[發(fā)明專利]掃描超聲波顯微鏡同時(shí)測(cè)量薄層材料厚度、聲速、密度和衰減的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210042497.4
• 申請(qǐng)日: 2012-02-23
• 公開（公告）號(hào): CN102853791A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 居冰峰;白小龍;吳海騰;陳劍;姜燕;吳蕾
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B17/02
• 分類號(hào): G01B17/02;G01H5/00;G01N9/24;G01N29/11
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

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(cè)量領(lǐng)域，特別涉及一種掃描超聲波顯微鏡同時(shí)測(cè)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(wú)損檢測(cè)與評(píng)估，同時(shí)也廣泛用于生物組織的顯微觀測(cè)。?

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(guò)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(duì)這些薄層材料進(jìn)行厚度和楊氏模量等的測(cè)量。目前對(duì)機(jī)械特性的無(wú)損測(cè)量主要采用超聲波方法。?

市場(chǎng)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(duì)于材料的幾何與機(jī)械特性的測(cè)量上的應(yīng)用并不深入，尤其是對(duì)厚度、聲速、密度和衰減的超聲波同時(shí)測(cè)量。這方面測(cè)量方法的研究主要集中于高校和研究所。?

國(guó)外最早利用表面波法對(duì)材料特性進(jìn)行測(cè)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(duì)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(shí)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(duì)超聲發(fā)射接收器的帶寬提出來(lái)很高的要求。近年來(lái)對(duì)材料特性的研究，尤其是針對(duì)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(shí)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(duì)薄層材料的主要方法。?

美國(guó)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(cè)量，但是該設(shè)備需要用到三個(gè)超聲波探頭和角度調(diào)整機(jī)構(gòu)，整個(gè)測(cè)量裝置較為復(fù)雜而且笨重。?

大連理工大學(xué)無(wú)損檢測(cè)中心近年來(lái)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(cè)量，但是必須是在密度和衰減已知的條件下。對(duì)于密度和衰減未知的材料，該方式無(wú)法測(cè)量。?

德國(guó)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(cè)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(jì)算公式同時(shí)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(cè)量時(shí)域材料非混疊的材料，對(duì)于薄層材料無(wú)法測(cè)量。?

法國(guó)Hosten等人提出了在時(shí)域和頻域聯(lián)合分析的方式測(cè)量板的厚度、聲速、密度和衰減。在時(shí)域中利用參考基體的回波信號(hào)和水中聲速確定板的厚度，利用被測(cè)樣品的第一表面回波和第二表面回波之間的渡越時(shí)間來(lái)確定材料的聲速，最后通過(guò)對(duì)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(guò)反射系數(shù)譜進(jìn)行最優(yōu)化擬合來(lái)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(shí)域信號(hào)非混疊(即厚度較厚)的材料。對(duì)于薄層材料，時(shí)域信號(hào)混疊造成厚度和聲速無(wú)法測(cè)量。他們也采用了傳統(tǒng)的反射系數(shù)頻譜擬合的方法來(lái)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(guò)程受初始值選取好壞的限制，初始值選取不好就會(huì)引起收斂到其他極值點(diǎn)。?

傳統(tǒng)的通過(guò)樣品反射系數(shù)頻譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)間、聲阻抗和衰減系數(shù)。?

浸沒(méi)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：?