KR101940891B1 - 박층의 비-접촉 측정을 위한 광-음향 디바이스 및 방법 - Google Patents

박층의 비-접촉 측정을 위한 광-음향 디바이스 및 방법 Download PDF

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Abstract

층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 측정 디바이스로서, 측정 디바이스는 층에 인접하여 존재하는 기체 매질에서 열파를 발생시키도록 층과 상호작용하도록 적응된 펄스를 발생시키도록 동작하는 광원을 포함한다. 열파는 음향 신호가 발생되게 야기한다. 측정 디바이스는 음향 신호에 응답하여 제1 신호를 검출하도록 적응된 검출기를 더 포함하고, 검출기는 층과 기계적 접촉하고 있지 않다. 제1 신호는 측정된 층을 표현한다.

Description

박층의 비-접촉 측정을 위한 광-음향 디바이스 및 방법{PHOTO-ACOUSTIC DEVICE AND METHOD FOR NON-CONTACT MEASUREMENT OF THIN LAYERS}
관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 미국 가출원 제61/941,404호(출원일: 2014년 2월 18일, 발명의 명칭: "PHOTO-ACOUSTIC DEVICE AND METHOD FOR NON-CONTACT MEASUREMENT OF THIN LAYERS")로부터의, 35 U.S.C. §119(e) 하의, 우선권을 주장하며, 그 내용은 그의 전문이 참고로 본 명세서에 편입된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로는 층의 측정을 위한 디바이스 및 방법에 관한 것이고 구체적으로는 박층 코팅의 비-기계적-접촉 측정을 위한 광-음향 디바이스 및 측정 방법에 관한 것이다.
용어 박막 또는 박층은 마이크로미터(㎛) 및/또는 나노미터(nm) 두께 범위에 있는 층을 지칭한다. 박층의 제조는, 예를 들어, 비싼 원재료를 절약하면서 미세-튜닝된 속성을 갖는 기능적 층을 도포하는 산업 생산 공정에서 관련 있다. 그러한 박막은 광학계, 마이크로일렉트로닉스 및 표면 처리에서 다양한 응용을 갖는다. 층의 균일한 두께 및 잘 정의된 특성화는 제조자에게는 도전과제이다.
예를 들어, 알루미늄 스트립 상의 래커, 시일 및 접착제의 점착력 및 내식성을 개선하기 위해, 컨버전 코팅이 소위 코일-코팅 공정을 통해 도포될 수 있다. 이전에는, 이들 컨버전 코팅은 구성성분으로서 크롬을 갖는 화학적 성분을 함유하였다; 그렇지만, 산업은 무-크롬 기반 컨버전 코팅으로 이동하고 있다. 생산 동안, 도포된 컨버전 코팅의 품질 및/또는 그들 화학적 조성, 구체적으로 핵심 구성성분의 양을 실시간으로 모니터링할 필요가 있을 수 있다. 그렇지만, 코일-코팅 공정에서, 알루미늄 스트립은 생산 기계를 통해 분당 수백 미터까지의 속도로 이동할 수 있다.
이들 종류의 박층을 분석하기 위한 소정 기술이 알려져 있다. 그것들 전부는 고속-이동 샘플 및 거친 표면 상에 도포되는 나노미터 두께 층을 분석할 수 없다는 문제를 공유하고 있다. 백색광 간섭법은 적어도 가시광의 파장 범위 내에 있는 막 두께를 필요로 하지만 컨버전 코팅의 정규 두께는 100 나노미터 아래이다. 측광법도 소망 감도를 획득하도록 더 두꺼운 층을 필요로 한다. X선 형광 분석법(온라인-XRF)은 너무 느리고, 베타 후방산란처럼, 산업 환경에서 비용이 들 방사선 차폐를 필요로 한다. 전형적 알루미늄 스트립 표면의 거칠기가 마이크로미터 범위에서 있으므로, 반도체 산업에서처럼 매우 평탄한 표면을 필요로 하는 타원편광법을 사용하는 것은 곤란하다. 코일-코팅 공정 동안, 알루미늄 스트립은 고속으로 이동하고 진동할 것이어서, 사용되는 파장보다 더 작은 샘플 표면까지의 거리를 필요로 하는 감쇠 전반사(ATR) 분광법을 배제한다.
더욱, 광-음향(이하에서는 PA라고도 지칭됨) 원리에 기반하는 PA 기술이 막층을 측정하는데 알려져 있으며 거기에서 샘플은 전자기 방사선에 노출된다. 방사선의 흡수는 샘플에서의 더 높은 온도 및 부피 변화를 초래하여, 샘플 표면의 확장이 뒤따른다. 순차로, 표면 확장은, 음향으로서 마이크로폰으로 검출될 수 있는, 주위 매질 밀도의 임펄스 또는 주기 변화를 야기한다. 광-음향 기술을 사용하는 샘플 구성성분에 대한 감도는 관용적 광 기반 분광법보다 더 좋을 수 있다. 그렇지만, 기지의 PA 기술에 있어서, 샘플 두께는 약 12 마이크로미터보다 더 작지 않았고 그리고 마이크로폰에 음향을 전달하기 위해 마이크로폰은 샘플과 기계적 접촉하여(즉, 터치하여) 배치되거나 또는 샘플과 접촉하고 있는 액체 매질을 필요로 하여, 코일-코팅 제조 공정에서 100 나노미터 아래의 컨버전 코팅을 측정하는데는 적합하지 않을 수 있다.
그래서, 코일 코팅 제조 공정에서의 사용에 적합하고 잡음, 먼지 및 쇼크에 둔감한 컨버전 층에 대한 고속, 실시간, 비파괴 및 비-기계적 접촉 측정 기술이 소망된다.
본 발명의 일 실시형태에 의하면, 층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 측정 디바이스가 제시된다. 측정 디바이스는 층에 인접하여 존재하는 기체 매질에서 열파(thermal wave)를 발생시키도록 층과 상호작용하도록 적응된 펄스를 발생시키도록 동작하는 광원을 포함한다. 열파는 음향 신호가 발생되게 야기한다. 측정 디바이스는 음향 신호에 응답하여 제1 신호를 검출하도록 적응된 검출기를 더 포함한다. 검출기는 층과 기계적 접촉하고 있지 않다. 제1 신호는 측정된 층을 표현한다.
일 실시형태에 의하면, 펄스는 층을 영구적으로 개조함이 없이 층과 상호작용하도록 적응된다. 일 실시형태에 의하면, 펄스의 파장은 층에서의 펄스의 관통 깊이와 연관된다. 일 실시형태에 의하면, 펄스 파장은 바람직하게는 약 150 내지 약 500 나노미터의 범위에, 더 바람직하게는 약 180 내지 약 350 나노미터의 범위에, 가장 바람직하게는 약 213 나노미터에 있도록 선택된다. 관통 깊이는 층의 두께보다 더 크다.
일 실시형태에 의하면, 펄스의 시간적 폭은 층의 열 확산 길이와 연관된다. 열 확산 길이는 층의 두께와 실질적으로 같다. 일 실시형태에 의하면, 펄스 폭은 바람직하게는 약 50 피코초(psec) 내지 약 100 나노초(nsec)의 범위에, 더 바람직하게는 약 1 nsec 내지 약 50 nsec의 범위에 있도록 선택된다.
일 실시형태에 의하면, 펄스는 층 내에서의 펄스의 흡수와 연관된다. 이 흡수는 층과 기계적 접촉하고 있는 기재 내에서의 펄스의 흡수보다 실질적으로 더 크다. 층은 기재와 기체 매질 사이에 배치된다.
일 실시형태에 의하면, 층의 두께는 100㎚보다 더 작다. 일 실시형태에 의하면, 층은 고체, 젤, 액체 및 분말로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
일 실시형태에 의하면, 검출기는 검출기 부근의 주변 잡음의 주파수 범위보다 더 큰 주파수 응답을 갖고 제1 신호를 발생시키도록 적응된 트랜스듀서를 포함한다. 일 실시형태에 의하면, 트랜스듀서의 주파수 응답은 200 킬로헤르츠 위에 있다.
일 실시형태에 의하면, 검출기는 음향 신호의 일부를 검출기로 지향시키도록 적응된 음향 커플러를 포함한다. 일 실시형태에 의하면, 음향 커플러는 검출기 근위에 배치된 개구부를 포함하는 원통형 중공체를 포함한다. 일 실시형태에 의하면, 음향 커플러는 펄스가 층과 상호작용하는 영역과 교차하는 제1 방향으로 정향된 길이방향 축을 포함한다. 일 실시형태에 의하면, 음향 커플러는 제1 방향 이외의 제2 방향으로부터 기원하는 주변 음향 잡음의 일부를 거부하도록 더 적응된다.
일 실시형태에 의하면, 측정 디바이스는 제2 신호를 형성하도록 제1 신호의 신호 대 잡음 비를 개선하고, 그리고 열파를 발생시키는 기체 매질의 영역과 검출기 간 거리를 계산하도록 적응된 신호 프로세서를 더 포함한다. 신호 프로세서는 거리의 요동과 실질적으로 독립적인 제3 신호를 산출하도록 거리에 따라 제2 신호를 보상하고, 그리고 제3 신호의 진폭 및 미리 결정된 룩-업 테이블에 따라 막의 두께 및 조성에 응답하여 측정치를 결정하도록 더 적응된다.
일 실시형태에 의하면, 신호 프로세서는 제2 신호를 형성하도록 제1 신호의 높은 주파수 부분을 선택적으로 통과시키도록 적응된 필터를 포함한다. 일 실시형태에 의하면, 필터는 필터의 공진 주파수에서 제1 신호의 피크 진폭의 3 데시벨 아래에서 10보다 더 큰 양호도를 포함한다.
일 실시형태에 의하면, 신호 프로세서는 기체 매질에서의 음향 신호의 속도에 음향 신호의 비행 시간을 곱한 것에 따라 거리를 계산하도록 더 적응된다. 일 실시형태에 의하면, 신호 프로세서는 검출기에서 음향 신호를 수신하는 것과 연관된 시간으로부터 펄스를 발생시키는 것과 연관된 시간을 빼는 것에 의해 비행 시간을 결정하도록 더 적응된다.
일 실시형태에 의하면, 측정 디바이스는 펄스가 기체 매질로 측정 헤드를 빠져나가는 출구 포트를 포함하는 측정 헤드를 더 포함한다. 검출기 및 출구 포트는 각각 측정 헤드에 강성 부착된다. 일 실시형태에 의하면, 측정 헤드는 층의 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 이동하도록 적응된다. 일 실시형태에 의하면, 출구 포트는 광섬유를 통하여 광원에 결합된다.
일 실시형태에 의하면, 광원은 층의 다수의 다른 연관된 요소와 상호작용하도록 선택된 다른 연관된 특성을 각각 갖는 다수의 펄스를 발생시키도록 더 동작한다. 측정 디바이스는 다수의 펄스 중 다른 하나와 각각 연관된 다수의 다른 검출기를 포함한다.
일 실시형태에 의하면, 측정 디바이스는 펄스의 에너지를 측정하도록 적응된 에너지 검출기를 더 포함한다. 일 실시형태에 의하면, 측정 디바이스는 에너지의 요동과 실질적으로 독립적인 제2 신호를 형성하도록 에너지에 따라 제1 신호를 보상하도록 적응된 신호 프로세서를 더 포함한다.
