Ультразвуковой микроскоп



Ультразвуковой микроскоп
Ультразвуковой микроскоп
Ультразвуковой микроскоп
Ультразвуковой микроскоп

 


Владельцы патента RU 2451291:

Меньших Олег Фёдорович (RU)

Использование: для послойной визуализации неоднородностей внутренних структур непрозрачных объектов. Сущность: заключается в том, что в ультразвуковой микроскоп введены в приемном ультразвуковом тракте с иммерсионной жидкостью вторая акустическая линза и второй ультразвуковой преобразователь, выходом подключенный к первому входу широкополосного усилителя приемного тракта, управляемый по первому выходу персонального компьютера аттенюатор, включенный между выходом генератора линейно-частотно-модулированных колебаний и вторым входом широкополосного усилителя приемного тракта, сканирующее по глубине устройство, двунаправлено связанное с управляющим его работой персональным компьютером и механически перемещающим вдоль нормали к плоскости подставки связанную комбинацию из первого и второго ультразвуковых преобразователей и первой и второй акустическими линзами, а также блок регистрации неоднородности исследуемого непрозрачного для световых волн объекта, первый, второй и третий входы этого блока подключены соответственно к выходам порогового устройства, генератора синхроимпульсов и ко второму управляющему выходу персонального компьютера, а выход этого блока подключен к информационному входу персонального компьютера, причем фокальные плоскости первой и второй акустических линз совмещены с рассматриваемым сечением, параллельным плоскости подставки, исследуемого непрозрачного для световых волн объекта. Технический результат: повышение разрешающей способности ультразвукового микроскопа. 8 ил.

 

Изобретение относится к областям электроакустики и радиотехники и может быть использовано в качестве устройства для послойной визуализации неоднородностей внутренних структур непрозрачных объектов, например, для регистрации топологии многослойных сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Микроскопическое исследование внутренних объемов непрозрачных для световых электромагнитных излучений структур невозможно. Использование рентгеновского излучения не дает возможности микроскопических исследований из-за отсутствия фокусирующих устройств для спектра этого излучения. Также обстоит дело при использовании более жестких излучений - альфа- или бета-излучений. Поэтому «просвечивание» объектов заменяют их «прозвучиванием» ультразвуковыми волнами - продольного или поперечного типов, которые принципиально не могут распространяться в отсутствии среды. Некоторым неудобством методов «прозвучивания» исследуемых объектов является необходимость визуализации получаемых в звуковом поле результатов.

Одним из перспективных направлений визуализации ультразвуковых изображений является ультразвуковая топография, в основе которой лежит интерференционный метод записи, воспроизведения и преобразования звуковых полей. Методы акустической топографии используются в звуковидении - получении изображения объектов с помощью акустических волн для получения амплитудно-фазовой структуры отраженных и рассеянных полей, измерения характеристик направленности акустических антенн, пространственно-временной обработки акустических сигналов, образующихся от преобразования соответствующих электрических сигналов (см., например, Свет В.Д. Методы акустической топографии, Л., 1976; Ахмед М., Ван К., Мидерелл А. Голография и ее применение в акустоскопии, пер. с англ., «ТИИЭР», 1979, т.67, с.25; Зуйкова Н.В., Свет В.Д. Об одном оптическом методе восстановления акустической голограммы точечного источника, расположенного в неоднородном волноводе, «Акуст.ж.», 1981, т.27, с.513; Грегуш П. Звуковидение, пер. с англ., М., 1982). Самостоятельным разделом, основанным на использовании в том числе и акустической голографии, является томография, используемая в медицинской диагностике. Реконструктивная томография дает пространственное распределение параметров распространения звука - коэффициент затухания (аттенюационная модификация метода) или скорости звука (рефракционная модификация). В этом методе исследуемое сечение объекта прозвучивается многократно в различных направлениях, и информация о координатах прозвучивания и об ответных сигналах обрабатывается на ЭВМ, в результате чего на дисплее отображается реконструированная томограмма (см., например, Матаушек И., Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962).

