CN103018339A - 一种高速高精度的超声显微扫查装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一套高速高精度的超声显微扫查装置，适用于电子封装、复合材料及医学应用的超声检测领域。本装置的扫查定位精度为0.1μm，采用中心频率为50MHz以上的高频聚焦换能器，采样频率为4GHz的高频数据采集卡，以及通频带为1-500MHz的脉冲收发仪，使用高效率的编码器硬件触发和DMA存储，扫查理论分辨率可达3μm，扫查速度可达1.5m/s。本装置配套有自行研制的超声显微扫查软件，可进行超声C成像、B成像，提供跟踪闸门功能，并集成全波数据采集和数据后处理模块。

Description

一种高速高精度的超声显微扫查装置

一、技术领域

本发明设计制造了一种应用于超声显微检测中的高速高精度的超声显微扫查系统，适用于电子封装和复合材料的超声显微检测领域。

二、背景技术

超声显微检测技术是检测电子封装等精密结构内部缺陷的一种非常有效的手段，它是一种利用聚焦高频超声，通常为20MHz～300MHz，对物体表面、亚表面及其内部一定深度内的细微结构显微成像，进行可视化观察的技术，它主要是针对半导体器件、芯片、材料内部的失效分析，可以检查材料内部的晶格结构，杂质颗粒、内部裂纹、分层缺陷、空洞、气泡等。

在超声显微检测中，要提高检测精度，首先需要高频率、小直径的换能器，制作稳定的高频换能器目前是一个技术难点。超声波频率的提高使得超声波的穿透能力下降，衰减迅速，检测信号强度很弱，所以高频超声检测对信号放大技术、信号防屏蔽技术、信号处理算法等都是一个挑战。其次，超声显微扫查需要高精度、高平稳性机械扫查装置，以及高度稳定的扫查平台，以及精确的运动控制算法，才能保证足够的缺陷检出率。另外，由于扫查精度很高，扫查点数多，数据量大，超声显微扫查系统必须采用高效率的触发与采集模式以及存储模式。

三、发明内容

本发明的目的是提供一整套高速高精度的超声显微扫查装置及配套扫查软件的设计和制造方案。

本发明使用聚焦声透镜，利用超声脉冲回波扫查原理，设计制造一套超声显微扫查装置，理论检测分辨率达到3μm。根据检测精度的需要，计算所需换能器的形式、频率、聚焦等参数，选取高精度的电机和丝杠，组成工作平台，并采用高性能的运动控制卡、高频数据采集卡，及高频脉冲收发仪，组建超声显微扫查系统。以本装置为基础，设计编写一套超声显微扫查软件，可进行超声C成像、B成像，扫查速度可达1.5m/s，支持编码器硬件触发功能，提供跟踪闸门功能，可采集全波数据，并集成采集数据后处理模块。

四、附图说明

图1聚焦声透镜脉冲回波扫查原理示意图

1-压电晶片，2-声透镜，3-耦合液体，4-被测物体

图2扫查机构示意图

1-聚焦轴导轨，2-扫查轴导轨，3-索引轴导轨，4-大理石工作台，5-超声换能器

6-水槽，7-辅助导轨

图3超声显微扫查系统结构示意图

五、具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

1.声透镜

图1为脉冲回波式聚焦探头检测示意图。脉冲回波式超声显微扫查的探头必须为聚焦探头，其中集合了声透镜。声透镜一端是平整光滑的表面，用于耦合超声换能器，另一表面上有一个凹的聚焦球面，在透镜和试样中间必须充满耦合液，通常为水。

2.分辨率

超声显微镜的分辨率理论上可以用瑞利准则来估算，即分辨率主要由声波的波长决定。波长λ的平面波孔径a₀、焦距q的透镜聚焦，焦平面上振幅分布为：

$U\left(r\right)=\frac{\exp (-i2\mathrm{\πq}/\mathrm{\λ})}{i(2\mathrm{\πq}/\mathrm{\λ})}\exp \left(\frac{{\mathrm{i\πr}}^2}{\mathrm{q\λ}}\right)\mathrm{\π}{a}_0^2\left[\frac{2J_1({2\mathrm{\πra}}_0/\mathrm{q\λ})}{2\mathrm{\πr}{a}_0/\mathrm{q\λ}}\right]$