일 실시형태에 의하면, 층은 코일-코팅 또는 롤-투-롤 코팅 공정에서 도포된 코팅이고 제1 신호는 층이 측정 디바이스에 상대적으로 이동함에 따라 실시간으로 검출된다. 일 실시형태에 의하면, 층은 알루미늄 기재 상에 도포된 컨버전 코팅이고 층은 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 및 크롬(Cr)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속 및/또는 실리콘(Si)을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 의하면, 층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 방법이 제시된다. 방법은 층에 인접하여 존재하는 기체 매질에서 열파를 발생시키고, 그로써 음향 신호가 발생되게 야기하도록 층과 상호작용하도록 적응된 펄스를 발생시키는 단계를 포함한다. 방법은 층과 기계적으로 접촉함이 없이 음향 신호에 응답하여 제1 신호를 검출하는 단계를 더 포함한다. 제1 신호는 측정된 층을 표현한다.
일 실시형태에 의하면, 방법은 고체, 젤, 액체 및 분말로 이루어진 그룹으로부터 층을 선택하는 단계를 더 포함한다. 일 실시형태에 의하면, 방법은 검출기 부근의 주변 잡음의 주파수 범위보다 더 큰 주파수 응답을 갖는 트랜스듀서를 사용하여 제1 신호를 발생시키는 단계를 더 포함한다. 일 실시형태에 의하면, 방법은 음향 신호의 일부를 검출기로 지향시키는 단계를 더 포함한다.
일 실시형태에 의하면, 방법은 검출기 근위에 배치된 개구부를 포함하는 원통형 중공체를 갖는 음향 커플러를 사용하는 단계를 더 포함한다. 일 실시형태에 의하면, 방법은 펄스가 층과 상호작용하는 영역과 교차하는 제1 방향으로 음향 커플러의 길이방향 축을 정향시키는 단계를 더 포함한다. 일 실시형태에 의하면, 방법은 음향 커플러를 사용하여 제1 방향 이외의 제2 방향으로부터 기원하는 주변 음향 잡음의 일부를 거부하는 단계를 더 포함한다.
일 실시형태에 의하면, 방법은 제2 신호를 형성하도록 제1 신호의 신호 대 잡음 비를 개선하는 단계, 및 열파를 발생시키는 기체 매질의 영역과 검출기 간 거리를 계산하는 단계를 더 포함한다. 방법은 거리의 요동과 실질적으로 독립적인 제3 신호를 산출하도록 거리에 따라 제2 신호를 보상하는 단계, 및 제3 신호의 진폭 및 미리 결정된 룩-업 테이블에 따라 막의 두께 및 조성에 응답하여 측정치를 결정하는 단계를 더 포함한다.
일 실시형태에 의하면, 방법은 제2 신호를 형성하도록 제1 신호의 높은 주파수 부분을 선택적으로 통과시키는 단계를 더 포함한다. 일 실시형태에 의하면, 방법은 필터의 공진 주파수에서 제1 신호의 피크 진폭의 3 데시벨 아래에서 10보다 더 큰 양호도를 포함하는 필터를 사용하는 단계를 더 포함한다.
일 실시형태에 의하면, 방법은 기체 매질에서의 음향 신호의 속도에 음향 신호의 비행시간을 곱한 것에 따라 거리를 계산하는 단계를 더 포함한다. 일 실시형태에 의하면, 방법은 검출기에서 음향 신호를 수신하는 것과 연관된 시간으로부터 펄스를 발생시키는 것과 연관된 시간을 빼는 것에 의해 비행 시간을 결정하는 단계를 더 포함한다.
일 실시형태에 의하면, 방법은 펄스가 기체 매질로 측정 헤드를 빠져나가는 출구 포트를 포함하는 측정 헤드를 제공하는 단계, 및 검출기 및 출구 포트를 측정 헤드에 강성 부착하는 단계를 더 포함한다. 일 실시형태에 의하면, 방법은 층의 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 측정 헤드를 이동시키는 단계를 더 포함한다. 일 실시형태에 의하면, 방법은 광섬유를 통하여 광원에 출구 포트를 결합시키는 단계를 더 포함한다.
일 실시형태에 의하면, 방법은 층의 다수의 다른 연관된 요소와 상호작용하도록 선택된 다른 연관된 특성을 각각 갖는 다수의 펄스를 발생시키는 단계, 및 다수의 펄스 중 다른 하나와 각각 연관된 다수의 다른 검출기를 사용하는 단계를 더 포함한다.
일 실시형태에 의하면, 방법은 펄스의 에너지를 측정하는 단계를 더 포함한다. 일 실시형태에 의하면, 방법은 에너지의 요동과 실질적으로 독립적인 제2 신호를 형성하도록 에너지에 따라 제1 신호를 보상하는 단계를 더 포함한다. 일 실시형태에 의하면, 방법은 코일-코팅 또는 롤-투-롤 코팅 공정에서의 코팅으로서 층을 도포하는 단계, 및 층이 측정 디바이스에 상대적으로 이동함에 따라 실시간으로 제1 신호를 검출하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시형태의 본질 및 이점의 더 양호한 이해는 이하의 상세한 설명 및 수반 도면을 참조하여 획득될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 코일 코팅 공정에서의 사용을 위한 광-음향 측정 헤드의 단순화된 도식적 측면도,
도 2a는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 층을 관통하는 광 펄스로 일례의 이동 층을 노출시켜 층의 조사된 영역을 형성하는 묘사도,
도 2b는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 광 펄스로부터의 에너지가 광학적으로 흡수되고 도 2a에서 묘사된 층의 조사된 영역으로부터 열 확산하는 묘사도,
도 2c는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 2b에서 묘사된 조사된 영역으로부터의 에너지가 박층과 기체 매질 간 계면에서 기체 매질에서의 열파를 형성하는 묘사도,
도 2d는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 2c에서 묘사된 열파로부터의 에너지가 음향 신호를 발생시키는 묘사도,
도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 박층 및 그 지지 알루미늄 스트립 또는 기재의 특성에 정합하기 위한 광 펄스에 대한 특성의 선택의 묘사도,
도 4는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 비-기계적-접촉 광-음향 측정 시스템의 단순화된 도식적 블록 선도,
도 5는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 4에서 묘사된 측정 헤드의 단순화된 도식적 블록 선도,
도 6은 도 4에서 묘사된 검출기로부터의 시간 영역에서의 원시 전기 측정 신호의 묘사도,
도 7은 도 4에서 묘사된 검출기로부터의 주파수 영역에서의 원시 전기 측정 신호의 묘사도,
도 8a는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 4에서 묘사된 신호 프로세서의 회로 부분의 도식적 블록 선도,
도 8b는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 4에서 묘사된 신호 프로세서의 회로 부분의 개선된 도식적 블록 선도,
도 9는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 검출기 대 샘플 층 거리에 대한 음압 진폭의 종속성의 묘사도,
도 10은 도 4에서 묘사된 검출기에 의해 측정된 산업상 응용에서의 필터링되지 않은 주변 음향 잡음의 묘사도,
도 11a는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 8a에서 묘사된 높은 양호도(높은-Q) 필터의 응답의 묘사도,
도 11b는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 8a 내지 도 8b에서 묘사된 회로 부분의 주파수에 걸친 시뮬레이팅된 거동의 비교도,
도 12는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 10에서 묘사된 산업상 응용에서의 주변 음향 잡음을 제거함에 있어서 높은-Q 필터의 유효성의 묘사도,
도 13은, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 4에서 묘사된 광-음향 측정 장치를 사용하는 측정 방법의 묘사도,
도 14는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 4에서 묘사된 광-음향 측정 장치를 사용하여 획득된 측정치 대 XRF 기술을 사용한 측정치 간 비교도.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 코일 코팅 공정에서의 사용을 위한 광-음향 측정 헤드(9)의 단순화된 도식적 측면도(20)를 묘사하고 있다. 이하에서는 샘플 층이라고도 지칭되는 층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 측정 디바이스가 제시되며, 그것은 산업 코팅 공정 동안 실시간으로 나노미터 범위에 있는 박막의 고속 이동 샘플의 온-라인 품질 샘플링을 가능하게 하도록 광-음향 효과를 사용한다. 측정 디바이스의 일부는 측정 헤드(9)를 포함할 수 있다. 측정 디바이스는 층을 측정하도록 측정 디바이스가 발동될 때 층(2)을 영구적으로 개조함이 없이 층(2)과 기체 매질(50) 간 계면 가까이에서 층(2)에 인접하여 존재하는 기체 매질(50)에서 열파(도시되지 않음)를 발생시키도록 샘플 층(2)과 상호작용하도록 적응된 광 및/또는 전자기 에너지의 펄스(12)를 발생시키도록 동작하는 광원(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 열파는 음향 신호(6)가 발생되게 야기한다. 측정 디바이스는 음향 신호(6)에 응답하여 제1 신호를 검출하도록 적응된 측정 헤드(9)에서의 검출기(도시되지 않음)를 더 포함한다. 제1 신호는, 예를 들어 층(2)의 재료 요소의 양 및/또는 두께와 같은, 측정된 층(2)의 특성을 표현할 수 있다. 검출기는 층(2)과 기계적 접촉하고 있지 않다. 일 실시형태에 있어서, 기체 매질(50)은 제조 공정에 맞춰진 주변의 어느 적합한 기체 또는 공기일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 층(2)은 코일-코팅 또는 롤-투-롤 제조 공정 동안, 이하에서는 기재라고도 지칭되는, 이동 알루미늄 스트립(13) 상에 도포된 컨버전 코팅일 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 층(2)은 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 및/또는 크롬(Cr)과 같이 요소로서 금속, 및/또는 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. 코일-코팅 공정 기계의 일부는 3개의 롤러를 포함할 수 있다. 미터링 롤러(22)는 배스(21)로부터 산성 수용액을 들어 올린다. 미터링 롤러 상의 액체 용액은, 순차로 알루미늄 스트립(13)과 도포 롤러(23) 사이의 작은 갭을 통해 액체를 전사하는, 도포 롤러(23)에 전사된다. 알루미늄 스트립(13)은, 알루미늄 스트립을 이동시키는, 알루미늄 수송 지지 롤러(24) 주위에 부분적으로 감길 수 있다. 롤러는 알루미늄 스트립을 그것이 롤러 어셈블리를 통해 이동함에 따라 코팅하도록 곡선형 화살표에 의해 나타낸 바와 같은 방향으로 움직인다.
수송 지지 롤러(24)를 떠난 후에, 알루미늄 스트립(13)은 알루미늄 스트립(13)이 화살표(40)에 의해 나타낸 방향으로 수송 지지 롤러(24)를 떠나 이동함에 따라 분당 수백 미터까지의 공정 속도로 도포된 20㎛까지의 두께를 가질 수 있는 액막 용액으로 피복될 수 있다. 건조 공정 후에, 액막 용액은 건조되어, 20 내지 70㎚ 범위에 있는 두께를 가질 수 있는, 층(2)을 초래한다. 일 실시형태에 있어서, 층(2)은 고체, 액체, 젤 또는 분말의 형태일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 측정 헤드(9)는 측정 헤드(9)가 고속 이동 층(2)과 기계적 접촉하고 있지 않고 대신, 아래에 설명되는 바와 같이 펄스(12) 및 음향 신호(6)를 전달하는, 기체 매질(50)에 의해 층(2)과 분리되도록 이동 스트립으로부터 약 40 밀리미터(mm) 떨어진 거리 내에 장착될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 측정 헤드(9)는 층의 표면에 실질적으로 평행한 방향으로, 예를 들어, 막 운동의 방향으로 그리고/또는 도면 안으로의 방향으로 이동하도록 적응될 수 있다. 따라서, 측정 헤드(9)는 알루미늄 스트립의 이동 방향에 직각이고 그리고 롤러의 회전축에 평행할 수 있는 길이방향 축을 갖는 제1 선형 운동 제어 유닛(30) 상에 장착될 수 있다. 측정 헤드를 이동시키는 것은, 예를 들어, 샘플 폭에 걸쳐 박층의 두께를 측정할 수 있는 능력을 제공한다. 박막의 평면에서의 2차원 표면 매핑은 박층 운동의 방향에 평행하게 제1 선형 운동 제어 유닛(30)의 길이방향 축을 이동시키는 제2 선형 운동 제어 유닛(도시되지 않음)에 의해 제공될 수 있다. PA 시스템은 아래에 설명되는 바와 같이 측정 헤드와 박층 표면 간 변량을 자동으로 보상하기 때문에 측정 헤드(9)의 운동 제어는 중대하지 않을 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 광-음향 신호를 발생시킴에 있어서 단순화된 단계를 묘사하고 있다. 도 2a는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 층(2)을 관통하는 펄스(12)로 예시의 이동 층(2)을 노출시켜 층의 조사된 영역을 형성하는 것을 묘사하고 있다. 층(2)은 알루미늄 스트립(13)을 덮고 있으며, 그 둘 다는 코일 코팅 공정 동안 화살표(40)에 의해 나타낸 방향으로 이동하고 있다.
