用于对薄层进行非接触式测量的光声装置和方法

用于对薄层进行非接触式测量的光声装置和方法
【专利摘要】一种用于对层进行非机械接触式测量的测量装置，所述测量装置包括光源，所述光源可操作来产生适于与所述层相互作用的脉冲以便于在邻近所述层存在的气体介质中产生热波。所述热波导致产生声信号。所述测量装置还包括检测器，所述检测器适于响应于所述声信号检测第一信号，所述检测器不与所述层机械接触。所述第一信号表示所述测量的层。
【专利说明】用于对薄层进行非接触式测量的光声装置和方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2014年2月18日提交的名称为"PHOTO-ACOUSTIC DEVICE AND METHOD FOR NON-CO NTACT MEASUREMENT OF THIN LAYERS" 的美国临时申请 号61/941,404的优先权，所述申请的内容以引用的方式整体并入本文。 发明领域
[0003] 本发明总体涉及一种用于测量层的装置和方法，并且具体地说涉及一种用于对薄 层涂层进行非机械接触式测量的光声装置和测量方法。
【背景技术】
[0004] 术语薄膜或薄层指代处于微米(μπι)和/或纳米(nm)厚度范围的层。薄层的制造与 工业生产工艺相关，例如涂覆具有微调的特性的功能层，同时节省昂贵的原材料。这类薄膜 在光学器件、微电子学器件和表面处理中具有各种应用。所述层的均匀厚度和良好定义的 特征对于制造者来说是一种挑战。
[0005] 例如，为了改进铝条上漆、密封剂和粘附剂的耐腐蚀性和粘附性，可以通过称为卷 材涂布的工艺来涂覆转化涂层。以前，这些转化涂层包含以铬作为成分的化学组分;然而， 工业上正转向使用基于无铬的转化涂层。在生产过程中，可能有必要实时监测所涂覆的转 化涂层的质量和/或其化学组成，尤其是关键成分的量。然而，在卷材涂布工艺中，铝条可以 通过生产机器以每分钟高达数百米的速度移动。
[0006] 分析这类薄层的某些技术是已知的。所有这些技术的共同问题在于它们无法分析 快速移动的样品以及涂覆在粗糙表面上的纳米厚度层。白光干涉测量法至少要求处于可见 光的波长范围内的膜厚度，而转化涂层的正常厚度低于100纳米。为了获得所需的敏感度， 光度测量法也要求较厚的层。X-射线-荧光法（在线-XRF)可能太慢，并且与Beta Backscatter类似也要求在工业环境中成本过高的辐射屏蔽。由于典型的铝条表面的粗糙 度处于微米范围，很难使用要求与半导体工业中相似的非常平坦的表面的椭圆测量法。在 卷材涂布工艺期间，铝条会快速移动并且振动，这就排除了需要与样品表面相距的距离小 于所使用的波长的衰减全反射(ATR)光谱法。
[0007] 另外，已知基于光声(此后又称为PA)原理的PA技术测量样品在其中暴露于电磁辐 射的膜层。对辐射的吸收导致样品的温度升高以及体积变化，之后是样品表面出现膨胀。反 过来，表面膨胀引起周围介质密度的冲量或周期性变化，这可以作为声音由麦克风来检测。 使用光声技术对样品成分产生的敏感度可能优于常规光基光谱法。然而，在已知的PA技术 中，样品厚度并不小于约12微米，并且将麦克风放置成机械接触（即，触摸)样品或要求液体 介质接触样品以向麦克风传输声音，这对于测量卷材涂布制造工艺中低于100纳米的转化 涂层来说可能是不合适的。
[0008] 因此，需要一种用于转化层的快速、实时、无损和非机械接触的测量技术，适合用 于卷材涂布制造工艺中、对噪声、污物和冲击不敏感。 发明概要
[0009] 根据本发明的一个实施方案，呈现了用于对层进行非机械接触式测量的测量装 置。测量装置包括光源，所述光源可操作来产生适于与层相互作用的脉冲以便于在邻近所 述层存在的气体介质中产生热波。所述热波导致产生声信号。测量装置还包括检测器，所述 检测器适于响应于所述声信号检测第一信号。检测器不与所述层机械接触。所述第一信号 表示所述测量的层。
[0010] 根据一个实施方案，脉冲适于与层相互作用，而不会永久地改变层。根据一个实施 方案，脉冲的波长与脉冲在层中的穿透深度相关联。根据一个实施方案，脉冲波长优选地选 择为处在约150至约500纳米的范围内、更优选地处在约180至约350纳米的范围内、最优选 地为约213纳米。穿透深度大于层的厚度。
[0011]根据一个实施方案，脉冲的时域宽度与层的热扩散长度相关联。热扩散长度基本 上等于层的厚度。根据一个实施方案，可以将脉冲宽度优选地选择为处在约50皮秒(psec) 至约100纳秒(nsec)的范围内、更优选地处在约lnsec至约50nsec的范围内。
[0012] 根据一个实施方案，脉冲与脉冲在层内的吸收相关联。所述吸收基本上大于脉冲 在与所述层机械接触的衬底内的吸收。所述层设置在衬底与气体介质之间。
[0013] 根据一个实施方案，所述层的厚度小于100nm。根据一个实施方案，所述层选自由 固体、凝胶、液体以及粉末组成的组。
[0014] 根据一个实施方案，检测器包括换能器，所述换能器适于具有大于所述检测器附 近的噪声环境的频率范围的频率响应并且产生第一信号。根据一个实施方案，所述换能器 的频率响应高于200千赫兹。
[0015] 根据一个实施方案，检测器包括声親合器，所述声親合器适于将声信号的一部分 引导至检测器。根据一个实施方案，声耦合器包括圆柱形中空本体，所述圆柱形中空本体包 括设置在检测器近侧的开口。根据一个实施方案，声耦合器包括定向在与脉冲与所述层在 其中相互作用的区域相交的第一方向上的纵向轴线。根据一个实施方案，声耦合器进一步 适于抑制源自第二方向而非第一方向的环境声学噪声的一部分。
[0016] 根据一个实施方案，测量装置还包括信号处理器，所述信号处理器适于改进第一 信号的信噪比以形成第二信号，并且计算检测器与产生热波的气体介质的区域之间的距 离。信号处理器进一步适于根据所述距离来对第二信号进行补偿，以产生基本上独立于所 述距离的波动的第三信号，并且根据第三信号的振幅和预定查找表来响应于膜的组成和厚 度确定测量值。
[0017] 根据一个实施方案，信号处理器包括滤波器，所述滤波器适于选择性地使第一信 号的高频部分通过以形成第二信号。根据一个实施方案，滤波器包括在所述滤波器的谐振 频率下在低于第一信号的峰值振幅3分贝下大于10的品质因数。
[0018] 根据一个实施方案，信号处理器进一步适于根据声信号在气体介质中的速度乘以 声信号的飞行时间来计算距离。根据一个实施方案，信号处理器进一步适于通过从与检测 器处接收声信号相关联的时间中减去与产生脉冲相关联的时间来确定飞行时间。
[0019] 根据一个实施方案，测量装置还包括测量头，所述测量头包括脉冲离开测量头而 进入气体介质的出射口。检测器和出射口每个刚性地附接至测量头。根据一个实施方案，测 量头适于在基本上平行于所述层的表面的方向上移动。根据一个实施方案，出射口通过光 纤耦合至光源。
[0020] 根据一个实施方案，光源可进一步操作来产生众多脉冲，每个脉冲具有被选择来 与所述层的众多不同的相关联的成分相互作用的不同的相关联的特征。测量装置包括众多 不同的检测器，每个检测器与众多脉冲中的不同的一个相关联。
[0021] 根据一个实施方案，测量装置还包括适于测量脉冲的能量的能量检测器。根据一 个实施方案，测量装置还包括信号处理器，所述信号处理器适于根据所述能量对第一信号 进行补偿，以形成基本上独立于所述能量的波动的第二信号。
[0022] 根据一个实施方案，所述层是卷材涂布工艺或卷对卷涂布工艺中涂覆的涂层，并 且随着所述层相对于测量装置移动而实时检测第一信号。根据一个实施方案，所述层是涂 覆在铝衬底上的转化涂层，并且所述层包括硅(Si)和/或选自由锆(Zr)、钛(Ti)和铬(Cr)组 成的组的金属。
