高 媛，楊 敬，李 立，胡志臣

(1.裝備發(fā)展部某中心，北京 100032；2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

材料內(nèi)部缺陷有大有小，目前工業(yè)探傷所能發(fā)現(xiàn)的缺陷尺寸在500 μm左右，要想觀察到更為細(xì)小的缺陷，只能通過(guò)破壞的方法做金相或者電子掃描顯微鏡，且僅僅能觀察到特定的表面缺陷情況，無(wú)法識(shí)別出樣品中整個(gè)體積內(nèi)的缺陷[1-2]。同時(shí)常規(guī)超聲由于分辨率的原因還存在對(duì)較薄材料難于檢測(cè)的缺點(diǎn)。

超聲掃描顯微鏡(SAM，scanning acoustic microscope)，又稱SAT，它是一種利用超聲波為傳播媒介的無(wú)損檢測(cè)成像設(shè)備。超聲波掃描顯微鏡的工作模式主要為C-Scan模式，所以稱為C-SAM。

超聲波掃描顯微鏡利用高頻超聲換能器將脈沖超聲送入工件樣品，當(dāng)超聲波通過(guò)被測(cè)工件時(shí)，會(huì)在不同材料間對(duì)結(jié)合面產(chǎn)生反射以及透射，如液體與固體的結(jié)合面、固體與氣體結(jié)合面、金屬與塑料之間的結(jié)合面及固體材料內(nèi)部缺陷(如分層、孔洞、裂紋、夾雜等)會(huì)造成較大的振幅回波。超聲波換能器接收反射波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)準(zhǔn)確辨識(shí)和提取反射回波信號(hào)。經(jīng)過(guò)圖像化處理，可對(duì)工件內(nèi)部精準(zhǔn)掃描成像[3]。

超聲波掃描顯微鏡的硬件包括三軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)、超聲激勵(lì)接收儀、數(shù)字化儀、超聲波換能器(探頭)及工控機(jī)等組成。超聲波掃描顯微鏡按信號(hào)接收模式可分為反射模式和透射模式。反射式又稱為脈沖回波法，即利用反射波成像，可以具體的聚焦到某一層，從而可以判斷缺陷深度。脈沖回波主要包括A掃描(A-Scan)、B掃描(B-Scan)、C掃描(C-Scan)。

三種掃描方式如圖1所示[3]。A掃描波形代表了樣品上某一點(diǎn)深度方向上的全部回波信號(hào)，即從樣品頂部道底部的點(diǎn)到點(diǎn)波形圖；通過(guò)換能器在樣品某一方向移動(dòng)，且在移動(dòng)過(guò)程中逐點(diǎn)做A掃描，所最終得到的圖像即為B掃描。C掃描相當(dāng)于對(duì)樣品某一深度的截面進(jìn)行掃描，通過(guò)該界面上的反射聲波形成二維圖像。從空間的掃描軌跡上看，可分別稱為點(diǎn)掃描、線掃描和面掃描。多個(gè)A掃描可形成B掃描，多個(gè)B掃描可形成C掃描。層析掃描可生成任意深度的C掃描。

圖1 三種掃描方式示意圖

與射線檢測(cè)相比，超聲波掃描技術(shù)具有靈敏度高、適用范圍廣、檢測(cè)成本低，檢測(cè)速度快、對(duì)人體和環(huán)境無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)具備一定的局限性，如對(duì)缺陷的取向有要求，不易檢測(cè)與聲束方向平行的缺陷，對(duì)不規(guī)則的或復(fù)雜形狀的試件檢測(cè)有一定的困難。

超聲波掃描顯微鏡被廣泛應(yīng)用在物料檢測(cè)(IQC)、失效分析(FA)、質(zhì)量控制(QC)、質(zhì)量保證及可靠性分析(QA/REL)以及研發(fā)(R&D)等領(lǐng)域?？蓹z測(cè)電子元器件、LED、金屬基板的分層、裂紋等缺陷(裂紋、分層、空洞等)。通過(guò)圖像對(duì)比度判別材料內(nèi)部聲阻抗差異、確定缺陷形狀和尺寸、確定缺陷方位。檢測(cè)精度可達(dá)微米級(jí)別。

1 超聲波掃描顯微鏡國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

第一臺(tái)聲學(xué)顯微鏡于1973年研制出來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，超聲波掃描顯微鏡的頻率由10 μm提升至15 nm，頻率也提升至近3 GHz。目前，超聲波掃描顯微鏡已有成熟的商業(yè)產(chǎn)品，但該技術(shù)被國(guó)外廠家壟斷。國(guó)外生產(chǎn)超聲波掃描顯微鏡的主要由德國(guó)、美國(guó)和日本的廠家壟斷[4]。

