CN1189746C

CN1189746C - 一种微光机电系统膜基耦合结构光声性能无损定量测试方法及装置

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Publication number: CN1189746C
Application number: CNB021127867A
Authority: CN
Inventors: 周明; 张永康; 蔡兰
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2002-03-21
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2022-03-21
Also published as: CN1382983A

Abstract

本发明涉及激光技术和纳米技术测量领域，特指一种微光机电系统膜基耦合结构光声性能无损定量测试方法及装置。其适用于具有界面结合的各类微纳米薄膜、器件与宏观、介观或微观材料相耦合系统，如宏观基体上附着的分子自组装膜、双层分子自组装膜等的光声性能无损定量测试。其将超快短脉冲激光传输到微光机电系统中的膜基耦合试样界面，激发得到微尺度界面波，通过对接收的微尺度界面波耗散特性分析，通过测定界面波耗散特征量定量表征界面粘附质量，实现针对不同的微纳耦合体系定量研究其尺度效应对界面波耗散特性的影响，考察膜基体系厚度方向尺度效应对弹性参数和界面粘附质量的作用规律，从而实现面向微光机电系统的膜基弹性参数和界面耦合质量无损、非接触、定量测试。

Description

一种微光机电系统膜基耦合结构光声性能无损定量测试方法及装置

一、技术领域

本发明涉及激光技术和纳米技术测量领域，特指一种微光机电系统膜基耦合结构光声性能无损定量测试方法及装置。其适用于具有界面结合的各类微纳米薄膜、器件与宏观、介观或微观材料相耦合系统，如宏观基体上附着的分子自组装膜、双层分子自组装膜等的光声性能无损定量测试。

二、背景技术

微纳米科学研究存在2个关键科学问题，一是材料的表面、界面及非平衡条件下低维材料的结构和行为，如纳米等低维非平衡材料结构的形成演化及表征，以及对结构、物理性能、化学性能、力学性能等基本问题进行深入研究，有助于达到对微纳米材料、器件和机械的优化设计和有效控制；二、宏观、介观和微观的一体化研究，从而揭示出两个新的科学问题：一是“尺度问题”，即怎么进行不同尺度层次——宏观、介观及微观下的过渡及其相应的内在联系，如两相耦合体系在尺度变化过程中力学性能、物理性能的转化；二是“群体演化问题”，即如何描述宏观、介观、微观结构和缺陷作为群体耦合所体现的交互作用和演化问题。

纳米测量学在纳米科技中起着举足轻重的作用，它的内涵涉及纳米尺度的评价、成分、微结构和物性的纳米尺度的测量。自1984年诺贝尔物理学奖获得者Binnig和Rohrer首先研制成功扫描隧道显微镜(STM)，10多年来，包括其衍生扫描探针技术STM、AFM、MFM等都已发展成为商品，近年来，近场光学显微镜、光子扫描隧道显微镜以及各种谱学分析手段与SPM技术相结合的新型纳米测量技术相继出现。对传统分析技术的改造是发展纳米测量学的另一重要途径，但是传统的分析技术(包括离子束、光子束、电子束)在纳米测量学中有一定的局限性，横向分辨率和纵向分辨率都需进一步改进。综合分析现有的测量方法，它们仅仅涉及微纳米材料(包括薄膜、粉末、纤维等)的表面和界面形貌、微结构、平整度和起伏、粒度分布、膜厚、成分、化学分析、电子结构等等的成像和测量。而并未提出解决上述两二个科学问题的研究方法。

但是，纳米科技研究的飞速发展对纳米测量提出了迫切的更高要求，如在微纳米器件、结构或系统中，不同单元器件在耦合作用下，定量测量耦合体系的物理性能、力学性能、界面结构和质量；在此基础上通过单元分离测量和耦合体系测量进一步研究在尺度渐进变化过程中物理性能、力学性能、界面结构和质量等性能的演化规律；同样对于不同的宏观、介观和微观单元组合耦合体系中研究群体耦合所体现的交互作用和演化问题。对于该科学命题的研究工作，当前未见相关报道。

声表面波和兰姆波在超声检测中是十分有用的波形，特别是纳秒脉冲激光超声技术，由于激光光源可以聚焦成很小(或很细)的点源(或线源)，使得这两种波形能对小或薄的样品进行有效的检测。但是随着样品厚度越来越薄，直至进入介观、微观尺度，单脉冲超声波的空间分辨率就愈显不够，因此必须激发频带更宽频率更高的脉冲超声波，目前通常的超声手段，包括纳秒激光超声激发超声的频率上限一般是250MHz。

超短脉冲激光超声技术进展迅速，已实现了对几十至几百nm的薄膜，以1-10nm的空间分辨率的微结构和参量测量检测。现在已经激发出上限达440GHz的高频大带宽声本。值得注意的是这种皮秒或飞秒脉冲激光与物质作用过程中的光穿透深度一都在微米级左右，有的甚至达厘米级，因此对于微纳米薄膜、器件其决大多数是光穿透的，故在实际测量中存在一定困难。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种面向微光机电系统中关键膜基耦合界面结构，利用提出的超快短脉冲激光激发微尺度界面波技术对两相材料弹性参数、界面质量、耦合效应、尺度效应进行无损、定量、非接触式测量的微光机电系统膜基耦合结构光声性能无损定量测试方法及装置。

