CN106501378A

CN106501378A - 一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块

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Publication number: CN106501378A
Application number: CN201611139550.7A
Authority: CN
Inventors: 徐春广; 朱延玲; 肖定国; 张正; 张佳祺; 翟树朋; 郭灿志; 李培禄
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2036-12-12
Also published as: CN106501378B

Abstract

本发明提供了一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块，本发明通过设计一组特殊构形的缺陷试块来完成对超声显微检测系统综合性能参数的校验，经过一次扫查，即可得到超声显微镜综合参数，能够实现对超声显微镜的综合参数检测，并能够适用于对多种超声显微镜。试块上最小的缺陷尺寸为10微米，试块精度很高。缺陷包括沉孔、条状凹槽、菱形刻痕、圆形刻痕以及正方形刻痕，试块为方形且等分为4个部分，分别为第一部分、第二部分、第三部分和第四部分；所述第一部分上表面设置有沉孔；所述第二部分上表面设置有条状凹槽；所述第三部分的上表面设置刻痕；所述第四部分的上表面设置有一组不等间距分布的正方形刻痕和两组尺寸不同的沉孔。

Description

一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块

技术领域

本发明涉及超声无损检测技术领域，具体涉及一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块，适用于超声显微系统性能的检验与校准。

背景技术

超声显微镜是一种新型的无损检测仪器，它利用高频聚焦超声波对物体进行无损检测，可对物体内部微小缺陷及亚表面微细结构进行高精度、高灵敏度的检测，可观察从表层到数十毫米深度范围内存在的微米到百微米尺度结构，超声显微检测具有高灵敏度、高分辨率和图像直观等特点，目前已广泛应用于电子工业、医学、材料科学等领域。

超声显微检测效果与所用的高频聚焦超声换能器关系重大，高频聚焦超声换能器的主要性能指标有中心频率、焦距、焦区声束宽度等，对于超声显微扫描成像而言，焦区声束宽度越小，扫描出的图像越清晰，即横向分辨力越高。一般来说，频率越高，焦区声束宽度越窄，横向成像精度越高，因此为了获得高的成像精度，在超声显微检测时，所用换能器的频率越高越好。但是，当换能器的频率提高时，声强的衰减会迅速增大，其穿透能力会急剧下降，而且一般频率越高，其信噪比越差，回波信号常湮没在噪声信号中，扫描的图像反而会由于噪点的增加而变得模糊。同时对超声扫描显微镜检测来说，轴向分辨率也是一个需要考虑的重要指标，为得到较高的轴向分辨率，要求脉冲的持续时间短。因此在超声显微检测系统组建好之后，需要一种校准件，对超声显微检测系统的性能进行检测。

在现有的校准件中，有专利公开了一种眼科纵向分辨力测试层靶，用两个固定螺栓将两块3mm厚的有机玻璃夹板固定在一起，中间夹入一定厚度的金属箔，使两个有机玻璃之间的中间区域形成一个狭缝，将这个靶平放入水槽后，水渗入这个狭缝，形成一个水层，这个水层用于测试眼科超声设备的纵向分辨力，但检测范围只有40-60微米，并且靶层的精度和固定螺栓的力的大小有关，精度不能保证。另外一种超声显微镜分辨力测试及校准方法中，通过激光微纳技术在光学玻璃上表面刻蚀了一系列微米级小孔用于检测超声显微系统的横向缺陷分辨力，通过测量玻璃楔块之间的水层厚度来检测超声显微系统的纵向缺陷分辨力，但该方法只针对低于100M超声换能器的超声显微系统的超声分辨力测试，没有很好的普适性，并且超声显微镜性能描述指标包括横向、纵向检测分辨力以及超声扫查系统的运动精度和综合参数，国际和国内关于超声显微检测分辨力及试块的相关研究都比较少，现在急需一种高精度的校准试块能够实现对超声显微镜的综合参数检测，并能够适用于对多种超声显微镜。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块，本发明通过设计一组特殊构形的缺陷试块来完成对超声显微检测系统综合性能参数的校验，经过一次扫查，即可得到超声显微镜综合参数，能够实现对超声显微镜的综合参数检测，并能够适用于对多种超声显微镜。试块上最小的缺陷尺寸为10微米，试块精度很高。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

超声显微镜无损检测性能的综合校准试块表面设置有缺陷，所述缺陷包括沉孔、条状凹槽、菱形刻痕、圆形刻痕以及正方形刻痕；

试块为方形且等分为4个部分，分别为第一部分、第二部分、第三部分和第四部分；所述第一部分上表面设置有沉孔；所述第二部分上表面设置有条状凹槽；所述第三部分的上表面设置有一组不等间距分布的菱形刻痕、一组等间距分布的菱形刻痕、一组不等间距分布的圆形刻痕以及一组等间距分布的圆形刻痕；所述第四部分的上表面设置有一组不等间距分布的正方形刻痕和两组尺寸不同的沉孔，该两组沉孔中，一组沉孔的圆心连线与试块第四部分的右边线夹角为10゜，另外一组沉孔的圆心连线与试块第四部分的下边线夹角为5゜；