도 2b는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 펄스(12)로부터의 에너지가 광학적으로 흡수되고 도 2a에서 묘사된 층의 조사된 영역으로부터 영역(220)에서 열 확산하는 것을 묘사하고 있다. 100㎚ 아래의 두께를 갖는 박막에 대해, 종래 PA 기술에서 설명된 바와 같은 펄스로부터의 가열에 기인하는 막에서의 부피 변화는 코일 코팅 공정에서 흔히 맞닥뜨리는 주변 잡음에서 검출하기에 충분한 크기의 음향 신호를 산출하지 않는다는 것을 PA 기술의 컴퓨터 모델을 통해 알게 되었다.
도 2c는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 2b에서 묘사된 조사된 영역으로부터의 에너지가 박층(2)과 기체 매질(50) 간 계면에서 기체 매질(50)에서의 열파(230)를 형성하는 것을 묘사하고 있다. 막(2)의 부피를 실질적으로 변화시키기보다는, 막의 조사된 영역에서의 열 에너지는 박층(2)과 기체 매질(50) 간 계면에서 기체 매질(50)을 가열한다. 가열된 기체 매질은 그 후 신속히 팽창하여 파선에 의해 묘사된 영역에서 열파(230)를 형성한다.
도 2d는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 2c에서 묘사된 열파(230)로부터의 에너지가 연관된 음향 신호(6)를 발생시키는 것을 묘사하고 있다. 박층(2)과 기체 매질(50) 간 계면에서 열파(230)에 의해 트리거링된 기체 매질(50)의 가열 및 후속 냉각은 급속히 일어난다. 각각의 급속한 기체 부피 팽창 및 수축은 파선 화살표에 의해 나타낸 바와 같이 조사된 막 표면으로부터 바깥쪽으로 기체 매질(50)을 통해 방사하여 박층(2)의 두께 및 조성에 관한 정보를 반송하는 초음파 음향 신호(6)를 발생시킨다. 도 2a 내지 도 2d에 묘사된 PA 공정의 속도는, 음향 신호의 비행 시간을 제외하면, 수십 마이크로초 내에 일어난다.
도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 박층(2) 및 그 지지 알루미늄 스트립(13) 또는 기재의 특성에 정합하기 위한 광 펄스(12)에 대한 특성의 선택을 묘사하고 있다. 컨버전 코팅 또는 층(2)은 높은 배율 하에 묘사되어 있고 알루미늄 스트립(13)의 거친 표면 상에 도포되는 두께(d)를 포함한다. 비-연마된 산업용 알루미늄 표면의 전형적 거칠기는 0.2 내지 1㎛의 범위에 있다. 층(2)은 기재와 기체 매질(50) 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 의해 설명되는 바와 같이 코일 코팅 산업 환경에서 100㎚보다 작은 두께(d)를 갖는 막을 측정하기 위한 PA 기술의 방법 및 장치는, 예를 들어, 실험실 설정에서 100㎚보다 훨씬 더 큰 두께를 갖는 막을 측정하기 위한 그들 기지의 PA 기술과 같은 앞서 설명된 것들과는 상당히 다름을 강조한다. 따라서, 광 펄스의 특성은 발생된 음향 신호 및 거기에 포함되어 있는 층(2)과 연관된 정보를 증가시키기 위해 이하의 3개의 펄스 특성 중 적어도 하나를 충족하도록 특별히 선택될 수 있다. 더욱, 본 발명의 실시형태는 여기에서 설명되는 이동 금속 코일 코팅 공정으로 한정되지 않고, 예를 들어, 자동차 산업 등과 같은 다양한 산업에서 전처리제, 윤활제 및/또는 접착제의 도포를 측정 또는 특성화하는데 사용될 수 있으며, 약 100㎚ 아래의 두께 범위에 있는 정지 표적 층 상의 측정을 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 펄스(12)의 파장은 층(2)에서의 펄스의 관통 깊이(μopt)가 두께(d)보다 크도록 선택될 수 있다. μopt > d를 선택하는 것은 결과적 음향 신호가, 층 두께(d)의 더 양호한 측정 특성화에 사용될 수 있는, 기재 대 컨버전 층 경계와 연관된 정보를 포함하고 있을 수 있다는 이점을 갖는다. 일 실시형태에 있어서, 펄스 파장은 바람직하게는 약 150 내지 약 500 나노미터 범위에, 더 바람직하게는 약 180 내지 약 350 나노미터 범위에, 그리고/또는 가장 바람직하게는 약 213 나노미터에 있도록 선택되는데, 자외선(UV) 내지 가시광선 스펙트럼 범위를 포함한다.
다른 일 실시형태에 있어서, 펄스(12)의 시간적 폭, 예를 들어, 펄스 시간 길이는 층(2)의 열 확산 길이(μ1therm)가 층(2)의 두께(d)와 실질적으로 같도록 선택될 수 있다. μ1therm ~ d를 선택하는 것은, 음향 신호 여기에 악영향을 미칠 수 있는, 기재로의 열 배출을 방지하는 것을 돕는다. 대신, 열 에너지는 앞서 설명된 바와 같은 소망의 음향 신호를 발생시키는 것을 돕도록 열파를 통하여 주변 기체로 지향될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 시간적 펄스 폭을 갖는 펄스형 광원은 바람직하게는 약 50 피코초(psec) 내지 약 100 나노초(nsec) 범위에, 더 바람직하게는 약 1 nsec 내지 약 50 nsec 범위에 있도록 선택될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 펄스(12)는 층(2) 내에서의 펄스(12)의 광학 흡수(α1)가 층(2)과 기계적 접촉하고 지지하고 있을 수 있는 기재, 예를 들어, 알루미늄 스트립(13) 내에서의 펄스의 광학 흡수(α2)보다 실질적으로 더 클 수 있도록 선택된다. 환언하면, α1 >> α2. α1 >> α2를 선택하는 것은, 재차 음향 신호 발생을 개선하기 위해, 펄스의 파장이 기재에서보다는 층(2)에서의 흡수에 유리하도록 선택됨을 보장한다. 강한 음향 신호는 검출하기가 더 용이하고 기재로부터의 약한 신호는 무시될 수 있다.
도 4는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 여기에서는 PA 시스템이라고도 지칭되는 비-기계적-접촉 PA 측정 시스템(1)의 도식적 블록 선도를 묘사하고 있다. PA 시스템(1)은 펄스형 레이저(3), 비-선형 광학계 모듈(15), 광학 필터 컴포넌트(16), 가변 감쇠기(17), 미러(18), 빔 스플리터(19) 및 에너지 검출기(14)를 포함한다. 펄스형 레이저(3)는 펄스(12)를 발생시키고 그리고, 예를 들어, 플래시 램프에 의해 펌핑될 수 있는 네오디뮴-도핑된 이트륨-알루미늄-가닛(Nd: YAG) 레이저 모듈을 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 펄스의 소스는 초연속체 레이저 및/또는 광학 파라메트릭 발진기(OPO)일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 펄스(12)의 여기 에너지는 층(2)의 특성과 연관된 데이터를 신뢰할만하게 획득하기 위해 충분히 높은 신호 대 잡음 비로 검출되기에 충분히 강한 음향 신호가 발생되도록 선택될 수 있다. 환언하면, 음향 신호는, 예를 들어 층의 두께 및/또는 층의 재료 요소의 양과 같은, 데이터를 포함하는 측정된 층의 특성을 표현하고 있을 수 있다. 다른 한편, 여기 에너지는 층(2)의 비-선형 프로세스 및 애블레이션이 회피되도록 충분히 낮게 선택된다. 여기 에너지가 너무 높으면, 신호 진폭은 층(2)의 두께와 선형으로 상관되지 않을 수 있고, 그리고/또는 펄스(12)는 층(2)을 손상시킬 수도 있다.
레이저(3)가 공급된 비-선형 광학계 모듈(15)은 레이저의 파장 1064㎚를 그 제5 고조파 213㎚로 변환함으로써 UV 광 빔(11)을 발생시키며, 그것은 45도 하의 반사각에 의해 불요 파장을 차단하도록 광학 필터 컴포넌트(16)에 의해 필터링된다. 필터링된 광의 에너지는 감쇠기(17)에 의해 필요에 따라 감축될 수 있다. UV 광 빔(11)은 미러(18)에 의해 빔 스플리터(19)로 반사되며, 그것은 에너지의 대략 2/3를 에너지 검출기(14)에 분배하고 에너지의 대략 1/3을 샘플 층으로 향하여 포워딩한다. 에너지 검출기(14)는 펄스의 에너지를 측정하고 궤환 제어 신호(도시되지 않음)를 감쇠기(17)에 결합시켜 각각의 펄스의 에너지가 아래에 설명되는 바와 같이 균일하게 유지될 수 있게 하도록 적응될 수 있다. 방출된 펄스(12)의 에너지 및 펄스 길이는 층(2)에서의 애블레이션 또는 광화학을 방지함으로써 층(2)의 비-파괴 측정을 위해 제공된다. 레이저(3), 비-선형 광학계 모듈(15), 광학 필터 컴포넌트(16), 가변 감쇠기(17), 미러(18), 빔 스플리터(19) 및 에너지 검출기(14)는, PA 시스템(1)의 다른 부분과 별개로 하우징될 수 있는, 광학 서브섹션에 포함될 수 있다.
PA 시스템(1)은 측정 헤드(9) 및 검출기(4, 5)를 더 포함한다. 측정 헤드(9)는 검출기(4, 5), 및 펄스(12)가 기체 매질(50)로 측정 헤드(9)를 빠져나갈 수 있는 광 출구 포트(8)를 포함할 수 있다. 검출기(4, 5) 및 출구 포트(8)는 측정 헤드(9)에 각각 강성 부착될 수 있는데, 검출기와 조사된 층(2) 샘플 표면 간 거리가 아래에 설명되는 바와 같이 음향 신호(6)의 비행 시간을 통하여 정확하게 결정될 수 있도록 검출기와 광 출구 포트 간 상대적 거리가 쇼크 또는 진동에 의해 영향을 받지 않는다는 이점을 제공한다.
측정 헤드(9)는, 출구 포트(8)와 빔 스플리터(19) 사이에 결합될 수 있는, 가요성 광섬유 케이블(26)을 통하여 광학 서브섹션에 가요성 부착될 수 있다. 광학 서브섹션에 비해 공간을 거의 차지하지 않는 측정 헤드(9)는 그리하여 더 용이하게 취급되고, 코일 코팅 공정 셋업에 대한 상당한 수정 없이, 양자가 PA 시스템(1)을 지나 급속히 이동하고 있는 알루미늄 스트립(13) 상의 층(2)에 가까이 근접하여 그러나 기계적 접촉하지는 않게 유연하게 위치결정될 수 있다. 그래서, 광학 서브섹션은 유익하게도 코일 코팅 공정에 의해 야기된 먼지 오염 및 진동으로부터 광학 컴포넌트를 보호하도록 이동 스트립으로부터 원격에 또는 더 멀리 위치하고 있을 수 있다. 광학 서브섹션으로부터 떨어져 있는 측정 헤드를 갖는 결과적 시스템은 측정 헤드와 광학 섹션이 이동 알루미늄 스트립에 근접하여 동일한 시스템 엔클로저에 있는 경우보다 더 나은 안전 및 유지보수 요건을 산업상 응용에 제공한다.
