CN110057910B - 采用可移动双探头压电传感器测量薄膜粘附性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及采用可移动双探头压电传感器测量薄膜粘附性的方法，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。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
本发明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方法，技术方案如下：
一种采用可移动双探头压电传感器测量薄膜粘附性的方法，所采用的声表面波无损检测系统包括波形发生器、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，可完成对薄膜特性的无损检测；
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，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，测量薄膜特性的方法如下：
(1)利用波形发生器对一个声表面波叉指换能器两端加上交变电压，在该器件的压电基底中产生特定频率的声表面波。
(2)将声表面波叉指换能器溅射叉指电极的一面放置在待测样片的表面处，在待测样片中产生单频表面波；
(3)将可移动双探头压电传感器置于待测样片表面；
(4)将前压电探头置于最低处，使其接触待测样片表面，采集待测样片表面处的声表面波信号；
(5)向上移动前压电探头，使其离开待测样片表面，采集待测样片表面处的声表面波信号；
(6)对两次采集到的声表面波信号做相应的频域变化，并计算声表面波的频率和速度，此频率和速度即为薄膜声表面波频散曲线上的一个频率速度点；
(7)更换另一个声表面波叉指换能器并重复步骤(2)至(6)，获得多个频率速度点，通过多点描绘出待测样片在相应频域范围内的实验频散曲线；
(8)将实验频散曲线和理论频散曲线进行匹配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个声表面波叉指换能器的指条宽度分别为：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。
本发明的测量方法具有造价低；小型化；操作简便；可测量的频域范围更宽的优点。
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
本发明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。
本发明的技术方案如下：
(9)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；
(10)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；
(11)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。
(12)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；
(13)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。
本发明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发明的技术方案：
本例是采用该小型化设备测量1000nm厚的SiO2薄膜的杨氏模量值。
1)加工30个结构不同的声表面波叉指换能器(SAW-IDT)器件，30个器件的压电基底材料均为铌酸锂，均采用均匀叉指结构，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。这30个器件所激发出的声表面波的频率分别为10MHz，20MHz，30MHz，……300MHz。
2)利用信号发生器对指条宽度为100μm的SAW-IDT器件两端加上交变电压，在该器件的压电基底中产生频率为10MHz的声表面波。
3)将声表面波叉指换能器(SAW-IDT)器件以图2的方式放置在待测样片SiO2薄膜的表面处，从而在SiO2样片中产生了10MHz的单频表面波。
4)利用压电探头在薄膜表面两个平行位置处采集声表面波的信号，如图3所示通过对采集到的信号进行频域转换并利用公式(1)计算得到10MHz的声表面波在SiO2薄膜中传播的波速，此频率和速度即为薄膜声表面波频散曲线上的一个频率速度点。
5)更换1)中所提到结构的声表面波叉指换能器(SAW-IDT)器件，并重复步骤2)-4)，获得30个频率速度点，通过这30个点描绘出SiO2薄膜在10MHz-300MHz频域范围内的频散曲线。
6)将得到的实验频散曲线与以样式模量为因变量的一簇理论频散曲线进行匹配，由于杨氏模量值为72GPa的理论频散曲线与之匹配度最高，则可获得SiO2薄膜的杨氏模量值为72GPa。
