[发明专利]一种应用超声表面波无损检测薄膜厚度的方法

说明书

本发明涉及一种应用超声表面波无损检测薄膜厚度的方法，包括：根据样片薄膜与基底的材料参数，计算其理论频散曲线；利用激光激发超声表面波系统对样片进行检测，在距离激发源一定距离的两个位置处通过压电探测器探测表面波信号；计算出其幅度特性和相位特性，求解出声表面波的相速度，获得表面波的实验频散曲线；进行一次多项式拟合；选择理论频散曲线上的一个数据点，将该数据点的波速值v带入到拟合曲线计算其对应的频率值；通过比较理论频散曲线中的频率膜厚积与拟合曲线中的频率即可求出样片的厚度。本发明可以提高表面波波速测量的准确性。

技术领域

本发明属于无损检测和超声表面波技术领域。

背景技术

薄膜材料广泛应用于能源、光学、机械、航空、航天、核工业等各个领域，其发展和进程直接关系到信息技术、微电子技术、计算机科学等领域的进程和发展。在薄膜的生产制备过程中，薄膜厚度不仅仅是体现薄膜尺寸主要参数，它更是影响到薄膜的功能和寿命。因此，薄膜厚度是评估薄膜质量的重要参数之一。对于薄膜厚度的测量，传统的机械方法对薄膜具有破坏性，并不适用于当今薄膜生产的要求。而表面波技术具有无损、快速、实验易操作的特点，可应用于薄膜研究和制备过程的厚度在线检测。表面波技术依据原理是表面波在分层结构中的频散现象(不同频率的表面波的传播速度不同)。表面波在分层机构中的频散曲线v(f)与薄膜的杨氏模量、厚度、密度和泊松比相关，将参数带入MATLAB程序中可计算出相应的理论频散曲线v(f)。对于待测未知参数膜厚，通过设定不同的膜厚值计算大量理论频散曲线v(f)与实验频散曲线v(f)匹配，从中选择匹配度最高的理论频散曲线v(f)所对应的膜厚值即为最终测量结果。目前这一匹配算法不可避免的需要计算大量理论频散曲线v(f)，匹配时需要占用一定的计算量和时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种膜厚计算的优化算法，仅由一条理论频散曲线即可获得厚度参数，避免计算大量理论频散曲线与实验曲线进行匹配的过程。本发明的技术方案如下：

一种应用超声表面波无损检测薄膜厚度的方法，包括下列步骤：

(1)根据样片薄膜与基底的材料参数，计算其理论频散曲线v(fh)。

(2)利用激光激发超声表面波系统对样片进行检测，在距离激发源一定距离的两个位置处通过压电探测器探测表面波信号；

(3)对探测到的表面波信号进行傅里叶快速变换，计算出其幅度特性和相位特性，求解出声表面波的相速度，获得表面波的实验频散曲线v(f)；

(4)该实验频散曲线v(f)进行一次多项式拟合得到拟合曲线；

(5)选择理论频散曲线v(fh)上的一个数据点(fh_theoty,v)，将该数据点的波速值v带入到步骤(4)得到的拟合曲线计算其对应的频率值f_fit；

(6)通过比较理论频散曲线v(fh)中的频率膜厚积fh_theoty与拟合曲线中的频率f_fit即可求出该样片的厚度h。

附图说明

图1理论频散曲线v(f)与理论频散曲线v(fh)关系图。

图2SiO₂样片的理论频散曲线v(fh)。

图3SiO₂样片的实验频散曲线及其一次拟合曲线。

具体实施方式