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Q:超音波空腔之產生

(1).超音波係由壓電振動子的震盪產生,當超音波導入液體中時,隨著音波週期性的變化會造成音波空泡的生成,成長及爆破。通常音空空泡是利用液體中雜子粒子的凹穴或隙縫,容器或被洗物的粗糙表面而異質成核。音波空泡生成所需之負壓力與液體的抗拉強度有關,此抗拉強度隨液體純度而增加。對於純淨液體而言,由於抗拉強度較高,因此通常以異質成核方式形成音波空泡為主。音波空泡會受到超音波音場作用而成群的聚集在一起,稱為音波空泡群(Acoustic cavitationbubbles)。

(2).音波空泡的成長尺寸與超音波頻率有關,當音波頻率較低時,由於正負週期變化時間變長,因此生成的音波空泡數量會較少,但會成長至較大尺寸時才發生爆破,所以較低頻其超音波之爆破能量較強烈。液體使用低頻超音波震盪時,音波空泡生成後有足夠時間成長,因此音波空泡群爆破時會產生較強烈的微小噴射液滴(Micro-Jet)及衝擊波(Shockwaves),伴隨產生局部的高壓及高熱。

(圖3) 超音波頻率與空化效應及出力強度

(3).眾多微小噴射液滴的高壓衝擊是造成被清洗物表面發生空泡沖蝕(Cavitation erosion)現象的主要原因,而局部的高熱(約5000k,冷卻速率109 k/s)是造成金屬粒子的熔合,相變態或物質發生聲化學反應(Sonochemical reaction)的來源。

(4).高頻超音波(約1MHz)生成之空泡尺寸較小數量較多,於爆破時主要生成衝擊波,且大多沒有微小噴射液滴產生。在高頻的超音波震盪處理中,除衝擊波以剪力刮刷被清洗物表面作去除污染粒子外,並不會造成音波空泡沖蝕固體表面的不利影響,因此甚適合用於要求表面高品質的元件清洗上。此外,由於高頻超音波震盪處理所產生的微小空泡可鑽入微裂隙或細小盲孔且所生成的音波空泡半徑愈小。因此對於微小的污物層處理更為有效。當超音波頻率提高至1MHz 時,由於音波半週期過短(約0.5µs),故音波空泡的爆破僅產生衝擊波而沒有微小噴射液滴發生,此時衝擊波的刮擦作用甚適合用於除去微小顆粒而不傷害試件表面,例如半導體元件的洗淨處理。




(圖4) 超音波頻率與洗淨微塵大小能力之關係


(5).液體粘滯係數變大時將使得音波空泡的成長及爆破過程變的遲緩,因此較不適合用於作為超音波洗淨的液體。


(圖5) 空泡爆破時釋出球形對稱衝擊波的情形

(6).超音波是一種週期波,它包含了壓縮及膨脹兩個週期。在壓縮週期中超音波在液體中產生正壓力,而在膨脹週期中超音波在液體中產生負壓力。假如超音波在液體內產生的負壓力足夠克服液體本身的抗拉強度,則在此負壓週期中會在液體中產生音波空泡(Acoustic cavitation)。Suslick  指出液體的抗拉強度與他本身的種類及純度有關,任何不純物存在液體中將減低其抗拉強度。音波空泡爆破時產生微小噴射液滴的雜質粒子直徑與超音波頻率有關,通常音波空泡直徑隨超音波頻率增加而減小。