[0023] 根据本发明的一个实施方案，呈现了用于对层进行非机械接触式测量的方法。所 述方法包括产生适于与所述层相互作用的脉冲以在邻近所述层存在的气体介质中产生热 波，从而导致产生声信号。所述方法还包括在未机械地接触所述层的情况下响应于声信号 检测第一信号。所述第一信号表示所述测量的层。
[0024] 根据一个实施方案，所述方法还包括从由固体、凝胶、液体以及粉末组成的组选择 所述层。根据一个实施方案，所述方法还包括使用具有大于检测器附近的噪声环境的频率 范围的频率响应的换能器来产生第一信号。根据一个实施方案，所述方法还包括将声信号 的一部分引导至检测器。
[0025] 根据一个实施方案，所述方法还包括使用具有圆柱形中空本体的声耦合器，所述 圆柱形中空本体包括设置在检测器近侧的开口。根据一个实施方案，所述方法还包括将声 耦合器的纵向轴线定向在与脉冲与所述层在其中相互作用的区域相交的第一方向上。根据 一个实施方案，所述方法还包括使用声親合器来抑制源自第二方向而非第一方向的环境声 学噪声的一部分。
[0026] 根据一个实施方案，所述方法还包括改进第一信号的信噪比以形成第二信号，并 且计算检测器与产生热波的气体介质的区域之间的距离。所述方法还包括根据所述距离来 对第二信号进行补偿，以产生基本上独立于所述距离的波动的第三信号，并且根据第三信 号的振幅和预定查找表来响应于膜的组成和厚度确定测量值。
[0027] 根据一个实施方案，所述方法还包括选择性地使第一信号的高频部分通过以形成 第二信号。根据一个实施方案，所述方法还包括使用滤波器，所述滤波器包括在所述滤波器 的谐振频率下在低于第一信号的峰值振幅3分贝下大于10的品质因数。
[0028] 根据一个实施方案，所述方法还包括根据声信号在气体介质中的速度乘以声信号 的飞行时间来计算距离。根据一个实施方案，所述方法还包括通过从与检测器处接收声信 号相关联的时间中减去与产生脉冲相关联的时间来确定飞行时间。
[0029] 根据一个实施方案，所述方法还包括提供测量头，所述测量头包括脉冲离开测量 头而进入气体介质的出射口，并且检测器和出射口刚性地附接至所述测量头。根据一个实 施方案，所述方法还包括在基本上平行于所述层的表面的方向上移动测量头。根据一个实 施方案，所述方法还包括通过光纤将出射口耦合至光源。
[0030]根据一个实施方案，所述方法还包括产生众多脉冲，每个脉冲具有被选择来与所 述层的众多不同的相关联的成分相互作用的不同的相关联的特征，并且使用众多不同的检 测器，每个检测器与众多脉冲中的不同的一个相关联。
[0031 ]根据一个实施方案，所述方法还包括测量脉冲的能量。根据一个实施方案，所述方 法还包括根据所述能量对第一信号进行补偿，以形成基本上独立于所述能量的波动的第二 信号。根据一个实施方案，所述方法还包括在卷材涂布工艺或卷对卷涂布工艺中将所述层 作为涂层涂覆，并且随着所述层相对于测量装置移动而实时检测第一信号。
[0032] 参考以下详述和附图可以获得对本发明的实施方案的性质和优点的更好的理解。
[0033] 附图简述
[0034] 图1描绘根据本发明的一个实施方案的用于卷材涂布工艺的光声测量头的简化的 示意性侧视图。
[0035]图2A描绘根据本发明的一个实施方案利用光脉冲使示例性移动层曝光，所述光脉 冲穿透所述层，从而形成所述层的辐照区域。
[0036]图2B描绘根据本发明的一个实施方案来自光脉冲的能量被光学吸收并且从图2A 中所描绘的层的辐照区域热扩散开来。
[0037]图2C描绘根据本发明的一个实施方案来自图2B中所描绘的辐照区域的能量在薄 层与气体介质之间的界面处的气体介质中形成热波。
[0038]图2D描绘根据本发明的一个实施方案来自图2C中所描绘的热波的能量产生声信 号。
[0039]图3描绘根据本发明的一个实施方案对光脉冲的特征进行选择以便于同薄层及其 支撑铝条或衬底的特征匹配。
[0040] 图4描绘根据本发明的一个实施方案的非机械接触式光声测量系统的简化的示意 性方框图。
[0041] 图5描绘根据本发明的一个实施方案的图4中所描绘的测量头的简化的示意性方 框图。
[0042] 图6描绘来自图4中所描绘的检测器的时域内的原始电测量信号。
[0043] 图7描绘来自图4中所描绘的检测器的频域内的原始电测量信号。
[0044]图8A描绘根据本发明的一个实施方案的图4中所描绘的信号处理器的电路部分的 示意性方框图。
[0045]图8B描绘根据本发明的一个实施方案的图4中所描绘的信号处理器的电路部分的 改进的示意性方框图。
[0046] 图9描绘根据本发明的一个实施方案的声压振幅对检测器到样品层距离的依赖 性。
[0047] 图10描绘在工业应用中由图4中所描绘的检测器测量的未滤波的环境声学噪声。 [0048]图11A描绘根据本发明的一个实施方案的图8A中所描绘的高品质因数(高-Q)滤波 器的响应。
[0049]图11B描绘根据本发明的一个实施方案的图8A-8B中所描绘的电路部分的模拟行 为随频率的比较。
[0050]图12描绘根据本发明的一个实施方案的高-Q滤波器在去除图10中所描绘的工业 应用中的环境声学噪声中的有效性。
[0051]图13描绘根据本发明的一个实施方案的使用图4中所描绘的光声测量设备进行的 测量方法。
[0052]图14描绘根据本发明的一个实施方案的使用图4中所描绘的光声测量设备获得的 测量与使用XRF技术获得的测量之间的比较。
【具体实施方式】
[0053]图1描绘根据本发明的一个实施方案的用于卷材涂布工艺的光声测量头9的简化 的示意性侧视图20。呈现了用于对层(此后又称为样品层)进行非机械接触式测量的测量装 置，所述测量装置使用光声效应以在工业涂布工艺期间实现对纳米范围内的薄膜的快速移 动样品的实时在线品质采样。测量装置的一部分可以包括测量头9。测量装置可以包括可操 作来产生光脉冲12和/或电磁能量的光源(未示出），所述光脉冲12和/或电磁能量适于在测 量装置被调用来测量层时与样品层2相互作用以便于在层2与气体介质50之间的界面附近 的邻近层2存在的气体介质50中产生热波(未示出），而不会永久地改变层2。热波导致产生 声信号6。测量装置还包括测量头9中的检测器(未示出），所述检测器适于检测响应于声信 号6的第一信号。第一信号可以表示测量的层2的特征，例如像层2的材料成分的厚度和/或 量。检测器不与层2机械接触。在一个实施方案中，气体介质50可以是空气或定制用于制造 工艺的任何合适的气体环境。
[0054]在一个实施方案中，层2可以是卷材涂布或卷对卷制造工艺期间涂覆在移动铝条 13(此后又称为衬底)上的转化涂层。在一个实施方案中，层2可以包括硅(Si)和/或作为成 分的金属，诸如锆(Zr)、钛(Ti)和/或铬(Cr)。卷材涂布工艺机器的一部分可以包括三个辊。 计量辊22从浴槽21中带走水基酸性溶液。计量辊上的液体溶液传送至涂覆辊23,所述涂覆 辊23进而将液体传送穿过铝条13与涂覆辊23之间的小间隙。铝条13可以部分缠绕在铝运送 支撑辊24周围，所述铝运送支撑辊24使铝条移动。所述辊在如弯曲箭头所指示的方向上移 动以随着铝条移动穿过辊组件而涂布所述铝条。
[0055] 在离开运送支撑辊24之后，铝条13可以覆盖有可以具有高达20μπι的厚度的液膜溶 液，所述液膜溶液在铝条13在由箭头40所指示的方向上移动离开运送支撑辊24时以每分钟 高达数百米的加工速度进行涂覆。在干燥工艺之后，液膜溶液干燥产生层2,所述层2可以具 有范围为20至70nm的厚度。在一个实施方案中，层2可以是呈固体、液体、凝胶或粉末的形 式。
