CN102768184A - 一种用于薄膜杨氏模量测量的系统 - Google Patents

一种用于薄膜杨氏模量测量的系统 Download PDF

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丹特·多伦雷
杨斐
陈琨
路子沫
李艳宁
傅星
胡小唐
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Abstract

本发明公开了一种用于薄膜杨氏模量测量的系统,包括:脉冲激光器,所述脉冲激光器发射脉冲激光经第一扩束镜准直扩束后,被3:7分光镜分成7/10脉冲激光和3/10脉冲激光,所述7/10脉冲激光经柱面聚焦透镜聚焦在被测样品的表面,激发产生声表面波信号;所述声表面波信号经过第一检测通道和/或第二检测通道转换为电信号,并通过示波器显示后被传输至计算机进行处理。该系统不仅拥有压电激光声表面波检测技术信号幅度大、在扰动大的测试环境中适用性强等优点,也继承了差分共焦激光声表面波检测技术快速、准确、非接触测量及信噪比高等优势,适用性更强,适用范围更广。同时,基于差分共焦激光声表面波检测技术高测量带宽的优点,大大提高了测量分辨率。

Description

一种用于薄膜杨氏模量测量的系统
技术领域
[0001] 本发明涉及利用激光超声技术测量薄膜的杨氏模量领域,尤其涉及一种用于薄膜杨氏模量测量的系统。
背景技术
[0002] 近年来,激光超声技术在薄膜杨氏模量等机械特性测量方面得到了广泛关注,在激光超声系统中,声表面波探测技术层出不穷。目前的技术中,基于PVDF (聚偏氟乙烯)薄膜的压电激光声表面波检测技术是广为采用的技术,PVDF压电薄膜声阻抗匹配特性好,响应带宽大,力电转换灵敏度高等优点,使得基于PVDF薄膜的压电激光声表面波检测系统具 有远高于一般光学检测系统的测量带宽(高达120MHz),且具有优异的测量稳定性(测量不确定度误差在±1%)。
[0003] 基于光偏转敏感检测的差分共焦激光声表面波检测技术是光学非接触式声表面波检测中较快速、准确和精确度较高的测量技术,在该技术中光偏转灵敏度检测保证了系统具有高灵敏度及快速响应的能力;测量带宽被拓展到300MHz,提高了系统对高频声表面波信号的分辨能力;采用差分式的信号取样,消除了探测器光功率波动、环境空气对流及电子噪声等共模干扰,提高了系统的信噪比;而且,该技术为无损伤、非接触式测量,特别适用于集成电路等要求的超净测试环境。
[0004] 以上所述的两种声表面波检测技术,虽然在薄膜杨氏模量测量方面,具有优异于其他检测技术的特性,但是在某些特殊样品,特殊场景测试方面各有不足之处。例如:基于PVDF压电薄膜LSAW定位的压电探测装置(公开号:CN102252967A,公开日:2011年11月23日)中公布的四象限声表面波检测,虽然它在某种程度上提高了测量精度,但是它依旧是接触式检测,不能用于测量材质软、孔隙率高的样品,且很难适用于集成电路中要求的超净环境;基于Sagnac干涉仪的LSAW定位测量系统(公开号:CN102221397A,公开日:2011年10月19日)中公布的先定位后检测的方法,虽然能够在时间上精确定位声表面波的位置,从而进行更高精度的测量,但是它始终是基于光学的非接触式测量,不能用于测量反射系数低、透明度高的样品,且容易受到环境中噪声等干扰的影响。
发明内容
[0005] 本发明提供了一种用于薄膜杨氏模量测量的系统,本发明实现了在不同场景下对不同样品的测量,实现了交叉验证,避免了噪声的影响,详见下文描述:
[0006] —种用于薄膜杨氏模量测量的系统,包括:脉冲激光器,所述脉冲激光器发射脉冲激光经第一扩束镜准直扩束后,被3:7分光镜分成7/10脉冲激光和3/10脉冲激光,所述7/10脉冲激光经柱面聚焦透镜聚焦在被测样品的表面,激发产生声表面波信号;