Широко используется в технике ультразвук - в дефектоскопии, звуколокации, для контроля технологических процессов, очистки поверхностей металлов от окислов, при пайке алюминия и точечной сварке микроконтактов при изготовлении больших интегральных схем, в биологии и медицине (см., например, Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957; Михайлов И.Т., Соловьев В.А., Сырников Ю.П. Основы молекулярной акустики, М., 1964; Физическая акустика, пер. с англ., под ред. У.Мэзона, Р.Терстона, т.1-7, М., 1966-74; Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику, М., 1966; Ультразвуковая технология, под ред. Б.А.Аграната, М., 1974; Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах, М., 1981).

Акустическая микроскопия - есть совокупность методов визуализации микроструктуры и формы малых объектов с помощью ультразвуковых и гиперзвуковых волн. Она включает в себя также методы измерения локальных характеристик упругих и вязких свойств объекта и их распределений по его поверхности или внутри объема. Акустическая микроскопия основана на том, что УЗ-волны, прошедшие, отраженные или рассеянные отдельными участками объекта, имеют различные характеристики (амплитуду, фазу и др.) в зависимости от локальных вязкоупругих свойств образца. Эти различия позволяют методами визуализации звуковых полей получать акустические изображения, восстанавливаемые компьютером на экране дисплея. В зависимости от способа преобразования акустических полей в видимое изображение различают сканирующую лазерную и сканирующую растровую акустическую микроскопию.

Сканирующая лазерная акустическая микроскопия представляет собой разновидность акустической голографии, предназначенную для визуализации малых объектов. При облучении плоской УЗ-волной объекта, помещенного в жидкость, фронт волны после прохождения образца искажается из-за неоднородных фазовых задержек, а амплитуда изменяется в соответствии с неоднородностью коэффициента отражения и поглощения в объекте. Прошедшая волна падает на свободную поверхность жидкости и создает на ней поверхностный рельеф, соответствующий акустическому изображению объекта. Этот рельеф считывается световым лучом лазера и затем воспроизводится на экране дисплея после соответствующих преобразований амплитудно-фазового распределения сосчитанного световым пучком акустического рельефа. УЗ-микроскоп такого типа содержит излучающий УЗ-волну пьезоэлектрический преобразователь, через звукопровод связанный с наблюдаемым объектом, помещенным в иммерсионную жидкость. После прохождения объекта УЗ-волна создает на поверхности этой жидкости рельеф. На поверхность жидкости нанесена тонкая полупрозрачная пленка, которая деформируется вместе с жидкостью, повторяя ее рельеф. Луч лазера с помощью сканирующего устройства перемещается по поверхности пленки, частично отражаясь от нее. Отраженные углы от различных точек поверхности пленки отвечают созданному на ней рельефу и с помощью фокусирующей оптики световой пучок воздействует на фотоприемник, предварительно проходя через оптический нож, преобразующий угловую модуляцию луча света в амплитудную. Видимое акустическое изображение объекта возникает на экране дисплея, развертка которого синхронизирована с движением лазерного луча по поверхности пленки. Другое аналогичное устройство визуализации строят на использовании прошедшего через объект лазерного луча, что позволяет сравнивать изображения, полученные при отражении и прохождении света через объект, получая при этом дополнительную информацию об объекте.

Используемый в сканирующей лазерной акустической микроскопии способ визуализации не позволяет получать высокое разрешение. Такие микроскопы работают на частотах вплоть до нескольких сотен МГц и дают разрешение до 10 мкм. Достоинством таких микроскопов является возможность одновременного получения оптического и акустического изображений для их сравнения.

В сканирующей растровой акустической микроскопии сфокусированный в точку УЗ-пучок перемещается по объекту, изображение которого воссоздается по точкам в виде растра. Сфокусированная УЗ-волна, падая на образец, частично отражается от него, частично поглощается и рассеивается в нем, а частично проходит через него. Принимая ту или иную часть излучения, можно судить об акустических свойствах образца в области, размеры которой определяются размерами фокального пятна. Эти размеры согласно теории дифракции по порядку равны длине волны УЗ-колебаний в данной среде.

