专利名称：扫描超声波显微镜同时测量薄层材料厚度、声速、密度和衰减的方法
技术领域：
本发明涉及基于扫描超声波显微镜的薄层材料特性测量领域，特别涉及一种扫描超声波显微镜同时测量薄层材料厚度、声速、密度和衰减的方法。
背景技术：
扫描超声波显微镜(SAM :Scanning Acoustic Microscope)广泛应用于关键电子器件和精密机械部件的无损检测与评估，同时也广泛用于生物组织的显微观测。目前，薄膜、涂层等薄层材料因为其独特的性质(如强度高、耐磨、耐腐蚀、散热好等)在化工、机械制造、能源、航空等领域都有广泛的应用。例如附着在刀具表面的金刚石薄膜因其高硬度和化学稳定性可以有效地提高刀具的切削性能。然而，在薄膜、涂层等薄层 材料的加工过程中，必须保证材料特性的稳定性和一致性，因此有必要对这些薄层材料进行厚度和杨氏模量等的测量。目前对机械特性的无损测量主要采用超声波方法。市场上成熟扫描超声波显微镜产品目前主要应用于超声波成像方面，对于材料的几何与机械特性的测量上的应用并不深入，尤其是对厚度、声速、密度和衰减的超声波同时测量。这方面测量方法的研究主要集中于高校和研究所。国外最早利用表面波法对材料特性进行测量。因为表面波的频散曲线跟薄层材料的厚度、声速有关，所以对表面波的研究有助于逆解薄层材料的厚度和声速。但是这种方式的局限性在于不能同时得到材料的密度和衰减，并且表面波的频散曲线在很高频段才有较好的灵敏度，因此对超声发射接收器的带宽提出来很高的要求。近年来对材料特性的研究，尤其是针对薄层材料的研究主要集中于用超声波频谱的方式。因为薄层材料的超声波回波由于上下表面回波及多次反射回波在时域上出现混叠，很难分辨并得出所要参数，所以超声波频谱分析法是针对薄层材料的主要方法。美国俄亥俄州立大学研究人员利用直入射超声波探头和斜入射超声波探头结合的方式实现了薄层铝板的厚度、声速、密度和衰减的测量，但是该设备需要用到三个超声波探头和角度调整机构，整个测量装置较为复杂而且笨重。大连理工大学无损检测中心近年来采用了基于垂直入射反射系数谱数据拟合的厚度、声速的测量，但是必须是在密度和衰减已知的条件下。对于密度和衰减未知的材料，该方式无法测量。德国人近几年采用聚焦探头的方法进行材料厚度、声速和密度的测量。利用聚焦探头的聚焦特性，分别将超声波聚焦到材料的上表面和下表面，然后根据理论计算公式同时得到厚度、声速和密度。但是这种方法的局限性同样在于只可以测量时域材料非混叠的材料，对于薄层材料无法测量。法国Hosten等人提出了在时域和频域联合分析的方式测量板的厚度、声速、密度和衰减。在时域中利用参考基体的回波信号和水中声速确定板的厚度，利用被测样品的第一表面回波和第二表面回波之间的渡越时间来确定材料的声速，最后通过对样品第一表面回波和第二表面回波的频域分析确定密度和衰减，也可以通过反射系数谱进行最优化拟合来逆解出密度和衰减。但是这种方法的局限性在于其只适用于时域信号非混叠(即厚度较厚)的材料。对于薄层材料，时域信号混叠造成厚度和声速无法测量。他们也采用了传统的反射系数频谱拟合的方法来逆求解出薄层材料的特性，但是基于最小二乘法则下的逆求解过程受初始值选取好坏的限制，初始值选取不好就会引起收敛到其他极值点。传统的通过样品反射系数频谱的实验测量和理论频谱进行最小二乘法拟合，可以得出薄层材料的渡越时间、声阻抗和衰减系数。浸没在水中的薄层材料的超声反射系数频谱理论表达式为
权利要求