德國(guó)公司生產(chǎn)的超聲波掃描顯微鏡被廣泛地應(yīng)用于材料科學(xué)，半導(dǎo)體行業(yè)，生物學(xué)，太陽(yáng)能以及晶圓鍵合缺陷檢測(cè)等領(lǐng)域，給傳統(tǒng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)觀察帶來(lái)了全新的方法。如單探頭超聲波掃描顯微鏡SAM 401。該掃描顯微鏡的信號(hào)采樣率最大可選5 GHz，超高速、線性驅(qū)動(dòng)掃描平臺(tái)的最大掃描速度達(dá)1 500 mm/s，X、Y軸的重復(fù)精度為±0.1 μm。同時(shí)，用戶還可以根據(jù)工作需求選用多探頭掃描的超聲波掃描顯微鏡，可以使用多個(gè)超聲探頭同時(shí)對(duì)不同樣品進(jìn)行掃描，以提高無(wú)損檢測(cè)效率。如SAM 404四探頭超聲波掃描顯微鏡[5]。

美國(guó)某公司生產(chǎn)的超聲波掃描顯微鏡應(yīng)用于微電子學(xué)、材料檢測(cè)、電力能源、微機(jī)電系統(tǒng)與半導(dǎo)體測(cè)試等行業(yè)。如超聲波掃描顯微鏡Gen 7。Gen 7提供了先進(jìn)的硬件系統(tǒng)，具有極高的像素分辨率(1G像素)。X、Y、Z軸的精度達(dá)到0.5 μm。系統(tǒng)的超聲激勵(lì)接收帶寬為500 MHz，最高可以支持頻率為400 MHz的超聲波探頭使用，有效掃描面積最大可以掃描350 mm×350 mm的試件[5]。

美國(guó)某公司生產(chǎn)的超聲波掃描顯微鏡設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各種材料的無(wú)損檢測(cè)，包括半導(dǎo)體，汽車零件和其他先進(jìn)元件。如ECHO VSTM的超聲波掃描顯微鏡。此設(shè)備的掃描分辨率小于1 μm，在高分辨率下，掃描速度是傳統(tǒng)超聲波掃描顯微鏡的2.5倍；專門為更高精度要求，更復(fù)雜元器件設(shè)計(jì)的新一代設(shè)備。廣泛應(yīng)用內(nèi)在Flip chips、Stacked die、Bumped die，Bonded wafers等。該公司研制了全自動(dòng)超聲掃描設(shè)備ECHO ProTM，主要用于集成電路微電子封裝中細(xì)微缺陷識(shí)別的先進(jìn)超聲掃描顯微鏡。該系統(tǒng)支持15～300 MHz的超聲波探頭使用，最小能夠檢測(cè)薄至10 μm的空氣缺陷[6]。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了超聲顯微鏡的研究，取得了一定的研究成果。如從20世紀(jì)80年代起就有研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了超聲波掃描顯微鏡的研究工作，先后研制出了THSAM1-7、THSAM-M等一系列的超聲波掃描顯微鏡[6]。

文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一款基于PCI總線的超聲掃描顯微鏡，采樣速度達(dá)到250 MHz。該系統(tǒng)使用CPLD芯片對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，并結(jié)合計(jì)算機(jī)計(jì)算對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和顯示，使該系統(tǒng)可檢測(cè)0.2 mm的缺陷[7-8]。文獻(xiàn)[9]開(kāi)發(fā)了一臺(tái)適用于微小缺陷檢測(cè)的高頻超聲掃描顯微系統(tǒng)，該系統(tǒng)的掃描范圍為280 mm×240 mm，采樣頻率為5 GHz，能夠滿足500 MHz的高頻超聲換能器的成像需求[9]。文獻(xiàn)[10]搭建了一套高效率掃描超聲顯微成像檢測(cè)系統(tǒng)，并提出了“回”型掃描等掃描方法，將掃描效率提高了約29%。同時(shí)提出以相位譜法增強(qiáng)缺陷或邊緣點(diǎn)，提高檢測(cè)效率和精度[10]。

國(guó)內(nèi)也有一些生產(chǎn)超聲波掃描顯微鏡鏡產(chǎn)品等。產(chǎn)品主要集中在50 MHz以下的檢測(cè)能力，個(gè)別產(chǎn)品可以達(dá)到230 MHz，但超聲激勵(lì)接收設(shè)備和探頭主要為國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品。超聲波掃描顯微鏡的掃描速率最大為1 000 mm/s，定位精度最小達(dá)1 μm。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)超聲波掃描顯微鏡的研究起步較晚且研究成果較少，許多企業(yè)和研究所在科研和生產(chǎn)中所使用的高頻超聲波掃描顯微鏡主要依賴于進(jìn)口產(chǎn)品。組成的關(guān)鍵部件如超聲激勵(lì)接收儀和超聲波探頭，國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有可以達(dá)到國(guó)外產(chǎn)品水平的可替代產(chǎn)品。

