专利名称：具有新型声镜的反射式声显微镜的制作方法
技术领域：
本发明属于声显微、机械扫描成象等技术领域，广泛用于材料、微电子、光电子等技术领域的无损伤检测、评估与观测。
声显微镜是近年来发明的一种新型显微装置，它同光学显微镜的区别在于它不是利用光波而是利用声波的折射、反射现象来观察样品，由于声波比光波具有更强的穿透性，因而声显微镜可以无损伤地观察不透明样品内部结构，它的这一特点，使其能够广泛用于材料、微电子、光电子及其它技术领域的无损伤精细检测，比光学显微具有显著优点，因此声显微技术已成为本领域技术人员关注、大力开发研究的重要课题。目前德国莱兹(leitz)公司生产的ELSAM型声显微镜是最先进的一种，它由脉冲形成和声信号检测电路、平面换能器型声镜、机械装置、控制和显示部件等四部分组成，如附图1所示。其中，脉冲形成和声信号检测电路包括微波信号源1-1、调制器1-2、微波开关1-3、匹配网络1-4、微波放大器1-5、检波器1-6、脉冲放大器1-7、采样保持电路1-8、视频放大器1-9;平面换能器型声镜包括平面换能器1-10、凸球面兰宝石声透镜1-11;机械装置包括五维调节工作台1-12、扫描驱动器1-13、驱动电源1-14、位置传感器1-15、传感放大器1-16;控制和显示部件包括三个专用微机1-17(8748)、1-18(μP8085)、1-19(μP8085)、长余辉显示器1-20、短余辉显示器1-21、帧存储器1-22、TV监示器1-23和直接存取控制器(DMA)1-24。(ELSAM使用手册)。
1.脉冲形成和声信号检测电路微波信号源1-1产生连续微波信号，经调制器1-2形成脉冲调制信号，此信号经微波开关1-3，匹配网络1-4送入平面换能器1-10，转换成脉冲调制声波，由凹球面兰宝石声透镜1-11聚焦后，进入被观察样品1-25，遇到样品缺陷，声波反射回平面换能器1-10再转换成电脉冲调制信号，此信号经匹配网络1-4、微波开关1-3进入微波放大器1-5，经检波、放大、采样保持、再放大进入专用微机1-19(CPU8085)的显示记录转换开关A。由于反射声波形成的电脉冲调制信号比入射的电脉冲调制信号延迟一段时间，因此，能较容易地判断样品缺陷的深度，微波信号源1-1、调制器1-2、微波开关1-3是由专用微机1-17(8748)控制的。
2.平面换能器型声镜平面换能器1-10完成声-电变换，由它将电信号变成平面声波，再由凹球面兰宝石声透镜1-11折射聚焦到样品，这种声镜结构如附图2所示，2-1、2-2是电极(金膜)、2-3是压电体(氧化锌)、2-4是兰宝石单透镜，它是一个兰宝石圆柱磨成的一端平、一端为单凹球面的平面换能器型单透镜声镜。它的不足之处是①凹球面得到的入射声波通常不是理想的平面声波，而且入射面平声波除照到凹球面处之外，还有些波照到凹球面外，这不仅会降低声镜的灵敏度，这些照在凹球面外的波也会折射传到样品处，造成杂波干扰，影响图象质量;②兰宝石价格昂贵。
3.机械装置扫描驱动器1-13、驱动电源1-14、位置传感器1-15及传感放大器1-16组成的二维机械扫描装置与五维工作台1-12构成了体积小、精度高的机械装置，二维机械扫描装置完成样品和透镜间的相对光栅式扫描，由驱动电源1-14驱动扫描驱动器1-13，位置传感器1-15获得扫描位置信息经传感放大器1-16放大送入专用微机1-19(CPU)的X、Y、Z运动控制C，来控制驱动电源1-14。它的不足之处是扫描范围小，一般不超过1mm，而观察范围改变需手动五维调节工作台1-12，不能自动进行多点检测。
4.控制和显示部件机械扫描、高频部件及显示由三个专用微机来控制，专用微机1-19(μP8085)作为CPU，专用微机1-18(μP8085)控制单板机键盘和字符显示，专用微机1-17(8748)控制高频部件。工作时，由键盘输入命令给CPU，再由CPU控制机械扫描运动，CPU发出命令给8748，使其控制高频部件，CPU还控制显示记录转换开关A以得到所需显示进行观察或拍照;通过专用总线(bus)把信息送入帧存贮器1-22，由TV监视器1-23进行高质量显示。它的不足之处是①结构复杂(三个专用微机)，控制和显示分开，单元多，体积大;②由于采用专用微机工作，只能使用低级语言编程，难于增加功能，而且也难于直接移值已有图象处理软件;③由于采用专用微机，用户只能在ELSAM上观察图象，因而用户使用观测结果极不方便;④制造、维修困难，成本高。
