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激光声表面波系统及其在薄膜杨氏模量测量中的应用研究

金宝印  
【摘要】:薄膜广泛应用于微型传感、微机械和微机电系统(MEMS),薄膜的杨氏模量、硬度,刚度和密度直接影响这些零部件及系统的力学特性,其中,杨氏模量是薄膜最重要、最具特征的力学性质,因此准确测量薄膜的杨氏模量意义重大。目前,测量杨氏模量的技术主要有纳米压痕技术、布里渊区光散射技术、声学显微镜技术和光偏转声表面波检测技术等。其中,纳米压痕技术是接触式检测技术,会对样品表面造成损坏,而且探头尺寸影响横向分辨率和精度的进一步提高;布里渊区光散射技术是使用超高频的热声子来检测光子的散射,测量时间较长,所获得的振幅偏小;声学扫描法应用聚焦超声波探测固体样品的表面形貌,由此获得薄膜的杨氏模量,但由于采用低频的超声波,目前只适合测量较厚的薄膜;与其它技术相比,光偏转声表面波检测技术应用连续激光器检测声表面波,是一种快速的非接触式检测技术,而且不会损伤样品,已逐渐成为测量微纳米量级薄膜力学特性的最有前途的方法之一。现有光偏转声表面波检测系统探测光束斜入射/斜反射配置存在探测点聚焦效果差,探测光束扩散角大等问题。此外,声表面波易受激光反射和机械振动的影响,需要非常灵敏的设备检测。 本课题致力于开发基于光偏转表面波检测技术的系统,实现在“薄膜/基底”结构中激发和检测声表面波。与压电检测技术和纳米压痕检测技术比对测试,验证此技术的可行性。本论文的主要研究工作有: 1、系统论述了薄膜杨氏模量检测技术的国内外发展现状,总结了基于激光声表面波技术测量微纳米量级薄膜杨氏模量存在的问题,明确了课题研究内容。 2、通过研究固体媒介中的运动方程,验证了声表面波在“各向同性薄膜/硅基底”理论模型中的传播规律。同时,编写了实验声表面波处理算法。 3、设计并搭建了基于光偏转声表面波检测系统的差分共焦声表面波检测系统,通过差分配置和共光路配置的应用,提高了光偏转声表面波检测系统的抗干扰能力;同时,设计了PVDF压电检测系统,获得金属膜PVDF传感器制作技术,设计四象限压电传感器,实现了声表面波的定向。 4、通过实验验证了差分共焦声表面波检测系统的信号带宽达到300MHz,分辨力达到0.05GPa;与商用纳米压痕仪的比对测试,杨氏模量的测量相对误差在1%以内,验证了差分共焦声表面波检测系统薄膜杨氏模量测量的可行性。 5、总结与展望。对课题工作进行了总结,提出了此套光偏转声表面波检测系统存在的问题,并给出了建议。


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