基于上述情況，國(guó)內(nèi)有單位研制了國(guó)產(chǎn)的四探頭超聲波掃描顯微鏡AMC AM-401。該產(chǎn)品可進(jìn)行單談?lì)^、雙探頭及四探頭的掃描方式，機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的重復(fù)精度可達(dá)±1 μm，超聲激勵(lì)接收儀采樣分頻設(shè)計(jì)的思想，激勵(lì)和接收帶寬覆蓋了500 MHz。數(shù)據(jù)采集卡采用PCIe接口，每通道的采樣頻率最大為2 GHz。

2 超聲波掃描顯微鏡關(guān)鍵技術(shù)

超聲波掃描顯微鏡有三軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)、超聲激勵(lì)接收儀、數(shù)字化儀、超聲換能器和工控機(jī)等組成。超聲波掃描顯微鏡商業(yè)成熟產(chǎn)品主要被國(guó)外公司壟斷，亟需突破關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代。關(guān)鍵技術(shù)主要集中于超聲激勵(lì)接收儀、超聲波換能器和超聲波掃描成像方法的研究。

2.1 納秒級(jí)窄脈沖產(chǎn)生技術(shù)

針對(duì)高頻寬帶的激勵(lì)需求，激勵(lì)方法通常為編碼激勵(lì)[11-12]或脈沖激勵(lì)[13-14]。編碼激勵(lì)不需要高激勵(lì)電壓，可以在保證分辨率的情況下提高信噪比，可用于甚高頻和特高頻帶寬范圍內(nèi)的激勵(lì)，但編碼激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生和接收相對(duì)復(fù)雜且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。脈沖激勵(lì)包括尖峰激勵(lì)、方波激勵(lì)等。為了提高信噪比，在傳感器的安全工作范圍內(nèi)，脈沖激勵(lì)電壓應(yīng)盡可能高，可達(dá)到電壓至數(shù)百伏。脈沖激勵(lì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、高頻、寬帶、應(yīng)用范圍廣[15]的優(yōu)勢(shì)常應(yīng)用于頻率較高的工作范圍內(nèi)使用。

文獻(xiàn)[16]通過(guò)編碼任意波形發(fā)生器再加功率放大器激勵(lì)出了200 MHz超聲信號(hào)，在接收后通過(guò)互相關(guān)后減少了電反射造成的干擾，但是相對(duì)而言降低了信噪比[16]。文獻(xiàn)[17]利用邏輯門的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象使得數(shù)字邏輯器件產(chǎn)生窄脈沖，以此產(chǎn)生了脈沖寬度可調(diào)的納秒級(jí)窄脈沖信號(hào)[17]。文獻(xiàn)[18]實(shí)現(xiàn)了基于場(chǎng)效應(yīng)管的低成本單極性脈沖發(fā)生器。利用分立元件構(gòu)成了場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器，并基于高速大功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(Fast-Power-MOSFET)和-350 V的恒定直流源構(gòu)成了負(fù)脈沖信號(hào)發(fā)生裝置，可以產(chǎn)生脈沖寬度為10～500 ns、帶寬 1～60 MHz的脈沖信號(hào)[18]。文獻(xiàn)[19]基于GaN半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)了單極性脈沖激勵(lì)裝置，將脈沖信號(hào)的上升速率提高到100 V/ns，該設(shè)計(jì)可以用來(lái)激勵(lì)中心頻率為50 MHz的換能器，并實(shí)現(xiàn)了自激自收和一激一收兩種工作方式[19]。文獻(xiàn)[20]通過(guò)控制場(chǎng)效應(yīng)管的通斷控制電容的充放電狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度為350 ns，峰值400 V的負(fù)脈沖信號(hào)，并通過(guò)對(duì)放電電容、輸出電阻與超聲換能器之間進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)脈沖振幅的最佳值[20]。文獻(xiàn)[21]等人采用雪崩三極管(Avalanche transistor)設(shè)計(jì)出一款輸出峰值電壓400 V、脈沖寬度600 ps，重頻大于25 kHz的12級(jí)Marx電路脈沖源，利用結(jié)構(gòu)緊湊的PCB電路設(shè)計(jì)保證了輸出波形的穩(wěn)定性(寬帶抖動(dòng)小于1%)[21]。

