專利名稱：一種用于薄膜楊氏模量測量的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及利用激光超聲技術(shù)測量薄膜的楊氏模量領(lǐng)域，尤其涉及一種用于薄膜楊氏模量測量的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，激光超聲技術(shù)在薄膜楊氏模量等機(jī)械特性測量方面得到了廣泛關(guān)注，在激光超聲系統(tǒng)中，聲表面波探測技術(shù)層出不窮。目前的技術(shù)中，基于PVDF (聚偏氟乙烯)薄膜的壓電激光聲表面波檢測技術(shù)是廣為采用的技術(shù)，PVDF壓電薄膜聲阻抗匹配特性好，響應(yīng)帶寬大，力電轉(zhuǎn)換靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，使得基于PVDF薄膜的壓電激光聲表面波檢測系統(tǒng)具有遠(yuǎn)高于一般光學(xué)檢測系統(tǒng)的測量帶寬(高達(dá)120MHz)，且具有優(yōu)異的測量穩(wěn)定性(測量不確定度誤差在±1%)?；诠馄D(zhuǎn)敏感檢測的差分共焦激光聲表面波檢測技術(shù)是光學(xué)非接觸式聲表面波檢測中較快速、準(zhǔn)確和精確度較高的測量技術(shù)，在該技術(shù)中光偏轉(zhuǎn)靈敏度檢測保證了系統(tǒng)具有高靈敏度及快速響應(yīng)的能力；測量帶寬被拓展到300MHz，提高了系統(tǒng)對高頻聲表面波信號的分辨能力；采用差分式的信號取樣，消除了探測器光功率波動、環(huán)境空氣對流及電子噪聲等共模干擾，提高了系統(tǒng)的信噪比；而且，該技術(shù)為無損傷、非接觸式測量，特別適用于集成電路等要求的超凈測試環(huán)境。以上所述的兩種聲表面波檢測技術(shù)，雖然在薄膜楊氏模量測量方面，具有優(yōu)異于其他檢測技術(shù)的特性，但是在某些特殊樣品，特殊場景測試方面各有不足之處。例如基于PVDF壓電薄膜LSAW定位的壓電探測裝置(公開號CN102252967A，
公開日2011年11月23日)中公布的四象限聲表面波檢測，雖然它在某種程度上提高了測量精度，但是它依舊是接觸式檢測，不能用于測量材質(zhì)軟、孔隙率高的樣品，且很難適用于集成電路中要求的超凈環(huán)境；基于Sagnac干涉儀的LSAW定位測量系統(tǒng)(公開號CN102221397A，
公開日2011年10月19日)中公布的先定位后檢測的方法，雖然能夠在時(shí)間上精確定位聲表面波的位置，從而進(jìn)行更高精度的測量，但是它始終是基于光學(xué)的非接觸式測量，不能用于測量反射系數(shù)低、透明度高的樣品，且容易受到環(huán)境中噪聲等干擾的影響。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供了一種用于薄膜楊氏模量測量的系統(tǒng)，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了在不同場景下對不同樣品的測量，實(shí)現(xiàn)了交叉驗(yàn)證，避免了噪聲的影響，詳見下文描述—種用于薄膜楊氏模量測量的系統(tǒng)，包括脈沖激光器，所述脈沖激光器發(fā)射脈沖激光經(jīng)第一擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束后，被3:7分光鏡分成7/10脈沖激光和3/10脈沖激光，所述7/10脈沖激光經(jīng)柱面聚焦透鏡聚焦在被測樣品的表面，激發(fā)產(chǎn)生聲表面波信號；所述聲表面波信號經(jīng)過第一檢測通道和/或第二檢測通道轉(zhuǎn)換為電信號，并通過示波器顯示后被傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。所述第一檢測通道包括壓電探頭，[0009]所述壓電探頭下的PVDF壓電薄膜傳感器檢測到所述聲表面波信號后，將所述聲表面波信號轉(zhuǎn)換為所述電信號；所述3/10脈沖激光作為觸發(fā)信號觸發(fā)光電二極管，通過導(dǎo)線將所述電信號輸出至放大器，被濾波放大后的信號到達(dá)所述示波器，所述示波器獲取所述電信號。所述第二檢測通道包括632. 8nm的He-Ne激光器，所述632. 