펄스(12)는 광섬유 케이블(26)의 종단부를 포함할 수 있는 출구 포트(8)를 떠나고 층(2)으로 향하여 기체 매질(50)을 통해 전달되고, 일 실시형태에서는, 층(2)의 표면에 실질적으로 직교하여 지향될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 펄스(12)는, 시간의 흐름에 따라 광학 서브섹션에서의 컴포넌트를 열화시킬 수 있는, 다시 광학 서브섹션으로의 펄스(12)의 불요 반사를 방지하도록 실질적으로 직교하여 그러나 정확히 직교하지는 않게 지향된다. 따라서, 층(2)의 표면 대비 펄스(12)의 각도는 90도보다 작지만 80도보다 큰 범위에, 예를 들어 바람직하게는 89도 내지 86도의 범위에 있을 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 펄스(12)는 측정 헤드(9)를 떠나 집속되지 않을 수 있다. 다른 일 실시형태에 있어서, 펄스(12)는 층(2) 상에 집속될 수 있다. 펄스(12)가 출구 포트(8)를 떠난 후에, 층(2)의 영역은 위에서 설명된 바와 같이 열파를 통하여 음향 신호(6)를 산출하도록 조사될 수 있다. 그 후 음향 신호(6)는 층(2)이 조사되었던 열파-발생 영역으로부터 기체 매질(50)을 통해 검출기(4, 5)로 향하여 전파한다. 그래서, 측정 헤드(9)가 기체 매질(50)에 의해 층(2)으로부터 분리되어 있을 수 있기 때문에, PA 시스템(1)은 층(2)의 비-기계적-접촉 측정을 제공한다. 더욱, 측정의 속도가 코일-코팅 공정에서의 층(2)의 이동에 비해 고속이기 때문에 층(2)이 PA 시스템(1)에 상대적으로 이동함에 따라 음향 신호(6)는 실시간으로 검출될 수 있다.
PA 시스템(1)은, 가요성 케이블(10)에 의해 검출기(4, 5)에 결합될 수 있고 통신 및/또는 제어 기능을 위해 레이저(3), 감쇠기(17) 및 에너지 검출기(14)에 결합된다고 이해될 수 있는 신호 프로세서(7)를 더 포함하는데, 결합 신호는 본 발명의 실시형태를 더 잘 설명하기 위해 도시되어 있지 않다. 신호 프로세서(7)는 제어 전자장치, 컴퓨터 프로세서, 및 PA 시스템(1)의 기능을 제어하기 위한 프로그램 코드를 저장하도록 적응된 비-일시적 메모리를 포함할 수 있으며, 아래에서 설명된다.
일 실시형태에 있어서, 광학 서브섹션은 층(2)의 다수의 다른 연관된 요소와 상호작용하도록 선택된 여러 다른 연관된 특성을 각각 갖는 다수의 펄스를 발생시키도록 더 동작한다. 측정 디바이스는 다수의 펄스 중 다른 하나와 각각 연관된 다수의 다른 검출기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 층(2)은 유기 바인더 내측에 지르코늄 함유 활성 화합물을 포함할 수 있다. 하나의 펄스는 지르코늄 함유 활성 화합물의 양에 응답하여 음향파를 발생시키도록 튜닝된 특성을 포함하도록 선택될 수 있는 한편, 다른 펄스는 층(2)에서의 유기 바인더의 양에 응답하여 음향파를 발생시키도록 튜닝된 특성을 포함하도록 선택될 수 있다. 2개의 다른 펄스는 지르코늄 함유 활성 화합물 및 유기 바인더 양자를 실시간으로 모니터링하도록 파장, 에너지 및/또는 시간적 펄스 길이가 다를 수 있다.
일 실시형태에 있어서, PA 시스템(1)은 여러 다른 튜닝된 특성을 각각 갖는 다수의 다른 레이저 소스를 포함할 수 있다. 다른 일 실시형태에 있어서, PA 시스템(1)은 여러 다른 파장에서의 다수의 펄스를 발생시키도록 광학적으로 프로세싱된 스펙트럼 광대역 레이저를 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, PA 시스템(1)은 층(2) 상의 다수의 다른 영역을 샘플링하도록 각각 적응된 다수의 측정 헤드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 스트립(13) 상의 전체 폭을 가로지르는 층(2)의 요소의 농도 및/또는 두께는 실시간으로 동시에 측정될 수 있다.
여기에서 설명되는 실시형태는 복합 분광 조사를 행하는 방법을 제공한다. 예를 들어, 선택된 다수의 파장은 층(2)에서의 매트릭스에 매립된 다수의 다른 연관된 분자를 개별적으로 겨냥하여 서로로부터 독립적인 그들 농도를 측정 가능하게 하여, 층(2)에서의 반응속도론처럼 다수의 화학적 정보를 초래할 수 있다.
도 5는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 4에서 묘사된 측정 헤드(9)의 단순화된 도식적 블록 선도를 묘사하고 있다. 측정 헤드(9)는 검출기(4, 5) 및 장착 브래킷(99)을 포함할 수 있다. 장착 브래킷(99)은 하우징(54) 및 출구 포트(8)를 포함할 수 있다. 하우징(54)은, 순차로 마이크로폰(4) 및 음향 커플러(5)를 포함할 수 있는, 검출기(4, 5)를 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 마이크로폰(4)은 트랜스듀서(56)를 포함하도록 적응될 수 있으며, 그것은 순차로 검출기 부근의 주변 잡음의 주파수 범위보다 더 큰 주파수 응답을 갖고 음향 신호(6)의 높은 주파수 부분과 연관된 제1 전기 신호를 발생시켜 아래에서 설명되는 바와 같이 PA 시스템의 신호 대 잡음 비를 더 개선하도록 적응될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 음향 커플러(5)는 음향 신호(6)의 높은 주파수 부분을 검출기(4, 5)의 마이크로폰(4)의 트랜스듀서(56)로 지향시키도록 적응될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 음향 커플러(5)는 원통형 중공체의 반대 양단에서의 2개의 개구부를 포함하는 원통형 중공체를 포함할 수 있다. 커플러(5)의 하나의 개구부(59)는 검출기(4, 5)의 마이크로폰(4)의 트랜스듀서(56) 근위에 배치될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 음향 커플러(5)는 트랜스듀서(56)의 직경(dm)과 대략 같은 외측 직경(ds)을 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 음향 커플러(5)는 마이크로폰(4)의 길이방향 축(58)과 실질적으로 일직선으로 정향된 길이방향 축(57)을 더 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 마이크로폰(4)의 길이방향 축(58)은 층(2)의 표면에 대해 90도보다 작은 각도를 형성할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 음향 커플러(5)의 길이방향 축(57)은, 산업 환경에서 제1 방향 이외의 제2 방향으로부터 발생된 주변 음향 잡음의 일부를 거부하면서, 열파로부터의 음향 신호(6)를 마이크로폰(4)으로 지향시키도록, 펄스(12)가 층(2)과 상호작용하는, 층(2)의 영역(220)의 표면 상의 영역(510)에서 실질적으로 교차하도록 제1 방향으로 정향될 수 있다. 음향 커플러(5)에 의한 제2 방향의 잡음의 거부는 PA 시스템의 신호 대 잡음 비를 개선하기 위한 다른 컴포넌트일 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 음향 커플러(5)는 약 0.2mm의 벽 두께 및 약 3mm의 외측 직경을 갖는 약 40mm 길이의 스테인리스 스틸 튜브로 형성될 수 있다.
잡음 거부는, 높은 주파수 음향 신호(6)를 마이크로폰(4)으로 향하여 지향시키면서, 마이크로폰(4)에 도달하는 주변 잡음을 더 감축하는 음향 차폐로서 하우징(54) 및 장착 브래킷(99)이 역할할 수 있도록 하우징(54)에서의 오리피스(520)를 통해 음향 커플러(5)를 직접 부착함으로써 더 성취될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 음향 커플러(5)는 음향 커플러(5)의 대략 절반을 오리피스(520)에 삽입함으로써 하우징(54)에 부착되어 제1 방향으로 정향될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 마이크로폰(4)은 음향파가 마이크로폰(4)에 들어갈 유일한 개구부가 하우징(54)에서의 오리피스(520)를 통해 그리고 음향 커플러(5)를 거쳐 있도록 하우징(54)에 직접 부착될 수 있다. 더욱, 음향 커플러(5)는 기계적 스트레스 또는 손상으로부터 마이크로폰(4)을 보호하는 부가 혜택을 제공할 수 있다.
장착 브래킷(99)은 층(2)으로 향하여 빔으로서 펄스(12)를 지향시키는 종단된 광섬유(26)를 부착하기 위한 오리피스(8)를 포함할 수 있다. 장착 브래킷(99)은 소망 정향으로 하우징(54)을 유지하도록 적응된 각진 장착 홀을 더 포함할 수 있다. 음향 신호(6)에 대응하는 전기 신호는 단자(51-53)를 갖는 차폐된 케이블을 통하여 송신될 수 있으며, 여기서 단자(53)는 접지된 케이블 차폐일 수 있다. 장착 브래킷(99)은 이동 금속 코일(2, 13)로부터 안전한 고정된 거리에 측정 헤드(9)를 단단히 장착하기 위한 홀 또는 슬롯(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다.
도 6은 조용한 실험실 환경에서 취득된 도 4에서 묘사된 검출기(4, 5)로부터의 시간 영역에서의 원시 전기 측정 신호(600)를 묘사하고 있다. 도 6의 수직축(610)은 -0.05 내지 0.07V의 볼트(V)로 원시 전기 측정 신호 진폭을 표현하는 한편, 수평축(620)은 20 내지 110μs의 마이크로초(μs)로 경과 시간을 표현하고 있다. 음향 신호(6)에 응답하는 트랜스듀서는 층(2)과 펄스(12)의 상호작용으로부터 공기에서 결합된 높은 주파수 음향 신호를 원시, 즉, 필터링되지 않은, 전기 측정 신호로 직접 변환하기 위한 주파수 응답 범위를 가질 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 트랜스듀서는 산업 환경에서 주변 잡음 주파수보다 더 높은 주파수에서 응답하도록 적응될 수 있다. 트랜스듀서로부터의 응답은 아래에서 설명되는 바와 같이 신호 프로세서에 선택적으로 결합된 전기 신호를 발생시킬 수 있다. 도 6에서 묘사된 원시 전기 측정 신호는 검출기(4, 5)에 의한 수개의 개개의 신호 취득의 평균을 표현한다. PA 펄스와 연관된 마이크로폰의 트랜스듀서로부터의 원시 전기 측정 신호(600)는 시간의 흐름에 따른 수개의 발진 그룹을 포함한다. 화살표(630) 사이에서 식별된 제1 발진 그룹은 약 10μsec 지속하는 원시 전기 측정 신호(600)의 시간에서의-리딩-에지에 있고 약 60과 70μsec 사이에서 수신된다. 화살표(630) 사이에서 식별된 제1 발진 그룹은 열파(230)에 의해 방출되고 트랜스듀서에 의해 전기 신호로 변환된 음향 신호(6)에 대응한다. 화살표(640) 사이에서 식별된 제2 발진 그룹은 40μsec보다 더 길게 지속하고 제1 발진 그룹보다 더 낮은 주파수에서 발진한다. 화살표(640) 사이에서 식별된 제2 발진 그룹은 약 70μsec 후에 수신되고 트랜스듀서가 열파에 의해 방출된 음향 신호에 응답하여 울리는 것에 대응한다.