文獻(xiàn)[22]使用基于三極管雪崩特性的窄脈沖產(chǎn)生電路輸出了上升時(shí)間低于 1 ns 級(jí)別的脈沖，并成功應(yīng)用在了煤礦井下通道超寬帶通信中[22]。文獻(xiàn)[23]比對(duì)了單管、雙管以及 Marx 脈沖產(chǎn)生電路之間的區(qū)別，并通過(guò)對(duì)三極管選型、電路PCB以及充電電容的優(yōu)化設(shè)計(jì)，抑制了電路在實(shí)際使用過(guò)程中容易發(fā)生的脈沖觸發(fā)抖動(dòng)現(xiàn)象[23]。文獻(xiàn)[24]提出了一種采用基極觸發(fā)方法的新型基于雪崩三極管的 Marx 電路拓?fù)潆娐罚鉀Q高電壓輸出和高重復(fù)率操作之間的矛盾[24]。文獻(xiàn)[25]等利用三極管的雪崩擊穿效應(yīng)產(chǎn)生了GHz級(jí)別的窄脈沖波形[25]。

超窄脈沖產(chǎn)生電路大多應(yīng)用在超寬帶通信領(lǐng)域，該領(lǐng)域所用電壓較小但帶寬要求較高，上升時(shí)間甚至低于ns級(jí)別。目前該方式的脈沖產(chǎn)生電路在超聲上的應(yīng)用較少，需要進(jìn)一步的研究。

2.2 高頻超聲信號(hào)調(diào)理技術(shù)

高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)是當(dāng)前信息技術(shù)領(lǐng)域熱門的研究方向之一，對(duì)信號(hào)的前期調(diào)理直接決定了后期所采集數(shù)據(jù)的性能，故而信號(hào)調(diào)理電路的研發(fā)則尤為重要。信號(hào)調(diào)理電路的內(nèi)容主要分為增益與濾波兩方面，目前國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)不同的應(yīng)用需求，對(duì)高頻信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究[26]。

2.2.1 增益放大電路的研究

針對(duì)增益放大電路的研究由多種方法，但對(duì)于超聲信號(hào)的放大電路，需要考慮信號(hào)的帶寬。

文獻(xiàn)[27]使用兩種放大器串聯(lián)的方式，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了兩級(jí)放大，提高了系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的適應(yīng)性；同時(shí)，針對(duì)超聲信號(hào)強(qiáng)度受很多因素影響且變化范圍廣的特點(diǎn)，使用二極管陣列對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)，能夠有效防止電壓及電流對(duì)系統(tǒng)的瞬態(tài)干擾[27]。

文獻(xiàn)[28]提出了一種緊湊的數(shù)控可變?cè)鲆娣糯笃?DVGA)，該放大器具有溫度補(bǔ)償線性分貝增益控制和直流偏移消除(DCOC)功能，集成了溫度補(bǔ)償dB線性增益控制、輸出共模反饋、6位數(shù)字增益控制。該設(shè)計(jì)DVGA的測(cè)量增益范圍為18.4 dB，平均步長(zhǎng)為0.3 dB，2 MHz至1.9 GHz的3 dB帶寬[28]。

另外，文獻(xiàn)[29]使用ADI公司的電壓控制放大芯片AD60390MHz帶寬下增益變化范圍為-11～31 dB典型的增益調(diào)整精度為0.5 dB[29]。

2.2.2 濾波電路的研究

濾波電路方面通常有兩種設(shè)計(jì)思路，一種是無(wú)源濾波(FC，frequency control filter)，另一種是有源濾波(APF，active power filter，)。

針對(duì)超聲換能器中心頻率不固定的特點(diǎn)，信號(hào)帶寬需要根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，程控濾波器主要有以下三種方法：第一種通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)或單位器切換電阻網(wǎng)絡(luò)；第二種是有先用有源集成濾波芯片。最后一種是直接使用 DSP 芯片(digital signal processor chip)對(duì)模數(shù)換器(digital-to-analog converter)采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波再由DAC輸出，速度受到所用器件的限制[30]。

文獻(xiàn)[31]通過(guò)低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款低損耗高抑制雙工器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)信號(hào)進(jìn)行分割輸出，其內(nèi)部由僅LC無(wú)源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成低/高通濾波器，在通帶內(nèi)插入損耗小于2.5 dB，阻帶內(nèi)抑制大于23 dB的性能[31]。

文獻(xiàn)[32]選用最典型的有源濾波電路是巴特沃斯濾波器，增加其濾波階數(shù)，通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)了上限截止頻率10 MHz，通帶增益28 dB的六階巴特沃斯低通濾波器[32]。

