DE4138328A1 - Messvorrichtung unter verwendung einer ultraschallwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des zu bestimmenden Schuppen- bzw. Abrißzustandes einer Probe entlang ihrer Tiefe durch Verwenden einer Ultraschall­ welle.

Es sind bereits Vorrichtungen unter Verwendung einer Ultra­ schallwelle für die Messung verschiedenster Größen bekannt. Eine Vorrichtung dieses Typs liefert eine Ultraschallwelle an eine Probe, wandelt die Welle (das Echo), welche von der Probe reflektiert wird, in ein elektrisches Signal um, und extrahiert die Komponente des elektrischen Signales, welches die reflektierte Welle der Probe darstellt, um den Zustand der Probe entlang ihrer Tiefe zu bestimmen.

Der aufgrund einer derartigen Vorrichtung von der Probe be­ stimmte Zustand enthält normalerweise die Dicke und/oder den Zustand der Trennung von Teilen der Probe.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 7, 8A und 8B der beigefügten Zeichnung eine Vorrichtung zur Bestimmung des Schuppenzustandes einer Probe entlang ihrer Tiefe be­ schrieben.

Die Vorrichtung weist einen Sender 51 auf, der pro Zeitein­ heit ein Einzelimpulssignal erzeugt. Das erzeugte Pulssignal wird sodann durch einen piezoelektrischen Wandler 52 in eine Ultraschallwelle umgewandelt, wobei die Ultraschallwelle durch eine akustische Linse 53 zu einem winzigen Fleck fo­ kussiert wird. Eine Probe 55 ist in der Nähe des Brennpunk­ tes der Ultraschallwelle angeordnet.

Die Probe 55 ist auf einem Objektträger 56 angebracht, wobei der Raum zwischen der akustischen Linse 53 und der Probe 55 mit einer Kopplungsflüssigkeit 54 gefüllt ist, welche die Ultraschallwelle überträgt.

Die auf die Probe 55 einfallende Ultraschallwelle wird als Funktion der akustischen Eigenschaften der vorderen und rückseitigen Oberflächen und dem Inneren der Probe reflek­ tiert. Die reflektierte Welle passiert sodann die Kopplungs­ flüssigkeit 54, die akustische Linse 53, und wird durch den Wandler 52 in ein elektrisches Signal umgewandelt, bevor es an den Vorverstärker 57 geführt wird.

Der Ausgang des Vorverstärkers 57 weist eine Anzahl von Kom­ ponenten auf, die im Zusammenhang stehen mit verschiedenen Phänomenen, welche bei der Anwendung der Ultraschallwelle involviert sind, inklusive Bestrahlung, Innenlinsenrefle­ xion, Reflexion durch die vordere Oberfläche der Probe, Re­ flexion innerhalb der Probe, sowie Reflexion aufgrund der rückseitigen Oberfläche der Probe. Das elektrische Signal von dem Vorverstärker 57, welches diese Komponenten enthält, wird an eine Gatterschaltung 58 eingegeben. Die Gatterschal­ tung 58 extrahiert von diesen Komponenten eine bestimmte Komponente, und gibt ein reflektiertes Komponentensignal aus.

Die erzeugten reflektierten Komponentensignale werden je­ weils an einen +Detektor 59 und einen -Detektor 60 eingege­ ben. Der +Detektor 59 erfaßt einen Spitzen-Pegel des einge­ gebenen Signales zur Bestimmung der positiven Spitzeninten­ sität des reflektierten Komponentensignales, während der - Detektor 60 einen invertierten Spitzenpegel des eingegebenen Signales zur Bestimmung der negativen Spitzenintensität des Signales erfaßt. Die von dem +Detektor 59 und dem -Detektor 60 erfaßten Signale werden anschließend an einen Komparator 63 gesandt.

Ein von einem Fleck der Probe erhaltenes Komponentensignal, bei dem IC-Chips und/oder weitere Teile fest zusammengehal­ ten sind, zeigt typischerweise eine Wellenform, wie sie in Fig. 8A dargestellt ist.

Wenn der Wert des positiven Peaks gleich Va⁺ und der abso­ lute Wert des negativen Peaks gleich Va⁻ beträgt, ergibt sich stets eine wie folgt dargestellte Beziehung.

Va⁺ < Va⁻ (1)

Auf der anderen Seite zeigt ein reflektiertes Komponentensi­ gnal entsprechend einem Fleck, bei dem eine Trennung von Teilen vorhanden ist, eine in Fig. 8B gezeigte Wellenform, welche eine Phasenverschiebung um π im Vergleich zu der Wel­ lenform für einen festen Fleck (ohne Trennung von Teilen), wie sie in Fig. 8A gezeigt ist, aufweist. Wenn der Wert des positiven Peaks gleich Vb⁺ und der absolute Wert des negati­ ven Spitzenwertes gleich Vb⁻ ist, zeigen die beiden Werte eine Beziehung wie folgt.

