本發(fā)明屬于檢測(cè)領(lǐng)域，具體地說(shuō)涉及一種空氣耦合超聲波檢測(cè)薄膜的厚度的方法。

背景技術(shù)：

工業(yè)生產(chǎn)中，薄膜厚度檢測(cè)的傳統(tǒng)方法一般是X射線；薄膜厚度小于幾百微米時(shí)，相比普通的螺旋測(cè)微器，X射線檢測(cè)薄膜厚度的特點(diǎn)是不接觸，且可以應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中。

X射線檢測(cè)容易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生有害的放射污染，對(duì)操作人員的身體健康造成傷害；由于X射線固聲的高能放射性，X射線檢測(cè)薄膜裝置的接收靈敏度會(huì)在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)發(fā)生比較大的變化，發(fā)射裝置的穩(wěn)定性也會(huì)降低，而薄膜厚度的檢測(cè)結(jié)果直接與接收到的X射線能量相關(guān)，所以X射線檢測(cè)薄膜厚度的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性急需改進(jìn)；薄膜在實(shí)際生產(chǎn)中存在上下起伏振動(dòng)的現(xiàn)象，影響了X射線檢測(cè)的精確度。所以X射線檢測(cè)薄膜厚度的方法急需改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是：提出了一種空氣耦合超聲波檢測(cè)薄膜的厚度的方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種空氣耦合超聲波檢測(cè)薄膜厚度的方法，利用空氣耦合超聲自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)單層或多層薄膜進(jìn)行厚度測(cè)量，檢測(cè)采用透射式方式；多層薄膜結(jié)構(gòu)包含多個(gè)單層薄膜，每?jī)蓚€(gè)單層薄膜之間均設(shè)置有硅膠層；所述空氣耦合超聲自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)至少包含一個(gè)超聲波發(fā)射器和超聲波接收器。

優(yōu)選的，根據(jù)方程式(15)：

式中，N為多層薄膜結(jié)構(gòu)的總層數(shù)；A₀為超聲發(fā)射器發(fā)出的超聲波為平面波的幅值，A_N+1′為超聲接收器收到的超聲波平面波的幅值；h₀為超聲發(fā)射器到第一層薄膜上表面的距離；h_N+1為最后一層薄膜下表面到超聲接收器的距離，h₁、h₂、h₃···h_N依次為第一層薄膜、硅膠層、第二層薄膜···第N層薄膜的厚度；σ₀和σ_N+1分別為超聲發(fā)射器和超聲接收器處的超聲波在空氣中指數(shù)衰減的常數(shù)，σ₁、σ₂和σ₃依次為第一層薄膜、硅膠層、第二層薄膜的超聲波的衰減系數(shù)；T₀₁為超聲波從空氣中垂直入射到第一層薄膜的透射常數(shù)，T₁₂、T₂₃、T₃₄…T_N(N+1)依次為第一層薄膜、硅膠層、第二層薄膜…第N層薄膜的超聲波透射常數(shù)；其中，A_N+1′、h₁、h₂、h₃…h(huán)_N未知，其它項(xiàng)都是常數(shù)；所述薄膜結(jié)構(gòu)為單層時(shí)，即N＝1，方程式(15)變?yōu)槭街?，只聲A₂′和h₁未知；得出，單層薄膜或多層薄膜的空氣耦合超聲波幅值與薄膜厚度呈指數(shù)衰減關(guān)系。

優(yōu)選的，所述薄膜結(jié)構(gòu)為多層時(shí)，其中，空氣耦合超聲波幅值已知；將方程式(15)的兩邊同時(shí)取自然對(duì)數(shù)，得到方程式(16)：

lnA_N+1′＝ln(A₀T₀₁T₁₂T₂₃T₃₄…T_N(N+1))-(h₀+h_N+1)σ₀-h₁σ₁-h₂σ₂-h₃σ₃…-h_Nσ_N

(16)

由于薄膜層的材質(zhì)相同，即σ₁＝σ₃…＝σ_N；每?jī)蓚€(gè)薄膜層之間的硅膠層的材質(zhì)相同，即σ₂＝σ₄…＝σ_N-1，方程式(16)化簡(jiǎn)為：

lnA_N+1′＝ln(A₀T₀₁T₁₂T₂₃T₃₄…T_N(N+1))-(h₀+h_N+1)σ₀-(h₁+h₃+…h(huán)_N)σ₁-(h₂+h₄+…h(huán)_N-1)σ2(17)