其中圆心在一条直线上的沉孔为一组。

所述第一部分上表面设置的沉孔沿扇形分布，沉孔的直径依次分别为0.01mm、0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.08mm、0.1mm、0.125mm、0.15mm、0.175mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm，相邻两个沉孔之间的间隔依次为0.075mm、0.075mm、0.1mm、0.12mm、0.14mm、0.16mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.45mm、0.45mm、0.5mm；相邻两组沉孔之间的圆心连线夹角相同。

所述第二部分上表面设置的条状凹槽长边与第二部分的对角线平行，沿对角线向两边条状凹槽宽度逐渐减小，条状凹槽宽度依次为0.025mm、0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.4mm、0.5mm、0.4mm、0.2mm、0.1mm、0.05mm、0.025mm，相邻两个条状凹槽之间的间隔依次为0.2mm、0.2mm、0.2mm、0.4mm、0.5mm、0.5mm、0.4mm、0.2mm、0.2mm、0.2mm。

所述不等间距分布的菱形刻痕至少有2个且为同心分布，从内到外菱形刻痕边长分别为0.3mm、0.45mm、0.75mm、1.2mm，对应刻痕宽度依次为0.01mm、0.015mm、0.02mm、0.025mm；

所述等间距分布的菱形刻痕至少有2个且为同心分布，从内到外菱形刻痕边长分别为0.3mm、0.6mm、0.9mm、1.2mm，对应线宽依次为0.01mm、0.015mm、0.02mm、0.025mm；

所述不等间距分布的圆形刻痕至少2个且为同心分布，从内到外圆形刻痕直径依次为0.3mm、0.5mm、0.8mm、1.2mm、1.7mm，对应线宽依次为0.01mm、0.015mm、0.02mm、0.025mm、0.03mm；

所述等间距分布的圆形刻痕至少有2个且为同心分布，从内到外圆形刻痕直径依次为0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.1mm、1.3mm、1.5mm、1.7mm，等间距分布的圆形刻痕中圆形的线宽均为0.01mm。

所述正方形刻痕至少有2个且为同心分布，从内到外正方形刻痕边长依次为0.2mm、0.4mm、0.8mm、1.4mm、2.2mm、3mm，对应线宽依次为0.01mm、0.015mm、0.02mm、0.025mm、0.03mm、0.035mm。

所述第四部分上的两组沉孔中，一组沉孔的直径依次为0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.08mm、0.1mm、0.12mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm；

所述另一组沉孔的直径依次为0.01mm、0.012mm、0.014mm、0.016mm、0.018mm、0.02mm、0.022mm、0.024mm、0.026mm、0.028mm、0.03mm、0.032mm、0.034mm、0.036mm、0.038mm、0.04mm、0.042mm、0.044mm、0.046mm、0.048mm、0.05mm、0.052mm、0.054mm、0.056mm、0.058mm、0.06mm。

较佳地，试块长为10mm，宽为10mm，高为0.5mm，所述第一部分、第二部分、第三部分与第四部分为5mm×5mm的正方形。

试块上的所述缺陷的深度相同，均小于0.2mm。所述缺陷利用激光微纳加工技术加工刻蚀在试块表面，试块材质为硅片。所述相邻两组沉孔之间的圆心连线夹角为23°。

有益效果：

本发明的试块上设置有不同的沉孔、条状凹槽以及细线刻蚀的刻痕，能够同时检测超声显微镜综合参数，用于验证超声显微检测系统的横向、纵向缺陷检测能力以及超声显微扫查系统的运动精度和速度技术指标，经过一次扫查，即可得到超声显微镜综合参数；

本发明利用激光微纳加工技术在硅片光学玻璃片上表面刻蚀了一系列微米级沉孔、条状凹槽及其他刻痕，试块上最小的缺陷尺寸为10微米，试块的实现了较高的检测精度，能够对高频超声换能器的超声显微系统进行超声分辨力测试。

附图说明

图1试块示意图；

图2为试块第一部分示意图；

图3试块第二部分示意图；

图4试块第三部分示意图；

图5为试块第四部分示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块，试块表面刻蚀有一系列微米级沉孔、条状凹槽以及刻痕形成的图案，对于采用高频聚焦超声换能器的超声显微镜系统，通过设置相应的采集参数和扫查参数对各种刻痕进行超声显微扫查成像后既可以辨别系统的横向检测分辨力，又可以评价扫查系统各个运动轴及三轴两栋的精确度。系统所能测量的试块的最小沉孔的尺寸即为系统的横向检测分辨力，系统所能测量的试块最薄厚度值即为系统的纵向检测分辨力。沉孔、条状凹槽以及细线刻痕的确定尺寸及间距能够用于检测系统扫查轴的运动精度，本发明的试块整体功能多样，可广泛用于超声扫查成像检测设备；试块上最小的沉孔直径为10微米，检测精度高，能够对高频超声换能器的超声显微系统进行超声分辨力测试。