Vb⁺ < Vb⁻ (2)

Der Komparator 63 überträgt eine "1" an einen Computer 64, wenn der Wert für die positive Spitze größer ist als der ab­ solute Wert für die negative Spitze, während er einen Wert "0" weitergibt, wenn der erstere kleiner ist als der letz­ tere. Die Ausgangssignale von dem +Detektor 59 und diejeni­ gen von dem -Detektor 60 werden durch die jeweiligen A/D- Wandler 61a und 61b in digitale Signale umgewandelt, bevor sie in einem Speicher 62 gespeichert werden.

Die auf die obige Weise erhaltenen Daten liefern Information lediglich für einen zu prüfenden Fleck in der Probe 55. Ein XY-Scanner 67 tastet die Probe 55 auf einer XY-Ebene durch Bewegen der akustischen Linse 53 relativ zur Probe ab, um zweidimensionale visuelle Daten der Probe zu liefern, die gegebenenfalls darüber Auskunft geben, ob getrennte Teile gefunden wurden.

Die in dem Speicher 62 gespeicherten zweidimensionalen visu­ ellen Daten werden sodann durch den Computer 64 verarbeitet, der ein Bild der Probe anzeigt, wobei insbesondere diejeni­ gen Teile hervortretend gefärbt werden, welche als lose be­ urteilt wurden und von dem Rest der Probe in einer bestimm­ ten Weise getrennt sind, um sie leichter ausfindig zu ma­ chen.

Eine derartige, wie oben beschriebene Vorrichtung zur Mes­ sung des Zustandes einer Probe aufgrund einer Ultraschall­ welle ist jedoch von gewissen Nachteilen begleitet, welche im folgenden erläutert werden.

Die Fähigkeiten einer beliebigen bekannten Vorrichtung zum Bestimmen des Schuppenzustandes von Teilen einer Probe unter Verwendung einer Ultraschallwelle ist Limitierungen unterzo­ gen, da die Beziehung zwischen den positiven und negativen Spitzenwerten einer von einem Fleck in der Probe reflektier­ ten Echowelle, mit Teilen, die lose sind und voneinander ge­ trennt sind, in Abhängigkeit der Frequenz des auf die Probe angelegten einzigen Impulssignales variieren kann, sowie von der Resonanzfrequenz des Wandlers der Vorrichtung, der Spitzwinkligkeit der Resonanz des Wandlers, des Absorptions­ koeffizienten der Probe und weiteren Faktoren.

Falls beispielsweise eine Frequenz von oder in den Nähe von 30 MHz mit einer derartigen Vorrichtung verwendet wird zur Bestimmung des Zustandes der Trennung von Teilen einer Probe gemäß einem weithin verbreiteten Verfahren, und falls der Absorptionskoeffizient der Probe relativ klein ist, bleibt die Gleichung (1) richtig für eine Echowelle, welche von ei­ nem festen Fleck reflektiert wurde, bei dem keine Trennung von Teilen existiert, während die Gleichung (2) ihre Gültig­ keit behält für eine Echowelle, welche von einer Fläche re­ fektiert wurde, bei der eine Trennung von Teilen gefunden wurde.

Umgekehrt jedoch behält die Gleichung (2) ihre Gültigkeit für eine Echowelle, welche von einer Fläche reflektiert wurde, bei der eine Trennung von Teilen existiert, und die Gleichung (1) verbleibt effektiv für eine Echowelle, welche von einem Fleck reflektiert wurde, wo keine Trennung der Teile vorhanden ist, falls eine Frequenz von oder in der Nähe von 50 MHz beteiligt ist.

Um die Dinge noch zu verschlechtern, verbleibt die Gleichung (1) wirksam für eine Echowelle, die von einem festen Fleck reflektiert wurde, wenn die Probe einen großen Absorptions­ koeffizienten aufweist, sogar dann, falls eine Frequenz von oder in der Nähe von 50 MHz verwendet wurde, während Glei­ chung (2) ihre Gültigkeit für eine Echowelle behält, die von einem losen Fleck reflektiert wurde, wo eine Trennung von Teilen existiert, ein Phänomen, welches geradewegs konträr ist zu der Bedingung, bei der der Absorptionskoeffizient re­ lativ klein ist.