本发明的压电传感器采用双探头，专利申请20182039297.0“一种测量表面波波速的双探头压电探测器”中也涉及了一种双探头的压电探测器，但由于压电探头均为固定探头，在距离激发源较远的那个探头采集信号时，声表面波信号已经过了距离信号源较近的探头，由于探头对待测样片的表面存在一定的挤压作用，会对声表面波信号产生影响。本发明对压电传感器进行了改进，设计一种前探头可移动式的双探头压电传感器。通过将压电薄膜(PVDF膜)放置在压电探头的尖端，从而将压力信号转换成电信号，从而采集样片表面的声表面波信号。该装置对以往的压电探头做了双探头，可移动的设计。由于获取声表面波的波速时，需要在两个不同位置采集信号，如图4所示，并根据公式(1)计算出声表面波的相速度，x1和x2即为采集信号的两个位置，Φ2(f)和Φ1(f)分别为在x1和x2处采集到的信号的频谱，对x1和x2处采集到的信号做快速傅里叶变化即可得到两信号的频谱。
双探头的设计可以使得压电传感器脱离精密移动平台，将x2-x1的值做为固定值来计算，且由于不需要手动调节距离，可保证两个位置不由调节而产生的位置不平行等因素带来的误差。前探头可上下移动的设计，可保证后面一个探头在采集声表面波信号时，声表面波信号不会因为过前探头时受到前探头的影响从而产生误差和噪声。
本发明传感器的具体结构如图5所示，包括压电探测器的主体和压电探头，绝缘腔等部分，尺寸为40mm×18mm×26mm。如图5所示，整个压电传感器的外壳为金属外壳1，采用黄铜材料，金属外壳1的壁厚为5mm，金属外壳内填充有绝缘填充材料形成绝缘腔2，填充的绝缘材料为聚四氟乙烯材料，注意在压电传感器的探头一面，金属外壳1为中部镂空四周包含一圈的薄层外壳，中间均为绝缘腔2，即压电探头伸出处周围包裹的均为绝缘腔2，如图6所示。压电探头3,4的材料为金属紫铜，探头处为楔形状伸出压电探测器的外围，压电探头3,4的尺寸均为：高度H为8mm，截面S为8mm×8mm。在探测器的内部做柱状金属管5,6，柱状金属管5,6的材料为紫铜，柱状金属管5,6的尺寸相同，均为：高度h为4mm，截面S’为2mm×2mm。在金属管5,6中间通以导线7，8与探头处连接以传递信号，导线7，8的一端分别固定在压电探头3,4上，另一端接入示波器，在金属外壳1和绝缘腔的相应位置处均留有小孔9,10，使的导线7,8可以穿出。图5中左侧探头3的固定由绝缘腔的结构所实现，将放置该探头区域的绝缘腔体按左侧探头的形状挖空，将左侧探头固定的嵌入到绝缘腔中。图5中右侧探头4为不固定的可上下移动的探头，其移动也是由绝缘腔体的结构所实现，将放置右侧探头区域的绝缘腔体按照探头的截面形状即长方形面S，以及柱状金属管的截面的形状即长方形面S’挖出长方体空腔以做为探头上下滑动的滑道，空腔的高度设计成一个探头高度H/2，则可以通过提拉右侧探头的导线将右侧探头隐藏于探测器中。
此种压电传感器的使用方法如下：
(1)将可移动探头放置到最低处，将两个压电薄膜放置在探头上，加压电探测器放在待测样片表面；
(2)利用可移动端的压电探头采集样片表面处的声表面波信号，用示波器对采集到的信号进行观察并记录；
(3)通过提拉可移动端压电探头所对应的导线，将可移动端的压电探头向上提拉至缩入压电探测器内，用固定端的压电探头对声表面波信号对样片表面处的声表面波信号进行采集，同样利用示波器对采集到的信号进行观察并记录。
(4)对两次采集到的信号做相应的频域变化，并利用公式(1)计算获得声表面波的波速，公式(1)中的x2-x1即为压电探测器中两探头间的距离L(12mm)。
Claims (1)
1.一种采用可移动双探头压电传感器测量薄膜粘附性的方法，所采用的声表面波无损检测系统包括波形发生器、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，可完成对薄膜特性的无损检测；
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，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两个管柱固定连接，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，测量薄膜粘附性的方法：
（1）利用波形发生器对一个声表面波叉指换能器两端加上交变电压，在该器件的压电基底中产生特定频率的声表面波；
（2）将声表面波叉指换能器溅射叉指电极的一面放置在待测样片的表面处，在待测样片中产生单频表面波；
（3）将可移动双探头压电传感器置于待测样片表面；
（4）将前压电探头置于最低处，使其接触待测样片表面，采集待测样片表面处的声表面波信号；
（5）向上移动前压电探头，使其离开待测样片表面，采集待测样片表面处的声表面波信号；
（6）对两次采集到的声表面波信号做相应的频域变化，并计算声表面波的频率和速度，此频率和速度即为薄膜声表面波频散曲线上的一个频率速度点；
（7） 更换另一个声表面波叉指换能器并重复步骤（2）至（6），获得多个频率速度点，通过多点描绘出待测样片在相应频域范围内的实验频散曲线；
（8） 将实验频散曲线和理论频散曲线进行匹配完成对薄膜特性的无损检测；
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，叉指间距为指条宽度的2倍，30个声表面波叉指电极的指条宽度分别为：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，20 MHz，30 MHz，……300 MHz。
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