一种声表面波无损检测系统技术方案

本发明专利技术涉及一种声表面波无损检测系统，用以测量测试样片的薄膜特性，包括波形发生器、多个声表面波叉指换能器、压电传感器和计算机。由多个声表面波叉指换能器构成可生成不同频率声表面波的声表面波叉指换能器组，一个声表面波叉指换能器包括一个叉指电极，用以在待测样片上产生单频声表面波；压电传感器用以在待测样片上拾取声表面波的信号，通过对采集到的信号进行处理，从而获得相应频率下声表面波的波速，更换可产生不同频率的声表面波叉指换能器，即可获得该待测样片的声表面波频散曲线，通过将实验频散曲线和理论频散曲线进行匹配即可完成对薄膜特性的无损检测。

A Nondestructive Testing System for Surface Acoustic Wave

【技术实现步骤摘要】
一种声表面波无损检测系统
本专利技术属于声表面波无损检测设备领域，涉及到一种利用小型化的无损测量设备测量薄膜特性的方法。
技术介绍
随着low-k材料在现代集成电路研究和工业中的应用越来越广泛，关于无损检测薄膜特性的技术也越来越重要。超声表面波技术是可用于low-k材料薄膜特性检测的一种新型检测手段，由于其无损性、测量结果的准确性、检测过程快速简单、可实现在线检测等优势，使其具有良好的工程应用前景和深远的研究意义，目前已经成为low-k材料特性无损检测的重要手段。以往激光激发超声表面波测量系统需要激光器，光路调节系统，精密控制台等多组件，存在不便携，大系统，造价高等不利于声表面波无损检测技术设备化的劣势。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可以实现小型化手持便携型测量薄膜特性的无损检测系统，技术方案如下：一种声表面波无损检测系统，用以测量测试样片的薄膜特性，包括波形发生器、多个声表面波叉指换能器、压电传感器和计算机，其特征在于，由多个声表面波叉指换能器构成可生成不同频率声表面波的声表面波叉指换能器组，一个声表面波叉指换能器包括一个叉指电极，用以在待测样片上产生单频声表面波；压电传感器用以在待测样片上拾取声表面波的信号，通过对采集到的信号进行处理，从而获得相应频率下声表面波的波速，更换可产生不同频率的声表面波叉指换能器，即可获得该待测样片的声表面波频散曲线，通过将实验频散曲线和理论频散曲线进行匹配即可完成对薄膜特性的无损检测。优选地，所述的声表面波叉指换能器组包括30个器件，压电基底材料均为铌酸锂，即叉指间距为指条宽度的2倍，30个SAW-IDT的指条宽度分别为：100.0μm，50.0μm，33.3μm，25.0μm，20.0μm，16.7μm，14.3μm，12.5μm，11.1μm，10.0μm，9.09μm，8.33μm，7.69μm，7.14μm，6.67μm，6.25μm，5.88μm，5.56μm，5.26μm，5.00μm，4.76μm，4.55μm，4.35μm，4.17μm，4.00μm，3.85μm，3.70μm，3.57μm，3.45μm，3.33μm，这30个器件所激发出的声表面波的频率分别为10MHz，20MHz，30MHz，……300MHz。所述的压电传感器为可移动双探头压电传感器，包括金属外壳、前压电探头、后压电探头。其特征在于，在金属外壳的底部开设有两个平行的通孔，前压电探头和后压电探头的劈尖从平行通孔伸出，在金属外壳的顶部开设有与两个平行通孔相对应的小孔，两个压电探头的上部分别与一个管柱固定连接，与压电探头相连的导线从管柱导出金属外壳，后压电探头的周围填充有绝缘材料，前压电探头置于金属外壳内部未填充绝缘材料的局部空腔内，局部空腔的存在使得前压电探头可以上下移动。该小型化设备较以往的激光激发超声表面波无损检测系统来说具有以下优点：造价低；小型化；操作简便；可测量的频域范围更宽。附图说明图1均匀叉指电极结构示意图图2利用声表面波叉指换能器(SAW-IDT)在待测样片中激发出声表面波信号图3小型化声表面波无损检测设备示意图图4单探头采集声表面波信号用于声表面波波速计算时的示意图图5用于采集声表面波信号的可移动双探头压电传感器的结构示意图图6用于采集声表面波信号的可移动双探头压电传感器的底面结构示意图具体实施方式本专利技术提供了一种可实现小型化设备化的声表面波无损检测系统的方案。该系统利用可产生声表面波的叉指电极(SAW-IDT)结构来产生声表面波，代替了以往的激光器，通过将声表面波叉指换能器(SAW-IDT)里溅射了叉指电极的一面放在待测样片上从而使得声表面波从声表面波叉指换能器(SAW-IDT)器件中传播到待测样片中，在待测样片中产生单频声表面波。利用压电探头可在待测样片上拾取声表面波的信号通过对采集到的信号进行处理，从而获得该频率下声表面波的波速。更换可产生不同频率的声表面波叉指换能器(SAW-IDT)器件，重复上述步骤，即可获得该待测样片的声表面波频散曲线，通过将实验频散曲线和理论频散曲线进行匹配即可利用声表面波技术完成对薄膜特性的无损检测。