Somit kann eine derartige bekannte Vorrichtung zur Bestim­ mung des Schuppenzustandes von Teilen einer Probe, welche eine signifikante variierbare Beziehung zwischen den positi­ ven und negativen Spitzenwerten einer von einem Fleck einer zu untersuchenden Probe reflektierten Echowelle in Abhängig­ keit der Eigenschaft des Wandlers der Vorrichtung, der Fre­ quenz der an die Probe angelegten Ultraschallwelle, dem Pe­ gel des Absorptionskoeffizienten der Probe für die betei­ ligte Ultraschallwelle und weiteren Faktoren wie oben be­ schrieben lediglich mit einem beschränkten Frequenzbereich und einem bestimmten Wandler verwendet werden, falls der Zu­ stand der Trennung von Teilen der Probe auf exakte Weise un­ tersucht werden soll. Aus diesem Grund hat eine derartige Vorrichtung nur eine ungenügende Anwendungsbreite.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen des Schuppenzustandes der Probe ent­ lang ihrer Tiefe auf schnelle und exakte Weise zur Verfügung zu stellen, ohne den Bedingungen der Instrumentierung und denjenigen der Probe unterworfen zu sein.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Die Meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf: eine Ultraschallsende/empfangsschaltung zum Senden ei­ nes Ultraschallwellenimpulses in eine Probe und Umwandeln der von der Probe reflektierten Echowelle in ein elektri­ sches Signal, eine Gatterschaltung zum Extrahieren von re­ flektierten Signalkomponenten entsprechend einem Teil der Probe aus dem elektrischen Signal, eine Spektrumdetektor­ schaltung zum Erfassen eines Leistungsspektrums der reflek­ tierten Komponenten mittels Fourier-Transformation, und einen Zustandsdetektorabschnitt zur Bestimmung des Zustandes der Probe entlang ihrer Tiefe entsprechend einem Frequenzzy­ klus des Leistungsspektrums.

Insbesondere weist der Zustandsdetektorabschnitt der Vor­ richtung eine erste Differenzierschaltung zum Differenzieren des Leistungsspektrums und einen Schuppenzustandsbestim­ mungsabschnitt zum Bestimmen des Schuppenzustandes der Teile der Probe aus dem Ergebnis des Betriebes der Differenzierung der ersten Differenzierschaltung auf.

Wenn ein Ultraschallwellenimpuls in eine Probe übertragen wird von einer Vorrichtung entsprechend der Erfindung, mit dem oben beschriebenen Aufbau, wird die reflektierte Signal­ komponente von der Gatterschaltung von dem elektrischen Si­ gnal herausgenommen und einer Fourier-Transformation zur Er­ zeugung eines Leistungsspektrums unterzogen, welches die Frequenzcharakteristiken der reflektierten Signalkomponente zeigt.

Das Leistungsspektrum weist ein gewisses periodisches Merk­ mal auf, das den Zustand der Probe entlang ihrer Tiefe dar­ stellt. Somit kann der Zustand der Probe entlang ihrer Tiefe durch Beobachten des periodischen Verhältnisses des Lei­ stungsspektrums bestimmt werden.

Der Zustandsdetektorabschnitt differenziert das von der Spektrumsdetektor/Übertragungsschaltung erhaltene Leistungs­ spektrum durch Verwenden der ersten Differenzierschaltung, und der Trennungsbestimmungsabschnitt bestimmt den Schuppen­ zustand von Teilen der Probe aus dem Ausgang des Differen­ zierbetriebes.

Mit anderen Worten bestimmt die erfindungsgemäße Vorrichtung den Zustand der Trennung der Teile einer Probe nicht aus der Beziehung zwischen den positiven und negativen Spitzenwerten der von dem fraglichen Fleck der Trennung reflektierten Welle, sondern sie bestimmt den Schuppenzustand von Teilen einer Probe aus dem Ergebnis des Betriebes der Differenzie­ rung der Frequenzeigenschaften der reflektierten Welle. Dies bedeutet, daß sie auf schnelle und exakte Weise den Zustand der Probe entlang ihrer Tiefe bestimmen kann, ohne den Be­ dingungen der Instrumentierung und denjenigen der Probe un­ terzogen zu sein.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Darstellung des Aufbaues eines ersten Ausführungsbeispieles dieser Erfin­ dung;

Fig. 2 eine grafische Darstellung der Wirkungsweise des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Probe, wel­ che den Pfad einer Ultraschallwelle zeigt, die in die Probe, die Schuppenzustandsteile enthält, eingeführt wurde;

Fig. 4A eine Darstellung der Wellenform einer durch einen festen Fleck einer Probe reflektierten Welle;

Fig. 4B eine Darstellung der Wellenform einer durch einen losen Fleck einer Probe reflektierten Welle, deren Teile voneinander getrennt sind;

Fig. 5 ein Blockdiagramm des Aufbaues eines zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung;

Fig. 6A eine Darstellung der spektralen Intensität für einen Fleck einer Probe, bei dem Teile voneinan­ der getrennt sind;

Fig. 6B eine Darstellung der spektralen Intensität für einen Fleck einer Probe, bei dem keine getrenn­ ten Teile beobachtet werden;

Fig. 7 ein Blockdiagramm einer Ultraschallwellenmeßvor­ richtung mit einem Merkmal zur Erfassung von ge­ trennten Teilen einer Probe;

Fig. 8A eine Darstellung der Wellenform einer von einem festen Fleck einer Probe reflektierten Welle; und

Fig. 8B eine Darstellung der Wellenform einer von einem losen Fleck einer Probe reflektierten Welle, bei der Teile voneinander getrennt sind.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung in ihren Einzel­ heiten durch bevorzugte Ausführungsbeispiele erläutert.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches zuerst beschrieben wird, ist zur Bestimmung des Schuppenzustandes von Teilen einer Probe entlang ihrer Tiefe ausgerichtet.

Fig. 1 zeigt in einem Blockdiagramm den Aufbau des ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung, welches eine Ultra­ schallwelle verwendet.