도 7은 조용한 실험실 환경에서 취득된 도 4에서 묘사된 검출기(4, 5)로부터의 주파수 영역에서의 원시 전기 측정 신호(700)를 묘사하고 있다. 도 7의 수직축(710)은 약 -10 내지 약 63 a.u.의 임의 단위(a.u.)로 원시 전기 측정 신호 진폭을 표현하는 한편, 수평축(720)은 0 내지 1000kHz의 킬로-헤르츠(kHz)로 주파수를 표현하고 있다. 묘사된 신호는 도 6에서 묘사된 검출기로부터의 원시 전기 측정 신호의 푸리에 변환이다. 도 7은 2개의 진폭 피크를 묘사하고 있다. 제2 진폭 피크(740)보다 주파수 범위가 더 좁고 진폭이 더 높은, 약 110kHz에 중심이 놓인 제1 진폭 피크(730)는 도 6에서의 화살표(640) 사이에서 식별된 제2 발진 그룹에 대응하는 트랜스듀서 울림 또는 트랜스듀서의 공진 모드에 의해 야기될 수 있고, 층(2)의 특성과 가장 연관된 신호는 아니다. 대조적으로, 약 280kHz에 중심이 놓인 제2 진폭 피크(740)는 도 6에서의 화살표(630) 사이에서 식별된 제1 발진 그룹에 대응하고 위에서 설명된 열파(230)에 의해 방출된 음향 신호에 더 응답하고 있다. 그리하여, 제2 진폭 피크(740)는 층(2)의 특성과 가장 연관된다. 도 7은 제1 진폭 피크와 제2 진폭 피크가 약 150kHz만큼 떨어져 있다고 도시하고 있다.
일 실시형태에 있어서, 음향 신호(6)의 시간에서의-리딩-에지와 연관되고 트랜스듀서에 의해 산출된 더 높은 주파수 응답은 샘플 층을 측정하도록 PA 시스템에 의해 사용되는 한편, 산업 환경으로부터의 주변 음향 잡음 중 다량 및 트랜스듀서의 더 낮은 주파수 공진 모드는 아래에서 설명되는 바와 같이 신호 프로세서에 의해 선택적으로 필터링되어 버린다. 더 높은 주파수 리딩 에지 신호는 바람직하게는 트랜스듀서의 트레일링 에지 공진 모드 대신에 사용될 수 있는데 코일-코팅 공정 기계에 의해 야기된 잡음은 더 낮은 주파수에서 진폭이 더 높기 때문이다. 그래서, 잡음이 더 적은 더 높은 주파수 범위에서 더 높은 주파수 리딩 에지 신호를 선택하는 것은 신호 대 잡음 비 및 그리하여 PA 시스템의 감도를 개선하는데 기여하는 하나이다. 일 실시형태에 있어서, 트랜스듀서의 주파수 응답은 도 7에서 측정된 소망의 제2 진폭 피크에 응답할 수 있기 위해 약 150 킬로헤르츠 위에 있도록 선택될 수 있다. 수개의 상업적으로 이용가능한 공기 결합형 마이크로폰이 바람직한 더 높은 주파수 응답을 산출할 수 있는 그들 능력에 대해 평가되었다. 바람직한 마이크로폰은 Knowles Electronics, Inc.에 의해 제조된 음향 일렉트릿 마이크로폰 모델 번호 FG23329라고 결정되었다.
도 8a는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 4에서 묘사된 신호 프로세서(7)의 회로 부분(800A)의 도식적 블록 선도를 묘사하고 있다. 신호 프로세서(7)의 회로 부분(800A)은 신호 프로세서(7)로의 마이크로폰 고임피던스 입력 블록(810), 필터 블록(820), 및 필터링된 신호의 50옴 컨버터 및 출력 블록(830A)을 포함한다. 마이크로폰 고임피던스 입력 블록(810)은 3개의 단자(51-53), 근사 마이크로폰 임피던스를 표현하도록 사용된 마이크로폰 임피던스 저항기(840), 및 단자(52)와 접지 사이의 잡음 디커플링 커패시터(841)를 포함한다. 단자(51-53)는 마이크로폰(4)의 대응하는 아날로그 출력에 결합된다. 단자(53)는 대응하는 마이크로폰 단자를 접지에 결합시킨다. 단자(52)는 대응하는 마이크로폰 단자를 교류 전류(AC) 차단 인덕터(842)를 통하여 노드(82)에서 9V 직류 전류(DC) 전원에 결합시킨다. 단자(51)는 대응하는 마이크로폰 단자, 즉, 마이크로폰(4)의 아날로그 신호 출력을 AC 신호 결합 커패시터(843)를 통하여 필터 입력(824)에 결합시킨다.
일 실시형태에 있어서, 필터 블록(820)은, 필터링된 신호 출력을 산출하도록 산업 배경 잡음 및 트랜스듀서의 더 낮은 주파수 공진을 필터링해 버리면서, 트랜스듀서에 의해 산출된 마이크로폰의 응답 신호의 높은 주파수, 시간에서의-리딩-에지 부분을 선택적으로 통과시키도록 적응된 높은-Q 필터를 포함할 수 있다. 높은-Q 필터는 필터 입력(824)과 필터 출력(826) 사이에 결합될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 높은-Q 필터는 필터 응답 측정을 용이하게 하도록 단자(51)에서 마이크로폰(4)을 대신함으로써 입력 신호를 공급하는 정현 신호 발생기(도시되지 않음)로 측정될 때 필터의 공진 주파수에서 더 높은 주파수 신호의 피크 진폭의 3db 아래에서 10보다 더 큰 양호도를 갖는 공진 인덕턴스-커패시턴스(LC) 필터를 포함한다. 그렇지만, 측정에만 사용되는 정현 신호 대신에 입력 신호를 공급하기 위해 마이크로폰(4)이 단자(51)에 부착될 때 전 필터 회로의 양호도에서의 열화를 야기할 수 있는, 단자(51)에서 회로 부분(800A)으로 바라본 임피던스와 마이크로폰(4)의 임피던스 간 임피던스 부정합이 있을 수 있다. 필터 입력과 출력에서 임피던스 정합을 개선하고 더 양호한 신호 특성에 이르는 회로 개선이 아래에서 논의된다.
높은-Q 필터는 필터 입력(824)과 필터 출력(826) 사이에 결합된 커패시턴스(C)를 포함할 수 있다. C는 다이오드(845, 846)와 커패시터(844)의 병렬 조합에 의해 형성된다. 다이오드(845, 846)는 전압 제어형 커패시터로서 동작될 수 있으며 그 커패시턴스/전압은 바이어싱 회로 저항기(847) 및 가변 전위차계(848)에 의해 결정된다. 전위차계(848)는 전위차계(848)가, 순차로 인덕터(849)를 통하여 접지에 결합되는, 다이오드(845, 846)의 병렬 조합과 저항기(847)의 직렬 조합에 바이어싱 전압을 제공하게 되도록 9V 전원과 접지 사이에 결합된 분압기로서 동작될 수 있다. 그리하여, C의 값은 전위차계(848)에 의해 조절될 수 있다. 인덕터(849)는 필터 출력(826)과 접지 사이에 결합될 수 있다. 인덕터(849 = L)는 높은-Q 필터를 형성하도록
Figure 112016090043614-pct00001
의 주파수에서 커패시터(C)와 공진할 수 있다. 예를 들어, 10 위의 Q-인자로 바람직한 251kHz에서 공진하기 위해, 필터 블록(820)에서의 LC의 값은 각각 3.3mH 및 112pF으로서 선택될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 필터링된 신호의 50옴 컨버터 및 출력 블록(830A)의 입력(832)은, 순차로 노드(834)에서의 트랜지스터(851)의 이미터와 입력(832) 간 임피던스를 격리시키도록 소스 팔로워 모드로 동작되는 바이폴라 트랜지스터(851)의 베이스를 구동하는, 결합 커패시터(850)를 통하여 필터 출력(826)에 결합된다. 필터링된 신호의 50옴 컨버터 및 출력 블록(830A)은 필터링된 신호의 50옴 컨버터 및 출력 블록(830A)의 출력(81)과 트랜지스터(851)의 이미터 사이에 결합된 임피던스 정합 저항기(852)를 더 포함한다. 트랜지스터(851)의 컬렉터는 9V DV 전원에 결합될 수 있다. 필터링된 신호의 50옴 컨버터 및 출력 블록(830A)은, 트랜지스터(851)를 바이어싱하도록 선택되는, 접지와 이미터 사이에 결합된 저항기(854) 및 9V 전원과 트랜지스터(851)의 베이스 사이에 결합된 저항기(853)를 더 포함한다. 디커플링 커패시터(855)는 잡음을 감축하도록 접지와 노드(82)에서의 9V 전원 사이에 결합된다. 그리하여, 필터링된 신호의 50옴 컨버터 및 출력 블록(830A)의 출력(81)은, 이동 금속 코일(2, 13) 및 측정 헤드(9)로부터 원격에 위치하고 있을 수 있는, 신호 프로세서(7)의 나머지에 이어지는 긴 케이블을 정합시키도록 BNC 커넥터(856)를 통하여 50옴 출력을 제공한다. BNC 커넥터(856)의 차폐는 접지(83)에 결합될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 도 8a에서 묘사된 회로 부분(800A)에 대한 예시적 컴포넌트 값은 아래 표 1에서 표로 작성된다.
저항기 840 10 kΩ
커패시터 841 0.1 μF
인덕터 842 1 mH
커패시터 843 47 nF
커패시터 844 100 pF
저항기 847 100 kΩ
전위차계 848 100 kΩ
인덕터 849 3.3 mH
커패시터 850 0.1 μF
저항기 852 50Ω
저항기 853 1 MegΩ
저항기 854 1 kΩ
커패시터 855 0.1 μF
도 8b는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 4에서 묘사된 신호 프로세서(7)의 회로 부분(800B)의 개선된 도식적 블록 선도를 묘사하고 있다. 회로 부분(800B)은, 부분적으로 더 양호한 신호 성능을 초래하는, 각각의 필터 입력 및 출력(824, 826)에서의 임피던스 정합을 개선하는 아래에서 설명되는 것을 제외하고는 도 8a에서 묘사된 회로 부분(800A)과 동일한 회로 소자 및 기능을 갖는다. 회로 부분(800B)은 AC 신호 결합 커패시터(843, 860) 사이에 결합된 임피던스 컨버터(815B)를 포함한다. AC 신호 결합 커패시터(860)는, 순차로, 필터 입력(824)에 결합된다.
임피던스 컨버터(815B)는 입력(861), 출력(862), 다수의 저항기(863-866), 연산 증폭기(op-amp)(867), 및 AC 신호 결합 커패시터(870)를 포함한다. 마이크로폰(4)으로부터의 필터링되지 않은 신호는 저항기(863)를 통해 연산 증폭기(867)의 비-반전 입력(868)에 결합될 수 있다. 연산 증폭기 입력으로 바라본 임피던스는 입력(861)과 접지 사이에 결합된 저항기(864)가 회로 부분(800B)과 마이크로폰의 임피던스 간 임피던스 정합을 용이하게 하는데 사용될 수 있도록 매우 높다. 연산 증폭기(867)의 출력은 출력(862)에 결합될 수 있다. 저항기(866)는 연산 증폭기(867)에 부궤환을 제공하도록 연산 증폭기(867)의 반전 입력(869)과 연산 증폭기(867)의 출력 사이에 결합된다. 저항기(865)는 반전 입력(869)과 접지 사이에서 AC 신호 결합 커패시터(870)와 직렬로 결합된다. 저항기(865, 866)는 증폭기 신호 이득을 결정한다. 일 실시형태에 있어서, 저항기(865, 866)는 약 10과 50 사이 범위에 있게 그러나 바람직하게는 약 31이게 증폭기 신호 이득을 구성하도록 선택될 수 있다. AC 신호 결합 커패시터(860)는 증폭된 신호를 필터 입력(824)에 결합한다.