文獻(xiàn)[33]等通過(guò)串聯(lián)二極管通斷改變并聯(lián)電容的值，進(jìn)而改變電感之間的耦合關(guān)系從而改變其濾波效果，該方法的優(yōu)勢(shì)在于功率幾乎不損失，可用在功率較大的應(yīng)用場(chǎng)景中[33]。

綜上所述，可變?cè)鲆娣糯笃饕蚱浞奖憧刂频姆绞奖粡V泛應(yīng)用于可控增益領(lǐng)域內(nèi)，但是超聲信號(hào)因其激勵(lì)幅值過(guò)大不能直接接入可控可變?cè)鲆娣糯笃鲀?nèi)部。有關(guān)可控濾波方面依然較為薄弱，若使用無(wú)源濾波依然需要采用電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，在高頻信號(hào)工作范圍內(nèi)沒(méi)有穩(wěn)定可靠的截止頻率連續(xù)可控濾波方式，有待進(jìn)一步研究。

2.3 高頻聚焦式換能器研制技術(shù)

高頻聚焦式換能器(探頭)是超聲波掃描顯微鏡的關(guān)鍵部件。換能器的頻率越高，超聲波掃描顯微鏡的檢測(cè)分辨率越高。在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波換能器的性能常由于傳播中的衰減而無(wú)法達(dá)到期望中的效果，如何提升超聲波換能器性能將是超聲波掃描顯微鏡發(fā)展的主要問(wèn)題。

高頻超聲波換能器在制造過(guò)程中，壓電材料的選擇是最關(guān)鍵的步驟。如何選擇壓電材料，從兩個(gè)方面考慮。一方面是材料的制備工藝。壓電材料的厚度通常在工作頻率的半波長(zhǎng)處，才能制造出性能好的換能器。當(dāng)工作頻率達(dá)到超高頻時(shí)，壓電層的厚度加工是一個(gè)大問(wèn)題。因此，當(dāng)選擇材料時(shí)，要考慮其生長(zhǎng)情況、加工過(guò)程，加工難度，以及是否能更好與換能器的制備工藝相適應(yīng)。另外一方面是壓電材料的性能。壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)、介電常數(shù)和聲阻抗等是換能器設(shè)計(jì)中關(guān)鍵參數(shù)[34]。

目前，常用于做高頻或超高頻的聚焦換能器，常用的由LiNbO3單晶材料(鈮酸鋰)、ZnO薄膜材料和ALN薄膜材料[35]。

2.3.1 LiNbO3單晶換能器

單晶具有很高的壓電常數(shù)d33和機(jī)電耦合系數(shù)kt，在高性能傳感器制作方面，使其具有良好的應(yīng)用前景。此外，與多晶鐵電陶瓷不同，單晶是不受晶粒和孔隙度等因素的限制。LiNbO3單晶具有較高的聲速、優(yōu)異的壓電性能和較小的介電常數(shù)，在制造高頻大孔徑超聲換能器方面具有優(yōu)勢(shì)。

文獻(xiàn)[36]利用LiNbO3材料研制了100～300 MHz的高頻聚焦換能器。300 MHz的換能器的壓電層厚度只有9 μm[36]。文獻(xiàn)[37]利用LiNbO3材料研制出了400 MHz的超聲換能器，壓電層厚度只有7.1 μm[37]. 文獻(xiàn)[38]研制了中心頻率為526 MHz的超聲換能器，LiNbO3材料的壓電層厚度只有6 μm。

上述的超聲換能器的頻率高，波長(zhǎng)小，可應(yīng)用于生物領(lǐng)域檢測(cè)細(xì)胞結(jié)構(gòu)。但是，將LiNbO3的厚度加工至微米級(jí)別，加工難度極大，因此，這種方法很難推廣及應(yīng)用。

2.3.2 薄膜式換能器

超聲波掃描顯微鏡系統(tǒng)中所用的換能器常為透鏡聚焦式換能器。通常在超高頻范圍內(nèi)，透鏡是基于在藍(lán)寶石或硅襯底上研磨或刻蝕形成球形空腔以實(shí)現(xiàn)聚焦效果[39-40]，并在透鏡另一面濺射ZnO或AlN薄膜作為壓電材料。

ZnO或AlN薄膜材料是使用MEMS工藝加工的，由于這種壓電薄膜材料的性能不如傳統(tǒng)的鐵電材料的壓電性能，因此，在鍍膜過(guò)程中需要摻雜其他材料來(lái)提高壓電性能。如文獻(xiàn)[41]和文獻(xiàn)[42]將Cr摻雜到AlN中制作薄膜來(lái)提高其壓電性能[41-42]。文獻(xiàn)[43]使用摻雜Cr的AlN薄膜研制了40～80 MHz的超聲換能器[43]。文獻(xiàn)[44]研制出了200 MHz的摻雜Cr的AlN薄膜超聲換能器。圖2為AlN薄膜超聲換能器的實(shí)物圖[44]。