Diese Vorrichtung weist einen durch einen Sender 1 ausgebil­ deten Ultraschallsende/-empfangsabschnitt zum Erzeugen und Übertragen eines elektrischen Einzelimpulssignales, einen Wandler 2 zum Umwandeln des von dem Sender 1 übertragenen Impulssignales in eine Ultraschallwelle, und eine akustische Linse 3 zum Fokussieren der durch den Wandler 2 erzeugten Ultraschallwelle in einen winzigen Fleck auf.

Eine Probe 5 ist auf einem Träger 6 angeordnet, welcher in der Nähe des Brennpunktes der akustischen Linse 3 angeordnet ist. Der Träger 6 weist eine Seitenwandung auf zur Aufnahme einer Kopplungsflüssigkeit 4, welche die Ultraschallwelle von der akustischen Linse 3 an die Probe 5 übermittelt.

Die von der Probe 5 reflektierte Ultraschallwelle passiert noch einmal durch die Kopplungsflüssigkeit 4, die akustische Linse und wird in den Wandler 2 übertragen, wo sie in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Ein Vorverstärker 7 ist mit dem elektrischen Signal-Ausgangsanschluß des Wand­ lers 2 zur Verstärkung des elektrischen Signales verbunden, und eine Gatterschaltung 8 ist mit dem Ausgangsanschluß des Vorverstärkers 7 verbunden, um reflektierte Signalkomponenten von dem elektrischen Signal, welche für die Messung der Probe benötigt werden, herauszunehmen. Der Ausgangsanschluß der Gatterschaltung 8 ist mit einem Spitzendetektor 9 zur Erfassung der Spitzenwerte der reflektierten Signalkomponen­ ten verbunden, welche durch die Gatterschaltung 8 extrahiert worden sind. Der Ausgang des Spitzendetektors 9 wird in ein digitales Signal umgewandelt und in einem Speicher 11 ge­ speichert.

Der Ausgangsanschluß der Gatterschaltung 8 ist mit einem Hüllendetektor 12 zum Erfassen der Umhüllenden in der reflek­ tierten und extrahierten reflektierten Signalkomponente ver­ bunden. Der Ausgangsanschluß dieses Hüllendetektors 12 ist mit einem der Eingangsanschlüsse eines Komparators 13 ver­ bunden. Dem anderen Eingangsanschluß des Komparators 13 wird ein von einem Schwellenwert-Setzabschnitt 14 eingerichteter Schwellenwert eingegeben.

Der Komparator 13 vergleicht den Ausgang des Hüllendetektors 12 und den entsprechenden Schwellenwert und fährt mit dem Absenden seines Ausganges solange fort, wie der Pegel der reflektierten Signalkomponente den Schwellenwert übersteigt, und erzeugt ein Rechtecksignal mit einer zeitlichen Weite entsprechend dem Pegel der reflektierten Signalkomponente. Der Ausgangsanschluß des Hüllendetektors 12 ist mit einem Zeitweiten-Meßabschnitt 15 verbunden. Der Zeitweiten-Meßab­ schnitt 15 mißt die Zeitweite des durch den Komparator 13 erzeugten Rechteckwellensignales, wenn dessen Ausgang einge­ schaltet wird, und gibt den gemessenen Wert an einen Compu­ ter 16 weiter.

Der Computer 16 weist eine Anzahl von Aufgaben auf, ein­ schließlich Bestimmen des Schuppenzustandes von Teilen bei einem bestimmten Fleck der Probe aus der zeitlichen Weite des durch den Zeitweiten-Meßabschnitt 15 vorgegebenen Rechteckwellensignales, Lesen der in dem Speicher 11 gespei­ cherten Bilddaten, Erzeugen eines Bildes der Probe aus den durch die Ultraschallwellenuntersuchung erhaltenen Daten, und hervorhebendes Färben derjenigen Teile der Probe in dem Bild, welches er als lose und von dem Rest der Probe auf eine bestimmte Weise getrennt beurteilt hat, um diese leich­ ter erkennbar zu gestalten.

Der Computer 16 ist mit einem Anzeigegerät 17 zur Darstel­ lung eines Bildes der Probe verbunden, welches durch den Computer 16 nach einer Ultraschallwellenuntersuchung erzeugt ist, und des Ergebnisses der Prüfung zur Erfassung von losen und getrennten Teilen der Probe.

Der XY-Scanner 18 in dem Diagramm tastet die Probe 5 auf ei­ ner XY-Ebene ab durch Bewegen der akustischen Linse 3, wobei die Impulszeitablaufverzögerungsschaltung 19 den Zeitablauf des gesamten Betriebes des XY-Scanners 18 steuert.