[0056]在一个实施方案中，测量头9可以安装在远离移动条40毫米(mm)左右的距离内，以 使得测量头9不与快速移动层2机械接触，而是替代地通过气体介质50与层2隔开，所述气体 介质50如下所述传输脉冲12和声信号6。在一个实施方案中，测量头9可以适于在基本上平 行于层的表面的方向上移动，例如在膜运动的方向上和/或在进入图中的方向上移动。因 此，测量头9可以安装在第一线性运动控制单元30上，所述第一线性运动控制单元30具有可 以垂直于铝条的移动方向且平行于辊的旋转轴线的纵向轴线。移动测量头提供测量例如样 品宽度上薄层的厚度的能力。薄膜的平面中的二维表面映射可以由第二线性运动控制单元 (未示出）提供，所述第二线性运动控制单元使第一线性运动控制单元30的纵向轴线平行于 薄层运动的方向移动。测量头9的运动控制可能不是关键，因为PA系统如下所述会自动对测 量头与薄层表面之间的变化进行补偿。
[0057]图2A-2D描绘根据本发明的一个实施方案的产生光声信号的简化步骤。图2A描绘 根据本发明的一个实施方案利用脉冲12使示例性移动层2曝光，所述脉冲12穿透层2,从而 形成所述层的辐照区域。层2重叠在铝条13上，所述两者在卷材涂布工艺期间都在由箭头40 所指示的方向上移动。
[0058]图2B描绘根据本发明的一个实施方案来自脉冲12的能量被光学吸收并且从图2A 中所描绘的层的辐照区域中的区域220热扩散开来。通过PA技术的计算机模型已经发现，对 于厚度低于l〇〇nm的薄膜，因如现有PA技术中所描述的脉冲加热所致的膜的体积变化不会 在卷材涂布工艺中普遍遇到的噪声环境中产生足够振幅的声信号来检测。
[0059]图2C描绘根据本发明的一个实施方案来自图2B中所描绘的辐照区域的能量在薄 层2与气体介质50之间的界面处的气体介质50中形成热波230。代替实质性地改变膜2的体 积，所述膜的辐照区域中的热能对薄层2与气体介质50之间的界面处的气体介质50进行加 热。受热的气体介质之后迅速膨胀，从而在由虚线所描绘的区域中形成热波230。
[0060] 图2D描绘根据本发明的一个实施方案来自图2C中所描绘的热波230的能量产生相 关联的声信号6。由薄层2与气体介质50之间的界面处的热波230触发的气体介质50的加热 和后续冷却迅速发生。各自迅速的气体体积膨胀和收缩产生超声波声信号6,所述超声波声 信号6携带与薄层2的厚度和组成相关的信息通过气体介质50如由虚线箭头所指示从辐照 的膜表面向外辐射开来。图2A-2D中所描绘的PA工艺的速度(排除声信号的飞行时间）是在 数十微秒内发生。
[0061] 图3描绘根据本发明的一个实施方案对光脉冲12的特征进行选择以便于同薄层2 及其支撑铝条13或衬底的特征匹配。转化涂层或层2是在高倍率下描绘的，并且包括厚度d， 所述转化涂层或层2涂覆在铝条13的粗糙表面上。未抛光的工业用铝表面的典型的粗糙度 是在0.2至Ιμπι的范围内。层2可以设置在衬底与气体介质50之间。
[0062] 要强调的是，用于测量卷材涂布工业环境中的厚度d小于100nm的膜的ΡΑ技术的方 法和设备如本发明的实施方案所描述显著不同于先前描述的那些，例如像，已知用于测量 实验室环境中的厚度远远大于l〇〇 nm的膜的那些PA技术。因此，可以对光脉冲的特征特别地 进行选择以满足以下三个脉冲特征中的至少一个，以增加所产生的声信号和其中包含的与 层2相关联的信息。另外，本发明的实施方案不限于本文描述的移动金属卷材涂布工艺，而 是可以用于例如对各种行业(例如像，汽车行业）中的预处理剂、润滑剂和/或粘附剂的涂覆 进行表征或测量，并且包括对厚度范围低于约lOOnm的固定目标层的测量。
[0063] 在一个实施方案中，可以对脉冲12的波长进行选择，以使得脉冲在层2中的穿透深 度μ?圭大于厚度d。选择μ§(圭>d具有以下优点：所得的声信号可以包含与衬底至转化层边界 相关联的信息，所述信息可以用于更好地对层厚度d进行测量表征。在一个实施方案中，脉 冲波长优选地选择为处在约150至约500纳米的范围内、更优选地处在约180至约350纳米的 范围内和/或最优选地为约213纳米，所述脉冲波长包括紫外线(UV)至可见光的光谱范围。
[0064] 在另一个实施方案中，可以对脉冲12的时域宽度例如时间上的脉冲长度进行选 择，以使得层2的热扩散长度基本上等于层2的厚度d。选择~d有助于防止将热泄放到 衬底中，否则会不利地影响声信号激发。替代地，可以通过热波将热能引导到气体环境中以 帮助产生如前文所解释的所需的声信号。在一个实施方案中，可以将具有时域脉冲宽度的 脉冲光源优选地选择为处在约50皮秒(psec)至约100纳秒(nsec)的范围内、更优选地处在 约lnsec至约50nsec的范围内。
[0065] 在一个实施方案中，对脉冲12进行选择，以使得层2内对脉冲12的光吸收^可以基 本上大于衬底例如铝条13内对所述脉冲的光吸收 〇2，所述衬底可以与支撑层2机械接触。换 言之，α?>>α2。选择 α?>>α2确保脉冲的波长被选择成促进所述脉冲在层2而非衬底中的 吸收，从而再次改进声信号产生。强的声信号更易于检测，而来自衬底的弱信号可以忽略不 计。
[0066] 图4描绘根据本发明的一个实施方案的非机械接触式ΡΑ测量系统1(在本文中又称 为ΡΑ系统）的示意性方框图。ΡΑ系统1包括脉冲激光器3、非线性光学器件模块15、滤光器部 件16、可变衰减器17、镜子18、光束分离器19以及能量检测器14。脉冲激光器3产生脉冲12， 并且可以包括例如掺钕钇铝石榴石(Nd: YAG)激光器模块，所述激光器模块可以由闪光灯栗 浦。在一个实施方案中，脉冲源可以是超连续谱(supercontinuum)激光器和/或光参量振荡 器(0P0)。
[0067] 在一个实施方案中，可以对脉冲12的激发能进行选择，以使得产生足够强到被检 测的具有足够高的信噪比的声信号，以可靠地获得与层2的特征相关联的数据。换言之，声 信号可以表示测量的层的特征，所述特征包括数据，例如像所述层的厚度和/或所述层的材 料成分的量。另一方面，将激发能选择成是足够低的，以使得避免对层2的非线性加工和烧 蚀。如果激发能过高，那么信号振幅可能不与层2的厚度线性相关，和/或脉冲12甚至可能损 坏层2。
[0068]由激光器3馈光的非线性光学器件模块15通过将激光器的波长1064nm转换成它的 5次谐波213nm来产生UV光束11，所述光束11由滤光器部件16滤波以通过45度反射角阻断不 需要的波长。滤波的光的能量可以根据需要通过衰减器17来减少。UV光束11由镜子18反射 到光束分离器19中，所述光束分离器19将近似三分之二的能量分配到能量检测器14中并且 向样品层转移近似三分之一的能量。能量检测器14可以适于测量脉冲的能量，并且将反馈 控制信号（未示出）耦合至衰减器17,以使得每个脉冲的能量可以如下所述保持均匀。发射 的脉冲12的能量和脉冲长度通过防止层2中的烧蚀或光化学过程而提供对层2的无损测量。 激光器3、非线性光学器件模块15、滤光器部件16、可变衰减器17、镜子18、光束分离器19和 能量检测器14可以被包括在光学分段中，所述光学分段可以与PA系统1的其余零件分开的 方式安置。
[0069] PA系统1还包括测量头9和检测器4、5。测量头9可以包括检测器4、5和光出射口 8， 在所述光出射口 8处，脉冲12可以离开测量头9而进入气体介质50中。检测器4、5和出射口 8 可以每个刚性地附接至测量头9,这提供了以下优点：检测器与光出射口之间的相对距离不 会受到冲击或振动的影响，以使得检测器与辐照层2样品表面之间的距离可以如下所述通 过声信号6的飞行时间来准确地确定。
[0070] 测量头9可以通过柔性光纤电缆26来柔性地附接至光学分段，所述光纤电缆26可 以耦合在出射口 8与光束分离器19之间。与光学分段相比较占用很少空间的测量头9因此可 能更容易操纵并且柔性地定位成非常接近于但不是机械接触铝条13上的层2,所述铝条13 和层2都迅速地移动经过PA系统1，而不会显著改变卷材涂布工艺装备。因此，可以将光学分 段定位成进一步远离移动条或定位在所述移动条的远端，以有利地保护光学部件使其免于 受到由卷材涂布工艺引起的振动和灰尘污染的影响。所得的测量头与光学分段分开的系统 为工业应用提供比测量头和光学部段处于接近于移动铝条的同一个系统外罩内的情况下 更好的安全和维护要求。