圖2 AlN薄膜超聲換能器

文獻(xiàn)[45]研制了基于MEMS工藝的ZnO薄膜超聲換能器，中心頻率為200 MHz[45]。文獻(xiàn)[46]研制了在硅透鏡上鍍ZnO薄膜材料，研制出了中心頻率為330 MHz的超聲換能器，該換能器在生物學(xué)上具有很大潛力。圖3為研制的ZnO薄膜換能器的實(shí)物圖[46]。

圖3 ZnO薄膜超聲換能器

文獻(xiàn)[47]提出了一種削弱邊緣回波的透鏡結(jié)構(gòu)，如圖4所示。從而使邊緣回波在時(shí)間軸上遠(yuǎn)離來(lái)自反射體的回波[47]。然而，ZnO材料因其在超高頻范圍內(nèi)信號(hào)幅值過(guò)小而導(dǎo)致?lián)Q能器性能較差。為解決這一問(wèn)題，后來(lái)有學(xué)者提出了一種金屬有機(jī)氣相淀積及溶膠-凝膠等方法[48]，給使用透鏡聚焦的超高頻換能器提出一種新的解決思路。

圖4 削弱邊緣回波的透鏡結(jié)構(gòu)

圖5 骨骼細(xì)胞檢測(cè)結(jié)果[4]

國(guó)外具有成熟的生產(chǎn)中心頻率200 MHz以下的超聲換能器的生產(chǎn)工藝，200 MHz以上也可定制生產(chǎn)，目前已報(bào)道的國(guó)外可生產(chǎn)的高頻超聲換能器的最高頻率為2 GHz，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物活體細(xì)胞的檢測(cè)。以下為骨骼細(xì)胞的檢測(cè)結(jié)果。

國(guó)內(nèi)目前成熟的技術(shù)可生產(chǎn)25 MHz以下的高頻超聲換能器。25 MHz以上的高頻超聲換能器，由于生產(chǎn)工藝的限制，未有成熟的產(chǎn)品，但有公司正在開(kāi)展生產(chǎn)工藝的研究工作。

2.4 超聲C掃描成像技術(shù)

高頻超聲C掃描成像技術(shù)，可以獲得被測(cè)試件表面以及內(nèi)部在不同深度層面上的二維聲學(xué)圖像。

常規(guī)的超聲C掃描成像技術(shù)如圖6所示，首先將被測(cè)試件放置于水槽中，在掃描過(guò)程中，高頻超聲換能器在預(yù)設(shè)的路徑下進(jìn)行掃查，通常采用蛇形掃方式。換能器采用反射工作模式，當(dāng)超聲波透過(guò)被測(cè)試件表面、遇到缺陷(如孔隙、裂紋等)時(shí)，會(huì)發(fā)生部分反射，反映在時(shí)域信號(hào)當(dāng)中即為直達(dá)波、缺陷回波以及底面回波，如圖7所示[49]。

圖6 超聲波C掃描式示意圖

圖7 超聲波傳播路徑示意圖

將不同位置的回波信號(hào)的幅值或時(shí)間值作為成像的特征值，將同一深度上的特征值按照位置關(guān)系列為二維數(shù)值矩陣，即為對(duì)應(yīng)深度處的 C 掃描成像結(jié)果[49]。

在常規(guī)超聲C掃描的成像基礎(chǔ)上，也發(fā)展使用不同特征值或信號(hào)處理技術(shù)的成像方法，如TOF(times of flight)成像、頻域成像、相位成像等技術(shù)。

超聲回波信號(hào)除了時(shí)間和幅值信息外，還包括其他的特征參量，如脈沖寬度、到達(dá)時(shí)間TOF、相位等?；夭ǖ腡OF值，一般取時(shí)窗范圍內(nèi)絕對(duì)值最大的峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間值。TOF成像主要用來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的深度信息，使用相對(duì)較少[50]。

提出了基于傅立葉變換的頻域成像的概念，選取特定的頻率來(lái)進(jìn)行成像，從而提高了圖像的分辨率[51]。利用頻域成像的概念，選取閘門內(nèi)時(shí)域波形上數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，用當(dāng)前超聲換能器中心頻率對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)成分進(jìn)行成像[52]。這種方法因其計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、數(shù)據(jù)量龐大和計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題無(wú)法應(yīng)用于實(shí)時(shí)檢測(cè)成像。