1.一种扫描超声波显微镜同时测量薄层材料厚度、声速、密度和衰减的方法，采用扫描超声波显微镜，扫描超声波显微镜包括超声波探头(I)、三维直线电机(2)、导轨(3)、基体材料(4)、薄层材料(5)、水槽￠)、电机控制器(7)、超声波发射接收器(8)、计算机(9)、显示器(10)，水槽(6)底部放有基体材料(4)，基体材料(4)上设有薄层材料(5)，基体材料(4)上方设有超声波探头(I)，超声波探头(I)上端与三维直线电机(2)相连，导轨(3)上设有三维直线电机(2)，超声波探头(I)与超声波发射接收器(8)相连，三维直线电机(2)与电机控制器(7)相连，计算机(9)分别与电机控制器(7)、超声波发射接收器(8)、显示器(10)相连；其特征在于方法的步骤如下 1)将薄层材料(5)放置于基体材料(4)表面,并置于盛有水的水槽(6)中，开启扫描超声波显微镜； 2)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机(2)的Y轴电机使超声波探头(I)位于基体材料(4)正上方，测量基体材料(4)表面的超声波回波信号S1 (t)； 3)寻找到薄层材料(5)伸出基体材料(4)表面的部分，即薄层材料(5)上下表面完全浸在水中的部分，并调节扫描超声波显微镜的三维直线电机(2)的Y轴电机使超声波探头(I)位于薄层材料(5)此部分的正上方，测量薄层材料(5)的超声波回波信号S2 (t)； 4)以^⑴为参考信号，对S2⑴进行基于维纳滤波和自回归谱外推技术的反卷积，得到信号h (t)； 5)记录hjt)信号中的每两个峰峰值之间的间距At1，并将Atl/2设定为薄层材料(5)的声波渡越时间的初始值ξ； 6)再选取薄层材料(5)的声波衰减系数的初始值Citl和声阻抗的初始值Zstl，通过对薄层材料(5)进行反射系数频谱的最小二乘法拟合，得出薄层材料(5)的声阻抗、声波渡越时间和声波衰减系数的最优值Zs、石和α。
7)以^⑴为参考信号，对S1(t)+S2⑴进行基于维纳滤波和自回归谱外推技术的反卷积，得到信号h2(t)并记录h2(t)信号中的前两个峰峰值之间的间距At2; 8)计算得出薄层材料(5)的厚度为h= Ctl · Λ 2/2，其中Ctl为水中声波的速度，薄层材料(5)的声速Sc1=Il/石，密度为P = Zs/Cl，衰减系数为α。
2.根据权利要求I所描述的一种扫描超声波显微镜同时测量薄层材料厚度、声速、密度和衰减的方法，其特征在于所述的步骤6)为 选定薄层材料(5)的声阻抗、声波渡越时间和声波衰减系数的初始值ZS(I、^^P %之后，计算理论的超声波反射系数频谱Rt (ω);然后将s2(t)信号的频谱除以S1 (t)信号的频谱再乘以基体反射系数的值Re，得到薄层材料(5)的反射系数频谱的实验值Ιζ(ω);取目标函数/ = I尺(《,)_及，其中η为在反射系数频谱带宽内采样点的个数；从三个初/=1始值ZfijP a ^开始，利用高斯-牛顿法寻找的最优化函数f的最小值fmin，得出薄层材料(5)的声阻抗、声波渡越时间和声波衰减系数的最优值Zs、石和α。
全文摘要
本发明公开了一种扫描超声波显微镜同时测量薄层材料厚度、声速、密度和衰减的方法。其步骤包括1)将薄层材料放置于基体材料表面，使超声波探头分别位于基体材料和薄层材料正上方，测得基体材料和薄层材料的超声波回波信号s1(t)、s2(t)；2)对s2(t)进行基于维纳滤波和自回归谱外推技术的反卷积，得到信号h1(t)，选定声波渡越时间的初始值；3)选取其他变量初始值，通过薄层材料反射系数频谱拟合，得出薄层材料的声阻抗、声波渡越时间和声波衰减系数的最优值；4)对s1(t)+s2(t)进行基于维纳滤波和自回归谱外推技术的反卷积；5)计算得出薄层材料的厚度、声速、密度和衰减。本发明可以实现对薄层材料进行四变量高精度同时测量，并解决了频谱拟合时的收敛域问题。
文档编号G01N9/24GK102853791SQ20121004249
公开日2013年1月2日 申请日期2012年2月23日 优先权日2012年2月23日
发明者居冰峰, 白小龙, 吴海腾, 陈剑, 姜燕, 吴蕾 申请人:浙江大学