8nm的He-Ne激光器發(fā)出探測光，經(jīng)過第二擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束后，被I: I偏振分光鏡極化產(chǎn)生透射光，所述透射光經(jīng)第一平面反射鏡、λ /4波片和第一聚焦透鏡后聚焦到被測樣品的表面，獲取所述聲表面波信號后經(jīng)過所述第一聚焦透鏡、所述λ/4波片、所述第一平面反射鏡和所述1:1偏振分光鏡后產(chǎn)生反射光，所述反射光傳輸至1:1分光鏡分成第一路反射光和第二路反射光；所述第一路反射光經(jīng)第二平面反射鏡、第一光闌、第二聚焦透鏡和第一濾光片后進(jìn)入差分光電探測器的一個(gè)探測口 ；所述第二路反射光經(jīng)第三平面反射鏡、第二光闌、第三聚焦透鏡和第二濾光片后進(jìn)入所述差分光電探測器的另一個(gè)探測口 ；所述差分光電探測器輸出所述電信號并傳輸至所述示波器，所述示波器獲取所述電信號?！0012]所述第一濾光片和所述第二濾光片具體為波長為632. Snm的窄帶干涉濾光片。本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案的有益效果是該系統(tǒng)不僅擁有壓電激光聲表面波檢測技術(shù)信號幅度大、在擾動大的測試環(huán)境中適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，也繼承了差分共焦激光聲表面波檢測技術(shù)快速、準(zhǔn)確、非接觸測量及信噪比高等優(yōu)勢，適用性更強(qiáng)，適用范圍更廣。同時(shí)，基于差分共焦激光聲表面波檢測技術(shù)高測量帶寬的優(yōu)點(diǎn)，集成系統(tǒng)擁有比傳統(tǒng)測量技術(shù)更高的測量帶寬，大大提高了測量分辨率，具有以下優(yōu)勢①繼承了壓電和差分共焦兩種LSAW檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，單獨(dú)使用時(shí)兩檢測通道各有不足之處，集成后可相互彌補(bǔ)各自的不足，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，使測量效果達(dá)到最優(yōu)，表I列出了兩檢測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。②有兩個(gè)檢測通道，使用者可根據(jù)具體情況靈活選擇適用特定樣品和場景的探測方式，表2中列出了兩通道各自適用的樣品和測試場景。③對于兩檢測通道同時(shí)適用的樣品和測試場景，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互驗(yàn)證，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠；聲表面波信號經(jīng)過處理后可直接獲取薄膜楊氏模量的測量結(jié)果，無需再與傳統(tǒng)的納米壓痕儀測量結(jié)果作對比，簡化了薄膜楊氏模量測量過程。④可重復(fù)性檢測，在條件不發(fā)生改變的條件下，重復(fù)測量相同的樣品可以獲取相同的波形數(shù)據(jù)。

圖I為本實(shí)用新型提供的一種用于薄膜楊氏模量測量的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下I :脈沖激光器；2 :第一擴(kuò)束鏡；3 :3:7分光鏡；4:柱面聚焦透鏡；5 :被測樣品；6 :載物臺；7 =He-Ne激光器；8 :第二擴(kuò)束鏡；91:1偏振分光鏡；10 :第一平面反射鏡；[0025]11 λ/4波片；12 :第一聚焦透鏡；13 1:1分光鏡；14 :第二平面反射鏡；15 :第一光闌；16 :第三平面反射鏡；17 :第二光闌；18 :第二聚焦透鏡；19 :第三聚焦透鏡；20 :第一濾光片；21 :第二濾光片；22 :差分光電探測器；23 :壓電探頭；24 :PVDF壓電薄膜傳感器；25:放大器；26:光電二極管；27 :示波器；28 :計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施方式