Известны ультразвуковые микроскопы сканирующего растрового типа (см., например, Березина С.И., Лямов В.Е., Солодов И.Ю. Акустическая микроскопия, «Вестник МГУ», сер. «Физика, Астрономия», 1977, т.18, №1, стр.3; а также Куайт К.Ф., Алталар А., Викрамасингхе Х.К. Акустическая микроскопия с механическим сканированием, «ТИИЭР», Обзор, 1979, т.67, №8, р.5), содержащий излучающий УЗ-волну пьезоэлектрический преобразователь, связанный через звукопровод с собирающей акустической линзой, которая в последующем звукопроводе собирает УЗ-волны в фокус малых размеров. Такая акустическая линза может представлять собой сферическое углубление в звукопроводе на границе его раздела с иммерсионной жидкостью. Образец при этом помещают в фокальную плоскость акустической линзы и перемещают в этой плоскости вдоль двух ортогональных осей координат этой плоскости с помощью специального сканирующего устройства. УЗ-излучение после взаимодействия с объектом собирается второй сферической акустической линзой, конструкция которой аналогична первой, и через звукопровод возбуждает второй пьезоэлектрический преобразователь, на выходе которого образуется электрический сигнал с частотой УЗ-колебаний генератора, возбуждающего УЗ-колебания в первом преобразователе. Этим сигналом управляется яркость электронного луча дисплея, у которого развертка синхронизирована с движением сканирующего устройства с помещенным в него образцом. При этом на экране дисплея возникает акустическое изображение, которое определяется распределением по образцу его физических свойств (упругости, плотности, вязкости, толщины, анизотропии и т.д.).

В зависимости от того, какая часть излучения после взаимодействия с объектом регистрируется, различают акустические микроскопы «на отражение», «на прохождение». «темного поля». При использовании микроскопа «на прохождение» пара акустических линз должна отвечать условию совмещения их фокальных плоскостей. В режиме «на отражение» используется одна и та же акустическая линза как для зондирования объекта УЗ-волной, так и для приема отраженной от объекта УЗ-волны. Акустическое изображение в режиме «темного поля» создается лучами, рассеянными объектом, и для его получения приемную (вторую) линзу в конфокальной системе отклоняют от акустической оси системы так, чтобы она собирала рассеянные лучи. Имеется еще один режим приема УЗ-волн - нелинейный, основанный на приеме не на основной частоте УЗ-колебаний соответствующего генератора УЗ-колебаний, а на ее гармониках.

Ближайшим техническим решением (прототипом) к заявляемому является ультразвуковой микроскоп по патенту РФ того же автора №2270997, опубликованному в бюлл. №6 от 27.02.2005, содержащий последовательно акустически связанные преобразователь УЗ-колебаний, звукопровод, акустическую линзу и иммерсионную среду, связанную с исследуемым объектом, помещенным в фокальную плоскость акустической линзы и перемещаемым в ней двухкоординатным сканирующим устройством, а также дисплей, развертка в котором соотнесена с работой двухкоординатного сканирующего устройства, отличающийся тем, что в него включены последовательно соединенные генератор линейно-частотно-модулированных импульсов, коммутатор, широкополосный усилитель, согласованный фильтр на дисперсионной линии задержки, компенсирующий усилитель, амплитудный детектор, пороговое устройство, временной селектор и компьютер, подключенный выходом к дисплею, а также генератор синхронизирующих импульсов, выходы которого подключены к синхровходам генератора линейно-частотно-модулированных импульсов, коммутатора, временного селектора, двухкоординатного сканирующего устройства и компьютера, первый управляющий выход компьютера подключен ко второму входу временного селектора, второй - к управляющему входу двухкоординатного сканирующего устройства, выход которого соединен со вторым информационным входом компьютера, а второй вход-выход коммутатора соединен с преобразователем УЗ-колебаний.

Достижение цели изобретения-прототипа - увеличение разрешающей способности по глубине исследуемого образца в режиме работы ультразвукового микроскопа «на отражение» - обеспечивается благодаря временному «сжатию» широкополосного линейно-частотно-модулированного зондирующего объект УЗ-импульса достаточно большой длительности в дисперсионной линии задержки (ДЛЗ), согласованной с модуляционными параметрами зондирующего сигнала, отраженного от неоднородностей исследуемого слоя объекта. Получаемое высокое разрешение по глубине позволяет проводить послойную реконструкцию всех имеющихся неоднородностей в исследуемом объекте в их совокупности и раздельно (то есть послойно) на экране дисплея после предварительной обработки информации в компьютере.