本专利技术的技术方案如下：(1)在声表面波叉指电极的两端加上利用任意波形发生器产生的交变电信号，从而在声表面波叉指换能器(SAW-IDT)器件中产生单一频率f的声表面波，该频率f是一个由叉指电极结构确定出的量，对于如图1所示的均匀叉指电极，其产生的声表面波的频率f＝v/2p，其中v为声表面波在声表面波叉指换能器(SAW-IDT)的压电基底中传播的速度，p为叉指间距，对于均匀声表面波叉指换能器来说，叉指间距p为叉指电极指条宽度a的两倍；(2)将声表面波叉指换能器(SAW-IDT)器件溅射了叉指电极的一端与待测样片的表面处相接触，如图2所示，以在待测样片中激发出与声表面波叉指换能器器件激发出的同频率的声表面波信号；(3)利用压电探头在距离声表面波叉指换能器(SAW-IDT)器件与测试样片接触端一定距离的两个平行位置处，即x1和x2处，采集声表面波的时域信号，由示波器完成信号的存储，通过对采集到的信号进行快速傅里叶变换，获得其频域信号获取两信号的相频特性Φ1(f)、Φ2(f)，并通过下式计算获得该频率的声表面波在待测样片中传播的波速。整个测试系统图如图3所示，可以用计算机代替示波器，对所采集的信号进行处理。(4)更换不同结构的声表面波叉指换能器(SAW-IDT)器件，共有30个结构的叉指换能器器件，均为均匀叉指结构，即叉指间距为指条宽度的2倍，30个器件的指条宽度分别为：100.0μm，50.0μm，33.3μm，25.0μm，20.0μm，16.7μm，14.3μm，12.5μm，11.1μm，10.0μm，9.09μm，8.33μm，7.69μm，7.14μm，6.67μm，6.25μm，5.88μm，5.56μm，5.26μm，5.00μm，4.76μm，4.55μm，4.35μm，4.17μm，4.00μm，3.85μm，3.70μm，3.57μm，3.45μm，3.33μm。分别激发出频率为10MHz，20MHz，30MHz，……300MHz的声表面波，并重复步骤1-3获得不同频率下声表面波在待测样片中的波束，从而获得频率范围为10MHz-300MHz的待测样片的声表面波频散曲线；(5)将获得的待测样片的声表面波频散曲线与计算出的声表面波理论频散曲线想匹配获得样片待测的机械特性或界面特性的值。本专利技术利用不同结构的声表面波叉指换能器(SAW-IDT)器件激发出不同频率的单频声表面波，并通过将声表面波叉指换能器器件中溅射叉指电极的一面放在测试样片的表面之上在测试样片中激发出与声表面波叉指换能器(SAW-IDT)频率相同的单频声表面波，通过压电探头探测声表面波的信号，并对时域信号进行相应的处理，以获得该频率的声表面波在待测样片中的波速，通过相同的测试方法获得频率在10MHz-300MHz的声表面波在待测样片中传播的波速即可获得该待测样片的声表面波频散曲线，通过将其和计算所得的声表面波理论频散曲线进行匹配则可利用声表面波技术完成对薄膜特性的无损检测。下面具体的以一种实施例进行说明本专利技术的技术方案：本例是采用该小型化设备测量1000nm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种声表面波无损检测系统，用以测量测试样片的薄膜特性，包括波形发生器、多个声表面波叉指换能器、压电传感器和计算机。其特征在于，由多个声表面波叉指换能器构成可生成不同频率声表面波的声表面波叉指换能器组，一个声表面波叉指换能器包括一个叉指电极，用以在待测样片上产生单频声表面波；压电传感器用以在待测样片上拾取声表面波的信号，通过对采集到的信号进行处理，从而获得相应频率下声表面波的波速，更换可产生不同频率的声表面波叉指换能器，即可获得该待测样片的声表面波频散曲线，通过将实验频散曲线和理论频散曲线进行匹配即可完成对薄膜特性的无损检测。

【技术特征摘要】
1.一种声表面波无损检测系统，用以测量测试样片的薄膜特性，包括波形发生器、多个声表面波叉指换能器、压电传感器和计算机。其特征在于，由多个声表面波叉指换能器构成可生成不同频率声表面波的声表面波叉指换能器组，一个声表面波叉指换能器包括一个叉指电极，用以在待测样片上产生单频声表面波；压电传感器用以在待测样片上拾取声表面波的信号，通过对采集到的信号进行处理，从而获得相应频率下声表面波的波速，更换可产生不同频率的声表面波叉指换能器，即可获得该待测样片的声表面波频散曲线，通过将实验频散曲线和理论频散曲线进行匹配即可完成对薄膜特性的无损检测。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的声表面波叉指换能器组包括30个器件，压电基底材料均为铌酸锂，即叉指间距为指条宽度的2倍，30个SAW-IDT的指条宽度分别为：100.0μm，50.0μm，33.3μm，25.0μm，20.0μm，16.7μm，14.3μm，12.5μm，11.1μm，10.0μm，...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖夏，戚海洋，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12