[发明专利]一种激光无损表征薄膜杨氏模量的优化方法

说明书

本发明涉及一种表征薄膜杨氏模量的优化方法，包括：计算出残余应力对薄膜杨氏模量测量的影响小于5％的范围，作为理想模型的适用范围；采用薄膜/衬底结构的样片，控制激光器发射出一定频率和能量的短脉冲激光束，样片表面通过热弹效应产生超声表面波；得到实验频散曲线；将薄膜的厚度和残余应力值与理想模型的适用范围进行对照；若残余应力对薄膜杨氏模量测量的影响小于5％，将样片的薄膜和衬底的密度、杨氏模量、泊松比、厚度在内的其他参数代入MATLAB理想理论模型中，然后通过改变杨氏模量的值来找出与实验频散曲线最相近的理论频散曲线的杨氏模量的值。

技术领域

本发明属于超声表面波无损检测领域，涉及一种薄膜杨氏模量表征的优化方法。

背景技术

在薄膜的生产、制备过程中，薄膜中将不可避免地引入残余应力。薄膜中的残余应力根据作用形式一般可分为拉应力和压应力两种。残余应力不仅影响薄膜本身的特性，还会严重影响薄膜结构器件的质量和性能。超声表面波方法测量薄膜杨氏模量依据的原理是：超声表面波在薄膜/基底的分层结构中传播时是色散的，表面波波速除了与频率有关，还与薄膜的厚度、密度、弹性常数、残余应力以及基底材料的密度、弹性常数有关。通过改变程序中的杨氏模量值，进而得到一系列理论频散曲线，将理论频散曲线与实验频散曲线进行匹配，最后利用最小二乘法逼近求得所测薄膜的杨氏模量。在之前研究中，通常采用理想模型来获得理论频散曲线，在理想模型中，利用薄膜的二阶弹性常数，从波动方程出发，通过格林函数和矩阵法求解声表面波在薄膜中传播的理论频散曲线，而未考虑到残余应力对理论频散曲线的影响。本发明基于声弹性理论，引入包含残余应力的等效弹性常数替代理想模型中的二阶弹性常数，建立考虑残余应力影响的残余应力模型，研究不同残余应力作用下的理论频散曲线变化规律，以及残余应力对薄膜杨氏模量测量的影响，提出一种计算理想模型适用范围的计算方法，在该范围内残余应力对薄膜杨氏模量测量的影响小于5％，可忽略不计，进而提供一种声表面波表征薄膜杨氏模量的优化方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速、无损检测薄膜杨氏模量的优化方法，考虑残余应力的影响，有效的对薄膜杨氏模量进行定量表征，技术方案如下：

一种表征薄膜杨氏模量的优化方法，包括下列步骤：

(1)通过引入等效弹性常数建立包含残余应力的声表面波模型，通过格林函数和矩阵法计算出声表面波在分层结构中传播的理论频散曲线，引入误差判据“ΔE/E”描述残余应力对杨氏模量测量的影响，其中ΔE是同一理论频散曲线在理想模型中与在残余应力模型中所代表的杨氏模量的差值，计算出残余应力对薄膜杨氏模量测量的影响小于5％的范围，作为理想模型的适用范围。

(2)采用薄膜/衬底结构的样片，控制激光器发射出一定频率和能量的短脉冲激光束，经过光学调整系统最终在样片表面汇聚成线性激光束，样片表面通过热弹效应产生超声表面波；

(3)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，经高倍宽频电压放大器放大后显示到数字示波器中；

(4)对采集到的离散时域电压信号进行包括傅立叶变换在内的数学处理，从而得到实验频散曲线；

(5)将薄膜的厚度和残余应力值与理想模型的适用范围进行对照；

(6)若残余应力对薄膜杨氏模量测量的影响小于5％，将样片的薄膜和衬底的密度、杨氏模量、泊松比、厚度在内的其他参数代入MATLAB理想理论模型中，然后通过改变杨氏模量的值来找出与实验频散曲线最相近的理论频散曲线的杨氏模量的值。

(7)若残余应力对薄膜杨氏模量测量的影响大于5％，将样片的薄膜和衬底的密度、杨氏模量、泊松比、厚度、残余应力在内的其他参数代入包含残余应力的MATLAB理论模型中，然后通过改变杨氏模量的值来找出与实验频散曲线最相近的理论频散曲线的杨氏模量值。

附图说明

图1超声表面波在薄膜/基底结构中传播示意图