超声波扫描显微镜基础知识-超声波的特性

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超声波扫描显微镜基础知识-超声波的特性

超声波扫描显微镜，Scanning Acoustic Microscope (SAM)，利用不同材料对超声波声阻抗的不同、吸收和反射程度的不同，来探测半导体等各种元器件的内部结构、缺陷等，对元器件及材料做定性分析，是目前纳米技术研究中非常重要的无损检测手段。超声波，Ultrasound，是指任何声波或振动，其频率超过人类耳朵可以听到的最高阈值20kHz（千赫）。通常，在压电探头晶片（通常被称作晶体）被施与电压时，晶片在垂直于其表面的方向会受压变形。电压消失后，一般在一微秒之内，晶片反弹，产生机械能脉冲，形成超声波。

超声波扫描显微镜基础知识-典型的未聚焦超声波能量柱

超声波扫描显微镜基础知识-典型的超声波能量分布示意图

超声波扫描显微镜所用的超声波具有如下特性：
类型：根据探头的功能可将探头划分为接触式、延迟块式、角度声束、或水浸式等类型。被测材料的特性，如：表面粗糙度、温度、可达性、材料内缺陷的位置、检测速度等，都会影响用户对探头类型的选择。通常，超声波扫描显微镜采用水浸式超声波探头。
直径：直径是指激活探头晶片的直径。晶片通常被置于比它稍大一点的外壳中。超声波扫描显微镜采用晶片直径大的探头可以获得更高的信号强度和更大的焦距。
频率：频率是指一秒钟内声波完成振动周期的次数，通常用千赫（kHz）或兆赫（MHz）表示。大多数工业超声检测在500 kHz到20 MHz频率范围内进行，因此大多数探头的频率处于这个范围内。不过，用户也可以买到频率范围在50 kHz以下，以及200 MHz以上的商业探头。超声波扫描显微镜，探头频率越低，穿透力越强；频率越高，分辨率和聚焦力度越高。
带宽：带宽是处于特定波幅范围内的频率响应的部分。在这种情况下，应该注意典型的NDT探头不会在纯粹单一的频率下生成声波，而只能在以额定的频率值为中心的频率范围内生成声波。工业标准将这个带宽确定在–6 dB（或半波幅）的位置处。
波形持续：波形持续是指每次探头被脉冲触发后生成的波动周期的数量。窄带宽探头要比宽带宽探头生成的波动周期数量多。晶片直径、基底材料、电子调谐、探头激励的方式都会影响波形持续。
灵敏度：灵敏度是指激励脉冲波幅与从指定目标反射的回波波幅之间的关系。
超声波的束射性：超声波频率很高，方向性（即束射性）较强。当超声波发生体——压电晶体的直径尺寸远大于超声波波长时，则晶体所产生的超声波就类似于光的特性。超声波的频率高、波长短，和光波一样可以集中向一个方向传播，并可用适当的方法使它会聚和发散，所以超声波射线可以与光线一样，进行折射、反射，同时也可以聚焦。而且，超声波的束射特性遵循几何光学上的定律。超声波扫描显微镜采用聚焦超声波，利用反射、透射的产生波信号，实现对材料器件内部的无损扫描检测。
超声波的透射、反射、折射与聚集：由于超声波频率较高，因此超声波在定向传播时，在两种不同媒质的分界面上，会出现类似于光线的透射、反射和折射现象。超声波的聚集现象和光线的聚集现象是一样的。利用超声波聚集装置可以将超声波束会聚到一点，从而将超声波的声强提高几倍甚至几千倍，利用这样巨大的声强可以做许多很有意义的工作，例如超声波切割、超声波钻孔、超声波打磨、超声波扫描显微镜等。
超声波的吸收与衰减：当超声波在各种媒介物质中传播之时，由于媒质要吸收掉它的一部分能量，随着传播距离的增加，其强度也会渐渐的减弱。而对于同一物质来说，超声波的频率越高，其吸收也就越强，超声波扫描显微镜的分辨率越高穿透深度越小。