[0071 ]脉冲12可以离开出射口 8，所述出射口 8可以包括光纤电缆26的端接端;并且穿过 气体介质50朝向层2传输，并在一个实施方案中以基本上正交的方式引导至层2的表面。在 一个实施方案中，以基本上正交而非精确地正交的方式引导脉冲12以防止不想要的脉冲12 反射回到光学分段中，这可能会使光学分段内的部件随时间推移而降级。因此，脉冲12相对 于层2的表面的角度可以处在小于90度但大于80度的范围内，例如，优选地处在89至86度的 范围内。
[0072]在一个实施方案中，脉冲12可以离开测量头9未聚焦。在另一个实施方案中，脉冲 12可以聚焦在层2上。在脉冲12离开出射口 8之后，可以对层2的区域进行辐照，以便于通过 如上所述的热波产生声信号6。声信号6之后从层2经受辐照的热波产生区域穿过气体介质 50而朝向检测器4、5传播。因此，由于测量头9可以通过气体介质50与层2分开，PA系统1提供 了对层2的非机械接触式测量。另外，可以随着层2相对于PA系统1的移动而实时检测声信号 6，因为测量的速度相较于卷材涂布工艺中的层2的移动而言是较为快速的。
[0073] PA系统1还包括信号处理器7,所述信号处理器7可以通过柔性电缆10耦合至检测 器4、5,并且应理解出于通信和/或控制功能目的可耦合至激光器3、衰减器17和能量检测器 14,所述信号处理器7的耦合信号未示出以更好地解释本发明的实施方案。信号处理器7可 以包括控制电子器件、计算机处理器和非暂时存储器，所述非暂时存储器适于存储用于控 制PA系统1的功能的程序代码，这些将在下文进行描述。
[0074] 在一个实施方案中，光学分段可进一步操作来产生众多脉冲，每个脉冲具有被选 择来与层2的众多不同的相关联的成分相互作用的不同的相关联的特征。测量装置可以包 括众多不同的检测器，每个检测器与众多脉冲中的一个不同的脉冲相关联。例如，层2可以 包括有机粘合剂内的含锆活性化合物。可以将一个脉冲选择为包括调谐来响应于含锆活性 化合物的量而产生声波的特征，同时可以将另一个脉冲选择为包括调谐来响应于层2内的 有机粘合剂的量而产生声波的特征。用于实时监测含锆活性化合物和有机粘合剂两者的两 个不同的脉冲的差别可以在于波长、能量和/或时域脉冲长度。
[0075] 在一个实施方案中，PA系统1可以包括众多不同的激光源，每一个激光源具有不同 的调谐特征。在另一个实施方案中，PA系统1可以包括光谱宽带激光器，所述光谱宽带激光 器可光学处理来在不同的波长下产生众多脉冲。在一个实施方案中，PA系统1可以包括众多 测量头，每个测量头适于对层2上的众多不同区域进行采样。例如，可以实时地同时测量铝 条13上的整个宽度内的层2的多种成分的厚度和/或浓度。
[0076] 本文描述的实施方案提供了一种用于完成复杂的光谱试验的方式。例如，所选择 的众多波长可以单独靶向包埋在层2中的基质中的众多不同的相关联的分子，从而使得能 够独立于彼此测量它们的浓度，进而得到层2的类似于反应动力学的多种化学信息。
[0077] 图5描绘根据本发明的一个实施方案的图4中所描绘的测量头9的示意性方框图。 测量头9可以包括检测器4、5和安装支架99。安装支架99可以包括壳体54和出射口 8。壳体54 可以包括检测器4、5,所述检测器4、5进而可以包括麦克风4和声耦合器5。在一个实施方案 中，麦克风4可以适于包括换能器56,所述换能器56进而可以适于具有大于检测器附近的噪 声环境的频率范围的频率响应，并且产生与声信号6的高频部分相关联的第一电信号以进 一步改进如下所述的PA系统的信噪比。
[0078]在一个实施方案中，声親合器5可以适于将声信号6的高频部分引导至检测器4、5 中的麦克风4的换能器56。在一个实施方案中，声耦合器5可以包括圆柱形中空本体，所述圆 柱形中空本体包括所述圆柱形中空本体的相对端处的两个开口。耦合器5的一个开口 59可 以设置在检测器4、5中的麦克风4的换能器56近侧。在一个实施方案中，声親合器5可以包括 约等于换能器56的直径dm的外径ds。在一个实施方案中，声耦合器5还可以包括与麦克风4 的纵向轴线58基本上成直线地定向的纵向轴线57。在一个实施方案中，麦克风4的纵向轴线 58可以相对于层2的表面形成小于90度的角度。在一个实施方案中，声親合器5的纵向轴线 57可以定向在第一方向上以便于基本上相交于层2的区域220的表面上的区域510处，其中 脉冲12与层2相互作用，以便于将来自热波的声信号6引导至麦克风4;同时抑制工业环境中 从第二方向而非第一方向产生的环境声学噪声的一部分。声耦合器5在第二方向上抑制噪 声可能是改进PA系统的信噪比的另一个要素。在一个实施方案中，声耦合器5可以由约40mm 长的不锈钢管形成，所述不锈钢管具有约3mm的外径和约0.2mm的壁厚。
[0079]噪声抑制可以进一步通过以下方式来完成：直接通过壳体54中的孔口 520附接声 耦合器5,以使得壳体54和安装支架99可以充当隔声罩，所述隔声罩进一步减少抵达麦克风 4的环境噪声，同时向麦克风4引导高频声信号6。在一个实施方案中，声親合器5可以附接至 壳体54并且通过将大约一半声親合器5插入到孔口 520中而定向在第一方向上。在一个实施 方案中，麦克风4可以直接附接至壳体54,以使得声波进入麦克风4的唯一开口是通过壳体 54中的孔口 520以及通过声耦合器5。另外，声耦合器5可以提供保护麦克风4免于机械应力 或损坏的附加益处。
[0080] 安装支架99可以包括用于附接端接光纤26的孔口 8,所述端接光纤26向层2引导作 为光束的脉冲12。安装支架99还可以包括适于将壳体54固持在所需定向上的成角度的安装 孔。对应于声信号6的电信号可以通过具有终端51-53的屏蔽电缆来传输，其中终端53可以 是接地电缆屏蔽。安装支架99还可以包括用于牢固地将测量头9安装在与移动金属卷材2、 13相距安全的固定距离处的孔或狭槽(未示出）。
[0081] 图6描绘在安静的实验室环境中获取的来自图4中所描绘的检测器4、5的时域内的 原始电测量信号600。图6的垂直轴610表示以伏特(V)计的从-0.05至0.07V的原始电测量信 号振幅，而水平轴620表示以微秒(ys)计的从20至llOys的经过时间。对应于声信号6的换能 器可以具有用于直接将因脉冲12与层2的相互作用而在空气中耦合的高频声信号转换成原 始（即，未滤波的）电测量信号的频率响应范围。在一个实施方案中，换能器可以适于以比工 业环境中的环境噪声频率更高的频率响应。来自换能器的响应可以产生如下所述的选择性 耦合至信号处理器的电信号。图6中所描绘的原始电测量信号表示由检测器4、5进行的若干 单独信号采集的平均值。来自与PA脉冲相关联的麦克风的换能器的原始电测量信号600包 括几组随时间而变的振荡。在箭头630之间识别的第一振荡组处于原始电测量信号600持续 约lOysec的前沿时间并且在约60与70y sec之间接收。在箭头630之间识别的第一振荡组对 应于由热波230发射的声信号6并且通过换能器转换成电信号。在箭头640之间识别的第二 振荡组持续超过40y sec，并且以低于第一振荡组的频率振荡。在箭头640之间识别的第二振 荡组在约70ysec之后接收，并且对应于响应于由热波发射的声信号而发生的换能器振铃。