式中：只有A_N+1′、(h₁+h₃...+h_N)和(h₂+h₄...+h_N-1)三項(xiàng)未知，其它均為常數(shù)；因此，方程式(17)可記為：

z＝ax+by+c (18)

式中：a＝-σ₁；b＝-σ₂；c＝ln(A₀T₀₁T₁₂T₂₃T₃₄...T_N(N+1))-(h₀+h_N+1)σ₀；x＝h₁+h₃...+h_N，為單層薄膜層的厚度和；y＝h₂+h₄...+h_N-1，為硅膠層的厚度和；z＝ln A_N+1′，為薄膜空氣耦合超聲波幅值的對(duì)數(shù)；在方程式(18)中，已知空氣耦合超聲波幅值，每?jī)蓚€(gè)薄膜層之間的硅膠層的的材質(zhì)相同，可將方程式(18)簡(jiǎn)化為：

z＝ax+d或者

式中：d＝by+c為新的常數(shù)；在方程式(19)中，常數(shù)a和d標(biāo)定后就可以根據(jù)任意薄膜的空氣耦合超聲波幅值檢測(cè)薄膜的厚度。

優(yōu)選的，所述超聲波發(fā)射器和超聲波接收器為聚焦型空氣耦合超聲波換能器，所述被測(cè)薄膜設(shè)置在超聲波發(fā)射器和超聲波接收器的焦點(diǎn)位置。

優(yōu)選的，所述聚焦型空氣耦合超聲換能器的焦距為50mm，景深為10mm。

由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明的空氣耦合超聲波檢測(cè)薄膜厚度的方法，提出一種對(duì)環(huán)境友好，可以應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化的快速檢測(cè)薄膜厚度的方法；其具有無(wú)污染性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和方便性等優(yōu)點(diǎn)，替代了目前廣泛使用的對(duì)環(huán)境有輻射污染的以及容易造成X射線裝置老化的X射線薄膜檢測(cè)方法。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明：

附圖1為本發(fā)明的一種空氣耦合超聲波檢測(cè)薄膜厚度的方法的示意圖；

附圖2為本發(fā)明的一種空氣耦合超聲波檢測(cè)薄膜厚度的方法的空氣耦合超聲波信號(hào)圖；

附圖3為本發(fā)明的一種空氣耦合超聲波檢測(cè)薄膜厚度的方法的PET薄膜試樣的二元線性擬合圖；

附圖4為本發(fā)明的一種空氣耦合超聲波檢測(cè)薄膜厚度的方法的PET薄膜試樣的一元線性擬合圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明。

本發(fā)明所述的是一種空氣耦合超聲波檢測(cè)薄膜厚度的方法，檢測(cè)采用透射式方式，檢測(cè)系統(tǒng)至少包含一個(gè)超聲波發(fā)射器、一個(gè)超聲波接收器和一組檢測(cè)試樣；不失一般性，檢測(cè)試樣舉例為一組三層結(jié)構(gòu)的薄膜，由單層薄膜層和膠粘層組成，粘膠層為工業(yè)中常見(jiàn)的硅膠。

空氣耦合超聲波檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)薄膜試樣進(jìn)行檢測(cè)，薄膜試樣超聲波信號(hào)的時(shí)域圖如圖2所示。檢測(cè)為透射方式，薄膜試樣為兩層材質(zhì)相同薄膜粘接而成，總厚度80μm，換能器頻率350kHz。從圖中可以看出，空氣耦合超聲波檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)薄膜試樣有很好的靈敏度。

通過(guò)空氣耦合超聲波檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)薄膜試樣進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，薄膜分別為三層結(jié)構(gòu)(總厚度100μm)和二層結(jié)構(gòu)(總厚度80μm)。三層結(jié)構(gòu)中含有自然氣泡，換能器頻率550kHz。在實(shí)際掃描檢測(cè)圖中，淺藍(lán)色代表的薄膜厚度為100μm，黃綠色代表的薄膜為厚度80μm，深藍(lán)色區(qū)域代表著被檢測(cè)的氣泡，區(qū)域的位置、大小和形狀代表著氣泡的位置、大小和形狀。掃描對(duì)薄膜的不同厚度和氣泡進(jìn)行了很清晰的區(qū)分。因此空氣耦合超聲波檢測(cè)對(duì)薄膜厚度變化有很高的分辨率。