(826)에서의 높은-Q 필터의 출력은 AC 신호 결합 커패시터(875)를 통하여 필터링된 신호의 50옴 컨버터 및 출력 블록(830B)의 입력(881)에 결합된다. 필터링된 신호의 50옴 컨버터 및 출력 블록(830B)은 입력(881), 출력(882), 다수의 저항기(852, 884-886), 연산 증폭기(887), AC 신호 결합 커패시터(890), 및 BNC 커넥터(856)를 포함한다. 연산 증폭기 입력으로 바라본 임피던스는 입력(881)과 접지 사이에 결합된 저항기(884)가 필터링된 신호의 50옴 컨버터 및 출력 블록(830B)과 높은-Q 필터의 임피던스 간 임피던스 정합을 용이하게 하는데 사용될 수 있도록 매우 높다. 입력(881)은 연산 증폭기(887)의 비-반전 입력에 직접 결합될 수 있다. 연산 증폭기(887)의 출력은 출력(882)에 결합될 수 있다. 저항기(885, 886), AC 신호 결합 커패시터(890) 및 연산 증폭기(887)는, 필터링된 신호를 증폭하는 것을 제외하고는, 저항기(865, 866), AC 신호 결합 커패시터(870) 및 연산 증폭기(867)와 동일한 방식으로 구성 및 기능할 수 있다. 출력(882)은 도 8a에서의 회로 부분(800A)에 대해 설명된 바와 같은 임피던스 정합을 제공하는 저항기(852)에 결합된다.
일 실시형태에 있어서, 도 8b에서 묘사된 회로 부분(800B)에 대한 예시적 컴포넌트 값은 아래 표 2에서 표로 작성된다.
커패시터 841 0.1 μF
인덕터 842 1 mH
커패시터 843 47 nF
커패시터 844 100 pF
저항기 847 100 kΩ
전위차계 848 100 kΩ
인덕터 849 3.3 mH
저항기 852 50Ω
커패시터 860 47 nF
저항기 863 1 kΩ
저항기 864 100 kΩ
저항기 865 33Ω
저항기 866 1 kΩ
커패시터 870 0.1 μF
커패시터 875 47 nF
저항기 884 1 MegΩ
저항기 885 33Ω
저항기 886 1 kΩ
커패시터 890 0.1 μF
일 실시형태에 있어서, 신호 프로세서(7)는 마이크로컨트롤러 칩에 상주하는 비-일시적 메모리에 또는 플래시 메모리와 같은 별개의 메모리 칩 상에 저장된 프로그램 코드를 실행할 수 있는 마이크로컨트롤러 칩을 포함할 수 있다. 프로그램 코드는 아래에서 설명되는 실행가능한 PA 시스템 커맨드 및 알고리즘을 포함할 수 있다. 대안으로, 그리고/또는 프로세서와 조합하여, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)에서 이용가능한 것과 같은 전용 제어 로직, 또는 다른 하드와이어드 제어 로직은 소망의 시스템 커맨드 및 알고리즘을 실행하도록 사용될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 신호 프로세서(7)는 광학계 서브섹션에 의해 발생된 에너지의 펄스-투-펄스 요동과 실질적으로 독립적인 보상된 신호를 형성하기 위해 광학계 서브섹션에서 에너지 검출기(14)에 의해 검출된 펄스의 에너지에 따라 더 높은 주파수 공진 신호를 보상하도록 적응될 수 있다. 레이저 펄스(12)는 소정 펄스-투-펄스 에너지 요동을 갖는다. 비-파괴 동작에서, 마이크로폰으로부터의 필터링된 신호와 연관된 신호(S)는 에너지(E)의 양을 2배로 하면 2배가 될 것이다. 개선된 안정성을 위해, 신호 강도는 S* = S/E도록 에너지로 나누어지고, 여기서 S*는 에너지 정규화된 신호이다. 이러한 에너지 정규화는 결과적 정규화된 신호가 펄스 여기 에너지와 상당히 독립적임을 의미한다. 이러한 정규화 연산은 시스템 교정에 대해 아래에서 설명되는 바와 같은 적합한 교정 인자로 신호를 곱함으로써 참조 샘플에 대한 측정의 정규화를 더 제공한다.
도 9는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 검출기 대 샘플 층 거리에 대한 음압 진폭의 종속성을 묘사하고 있다. a.u.에서의 음압 진폭은 25 내지 125 a.u.의 수직축(910) 상에 묘사되어 있는 한편 수평축(920)은 15 내지 80mm의 밀리미터(mm)에서의 검출기 대 샘플 층 거리를 묘사하고 있다. 검출기 대 샘플 층 거리는 샘플 층 두께에 비해 매우 크다. 코일 코팅 공정에 있어서, 샘플 층을 갖는 고속 이동 알루미늄 스트립은 검출기와 샘플 층 간 거리에서의 요동을 야기할 수 있는 기계적 쇼크 및 진동을 빈번하게 겪는다. 순차로 그들 거리 요동은 검출기에 의해 수신된 음향 신호, 예를 들어, 원시 음압 진폭 신호의 최대 압력에서의 변량을 산출하는데, 거리 증가에 따라 줄어들고 20mm의 검출기 대 샘플 층 거리에서 약 108 임의 단위의 압력을 나타내는 작은 정사각형(930)으로서 플롯팅되고, 80mm의 검출기 대 샘플 거리에서는 약 30 임의 단위의 압력까지 줄어든다. 음압 진폭(y) 대 검출기 샘플 층 거리(x)는 이전의 교정에 의해 확립될 수 있고 약 25mm 위에서는 실선(940)에 의해 나타내고, 다음의 식 y = A1 + (P1/x)에 의해 제공되는 바와 같이, 근사 정규 작업 거리(950)의 범위에 걸쳐 선형 모델에 의해 근사되는 쌍곡선 핏을 따름을 알 수 있으며, 여기서 P1 및 A1은 각각 값 2488.20049 및 -0.57308을 갖는 상수이다. 근사 정규 작업 거리(950)는, 다른 작업 거리 범위가 사용될 수 있기는 하지만, 약 35 내지 45mm 사이 범위의 수평 화살표 사이의 크로스-해치 영역에 의해 묘사되어 있다.
일 실시형태에 있어서, 신호 프로세서는 기체 매질에서의 음향 신호의 속도에 음향 신호의 비행 시간을 곱한 것에 따라 열파를 발생시키는 기체 매질의 영역과 검출기 간 거리를 계산할 수 있다. 레이저가 발사하는 (위에서 설명된 바와 같이 약 0.1μsec보다 작은) 시간 및 듀레이션은 신호 프로세서(7)에 의해 제어되고 그래서 기지의 시간이다. 기체 매질에서 광속으로 주행하는 레이저 펄스 신호가 샘플 층에 도달하는데 걸리는 시간은 무시될 수 있을 정도로 작다. 조사된 층이 음향 신호를 발생시키는 열파를 발생시키는데 걸리는 시간도 무시될 수 있을 정도로 작다. 그래서, 검출기가 처음 음향 신호를 수신하는 시간 빼기 레이저가 발사하는 시간은, 신호 프로세서에 의해 계산될 수 있는 전형적으로 약 120μsec일 수 있는, 음향 신호의 비행 시간과 대략 같으며, 무시될 수 있는 것에 대한 앞선 가정을 입증한다. 기체 매질(50), 공기에서의 음속은 알려져 있기 때문에, 그 후 신호 프로세서(7)는 음향 신호의 비행 시간을 그 음속에 곱함으로써 실시간 검출기 대 샘플 층 거리를 계산할 수 있으며, 위의 120μsec 비행 시간에 대해 약 41mm의 전형적 작업 거리 값을 초래한다. 그리하여 PA 시스템은 용이하게 밀리초마다 한 번 측정할 수 있어, 코일 코팅 공정에서의 고속 이동 층(2)에 대해서도 실시간 분석 도구를 쉽게 제공한다.
일 실시형태에 있어서, 신호 프로세서는, 각각의 펄스에 대해 또는 주기적 간격으로, 검출기 대 샘플 층 거리를 계산할 수 있다, 즉, 열파를 발생시키는 기체 매질의 영역과 검출기 간 거리를 계산할 수 있다. 그 후, 신호 프로세서는 묘사된 삼각형(960)에 의해 나타낸 바와 같이 약 25mm의 거리 위에서 거리 요동과 실질적으로 독립적인 결과적 계산된 보상된 신호를 산출하기 위해, 신호 프로세서에 저장될 수 있는, 위에서 설명된 미리 결정된 쌍곡선 모델 및 거리에 따라 수신된 각각의 음향 신호의 최대 압력 또는 진폭을 보상할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 정규 작업 거리는 약 35와 45mm 사이에서 선택될 수 있으며, 위에서 설명된 선형 모델의 더 양호한 핏 부분에 따라 높은 보상 선형성을 유지하면서, 더 양호한 PA 시스템 감도에 대해 더 높은 진폭 신호의 이점을 갖기 위해 선형 보상 범위의 하위 단부에 가까이 있을 수 있다. 샘플 거리는 코일-코팅 공정 동안 +/-1mm만큼 변할 수 있더라도, +/-2㎚의 층 두께 측정 감도가 PA 시스템에 의해 달성될 수 있다.
도 10은 도 4에서 묘사된 검출기에 의해 측정된 산업상 응용에서의 필터링되지 않은 주변 음향 잡음을 묘사하고 있다. mV에서의 필터링되지 않은 주변 음향 잡음 진폭이 -70 내지 70mV의 수직축(1010) 상에 묘사되는 한편, 수평축(1020)은 0 내지 250μs의 μs에서의 경과 시간을 묘사하고 있다. 코일 코팅 공정 기계는 초음파 주파수 범위에서 강한 배경 잡음을 산출한다. 코일 코팅 공정 동안 여러 다른 시간에 취한 필터링되지 않은 주변 음향 잡음 진폭의 5개의 측정치(1031, 1032, 1033, 1034, 1035)가 도시되어 있으며, 아래에서 나타낼 바와 같이 PA 시스템이 사용하는, 초음파 주파수 범위와 중첩하는, 약 500 kHz 아래 주파수 또는 약 2μsec보다 더 큰 주기를 갖는 많은 잡음 펄스를 나타내고 있다. 일 실시형태에 있어서, 신호 프로세서는 검출된 신호의 신호 대 잡음 비, 검출기에 의해 수신된 음향 신호를 개선하여, 순차로, 코일-코팅 공정에 의해 발생된 불요 잡음 주파수의 대부분을 제거한, 아래에서 설명되는 바와 같은 필터링된 신호를 형성하도록 적응되었다.
도 11a는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 8a 내지 도 8b에서 묘사된 높은-Q 필터(820)의 응답을 묘사하고 있다. 신호 프로세서(7)는 트랜스듀서로부터 더 높은 주파수, 시간에서의-리딩-에지 신호를 선택적으로 통과시키도록 적응된 높은-Q 필터를 포함할 수 있다. 전형적 규격품 대역통과 필터가 높은 충분한 Q-인자, 즉, 트랜스듀서(56)로부터의 공진 신호 및 다른 불요 잡음 주파수를 심하게 필터링해 버리면서, 높은 주파수 트랜스듀서 신호 출력의 소망 주파수 범위에서의 좁은 통과대역을 통과시키기에 충분한 판별을 갖는다고 여겨지지 않았기 때문에, 도 8a 내지 도 8b를 참조하여 설명된 단순 전유 공진 LC 회로가 사용된다. 마이크로폰(4) 없이, 공진 LC 높은-Q 필터(820)의 정현 50mV 신호 입력에 대한 응답이 도 11a에 묘사되어 있으며 거기서는, 전위차계(R2)를 사용하여 200, 235, 280kHz에서 각각 튜닝되고 각각 필터 응답 신호(1131, 1132, 1133)에 의해 묘사된 3개의 다른 필터 설정에 대해, mV에서의 필터 응답 신호가 -25 내지 350mV의 수직축(1110) 상에 묘사되고, kHz에서의 여기 주파수가 0 내지 325kHz의 수평축(1120) 상에 묘사되어 있다.