1983年我们发明了一种玻璃金属球面换能器型声镜，其结构如附图3所示。3-1是玻璃、3-2是钼杆、3-3是压电材料氧化锌、3-4是金膜，它与3-2钼杆构成电极，3-5是绝缘材料氧化硅，作为保护层。(“一种用于声学显微镜的新型换能聚焦系统-玻璃金属球面换能器”清华大学 李德杰 陈戈林 张克潜应用科学学报 1984第2卷第四期 322-329)。这种声镜的优点是①换能器靠近样品端，做成球面形状，使声波产生和聚焦合并在一处完成，由于仅两极间的氧化锌才会产生声波，所以只要中心钼杆直径小于球坑口径，它产生的声波就必然是可以会聚的球面波而不会产生杂波干扰，因此极易达到理想分辨率;②由于声波是由声镜直接发出的球面声波，与平面换能器型声镜相比，在传播过程中少一个反射面，因此减小了声镜对声信号的插入损耗;③由于声镜采用玻璃、金属而不用兰宝石，价格低数十倍。这种声镜的不足之处是①声镜由玻璃和金属组成，与被测样品碰撞或摩擦，极易损坏;②工作时声镜和样品间的耦合液-水，用后会留下水碱等残留物，要擦去残留物，也极易损坏镜坑。因此使用寿命短，实际应用比较困难。
本发明的目的是针对现有声显微镜之不足，设计一种通用性强、自动化程度高，价格低廉的声显微镜。
本发明的技术要点是1.采用带有保护装置及高硬度保护膜的玻璃金属球面换能器型声镜，保护装置可以是加在玻璃柱外的套。
2.采用一台通用微机构成机械扫描、高频部件控制，图象显示、存储和处理系统;
3.采用具有新型驱动电路的步进电机来驱动声镜位移和机械扫描，而样品观察点的选择由程序控制实现;新型驱动电路是其功率放大器工作在截止-放大工作状态，利用晶体管动态电阻保证步进电机高速运转。
本发明的优点是1.采用具有保护装置和高硬度耐磨保护膜的玻璃金属球面换能器型声镜，无杂波干扰，分辨率高，价格比兰宝石声镜低数十倍;2.采用通用微机构成机械扫描、高频部件控制和成象系统，声镜观测结果可在任何通用微机上进行观察和进一步分析，使用方便，还可移植已有软件，制作、维修方便，易于开发、增强功能;3.新型步进电机驱动电路既保证了步进电机高速低噪声工作，又提高了效率，降低了成本。
实施例附图4是具有保护装置和高硬度耐磨保护膜的玻璃金属球面换能器型声镜的实施例，4-1是玻璃，4-2是金属(钼杆)，玻璃与金属是能够互相熔封的。因此玻璃可为8＃。4-3是压电体氧化锌膜(Zno)，也可用铌酸锂、石英等，4-4是金膜(Au)，它与4-2构成电极，4-5是高硬度耐磨保护膜，它是在金膜4-4外用微波等离子体气相(MPCVD)沉积一层氮化硅(Si3N4)薄膜或金刚石薄膜等。4-6是加在玻璃柱4-1外的保护套，它可用铜制成与全膜4-4连在一起，成为外导体一个电极，套头上可伸出数个爪，爪长略长于声镜。以保证声镜头部不会碰到样品或其它物品上，4-7是同轴接头。
附图5是本发明的机械扫描、高频部件控制和成象系统的实施例，5-1是一台通用的IBM PC/AT微机，5-2是A/D变换接口板，由视频放大器来的带有样品声学信息的电信号、机械扫描位置传感信号，经过它进行模-数转换，送入5-1PC/AT，5-3是串并行接口板，5-1 PC/AT通过它将驱动码送至步进电机的驱动电源，以控制工作台进行光栅式机械扫描和移动，完成样品多点自动测试，5-3串并行接口板还可送出讯号控制高频部件单元工作，以选择其工作频率、微波功率电平及其它工作状态。5-4是增强图形接口板(EGA或VGA)，它用做图象信息寄存和颜色控制，此板外接一个普通微机附属的高分辨率彩色终端(即显示器)，它既可以用于一般计算机软件、程序、数据、文字显示，也可以用作测试结果(图象或曲线)的初步显示。5-5是图象显示接口板，此板外接一个高分辨率多灰度级别(如256级)的显示器，它可用做检测结果和图象处理结果的高质量显示。A/D变换接口板、串并行接口板、增强图形接口板和图象显示接口板均有商售品，买来插在微机上即可。