Als nächstes wird die Betriebsweise des Ausführungsbeispie­ les mit dem oben beschriebenen Aufbau unter Bezugnahme auf die in Fig. 2 dargestellten Zeitablaufpläne erläutert. Je­ desmal, wenn durch die Impulszeitablauferzeugerschaltung 19 ein Übertragungstrigger an den Sender 1 geliefert wird, er­ zeugt letzterer einen Einzelimpuls. Das erzeugte Einzelim­ pulssignal wird sodann durch den Wandler 2 in eine Ultra­ schallwelle umgewandelt, und die Ultraschallwelle wird in der Kopplungsflüssigkeit 4 durch die akustische Linse 3 übertragen und an die Probe 5 angelegt. Die in die Probe 5 eingedrungene Ultraschallwelle wird durch verschiedene Grenzflächen auf und innerhalb der Probe 5, einschließlich der vorderen und rückseitigen Oberflächen und internen Grenzflächen der Elemente in der Probe, welche sich aku­ stisch voneinander unterscheiden, reflektiert, und die re­ flektierte Welle wird durch den Wandler 2 über die akusti­ sche Linse 3 empfangen und in ein elektrisches Signal umge­ wandelt, dessen Amplitude durch den Vorverstärker 7 angeho­ ben wird. Der Ausgang des Vorverstärkers 7 enhält verschie­ dene reflektierte Signalkomponenten der Echowellen ein­ schließlich derjenigen, welche die Reflexionen innerhalb der Linse, derjenigen durch die vordere und rückseitige Oberfläche der Probe und innerhalb der Probe darstellen.

Die Gatterschaltung 8 nimmt lediglich die für die Bestimmung des Zustandes der Trennung von Teilen innerhalb der Probe benötigten reflektierten Signalkomponenten des Signales her­ aus unter Verwendung eines Gattersignales bei einem Zeitab­ lauf, welcher durch eine vorgegebene zeitliche Länge von dem Übertragungsträger verzögert ist, wie es mit (b) in Fig. 2 dargestellt ist.

Im folgenden wird angenommen, daß die reflektierten Signal­ komponenten des Signales, welche die Reflexionen aufgrund der Grenzoberfläche K dargestellt sind, zur Bestimmung des Zustandes der Trennung von Teilen entlang der Grenzfläche herausgenommen werden, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Die Ul­ traschallwelle von der akustischen Linse 3 passiert das Ma­ terial H und trifft die Oberfläche K. Bei einer festen Flä­ che (wo keine Trennung von Teilen vorhanden ist) wird die einfallende Ultraschallwelle teilweise durch die Oberfläche K reflektiert, passiert teilweise die Oberfläche K und er­ reicht gegebenenfalls die Grenzfläche L, wie es durch M dar­ gestellt ist. Die Ultraschallwelle, die die Oberfläche L er­ reicht hat, wird sodann aufgrund der Oberfläche teilweise reflektiert und passiert teilweise hierdurch, um in das Ma­ terial J zu gelangen.

Wenn ein Block von Material I eine Dicke von einigen hunder­ ten µm aufweist, interferieren die aufgrund der Oberfläche K reflektierte Welle und die aufgrund der Oberfläche L reflek­ tierte Welle miteinander, und nehmen eine Wellenform an, wie es in Fig. 4A dargestellt ist.

Auf der anderen Seite wird die Ultraschallwelle, die eine lose Fläche (wo eine Trennung von Teilen existiert) erreicht hat, annähernd vollständig durch die lose Fläche reflek­ tiert, wie es durch N angedeutet ist, und wird nicht weiter in das darunter angeordnete Material fortfahren. Somit wird die durch diese Fläche reflektierte Welle eine Wellenform aufweisen, wie es Fig. 4B dargestellt ist. Durch Vergleichen der Wellenform der aufgrund einer festen Fläche reflektier­ ten Welle (Fig. 4A) und derjenigen, aufgrund einer losen Fläche (Fig. 4B) reflektierten Welle, ergibt sich, daß die durch eine feste Fläche reflektierte Welle wegen der Inter­ ferenz der durch die feste Fläche reflektierten Welle und der durch eine untere Oberfläche reflektierten Welle für eine relativ lange Zeitperiode andauert.

Die durch die Gatterschaltung 8 herausgenommene reflektierte Signalkomponente wird für eine Umhüllende durch den Hüllen­ detektor 12 erfaßt und in ein Signal mit einer Wellenform, wie es durch (c) in Fig. 2 angedeutet ist, umgewandelt. Das Signal wird anschließend durch den Komparator 13 in ein Rechtecksignal umgewandelt, wie es in Fig. 2 mit (d) ange­ deutet ist. Der Komparator 13 wird eingeschalten, wenn das hierzu gegebene Eingangssignal einen größeren Pegel als den Wert, der durch den Schwellenwert Setzabschnitt 14 gesetzt worden ist, aufweist, wohingegen er ausgeschaltet wird, wenn das eingegebene Eingangsignal einen geringeren Pegel als den durch den Schwellenwert-Setzabschnitt 14 gesetzten Wert auf­ weist, um folgerichtig eine Rechteckwelle zu erzeugen, wie es durch (d) in Fig. 2 dargestellt ist. Die Schwelle ist auf einen derartigen Pegel gesetzt, daß der Ausgangskomparator 13 von einem zufälligen Einschalten aufgrund von Rauschen, wenn es kein in den Komparator 13 einzugebendes Eingangswel­ lensignal gibt, auf effektive Weise verhindert wird.

