CN114112009A - 用于非压电材料的声波激励装置、探测系统、场分布测法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于非压电材料的高频声波激励装置、扫描探测系统、测定场分布的方法，所述装置包括用于产生高频振动的压电陶瓷片，与压电陶瓷片刚性连接的金属钨针，置于金属钨针同侧的用于观测金属钨针的针尖位置的高倍数CCD，所述金属钨针的针尖与待测样品上的点声源激励位置接触，所述金属钨针用于将压电陶瓷片产生的高频振动传到点声源激励位置并发出高频声波。本发明可应用在微观体系的压电材料上，且测定结果精准，其中的精密的三轴扫描平台可以实现任意非压电材料表面的某一区域进行扫描获得其场分布信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种高频声波激励装置、扫描探测系统、测定场分布的方法，尤其涉及一种用于非压电材料的高频声波激励装置、扫描探测系统、测定场分布的方法。
背景技术
不断发展的科学技术对声波的频率要求越来越高，对高频声波激励和精准探测一直以来都是学术界及产业界的目标。传统宏观体系下，声波的激励和探测都比较容易，比如专利CN 106198729 B公开了一种应用于宏观体系的声板波自聚焦光干涉扫描探测系统，利用压电换能器和外差干涉仪可以测量声波的场分布信息，但仅使用于宏观系统，不适用于微观体系；在微观体系下，压电材料由于其本身性质，可以通过在压电材料表面制备叉指换能器激励声波，如在研究论文“30 GHz Surface Acoustic Wave Transducers withExtremely High Mass Sensitivity” Appl.Phys.Lett.116,123502(2020)中制备出的世界上最小周期的叉指换能器用来激励声波，但由于非压电材料不具备压电效应，所以在非压电材料表面制备叉指换能器无法产生声波。
非压电材料体系，比如最常见的半导体材料Si/SiO2中声表面波、板波的研究非常广泛，比如研究声波在声子/光子晶体中的传播规律、研究光力学微腔对品质因子的影响、声光力物理场之间的相互耦合等，所以探测和确定非压电材料体系的小振幅表面振动是非常重要的。然而非压电材料体系中不仅声波的激励非常困难，声波的探测也不容易，特别是当频率超过100KHz时，最大振幅可能只有几个纳米，并且由于芯片的尺寸小，无法通过传统的超声换能器来激励声波。
由于工程应用中的精度要求不高，干涉仪激光打在宏观材料如铝合金，不锈钢等表面上的反射属于漫反射，漫反射回来的光面积大很容易进入干涉仪激光探头内，而半导体材料的表面都会进行抛光处理，激光打在上面相当于镜面反射，反射光将很难返回干涉仪激光探头内。
高分辨率、高测速、高精度是外差激光干涉仪的显著特点，激光源发出的光经分光镜分成两束，之后使参考臂和测量臂中的某一束光的频率对于原始频率f 发生微小的频移fm(fm＜＜f)变为f+fm。测量臂经过样品表面反射最终与参考臂的光发生干涉作用，得到光强的干涉项为：
由环境因素导致的相位变化
对于总相位变化影响并不大，因此这种测量方法对测量环境的包容度非常大，仅普通测量平台即可无需高精度光学平台，并且几乎不受样品表面的粗糙、台阶起伏、反射率起伏的影响，非常适用于半导体材料表面声场的测量。在这个数量级下，非接触测量方法的优势非常明显，而激光干涉仪就是一种用来测量表面微小振动十分有效的非接触光学测量方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种微观体系下、精确度高的用于非压电材料的高频声波激励装置；本发明的另一目的是提供一种包含高频声波激励装置的扫描探测系统；本发明的另一目的是提供一种测定场分布的方法。
