用于对薄层进行非接触式测量的光声装置和方法制造方法及图纸

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请根据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。专利
本专利技术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。
技术介绍
术语薄膜或薄层指代处于微米(μm)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。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。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。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。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。专利技术概要根据本专利技术的一个实施方案，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。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。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1nsec至约50nsec的范围内。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。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。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。根据一个实施方案，检测器包括声耦合器，所述声耦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。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。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。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。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。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。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。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。根据本专利技术的一个实施方案，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。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，所述方法还包本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.18 US 61/941,4041.一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100nsec的范围内、更优选地处在约1nsec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三信号；以及根据所述第三信号的振幅和预...

【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：诺维尔里斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US