Недостатками прототипа являются необходимость использования в нем коммутатора, обеспечивающего режим «передача-прием» высокочастотных широкополосных УЗ-колебаний, наложение зондирующих и отраженных УЗ-колебаний на одном и том же участке звукопровода, а также снижение достоверности выявления неоднородностей.

Указанные недостатки прототипа устранены в заявляемом техническом решении.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности УЗ-микроскопа при его работе в режиме «на прохождение».

Поставленная цель достигается в заявляемом ультразвуковом микроскопе, содержащем связанный с генератором синхроимпульсов генератор линейно-частотно-модулированных колебаний, выходом подключенный к последовательно установленными в иммерсионной жидкости первым ультразвуковым преобразователем, первой акустической линзой и исследуемым непрозрачном для световых волн объектом, установленным на плоской подставке и перемещаемым в указанной плоскости подставки с помощью механического двухкоординатного сканирующего устройства, приемный тракт состоит из последовательно соединенных широкополосного усилителя, согласованного фильтра на дисперсионной линии задержки, компенсирующего потери малошумящего широкополосного усилителя, амплитудного детектора и порогового устройства, а также персональный компьютер с дисплеем, выход персонального компьютера двунаправлено связан с механическим двухкоординатным сканирующим устройством, а его первый управляющий вход соединен со вторым выходом генератора синхроимпульсов, отличающимся тем, что в него введены в приемном ультразвуковом тракте с иммерсионной жидкостью вторая акустическая линза и второй ультразвуковой преобразователь, выходом подключенный к первому входу широкополосного усилителя приемного тракта, управляемый по первому выходу персонального компьютера аттенюатор, включенный между выходом генератора линейно-частотно-модулированных колебаний и вторым входом широкополосного усилителя приемного тракта, сканирующее по глубине устройство, двунаправлено связанное с управляющим его работой персональным компьютером и механически перемещающим вдоль нормали к плоскости подставки связанную комбинацию из первого и второго ультразвуковых преобразователей и первой и второй акустическими линзами, а также блок регистрации неоднородности исследуемого непрозрачного для световых волн объекта, первый, второй и третий входы этого блока подключены соответственно к выходам порогового устройства, генератора синхроимпульсов и ко второму управляющему выходу персонального компьютера, а выход этого блока подключен к информационному входу персонального компьютера, причем фокальные плоскости первой и второй акустических линз совмещены с рассматриваемым сечением, параллельным плоскости подставки, исследуемого непрозрачного для световых волн объекта.

Достижение указанной цели изобретения объясняется использованием метода микроскопии «на прохождение» при применении короткофокусных акустических линз и автоматическим сравнением амплитуд пар импульсов-откликов на выходе порогового устройства с последующим статистическим усреднением результатов многократного зондирования в каждой из зон исследуемого образца, соизмеримых с площадью фокального пятна (диска Эйри).

Схема ультразвукового микроскопа изображена на рис.1 и содержит:

1 - генератор линейно-частотно-модулированных (ГЛЧМ) колебаний,

2 - генератор синхроимпульсов (ГСИ),

3 - первый ультразвуковой преобразователь (передающего канала),

4 - первую акустическую линзу,

5 - исследуемый непрозрачный для световых волн объект,

6 - плоскую подставку (в системе координат XY),

7 - вторую акустическую линзу,

8 - второй ультразвуковой преобразователь (приемного канала),

9 - сильфон с механическими элементами сканирования по координатам XYZ,

10 - корпус ультразвукового модуля микроскопа разбираемый,

11 - иммерсионную жидкость, заполняющую корпус 10 и защищенную от вытекания из последнего сильфоном 9,

12 - сканирующее по глубине устройство (СГ), перемещающее элементы 3, 4, 7 и 8 вдоль координаты Z, ортогональной плоскости подставки 6, механические связи перемещаемых элементов для простоты не показаны на рис.1,

13 - механическое двухкоординатное сканирующее устройство (ДСУ),

14 - персональный компьютер с дисплеем,

15 - широкополосный усилитель,

16 - управляемый персональным компьютером 14 аттенюатор,

17 - согласованный фильтр на дисперсионной линии задержки (ДЛЗ),

18 - компенсирующий потери малошумящий широкополосный усилитель,

19 - амплитудный детектор,

20 - пороговое устройство (ограничитель по минимуму с порогом UОГР*),

21 - блок регистрации неоднородности исследуемого непрозрачного для световых волн объекта.

