专利名称：一种用于薄膜杨氏模量测量的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用激光超声技术测量薄膜的杨氏模量领域，尤其涉及一种用于薄膜杨氏模量测量的系统。
背景技术：
近年来，激光超声技术在薄膜杨氏模量等机械特性测量方面得到了广泛关注，在激光超声系统中，声表面波探测技术层出不穷。目前的技术中，基于PVDF (聚偏氟乙烯)薄膜的压电激光声表面波检测技术是广为采用的技术，PVDF压电薄膜声阻抗匹配特性好，响应带宽大，力电转换灵敏度高等优点，使得基于PVDF薄膜的压电激光声表面波检测系统具 有远高于一般光学检测系统的测量带宽(高达120MHz)，且具有优异的测量稳定性(测量不确定度误差在±1%)。基于光偏转敏感检测的差分共焦激光声表面波检测技术是光学非接触式声表面波检测中较快速、准确和精确度较高的测量技术，在该技术中光偏转灵敏度检测保证了系统具有高灵敏度及快速响应的能力；测量带宽被拓展到300MHz，提高了系统对高频声表面波信号的分辨能力；采用差分式的信号取样，消除了探测器光功率波动、环境空气对流及电子噪声等共模干扰，提高了系统的信噪比；而且，该技术为无损伤、非接触式测量，特别适用于集成电路等要求的超净测试环境。以上所述的两种声表面波检测技术，虽然在薄膜杨氏模量测量方面，具有优异于其他检测技术的特性，但是在某些特殊样品，特殊场景测试方面各有不足之处。例如基于PVDF压电薄膜LSAW定位的压电探测装置(公开号CN102252967A，
公开日2011年11月23日)中公布的四象限声表面波检测，虽然它在某种程度上提高了测量精度，但是它依旧是接触式检测，不能用于测量材质软、孔隙率高的样品，且很难适用于集成电路中要求的超净环境；基于Sagnac干涉仪的LSAW定位测量系统(公开号CN102221397A，
公开日2011年10月19日)中公布的先定位后检测的方法，虽然能够在时间上精确定位声表面波的位置，从而进行更高精度的测量，但是它始终是基于光学的非接触式测量，不能用于测量反射系数低、透明度高的样品，且容易受到环境中噪声等干扰的影响。
发明内容
本发明提供了一种用于薄膜杨氏模量测量的系统，本发明实现了在不同场景下对不同样品的测量，实现了交叉验证，避免了噪声的影响，详见下文描述—种用于薄膜杨氏模量测量的系统，包括脉冲激光器，所述脉冲激光器发射脉冲激光经第一扩束镜准直扩束后，被3:7分光镜分成7/10脉冲激光和3/10脉冲激光，所述7/10脉冲激光经柱面聚焦透镜聚焦在被测样品的表面，激发产生声表面波信号；所述声表面波信号经过第一检测通道和/或第二检测通道转换为电信号，并通过示波器显示后被传输至计算机进行处理。所述第一检测通道包括压电探头，
所述压电探头下的PVDF压电薄膜传感器检测到所述声表面波信号后，将所述声表面波信号转换为所述电信号；所述3/10脉冲激光作为触发信号触发光电二极管，通过导线将所述电信号输出至放大器，被滤波放大后的信号到达所述示波器，所述示波器获取所述电信号。所述第二检测通道包括632. 8nm的He-Ne激光器，所述632. 8nm的He-Ne激光器发出探测光，经过第二扩束镜准直扩束后，被I: I偏振分光镜极化产生透射光，所述透射光经第一平面反射镜、、/4波片和第一聚焦透镜后聚焦到被测样品的表面，获取所述声表面波信号后经过所述第一聚焦透镜、所述X/4波片、所述第一平面反射镜和所述1:1偏振分光镜后产生反射光，所述反射光传输至1:1分光镜 分成第一路反射光和第二路反射光；所述第一路反射光经第二平面反射镜、第一光阑、第二聚焦透镜和第一滤光片后进入差分光电探测器的一个探测口 ；所述第二路反射光经第三平面反射镜、第二光阑、第三聚焦透镜和第二滤光片后进入所述差分光电探测器的另一个探测口 ；所述差分光电探测器输出所述电信号并传输至所述示波器，所述示波器获取所述电信号。所述第一滤光片和所述第二滤光片具体为波长为632. Snm的窄带干涉滤光片。本发明提供的技术方案的有益效果是该系统不仅拥有压电激光声表面波检测技术信号幅度大、在扰动大的测试环境中适用性强等优点，也继承了差分共焦激光声表面波检测技术快速、准确、非接触测量及信噪比高等优势，适用性更强，适用范围更广。同时，基于差分共焦激光声表面波检测技术高测量带宽的优点，集成系统拥有比传统测量技术更高的测量带宽，大大提高了测量分辨率，具有以下优势①继承了压电和差分共焦两种LSAW检测技术的优点，单独使用时两检测通道各有不足之处，集成后可相互弥补各自的不足，发挥各自的优势，使测量效果达到最优，表I列出了两检测技术的优缺点。②有两个检测通道，使用者可根据具体情况灵活选择适用特定样品和场景的探测方式，表2中列出了两通道各自适用的样品和测试场景。③对于两检测通道同时适用的样品和测试场景，可实现实时交互验证，保证测量结果的准确可靠；声表面波信号经过处理后可直接获取薄膜杨氏模量的测量结果，无需再与传统的纳米压痕仪测量结果作对比，简化了薄膜杨氏模量测量过程。④可重复性检测，在条件不发生改变的条件下，重复测量相同的样品可以获取相同的波形数据。
