專利名稱：掃描超聲波顯微鏡同時測量薄層材料厚度、聲速、密度和衰減的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于掃描超聲波顯微鏡的薄層材料特性測量領(lǐng)域，特別涉及一種掃描超聲波顯微鏡同時測量薄層材料厚度、聲速、密度和衰減的方法。
背景技術(shù)：
掃描超聲波顯微鏡(SAM :Scanning Acoustic Microscope)廣泛應(yīng)用于關(guān)鍵電子器件和精密機(jī)械部件的無損檢測與評估，同時也廣泛用于生物組織的顯微觀測。目前，薄膜、涂層等薄層材料因?yàn)槠洫?dú)特的性質(zhì)(如強(qiáng)度高、耐磨、耐腐蝕、散熱好等)在化工、機(jī)械制造、能源、航空等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。例如附著在刀具表面的金剛石薄膜因其高硬度和化學(xué)穩(wěn)定性可以有效地提高刀具的切削性能。然而，在薄膜、涂層等薄層 材料的加工過程中，必須保證材料特性的穩(wěn)定性和一致性，因此有必要對這些薄層材料進(jìn)行厚度和楊氏模量等的測量。目前對機(jī)械特性的無損測量主要采用超聲波方法。市場上成熟掃描超聲波顯微鏡產(chǎn)品目前主要應(yīng)用于超聲波成像方面，對于材料的幾何與機(jī)械特性的測量上的應(yīng)用并不深入，尤其是對厚度、聲速、密度和衰減的超聲波同時測量。這方面測量方法的研究主要集中于高校和研究所。國外最早利用表面波法對材料特性進(jìn)行測量。因?yàn)楸砻娌ǖ念l散曲線跟薄層材料的厚度、聲速有關(guān)，所以對表面波的研究有助于逆解薄層材料的厚度和聲速。但是這種方式的局限性在于不能同時得到材料的密度和衰減，并且表面波的頻散曲線在很高頻段才有較好的靈敏度，因此對超聲發(fā)射接收器的帶寬提出來很高的要求。近年來對材料特性的研究，尤其是針對薄層材料的研究主要集中于用超聲波頻譜的方式。因?yàn)楸硬牧系某暡ɑ夭ㄓ捎谏舷卤砻婊夭岸啻畏瓷浠夭ㄔ跁r域上出現(xiàn)混疊，很難分辨并得出所要參數(shù)，所以超聲波頻譜分析法是針對薄層材料的主要方法。美國俄亥俄州立大學(xué)研究人員利用直入射超聲波探頭和斜入射超聲波探頭結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了薄層鋁板的厚度、聲速、密度和衰減的測量，但是該設(shè)備需要用到三個超聲波探頭和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)，整個測量裝置較為復(fù)雜而且笨重。大連理工大學(xué)無損檢測中心近年來采用了基于垂直入射反射系數(shù)譜數(shù)據(jù)擬合的厚度、聲速的測量，但是必須是在密度和衰減已知的條件下。對于密度和衰減未知的材料，該方式無法測量。德國人近幾年采用聚焦探頭的方法進(jìn)行材料厚度、聲速和密度的測量。利用聚焦探頭的聚焦特性，分別將超聲波聚焦到材料的上表面和下表面，然后根據(jù)理論計算公式同時得到厚度、聲速和密度。但是這種方法的局限性同樣在于只可以測量時域材料非混疊的材料，對于薄層材料無法測量。法國Hosten等人提出了在時域和頻域聯(lián)合分析的方式測量板的厚度、聲速、密度和衰減。在時域中利用參考基體的回波信號和水中聲速確定板的厚度，利用被測樣品的第一表面回波和第二表面回波之間的渡越時間來確定材料的聲速，最后通過對樣品第一表面回波和第二表面回波的頻域分析確定密度和衰減，也可以通過反射系數(shù)譜進(jìn)行最優(yōu)化擬合來逆解出密度和衰減。但是這種方法的局限性在于其只適用于時域信號非混疊(即厚度較厚)的材料。對于薄層材料，時域信號混疊造成厚度和聲速無法測量。他們也采用了傳統(tǒng)的反射系數(shù)頻譜擬合的方法來逆求解出薄層材料的特性，但是基于最小二乘法則下的逆求解過程受初始值選取好壞的限制，初始值選取不好就會引起收斂到其他極值點(diǎn)。傳統(tǒng)的通過樣品反射系數(shù)頻譜的實(shí)驗(yàn)測量和理論頻譜進(jìn)行最小二乘法擬合，可以得出薄層材料的渡越時間、聲阻抗和衰減系數(shù)。