Q-인자는 -3dB에서의 통과대역으로 나눈 통과대역의 중심에 의해 정의된다는 그리고 -3dB은 피크 진폭이 1/1.413의 인자만큼 감축되는 경우로 정의된다는 정의를 적용하는 것은 전유 공진 LC 필터 응답의 200kHz 및 280kHz 공진 주파수에 대해 각각 약 10 및 28의 결과적 Q-인자를 내놓는다. 그리하여, 일 실시형태에 있어서, 필터는, 선택된 마이크로폰의 도 7에서 묘사된 높은 주파수 트랜스듀서 응답을 통과시키도록 바람직하게는 251kHz로 설정될 수 있는, 필터의 공진 주파수에서의 높은 주파수 트랜스듀서 응답의 피크 진폭의 3db 아래에서 10보다 더 큰 양호도를 갖는 공진 LC 필터를 포함한다.
도 11b는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 각각 도 8a 내지 도 8b에서 묘사된 회로 부분(800A, 800B)의 주파수에 걸친 시뮬레이팅된 거동의 비교를 묘사하고 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 공진 주파수 주위의 가파른 롤-오프 특성, 또는 높은 판별을 제공할 수 있는 도 8a 내지 도 8b에 묘사된 높은-Q 필터(820)의 능력은 높은-Q 필터(820)의 입력(824)에서의 임피던스 정합을 포함하여 주변 회로에 응답한다. 도 11b에 있어서, 마이크로폰(4)을 통한 시뮬레이팅된 신호 입력으로부터의 전 회로 부분(800A, 800B)의 데시벨(dB)에서의 시뮬레이팅된 신호 응답은 약 -90 내지 20dB의 수직축(1150) 상에 묘사되는 한편, 수평축(1160)은 약 10 내지 550kHz의 kHz에서의 시뮬레이팅된 주파수를 묘사하고 있다.
회로 부분(800A)의 시뮬레이팅된 주파수 응답은 실선(1172)에 의해 묘사되고 250kHz에서 약 -20dB에 있는 피크 신호를 묘사하며, 250kHz 아래에서는 약 0.15db/kHz의 비율로 감소한다. 개선된 회로 부분(800B)의 시뮬레이팅된 주파수 응답은 파선(1174)에 의해 묘사되고 250kHz에서 약 5dB에 있는 더 높은 피크 신호를 묘사하며, 250kHz 아래에서는 약 100kHz 아래에서 회로 부분(800A)의 주파수 응답과 만나서 정합할 때까지 약 0.8db/kHz의 더 높은 비율로 약 50kHz 동안 감소한다. 그리하여, 개선된 회로 부분(800B)은, 이들 회로 시뮬레이션 결과에 기반하여, 회로 부분(800A)보다 더 바람직한 필터링 특성을 제공할 것으로 예상된다.
도 12는, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 10에서 묘사된 산업상 응용에서의 주변 음향 잡음을 제거함에 있어서 도 11a에서 묘사된 응답에 대응하는 높은-Q 필터의 유효성을 묘사하고 있다. 도 12의 수직축(1210)은 -70 내지 70mV의 mV에서의 잡음 신호 진폭을 표현하는 한편, 수평축(1220)은 0 내지 250μs의 μs에서의 경과 시간을 표현하고 있다. 도 10에 묘사된 동일한 음향 잡음 환경에서 전유 공진 LC 필터를 사용한 5개의 다른 측정의 결과(1230)는 251kHz에서의 소망 통과대역에서 약 50mV의 피크 진폭으로부터 약 5mV로 감축된다.
도 13은, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 4에서 묘사된 광-음향 측정 장치를 사용하는 측정 방법(1300)을 묘사하고 있다. 도 4 및 도 13을 동시에 참조하면, 측정 방법(1300)은 측정 루프(1303)에 선행하는 교정(1302)을 포함한다. 교정(1302)은 오프-라인에서, 즉, 잡음 있는 코일 코팅 공정 동안이 아니라 실험실 환경에서, 정확한 층(2) 두께를 결정하도록 XRF를 사용하여 PA 시스템의 테스트 신호를 교정할 수 있다. 측정된 신호 대 두께 같은 실제 특성 값은 신호 프로세서(7)의 메모리에 계산된 교정 모델로서 또는 룩-업 테이블로서 저장될 수 있다. 측정 루프(1303)는 PA 시스템이 코일 코팅 공정 동안 온-라인인 동안 수행될 수 있는 이하의 단계를 포함한다.
레이저 광은 밀리초마다 한 번과 같은 미리 결정된 주기로 펄싱된다(1304). 그 후 데이터 취득이 시작된다(1306). 레이저 펄스가 검출되고 펄스 에너지가 에너지 검출기(14)에 의해 결정될 수 있다(1308). 그 후 레이저 빔 펄스(12)는 층(2)의 샘플 표면을 때리고(1310) 레이저 광은 층(2)에 의해 흡수된다(1312). 비-방사 릴렉세이션(1314)이 일어난다. 그 후 동시에, 작은 음향 신호를 야기하는 부피 팽창(1316), 및 공기에서 열파(1320)를 야기하는 막에서의 열 가열(1318)이 있다. 공기에서의 열파(1320)는 음향 신호(6), 즉, 음파의 대부분으로 변환된다(1322).
음파 또는 음향 신호(6)는 공기를 통한 비행 시간 동안 검출기(4, 5)에 전달되고 마이크로폰(4)에 의해 검출된다(1324). 도 6-7에 묘사된 바와 같은 마이크로폰에서 트랜스듀서로부터 검출된 전기 신호는 신호 프로세서(7)에서 높은-Q 필터(820)에 의해 필터링되며(1326), 그 후 거리 정규화(1328) 및 에너지 정규화(1330)를 어느 순서로라도 수행한다. 그 후 정규화된 신호의 피크 투 피크 진폭이 측정된다(1332). 그 후 신호 프로세서(7)는 층(2)의 막 특성을 결정하도록 사전에 결정된 교정 룩업 테이블 또는 교정 모델을 사용한다(1334). 측정이 완료되지 않았다고 PA 시스템이 결정하면(1336), 그때 측정 루프는 다음 레이저 광 펄스(12)를 펄싱(1304)에서 다시 시작함으로써 계속된다. 측정이 완료될 때 방법은 중단된다(1338).
도 14는 도 4에서 묘사된 광-음향 측정 장치를 사용하여 획득된 측정치 대 XRF 기술을 사용한 측정치 간 비교를 묘사하고 있다. 임의 단위에서의 최대 압력 진폭은 수직축(1410) 상에서 표현되고 그리고 제곱 미터당 밀리그램(mg/m2)에서의 막에 포함된 지르코늄의 화학적 조성에 대한 측정된 오프-라인 XRF 막 특성은 수평축(1420) 상에서 표현되어 있다. 수개의 샘플로부터의 플롯팅된 데이터 포인트(1430)는 PA 시스템(1)의 정규화된 음향 신호를 교정하도록 모델로서 사용될 수 있는 선형 상관 특성(1440)을 보여주고 있다.
본 발명의 위 실시형태는 예시적이고 한정적이지는 않다. 다양한 대안물 및 균등물이 가능하다. 본 발명이 일례로서 광학 컴포넌트의 소정 배열을 참조하여 설명되었기는 하지만, 본 발명은 소망 특성을 갖는 비-파괴 전자기 펄스가 제공되는 한 광학 컴포넌트 배열에 의해 한정되지는 않는다고 이해된다. 본 발명이 일례로서 건조 고체 샘플 층을 참조하여 설명되었기는 하지만, 본 발명은, 고체, 젤, 액체 및/또는 분말일 수 있는, 층의 형태에 의해 한정되지는 않는다고 이해된다. 여기에서 설명된 실시형태는 알루미늄 스트립 상에 코일-코팅 공정에서 도포된 컨버전 코팅을 측정하는 것에 관한 것이었지만 거기로 한정되지는 않는다. 본 발명의 실시형태는 샘플 층을 지지하는 기재의 형태에 의해 한정되지는 않는다. 여기에서 설명된 실시형태는, 이동하고 있고 그리고/또는 거친 표면을 가질 수 있는, 100㎚ 이하 층의 비-접촉, 비-파괴 측정이 유용하다고 여겨질 때는 언제라도 사용될 수 있다. 예를 들어, 여기에서 설명된 실시형태는 건조 또는 중합 공정을 측정하는 것, 반응속도론을 측정하는 것, 층의 광학 및/또는 열 속성을 정의하는 것, 원자층 퇴적 공정으로부터의 산물의 특성 및 복합-시스템의 분석에 유용하다고 여겨질 수 있다. 다른 부가, 삭감 또는 수정이 본 발명의 관점에서 자명하고 첨부 청구항의 범위 내에 들도록 의도된다. 그래서, 본 발명의 범위는 위 설명에 관해 결정되어서는 아니되고, 그보다는 계류 중 청구범위를 그들 전 범위 또는 균등물과 함께 참조하여 결정되어야 한다.
더욱, 본 발명의 실시형태는 이하의 항목에 의해 설명될 수 있다:
항목 1: 층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 측정 디바이스로서, 층에 인접하여 존재하는 기체 매질에서 열파를 발생시키도록 층과 상호작용하도록 적응된 펄스를 발생시키도록 동작하는 광원으로서, 상기 열파는 음향 신호가 발생되게 야기하는 광원; 및 음향 신호에 응답하여 제1 신호를 검출하도록 적응된 검출기로서, 검출기는 층과 기계적 접촉하고 있지 않되, 상기 제1 신호는 측정된 층을 표현하는 검출기를 포함하는, 측정 디바이스.
항목 2: 항목 1에 있어서, 펄스는 층을 영구적으로 개조함이 없이 층과 상호작용하도록 적응되는, 측정 디바이스.
항목 3: 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 펄스의 파장은 층에서의 펄스의 관통 깊이와 연관되고, 관통 깊이는 층의 두께보다 더 크되, 파장은 바람직하게는 약 150 내지 약 500 나노미터의 범위에, 더 바람직하게는 약 180 내지 약 350 나노미터의 범위에, 가장 바람직하게는 약 213 나노미터에 있도록 선택되는, 측정 디바이스.
항목 4: 이전 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 펄스의 시간적 폭은 층의 열 확산 길이와 연관되고, 열 확산 길이는 층의 두께와 실질적으로 같되, 펄스 폭은 바람직하게는 약 50 psec 내지 약 100 nsec의 범위에, 더 바람직하게는 약 1 nsec 내지 약 50 nsec의 범위에 있도록 선택되는, 측정 디바이스.
항목 5: 이전 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 펄스는 층 내에서의 펄스의 흡수와 연관되고, 흡수는 층과 기계적 접촉하고 있는 기재 내에서의 펄스의 흡수보다 실질적으로 더 크되, 층은 기재와 기체 매질 사이에 배치되는, 측정 디바이스.
항목 6: 이전 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 검출기는 검출기 부근의 주변 잡음의 주파수 범위보다 더 큰 주파수 응답을 갖고 제1 신호를 발생시키도록 적응된 트랜스듀서를 포함하는, 측정 디바이스.
항목 7: 이전 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 검출기는 음향 신호의 일부를 검출기로 지향시키도록 적응된 음향 커플러를 포함하는, 측정 디바이스.