[0082] 图7描绘在安静的实验室环境中获取的来自图4中所描绘的检测器4、5的频域700 内的原始电测量信号。图7的垂直轴710表示以任意单位(a.u.)计的从约-10至约63a.u.的 原始电测量信号振幅，而水平轴720表示以千赫兹(kHz)计的从0至1000kHz的频率。所描绘 的信号是来自图6中所描绘的检测器的原始电测量信号的傅立叶变换。图7描绘两个振幅峰 值。第一振幅峰值730的中心位于约110kHz，所述第一振幅峰值730与第二振幅峰值740相比 振幅更高，并且频率范围更窄，所述第一振幅峰值730可能是由对应于图6中的箭头640之间 识别的第二振荡组的换能器的谐振模式或换能器振铃引起的，并且不是与层2的特征最相 关联的信号。相比之下，中心位于约280kHz的对应于图6中的箭头630之间识别的第一振荡 组的第二振幅峰值740更多地响应于由上文描述的热波230发射的声信号。第二振幅峰值 740因此与层2的特征最相关联。图7示出第一振幅峰值和第二振幅峰值间隔开约150kHz。
[0083] 在一个实施方案中，由换能器产生的且与声信号6的前沿时间相关联的高频响应 由PA系统使用来测量样品层，而换能器的低频谐振模式和来自工业环境的大部分环境声学 噪声由如下所述的信号处理器选择性地过滤掉。高频前沿信号可以优选地用来取代换能器 的后沿谐振模式，因为由卷材涂布工艺机器引起的噪声的振幅要高于较低频率。因此，选择 其中存在较少噪声的较高频范围内的高频前沿信号是改进PA系统的信噪比以及因此敏感 度的一个贡献因素。在一个实施方案中，可以将换能器的频率响应选择为高于约150千赫 兹，以能够对图7中测量的所需的第二振幅峰值作出响应。对若干可商购的空气耦合麦克风 评估其产生所需的较高频响应的能力。优选的麦克风确定为是由Knowles Electronics， Inc.制造的型号为FG23329的声学驻极体麦克风。
[0084]图8A描绘根据本发明的一个实施方案的图4中所描绘的信号处理器7的电路部分 800A的示意性方框图。信号处理器7的电路部分800A包括至信号处理器7的麦克风高阻抗输 入端方框810、滤波器方框820以及50欧姆转换器和滤波信号输出端方框830A。麦克风高阻 抗输入端方框810包括三个终端51-53、用于表示近似麦克风阻抗的麦克风阻抗电阻器840 和终端52与接地之间的噪声去耦电容器841。终端51-53耦合至麦克风4的对应模拟输出端。 终端53将对应的麦克风终端耦合至接地。终端52通过交流(AC)阻断电感器842将对应的麦 克风终端耦合至节点82处的9V直流(DC)电源。终端51通过AC信号耦合电容器843将对应的 麦克风终端(即，麦克风4的模拟信号输出端)親合至滤波器输入端824。
[0085] 在一个实施方案中，滤波器方框820可以包括高-Q滤波器，所述高-Q滤波器适于选 择性地使由换能器产生的麦克风的响应信号的高频前沿时间部分通过，同时过滤掉换能器 的低频谐振和工业背景噪声以产生滤波信号输出。高-Q滤波器可以耦合在滤波器输入端 824与滤波器输出端826之间。在一个实施方案中，高-Q滤波器包括谐振电感-电容(LC)滤波 器，所述谐振电感-电容滤波器在滤波器的谐振频率下在低于高频信号的峰值振幅3db处具 有如由正弦信号发生器(未示出）所测量的大于10的品质因数，所述正弦信号发生器通过更 换终端51处的麦克风4来供应输入信号以促进滤波器响应测量。然而，可能有在麦克风4的 阻抗和在终端51看进电路部分800A中的阻抗之间的阻抗失配，在麦克风4被附接到终端51 提供输入信号而不是仅用于测量的正弦信号时，这可能引起整个滤波器电路的品质因数恶 化。下文将论述改进了滤波器输入端和输出端处的阻抗匹配并且产生更好的信号特征的电 路改进。
[0086] 高-Q滤波器可以包括滤波器输入端824与滤波器输出端826之间親合的电容C<X由 电容器844和二极管845、846的并联组合形成。二极管845、846可以操作为电压控制电容器， 所述电压控制电容器的电容/电压由偏置电路电阻器847和可变电位计848来确定。电位计 848可以操作为接地与9V电源之间耦合的分压器，以使得电位计848向电阻器847和二极管 845、846的并联组合的串联组合提供偏置电压，所述串联组合进而通过电感器849耦合至接 地。C的值因此可以通过电位计848来调节。电感器849可以耦合在滤波器输出端826与接地 之间。电感器849 = L可以在
的频率下与电容器C谐振以形成高-Q滤波器。 例如，在优选的251 kHz下以高于10的Q-因数谐振，滤波器方框820中LC的值可以分别选择 为3.3mH和112pF。
[0087]在一个实施方案中，50欧姆转换器和滤波信号输出端方框830A的输入端832通过 耦合电容器850耦合至滤波器输出端826,这反过来驱动源极跟随器模式下操作的双极晶体 管851的基极，以使输入端832与节点834处的晶体管851的发射极之间的阻抗隔离。50欧姆 转换器和滤波信号输出端方框830A还包括晶体管851的发射极与50欧姆转换器和滤波信号 输出端方框830A的输出端81之间耦合的阻抗匹配电阻器852。晶体管851的集电极可以耦合 至9V DV电源。50欧姆转换器和滤波信号输出端方框830A还包括晶体管851的基极与9V电源 之间耦合的电阻器853,以及在发射极与接地之间耦合的电阻器854,所述电阻器854被选择 来使晶体管851偏置。去耦电容器855耦合在节点82处的9V电源与接地之间以减少噪声。因 此，50欧姆转换器和滤波信号输出端方框830A的输出端81通过BNC连接器856提供50欧姆输 出以与信号处理器7的其余部分的较长电缆走线匹配，其可以位于远离测量头9和移动金属 卷材2、13 3NC连接器856的屏蔽物可以耦合至接地83。
[0088]在一个实施方案中，下表1中列出了图8A中所描绘的电路部分800A的示例性部件 值。
[0089]
[0091]图8Β描绘根据本发明的一个实施方案的图4中所描绘的信号处理器7的电路部分 800Β的改进的示意性方框图。电路部分800Β具有与图8Α中所描绘的电路部分800Α相同的电 路元件和功能，以下描述除外，以改进各自的滤波器输入端824和输出端826处的阻抗匹配， 这部分地带来了更好的信号性能。电路部分800B包括AC信号耦合电容器843、860之间耦合 的阻抗转换器81信号親合电容器860进而親合至滤波器输入端824。
[0092] 阻抗转换器815B包括输入端861、输出端862、众多电阻器863-866、运算放大器 (op-amp)867以及AC信号耦合电容器870。来自麦克风4的未滤波的信号可以通过电阻器863 耦合至运算放大器867的非反相输入端868。从运算放大器输入端往里观察的阻抗是非常高 的，以使得在输入端861与接地之间耦合的电阻器864可以用于促进麦克风与电路部分800B 的阻抗之间的阻抗匹配。运算放大器867的输出端可以耦合至输出端862。电阻器866耦合在 运算放大器867的输出端与运算放大器867的反相输入端869之间以为运算放大器867提供 负反馈。电阻器865与AC信号耦合电容器870串联耦合在反相输入端869与接地之间。电阻器 865、866确定放大器信号增益。在一个实施方案中，可以将电阻器865、866选择来将放大器 信号增益配置在约10与50之间的范围内，但优选地为约31AC信号耦合电容器860将放大的 信号耦合至滤波器输入端824。
[0093] 826处的高-Q滤波器的输出端通过AC信号耦合电容器875耦合至50欧姆转换器和 滤波信号输出端方框830B的输入端881。50欧姆转换器和滤波信号输出端方框830B包括输 入端881、输出端882、众多电阻器852、884-886、运算放大器887、AC信号耦合电容器890以及 BNC连接器856。从运算放大器输入端往里观察的阻抗是非常高的，以使得在输入端881与接 地之间耦合的电阻器884可以用于促进高-Q滤波器与50欧姆转换器和滤波信号输出端方框 830B的阻抗之间的阻抗匹配。输入端881可以直接耦合至运算放大器887的非反相输入端。 运算放大器887的输出端可以耦合至输出端882。电阻器885、886、AC信号耦合电容器890和 运算放大器887可以与电阻器865、866、AC信号親合电容器870和运算放大器867相同的方式 进行配置和发挥作用，除外的是放大滤波信号。输出端882耦合至电阻器852,这提供如图8A 中针对电路部分800A描述的阻抗匹配。