[0007] 所述声表面波信号经过第一检测通道和/或第二检测通道转换为电信号,并通过示波器显示后被传输至计算机进行处理。
[0008] 所述第一检测通道包括:压电探头,[0009] 所述压电探头下的PVDF压电薄膜传感器检测到所述声表面波信号后,将所述声表面波信号转换为所述电信号;所述3/10脉冲激光作为触发信号触发光电二极管,通过导线将所述电信号输出至放大器,被滤波放大后的信号到达所述示波器,所述示波器获取所述电信号。
[0010] 所述第二检测通道包括:632. 8nm的He-Ne激光器,
[0011] 所述632. 8nm的He-Ne激光器发出探测光,经过第二扩束镜准直扩束后,被I: I偏振分光镜极化产生透射光,所述透射光经第一平面反射镜、、/4波片和第一聚焦透镜后聚焦到被测样品的表面,获取所述声表面波信号后经过所述第一聚焦透镜、所述X/4波片、所述第一平面反射镜和所述1:1偏振分光镜后产生反射光,所述反射光传输至1:1分光镜 分成第一路反射光和第二路反射光;所述第一路反射光经第二平面反射镜、第一光阑、第二聚焦透镜和第一滤光片后进入差分光电探测器的一个探测口 ;所述第二路反射光经第三平面反射镜、第二光阑、第三聚焦透镜和第二滤光片后进入所述差分光电探测器的另一个探测口 ;所述差分光电探测器输出所述电信号并传输至所述示波器,所述示波器获取所述电信号。
[0012] 所述第一滤光片和所述第二滤光片具体为:波长为632. Snm的窄带干涉滤光片。
[0013] 本发明提供的技术方案的有益效果是:该系统不仅拥有压电激光声表面波检测技术信号幅度大、在扰动大的测试环境中适用性强等优点,也继承了差分共焦激光声表面波检测技术快速、准确、非接触测量及信噪比高等优势,适用性更强,适用范围更广。同时,基于差分共焦激光声表面波检测技术高测量带宽的优点,集成系统拥有比传统测量技术更高的测量带宽,大大提高了测量分辨率,具有以下优势:
[0014] ①继承了压电和差分共焦两种LSAW检测技术的优点,单独使用时两检测通道各有不足之处,集成后可相互弥补各自的不足,发挥各自的优势,使测量效果达到最优,表I列出了两检测技术的优缺点。
[0015] ②有两个检测通道,使用者可根据具体情况灵活选择适用特定样品和场景的探测方式,表2中列出了两通道各自适用的样品和测试场景。
[0016] ③对于两检测通道同时适用的样品和测试场景,可实现实时交互验证,保证测量结果的准确可靠;声表面波信号经过处理后可直接获取薄膜杨氏模量的测量结果,无需再与传统的纳米压痕仪测量结果作对比,简化了薄膜杨氏模量测量过程。
[0017] ④可重复性检测,在条件不发生改变的条件下,重复测量相同的样品可以获取相同的波形数据。
附图说明
[0018] 图I为本发明提供的一种用于薄膜杨氏模量测量的系统的结构示意图。
[0019] 附图中,各标号所代表的部件列表如下:
[0020] I :脉冲激光器; 2 :第一扩束镜;
[0021] 3 :3 :7分光镜; 4 :柱面聚焦透镜;
[0022] 5 :被测样品; 6 :载物台;
[0023] 7 =He-Ne激光器; 8 :第二扩束镜;
[0024] 9:1:1偏振分光镜;10 :第一平面反射镜;[0025] 11 : A/4波片; 12 :第一聚焦透镜;
[0026] 13 :1:1分光镜; 14 :第二平面反射镜;
[0027] 15 :第一光阑; 16 :第三平面反射镜;
[0028] 17 :第二光阑; 18 :第二聚焦透镜;
[0029] 19 :第三聚焦透镜;20 :第一滤光片;
[0030] 21 :第二滤光片; 22 :差分光电探测器;
[0031] 23 :压电探头; 24 :PVDF压电薄膜传感器;
[0032] 25:放大器; 26:光电二极管;
[0033] 27 :示波器; 28 :计算机。
具体实施方式