图I为本发明提供的一种用于薄膜杨氏模量测量的系统的结构示意图。附图中，各标号所代表的部件列表如下I :脉冲激光器； 2 :第一扩束镜；3 3 7分光镜； 4 :柱面聚焦透镜；5 :被测样品；6 :载物台；7 =He-Ne激光器； 8 :第二扩束镜；91:1偏振分光镜；10 :第一平面反射镜；
11 A/4波片；12 :第一聚焦透镜；13 1:1分光镜；14 :第二平面反射镜；15 :第一光阑；16 :第三平面反射镜；17 :第二光阑；18 :第二聚焦透镜；19 :第三聚焦透镜；20 :第一滤光片；21 :第二滤光片；22 :差分光电探测器；23 :压电探头；24 :PVDF压电薄膜传感器；
25:放大器；26:光电二极管；27 :示波器；28 :计算机。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。为了实现在不同场景下对不同样品的测量，实现交叉验证，避免噪声的影响，本发明实施例提供了一种用于薄膜杨氏模量测量的系统，参见图1，详见下文描述—种用于薄膜杨氏模量测量的系统，包括脉冲激光器I，脉冲激光器I发射脉冲激光经第一扩束镜2准直扩束后，被3:7分光镜3分成两部分，7/10脉冲激光和3/10脉冲激光，7/10脉冲激光经柱面聚焦透镜4聚焦在被测样品5的表面，激发产生声表面波信号；声表面波信号经过第一检测通道和/或第二检测通道转换为电信号，并通过示波器27显示后被传输至计算机28进行处理。具体实现时，通过第一检测通道实现了 PVDF压电薄膜声表面波检测；通过第二检测通道实现了差分共焦声表面波检测。其中，具体实现时，被测物品5放置在载物台6上。其中，计算机28对电信号进行计算处理，实现对薄膜杨氏模量的测量，具体计算步骤为本领域技术人员所公知，本发明实施例在此不做赘述。其中，第一检测通道包括压电探头23，压电探头23下的PVDF压电薄膜传感器24检测到声表面波信号后，将声表面波信号转换为电信号，继而被放大器25滤波放大；3/10脉冲激光作为触发信号触发光电二极管26，通过导线将电信号输出至放大器25，被滤波放大后的信号到达示波器27，示波器27获取电信号。其中，第二检测通道包括632. 8nm的He-Ne激光器7，632. 8nm的He-Ne激光器7发出探测光，经过第二扩束镜8准直扩束后,被I: I偏振分光镜9极化产生透射光,透射光经第一平面反射镜10、A /4波片11和第一聚焦透镜12后聚焦到被测样品5的表面，获取声表面波信号后经过第一聚焦透镜12、人/4波片13、第一平面反射镜10和1:1偏振分光镜9后产生反射光,反射光传输至I: I分光镜13分成第一路反射光和第二路反射光；第一路反射光经第二平面反射镜14、第一光阑15、第二聚焦透镜18和第一滤光片20后进入差分光电探测器22的一个探测口 ；第二路反射光经第三平面反射镜16、第二光阑17、第三聚焦透镜19和第二滤光片21后进入差分光电探测器22的另一个探测口 ；差分光电探测器22输出电信号并传输至不波器27,不波器27获取电信号。其中，通过第一光阑15和第二光阑17可以调节入射光束的直径及入射光强。
进一步地，为了消除杂散光的影响，第一滤光片20和第二滤光片21优选为波长为632. 8nm的窄带干涉滤光片。其中，当通过第二检测通道实现差分共焦声表面波检测时，首先要调节第二平面反射镜14和第三平面反射镜16的位置，保证第一路反射光和第二路反射光具有相同的光程差，然后通过调节1:1分光镜13的位置，使进入差分光电探测器22的两束光强相等，由于差分光电探测器22内部是宽带放大差分电路，所以这时输出信号为零。当被测样品5上的聚焦He-Ne光斑区域有声表面波经过时，反射光束因反射角改变产生微量偏移，造成两束入射到差分光电探测器22的反射光的强度发生改变，对应的输出亦发生改变，因而可以检测到被测样品5上的超声表面波。表I两检测技术的优缺点
特性压电LSAW检测差分共焦LSAW检测
信号探测方式___非接触_
系统复杂性—低—-般
搭建和校准难度___一般+_
在超净环境中T.作的一_食