附图6是步进电机新型驱动电路实施例，9401构成电压放大器，DS30E构成功率放大器，R1C1(580Ω，470P)是串接在电压放大器输入回路中的加速网络，用以改善脉冲前沿，LA是步进电机的一个绕组，二极管D串接R2C2(36Ω，10μ)加速网络并接在步进电机绕组LA两端，组成泄放回路，还可串入R6(10K)和发光二极管LED组成指示器，与RC加速网络并联，它利用一部分泄放无用储能发光，以指示电机工作，功率放大器DS30E工作在截止-放大工作状态(现有电路均工作在截止-饱和状态)，以晶体管由截止到放大过渡过程的动态电阻取代通常电路中串接在电机绕组上的外加大功率电阻，既保证了电机高速工作，又使效率提高一倍以上。R5(0.2Ω)是监测DS30E电流的。QA是来自微机的串并行接口板驱动码(A路脉冲序列)，电源电压12V。
附图7是本发明的整机实施例整机由脉冲形成和声信号检测电路、声镜、机械装置、控制和显示部件等四部分组成，如附图7所示。
脉冲形成和声信号检测电路包括7-1主脉冲源、7-2脉冲分配器，由主脉冲触发控制几个短脉冲去控制7-5调制器。7-3高频振荡器(100～150MHZ)，7-4放大器放大连续微波功率，7-5调制器(HP33144A)产生短脉冲调制微波信号，7-6环形器，微波信号由其1口入，2口出送到7-7匹配网络，7-8微波放大器，7-9检波器，7-10脉冲放大器，7-11采样保持电路，7-12采样脉冲源，7-13视频放大器，7-14滤波器。还可用一台脉冲示波器7-15用以观测和确定样品被检测面与样品表面距离。上述电路均为公知常规电路。
声镜7-16是带有保护装置和高硬度保护膜的玻璃金属球面换能器型声镜，7-17是耦合液-水，7-18是被观察样品。
机械装置包括7-19三维调节工作台(水平两维角度微调器和垂直升降精密微动台)，可用商售产品(如南通光学仪器厂生产ZD型微调器)或订制。7-20X、Y两维移动和扫描台可用商售或订制，7-21扫描驱动器和位置传感器，扫描驱动器包括步进电机及其新型驱动电路。
控制和显示部件包括7-22微机IBM PC/AT、7-23标准101微机键盘、7-24A/D接口板(MS-1215)、7-25通用EGA接口板、7-26高分辨率计算机显示终端(TVM型)、7-27通用图象接口板(如HYIPB1)、7-28高分辨率多灰度等级显示器(OPC-OVM9E)、7-29串并行接口板(FAT-003)。
附图1 ELSAM型声显微镜组成框图1-1 微波信号源1-2 调制器型)、7-27通用图象接口板(如HYIPB1)、7-28高分辨率多灰度等级显示器(OPC-OVM9E)、7-29串并行接口板(FAT-003)。
附图1 ELSAM型声显微镜组成框图1-1 微波信号源1-2 调制器1-3 微波开关1-4 匹配网络1-5 微波放大器1-6 检波器1-7 脉冲放大器1-8 采样保持电路1-9 视频放大器1-10 平面换能器1-11 凹球面兰宝石声透镜1-12 五维调节工作台1-13 扫描驱动器1-14 驱动电源1-15 位置传感器1-16 传感放大器1-17 专用微机87481-18 专用微机μP80851-19 专用微机μP80851-20 长余辉显示器1-21 短余辉显示器1-22 帧存储器1-23 TV监示器
1-3 微波开关1-4 匹配网络1-5 微波放大器1-6 检波器1-7 脉冲放大器1-8 采样保持电路1-9 视频放大器1-10 平面换能器1-11 凹球面兰宝石声透镜1-12 五维调节工作台1-13 扫描驱动器1-14 驱动电源1-15 位置传感器1-16 传感放大器1-17 专用微机87481-18 专用微机μP80851-19 专用微机μP80851-20 长余辉显示器1-21 短余辉显示器1-22 帧存储器1-23 TV监示器1-24 直接存取控制器(DMA)1-25 被观察样品附图2 平面换能器型声镜结构图2-1、2-2 电极(金膜)2-3 压电体(氧化锌)2-4 兰宝石单透镜附图3 玻璃金属球面换能器型声镜3-1 玻璃3-2 钼杆