对于高频聚焦换能器来说，其横向分辨率与超声声束在焦点处的直径大小(BeamDiameter，BD)有关。BD一般指脉冲回波信号功率下降6dB时的声束宽度，BD越小，分辨率就越高，也称为-6dB横向分辨率，BD表示为：

式中，c——超声波声速；

f₀——换能器中心频率；

F_L——换能器焦距；

D——换能器晶片直径。

针对500M超声换能器的换能器在硅片中的声速为8843m/s，换能器晶片直径0.231mm，换能器焦距0.15mm，代入公式可以算出声束直径约为0.012mm，因为实际分辨力与理论分辨力会存在一定的误差，试块上设置有0.01mm、0.012mm、0.014mm的沉孔，用于对500M超声换能器进行检测。

本发明所述的超声显微镜无损检测性能的综合校准试块表面设置有缺陷，所述缺陷包括沉孔、条状凹槽、菱形刻痕、圆形刻痕以及正方形刻痕，试块等分为5mm×5mm的4个正方形，分别为第一部分、第二部分、第三部分和第四部分；

试块第一部分如图1所示，第一部分上表面设置有沉孔，沉孔沿扇形分布，圆心在一条直线上的沉孔为一组，沉孔由小到大设置，同一组沉孔中，以最小的沉孔为起点，沉孔的直径分别为0.01mm、0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.08mm、0.1mm、0.125mm、0.15mm、0.175mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm，相邻两个沉孔之间的间隔分别为0.075mm、0.075mm、0.1mm、0.12mm、0.14mm、0.16mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.45mm、0.45mm、0.5mm；各组沉孔之间的圆心连线等角度分布，较佳地，相邻两组沉孔的圆心连线夹角为23°；

试块第二部分如图2所示，第二部分上表面设置有条状凹槽，条状凹槽长边与第二部分的对角线平行，沿对角线向两边条状凹槽宽度逐渐减小，最靠近第二部分边缘的条状凹槽为最窄的条状凹槽，以最窄的条状凹槽为起点，条状凹槽宽度分别为0.025mm、0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.4mm、0.5mm、0.4mm、0.2mm、0.1mm、0.05mm、0.025mm，相邻两个条状凹槽之间的间隔分别为0.2mm、0.2mm、0.2mm、0.4mm、0.5mm、0.5mm、0.4mm、0.2mm、0.2mm、0.2mm；

试块第三部分如图3所示，第三部分的上表面设置有一组不等间距分布的菱形刻痕、一组等间距分布的菱形刻痕、一组不等间距分布的圆形刻痕以及一组等间距分布的圆形刻痕，其中不等间距分布的菱形刻痕包括多个不同边长的同心菱形刻痕，菱形的顶角为60゜和120゜，从内到外菱形刻痕的边长分别为0.3mm、0.45mm、0.75mm、1.2mm，对应线宽依次为0.01mm、0.015mm、0.02mm、0.025mm，从内到外相邻两个菱形之间的间隔分别为0.15mm、0.3mm、0.45mm；

等间距分布的菱形刻痕包括多个不同边长的同心菱形刻痕，菱形的顶角为为120゜和60゜，从内到外菱形刻痕的边长分别为0.3mm、0.6mm、0.9mm、1.2mm，对应线宽依次为0.01mm、0.015mm、0.02mm、0.025mm，相邻两个菱形刻痕之间的间隔为0.3mm；

不等间距分布的圆形刻痕包括多个不同直径的同心圆形刻痕，从内到外圆形刻痕的直径依次为0.3mm、0.5mm、0.8mm、1.2mm、1.7mm，对应线宽依次为0.01mm、0.015mm、0.02mm、0.025mm、0.03mm，从内到外相邻两个圆形刻痕之间的间隔分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm；

等间距分布的圆形刻痕包括多个不同直径的同心圆形刻痕，从内到外圆形刻痕的直径依次为0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.1mm、1.3mm、1.5mm、1.7mm，等间距分布的圆形刻痕的线宽均为0.01mm，相邻两个圆形刻痕之间的间隔为0.2mm。

试块第四部分如图4所示，第四部分的上表面设置有一组不等间距分布的正方形刻痕和两组沉孔，其中所述正方形刻痕包括多个不同边长的同心正方形，从内到外正方形边长依次为0.2mm、0.4mm、0.8mm、1.4mm、2.2mm、3mm，对应线宽依次为0.01mm、0.015mm、0.02mm、0.025mm、0.03mm、0.035mm；