本发明是按下述技术方案实现的：

其将超快短脉冲激光传输到试样界面，激发得到微尺度界面波，通过对接收的微尺度界面波耗散特性分析，实现定量测试，其特征在于所述的超快短脉冲激光被外光路系统传输到微光机电系统中的膜基耦合试样界面，实现微光机电系统膜基耦合结构光声性能无损定量非接触测试。

通过设计同一耦合体系不同的界面粘附结合强度，研究微光机电系统中不同粘附强度对膜基界面波耗散行为影响，为此采用不同的工艺制备膜基耦合试样，如物理气相沉积、化学气相沉积、磁控溅射及脉冲激光淀积等；或者采用同一工艺方法制备，但改变工艺参数的方法，调节得到相同组元和几何特征的不同粘附强度结合的膜基耦合试样。用不同制备技术或者相同制备参数条件下得到的膜基样品。

通过设计不同界面粘附接触面积比的膜基试样测定该条件下的微尺度界面波耗散特性，粘附接触面积比与耗散特征量的数值关系，从而反向实现微光机电系统中膜基耦合界面粘附接触比的定量测定。

通过设计不同曲率的界面粘附间隙，考察平滑非粘附接触，矩形间距非粘附接触和椭圆间距非粘附接触对微尺度界面波耗散行为及其特征量的影响，实现微光机电系统中膜基耦合界面粘附粗糙度的的定量估计。

实现本发明的装置，其由超快短脉冲激光发生器、外光路系统、工装夹具系统、界面波光接受系统、控制系统和试样体系组成，其特征在于试样体系为微光机电系统中的由薄膜和基体经界面耦合而成的膜基耦合试样体系。

试样体系由宏观的微米级以上、介观的亚微米级和微观的纳米级的薄膜和基体两两耦合构成不同尺度组合的耦合体系。

对于膜基两相材料对入射超快短脉冲激光都透明时，提出界面激发源染色局部技术，确保超快短脉冲在界面上的吸收，进而激发界面波。

测量装置与界面波激发装置通过光电触发开关连接，实现同时触发接收，或者根据激发源与测量点距离的大小，进行延迟接收界面波。

本发明提出超快短脉冲激发微尺度界面波无损测试技术，它直接利用超快短脉冲激光束(脉冲宽度皮秒或飞秒量级)法向入射膜基试样界面，通过电子激活移位激发沿膜基界面传播的界面波。在距离激发源不同距离的地方应用光干涉位移振动接收系统实时接收传播到达的界面波。在经过理论分析建立界面波耗散方程，得到膜基材料弹性参数和质密度与耗散方程中波速和波数的定量关系。通过测定界面波耗散特征量定量表征界面粘附质量，如膜基真实粘附接触面积、粘附强度等；实现针对不同的微纳耦合体系定量研究其尺度效应对界面波耗散特性的影响，考察膜基体系厚度方向尺度效应对弹性参数和界面粘附质量的作用规律，从而实现面向微光机电系统的膜基弹性参数和界面耦合质量无损、非接触、定量测试。

本发明具有如下技术优势：

充分利用微尺度界面波具有超高的空间和时间分辨率，实现对微光机电系统中界面耦合效应、尺度效应的定量测定。

定量测量微尺度界面波耗散特征量定量反映了两相材料弹性参数和界面粘附性能。微观尺度界面波耗散特征量(相速度v，波数k，衰减系数ξ)与表征两相材料各自应力位移关系的弹性常数c₁(如对于各向同性材料c₁＝c₃＝λ+2μ，c₂＝λ，c₄＝μ，λ、μ为介质拉曼常数)和质密度ρ₁之间的数值联系，即建立微尺度界面波耗散方程。从而解决微纳米科学研究中的“尺度问题”和“群体演化问题”。

无损测量、重复性好：传统的微纳尺度薄膜力学性能测试技术一般都是破坏性试验，而破坏性试验众所周知其受力行为都比较复杂，而且不同的受力方式可以得到相同的结果，因此试验系统误差大且重复性差。而微尺度界面波激发和接收过程都采用光激发光接收，避免了传统测试方法这难以解决的系统装置引起的误差，而且重复性好。

实时、非接触方式：传统的微纳尺度薄膜力学性能测试技术存在动夹头与支撑件之间的摩擦、不共轴带来的误差、测力弹簧刚度差和压电驱动的非线性、滞后和蠕变问题，最终导致测量的力学性能数据存在很大的离散性。由于激光技术的灵活性，如光斑、光路可控，光触发，决定整个测量过程可以实现实时、在线和非接触式。