Anschließend wird die zeitliche Weite des durch den Kompara­ tor 13 erzeugten Rechteckwellensignales durch den Zeitwei­ ten-Meßabschnitt 15 gemessen, und die gemessene zeitliche Weite wird an den Computer 16 eingegeben, der bestimmt, ob eine Trennung von Teilen vorhanden ist, wenn die eingegebene zeitliche Weite kürzer ist als eine entsprechend der Fre­ quenz der Ultraschallwelle und den Eigenschaften des Wand­ lers vorbestimmte zeitliche Weite. Die vorbestimmte zeitli­ che Weite beträgt als Funktion der Frequenz der Ultraschall­ welle und der Eigenschaften des Wandlers typischerweise etwa 100 ns, wenn die Frequenz 30 MHz beträgt, und etwa 80 ns, wenn die Frequenz 50 MHz beträgt.

Auf der anderen Seite wird der Ausgang der Gatterschaltung 8 ebenso an den Spitzendetektor 9 eingegeben, der den nachge­ wiesenen Spitzenwert erfaßt. Der erfaßte Spitzenwert wird sodann durch den A/D-Wandler 10 in einen digitalen Wert um­ gewandelt, dessen Ausgang in dem Speicher 11 gespeichert wird.

Da ein Einzelbetrieb des Anlegens einer Ultraschallwelle und Analysierens der von der Probe reflektierten Welle Daten be­ treffend den Zustand der Trennung der Teile für einen ein­ zelnen winzigen Fleck, der durch die Ultraschallwelle ge­ troffen wird, liefert, muß der Betrieb kontinuierlich zur Abtastung der gesamten Probe und der Verwendung des XY-Scan­ ners 18 wiederholt werden, falls zweidimensionale Daten für die Probe erhalten werden sollen. Die benötigten zweidimen­ sionalen Daten werden in dem Speicher 11 gespeichert und an­ schließend durch den Computer 16 verarbeitet, der ein sicht­ bares Bild der Probe auf der Anzeige 17 anzeigt, wobei zur deutlicheren Darstellung der erfaßten fraglichen Flächen die getrennten Teile hervorhebend eingefärbt werden.

Da dieses Ausführungsbeispiel die innerhalb der Probe re­ flektierte Welle nach einer Umhüllenden prüft und gegebenen­ falls die erfaßte Umhüllende in eine Rechteckwelle umwan­ delt, welche sodann nach der zeitlichen Weite geprüft wird zur Bestimmung, ob die Ultraschallwelle aufgrund einer un­ terhalb der zu prüfenden Fläche zur Trennung der Teile ange­ ordneten Oberfläche reflektiert wird, kann mit wenigen Wor­ ten ausgedrückt der Zustand der getrennten Teile bestimmt werden, ohne von den Faktoren wie die Frequenz der Ultra­ schallwelle, den Eigenschaften des Wandlers, den durch die akustische Linse verursachten Aberrationen, dem Pegel der Absorption der Ultraschallwelle der Kopplungsflüssigkeit und desjenigen der Probe beeinflußt zu werden. Daher bedarf es keiner Änderung der Frequenz der Ultraschallwelle und des Ersatzes von gewissen Komponenten, so daß folglich die ge­ samte Effizienz bei der Prüfung der Proben wirksam verbes­ sert wird. Mit derartigen Eigenschaften kann dieses Ausfüh­ rungsbeispiel einem großem Anwendungsbereich zugeführt wer­ den.

Im folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung erläutert.

Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm des zweiten Ausführungsbei­ spieles der Erfindung.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden diejenigen Komponen­ ten, die ähnlich sind zu den entsprechenden Komponenten des ersten Ausführungsbeispieles, durch dieselben Bezugsziffern bezeichnet, so daß deren nähere Erläuterung weggelassen wer­ den kann.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Ausgang der Gatter­ schaltung 8 (reflektierte Signalkomponenten) an den Spitzen­ detektor 9 wie in dem Fall des ersten Ausführungsbeispieles eingegeben, und gleichzeitig an eine Spektrumbetriebseinheit 21. Der Ausgang der Spektrumbetriebseinheit 21 wird an­ schließend durch einen Differenzierer 22 differenziert, des­ sen Ausgang sodann an einen der Eingangsanschlüsse des Kom­ parators 13 eingegeben wird, welcher diesen mit einem von dem Schwellenwert-Setzabschnitt 14 gesetzten Schwellenwert vergleicht und seinen Ausgang an den Computer 16 weitergibt.