使用了相位成像模式，是將回波信號(hào)中對(duì)應(yīng)的相位信息提取出來(lái)。此方法需要提取某一位置的信號(hào)作為參考信號(hào)，根據(jù)反射回波與參考信號(hào)相比是否發(fā)生相位反轉(zhuǎn)來(lái)設(shè)置用于成像的顏色值[53]。提出了基于極值統(tǒng)計(jì)理論的數(shù)據(jù)處理算法，依據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得信號(hào)的幅值添加置信區(qū)間來(lái)確定缺陷回波的位置[54]。提出利用基于AR模型的頻譜外推方法，有效改善了時(shí)域信號(hào)的質(zhì)量，且提高了成像結(jié)果的信噪比[55]。

除此之外，利用Gabor小波特征用于檢測(cè)復(fù)雜紋理背景下的缺陷[56]。提出了基于局部協(xié)方差特征的圖像插值方法，明顯提高了C掃描圖像分辨率，并且減小了邊緣模糊效應(yīng)，提高了圖像中缺陷分布評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性[57]。

綜上所述，試件掃描檢測(cè)完成之后所采用的成像算法以及圖像增強(qiáng)技術(shù)對(duì)提高C掃描圖像的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，高質(zhì)量的C掃描圖像對(duì)被測(cè)試件及內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷尺寸大小以及形狀的展示能力強(qiáng)于普通的C掃描圖像。

3 超聲波掃描顯微鏡應(yīng)用領(lǐng)域

超聲波掃描顯微鏡在材料科學(xué)檢測(cè)、半導(dǎo)體測(cè)試行業(yè)和新能源等行業(yè)應(yīng)用比較廣泛。

3.1 材料科學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域

超聲波掃描顯微鏡可檢測(cè)的材料包括金屬涂層材料、復(fù)合材料和金屬材料等。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料NiCoCrAlYTa六元涂層試樣進(jìn)行檢測(cè)。作者引入卷積濾波技術(shù)和波包分解技術(shù)，對(duì)界面混疊回波信號(hào)進(jìn)行提取分析，實(shí)現(xiàn)了涂層厚度的準(zhǔn)確檢測(cè)[58]。對(duì)薄層材料微小缺陷的檢測(cè)以及超薄樣本聲學(xué)屬性和幾何尺寸的測(cè)量，使其成為薄層材料定征應(yīng)用中一種首選的技術(shù)手段[59]。

使用超聲掃描顯微鏡對(duì)鋯合金多層復(fù)合材料包殼厚度進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明SAM技術(shù)可以有效對(duì)厚度約為0.3～0.6 mm 的鋯合金多層復(fù)合材料包殼進(jìn)行厚度測(cè)量[60]。同時(shí)，該作者又對(duì)鋯合金淺焊縫熔深進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖8所示[61]。

圖8 焊縫熔深檢測(cè)結(jié)果

使用超聲波掃描顯微技術(shù)對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)件焊縫熔深進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，焊縫熔深實(shí)測(cè)平均偏差為137.4 μm。該技術(shù)解決了焊縫熔深的檢測(cè)難題，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考[62]。

對(duì)產(chǎn)氚包層焊縫進(jìn)行了研究，蓋板流道封焊為研究對(duì)象，采用不同參數(shù)探頭及水層厚度，提高了檢測(cè)靈敏度，并解決了蓋板流道封焊中小缺陷不易檢出的難題[63]。

使用超聲波掃描顯微鏡對(duì)銅/鋁摩擦焊縫進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)銅和鋁的接合面的焊接情況來(lái)判斷焊接質(zhì)量，此方法檢測(cè)靈敏度高、分辨率好、檢測(cè)結(jié)果直觀[64]。

另外，超聲波掃描顯微鏡還可應(yīng)用于飾品的鍍金層厚度的檢測(cè)。利用超聲波掃描顯微鏡對(duì)銀鍍金和銅鍍金樣品進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍍層樣品厚度的定量分析，在無(wú)損前提下得到貴金屬樣品內(nèi)部信息，對(duì)于未來(lái)珠寶檢測(cè)行業(yè)具有重要指導(dǎo)意義[65]。

3.2 半導(dǎo)體測(cè)試行業(yè)