為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。為了實(shí)現(xiàn)在不同場景下對不同樣品的測量，實(shí)現(xiàn)交叉驗(yàn)證，避免噪聲的影響，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種用于薄膜楊氏模量測量的系統(tǒng)，參見圖1，詳見下文描述—種用于薄膜楊氏模量測量的系統(tǒng)，包括脈沖激光器I，脈沖激光器I發(fā)射脈沖激光經(jīng)第一擴(kuò)束鏡2準(zhǔn)直擴(kuò)束后，被3:7分光鏡3分成兩部分，7/10脈沖激光和3/10脈沖激光，7/10脈沖激光經(jīng)柱面聚焦透鏡4聚焦在被測樣品5的表面，激發(fā)產(chǎn)生聲表面波信號；聲表面波信號經(jīng)過第一檢測通道和/或第二檢測通道轉(zhuǎn)換為電信號，并通過示波器27顯示后被傳輸至計(jì)算機(jī)28進(jìn)行處理。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，通過第一檢測通道實(shí)現(xiàn)了 PVDF壓電薄膜聲表面波檢測；通過第二檢測通道實(shí)現(xiàn)了差分共焦聲表面波檢測。其中，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，被測物品5放置在載物臺6上。其中，計(jì)算機(jī)28對電信號進(jìn)行計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)對薄膜楊氏模量的測量，具體計(jì)算步驟為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，本實(shí)用新型實(shí)施例在此不做贅述。其中，第一檢測通道包括壓電探頭23，壓電探頭23下的PVDF壓電薄膜傳感器24檢測到聲表面波信號后，將聲表面波信號轉(zhuǎn)換為電信號，繼而被放大器25濾波放大；3/10脈沖激光作為觸發(fā)信號觸發(fā)光電二極管26，通過導(dǎo)線將電信號輸出至放大器25，被濾波放大后的信號到達(dá)示波器27，示波器27獲取電信號。其中，第二檢測通道包括632. 8nm的He-Ne激光器7，632. 8nm的He-Ne激光器7發(fā)出探測光，經(jīng)過第二擴(kuò)束鏡8準(zhǔn)直擴(kuò)束后,被I: I偏振分光鏡9極化產(chǎn)生透射光,透射光經(jīng)第一平面反射鏡10、λ /4波片11和第一聚焦透鏡12后聚焦到被測樣品5的表面，獲取聲表面波信號后經(jīng)過第一聚焦透鏡12、λ/4波片13、第一平面反射鏡10和1:1偏振分光鏡9后產(chǎn)生反射光,反射光傳輸至I: I分光鏡13分成第一路反射光和第二路反射光；第一路反射光經(jīng)第二平面反射鏡14、第一光闌15、第二聚焦透鏡18和第一濾光片20后進(jìn)入差分光電探測器22的一個(gè)探測口 ；第二路反射光經(jīng)第三平面反射鏡16、第二光闌17、第三聚焦透鏡19和第二濾光片21后進(jìn)入差分光電探測器22的另一個(gè)探測口 ；差分光電探測器22輸出電信號并傳輸至不波器27,不波器27獲取電信號。其中，通過第一光闌15和第二光闌17可以調(diào)節(jié)入射光束的直徑及入射光強(qiáng)。[0043]進(jìn)一步地，為了消除雜散光的影響，第一濾光片20和第二濾光片21優(yōu)選為波長為632. 8nm的窄帶干涉濾光片。其中，當(dāng)通過第二檢測通道實(shí)現(xiàn)差分共焦聲表面波檢測時(shí)，首先要調(diào)節(jié)第二平面反射鏡14和第三平面反射鏡16的位置，保證第一路反射光和第二路反射光具有相同的光程差，然后通過調(diào)節(jié)1:1分光鏡13的位置，使進(jìn)入差分光電探測器22的兩束光強(qiáng)相等，由于差分光電探測器22內(nèi)部是寬帶 放大差分電路，所以這時(shí)輸出信號為零。當(dāng)被測樣品5上的聚焦He-Ne光斑區(qū)域有聲表面波經(jīng)過時(shí)，反射光束因反射角改變產(chǎn)生微量偏移，造成兩束入射到差分光電探測器22的反射光的強(qiáng)度發(fā)生改變，對應(yīng)的輸出亦發(fā)生改變，因而可以檢測到被測樣品5上的超聲表面波。表I兩檢測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)