技术方案：本发明的用于非压电材料的高频声波激励装置，所述装置包括用于产生高频振动的压电陶瓷片，与压电陶瓷片刚性连接的金属钨针，置于金属钨针同侧的用于观测金属钨针的针尖位置的高倍数CCD，所述金属钨针的针尖与待测样品上的点声源激励位置接触，所述金属钨针用于将压电陶瓷片产生的高频振动传到点声源激励位置并发出高频声波。
进一步地，所述装置包括待测样品放置台，所述待测样品放置台包括三维光学组合平移台，位于三维光学组合平移台上的三旋转自由度光学工作台，固定在三旋转自由度光学工作台上的样品夹具。
进一步地，所述装置包括用于固定放置压电陶瓷片的三维光学组合平移台。
进一步地，所述的金属钨针的针尖小于10μm。
进一步地，所述样品的四周涂附吸声胶，所述吸声胶为单组份室温固化硅橡胶。
进一步，所述样品为微观体系下的样品，其尺寸为0.5-10cm2，本发明的高频声波激励装置，可在极小的非压电材料上，产生高频声波，并结合扫描探测系统，能够探测纳米级别的振幅。
另一方面，本发明提供一种用于非压电材料的扫描探测系统，包括上述的高频声波激励装置、NI数据采集卡、信号发生器、功率放大器、三轴扫描平台、外差激光干涉仪和计算机，所述高倍数CCD与计算机相连，所述NI数据采集卡分别与外差激光干涉仪和计算机相连，用于接收干涉信号、信号的振幅和相位数据，所述计算机用于对NI数据采集卡接收的信息处理并获得场分布信息。
进一步地，所述外差激光干涉仪的最大激光功率为0.4mW，探测激光焦斑直径为100μm。
进一步地，所述信号发生器用于激发600KHz频率的信号。
另一方面，本发明提供一种利用上述系统测定场分布的方法，包括以下步骤：
(1)待测样品置于样品放置台，调整样品放置台与外差激光干涉仪的相对位置和角度；通过高倍数卧式CCD观测金属钨针的针尖位置，并将针尖与点声源激励位置接触；
(2)信号发生器产生的激励信号，经过功率放大器放大后，发至压电陶瓷片上，压电陶瓷片产生的高频振动，并带动钨针针尖在点声源激励位置高速振动，高速振动产生高频声波；
(3)外差激光干涉仪发出测量臂的激光照射在样品表面经反射返回，与参考臂的激光相干叠加产生干涉信号；
(4)NI数据采集卡接收干涉信号、信号的振幅和相位数据，并发送至计算机，计算机处理数据并获得场分布信息。
进一步地，所述步骤(4)中，计算机通过labview程序控制扫描路径和提取探测波形的振幅和相位信息，matlab程序处理数据以获得场分布信息。
本发明的用于非压电材料的高频声波激励装置利用固定在压电陶瓷片上的金属钨针用来激励声波；利用三维光学组合平移台和三旋转自由度光学工作台的组合平台来微调样品六个方向的自由度；利用三维光学组合平移台来微调压电陶瓷片三个方向的自由度；利用高倍数卧式CCD实时检测钨针针尖的位置；利用单组份室温固化硅橡胶吸收样品四周反射的干扰声波，基本可以得到一个低反射声波信号；本发明的扫描探测系统利用外差激光探测获取样品表面的单点振动信息；结合精密三轴扫描平台的和外差激光干涉仪，可以实现任意样品任意区域表面完整的场图；利用labview程序控制扫描路径和提取探测波形的振幅和相位信息，最后使用matlab程序处理数据以获得场分布信息。本发明结合压电陶瓷片和金属钨针、高精度三维光学组合平移台、高精度三旋转自由度光学工作台、外差激光干涉仪和高精度三轴扫描平台，可以实现对任意非压电材料表面的某一区域进行扫描获得其场分布信息。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明可应用在微观体系的压电材料上，且测定结果精准，其中的精密的三轴扫描平台可以实现任意非压电材料表面的某一区域进行扫描获得其场分布信息。
附图说明
图1为本发明的高频声波激励装置示意图；
图2为本发明的待测样品示意图；
图3为本发明的扫描探测系统结构示意图；
图4为本发明的扫描结果分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