[0094]在一个实施方案中，下表2中列出了图8B中所描绘的电路部分800B的示例性部件 值。
[0095]
[0097] 在一个实施方案中，信号处理器7可以包括能够执行存储在非暂时存储器中的程 序代码的微控制器芯片，所述非暂时存储器驻存在微控制器芯片中或单独的存储器芯片诸 如闪存器上。程序代码可以包括下文描述的可执行PA系统命令和算法。可替代地和/或与处 理器组合，专用控制逻辑诸如现场可编程门阵列(FPGA)中可用的专用控制逻辑或者其他硬 连线控制逻辑可以用于执行所需的系统命令和算法。
[0098] 在一个实施方案中，信号处理器7可以适于根据由光学器件分段中的能量检测器 14检测到的脉冲的能量来对较高频谐振信号进行补偿，以形成基本上独立于由光学器件分 段产生的能量的脉冲-对-脉冲波动的补偿信号。激光脉冲12具有某一脉冲-对-脉冲能量波 动。在无损操作中，与来自麦克风的滤波信号相关联的信号S会在能量E的量翻倍的情况下 翻倍。对于改进的稳定性，将信号强度除以能量，以使得S* = S/E，其中S*是能量归一化信 号。这种能量归一化意指所得的归一化信号在很大程度上独立于脉冲激发能。这种归一化 运算还通过将信号乘以如下文为了系统校准而描述的适当的校准因数来提供对参考样品 的测量的归一化。
[0099] 图9描绘根据本发明的一个实施方案的声压振幅对检测器到样品层距离的依赖 性。以a.u计的声压振幅在垂直轴910上描绘成为25至125a.u.，同时水平轴920描绘以毫米 (mm)计的检测器到样品层距离为15至80mm。检测器到样品层距离相较于样品层厚度而言是 非常大的。在卷材涂布工艺中，带有样品层的快速移动的铝条频繁地经受机械冲击和振动， 所述机械冲击和振动可能会引起检测器与样品层之间的距离的波动。这些距离波动进而在 由检测器接收的声信号（例如，原始声压振幅信号）的最大压力下产生变化，所述声信号随 着距离的增加而减弱，并且被绘制成小方块930,所述小方块930指示检测器到样品层距离 20mm处的约108个任意单位的压力，进而减弱为检测器到样品距离80mm处的约30个任意单 位的压力。声压振幅y对检测器到样品层距离X可以通过先前的校准来建立，并且发现如由 实线940所指示在约25mm之上遵循双曲线拟合，并且在近似正常的工作距离950的范围内逼 近线性模型，所述线性模型通过以下方程式提供:yiAdWi/x)，其中PjPAi是值分别为 2488.20049和-0.57308的常数。近似正常的工作距离950通过约35至45mm之间的范围内的 水平箭头之间的交叉影线区域来描绘，但是也可以使用其他工作距离范围。
[0100] 在一个实施方案中，信号处理器可以根据气体介质中的声信号的速度乘以声信号 的飞行时间来计算检测器与产生热波的气体介质的区域之间的距离。激光射击的时间和持 续时间（如上所述小于约O.lysec)由信号处理器7控制并且因此是已知的时间。激光脉冲信 号以光速在气体介质中行进抵达样品层所花的时间小到可以忽略不计。辐照层产生热波所 花的时间也小到可以忽略不计，所述热波产生声信号。因此，检测器最初接收声信号的时间 减去激光射击时的时间约等于声信号的飞行时间，所述飞行时间可以由信号处理器计算并 且可能典型地为约UOysec，这验证了先前有关时间可以忽略不计的假设。由于气体介质50 (空气）中的声速是已知的，信号处理器7之后可以通过将声速乘以声信号的飞行时间来计 算实时检测器到样品层距离，从而得出针对高于120ysec的飞行时间，典型的工作距离值为 约MmnuPA系统因此能够容易地每毫秒进行一次测量，这就容易地为甚至是卷材涂布工艺 中的快速移动的层2提供了实时分析工具。
[0101] 在一个实施方案中，信号处理器可以按周期性间隔或针对每个脉冲计算检测器到 样品层距离，即，计算检测器与产生热波的气体介质的区域之间的距离。之后，信号处理器 可以根据距离和上文描述的预定双曲线模型（可能存储在信号处理器中）来对接收的每个 声信号的最大压力或振幅进行补偿，以产生所得的计算的补偿信号，所述补偿信号如由所 描绘的三角形960所指示在约25mm的距离之上基本上独立于距离波动。在一个实施方案中， 正常工作距离选择为是介于约35与45mm之间，这可能接近于线性补偿范围的下限，以便于 具有较高振幅信号带来较好PA系统敏感度的优势，同时根据上文描述的线性模型的更好的 拟合部分来维持高补偿线性度。虽然样品距离在卷材涂布工艺期间可以变化多达 但是通过PA系统可以实现+/-2nm的层厚测量敏感度。
[0102] 图10描绘在工业应用中由图4中所描绘的检测器测量的未滤波的环境声学噪声。 以mV计的未滤波的环境声学噪声振幅在垂直轴1010上描绘成为-70至70mV，同时水平轴 1020描绘以ys计的经过时间成为0至250ys。卷材涂布工艺机器产生在超声波频率范围内较 强的背景噪声。示出了在卷材涂布工艺期间的不同时间取得的未滤波的环境声学噪声振幅 的五次测量1031、1032、1033、1034、1035，这指示许多噪声脉冲具有大于约2ysec的周期或 低于约500kHz的频率，所述频率与超声波频率范围重叠，PA系统将如下文所示来使用所述 内容。在一个实施方案中，信号处理器适于改进检测到的信号的信噪比，其中声信号由检测 器接收以如下所述形成滤波信号，这进而去除由卷材涂布工艺产生的大多数不想要的噪声 频率。
[0103] 图11A描绘根据本发明的一个实施方案的图8A-8B中所描绘的高-Q滤波器820的响 应。的模拟行为随频率的比较。信号处理器7可以包括高-Q滤波器，所述高-Q滤波器适于选 择性地使来自换能器的高频前沿时间信号通过。由于未发现典型的现成的带通滤波器具有 足够高的Q-因数(也就是说，具有足够的分辨力来使高频换能器信号输出的所需频率范围 内的窄通带通过，同时严格地过滤掉来自换能器56的其他不需要的噪声频率和谐振信号）， 使用了参考8A-8B描述的简单的专有谐振LC电路。图11A中描绘了在麦克风4不存在下对谐 振LC高-Q滤波器820的正弦50mV信号输出的响应，其中以mV计的滤波器响应信号在垂直轴 1110上描绘成为-25至350mV，并且以kHz计的激发频率在水平轴1120上描绘成为0至 325kHz，其中三个不同的滤波器设置使用电位计R2分别在200、235、280kHz下调谐，并且分 别通过滤波器响应信号1131、1132、1133来描绘。
[0? 04] 应用定义:Q-因数通过通带的中心除以-3dB下的通带来定义并且-3dB被定义成峰 值振幅减少1/1.413倍所处位置，针对专有谐振LC滤波器响应的200kHz和280kHz谐振频率 分别产生所得的约10和28的Q-因数。因此，在一个实施方案中，滤波器包括谐振LC滤波器， 所述谐振LC滤波器在滤波器的谐振频率下在低于高频换能器响应的峰值振幅3db处具有大 于10的品质因数，所述谐振频率可以优选地设置为251kHz以使图7中所描绘的选定麦克风 的高频换能器响应通过。
[0105]图11B描绘根据本发明的一个实施方案的图8A-8B中分别描绘的电路部分800A、 800B的模拟行为随频率的比较。如上所述，图8A-8B中所描绘的高-Q滤波器820在谐振频率 周围提供陡峭的滚降特征或高分辨力的能力响应于包括高-Q滤波器820的输入端824处的 阻抗匹配的周边电路。在图11B中，全部电路部分800A、800B的来自通过麦克风4输入的模拟 信号的以分贝（dB)计的模拟信号响应在垂直轴1150上描绘成为约-90至20dB，同时水平轴 1160描绘以kHz计的模拟频率为约10至550kHz。