權(quán)利要求1.一種用于薄膜楊氏模量測量的系統(tǒng)，包括脈沖激光器(1)，所述脈沖激光器(I)發(fā)射脈沖激光經(jīng)第一擴(kuò)束鏡(2)準(zhǔn)直擴(kuò)束后，被3:7分光鏡(3)分成7/10脈沖激光和3/10脈沖激光，所述7/10脈沖激光經(jīng)柱面聚焦透鏡(4)聚焦在被測樣品(5)的表面，激發(fā)產(chǎn)生聲表面波信號；其特征在于， 所述聲表面波信號經(jīng)過第一檢測通道和/或第二檢測通道轉(zhuǎn)換為電信號，并通過示波器(27 )顯示后被傳輸至計(jì)算機(jī)(28 )進(jìn)行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于薄膜楊氏模量測量的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一檢測通道包括壓電探頭(23)， 所述壓電探頭(23)下的PVDF壓電薄膜傳感器(24)檢測到所述聲表面波信號后，將所述聲表面波信號轉(zhuǎn)換為所述電信號；所述3/10脈沖激光作為觸發(fā)信號觸發(fā)光電二極管(26)，通過導(dǎo)線將所述電信號輸出至放大器(25)，被濾波放大后的信號到達(dá)所述示波器(27)，所述示波器(27)獲取所述電信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于薄膜楊氏模量測量的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二檢測通道包括632. 8nm的He-Ne激光器(7)， 所述632. 8nm的He-Ne激光器(7)發(fā)出探測光，過第二擴(kuò)束鏡(8)準(zhǔn)直擴(kuò)束后，被I: I偏振分光鏡(9)極化產(chǎn)生透射光，所述透射光經(jīng)第一平面反射鏡(10)、λ /4波片(11)和第一聚焦透鏡(12)后聚焦到被測樣品(5)的表面，獲取所述聲表面波信號后經(jīng)過所述第一聚焦透鏡(12)、所述λ/4波片(11)、所述第一平面反射鏡(10)和所述1:1偏振分光鏡(9)后產(chǎn)生反射光，所述反射光傳輸至1:1分光鏡(13)分成第一路反射光和第二路反射光；所述第一路反射光經(jīng)第二平面反射鏡(14)、第一光闌(15)、第二聚焦透鏡(18)和第一濾光片(20)后進(jìn)入差分光電探測器(22)的一個(gè)探測口 ；所述第二路反射光經(jīng)第三平面反射鏡(16)、第二光闌(17)、第三聚焦透鏡(19)和第二濾光片(21)后進(jìn)入所述差分光電探測器(22)的另一個(gè)探測口 ；所述差分光電探測器(22)輸出所述電信號并傳輸至所述示波器(27)，所述示波器(27)獲取所述電信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于薄膜楊氏模量測量的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一濾光片(20)和所述第二濾光片(21)具體為波長為632. Snm的窄帶干涉濾光片。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于薄膜楊氏模量測量的系統(tǒng)，包括脈沖激光器，所述脈沖激光器發(fā)射脈沖激光經(jīng)第一擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束后，被3:7分光鏡分成7/10脈沖激光和3/10脈沖激光，所述7/10脈沖激光經(jīng)柱面聚焦透鏡聚焦在被測樣品的表面，激發(fā)產(chǎn)生聲表面波信號；所述聲表面波信號經(jīng)過第一檢測通道和/或第二檢測通道轉(zhuǎn)換為電信號，并通過示波器顯示后被傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。該系統(tǒng)不僅擁有壓電激光聲表面波檢測技術(shù)信號幅度大、在擾動大的測試環(huán)境中適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，也繼承了差分共焦激光聲表面波檢測技術(shù)快速、準(zhǔn)確、非接觸測量及信噪比高等優(yōu)勢，適用性更強(qiáng)，適用范圍更廣。同時(shí)，基于差分共焦激光聲表面波檢測技術(shù)高測量帶寬的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了測量分辨率。
文檔編號G01N21/17GK202748307SQ201220358188
公開日2013年2月20日 申請日期2012年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月19日
發(fā)明者丹特·多倫雷, 楊斐, 陳琨, 路子沫, 李艷寧, 傅星, 胡小唐 申請人:天津大學(xué)