图中，1、信号发生器；2、功率放大器；3、压电陶瓷片；4、样品；4a、扫描区域；4b、吸声胶；4c、点声源激励位置；5、三维光学组合平移台；6、三旋转自由度光学工作台；7、样品夹具；8、金属钨针；9、三轴扫描平台；10、高倍数CCD；11、外差激光干涉仪；12、NI数据采集卡；13、计算机。
如图1所示，本发明的高频声波激励装置，所述装置包括压电陶瓷片3和金属钨针8、高倍数CCD10，所述压电陶瓷片3和金属钨针8刚性连接，所述金属钨针8的针尖与待测样品的点声源激励位置接触，高倍数CCD10置于金属钨针 8同侧，其中压电陶瓷片3用于在扫描探测系统的信号发生器带动下产生高频振动，所述金属钨针用于将压电陶瓷片产生的高频振动传到点声源激励位置并发出高频声波，高倍数CCD10用于观测金属钨针的针尖位置。
待测样品放置在待测样品放置台上，待测样品放置台包括三维光学组合平移台5、三旋转自由度光学工作台6和样品夹具7，具体的，三旋转自由度光学工作台6固定在三维光学组合平移台5上，样品夹具固定在三旋转自由度光学工作台上；其中三维光学组合平移台5用于调节XYZ三轴的行程，可选的，各轴行程范围为±12.5mm；三旋转自由度光学工作台可调节俯仰角、偏摆角和水平水平扭转角，可选的，各角度的旋转范围均为±5°。
如图2所示，本发明的待测样品中虚线部分是扫描区域4a，周围黑色部分表示吸声胶4b；中间的点表示钨针针尖，即点声源激励位置4c；可选的，待测样品大小为0.5-10cm2。可选的，吸声胶4b为单组份室温固化接触空气便吸收空气中的潮汽而固化，利用单组份室温固化硅橡胶吸收样品四周反射的干扰声波。
如图3所示，I表示高频声波在非压电材料中的激励过程，在该过程中，首先由信号发生器产生的周期性的正弦信号，经过功率放大器放大后，与固定在三维光学组合平台上的压电陶瓷片相连，金属钨针与压电陶瓷片刚性连接，压电陶瓷片产生的高频振动通过钨针针尖在样品表面高速振动产生高频声波；图1中II 表示信号的探测、接收和信号处理过程，利用外差激光探测获取样品表面的单点振动信息；结合精密三轴扫描平台的和外差激光干涉仪，可以实现任意样品任意区域表面完整的场图。
本发明的扫描探测系统是在现有干涉扫描探测系统的基础上，将现有的扫描探测系统的压电换能器替换为本发明的高频声波激励装置。现有的干涉扫描探测系统中的压电换能器是用来扫描面积较大的样品，而本发明是用于面积极小的样品。具体的，本发明的扫描探测系统，包括高频声波激励装置、信号发生器1、功率放大器2、三轴扫描平台9、外差激光干涉仪11、NI数据采集卡12，计算机13，外差探测激光干涉仪用来实现在扫描过程中对每一个点进行测量，获取每个点的位移和相位信息；其中，高倍数CCD10与计算机13相连，NI数据采集卡12分别与外差激光干涉仪11和计算机13相连，用于接收干涉信号、信号的振幅和相位数据，所述计算机13用于对NI数据采集卡12接收的信息处理并获得场分布信息。
可选的，所述三轴扫描平台的最小步长为0.01mm，最大移动速度50mm/s，最大载重为30KG；所述高倍数CCD为卧式，其放大倍数为1000倍，其中目镜 10倍，物镜100倍；外差探测激光干涉仪的最大功率为0.4mW，焦斑直径为100 μm。
应用上述扫描探测系统测定非压电材料的场分布的方法，包括以下步骤：
(1)样品采用P型硅，晶体表面取向(100)，尺寸为50mm*30mm*0.5mm，待测样品置于样品放置台，待测样品通过夹具固定在样品放置台上；
通过调节三维光学组合平移台的XYZ三轴以及三旋转自由度光学工作台的俯仰角、偏摆角和水平水平扭转角，进而微调样品六个方向的自由度，使样品放置台与外差激光干涉仪的相对位置和角度最佳，从而使样品得以反射干涉仪激光；通过高倍数卧式CCD观测金属钨针的针尖位置，并将针尖与点声源激励位置接触；
(2)信号发生器产生的激励信号，经过功率放大器放大后，发至压电陶瓷片上，压电陶瓷片产生的高频振动，并带动钨针针尖在点声源激励位置高速振动，高速振动产生高频声波；
(3)外差激光干涉仪发出测量臂的激光照射在样品表面经反射返回，与参考臂的激光相干叠加产生干涉信号；