[0106] 电路部分800A的模拟频率响应通过实线1172来描绘，并且描绘了在250kHz下处于 约-20dB的峰值信号，所述峰值信号在250kHz之下以约0.15db/kHz的速率下降。改进的电路 部分800B的模拟频率响应通过虚线1174来描绘，并且描绘了在250kHz下处于约5dB的更高 的峰值信号，所述峰值信号在250kHz之下以约0.8db/kHz的更高的速率下降，持续约50kHz， 直到遇到和匹配电路部分800A小于约100kHz范围内的频率响应为止。基于这些电路模拟结 果，改进的电路部分800B因此有望提供比电路部分800A更需要的滤波特征。
[0107] 图12描绘根据本发明的一个实施方案的对应于图11A中所描绘的响应的高-Q滤波 器在去除图10中所描绘的工业应用中的环境声学噪声中的有效性。图12的垂直轴1210表示 以mV计的从-70至70mV的噪声信号振幅，而水平轴1220表示以ys计的从0至250ys的经过时 间。在图10中所描绘的相同的声学噪声环境中使用专有谐振LC滤波器获得的五次不同的测 量1230的结果在所需通带为251 kHz的情况下从约50mV的峰值振幅下降至约5mV。
[0108] 图13描绘根据本发明的一个实施方案的使用图4中所描绘的光声测量设备进行的 测量方法1300。同时参考图4和图13,测量方法1300包括测量环路1303之前的校准1302。校 准1302可以通过使用XRF来校准PA系统的测试信号以离线确定层2的准确厚度，也就是说， 在实验室环境中而不是在嘈杂的卷材涂布工艺期间确定。测量信号对实际特征值诸如厚度 可以存储为信号处理器7的存储器中的查找表或计算校准模型。测量环路1303包括PA系统 在卷材涂布工艺期间在线时可以执行的以下步骤。
[0109] 以预定周期诸如每毫秒一次以脉冲方式发出1304激光。之后，开始数据采集1306。 可以检测激光脉冲并且通过能量检测器14确定1308脉冲能量。激光光束脉冲12之后击中 1310层2的样品表面，并且激光被层2吸收1312。发生无辐射弛豫1314。之后，同时存在体积 膨胀1316,这会产生小的声信号；以及膜内的热式加热1318,这使得空气中产生热波1320。 将空气中的热波1320转换1322成大部分声信号6,即声波。
[0110] 声波或声信号6在飞行时间期间通过空气传输至检测器4、5并且由麦克风4检测 1324。通过信号处理器7中的高-Q滤波器820对来自麦克风中的换能器的检测电信号(诸如 图6-7中所描绘的电信号)进行滤波1326,之后以任何顺序执行距离归一化1328和能量归一 化1330。然后测量1332归一化信号的峰间振幅。信号处理器7之后使用1334先前确定的校准 查找表或校准模型来确定层2的膜特征。如果PA系统确定1336测量尚未完成，那么通过在脉 冲1304处开始下一激光脉冲12来继续测量环路。当测量完成时，所述方法停止1338。
[0111] 图14描绘使用图4中所描绘的光声测量设备获得的测量与使用XRF技术获得的测 量之间的比较。在垂直轴1410上表示以任意单位计的最大压力振幅，并且在水平轴1420上 表示以毫克/平方米(mg/m 2)计的含锆膜的化学组成的测量的离线XRF膜特征。来自若干样 品的绘制的数据点1430显示可以用作校准PA系统1的归一化声信号的模型的线性相关特征 1440。
[0112] 本发明的以上实施方案是说明性的而非限制性的。各种替代方案和等效形式都是 可行的。虽然已参考光学部件的某种布置通过举例描述了本发明，但是应理解，本发明并不 受到光学部件布置的限制，前提是提供具有所需特征的无损电磁脉冲。虽然已参考干燥固 体样品层通过举例描述了本发明，但是应理解，本发明并不受到层的形式的限制，所述层可 以是固体、凝胶、液体和/或粉末。本文描述的实施方案涉及测量在卷材涂布工艺中涂覆到 铝条上的转化涂层但是并不限于此。本发明的实施方案不受支撑样品层的衬底的类型的限 制。无论何时发现可使用可能是移动的和/或具有粗糙表面的亚lOOnm层的非接触无损测量 都可以使用本文描述的实施方案。例如，本文描述的实施方案可能发现可用于测量干燥或 聚合工艺、测量化学动力学、限定层的光学和/或热特性、分析复合材料系统并且对原子层 沉积工艺的产物进行表征。根据本公开，其他添加、删减或修改都是明显的，并且旨在落入 所附权利要求的范围内。本发明的范围因此不应该参考以上说明来确定，而是应该参考所 附权利要求以及它们的全部范围或等效形式来确定。
[0113] 另外，本发明的实施方案可以通过以下条款来描述：
[0114] 条款1: 一种用于对层进行非机械接触式测量的测量装置，所述测量装置包括:光 源，所述光源可操作来产生适于与所述层相互作用的脉冲以便于在邻近所述层存在的气体 介质中产生热波，所述热波导致产生声信号；以及检测器，所述检测器适于响应于所述声信 号检测第一信号，所述检测器不与所述层机械接触，其中所述第一信号表示所述测量的层。
[0115] 条款2:如条款1所述的测量装置，其中所述脉冲适于与所述层相互作用，而不会永 久地改变所述层。
[0116]条款3:如条款1或条款2所述的测量装置，其中所述脉冲的波长与所述脉冲在所述 层中的穿透深度相关联，所述穿透深度大于所述层的厚度，其中所述波长优选地选择为处 在约150至约500纳米的范围内、更优选地处在约180至约350纳米的范围内、最优选地为约 213纳米。
[0117] 条款4:如前述条款中任一项所述的测量装置，其中所述脉冲的时域宽度与所述层 的热扩散长度相关联，所述热扩散长度基本上等于所述层的厚度，其中所述脉冲宽度优选 地选择为处在约50psec至约lOOnsec的范围内、更优选地处在约lnsec至约50nsec的范围 内。
[0118] 条款5:如前述条款中任一项所述的测量装置，其中所述脉冲与所述脉冲在所述层 内的吸收相关联，所述吸收基本上大于所述脉冲在与所述层机械接触的衬底内的吸收，其 中所述层设置在所述衬底与所述气体介质之间。
[0119] 条款6:如前述条款中任一项所述的测量装置，其中所述检测器包括:换能器，所述 换能器适于具有大于所述检测器附近的噪声环境的频率范围的频率响应，并且产生所述第 一信号。
[0120] 条款7:如前述条款中任一项所述的测量装置，其中所述检测器包括:声耦合器，所 述声耦合器适于将所述声信号的一部分引导至所述检测器。
[0121] 条款8:如前述条款中任一项所述的测量装置，其中所述光源进一步可操作来产生 多个脉冲，每个脉冲具有被选择来与所述层的多个不同的相关联的成分相互作用的不同的 相关联的特征，所述测量装置包括多个不同的检测器，每个检测器与所述多个脉冲中的不 同的一个相关联。
[0122] 条款9:如前述条款中任一项所述的测量装置，其还包括信号处理器，所述信号处 理器适于：改进所述第一信号的信噪比以形成第二信号；计算所述检测器与产生所述热波 的所述气体介质的区域之间的距离;根据所述距离来对所述第二信号进行补偿，以产生基 本上独立于所述距离的波动的第三信号；以及根据所述第三信号的振幅和预定查找表来响 应于所述膜的组成和厚度确定测量值。
[0123] 条款10:如前述条款中任一项所述的测量装置，其中所述信号处理器进一步适于： 计算所述检测器与产生所述热波的所述气体介质的区域之间的距离；以及根据所述声信号 在所述气体介质中的速度乘以所述声信号的飞行时间来计算所述距离。
[0124] 条款11: 一种用于对层进行非机械接触式测量的方法，所述方法包括:产生适于与 所述层相互作用的脉冲以在邻近所述层存在的气体介质中产生热波，从而导致产生声信 号；以及在未机械接触所述层的情况下响应于所述声信号检测第一信号，其中所述第一信 号表示所述测量的层。