Dieses Ausführungsbeispiel arbeitet auf die folgende Weise. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel extrahiert die Gatter­ schaltung 8 lediglich ein reflektiertes Signal, dessen Kom­ ponenten der Welle entsprechen, die innerhalb der Probe re­ flektiert wurden, und gibt sie an den Spektrumprozessor 21 zum Erhalten eines Frequenzspektrums der Komponenten weiter. Wenn in der Probe ein Schuppenzustandsabschnitt vorhanden ist, zeigt das Spektrum typischerweise eine Kurve mit einem Maximum bei einer bestimmten Frequenz und steigt annähernd monoton vor diesem Punkt an und fällt annähernd monoton nach diesem Punkt ab, wie es in Fig. 6A dargestellt ist. Wenn die zu prüfende Fläche der Probe auf dem gesamten Weg fest mas­ sive als Feststoff ist, wird auf der anderen Seite die ein­ fallende Ultraschallwelle aufgrund der fraglichen Oberfläche K teilweise aufgrund von einer Oberfläche L, die direkt un­ terhalb der Oberfläche angeordnet ist, teilweise reflek­ tiert, um den Weg M gemäß Fig. 3 zu nehmen, so daß die von der Oberfläche K reflektierte Welle und diejenige von der Oberfläche L reflektierte Welle miteinander interferieren.

Falls der Abstand zwischen den Oberflächen K und L gleich d beträgt, und die Schallgeschwindigkeit in dem Material B gleich V ist, werden die von der Oberfläche K reflektierte Welle und die von der Oberfläche L reflektierte Welle sich gegenseitig auslöschen, wenn die Frequenz fn durch die fol­ gende Gleichung ausgedrückt wird.

fn = nV/2d (3)

(n = 1, 2, 3, . . .)

Somit zeigt das Frequenzspektrum der von einem festen Fleck reflektierten Welle Minima bei den Frequenzen gemäß der Gleichung (3), wie es in Fig. 6B gezeigt ist. Beispielsweise zeigt eine durch einen Chip in einem gegossenen IC reflek­ tierte Welle Minima bei Frequenzen wie es unten gezeigt ist, wenn die Schallgeschwindigkeit in Si ungefähr 8000 m/s und der Chip normalerweise 0,2 bis 0,3 mm dick ist. Somit be­ trägt die Frequenz bei dem Minimum wie folgt:

f₁ = 20 - 13 MHz, f₂ = 40 - 26 MHz, . . .

Anschließend wird das durch die Spektrumbetriebseinheit 21 erhaltene Spektrum durch den Differenzierer 22 differen­ ziert.

Wenn ein Zustand der Trennung von Teilen der Probe vorhanden ist, wird der differenzierte Wert des Spektrums klein, wie es leicht aus Fig. 6A erkennbar ist, während er sehr groß wird unmittelbar vor und nach einem Minimum, wie es aus der Fig. 6B leicht erkennbar ist, wenn die Probe fest ist. Somit kann mit Sicherheit gesagt werden, daß die Probe fest ist, wenn der differenzierte Wert der Probe groß ist, während sie eine lose Fläche aufweist, falls der differenzierte Wert stets klein verbleibt.

Der Ausgang des Komparators 13 ist so lange EIN gehalten, als sein Eingang oberhalb eines durch den Schwellenwertsetz­ abschnitt 14 vorbestimmten Schwellenpegels liegt, und wird ausgeschaltet, wenn der Eingang unterhalb dieses Pegels fällt. Das Ausgangssignal wird anschließend an den Computer 16 eingegeben, welcher beurteilt, ob eine lose Fläche vor­ handen ist, die durch die Vorrichtung erfaßt wurde, wenn sie ein AUS-Eingangssignal empfängt.

Der an den Komparator 13 vorgegebene Schwellwert wird auf einen derartigen Pegel gesetzt, daß wirksam verhindert wird, daß der Ausgang des Komparators 13 zufälligerweise durch Rauschen auf EIN eingestellt wird, während kein Eingangswel­ lensignal an dem Komparator 13 anliegt. Wie im Falle des er­ sten Ausführungsbeispieles wird die Probe auch bei diesem Ausführungsbeispiel abgetastet, und die benötigten zweidi­ mensionalen Daten werden in dem Speicher 11 gespeichert und anschließend durch den Computer 16 verarbeitet, der ein sichtbares Bild der Probe auf der Anzeige 17 anzeigt, und zur deutlicheren Darstellung der erfaßten fraglichen Flächen die getrennten Teile unter Hervorhebung einfärbt.

Dieses Ausführungsbeispiel zeigt ähnliche Vorteile wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.

Während bei der Erläuterung dieses Ausführungsbeispiels dar­ auf Wert gelegt wurde, daß es zur Prüfung der gesamten Probe und der Bestimmung des Zustandes der Trennung der Teile darin verwendet wird, kann es ebenfalls zur Prüfung dafür verwendet werden, ob bei einem bestimmten Fleck einer Probe ein Zustand der Trennung von Teilen vorhanden ist. In diesem Falle kann ein digitales Oszilloskop an den Ausgang der Gat­ terschaltung 8 zur Herausnahme der erhaltenen Wellenform in den Computer 16 verbunden sein, welche anschließend unter Verwendung einer Software einer Fourier-Transformation un­ terzogen wird, so daß durch Berechnen der vorhandenen Unter­ schiede bestimmt werden kann, ob getrennte Teile vorhanden sind oder nicht. Danach kann ein sehr einfaches System zur Erfassung von getrennten Teilen in einer Probe realisiert werden durch Kombination eines herkömmlichen Ultraschallwel­ lenmikroskopes mit einem digitalen Oszilloskop und einer Software, welches nicht durch die Frequenz der Ultraschall­ welle und den Eigenschaften des beteiligten Wandlers beein­ flußt wird.