На рис.2 представлены эпюры коротких синхроимпульсов от ГСИ 2, ЛЧМ-сигналы, вырабатываемые в ГЛЧМ 1, и импульсная последовательность (внизу рис.2), определяющая длительность τи периодически следующих ЛЧМ-сигналов с периодом Tи. Частота ЛЧМ сигналов линейно падает от значения fmax до значения fmin в функции времени t.

На рис.3 в увеличенном масштабе представлен вид одного высокочастотного ЛЧМ-импульса с полосой частот ΔF=fmax-fmin.

На рис.4 дана картина взаимодействия ЛЧМ-сигналов, образующихся на выходе управляемого персональным компьютером аттенюатора 16 - прямая A и выходе второго ультразвукового преобразователя 8 - прямая B, с согласованным фильтром на ДЛЗ 17. Постоянная временная задержка между указанными ЛЧМ-имульсами равна Δt и определяется запаздыванием ЛЧМ ультразвуковых (УЗ) колебаний внутри корпуса ультразвукового модуля 10 с иммерсионной жидкостью 11.

На рис.5 и 6 представлены импульсные отклики с выхода ДЛЗ 17 с их усилением в 18 и амплитудным детектированием в 19 при заданном пороге Uогр в 20, превышающим уровень шума, для двух сравниваемых ситуаций - при зондировании УЗ-колебаниями данной зоны исследуемого объекта 5 при отсутствии в этой зоне неоднородности (рис.5) и при наличии в этой зоне неоднородности (рис.6). При этом неоднородность является либо сильно поглощающей, либо сильно отражающей, что снижает амплитуду УЗ-колебаний, поступающих на второй ультразвуковой преобразователь 8. В первом случае амплитуды откликов, поступающих на входы широкополосного усилителя 15, уравниваются управляемым от персонального компьютера аттенюатором 16 до величины U1 в исходном состоянии, а во втором случае амплитуда сигнала от второго ультразвукового преобразователя 8 уменьшается, что снижает импульс до величины U2<U1. Величины U1 и U2 имеют небольшой разброс, указанный на рис.5 и 6 двумя близкими пунктирными линиями.

На рис.7 и 8 представлены результаты работы блока регистрации неоднородности исследуемого непрозрачного для световых волн объекта 5. При отсутствии неоднородности в рассматриваемой зоне объекта 5 (рис.7) отклик блока ΔU1 существенно ниже некоторого порогового уровня Uогр*, а при наличии неоднородности в этой зоне отклик ΔU2 блока существенно выше этого порога. Эти отклики кодируются соответственно в значениях нуля и единицы в двоичном коде и воздействуют на информационный вход персонального компьютера 14.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

Под действием периодически следующих с периодом Tи коротких импульсов (см. верх на рис.2) от ГСИ 2 формируются в ГЛЧМ 1 линейно-частотно-модулированные импульсные колебания, вид которых показан на рис.2 и 3, имеющие длительность τи и спектр с шириной ΔF=fmax-fmin. Произведение этих величин называется базой сигнала B=ΔF τи>>1, и такие сигналы называются сложными. Эти радиоимпульсы поступают на вход первого ультразвукового преобразователя 3, образующего плоскую ультразвуковую волну, распространяющуюся в иммерсионной жидкости 11 в корпусе модуля. Эта волна фокусируется первой акустической линзой 3 в точечную зону внутри исследуемого объекта 5 (фокальная плоскость на рис.1 показана пунктирной линией, параллельной плоскости подставки 6). Размер сфокусированного пятна d=2,44λD/F, где λ=V/f - длина ультразвуковой волны внутри исследуемого объекта 5, V - скорость распространения колебаний частоты f, D - диаметр и F - фокусное расстояние первой акустической линзы 4. Так, если V=2000 м/с, f=1 ГГц (109 Гц), то λ≈5 мкм (5.10-6 м) при условии, что акустическая линза является короткофокусной, например, при D=F. Это определяет высокую разрешающую способность микроскопа по плоскости XY.

