CN110006353A - 一种热栅格扫描热波无损薄膜厚度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热栅格扫描热波无损薄膜厚度检测方法，本发明沿直线匀速移动所述栅格热源，且栅格热源的移动轨迹平行于薄膜所在平面，并通过热像仪记录薄膜表面温度信号；通过数据处理系统分析步骤二得到的温度信号，拟合出薄膜表面各点温度信号的幅值和相位；针对所测材料的属性，预先标定其幅值和相位随厚度变化的规律；通过对比薄膜表面热波信号的幅值和相位，根据标定好的厚度规律，拟合得到薄膜的厚度及厚度分布。本发明采用空间分布的稳态热波对薄膜厚度进行检测，而不是采用热波瞬态响应信号，因此对热像仪的采样频率要求极低，对信号灵敏度要求也极低。

Description

一种热栅格扫描热波无损薄膜厚度检测方法

技术领域

本发明属于红外无损检测技术领域，具体涉及一种热栅格扫描热波无损薄膜厚度检测方法及其应用。

背景技术

薄膜结构在工业、科研、生活等各方面有广泛应用，是一种十分重要的基本结构。半导体行业，比如芯片中含有大量的膜结构；显示屏主要是薄膜结构，当今快速发展的柔性电子概念，也主要由柔性薄膜组成；航空发动机、燃气轮机高温叶片等关键部件都由热障涂层进行热防护，此外还有各种环境障碍涂层等都是典型的薄膜结构。生活中空气净化，水净化等都由有各种渗透膜结构，此外家具的油漆，以及建筑的墙皮等都是典型的薄膜结构。

薄膜的厚度与均匀性、一致性是衡量薄膜质量的关键参数之一。电子设备小型化要求半导体芯片封装尽可能薄，以减少体积同时改进散热；平面显示屏薄膜厚度对显示均匀性以及对导光板的光源均匀性有重要影响；柔性电子薄膜厚度决定薄膜的韧性和可靠性；热障涂层的厚度指标决定着其隔热性能和寿命；生活中的各种膜结构直接关系着其性能与可靠性。因此如何测量和评估薄膜厚度一直是各领域共同关注的重要问题。

目前检测薄膜厚度的方法有电涡流、超声波、X射线等方法。但由于各种膜结构材料性质，应用环境的差异，导致测量和评估薄膜厚度在技术上有很多限制，目前虽然已有多种检测技术，但普遍存在技术通用性差，精度低，对设备要求高等特点。电涡流检测厚度，灵敏度高，但是只能用于检测导电基体上的薄膜，而且需要长时间逐点扫描，效率低，应用范围有限。超声波方法通用性强，但是检测薄膜厚度时精度低，仍然需要逐点扫描，效率低。X射线方法检测精度高，但设备庞大，通用性极差。相比其他检测方法，热波检测方法具有通用性强的特点。热波可以在各种材料中传播，热波遇缺陷和界面后，会在缺陷或者界面处反射，最终对入射面的热信号形成影响，通过热像仪检出。通过分析热像仪的拾取信号，最终分析出缺陷的存在和位置，这是热波检测的基本原理。在各种检测方法中，红外热波检测方法是较为通用的检测方法，在薄膜厚度检测可望发挥重要作用

目前热波检测方法中，产生热源的方法可以分为面热源，线热源、和点热源。面热源通过加热灯对整个薄膜加热，控制光源的亮暗可以在表面形成均匀热波，热波垂直薄膜表面向内传播。线热源，主要通过激光在薄膜表面形成一束光斑，光斑在表面移动，形成一个水平移动的热波，通过热像仪检测延迟信号，来进行厚度测量。点热源方法也类似。目前所有热波检测方法，都要求热像仪采样频率高，以实现对时间信号的精确区分，进而推算出薄膜厚度。虽然激光线扫描方法，对热像仪要求相对较低，但对信号的灵敏度反而提出了更高要求。点热源方法面临同样的对热像仪性能的严格要求。而点矩阵热源方法，虽然可以实现大面积的厚度检测，但因其利用热瞬态信号，仍然对热像仪性能要求极高。虽然可以通过提高激光功率的办法增强信号，但是高功率的激光有可能造成表面损伤，在很多材料上不能应用。以上方法共同面临的技术问题是，当薄膜厚度很薄时，对热像仪采样频率或者信号灵敏度有极高的要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种热栅格扫描热波无损薄膜厚度检测方法及其应用，克服现有热波检测方法对热像仪的采样频率或信号灵敏度有极高的要求的缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种热栅格扫描热波无损薄膜厚度检测方法，该方法通过热像仪记录栅格热源在薄膜表面形成的稳态热波的温度信号，对薄膜的厚度进行检测，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：采用栅格热源在薄膜表面形成均匀栅格分布的热源；