[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0035] 为了实现在不同场景下对不同样品的测量,实现交叉验证,避免噪声的影响,本发明实施例提供了一种用于薄膜杨氏模量测量的系统,参见图1,详见下文描述:
[0036] —种用于薄膜杨氏模量测量的系统,包括:脉冲激光器I,脉冲激光器I发射脉冲激光经第一扩束镜2准直扩束后,被3:7分光镜3分成两部分,7/10脉冲激光和3/10脉冲激光,7/10脉冲激光经柱面聚焦透镜4聚焦在被测样品5的表面,激发产生声表面波信号;声表面波信号经过第一检测通道和/或第二检测通道转换为电信号,并通过示波器27显示后被传输至计算机28进行处理。
[0037] 具体实现时,通过第一检测通道实现了 PVDF压电薄膜声表面波检测;通过第二检测通道实现了差分共焦声表面波检测。
[0038] 其中,具体实现时,被测物品5放置在载物台6上。
[0039] 其中,计算机28对电信号进行计算处理,实现对薄膜杨氏模量的测量,具体计算步骤为本领域技术人员所公知,本发明实施例在此不做赘述。
[0040] 其中,第一检测通道包括:压电探头23,压电探头23下的PVDF压电薄膜传感器24检测到声表面波信号后,将声表面波信号转换为电信号,继而被放大器25滤波放大;3/10脉冲激光作为触发信号触发光电二极管26,通过导线将电信号输出至放大器25,被滤波放大后的信号到达示波器27,示波器27获取电信号。
[0041] 其中,第二检测通道包括:632. 8nm的He-Ne激光器7,632. 8nm的He-Ne激光器7发出探测光,经过第二扩束镜8准直扩束后,被I: I偏振分光镜9极化产生透射光,透射光经第一平面反射镜10、A /4波片11和第一聚焦透镜12后聚焦到被测样品5的表面,获取声表面波信号后经过第一聚焦透镜12、人/4波片13、第一平面反射镜10和1:1偏振分光镜9后产生反射光,反射光传输至I: I分光镜13分成第一路反射光和第二路反射光;第一路反射光经第二平面反射镜14、第一光阑15、第二聚焦透镜18和第一滤光片20后进入差分光电探测器22的一个探测口 ;第二路反射光经第三平面反射镜16、第二光阑17、第三聚焦透镜19和第二滤光片21后进入差分光电探测器22的另一个探测口 ;差分光电探测器22输出电信号并传输至不波器27,不波器27获取电信号。
[0042] 其中,通过第一光阑15和第二光阑17可以调节入射光束的直径及入射光强。[0043] 进一步地,为了消除杂散光的影响,第一滤光片20和第二滤光片21优选为:波长为632. 8nm的窄带干涉滤光片。
[0044] 其中,当通过第二检测通道实现差分共焦声表面波检测时,首先要调节第二平面反射镜14和第三平面反射镜16的位置,保证第一路反射光和第二路反射光具有相同的光程差,然后通过调节1:1分光镜13的位置,使进入差分光电探测器22的两束光强相等,由于差分光电探测器22内部是宽带放大差分电路,所以这时输出信号为零。当被测样品5上的聚焦He-Ne光斑区域有声表面波经过时,反射光束因反射角改变产生微量偏移,造成两束入射到差分光电探测器22的反射光的强度发生改变,对应的输出亦发生改变,因而可以检测到被测样品5上的超声表面波。
[0045] 表I两检测技术的优缺点 [0046]
特性 压电LSAW检测 差分共焦LSAW检测
信号探测方式___非接触_
系统复杂性 — 低 —-般
搭建和校准难度___一般+_
在超净环境中T.作的 一_ 食
能 Jj____™_
在千扰环境中的耐受
視I则乂 一般 低(对光,噪声,振动敏感)
性____
分层的、坚硬的、微软多孔的除低反射和透明的所有分层的、坚硬删—.大土__固体材料_的、柔软或多孔的固体材料
M1展测试样式材料类
适用与固体材料样品可能适用十液体和气体材料型的潜能__
样品厚.度__> 0.5 mm_几Iim到mm_
[0047]
薄膜厚度__几mn到mni_几nm到mm_
表面粗糙度 Ra;s2,