Короткофокусность первой акустической линзы 4 обеспечивает сильную расходимость ультразвукового потока вне фокальной плоскости этой линзы, что положительно влияет на повышение сигнал/шум отклика во втором ультразвуковом преобразователе 8, при этом шум образуется от других возможных неоднородностей исследуемого объекта 5 в других его слоях, параллельных плоскости подставки 6.

Проходящее УЗ-излучение после исследуемого объекта 5 вновь фокусируется второй акустической линзой 7, формирующей плоскую УЗ-волну, действующую на второй ультразвуковой преобразователь 8. Амплитуда широкополосного УЗ-сигнала изменяется в зависимости от наличия или отсутствия неоднородности в исследуемой зоне внутри объекта 5, в частности и главным образом, в совмещенных фокальных плоскостях первой и второй акустических линз 4 и 7. Если неоднородность является сильно поглощающей (воздушный пузырь), то интенсивность УЗ-волны, падающей на второй УЗ-преобразователь 8, падает. Если неоднородность является сильно отражающей (при попадании УЗ-пятна в фокальной плоскости на металлическую поверхность золотого полоскового проводника в микросхеме), то результат будет таким же - уменьшение интенсивности проходящей УЗ-волны. Эти обстоятельства и используются в работе микроскопа.

В исходном состоянии исследуемый объект установлен на плоской подложке 6 так, что фокальное пятно падает на материал внутри исследуемого объекта 5, не содержащий какой-либо неоднородности, когда сигнал на выходе второго ультразвукового преобразователя 8 максимальный. При этом с помощью персонального компьютера 14 управляемый аттенюатор 16 автоматически регулируется так, что сигнал на его выходе (на втором входе широкополосного усилителя 15) выравнивается по амплитуде отклика порогового устройства 20 (как это видно на рис.5), что минимизирует разность сигналов-откликов ΔU1. После такой юстировки прибора исследуемый объект сканируют на плоскости подставки 6 по координатам XY с помощью ДСУ 13 и по глубине расположения плоскости первой и второй акустических линз 3 и 7 с помощью СГ 12 под действием управляющих сигналов с двунаправленных выходов персонального компьютера 14. Эти входы-выходы задают микросдвиги исследуемого объекта вдоль координатных осей XYZ, а также считывают показания датчиков сдвигов для передачи их в персональный компьютер 14. Когда фокальное пятно попадает на неоднородность внутри исследуемого объекта, координаты которой задаются сигналами датчиков сдвигов ДСУ 13 и СГ 12, на выходе порогового устройства возникают сигналы-отклики существенно различных амплитуд, и их разность ΔU2>>ΔU1, вычисляемая в блоке 21 регистрации неоднородности исследуемого непрозрачного для световых волн объекта и превышающая некоторый установленный порог Uогр*, что передается кодовой комбинацией в персональный компьютер как информация о неоднородности. Кодовый сигнал может содержать многозначный двоичный набор (вместо информации «Да» или «Нет»), с помощью которого оценивается степень неоднородности (оттенки уровня серого). Кодовая комбинация для неоднородности формируется в блоке регистрации 21, и связь выхода этого блока с персональным компьютером показана на рис.1 фигурной стрелкой.

ЛЧМ-сигналы от второго УЗ-преобразователя 8 и управляемого аттенюатора 16 после их линейного усиления в широкополосном усилителе (суммирующем) 15 поступает на согласованный фильтр на ДЛЗ 17, имеющей полосу пропускания AF и длительность импульсной характеристики τи, в которой осуществляется спектровременное «сжатие» сигнала, в результате которого на выходе ДЛЗ образуются два коротких импульса-отклика с длительностью τвых=1/ΔF. Так, если ДЛЗ имеет параметры τи=95 мкс и ΔF=100 МГц (ДЛЗ с базой B=9500), то τвых=10 нс. При этом частота следования ЛЧМ-импульсов может быть задана равной Fи=1/Tи=10 кГц (скважность следования этих импульсов σ=Tии=1,053. Использование спектровременного «сжатия» ЛЧМ сигналов в ДЛЗ позволяет, как известно, повысить отношение сигнал/шум на входе порогового устройства 20 в корень квадратный раз из числа, равного базе сигнала, согласованного в ДЛЗ, то есть отношение сигнал шум S/N=(9500)1/2=97,5 (порядка 40 дБ по напряжению).