(4)NI数据采集卡接收干涉信号、信号的振幅和相位数据，并发送至计算机，计算机处理数据并获得场分布信息，利用的Labview程序设置扫描区域大小和扫描步距。通过Labview编程，可以实时观测到采集信号的波形，并利用程序提取波形的相位和幅值等信息，最后将信息保存，利用Matlab进行数据后处理获取场分布图。
图4为本发明的点声源扫描结果，声源位于扫描区域中间，三轴位移平台在labview程序控制下带动外差激光干涉仪沿着指定路径对样品进行逐点扫描，最后利用matlab程序对获得的数据进行处理，得到到振幅分布和相位分布图。
Claims (10)
1.一种用于非压电材料的高频声波激励装置，其特征在于，所述装置包括用于产生高频振动的压电陶瓷片(3)，与压电陶瓷片(3)刚性连接的金属钨针(8)，置于金属钨针(8)同侧的用于观测金属钨针(8)的针尖位置的高倍数CCD(10)，所述金属钨针(8)的针尖与待测的样品(4)上的点声源激励位置(4c)接触，所述金属钨针(8)用于将压电陶瓷片(3)产生的高频振动传到点声源激励位置(4c)并发出高频声波。
2.根据权利要求1所述的高频声波激励装置，其特征在于，所述装置包括待测样品放置台，所述待测样品放置台包括三维光学组合平移台(5)，位于三维光学组合平移台(5)上的三旋转自由度光学工作台(6)，固定在三旋转自由度光学工作台(6)上的样品夹具(7)。
3.根据权利要求1所述的高频声波激励装置，其特征在于，所述装置包括用于固定放置压电陶瓷片(3)的三维光学组合平移台(5)。
4.根据权利要求1所述的高频声波激励装置，其特征在于，所述的金属钨针(8)的针尖小于10μm。
5.根据权利要求1所述的高频声波激励装置，其特征在于，所述样品(4)的四周涂附吸声胶(4b)，所述吸声胶(4b)为单组份室温固化硅橡胶。
6.一种用于非压电材料的扫描探测系统，其特征在于，包括根据权利要求1-4任一所述的高频声波激励装置、NI数据采集卡(12)、信号发生器(1)、功率放大器(2)、三轴扫描平台(9)、外差激光干涉仪(11)和计算机(13)，所述高倍数CCD(10)与计算机(13)相连，所述NI数据采集卡(12)分别与外差激光干涉仪(11)和计算机(13)相连，用于接收干涉信号、信号的振幅和相位数据，所述计算机(13)用于对NI数据采集卡(12)接收的信息处理并获得场分布信息。
7.根据权利要求5所述的扫描探测系统，其特征在于，所述外差激光干涉仪(11)的最大激光功率为0.4mW，探测激光焦斑直径为100μm。
8.根据权利要求5所述的扫描探测系统，其特征在于，所述信号发生器(1)用于激发600KHz频率的信号。
9.一种利用根据权利要求6-8任一所述的系统测定场分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)待测样品置于样品放置台，调整样品放置台与外差激光干涉仪的相对位置和角度；通过高倍数卧式CCD观测金属钨针的针尖位置，并将针尖与点声源激励位置接触；
(2)信号发生器产生的激励信号，经过功率放大器放大后，发至压电陶瓷片上，压电陶瓷片产生的高频振动，并带动钨针针尖在点声源激励位置高速振动，高速振动产生高频声波；
(3)外差激光干涉仪发出测量臂的激光照射在样品表面经反射返回，与参考臂的激光相干叠加产生干涉信号；
(4)NI数据采集卡接收干涉信号、信号的振幅和相位数据，并发送至计算机，计算机处理数据并获得场分布信息。
10.根据权利要求9所述的测定场分布的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，计算机通过labview程序控制扫描路径和提取探测波形的振幅和相位信息，matlab程序处理数据以获得场分布信息。
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