检验铌酸锂或钽酸锂单晶质量的方法技术

一种检验铌酸锂或钽酸锂单晶质量的方法，其特征是采用超声脉冲回波测试技术，通过插入损耗检测法，声衰减检测法，回波图形畸变检测法这三种方法来检验晶锭的任意区域的质量，以及通过扫描方法检验晶锭整体质量的均匀性。适用于晶体质量检验；晶体生长工艺，晶体极化工艺的研究。（*该技术在2007年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术是一种。它采用超声波脉冲回波测试技术来检验铌酸锂或钽酸锂单晶的质量。目前已有多种检验铌酸锂或钽酸锂晶体质量的方法1、X光形貌术;2、腐蚀法;3、光学方法;4、声学方法等，然而，这几种方法尚有不足，表现为X光形貌术，测试费用高，耗时长，不适合于大规模生产线检测中使用。腐蚀法，是一种破坏性的检测手段，且每次检测只能检测一个平面，难以判断整个晶锭的质量。另外，腐蚀法使用硝酸、氢氟酸等化学试剂，不利于操作人员的健康。光学方法在检测激光器件的晶体质量上，一些对声传播有强烈影响的缺陷(如铁电反相畴)不易检测出来。此外，和X光形貌术，腐蚀法一样，许多光学方法只能探测一个平面，或一片薄晶片，这大大增加了检测的工作量。用传输线技术检测共振频率的传统的声学方法来测定晶体的弹性常数、压电常数、电介常数，对晶体存在的缺陷不敏感。日本专利昭和58-172545提供了一种用声速测定技术检测声表面波器件用晶体单畴化程度的检测方法。这种方法仍有一些不足1、声速对晶体存在的缺陷不敏感，极化和未极化晶体的声速差别仅1%数量级。2、由于晶体存在的缺陷造成声速的变化可正可负，其效果有时会互相抵消。因此，用声速来测定晶体质量不可靠。3、操作方法不简便。本专利技术的目的在于提供一种测试方便，实用、灵敏度高、准确又可靠的检验铌酸锂或钽酸锂晶体质量的方法，用来检验晶体中存在的缺陷和晶锭整体的均匀性。图1 测试系统框图。其中，射频功率脉冲讯号发生器(1)，选用300MHZ与700MHZ或其它频率的超声波，最大脉冲输出功率为1KW，脉冲延续时间一般为1μs，接收放大器(2)，显示示波器(3)，指数曲线发生器(4)，自动衰减记录装置(5)，图像记录装置(6)，试件测试腔体(声测腔)(7)。图2-1、2-2，声测腔构造图。本专利技术中采用声表面激发技术，不使用粘接的压电换能器而用交变电磁场在压电晶体表面直接激发和接收脉冲声波。图2-1，图2-2中提供了二种简便的测试台构造图。在图2-1中，带弹簧装置的探极(9)，50Ω同轴电缆(10)，BNC插口(11);带中心孔的金属平板(12)，探极从中心孔内伸出，金属平板与地电极接通，支架(13)，聚脂薄膜(14)。测试时只需将试件放在平台上，压在电极上就可进行测试，使用方便。在图2-2中，同轴电缆(16)与探极(15)连接，探极(15)固定不动，试件(18)安装在平移台(17)上。平移台(17)由二个步进马达驱动，使探极(15)沿试件(18)表面作二维扫描。步进马达的动作由一台微机控制，接收的声讯号以及探极位置讯号同步输入微机，从而可以自动描绘晶体声学性能的二维图案。试样的制备和声模式的选择有多种声学模式可以选择作晶体质量检验用。其中沿结晶学X轴传播之FS波是最适用的模式之一;沿晶锭生长轴传播的纵波是另一种常用的模式。图3 样品制备示意图。垂直于声波传播方向的一对界面(19)需要进行光学抛光，抛光要求根据测试要求决定。精确测定声衰减值时，一般要求这一对平面抛光到平面度优于λ/2(λ为绿光波长)、平行度优于10弧秒;仅仅测量插入损耗时，抛光要求可以降低。测试时，射频功率脉冲讯号发生器输出的电脉冲，通过声测腔的探极在晶体表面激发起脉冲声波，声脉冲在试样内传播，达相对界面后反射，反射的脉冲声讯号返回探极处时，在晶体界面上激发起脉冲的电磁场，这一回波电讯号被探极接收，声脉冲在试样内往返传播形成一系列的回波讯号，经接收放大器放大后由示波器、衰减记录仪等装置将诸次回波讯号顺序显示记录下来，即可获得回波图案及声衰减值，插入损耗等所需要的数据。