Уровень порогового ограничения Uогр в пороговом устройстве 20 выбирают по критерию обеспечения заданной вероятности правильного обнаружения при заданной допустимой вероятности ложных тревог. Использование ДЛЗ-обработки способствует решению этой задачи оптимальным образом.

Данные о свойствах неоднородности и ее координатах внутри исследуемого объекта 5 передаются в форме двоичного кода на входы персонального компьютера 14 и накапливаются в его базе данных, что позволяет выводить на экран дисплея послойную дислокацию неоднородностей внутри этого объекта. Число шагов сканирования определяется геометрией исследуемого образца и площадью фокального пятна d. Если, например, требуется реконструировать топологию соединений в каком-то слое многослойной микросхемы в пластмассовом корпусе размером площади 20×20 мм (по арсенид-галлиевому кристаллу), то при диаметре фокального пятна 5 мкм число шагов сканирования по координатам XY имеет порядок 4000×4000=16*106. При этом время сканирования одного полного слоя такой микросхемы составит Tскан.--1=16*106/104=1600 с=26 мин 40 сек, при этом скорость сканирования составляет 50 мм/с. С учетом предварительной настройки микроскопа снятие топологии одного слоя микросхемы размером кристалл 20×20 мм2 требует в среднем получаса времени. Регистрация топологии слоя или отдельной его части может быть многократно повторена с последующим статистическим усреднением результатов, что дополнительно повысит точность регистрации ценою потери времени.

Предварительная автоматическая настройка микроскопа (настройка управляемого аттенюатора 16) осуществляется персональным компьютером 14 (с его первого выхода) по сигналам ΔU1, которые в результате регулировки аттенюатора 16 минимизируются с возможным разбросом ΔU1<Uогр*, как это видно на рис.7.

Сброс информации, передаваемой двоичным кодом в персональный компьютер 14 из блока регистрации 21, осуществляется по мере усреднения указанного кода по числу повторов измерений в каждом шаге сканирования по синхросигналам от генератора синхроимпульсов 2. Фиксация приема кода персональным компьютером подтверждается передачей соответствующего сигнала от персонального компьютера в блок регистрации 21. Синхронизация работы персонального компьютера также осуществляется подачей на его вход синхроимпульсов с второго выхода генератора синхроимпульсов 2.

Рассмотрение электронной структуры блока регистрации 21 опускается в силу очевидности выполняемых этим блоком функций, выходит за рамки данной заявки. Программа работы персонального компьютера также выходит за рамки данной заявки и может быть легко составлена специалистами-программистами.

Ультразвуковой микроскоп, содержащий связанный с генератором синхроимпульсов генератор линейно-частотно-модулированных колебаний, выходом подключенный к последовательно установленным в иммерсионной жидкости первым ультразвуковым преобразователем, первой акустической линзой и исследуемым непрозрачным для световых волн объектом, установленным на плоской подставке и перемещаемым в указанной плоскости подставки с помощью механического двухкоординатного сканирующего устройства, приемный тракт состоит из последовательно соединенных широкополосного усилителя, согласованного фильтра на дисперсионной линии задержки, компенсирующего потери малошумящего широкополосного усилителя, амплитудного детектора и порогового устройства, а также персональный компьютер с дисплеем, выход персонального компьютера двунаправленно связан с механическим двухкоординатным сканирующим устройством, а его первый управляющий вход соединен со вторым выходом генератора синхроимпульсов, отличающийся тем, что в него введены в приемном ультразвуковом тракте с иммерсионной жидкостью вторая акустическая линза и второй ультразвуковой преобразователь, выходом подключенный к первому входу широкополосного усилителя приемного тракта, управляемый по первому выходу персонального компьютера аттенюатор, включенный между выходом генератора линейно-частотно-модулированных колебаний и вторым входом широкополосного усилителя приемного тракта, сканирующее по глубине устройство, двунаправленно связанное с управляющим его работой персональным компьютером и механически перемещающим вдоль нормали к плоскости подставки связанную комбинацию из первого и второго ультразвуковых преобразователей и первой и второй акустическими линзами, а также блок регистрации неоднородности исследуемого непрозрачного для световых волн объекта, первый, второй и третий входы этого блока подключены соответственно к выходам порогового устройства, генератора синхроимпульсов и ко второму управляющему выходу персонального компьютера, а выход этого блока подключен к информационному входу персонального компьютера, причем фокальные плоскости первой и второй акустических линз совмещены с рассматриваемым сечением, параллельным плоскости подставки, исследуемого непрозрачного для световых волн объекта.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к областям электроакустики и радиотехники и может быть использовано в качестве способа регистрации неоднородностей внутренних структур непрозрачных объектов, например, для прочтения защищенных специальным покрытием бумажных документов, в том числе для прочтения лотерейных билетов без нарушения защитных слоев, которые приобретатель должен правильно стереть.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано при ультразвуковом (УЗ) контроле качества клеевых соединений, применяемых при сборке автомобилей.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам обнаружения дефектов в трубопроводах, и может быть использовано как для трубопроводных систем водоснабжения, так и магистральных трубопроводов для транспортировки углеводородов, проложенных не только по суше, но и на дне водоемов.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть применено для ультразвукового контроля листового, сортового проката и труб. .