步骤二：沿直线匀速移动所述栅格热源，且栅格热源的移动轨迹平行于薄膜所在平面，并通过热像仪记录薄膜表面温度信号；

步骤三：通过数据处理系统分析步骤二得到的温度信号，拟合出薄膜表面各点温度信号的幅值和相位；针对所测材料的属性，预先标定其幅值和相位随厚度变化的规律；

步骤四：通过对比薄膜表面热波信号的幅值和相位，根据标定好的厚度规律，拟合得到薄膜的厚度及厚度分布。

所述栅格热源包括采用激光光源形成均匀的多条纹光栅、采用平行电热丝平铺后形成平行热栅格、通过投影仪投影成稳定光栅或在均匀热盘表面布置平行分布的冷却管道。

解决了快速变化热波信号检测的两个主要问题：高能量短脉冲热激励和高速图像采集。

标定其幅值和相位随厚度变化的规律，具体包括以下步骤：

(1)针对特定薄膜，制备不同厚度的薄膜标准试件，测量出薄膜厚度分别记为h1,h2,h3，…hn；

(2)在薄膜表面形成均匀强度正弦栅格分布的热源，形式为：A*Sin(W*x+U*t+ψ),A为热源的幅值，W是空间频率，U是时间频率，x是薄膜表面移动方向的坐标，t为时间，ψ为相位，此为热波输入信号；

(3)固定热像仪，使栅格热波平行薄膜表面匀速移动，用热像仪记录薄膜表面温度信号，通过热像仪信号重新识别出薄膜表面各点的温度信号，并通过数据拟合出各点的热波信号A₀*Sin(w*x+u*t+ψ₀)，主要获取热波幅值A₀，和相位ψ₀，此热波为输出信号，对不同厚度的时间获取热波相位和幅值；

(4)探究薄膜厚度与相位的关系，并得到厚度与相位的关系曲线，拟合出相应相位-厚度函数ψ₀＝ψ₀(h)与h＝h(ψ₀)。

本发明还提供了热栅格扫描热波无损薄膜厚度检测方法用于陶瓷薄膜厚度检测的应用。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本发明的检测方法，降低了对热像仪采样频率和信号灵敏度的要求，采用栅格热源，即在薄膜表面制造均匀的条形分布的热源，形成一个稳定的空间热源。随着栅格热源的移动，在薄膜表面形成一个均匀分布的空间热波。对薄膜上任一点都形成了一个稳定的热波，只是表面各点间的热波在热栅格移动方向上存在相位差。当热波遇到薄膜底部时会被反射，再传到表面，被热像仪拾取。这种表面条纹分布的热波的传播深度受热波表面波长(即热栅格周期)调制，表面波长越短，则热波传播深度越浅。因此改变表面波长，即可测出薄膜厚度。通过处理反射波与入射波的关涉图像，可以分析出薄膜的厚度。此方法的最大优点是，采用空间分布的稳态热波对薄膜厚度进行检测，而不是采用热波瞬态响应信号，因此对热像仪的采样频率要求极低，对信号灵敏度要求也极低。

(Ⅱ)栅格热波的探测深度由两个因素决定，表面波长与栅格在表面上的移动速度决定，表面波长越短，探测深度越浅。栅格移动速度越快，探测深度越浅。

(Ⅲ)栅格热波的探测深度由两个因素决定，表面波长与栅格在表面上的移动速度决定，表面波长越短，探测深度越浅。栅格移动速度越快，探测深度越浅。

(Ⅳ)采用表面热波信号的相位进行厚度检测，优点是受薄膜表面的各种缺陷干扰少，比如表面颜色、表面元素分布等。

(Ⅴ)采用表面热波幅值进行检测，优点是对热像仪信号的灵敏度要求低，尤其适用于对可以承受高温的薄膜。对可以承受高温的薄膜，比如陶瓷薄膜，可以简单的提高热源功率，采用普通灵敏度的热像仪即可实现高灵敏度检测。

附图说明

图1是本发明热栅格扫描热波无损薄膜厚度检测系统图。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

用于塑料薄膜、陶瓷薄膜、建筑涂层厚度检测的应用，不局限于此类。

实施例1：

遵从上述技术方案，如图1所示，本实施例给出一种热栅格扫描热波无损薄膜厚度检测方法，本检测方法步骤如下：

实施例1可以检测陶瓷薄膜。

为了方便理解本专利的实施，下面对本发明的实施给出具体应用说明。

探测频率0.02Hz，热栅格波长为1～40cm，试件尺寸为40cm×4cm×1cm，表面用APS喷涂氧化钇稳定氧化锆(8wt.％YSZ)制备TBC涂层，厚度为200μm。