一組三層結(jié)構(gòu)的PET薄膜試樣(10個(gè)樣本)的檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表中，薄膜厚度和單層薄膜層厚度和是用螺旋測(cè)微器測(cè)量的，測(cè)量誤差取螺旋測(cè)微器的系統(tǒng)誤差1μm。計(jì)算兩層單層薄膜層之間的硅膠層厚度，估算系統(tǒng)誤差3μm?？諝怦詈铣暡z測(cè)系統(tǒng)(型號(hào)：PRACUT-110)對(duì)薄膜試樣進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)方式為透射式。段多次幅值檢測(cè)的平均，并計(jì)算幅值的自然對(duì)數(shù)。

表1.PET薄膜試樣的檢測(cè)

假設(shè)三層PET薄膜試樣結(jié)構(gòu)中，兩層單層薄膜層厚度分別為h₁和h₃，中間硅膠層厚度為h₂。超聲波發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波為平面波且幅值大小為A₀，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播規(guī)律，超聲波傳播到空氣層和單層薄膜層1的交界面時(shí)的幅值為A₀′，得A₀和A₀′的關(guān)系為：

式中：e為自然對(duì)數(shù)的底數(shù)；h₀為空氣耦合超聲發(fā)射換能器到最近薄膜層表面的距離；σ₀為超聲波在空氣中傳播的指數(shù)衰減常數(shù)。

記超聲波經(jīng)過(guò)空氣層和單層薄膜層1的交界面，透射到單層薄膜層1的超聲波幅值為A₁。根據(jù)超聲波在界面處發(fā)生的折射規(guī)律，記空氣中透過(guò)薄膜介質(zhì)1的超聲波幅值為A₁，根據(jù)超聲波的傳播特性，幅值A(chǔ)₁和A₀′的關(guān)系為：

A₁＝A₀′T₀₁ (2)

式中：T₀₁為超聲波在空氣層到單層薄膜層1的界面透射系數(shù)。

同理，依次類(lèi)推：

A₂＝A₁′T₁₂ (4)

A₃＝A₂′T₂₃ (6)

A₄＝A₃′T₃₄ 8)

式中：A₁′、A₂′、A₃′和A₄′分別為超聲波在單層薄膜層1、硅膠層1、單層薄膜層2和空氣層2中向前傳播到達(dá)交界面時(shí)的幅值大??；h₁、h₂、h₃和h₄分別為單層薄膜層1、硅膠層1、單層薄膜層2和空氣層2的厚度；T₁₂、T₂₃和T₃₄分別為超聲波經(jīng)過(guò)單層薄膜層1到硅膠層1、硅膠層1到薄膜層2、薄膜層2到空氣層2的界面透射常數(shù)；σ₁、σ₂、σ₃和σ₄分別為超聲波在單層薄膜層1、硅膠層1、單層薄膜層2和空氣層2中的衰減系數(shù)。

空氣層中的衰減系數(shù)相等，所以

σ₄＝σ₀ (10)

綜合方程式(1)-(10)，得：

方程式兩邊同時(shí)取自然對(duì)數(shù)，得：

lnA₄′＝ln(A₀T₀₁T₁₂T₂₃T₃₄)-(h₀+h₄)σ₀-h₁σ₁-h₂σ₂-h₃σ₃

(12)

式中：只有A₄′、h₁、h₂、h₃未知，其它項(xiàng)都是常數(shù)。方程式可寫(xiě)為：

z＝ax+by+c (18)

式中：a＝-σ₁；b＝-σ₂；c＝ln(A₀T₀₁T₁₂T₂₃T₃₄)-(h₀+h₄)σ₀；x＝h₁+h₃，為單層薄膜層厚度和；y＝h₂，為硅膠層厚度；z＝ln A₄′，為薄膜空氣耦合超聲波幅值的對(duì)數(shù)。

按照上述推導(dǎo)過(guò)程對(duì)表1中的9個(gè)三層結(jié)構(gòu)的PET薄膜試樣樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行二元一次多項(xiàng)式擬合，如圖3所示。圖中，擬合曲線的函數(shù)方程為z＝-0.007695x-0.01343y+8.091；R²＝0.9999。這表明，薄膜的空氣耦合超聲波幅值的對(duì)數(shù)與薄膜厚度呈良好的線性函數(shù)關(guān)系。