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для определения свойств и кристаллической структуры материалов изделий по их виброакустическим характеристикам.

Изобретение относится к области неразрушающих испытаний ультразвуковыми методами и может быть использовано в различных отраслях машиностроения для контроля материалов и изделий, преимущественно крупногабаритных и с большим затуханием ультразвука.

Изобретение относится к неразрушающему контролю железнодорожных рельсовых накладок ультразвуковым методом и может быть использовано для обнаружения дефектов в виде поперечных трещин в головках накладок.

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для контроля сцепления анкерной крепи с массивом горных пород, необходимого для поддержания ею пород в устойчивом состоянии.

Изобретение относится к области измерений, предназначено для неразрушающих испытаний ультразвуковыми методами и может быть использовано в различных отраслях машиностроения для ультразвукового контроля структуры материала, в частности для определения формы графитовых включений в чугуне.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов, изделий и сварных соединений

Изобретение относится к шкворням оси, которые, например, используются в области железнодорожной техники, в частности к контролю (или проверке) таких шкворней посредством неразрушающей технологии (неразрушающих технологий)

Изобретение относится к области виброакустического контроля материалов и изделий и может быть использовано для неразрушающего контроля композитных и многослойных изделий из металлов и пластиков и их комбинаций, полученных методами диффузионной сварки, пайки, склеивания и т.п., а также для обнаружения подповерхностных дефектов типа нарушения сплошности и инородных включений

Изобретение относится к неразрушающему контролю физических характеристик материалов изделий и может быть использовано для измерения напряженного состояния материалов в сварных и резьбовых соединений различных изделий ответственного назначения, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации

Изобретение относится к способам изучения и анализа наноструктурного состояния сварных соединений технических устройств опасных производственных объектов (паропроводов) с помощью методов физического металловедения, в частности электронно-микроскопических исследований наноструктуры, а также акустических методов неразрушающего контроля

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть применено для ультразвукового контроля листового, сортового проката и труб

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля и может найти применение при определении качества приклеивания (прочности адгезии) полимерного покрытия с металлическими трубами

Изобретение относится к области диагностики полимерных композиционных материалов (ПКМ), в частности к области оценки механических свойств материалов в монолитных и клееных конструкциях после изготовления и различных периодов их эксплуатации неразрушающими методами, и может быть использовано для определения прочностных характеристик (прочности при сдвиге, при сжатии, при растяжении и т.п.) ПКМ (угле-, стекло-, органопластиков и других подобных материалов) в авиационной, судостроительной и других отраслях машиностроения

Изобретение относится к контролю безопасности эксплуатируемых магистральных трубопроводов для предотвращения установки врезок в трубу, боеприпасов для ее подрыва, имитаторов утечек перекачиваемого продукта для дезинформации службы безопасности, а также для обнаружения утечек продукта, уровня промерзания грунта в текущий период, просадок или выпучиваний трубопровода
Наверх