当试件为均匀晶体时，声波在传播过程中均匀衰减，所显示的脉冲回波列按指数律均匀衰减，而当试件中存在缺陷时，结果表现为1、第一回脉冲讯号幅值的减少，即插入损耗增加;2、声传播衰减的增加;3、回波图案的畸变，即相继的回波不按指数律均匀衰减，其包络线被周期性地调制，或呈现无规则地变化。由此，构成本专利技术的方法有1、插入损耗测试方法即将测试晶体插损与标准插损进行比较的方法。标准插损值由理论计算或测量标准晶体样品得到。若采用标准晶体样品，则要求标准晶体样品与试件属同种晶体，具有同种切割面和相同几何尺寸。在测试中，将其第一回波幅值进行比较，这种方法由于只测第一个回波，因而对表面加工要求较低。对于存在严重缺陷的劣质晶体，由于其声传播损耗增加或探头处晶体表面相应的机电耦合系数减小，使第一回波讯号幅值明显减小。实际测试表明劣质晶体的插损值可以高达十几分贝到几十分贝。因此，使用这一方法可简单方便地筛选出具有严重缺陷的劣质晶体。2、声衰减测定法对于体内仅存有一些对声传播起较小影响的缺陷的晶体，插入损耗方法失效。在测试中，其脉冲回波图案上相继的回波讯号仍保持或近似按指数率衰减，但其衰减值大于标准衰减值。被测试件的衰减值可由指数曲线发生器读出亦可选定任意二个脉冲回波，用幅值比较方法读出。标准晶体试件的衰减测定法同上，各种模式的标准衰减值也可由理论计算及查表获得。声衰减测定法对晶体的加工有一定要求，具体要求可由选定的检测模式，测试用的频率等因素来确定，一般要求抛光平整度优于λ/2(λ为绿光波长)，两端面间平行度要求优于10弧秒。3、回波图案畸变检测法对质量介于上述二种情况之间的晶体，一方面晶体内没有严重缺陷，插入损耗增加不易检测，另一方面晶体质量又非十分优良。测试结果表现为回波列不是有规律地按指数律衰减，而是回波列图案呈现畸变。通常回波图案的畸变常被认为仅是由试件端面平行度不足引起的，而本专利技术的研究工作表明，晶体声学性能的非均匀性同样能引起回波图案的畸变，而且对常遇的情况，回波图案畸变常常主要是由于晶体声学性能不均匀引起的。试件端面不平行引起的回波图案畸变现象一般对频率变化很敏感，而对探头位置变化不敏感，而晶体声性能不均匀性引起回波图案畸变则正相反，对频率变化不敏感而对探头位置的移动很敏感。我们不难把这二种效应区分开来。因此，回波图案的畸变也可以作为检测晶体质量的一种手段。通常，声延迟线所用晶体要求声速不均匀性不超过3×10-4，谐振器所用晶体要求声速不均匀性不超过1×10-4，而测试表明，1×10-5数量级的不均匀性，就能产生回波图案的强烈畸变。因此，回波图案畸变观察法是检验不均匀的一种很灵敏的测试方法。以上三种方法都是探测超声声束所在处晶体的局部性能，声束的直径随改变探头直径而改变，一般选用2-3毫米直径的探头。探头装有弹性接触装置，可以方便地沿被探测的晶体平面作二维移动，从而获得声性能的二维分布图，借助微机，可以得到插入损耗增加的分布图，声衰减的分布图，或由于回波图案畸变引起的表观声衰减二维分布图。这些声性能分布图直观地显视晶锭声性能的空间不均匀性，可用来选择声性能均匀的晶体供大尺寸器件制作用，也可以用来研究晶体的生长工艺和极化工艺。本专利技术的优点在于1、采用声表面激发技术常用的粘接压电换能器的方法，由于粘接剂引起的附加衰减常远大于材料本身的衰减，从而使鉴定晶体质量发生困难。使用声表面激发技术避免了这一困难，而且具有频域宽、探头移动方便，还可实现二维扫描。2、灵敏由于质量很差的晶体的回波图案与标准晶体的回波图案差别悬殊，因此，具有严重缺陷的晶体和单畴化不完全的晶体很容易被检测出来。对于质量良好的晶体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种检验铌酸锂或钽酸锂质量的方法，其特征是采用超声波脉冲回波技术，声表面激发技术，通过插入损耗检测法，声衰减检测法，回波图形畸变检测法来检测铌酸锂或钽酸锂晶体的质量及其它压电晶体质量的方法。

【技术特征摘要】
一种检验铌酸锂或钽酸锂质量的方法，其特征是采用超声波脉冲回波技术，声表面激发技术，通过插入损耗...

【专利技术属性】
技术研发人员：李杰，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]