显微镜的分辨率w为：

$w=0.61\mathrm{\λ}\frac{a_0}{q}$

同时，为使试样表面反射回波与透镜回波分开，透镜最短焦距q应为：

$q_{\min }=\frac{v_0{t}_0}{2}$

其中v₀为耦合液的声速，t₀为声脉冲长度。

3.超声显微扫查装置硬件结构

整个超声显微扫查系统主要分一下几个部分：机械系统，计算机，运动控制系统，信号源，数据采集系统，高频聚焦探头。系统框架图如图3所示。

机械运动系统如图2所示，其主体部分是一个高精度三轴扫查机构。其中扫查轴为一台高精度直线电机，索引轴和聚焦轴为步进电机-丝杠传动系统；辅助导轨的作用是保持索引轴与扫查轴的垂直度及索引轴的运动稳定性；大理石工作台的作用是保持水平及运动稳定性；水槽负责装载耦合液与被测工件。

计算机为整个系统的中央控制单元，负责与用户对话、发送指令、接受数据、数据处理和显示以及保存数据。计算机选用稳定的工控机，内部用软件实现对运动控制卡控制指令的发送和接受反馈信号并加以控制，以及对数据采集卡发送控制指令并采集测试信号数据，并进行数据处理后显示在屏幕上。

运动控制系统由Galil控制卡、电机驱动器、电源和电机和编码器组成。工作时，计算机根据用户指令，经计算后给Galil发送控制指令，包括速度、位置信息。Galil通过电机驱动器驱动电机，带动探头移动。Galil运动控制卡可以通过以太网与计算机进行互联。编码器负责实时返回换能器的位置，也可用于触发数据采集卡，提高扫查效率。

数据采集系统由脉冲收发仪、数据采集卡和探头组成。计算机发送控制指令给脉冲收发仪，脉冲收发仪发出指定频率的脉冲信号给发射探头，发射探头将脉冲转化为指定频率的超声波，声波经过被测物体后被接收探头接收，转化为电信号由脉冲收发仪接收并传递给数据采集卡，数据采集卡采集信号并进行处理后传递给计算机。脉冲收发仪通过RS232串口与计算机通信。数据采集卡要达到足够高采样频率，数据采集卡和计算机之间通过PCI插槽进行通信。

高频聚焦探头采用中心频率为20-300MHz的高频聚焦探头，其理论分辨率达到3μm。由于高频超声波衰减速度快，信号弱，所以在脉冲收发仪和探头中间加以前置放大器，并用良好的防屏蔽信号线屏蔽干扰。

4.超声显微扫查系统软件架构

扫查软件的主要分为4个模块。

第一是数据采集模块，用于控制数据采集卡和脉冲收发仪，根据指定的参数采集波形，进行放大、滤波等处理后，存储数据，并将波形显示在屏幕上。

第二是运动控制模块，利用运动控制卡驱动运动控制系统，实现对换能器速度、位置的精确控制。

第三是显微扫查模块，该模块架构分为双线程实现。子线程负责控制运动控制卡驱动电机运动，以及从数据采集卡获得数据并传入数据队列。主线程负责与用户的交互，从数据队列中获取数据并进行处理，然后绘制图像显示在屏幕上并保存数据。扫查过程中采用编码器触发和DMA存储模式，即编码器脉冲直接发送给数据采集卡，数据采集卡记录脉冲数，每达到一定脉冲数，采集卡自动进行一次采集并将数据存入自身内存，当采集到一定数量时，计算机将采集卡内存中的数据一并取出，避免了位置查询与多次数据传输，大大提高了数据采集效率。

第四是数据后处理模块，用于处理分析之前扫查存储的全波数据，并提供层析图像分析。该模块提供峰峰值、正负向幅值、TOF、相位模式等多种数据处理模式，可修改闸门参数重新绘图，并可以进行数据的放大、滤波等处理，以及图像的去噪、锐化等处理。

Claims (4)

1.一种高速高精度的超声显微扫查装置，其特征在于：它包括基于高频聚焦超声换能器和高频数据采集卡的脉冲回波扫查，直接内存存取(DMA)技术，基于光栅尺编码器触发的高速扫查技术。

2.根据权利要求1所述的基于高频聚焦超声换能器和高频数据采集卡的脉冲回波扫查，其特征在于：高频聚焦超声换能器频率达到50-500MHz，理论分辨力最高可达3μm；高频数据采集卡采集频率可达4GHz。

3.根据权利要求1所述的基于直接内存存取技术的高速扫查，其特征在于：将直接内存存取(DMA)技术应用于超声显微扫查装置，将采集数据直接存入数据采集卡内存中，当数据达到一定数量时统一传入计算机内存，减少了传输次数，提高传输效率。

4.根据权利要求1所述的基于光栅尺编码器触发的高速扫查技术，其特征在于：将编码器触发技术应用于超声显微扫查装置，光栅尺编码器根据位置发送脉冲给数据采集卡，数据采集卡根据脉冲数产生触发信号，并进行自动采集，避免了计算机的查询式位置判断，提高扫查效率与精度。

Images