测量带宽__〜120 MHz_〜300 MHz_
杨氏模量测量相对误
鬼 1% -30% ~1%
厚度测量相对误差__1% - 10%_1%- 10%_
多孔Ifi1度测IS相对误 、Ir 土 ^ m I、-.J4. Irf. ^ ,曰
.v, 07% 尚未应用到谈特性参数的测量
信噪比__ft_m_
可再现性 ^ 一般 高
一般(出于PVDF薄膜容易老~高(元器件寿命长而且利用光朿探测 叩__化需要经常更换)_不用接触样品)_
TTTir 系统r奇单,容易保养,出故障系统复杂,保养较_难,出现故障fc养和维仏__时,容碰查维修_时,检雑修困难
成本 一般 --般+[0048] 表2两检测通道各自适用的样品和测试场景
[0049]
Figure CN102768184AD00071
[0050]
[0051] 实施例I
[0052] 通过第一检测通道实现PVDF压电薄膜声表面波检测时其工作流程是:
[0053] 脉冲激光器I发射脉冲激光经第一扩束镜2准直扩束后,被3:7分光镜3分成两部分,7/10脉冲激光和3/10脉冲激光,7/10脉冲激光经柱面聚焦透镜4聚焦在被测样品5的表面,激发产生声表面波信号;压电探头23下面的PVDF压电薄膜探测器24检测到声表面波信号后,3/10脉冲激光作为触发信号触发光电二极管26,通过能量转换,由导线将电信号输出到放大器25,被滤波放大后的信号到达示波器27,最后进入计算机28进行电信号处理。
[0054] 实施例2
[0055] 通过第二检测通道实现差分共焦声表面波检测时其工作流程是:
[0056] 脉冲激光器I发射脉冲激光经第一扩束镜2准直扩束后,被3:7分光镜3分成两部分,7/10脉冲激光和3/10脉冲激光,7/10脉冲激光经柱面聚焦透镜4聚焦在被测样品5的表面,激发产生声表面波信号;波长为632. 8nm的He-Ne激光器7发出的探测光,经过第一扩束镜8扩束准直后被I: I偏振分光镜910极化,使其中的透射光经第一平面反射镜10、入/4波片11和第一聚焦透镜12后聚焦到被测样品5的表面,获取声表面波后按原路返回。由于两次经过X/4波片,探测光的偏振方向改变90°,再次到达1:1偏振分光镜9时,将不能透射只能被反射。该反射光到达1:1分光镜13被均分为两路光,其中第一路反射光经过第二平面反射镜14、第一光阑15、第二聚焦透镜18和第一滤光片20后进入差分光电探测器22的一个探测口。第二路反射光经过第三平面反射镜16,第二光阑17,第三聚焦透镜19,第二滤光片21后进入差分光电探测器22的另一个探测口。最后,差分光电探测器22的输出电信号由示波器27显示,并送入计算机28进行处理。
[0057] 实施例3
[0058] 通过第一检测通道和第二检测通道实现PVDF压电薄膜声表面波和差分共焦声表面波检测时其工作流程是:
[0059] 第一检测通道和第二检测通道要同时工作,在调节时,由于第二检测通道更加复杂,首先要根据实际情况调节第二检测通道,然后再调节第一检测通道。第一检测通道和第二检测通道检测到的电信号可同时在示波器27显示并进行存储,可直观比较第一检测通道和第二检测通道在相同的环境下对同一被测样品5的测试情况。
[0060] 脉冲激光器I发射脉冲激光经第一扩束镜2准直扩束后,被3:7分光镜3分成两部分,7/10脉冲激光和3/10脉冲激光,7/10脉冲激光经柱面聚焦透镜4聚焦在被测样品5的表面,激发产生声表面波信号;压电探头23下面的PVDF压电薄膜探测器24检测到声表面波信号后,3/10脉冲激光作为触发信号触发光电二极管26,通过能量转换,由导线将电信号输出到放大器25,经滤波放大的信号到达示波器27,最后进入计算机28进行电信号处理;
