[發明專利]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

有效

• 申請號: 201210042497.4
• 申請日: 2012-02-23
• 公開（公告）號: CN102853791A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發明（設計）人: 居冰峰;白小龍;吳海騰;陳劍;姜燕;吳蕾
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01B17/02
• 分類號: G01B17/02;G01H5/00;G01N9/24;G01N29/11
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

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(1)、三維直線電機(2)、導軌(3)、基體材料(4)、薄層材料(5)、水槽(6)、電機控制器(7)、超聲波發射接收器(8)、計算機(9)、顯示器(10)，水槽(6)底部放有基體材料(4)，基體材料(4)上設有薄層材料(5)，基體材料(4)上方設有超聲波探頭(1)，超聲波探頭(1)上端與三維直線電機(2)相連，導軌(3)上設有三維直線電機(2)，超聲波探頭(1)與超聲波發射接收器(8)相連，三維直線電機(2)與電機控制器(7)相連，計算機(9)分別與電機控制器(7)、超聲波發射接收器(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)調節掃描超聲波顯微鏡的三維直線電機(2)的Y軸電機使超聲波探頭(1)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，并調節掃描超聲波顯微鏡的三維直線電機(2)的Y軸電機使超聲波探頭(1)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s₁(t)為參考信號，對s₂(t)進行基于維納濾波和自回歸譜外推技術的反卷積，得到信號h₁(t)；

5)記錄h₁(t)信號中的每兩個峰峰值之間的間距Δt₁，并將Δt₁/2設定為薄層材料(5)的聲波渡越時間的初始值；

6)再選取薄層材料(5)的聲波衰減系數的初始值α₀和聲阻抗的初始值Z_s0，通過對薄層材料(5)進行反射系數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的最優值Z_s、和α。

7)以s₁(t)為參考信號，對s₁(t)+s₂(t)進行基于維納濾波和自回歸譜外推技術的反卷積，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Δt₂；

8)計算得出薄層材料(5)的厚度為h＝c₀·Δt₂/2，其中c₀為水中聲波的速度，薄層材料(5)的聲速為密度為ρ＝Z_s/c₁，衰減系數為α。

2.根據權利要求1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的初始值Z_s0、和α₀之后，計算理論的超聲波反射系數頻譜R_t(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的值R₀，得到薄層材料(5)的反射系數頻譜的實驗值R_e(ω)；取目標函數其中n為在反射系數頻譜帶寬內采樣點的個數；從三個初始值Z_s0、和α₀開始，利用高斯-牛頓法尋找的最優化函數f的最小值f_min，得出薄層材料(5)的聲阻抗、聲波渡越時間和聲波衰減系數的最優值Z_s、和α。