能 Jj____ _
在千扰环境中的耐受
視I则乂一般低(对光，噪声，振动敏感)
性____
分层的、坚硬的、微软多孔的除低反射和透明的所有分层的、坚硬删—.大土__固体材料_的、柔软或多孔的固体材料
M1展测试样式材料类
适用与固体材料样品可能适用十液体和气体材料型的潜能__
样品厚.度__> 0.5 mm_几Iim到mm_
薄膜厚度__几mn到mni_几nm到mm_
表面粗糙度Ra；s2,
测量带宽__ 120 MHz_ 300 MHz_
杨氏模量测量相对误
鬼1% -30%~1%
厚度测量相对误差__1% - 10%_1%- 10%_
多孔Ifi1度测IS相对误、Ir 土 ^ m I、-.J4. Irf. ^,曰
.v,07%尚未应用到谈特性参数的测量
信噪比__ft_m_
可再现性^一般高
一般(出于PVDF薄膜容易老~高(元器件寿命长而且利用光朿探测叩__化需要经常更换)_不用接触样品)_
TTTir 系统r奇单，容易保养，出故障系统复杂，保养较_难，出现故障fc养和维仏__时，容碰查维修_时，检雑修困难
成本一般--般+
表2两检测通道各自适用的样品和测试场景
权利要求
1.一种用于薄膜杨氏模量测量的系统，包括脉冲激光器(1)，所述脉冲激光器(I)发射脉冲激光经第一扩束镜(2)准直扩束后，被3:7分光镜(3)分成7/10脉冲激光和3/10脉冲激光，所述7/10脉冲激光经柱面聚焦透镜(4)聚焦在被测样品(5)的表面，激发产生声表面波信号；其特征在于， 所述声表面波信号经过第一检测通道和/或第二检测通道转换为电信号，并通过示波器(27 )显示后被传输至计算机(28 )进行处理。
2.根据权利要求I所述的一种用于薄膜杨氏模量测量的系统，其特征在于，所述第一检测通道包括压电探头(23)， 所述压电探头(23)下的PVDF压电薄膜传感器(24)检测到所述声表面波信号后，将所述声表面波信号转换为所述电信号；所述3/10脉冲激光作为触发信号触发光电二极管(26)，通过导线将所述电信号输出至放大器(25)，被滤波放大后的信号到达所述示波器(27)，所述示波器(27)获取所述电信号。
3.根据权利要求I所述的一种用于薄膜杨氏模量测量的系统，其特征在于，所述第二检测通道包括632. 8nm的He-Ne激光器(7)， 所述632. 8nm的He-Ne激光器(7)发出探测光，过第二扩束镜(8)准直扩束后，被I: I偏振分光镜(9)极化产生透射光，所述透射光经第一平面反射镜(10)、A /4波片(11)和第一聚焦透镜(12)后聚焦到被测样品(5)的表面，获取所述声表面波信号后经过所述第一聚焦透镜(12)、所述入/4波片(11)、所述第一平面反射镜(10)和所述1:1偏振分光镜(9)后产生反射光，所述反射光传输至1:1分光镜(13)分成第一路反射光和第二路反射光；所述第一路反射光经第二平面反射镜(14)、第一光阑(15)、第二聚焦透镜(18)和第一滤光片(20)后进入差分光电探测器(22)的一个探测口 ；所述第二路反射光经第三平面反射镜(16)、第二光阑(17)、第三聚焦透镜(19)和第二滤光片(21)后进入所述差分光电探测器(22)的另一个探测口 ；所述差分光电探测器(22)输出所述电信号并传输至所述示波器(27)，所述示波器(27)获取所述电信号。
4.根据权利要求3所述的一种用于薄膜杨氏模量测量的系统，其特征在于，所述第一滤光片(20)和所述第二滤光片(21)具体为波长为632. Snm的窄带干涉滤光片。
全文摘要
本发明公开了一种用于薄膜杨氏模量测量的系统，包括脉冲激光器，所述脉冲激光器发射脉冲激光经第一扩束镜准直扩束后，被3:7分光镜分成7/10脉冲激光和3/10脉冲激光，所述7/10脉冲激光经柱面聚焦透镜聚焦在被测样品的表面，激发产生声表面波信号；所述声表面波信号经过第一检测通道和/或第二检测通道转换为电信号，并通过示波器显示后被传输至计算机进行处理。该系统不仅拥有压电激光声表面波检测技术信号幅度大、在扰动大的测试环境中适用性强等优点，也继承了差分共焦激光声表面波检测技术快速、准确、非接触测量及信噪比高等优势，适用性更强，适用范围更广。同时，基于差分共焦激光声表面波检测技术高测量带宽的优点，大大提高了测量分辨率。
文档编号G01N21/17GK102768184SQ20121025590
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月19日 优先权日2012年7月19日
发明者丹特·多伦雷, 傅星, 李艳宁, 杨斐, 胡小唐, 路子沫, 陈琨 申请人:天津大学