浸沒在水中的薄層材料的超聲反射系數(shù)頻譜理論表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種掃描超聲波顯微鏡同時測量薄層材料厚度、聲速、密度和衰減的方法，采用掃描超聲波顯微鏡，掃描超聲波顯微鏡包括超聲波探頭(I)、三維直線電機(jī)(2)、導(dǎo)軌(3)、基體材料(4)、薄層材料(5)、水槽￠)、電機(jī)控制器(7)、超聲波發(fā)射接收器(8)、計算機(jī)(9)、顯示器(10)，水槽(6)底部放有基體材料(4)，基體材料(4)上設(shè)有薄層材料(5)，基體材料(4)上方設(shè)有超聲波探頭(I)，超聲波探頭(I)上端與三維直線電機(jī)(2)相連，導(dǎo)軌(3)上設(shè)有三維直線電機(jī)(2)，超聲波探頭(I)與超聲波發(fā)射接收器(8)相連，三維直線電機(jī)(2)與電機(jī)控制器(7)相連，計算機(jī)(9)分別與電機(jī)控制器(7)、超聲波發(fā)射接收器(8)、顯示器(10)相連；其特征在于方法的步驟如下 1)將薄層材料(5)放置于基體材料(4)表面,并置于盛有水的水槽(6)中，開啟掃描超聲波顯微鏡； 2)調(diào)節(jié)掃描超聲波顯微鏡的三維直線電機(jī)(2)的Y軸電機(jī)使超聲波探頭(I)位于基體材料(4)正上方，測量基體材料(4)表面的超聲波回波信號S1 (t)； 3)尋找到薄層材料(5)伸出基體材料(4)表面的部分，即薄層材料(5)上下表面完全浸在水中的部分，并調(diào)節(jié)掃描超聲波顯微鏡的三維直線電機(jī)(2)的Y軸電機(jī)使超聲波探頭(I)位于薄層材料(5)此部分的正上方，測量薄層材料(5)的超聲波回波信號S2 (t)； 4)以^⑴為參考信號，對S2⑴進(jìn)行基于維納濾波和自回歸譜外推技術(shù)的反卷積，得到信號h (t)； 5)記錄hjt)信號中的每兩個峰峰值之間的間距At1，并將Atl/2設(shè)定為薄層材料(5)的聲波渡越時間的初始值ξ； 6)再選取薄層材料(5)的聲波衰減系數(shù)的初始值Citl和聲阻抗的初始值Zstl，通過對薄層材料(5)進(jìn)行反射系數(shù)頻譜的最小二乘法擬合，得出薄層材料(5)的聲阻抗、聲波渡越時間和聲波衰減系數(shù)的最優(yōu)值Zs、石和α。
7)以^⑴為參考信號，對S1(t)+S2⑴進(jìn)行基于維納濾波和自回歸譜外推技術(shù)的反卷積，得到信號h2(t)并記錄h2(t)信號中的前兩個峰峰值之間的間距At2; 8)計算得出薄層材料(5)的厚度為h= Ctl · Λ 2/2，其中Ctl為水中聲波的速度，薄層材料(5)的聲速Sc1=Il/石，密度為P = Zs/Cl，衰減系數(shù)為α。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所描述的一種掃描超聲波顯微鏡同時測量薄層材料厚度、聲速、密度和衰減的方法，其特征在于所述的步驟6)為 選定薄層材料(5)的聲阻抗、聲波渡越時間和聲波衰減系數(shù)的初始值ZS(I、^^P %之后，計算理論的超聲波反射系數(shù)頻譜Rt (ω);然后將s2(t)信號的頻譜除以S1 (t)信號的頻譜再乘以基體反射系數(shù)的值Re，得到薄層材料(5)的反射系數(shù)頻譜的實(shí)驗(yàn)值Ιζ(ω);取目標(biāo)函數(shù)/ = I尺(《,)_及，其中η為在反射系數(shù)頻譜帶寬內(nèi)采樣點(diǎn)的個數(shù)；從三個初/=1始值ZfijP a ^開始，利用高斯-牛頓法尋找的最優(yōu)化函數(shù)f的最小值fmin，得出薄層材料(5)的聲阻抗、聲波渡越時間和聲波衰減系數(shù)的最優(yōu)值Zs、石和α。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種掃描超聲波顯微鏡同時測量薄層材料厚度、聲速、密度和衰減的方法。其步驟包括1)將薄層材料放置于基體材料表面，使超聲波探頭分別位于基體材料和薄層材料正上方，測得基體材料和薄層材料的超聲波回波信號s1(t)、s2(t)；2)對s2(t)進(jìn)行基于維納濾波和自回歸譜外推技術(shù)的反卷積，得到信號h1(t)，選定聲波渡越時間的初始值；3)選取其他變量初始值，通過薄層材料反射系數(shù)頻譜擬合，得出薄層材料的聲阻抗、聲波渡越時間和聲波衰減系數(shù)的最優(yōu)值；4)對s1(t)+s2(t)進(jìn)行基于維納濾波和自回歸譜外推技術(shù)的反卷積；5)計算得出薄層材料的厚度、聲速、密度和衰減。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對薄層材料進(jìn)行四變量高精度同時測量，并解決了頻譜擬合時的收斂域問題。
文檔編號G01N9/24GK102853791SQ20121004249
公開日2013年1月2日 申請日期2012年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月23日
發(fā)明者居冰峰, 白小龍, 吳海騰, 陳劍, 姜燕, 吳蕾 申請人:浙江大學(xué)