第四部分的两组沉孔中，一组沉孔的圆心连线与试块第四部分的右边线夹角为10゜，沉孔直径分别为0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.08mm、0.1mm、0.12mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm；

另外一组沉孔的圆心连线与试块第四部分的下边线夹角为5゜，沉孔直径分别为0.01mm、0.012mm、0.014mm、0.016mm、0.018mm、0.02mm、0.022mm、0.024mm、0.026mm、0.028mm、0.03mm、0.032mm、0.034mm、0.036mm、0.038mm、0.04mm、0.042mm、0.044mm、0.046mm、0.048mm、0.05mm、0.052mm、0.054mm、0.056mm、0.058mm、0.06mm。

较佳地试块尺寸为长10mm，宽10mm，高0.5mm，所述试块的第一部分、第二部分、第三部分与第四部分为5mm*5mm的正方形；所述缺陷利用激光微纳加工技术加工刻蚀在试块表面，同一个试块上的缺陷深度相同，缺陷深度小于0.2mm，试块厚度可以根据超声显微检测的频率变化和需要制备不同厚度的试块，满足超声显微检测深度的需要。

当超声波声束扫查本发明试块中的沉孔的正面或反面时，通过反射回波的幅度大小和位置，可以校准超声显微镜对当量缺陷检测的纵向和横向分辨能力。当超声波声束扫查本发明试块中的条状凹槽正面或反面时，通过反射回波的幅度大小和位置，可以校准超声显微镜对当量裂纹缺陷无损检测或槽宽深尺寸测量的分辨能力。

当超声波声束扫查本发明试块中不同的圆形刻痕或菱形刻痕的正面或反面时，通过反射回波的幅度大小和位置以及图形提取算法，可以校准超声显微镜对每个方向扫查运动轴的位移精度和对缺陷形状精度的检测能力或误差，为综合评定超声显微镜性能提供技术参数。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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

1.一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块，其特征在于，试块表面设置有缺陷，所述缺陷包括沉孔、条状凹槽、菱形刻痕、圆形刻痕以及正方形刻痕；

其中圆心在一条直线上的沉孔为一组。

2.如权利要求1所述的一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块，其特征在于，所述第一部分上表面设置的沉孔沿扇形分布，沉孔的直径依次分别为0.01mm、0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.08mm、0.1mm、0.125mm、0.15mm、0.175mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm，相邻两个沉孔之间的间隔依次为0.075mm、0.075mm、0.1mm、0.12mm、0.14mm、0.16mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.45mm、0.45mm、0.5mm；相邻两组沉孔之间的圆心连线夹角相同。

3.如权利要求所述的一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块，其特征在于，所述第二部分上表面设置的条状凹槽长边与第二部分的对角线平行，沿对角线向两边条状凹槽宽度逐渐减小，条状凹槽宽度依次为0.025mm、0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.4mm、0.5mm、0.4mm、0.2mm、0.1mm、0.05mm、0.025mm，相邻两个条状凹槽之间的间隔依次为0.2mm、0.2mm、0.2mm、0.4mm、0.5mm、0.5mm、0.4mm、0.2mm、0.2mm、0.2mm。

4.如权利要求1所述的一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块，其特征在于，所述不等间距分布的菱形刻痕至少有2个且为同心分布，从内到外菱形刻痕边长分别为0.3mm、0.45mm、0.75mm、1.2mm，对应刻痕宽度依次为0.01mm、0.015mm、0.02mm、0.025mm；

5.如权利要求1所述的一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块，其特征在于，所述正方形刻痕至少有2个且为同心分布，从内到外正方形刻痕边长依次为0.2mm、0.4mm、0.8mm、1.4mm、2.2mm、3mm，对应线宽依次为0.01mm、0.015mm、0.02mm、0.025mm、0.03mm、0.035mm。

6.如权利要求1所述的一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块，其特征在于，所述第四部分上的两组沉孔中，一组沉孔的直径依次为0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.08mm、0.1mm、0.12mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm；

7.如权利要求1-6所述的一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块，其特征在于，试块长为10mm，宽为10mm，高为0.5mm，所述第一部分、第二部分、第三部分与第四部分为5mm×5mm的正方形。

8.如权利要求1-6任一权利要求所述的一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块，其特征在于，试块上的所述缺陷的深度相同，均小于0.2mm。

9.如权利要求1-6任一权利要求所述的一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块，其特征在于，所述缺陷利用激光微纳加工技术加工刻蚀在试块表面。

10.如权利要求1-6任一权利要求所述的一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块，其特征在于，试块材质为硅片。

11.如权利要求2任一权利要求所述的一种超声显微镜无损检测性能的综合校准试块，其特征在于，所述相邻两组沉孔之间的圆心连线夹角为23°。