特別的，實(shí)際生產(chǎn)中，單層薄膜層中間粘合的硅膠層厚度通常是穩(wěn)定不變的，即h₂是一個(gè)常量，方程式簡(jiǎn)化為：

z＝ax+d或者

式中：d＝by+c為新的常數(shù)。方程式(19)中，如果已知2組數(shù)據(jù)，即可標(biāo)定常數(shù)a和d。如果超過(guò)2組已和數(shù)據(jù)，可以利用最小二乘法更加準(zhǔn)確地標(biāo)定常數(shù)a和d。常數(shù)a和d標(biāo)定后就可以根據(jù)任意薄膜的空氣耦合超聲波幅值檢測(cè)薄膜的厚度。

選取表1中硅膠層估算厚度都為10μm的6個(gè)PET薄膜樣本(標(biāo)號(hào)分別為3、5、6、7、8、9)組成表格2，如下所示：

表2. PET薄膜試樣的檢測(cè)(硅膠層厚度相同)

表2中，對(duì)每一個(gè)薄膜樣本，首先用其它所有樣本的檢測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)最小二乘法原理計(jì)算參數(shù)a和d，然后根據(jù)空氣耦合超聲波檢測(cè)的薄膜幅值的自然對(duì)數(shù)估算單層薄膜層厚度和，并和實(shí)際測(cè)量值比較，計(jì)算估算誤差和誤差百分比。觀察發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明提出的空氣耦合超聲波檢測(cè)薄膜厚度的方法，檢測(cè)值小于100μm時(shí)，與實(shí)際測(cè)量值的誤差小于1μm；檢測(cè)值大于100μm時(shí)，與實(shí)際測(cè)量值的誤差也在誤差允許的范圍內(nèi)。

對(duì)表2的6個(gè)PET薄膜試樣(硅膠層厚度相同)進(jìn)行一元線性擬合，如圖4所示。擬合函數(shù)為z＝-0.007512*x+7.941；R²＝0.9984。擬合結(jié)果良好。

只要超聲波發(fā)射換能器發(fā)出的趨聲波幅值A(chǔ)₀保持穩(wěn)定，且空氣耦合超聲波接收換能器的性能不變，方程式(18)和(19)的線性系數(shù)就不會(huì)變化。

實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)X射線接收器的靈敏度容易在工作一段時(shí)間后老化下降，而空氣耦合超聲波接收換能器接收的是微小能量，所以換能器的穩(wěn)定性較好，可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地工作。相比X射線定射裝置需要數(shù)十萬(wàn)伏的高壓，空氣耦合超聲波發(fā)射換能器所需的工作電壓僅在一百伏的量級(jí)，而且空氣耦合超聲波換能器本身的穩(wěn)定性也非常好，所以空氣耦合超聲波檢測(cè)薄膜厚度的方法容易保證超聲波A₀長(zhǎng)時(shí)間保持在穩(wěn)定的水平。特殊的，實(shí)際中如果發(fā)生A₀強(qiáng)度減小的情況，只要適當(dāng)調(diào)整空氣耦合超聲檢測(cè)的發(fā)射電壓就可以補(bǔ)償A0的強(qiáng)度。實(shí)際應(yīng)用中，可以定期的移走檢測(cè)樣品，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射電壓等簡(jiǎn)單操作來(lái)校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，為進(jìn)一步提高空氣耦合超聲波檢測(cè)薄膜厚度的穩(wěn)定性，可采用聚焦型空氣耦合超聲波換能器。將被測(cè)薄膜放在超聲波發(fā)射和接收換能器的焦點(diǎn)位置，由于聚焦型空氣耦合超聲換能器檢測(cè)時(shí)允許一定的景深起伏，所以薄膜在景深范圍內(nèi)振動(dòng)時(shí)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響可以忽略。這種檢測(cè)時(shí)允許樣品振動(dòng)的特點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中非常重要。由于機(jī)械振動(dòng)的原因，自動(dòng)化流水線上的薄膜通常都會(huì)上下震動(dòng)。不失一般性，本發(fā)明采用焦距50mm，景深10mm的聚焦型空氣耦合超聲換能器，當(dāng)被測(cè)薄膜在距離發(fā)射換能器45mm到55mm的范圍內(nèi)起伏振動(dòng)時(shí)，薄膜厚度的檢測(cè)結(jié)果在誤差范圍內(nèi)固定不變。

上述實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技水構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，部應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。