[0061] 波长为632. 8nm的He-Ne激光器7发出的探测光,经过第一扩束镜8扩束准直后被I: I偏振分光镜9极化,使其中的透射光经第一平面反射镜10、A /4波片11和第一聚焦透镜12后聚焦到被测样品5的表面,获取声表面波后按原路返回。由于两次经过入/4波片,探测光的偏振方向改变90°,再次到达1:1偏振分光镜9时,将不能透射只能被反射。该反射光到达1:1分光镜13被均分为两路光,其中第一路反射光经过第二平面反射镜14、第一光阑15、第二聚焦透镜18和第一滤光片20后进入差分光电探测器22的一个探测口。第二路反射光经过第三平面反射镜18,第二光阑17,第三聚焦透镜19,第二滤光片21后进入差分光电探测器22的另一个探测口。最后,差分光电探测器22的输出电信号由示波器27显示,并送入计算机28进行处理。
[0062] 综上所述,本发明实施例提供了一种用于薄膜杨氏模量测量的系统,该该系统不仅拥有压电激光声表面波检测技术信号幅度大、在扰动大的测试环境中适用性强等优点,也继承了差分共焦激光声表面波检测技术快速、准确、非接触测量及信噪比高等优势,适用性更强,适用范围更广。同时,基于差分共焦激光声表面波检测技术高测量带宽的优点,集成系统拥有比传统测量技术更高的测量带宽,大大提高了测量分辨率。
[0063] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图,上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
[0064] 以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1. 一种用于薄膜杨氏模量测量的系统,包括:脉冲激光器(1),所述脉冲激光器(I)发射脉冲激光经第一扩束镜(2)准直扩束后,被3:7分光镜(3)分成7/10脉冲激光和3/10脉冲激光,所述7/10脉冲激光经柱面聚焦透镜(4)聚焦在被测样品(5)的表面,激发产生声表面波信号;其特征在于, 所述声表面波信号经过第一检测通道和/或第二检测通道转换为电信号,并通过示波器(27 )显示后被传输至计算机(28 )进行处理。
2.根据权利要求I所述的一种用于薄膜杨氏模量测量的系统,其特征在于,所述第一检测通道包括:压电探头(23), 所述压电探头(23)下的PVDF压电薄膜传感器(24)检测到所述声表面波信号后,将所述声表面波信号转换为所述电信号;所述3/10脉冲激光作为触发信号触发光电二极管(26),通过导线将所述电信号输出至放大器(25),被滤波放大后的信号到达所述示波器(27),所述示波器(27)获取所述电信号。
3.根据权利要求I所述的一种用于薄膜杨氏模量测量的系统,其特征在于,所述第二检测通道包括:632. 8nm的He-Ne激光器(7), 所述632. 8nm的He-Ne激光器(7)发出探测光,过第二扩束镜(8)准直扩束后,被I: I偏振分光镜(9)极化产生透射光,所述透射光经第一平面反射镜(10)、A /4波片(11)和第一聚焦透镜(12)后聚焦到被测样品(5)的表面,获取所述声表面波信号后经过所述第一聚焦透镜(12)、所述入/4波片(11)、所述第一平面反射镜(10)和所述1:1偏振分光镜(9)后产生反射光,所述反射光传输至1:1分光镜(13)分成第一路反射光和第二路反射光;所述第一路反射光经第二平面反射镜(14)、第一光阑(15)、第二聚焦透镜(18)和第一滤光片(20)后进入差分光电探测器(22)的一个探测口 ;所述第二路反射光经第三平面反射镜(16)、第二光阑(17)、第三聚焦透镜(19)和第二滤光片(21)后进入所述差分光电探测器(22)的另一个探测口 ;所述差分光电探测器(22)输出所述电信号并传输至所述示波器(27),所述示波器(27)获取所述电信号。
4.根据权利要求3所述的一种用于薄膜杨氏模量测量的系统,其特征在于,所述第一滤光片(20)和所述第二滤光片(21)具体为:波长为632. Snm的窄带干涉滤光片。
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