(1)通过电脑软件生成移动光栅图像，采用投影仪向薄膜表面投影，为了增强热波信号，最好采用传统的热光源投影仪，而不是LED光源的投影。

(2)通过热像仪记录薄膜表面温度信号。在热波的一个时间周期内，每1/4周期采集一张热波图像，共记录四个时间点的热波信号图像。

(3)对热波图像的任一点的温度信号拟合A₀*Sin(w*x+u*t+ψ₀)，得到A₀和ψ₀。

(4)针对氧化钇稳定氧化锆(8wt.％YSZ)，预先标定出其幅值和相位随厚度变化的隋律。

(5)生成一副由ψ₀构成的图像，并通过已经标定好的函数h＝h(ψ₀)关系，给出薄膜各点厚度h。

实施例2：

遵从上述技术方案，采用MATLAB进行数值模拟分析，与实验结果相验证，本检测方法步骤如下：

实施例2可以检测金属材料。

探测频率0.02Hz，热栅格波长0.1～2cm，试件尺寸为1cm×0.3cm×0.1cm，材料为405不锈钢。

为了方便理解发明的实施，下面对本发明的实施给出具体应用说明。

(1)热源加载形式为100*sin(0.04π*t+u*x)，起始温度为0，边界条件为除加热面外其他各面均为绝热边界条件；

(2)自行编写热传导计算程序，得到试件表面各点温度随时间变化规律；

(3)将试件表面任一点的温度信号拟合为A₀*Sin(w₀*x+u₀*t+ψ₀)的形式，并得到A₀和ψ₀；

(4)针对405不锈钢材料，预先标定出其幅值和相位随厚度变化的隋律；

(5)生成一副由A₀或ψ₀构成的图像，并通过已经标定好的函数h＝h(ψ₀)关系，给出薄膜各点厚度h。

Claims (3)

1.一种热栅格扫描热波薄膜厚度无损检测方法，其特征在于，该方法通过热像仪记录栅格热源在薄膜表面形成的稳态热波的温度信号，对薄膜的厚度进行检测，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：采用栅格热源在薄膜表面形成均匀栅格分布的热源；

步骤二：沿直线匀速移动所述栅格热源，且栅格热源的移动轨迹平行于薄膜所在平面，并通过热像仪记录薄膜表面温度信号；

步骤三：通过数据处理系统分析步骤二得到的温度信号，拟合出薄膜表面各点温度信号的幅值和相位；针对所测材料的属性，预先标定其幅值和相位随厚度变化的规律；

步骤四：通过对比薄膜表面热波信号的幅值和相位，根据标定好的厚度规律，拟合得到薄膜的厚度及厚度分布。

2.如权利要求1所述的热栅格扫描热波薄膜厚度无损检测方法，其特征在于，所述栅格热源包括采用激光光源形成均匀的多条纹光栅、采用平行电热丝平铺后形成平行热栅格、通过投影仪投影成稳定光栅或在均匀热盘表面布置平行分布的冷却管道。

3.如权利要求1所述的热栅格扫描热波无损薄膜厚度检测方法，其特征在于，标定其幅值和相位随厚度变化的规律，具体包括以下步骤：

(1)针对特定薄膜，制备不同厚度的薄膜标准试件，测量出薄膜厚度分别记为h1,h2,h3，…hn；

(2)在薄膜表面形成均匀强度正弦栅格分布的热源，形式为：A*Sin(W*x+U*t+ψ),A为热源的幅值，W是空间频率，U是时间频率，x是薄膜表面移动方向的坐标，t为时间，ψ为相位，此为热波输入信号；

(3)固定热像仪，使栅格热波平行薄膜表面匀速移动，用热像仪记录薄膜表面温度信号，通过热像仪信号重新识别出薄膜表面各点的温度信号，并通过数据拟合出各点的热波信号A₀*Sin(w*x+u*t+ψ₀)，主要获取热波幅值A₀，和相位ψ₀，此热波为输出信号，对不同厚度的时间获取热波相位和幅值；

(4)探究薄膜厚度与相位的关系，并得到厚度与相位的关系曲线，拟合出相应相位-厚度函数ψ₀＝ψ₀(h)与h＝h(ψ₀)。