超声显微检测技术的应用研究

　　超声显微检测技术广泛应用于金属、陶瓷以及复合材料的检测,特别适用于电子行业和半导体行业的产品检测。

　　传统超声检测技术的工作频率是1~10 MHz,由于使用频率较低,检测分辨率不高。而超声显微检测技术的工作频率达到甚至超过1 GHz,分辨率极高。在超声显微检测技术发展的最初阶段,通常认为高频率在超声显微检测技术应用中占有优势。然而,由于材料声衰减与声频率的平方相关,频率越高,声衰减越大,穿透材料厚度越浅。所以,材料内部的无损检测,最常用的频率范围为10 ~ 100MHz[1,2]。目前,笔者建立了一套频率范围为10~100 MHz的C型扫描超声显微检测系统,开展了超声显微检测技术的应用研究。

　　1　超声显微检测系统

　　1.1　工作原理

　　超声显微检测系统主要由声透镜、脉冲发射/接收装置、超高速A/D卡、机械扫描装置等部件组成[3],原理框图见图1。

　　计算机触发脉冲收/发装置产生激励信号,激励压电晶片产生超声波。声波被声透镜聚焦到被检样品表面或内部,在样品界面或内部声特性不连续处产生反射。反射波被压电晶片接收并转换为电信号。回波信号经限幅、放大电路放大后送至A/D　卡,转为数字信号,并进行数字处理。同时,计算机控制机械扫描平台进行x2y两维扫描,并在计算机上实时显示样品的超声A,B和C扫描图像。

　　1.2　工作模式

　　1.2.1　表面/亚表面缺陷检测

　　普通超声纵波由于盲区的存在而不能检测样品表面及近表面缺陷,采用超声瑞利波可以有效检测样品表面及近表面缺陷[4]。图2为超声显微检测系统表面/近表面检测模式下的声波示意图,根据瑞利波产生的原理[5],当采用大张角声透镜时能激励出瑞利波。图2中θ为瑞利波入射角,b1和b2为超声纵波沿透镜轴线传播,经试样表面反射后沿原路返回的传播路径;C1和C2为以瑞利角入射到样品表面,在样品表面激发出瑞利波,在液体内沿着与入射声波对称的路径返回声透镜的传播路径。

　　由斯奈尔定律,sinθ=vo/vR(式中vo是液体的声速,vR是被测样品的瑞利波声速),当入射角θ=arcsin(vo/vR)时,可在样品表面激励出瑞利波。瑞利波的传播与样品表面和近表面结构有关,因而探头接收的信号就反映了样品表面和近表面的结构信息。

　　1.2.2　内部质量检测

　　图3为超声显微检测系统内部质量检测原理示意图。采用超声纵波,当入射信号到达试件表面,一部分声波被反射回来,产生表面回波,剩下的声波继续沿样品传播直到在内部的不连续性处(裂纹、孔洞或分层)产生第二次回波。