항목 8: 이전 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 광원은 층의 복수의 다른 연관된 요소와 상호작용하도록 선택된 다른 연관된 특성을 각각 갖는 복수의 펄스를 발생시키도록 더 동작하고, 상기 측정 디바이스는 복수의 펄스 중 다른 하나와 각각 연관된 복수의 다른 검출기를 포함하는, 측정 디바이스.
항목 9: 이전 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 제2 신호를 형성하도록 제1 신호의 신호 대 잡음 비를 개선하고; 열파를 발생시키는 기체 매질의 영역과 검출기 간 거리를 계산하고; 거리의 요동과 실질적으로 독립적인 제3 신호를 산출하도록 거리에 따라 제2 신호를 보상하고; 그리고 제3 신호의 진폭 및 미리 결정된 룩-업 테이블에 따라 막의 두께 및 조성에 응답하여 측정치를 결정하도록 적응된 신호 프로세서를 더 포함하는, 측정 디바이스.
항목 10: 이전 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 신호 프로세서는 열파를 발생시키는 기체 매질의 영역과 검출기 간 거리를 계산하고; 그리고 기체 매질에서의 음향 신호의 속도에 음향 신호의 비행 시간을 곱한 것에 따라 거리를 계산하도록 더 적응되는, 측정 디바이스.
항목 11: 층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 방법으로서, 층에 인접하여 존재하는 기체 매질에서 열파를 발생시키고, 그로써 음향 신호가 발생되게 야기하도록 층과 상호작용하도록 적응된 펄스를 발생시키는 단계; 및 층과 기계적으로 접촉함이 없이 음향 신호에 응답하여 제1 신호를 검출하는 단계로서, 상기 제1 신호는 측정된 층을 표현하는 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
항목 12: 항목 11에 있어서, 펄스는 층을 영구적으로 개조함이 없이 층과 상호작용하는, 방법.
항목 13: 항목 11 또는 항목 12에 있어서, 펄스의 파장은 층에서의 펄스의 관통 깊이와 연관되고, 관통 깊이는 층의 두께보다 더 큰, 방법.
항목 14: 항목 11 내지 항목 13 중 어느 한 항목에 있어서, 펄스의 시간적 폭은 층의 열 확산 길이와 연관되고, 열 확산 길이는 층의 두께와 실질적으로 같은, 방법.
항목 15: 항목 11 내지 항목 14 중 어느 한 항목에 있어서, 펄스는 층 내에서의 펄스의 흡수와 연관되고, 흡수는 층과 기계적 접촉하고 있는 기재 내에서의 펄스의 흡수보다 실질적으로 더 크되, 층은 기재와 기체 매질 사이에 배치되는, 방법.
항목 16: 항목 11 내지 항목 15 중 어느 한 항목에 있어서, 검출기 부근의 주변 잡음의 주파수 범위보다 더 큰 주파수 응답을 갖는 트랜스듀서를 사용하여 제1 신호를 발생시키는 단계를 더 포함하는 방법.
항목 17: 항목 11 내지 항목 16 중 어느 한 항목에 있어서, 음향 신호의 일부를 검출기로 지향시키는 단계를 더 포함하는 방법.
항목 18: 항목 11 내지 항목 17 중 어느 한 항목에 있어서, 층의 복수의 다른 연관된 요소와 상호작용하도록 선택된 다른 연관된 특성을 각각 갖는 복수의 펄스를 발생시키는 단계; 및 복수의 펄스 중 다른 하나와 각각 연관된 복수의 다른 검출기를 사용하는 단계를 더 포함하는 방법.
항목 19: 항목 11 내지 항목 18 중 어느 한 항목에 있어서, 제2 신호를 형성하도록 제1 신호의 신호 대 잡음 비를 개선하는 단계; 열파를 발생시키는 기체 매질의 영역과 검출기 간 거리를 계산하는 단계; 거리의 요동과 실질적으로 독립적인 제3 신호를 산출하도록 거리에 따라 제2 신호를 보상하는 단계; 및 제3 신호의 진폭 및 미리 결정된 룩-업 테이블에 따라 막의 두께 및 조성에 응답하여 측정치를 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
항목 20: 항목 11 내지 항목 19 중 어느 한 항목에 있어서, 열파를 발생시키는 기체 매질의 영역과 검출기 간 거리를 계산하는 단계; 및 기체 매질에서의 음향 신호의 속도에 음향 신호의 비행 시간을 곱한 것에 따라 거리를 계산하는 단계를 더 포함하는 방법.

Claims (23)

  1. 층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 측정 디바이스로서,
    상기 층에 인접하여 존재하는 기체 매질에서 열파(thermal wave)를 발생시키도록 상기 층과 상호작용하도록 적응된 펄스를 발생시키도록 동작하는 광원으로서, 상기 열파는 음향 신호가 발생되게 야기하는, 상기 광원; 및
    상기 음향 신호에 응답하여 제1 신호를 검출하도록 적응된 검출기로서, 상기 검출기는 상기 층과 기계적 접촉하고 있지 않되, 상기 제1 신호는 측정된 상기 층을 표현하는, 상기 검출기를 포함하고,
    상기 펄스는 상기 층 내에서의 상기 펄스의 흡수와 연관되고, 상기 흡수는 상기 층과 기계적 접촉하고 있는 기재 내에서의 상기 펄스의 흡수보다 실질적으로 더 크되, 상기 층은 상기 기재와 상기 기체 매질 사이에 배치되는, 측정 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 펄스는 상기 층을 영구적으로 개조함이 없이 상기 층과 상호작용하도록 적응되는, 측정 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 펄스의 파장은 상기 층에서의 상기 펄스의 관통 깊이와 연관되고, 상기 관통 깊이는 상기 층의 두께보다 더 크되, 상기 파장은 150 내지 500 나노미터의 범위에 있도록 선택되는, 측정 디바이스.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 펄스의 시간적 폭은 상기 층의 열 확산 길이와 연관되고, 상기 열 확산 길이는 상기 층의 두께와 실질적으로 같되, 상기 펄스 폭은 50 psec 내지 100 nsec의 범위에 있도록 선택되는, 측정 디바이스.
  5. 삭제
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 검출기는
    상기 검출기 부근의 주변 잡음의 주파수 범위보다 더 큰 주파수 응답을 갖고 상기 제1 신호를 발생시키도록 적응된 트랜스듀서를 포함하는, 측정 디바이스.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 검출기는
    상기 음향 신호의 일부를 상기 검출기로 지향시키도록 적응된 음향 커플러를 포함하는, 측정 디바이스.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광원은 상기 층의 복수의 다른 연관된 요소와 상호작용하도록 선택된 다른 연관된 특성을 각각 갖는 복수의 펄스를 발생시키도록 더 동작하고, 상기 측정 디바이스는 상기 복수의 펄스 중 다른 하나와 각각 연관된 복수의 다른 검출기를 포함하는, 측정 디바이스.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제2 신호를 형성하도록 상기 제1 신호의 신호 대 잡음 비를 개선하고;
    상기 열파를 발생시키는 상기 기체 매질의 영역과 상기 검출기 간 거리를 계산하고;
    상기 거리의 요동과 실질적으로 독립적인 제3 신호를 산출하도록 상기 거리에 따라 상기 제2 신호를 보상하고; 그리고
    상기 제3 신호의 진폭 및 미리 결정된 룩-업 테이블에 따라 막의 두께 및 조성에 응답하여 측정치를 결정하도록 적응된 신호 프로세서를 더 포함하는, 측정 디바이스.
  10. 제9항에 있어서, 상기 신호 프로세서는
    상기 열파를 발생시키는 상기 기체 매질의 영역과 상기 검출기 간 거리를 계산하고; 그리고
    상기 기체 매질에서의 상기 음향 신호의 속도에 상기 음향 신호의 비행 시간(time of flight)을 곱한 것에 따라 상기 거리를 계산하도록 더 적응되는, 측정 디바이스.
  11. 층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 방법으로서,
    상기 층에 인접하여 존재하는 기체 매질에서 열파를 발생시키고, 그로써 음향 신호가 발생되게 야기하도록 상기 층과 상호작용하도록 적응된 펄스를 발생시키는 단계; 및
    상기 층과 기계적으로 접촉함이 없이 상기 음향 신호에 응답하여 제1 신호를 검출하는 단계로서, 상기 제1 신호는 측정된 상기 층을 표현하는 상기 검출하는 단계를 포함하고,
    상기 펄스는 상기 층 내에서의 상기 펄스의 흡수와 연관되고, 상기 흡수는 상기 층과 기계적 접촉하고 있는 기재 내에서의 상기 펄스의 흡수보다 실질적으로 더 크되, 상기 층은 상기 기재와 상기 기체 매질 사이에 배치되는, 층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 펄스는 상기 층을 영구적으로 개조함이 없이 상기 층과 상호작용하는, 층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 펄스의 파장은 상기 층에서의 상기 펄스의 관통 깊이와 연관되고, 상기 관통 깊이는 상기 층의 두께보다 더 큰, 층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 방법.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 펄스의 시간적 폭은 상기 층의 열 확산 길이와 연관되고, 상기 열 확산 길이는 상기 층의 두께와 실질적으로 같은, 층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 방법.
  15. 삭제
  16. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    검출기 부근의 주변 잡음의 주파수 범위보다 더 큰 주파수 응답을 갖는 트랜스듀서를 사용하여 상기 제1 신호를 발생시키는 단계를 더 포함하는, 층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 방법.
  17. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 음향 신호의 일부를 검출기로 지향시키는 단계를 더 포함하는, 층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 방법.
  18. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 층의 복수의 다른 연관된 요소와 상호작용하도록 선택된 다른 연관된 특성을 각각 갖는 복수의 펄스를 발생시키는 단계; 및
    상기 복수의 펄스 중 다른 하나와 각각 연관된 복수의 다른 검출기를 사용하는 단계를 더 포함하는, 층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 방법.
  19. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    제2 신호를 형성하도록 상기 제1 신호의 신호 대 잡음 비를 개선하는 단계;
    상기 열파를 발생시키는 상기 기체 매질의 영역과 검출기 간 거리를 계산하는 단계;
    상기 거리의 요동과 실질적으로 독립적인 제3 신호를 산출하도록 상기 거리에 따라 상기 제2 신호를 보상하는 단계; 및
    상기 제3 신호의 진폭 및 미리 결정된 룩-업 테이블에 따라 막의 두께 및 조성에 응답하여 측정치를 결정하는 단계를 더 포함하는, 층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 방법.
  20. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 열파를 발생시키는 상기 기체 매질의 영역과 검출기 간 거리를 계산하는 단계; 및
    상기 기체 매질에서의 상기 음향 신호의 속도에 상기 음향 신호의 비행 시간을 곱한 것에 따라 상기 거리를 계산하는 단계를 더 포함하는, 층의 비-기계적-접촉 측정을 위한 방법.
  21. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 펄스의 파장은 상기 층에서의 상기 펄스의 관통 깊이와 연관되고, 상기 관통 깊이는 상기 층의 두께보다 더 크되, 상기 파장은 180 내지 350 나노미터의 범위에 있도록 선택되는, 측정 디바이스.
  22. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 펄스의 파장은 상기 층에서의 상기 펄스의 관통 깊이와 연관되고, 상기 관통 깊이는 상기 층의 두께보다 더 크되, 상기 파장은 213 나노미터에 있도록 선택되는, 측정 디바이스.
  23. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 펄스의 시간적 폭은 상기 층의 열 확산 길이와 연관되고, 상기 열 확산 길이는 상기 층의 두께와 실질적으로 같되, 상기 펄스 폭은 1 nsec 내지 50 nsec의 범위에 있도록 선택되는, 측정 디바이스.
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