[0125] 条款12:如条款11所述的方法，其中所述脉冲与所述层相互作用，而不会永久地改 变所述层。
[0126] 条款13:如条款11或条款12所述的方法，其中所述脉冲的波长与所述脉冲在所述 层中的穿透深度相关联，所述穿透深度大于所述层的厚度。
[0127] 条款14:如条款11至13中任一项所述的方法，其中所述脉冲的时域宽度与所述层 的热扩散长度相关联，所述热扩散长度基本上等于所述层的厚度。
[0128] 条款15:如条款11至14中任一项所述的方法，其中所述脉冲与所述脉冲在所述层 内的吸收相关联，所述吸收基本上大于所述脉冲在与所述层机械接触的衬底内的吸收，其 中所述层设置在所述衬底与所述气体介质之间。
[0129] 条款16:如条款11至15中任一项所述的方法，其还包括:使用具有大于所述检测器 附近的噪声环境的频率范围的频率响应的换能器来产生所述第一信号。
[0130] 条款17:如条款11至16中任一项所述的方法，其还包括:将所述声信号的一部分引 导至检测器。
[0131] 条款18:如条款11至17中任一项所述的方法，其还包括:产生多个脉冲，每个脉冲 具有被选择来与所述层的多个不同的相关联的成分相互作用的不同的相关联的特征；以及 使用多个不同的检测器，每个检测器与所述多个脉冲中的不同的一个相关联。
[0132] 条款19:如条款11至18中任一项所述的方法，其还包括:改进所述第一信号的信噪 比以形成第二信号；计算检测器与产生所述热波的所述气体介质的区域之间的距离;根据 所述距离来对所述第二信号进行补偿，以产生基本上独立于所述距离的波动的第三信号； 以及根据所述第三信号的振幅和预定查找表来响应于所述膜的组成和厚度确定测量值。
[0133] 条款20:如条款11至19中任一项所述的方法，其还包括:计算检测器与产生所述热 波的所述气体介质的区域之间的距离；以及根据所述声信号在所述气体介质中的速度乘以 所述声信号的飞行时间来计算所述距离。
【主权项】
1. 一种用于对层进行非机械接触式测量的测量装置，所述测量装置包括： 光源，所述光源可操作来产生适于与所述层相互作用的脉冲以便于在邻近所述层存在 的气体介质中产生热波，所述热波导致产生声信号；以及 检测器，所述检测器适于响应于所述声信号检测第一信号，所述检测器不与所述层机 械接触，其中所述第一信号表示所述测量的层。2. 如权利要求1所述的测量装置，其中所述脉冲适于与所述层相互作用，而不会永久地 改变所述层。3. 如权利要求1或权利要求2所述的测量装置，其中所述脉冲的波长与所述脉冲在所述 层中的穿透深度相关联，所述穿透深度大于所述层的厚度，其中所述波长优选地选择为处 在约150至约500纳米的范围内、更优选地处在约180至约350纳米的范围内、最优选地为约 213纳米。4. 如前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中所述脉冲的时域宽度与所述层的热 扩散长度相关联，所述热扩散长度基本上等于所述层的厚度，其中所述脉冲宽度优选地选 择为处在约50psec至约lOOnsec的范围内、更优选地处在约lnsec至约50nsec的范围内。5. 如前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中所述脉冲与所述脉冲在所述层内的 吸收相关联，所述吸收基本上大于所述脉冲在与所述层机械接触的衬底内的吸收，其中所 述层设置在所述衬底与所述气体介质之间。6. 如前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中所述检测器包括： 换能器，所述换能器适于具有大于所述检测器附近的噪声环境的频率范围的频率响 应，并且产生所述第一信号。7. 如前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中所述检测器包括： 声耦合器，所述声耦合器适于将所述声信号的一部分引导至所述检测器。8. 如前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中所述光源进一步可操作来产生多个 脉冲，每个脉冲具有被选择来与所述层的多个不同的相关联的成分相互作用的不同的相关 联的特征，所述测量装置包括多个不同的检测器，每个检测器与所述多个脉冲中的不同的 一个相关联。9. 如前述权利要求中任一项所述的测量装置，其还包括信号处理器，所述信号处理器 适于： 改进所述第一信号的信噪比以形成第二信号； 计算所述检测器与产生所述热波的所述气体介质的区域之间的距离； 根据所述距离来对所述第二信号进行补偿，以产生基本上独立于所述距离的波动的第 二?目号；以及 根据所述第三信号的振幅和预定查找表来响应于所述膜的组成和厚度确定测量值。10. 如前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中所述信号处理器进一步适于： 计算所述检测器与产生所述热波的所述气体介质的区域之间的距离；以及 根据所述声信号在所述气体介质中的速度乘以所述声信号的飞行时间来计算所述距 离。11. 一种用于对层进行非机械接触式测量的方法，所述方法包括： 产生适于与所述层相互作用的脉冲以在邻近所述层存在的气体介质中产生热波，从而 导致产生声信号；以及 在未机械接触所述层的情况下响应于所述声信号检测第一信号，其中所述第一信号表 示所述测量的层。12. 如权利要求11所述的方法，其中所述脉冲与所述层相互作用，而不会永久地改变所 述层。13. 如权利要求11或权利要求12所述的方法，其中所述脉冲的波长与所述脉冲在所述 层中的穿透深度相关联，所述穿透深度大于所述层的厚度。14. 如权利要求11至13中任一项所述的方法，其中所述脉冲的时域宽度与所述层的热 扩散长度相关联，所述热扩散长度基本上等于所述层的厚度。15. 如权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述脉冲与所述脉冲在所述层内的 吸收相关联，所述吸收基本上大于所述脉冲在与所述层机械接触的衬底内的吸收，其中所 述层设置在所述衬底与所述气体介质之间。16. 如权利要求11至15中任一项所述的方法，其还包括： 使用具有大于所述检测器附近的噪声环境的频率范围的频率响应的换能器来产生所 述第一信号。17. 如权利要求11至16中任一项所述的方法，其还包括： 将所述声信号的一部分引导至检测器。18. 如权利要求11至17中任一项所述的方法，其还包括： 产生多个脉冲，每个脉冲具有被选择来与所述层的多个不同的相关联的成分相互作用 的不同的相关联的特征；以及 使用多个不同的检测器，每个检测器与所述多个脉冲中的不同的一个相关联。19. 如权利要求11至18中任一项所述的方法，其还包括： 改进所述第一信号的信噪比以形成第二信号； 计算检测器与产生所述热波的所述气体介质的区域之间的距离； 根据所述距离来对所述第二信号进行补偿，以产生基本上独立于所述距离的波动的第 二?目号；以及 根据所述第三信号的振幅和预定查找表来响应于所述膜的组成和厚度确定测量值。20. 如权利要求11至19中任一项所述的方法，其还包括： 计算检测器与产生所述热波的所述气体介质的区域之间的距离；以及 根据所述声信号在所述气体介质中的速度乘以所述声信号的飞行时间来计算所述距 离。
【文档编号】G01B17/02GK106030242SQ201580008962
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年2月16日
【发明人】H.普林斯霍尔恩, S.埃尔德曼, T.乌特克, A.鲍尔, B.阿贝尔, A.查瓦特
【申请人】诺维尔里斯公司