CN108426545A - 一种应用超声表面波无损检测薄膜厚度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用超声表面波无损检测薄膜厚度的方法，包括：根据样片薄膜与基底的材料参数，计算其理论频散曲线；利用激光激发超声表面波系统对样片进行检测，在距离激发源一定距离的两个位置处通过压电探测器探测表面波信号；计算出其幅度特性和相位特性，求解出声表面波的相速度，获得表面波的实验频散曲线；进行一次多项式拟合；选择理论频散曲线上的一个数据点，将该数据点的波速值v带入到拟合曲线计算其对应的频率值；通过比较理论频散曲线中的频率膜厚积与拟合曲线中的频率即可求出样片的厚度。本发明可以提高表面波波速测量的准确性。
Description
技术领域
本发明属于无损检测和超声表面波技术领域。
背景技术
薄膜材料广泛应用于能源、光学、机械、航空、航天、核工业等各个领域，其发展和进程直接关系到信息技术、微电子技术、计算机科学等领域的进程和发展。在薄膜的生产制备过程中，薄膜厚度不仅仅是体现薄膜尺寸主要参数，它更是影响到薄膜的功能和寿命。因此，薄膜厚度是评估薄膜质量的重要参数之一。对于薄膜厚度的测量，传统的机械方法对薄膜具有破坏性，并不适用于当今薄膜生产的要求。而表面波技术具有无损、快速、实验易操作的特点，可应用于薄膜研究和制备过程的厚度在线检测。表面波技术依据原理是表面波在分层结构中的频散现象(不同频率的表面波的传播速度不同)。表面波在分层机构中的频散曲线 v(f)与薄膜的杨氏模量、厚度、密度和泊松比相关，将参数带入MATLAB程序中可计算出相应的理论频散曲线v(f)。对于待测未知参数膜厚，通过设定不同的膜厚值计算大量理论频散曲线v(f)与实验频散曲线v(f)匹配，从中选择匹配度最高的理论频散曲线v (f)所对应的膜厚值即为最终测量结果。目前这一匹配算法不可避免的需要计算大量理论频散曲线v(f)，匹配时需要占用一定的计算量和时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种膜厚计算的优化算法，仅由一条理论频散曲线即可获得厚度参数，避免计算大量理论频散曲线与实验曲线进行匹配的过程。本发明的技术方案如下：
一种应用超声表面波无损检测薄膜厚度的方法，包括下列步骤：
(1)根据样片薄膜与基底的材料参数，计算其理论频散曲线v(fh)。
(2)利用激光激发超声表面波系统对样片进行检测，在距离激发源一定距离的两个位置处通过压电探测器探测表面波信号；
(3)对探测到的表面波信号进行傅里叶快速变换，计算出其幅度特性和相位特性，求解出声表面波的相速度，获得表面波的实验频散曲线v(f)；
(4)该实验频散曲线v(f)进行一次多项式拟合得到拟合曲线；
(5)选择理论频散曲线v(fh)上的一个数据点(fhtheoty,v)，将该数据点的波速值v带入到步骤(4)得到的拟合曲线计算其对应的频率值ffit；
(6)通过比较理论频散曲线v(fh)中的频率膜厚积fhtheoty与拟合曲线中的频率ffit即可求出该样片的厚度h。
附图说明
图1理论频散曲线v(f)与理论频散曲线v(fh)关系图。
图2SiO2样片的理论频散曲线v(fh)。
图3SiO2样片的实验频散曲线及其一次拟合曲线。
具体实施方式
为说明本算法的原理，首先要介绍薄膜厚度h与表面波频散曲线的关系。根据弹性动力学理论，不同于杨氏模量、密度和泊松比，薄膜在计算表面波相速度时以k*h的形式参与到理论计算中的,因此理论计算出的波速v与k*h具有一一对应的关系。又因为 k*h＝2π*h/λ＝2π*fh/v，所以在v(k*h)图、v(h/λ)图以及v(fh)图中只以薄膜膜厚为变量的频散曲线都将回归到同一条曲线中。如图1所示三条v(f)形式的频散曲线对应着同种材料的三种不同的厚度。而将其数据点的横坐标f乘以其对应的厚度值(横坐标变换)改写为v(fh)形式的频散曲线后，三条曲线重合才了一起。
根据上述理论分析，任意厚度的v(f)形式的频散曲线做横坐标变换都将回归到其唯一的v(fh)形式的频散曲线上。而通过直接计算理论频散曲线v(fh)，亦可以反推出任意厚度薄膜对应的v(f)形式的频散曲线。
本算法的原理是联系可直接用MATLAB程序计算的理论频散曲线v(fh)和实验频散曲线v(f)，通过选取同一相速度值v，找出其在两条曲线中对应的频率膜厚积fh(理论曲线中获得)和频率f(实验曲线中获得)，二者之比即为样片膜厚。
下面以SiO2样片为例对本发明的方法进行详细说明。
1、如图2，根据该SiO2样片薄膜与基底的材料参数，可通过MATLAB程序计算出其理论频散曲线v(fh)。
2、利用激光激发超声表面波系统对样片进行检测，在距离激发源一定距离的两个位置处通过压电探测器探测表面波信号，对探测到的原始信号做数字信号处理，即进行傅里叶快速变换，计算出其幅度特性和相位特性，求解出声表面波的相速度，获得表面波的实验频散曲线v(f)；
2、如图3所示，由于该样片的实验频散曲线20-140MHz的频率范围内趋于线性，所以对该曲线进行一次多项式拟合以降低实验曲线的振动。其拟合方程为：
v＝﹣0.89884ffit﹢5081 (1)
3、选择理论频散曲线v(fh)上的一个数据点(fhtheoty,v)，将该数据点的波速值v带入到方程(1)中可计算出对应的频率值ffit；
4、使用公式(2)，通过比较理论频散曲线v(fh)中的频率膜厚积fhtheoty与拟合曲线中的频率ffit即可求出该SiO2样片的厚度h；
5、由于理论频散曲线v(fh)由多个数据点组成，因此在符合实验频散曲线20-140MHz 的频率范围内，一系列数值相差不大的膜厚值可被计算出来。表1中列出了该SiO2样片的理论频散曲线和拟合曲线数据，13个膜厚值根据不同数据点被计算出来。数据的平均值1004 nm为计算的最终结果。
表1理论频散曲线和拟合曲线数据点以及膜厚计算结果
Claims (1)
1.一种应用超声表面波无损检测薄膜厚度的方法，包括下列步骤：
(1)根据样片薄膜与基底的材料参数，计算其理论频散曲线v(fh)；
(2)利用激光激发超声表面波系统对样片进行检测，在距离激发源一定距离的两个位置处通过压电探测器探测表面波信号；
(3)对探测到的表面波信号进行傅里叶快速变换，计算出其幅度特性和相位特性，求解出声表面波的相速度，获得表面波的实验频散曲线v(f)；
(4)该实验频散曲线v(f)进行一次多项式拟合得到拟合曲线；
(5)选择理论频散曲线v(fh)上的一个数据点(fhtheoty,v)，将该数据点的波速值v带入到步骤(4)得到的拟合曲线计算其对应的频率值ffit；
(6)通过比较理论频散曲线v(fh)中的频率膜厚积fhtheoty与拟合曲线中的频率ffit即可求出该样片的厚度h。
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