Claims (9)

1. Meßvorrichtung unter Verwendung einer Ultraschallwelle, welche aufweist
eine Ultraschallwellensende/empfangsvorrichtung (1, 2, 3) zum Senden eines Ultraschallwellenimpulses in eine Probe (5), Empfangen einer Echowelle von der Probe (5) und Umwandeln der Echowelle einschließlich der durch die Probe (5) reflektierten Komponenten in ein elektri­ sches Signal;
eine Extrahiervorrichtung (8) zum Extrahieren der re­ flektierten Signalkomponenten entsprechend den reflek­ tierten Komponenten aus dem elektrischen Signal;
eine Spektrumerfassungsvorrichtung (21) zum Erfassen eines Leistungsspektrums der von der Extrahiervorrich­ tung (8) extrahierten reflektierten Signalkomponenten; und
eine Zustanderfassungsvorrichtung (16) zur Bestimmung des Zustandes der Probe (5) entlang ihrer Tiefe ent­ sprechend einem Frequenzzyklus des Leistungsspektrums.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustanderfassungsvorrichtung (16) eine erste Differenziervorrichtung (22) zum Differenzieren des von der Spektrumerfassungsvorrichtung (21) erhaltenen Lei­ stungsspektrums, und eine Schuppenzustandbestimmungs­ vorrichtung (16) zum Bestimmen eines Schuppenzustandes der Probe (5) entsprechend eines Differenzierergebnis­ ses der ersten Differenziervorrichtung (22) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schuppenzustandbestimmungsvorrichtung (16) eine Vergleichsvorrichtung zum Vergleichen des Diffe­ renzierergebnisses der ersten Differenziervorrichtung (22) mit einem vorbestimmten Schwellenwert zur Bestim­ mung des Schuppenzustandes der Probe (5) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsvorrichtung ein Erfassungssignal aus­ gibt zur Anzeige des Vorhandenseins eines Schuppenbe­ reiches in der Probe (5), wenn das Differenzierergebnis kleiner ist als der Schwellenwert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch,
eine Abtastvorrichtung (18) zum Abtasten der Probe (5) durch den Ultraschallwellenimpuls;
eine A/D-Wandlervorrichtung (10) zum Umwandeln der von der Extrahiervorrichtung (8) extrahierten reflektierten Signalkomponenten in digitale Daten;
einen Bildspeicher (11) zum Speichern der die reflek­ tierten Signalkomponenten darstellenden digitalen Daten als Ultraschallwellenbilddaten für die Probe (5); und
eine Anzeigevorrichtung (17) zum Anzeigen der in dem Bildspeicher (11) gespeicherten Ultraschallwellenbild­ daten und den Schuppenzustanddaten entsprechend dem durch die Schuppenzustandsbestimmungsvorrichtung (16) bestimmten Schuppenzustand.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spektrumerfassungsvorrichtung (21) eine erste Fourier-Transformationsvorrichtung zum Fourier-Trans­ formieren der reflektierten Signalkomponenten zur Er­ fassung des Leistungsspektrums der reflektierten Sig­ nalkomponenten aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spektrumerfassungsvorrichtung (21) eine erste Fourier-Transformationsvorrichtung zum Fourier-Trans­ formieren der reflektierten Signalkomponenten zum Er­ fassen des Leistungspektrumswertes des Leistungsspek­ trums der reflektierten Signalkomponenten aufweist, und die Zustanderfassungsvorrichtung (16) eine Differen­ zierbetriebsvorrichtung zum Berechnen einer Differenz zwischen jeden kontinuierlichen beiden der Leistungs­ spektrumswerte des durch die erste Fourier-Transforma­ tionsvorrichtung erhaltenen Leistungsspektrums und eine Schuppenzustandbestimmungsvorrichtung zum Bestimmen eines Schuppenzustandes der Probe aus der Differenz aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellensende/empfangsvorrichtung (1, 2, 3) eine akustische Linse (3) zum Konvergieren des Ultraschallwellenimpulses zu einem Fleck auf der Probe aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch,
eine Erfassungsvorrichtung (12) zum Erfassen von Umhül­ lenden in den durch die Extrahiervorrichtung (8) extra­ hierten reflektierten Signalkomponenten; und
eine Zeitweitenbestimmungsvorrichtung (15) zur Messung einer zeitlichen Weite des durch die Erfassungsvorrich­ tung (12) erhaltenen Hüllenerfassungssignales; und
wobei die Zustanderfassungsvorrichtung (16) eine Vor­ richtung zum Bestimmen des Schuppenzustandes der Probe (5) aus der von der Zeitweitenbestimmungsvorrichtung (15) erhaltenen Zeitweite aufweist.