四、附图说明

图1微光机电系统膜基耦合结构光声性能无损定量测试装置

图2微光机电系统膜基耦合结构界面微尺度界面波耗散示意图

图3不同粘附接触比和不同粘附结合间隙曲率的膜基界面耦合样品示意图

图4膜基耦合体系的尺度效应和耦合效应研究的耦合设计示意图

1棱镜，2衰减器，3分光镜，4超快脉冲激光发生器，5光电二极管，6示波器，7计算机，8滤波器，9激光干涉仪，10薄膜，11基体，12聚焦透镜，13反射镜，14反射镜，15平滑非粘附接触，16矩形间距非粘附接触，17椭圆间距非粘附接触

五、实施方式

下面结合图1说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

微光机电系统膜基耦合结构光声性能无损定量测试装置由超快短脉冲激光发生器4，界面波信号激光干涉接收分析系统，外光路系统和测试样品体系组成。外光路系统主要由棱镜1，衰减器2，分光镜3，聚焦透镜12，反射镜13，反射镜14组成。界面波信号激光干涉接收分析系统主要由激光干涉仪9，滤波器8，示波器6和计算机7组成。测试样品体系有不同尺度耦合的薄膜10和基体11组成。

超快短脉冲激光发生器4发出脉冲激光触发5光电二极管，以实时同步或一定时间的延迟启动激光干涉仪9，并通示波器6记录界面波波形。最后，记录的界面波波形输入计算分析系统的计算机7进行界面波耗散性能分析，实现定量测试。

图2微光机电系统膜基耦合结构界面微尺度界面波耗散示意图。界面波随传播距离的加大而不断衰减，定量测定耦合体系界面波的耗散特征量相速度v，波数k，衰减系数ξ等，可以对膜基体系的弹性性能参数和界面质量进行定量测量。

图3不同粘附接触比和不同粘附结合间隙曲率的膜基界面耦合样品示意图。平滑非粘附接触15，矩形间距非粘附接触16和椭圆间距非粘附接触17反映了不同粘附结合界面接触比和粘附间隙的曲率影响，通过设计不同的间隙密度改变接触比，籍此考察该条件下的耗散行为及其特征量。

图4膜基耦合体系的尺度效应和耦合效应研究的耦合设计示意图。宏观、微观、介观尺度的薄膜和基体的两两组合构成不同的膜基耦合体系，而同一耦合体系的膜基样品，单一组元如纳米薄膜其尺度变化，将引起力学性能、弹性参数等的尺度效应，通过对相同组元膜基体系通过改变耦合尺度，定量考察体系的尺度效应和耦合效应。

本发明所提出的实施例仅对技术方案进行说明，而不进行限制。

Claims

1、微光机电系统膜基耦合结构光声性能无损定量测试方法，其将脉宽为皮秒或飞秒的激光传输到试样界面，激发得到微尺度界面波，通过对接收的脉宽为微米、亚微米级和纳米级的界面波耗散特性分析，实现定量测试，其特征在于所述的脉宽为皮秒或飞秒的激光被外光路系统传输到微光机电系统中的膜基耦合试样界面，实现微光机电系统膜基耦合结构光声性能无损定量非接触测试。

2、根据权利要求1所述的微光机电系统膜基耦合结构光声性能无损定量测试方法，其特征在于采用物理气相沉积、化学气相沉积、磁控溅射及脉冲激光淀积不同工艺制备膜基耦合试样，调节得到相同组元和几何特征但不同粘附强度结合的膜基耦合试样。

3、根据权利要求1所述的微光机电系统膜基耦合结构光声性能无损定量测试方法，其特征在于采用物理气相沉积、化学气相沉积、磁控溅射及脉冲激光淀积工艺，但改变工艺参数，调节制备相同组元和几何特征但不同粘附强度结合的膜基耦合试样。

4、根据权利要求1所述的微光机电系统膜基耦合结构光声性能无损定量测试方法，其特征在于设计不同界面粘附接触面积比的膜基耦合试样，测定该条件下的脉宽为微米、亚微米级和纳米级的界面波耗散特性，确定粘附接触面积比与耗散特征量的数值关系，实现膜基耦合界面粘附接触比的定量测定。

5、根据权利要求1所述的微光机电系统膜基耦合结构光声性能无损定量测试方法，其特征在于设计不同曲率的的界面粘附间隙，考察平滑非粘附接触，矩形间距非粘附接触和椭圆间距非粘附接触对脉宽为微米、亚微米级和纳米级的界面波耗散行为及其特征量的影响，实现微光机电系统中膜基耦合界面粘附粗糙度的的定量估计。

6、实现权利要求1所述的微光机电系统膜基耦合结构光声性能无损定量测试方法的装置，其由脉宽为皮秒或飞秒的激光发生器(4)、外光路系统、工装夹具系统、界面波光接受系统、控制系统和试样体系组成，其特征在于试样体系为微光机电系统中的由宏观的毫米级和微米级、介观的亚微米级和微观的纳米级薄膜(10)和基体(11)经两两界面耦合而成的膜基耦合试样体系。