3-3 压电体(氧化锌)3-4 金膜3-5 氧化硅附图4 具有保护装置和高硬度耐磨保护膜的璃璃金属球面换能器型声镜结构图4-1 玻璃(8号)4-2 金属(钼杆)4-3 压电体(氧化锌)4-4 金膜4-5 高硬度耐磨保护膜(氮化硅)4-6 带爪的铜质保护套4-7 同轴接头附图5 机械扫描、高频部件和成象系统的组成框图5-1 通用微机 IBM PC/AT5-2 A/D变换接口板5-3 串并行接口板5-4 增强图形接口板(EGA)5-5 图象显示接口板附图6 步进电机新型驱动电路图9401 放大管DS30E 功放管R1580ΩR236ΩR330ΩR4470Ω 电位器R50.2ΩR610KΩC1470PC210μD1二极管LED 发光二极管LA步进电机的一个绕组D2非门74LS04的一半QA来自微机的串并行接口板的驱动码附图7 本发明整机框图7-1 主脉冲源7-2 脉冲分配器7-3 高频振荡器(100～150MHZ)7-4 放大器7-5 调制器7-6 环形器7-7 匹配网络7-8 微波放大器7-9 检波器7-10 脉冲放大器
7-11 采样保持电路7-12 采样脉冲源7-13 视频放大器7-14 滤波器7-15 脉冲示波器7-16 带有保护装置和高硬度耐磨保护膜的玻璃金属球面换能器型声镜7-17 耦合液(水)7-18 被观察样品7-19 三维调节工作台7-20 X、Y两维移动和扫描移动台7-21 扫描驱动器和位置传感器7-22 微机IBM PC/AT7-23 标准101微机键盘7-24 A/D接口板(MS-1215)7-25 EGA接口板(PEGA)7-26 高分辨率计算机显示终端(TVM型)7-27 通用图象接口板(HYZPB1型)7-28 高分辨率多灰度等级显示器(OPC-OVM9E)7-29 串并行接口板(FAT-003)
权利要求
1.一种具有新型声镜的反射式声显微镜，由脉冲形成和声信号检测电路组成，其特征在于采用带有保护装置及高硬度耐磨保护膜的玻璃金属球面换能器型声镜，保护装置可以是加在玻璃柱外的套；采用一台通用微机构成机械扫描、高频部件控制、图象显示、存储和处理系统；采用具有新型驱动电路的步进电机来驱动声镜位移和机械扫描，而观察点的选择由程序控制实现，新型驱动电路是其功率放大器工作在截止-放大工作状态，利用晶体管动态电阻保证步进电机高速运转。
2.按照权利要求1所说的具有新型声镜的反射式声显微镜，其特征在于所说的玻璃金属球面换能器型声镜，玻璃与金属是能够互相熔封的。
3.按照权利要求1和2所说的具有新型声镜的反射式声显微镜，其特征在于所说的声镜保护套可由铜制成，与金膜连在一起，成为一个电极，套头上可有数个爪，爪长略长于声镜。
4.按照权利要求1和2所说的具有新型声镜的反射式声显微镜，其特征在于所说的高硬度耐磨保护膜可以是用微波等离子体气相沉积(MPCVD)在金膜外沉积一层氮化硅(Si3N4)薄膜或金刚石薄膜。
5.按照权利要求1和2所说的具有新型声镜的反射式声显微镜，其特征在于所说的步进电机的新型驱动电路，可由放大器，工作在截止-放大工作状态的功率放大器组成，在放大器输入回路中可串入RC加速网络，用于改善脉冲前沿，在泄放回路中串入RC加速网络，用于改善脉冲后沿，还可在泄放回路串入一个由发光二极管与电阻串联的指示器(与RC加速网络并联)，利用一部分泄放无用储能发光，指示电机工作。
全文摘要
本发明属于声显微、机械扫描成象等技术领域，可广泛用于材料、微电子、光电子等技术领域的无损伤检测、评估与观察。本发明采用新型声镜、新型步进电机驱动电源，由通用微机构成机械扫描、高频部件控制和成象系统比平面换能器型蓝宝石声镜分辨率高而价格却低数十倍；比专用微机功能强通用性好，用户使用方便，此外还具有高效、低噪声等特点。
文档编号G01S15/89GK1054667SQ9010105
公开日1991年9月18日 申请日期1990年3月8日 优先权日1990年3月8日
发明者陈戈林, 胡思正, 李德杰, 罗淑云, 申忠明, 张克潜 申请人:清华大学