面的微粒。,光束偏振状态对清洗效果的影响,沉积的金属薄膜和具有压电或电磁性的材料,采用偏振光清洗效果较好。
11、基体可以是玻璃、石英、，硅和金属合金。实验证明偏振激光清洗效果比非偏振激光清洗效果更好的材料有硅化玻璃、铬薄膜、镍薄膜、铝薄膜、锡合金、铟锡氧化物、铌酸锂、钽酸锂、丙烯酸和光阻材料等。,能量密度对清洗效果的影响,单位面积清洗力峰值随能量密度线性增加(图）因此,洁净度也随能量密度大致呈线性增加。当能量密度过低,单位面积清洗力太小时,不能产生清洗效果。对一定波长的激光束,只有当能量密度达到某一定值,即清洗力达到一定大小时,才能产生清洗效果。这时的能量密度就是该波长激光束开始产生清洗效果的阈值(见图1)。,脉冲次数对清洗效果的影响,在高于能量密度阈值的脉冲激光束照射下,物体表面的洁净度随脉冲次数增加
12、而提高。为避免损伤被清洗物体表面,可采用较低的能量密度,增加脉冲次数来获得高的洁净度。在不损伤表面条件下,选用较高的能量密度,可减少脉冲次数,提高清洗效率。,激光清洗技术的应用,石雕和石刻等年代久远的高档石质艺术品，由于其极精 细和易损的表面结构，成为激光清洗技术应用最早的领域。人们发现，用激光清除石质文物表面的污垢有其独特的优势，它能够十分清确地控制光束在复杂的表面上移动，清除污垢而不损伤文物石材。例如，1992年9月，联合国教材文组织的世界文化遗产保护组织为纪念该组织创建20周年，对十分着名的英国亚眠大教堂进行了维修，亚眠大教堂西侧圣母门十分精美的大理石雕刻是工程的关键。在为期一年的圣母门维修工程中，维修人员借助于激光，用激光光束除去了覆盖在大理石雕刻花纹上几毫米厚的黑色垢层，大理石表面原来的色泽体现出来，使精美的雕刻重现光彩。又如，英国最重要的石雕收藏处之一的英斯布伦蒂尔的石雕收藏品经激光清洗后，也得到同样的效果。,谢谢大家,