超聲波掃描顯微鏡應(yīng)用在半導(dǎo)體測(cè)試行業(yè)，主要用于測(cè)試晶圓材料及各種封裝的電子器件。

電子封裝內(nèi)部缺陷的尺度微小，引腳焊接的間距也很小，傳統(tǒng)檢測(cè)方法很難對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。利用聚焦高頻超聲來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，能對(duì)試樣表面、亞表面及其內(nèi)部一定深度內(nèi)的細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯微成像，用來(lái)檢測(cè)電子封裝和評(píng)估焊接質(zhì)量[66]。開(kāi)發(fā)了一臺(tái)低成本、最高采樣率可達(dá)4 GHz的超高頻超聲波掃描顯微鏡，并使用該系統(tǒng)清晰地觀察集成芯片的封裝情況[67]。利用超聲波掃描顯微鏡對(duì)塑封器件內(nèi)部進(jìn)行了檢測(cè)，可檢測(cè)塑封器件內(nèi)部的分層及空洞等缺陷[68]。使用超聲波掃描顯微鏡對(duì)IGBT 進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)IGBT模塊中的空洞、脫附等界面潛在缺陷，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了IGBT模塊的結(jié)構(gòu)缺陷，這些缺陷的表征對(duì)評(píng)IGBT模塊質(zhì)量具有重要意義超聲波掃描顯微鏡還可以對(duì)電子芯片進(jìn)行失效性分析。在電子芯片的失效模式主要分為幾種，界面分層、倒焊封裝中焊球的熔融、芯片破裂、分層、碎屑及散熱蓋失效等。使用超聲波掃描顯微鏡的C掃描模式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上述失效模式進(jìn)行檢測(cè)[70-71]。

目前成熟的超聲顯微鏡系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體測(cè)試行業(yè)。超聲波掃描顯微鏡對(duì)電路板進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果如圖9所示[2]。

圖9 電路板測(cè)試結(jié)果

3.3 新能源行業(yè)

太陽(yáng)能電池板為新能源一個(gè)典型應(yīng)用。制造過(guò)程中光學(xué)不可見(jiàn)的異常和缺陷會(huì)降低太陽(yáng)能電池板的質(zhì)量，典型缺陷有裂紋、分層或氣孔。需要使用超聲波掃描顯微鏡進(jìn)行成像和分析，減少缺陷的產(chǎn)生。圖10是一個(gè)硅電池與粘接硅電池的基底間界面的聲學(xué)圖像，圖像中點(diǎn)狀物即為氣孔缺陷[72]。

圖10 聚光電池和基底間測(cè)試結(jié)果

近年來(lái)，各大新能源汽車廠商將熱管理系統(tǒng)的性能作為重點(diǎn)研發(fā)內(nèi)容，核心部件水冷板的焊接質(zhì)量直接關(guān)系到新能源汽車的可靠性與安全性。

新能源汽車的電池冷卻系統(tǒng)主要包括電池、電池冷卻器和水冷板等重要部件。常用電池用釬焊水冷結(jié)構(gòu)主要有兩種：水冷板結(jié)構(gòu)和直冷板結(jié)構(gòu)[73]。這兩種結(jié)構(gòu)的水冷板主要焊接工藝完成，因此，除去考慮材料本身強(qiáng)度和產(chǎn)品的耐腐蝕能力以外，更多的是對(duì)于焊接質(zhì)量的保證。圖11為對(duì)水冷板掃查的結(jié)果[73]。

圖11 水冷板檢測(cè)結(jié)果

超聲波掃描顯微鏡除了在上述行業(yè)應(yīng)用之外，在新能源的電池行業(yè)、生物檢測(cè)等行業(yè)也有應(yīng)用。

4 超聲波掃描顯微鏡發(fā)展

通過(guò)以上分析可知，超聲波掃描顯微鏡應(yīng)用廣發(fā)，解決了工程上無(wú)法檢測(cè)的難題。國(guó)內(nèi)的設(shè)備主要以低頻段為主，50 MHz以下比較常見(jiàn)。高頻的高端設(shè)備基本以國(guó)外設(shè)備為主。因此，超聲波掃描鏡的發(fā)展主要由以下幾個(gè)方面：

1)向更高頻頻超聲方向發(fā)展。超聲波掃描顯微鏡的檢測(cè)分辨率是由超聲波的頻率決定的。超聲波頻率越高，檢測(cè)的分辨率越高，但同時(shí)，超聲波的衰減也增大，得到的超聲回波信號(hào)越小。因此，超聲波的頻率和衰減特性，限制了超聲波掃描顯微鏡的使用。

因此，超聲波掃描顯微鏡的發(fā)展，必將發(fā)展可以激勵(lì)更高頻的超聲波設(shè)備，使超聲波掃描顯微鏡的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。

2)向自動(dòng)化檢測(cè)方向發(fā)展。目前，超聲波掃描顯微主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，對(duì)于生產(chǎn)線的檢測(cè)需求也越來(lái)越多。未來(lái)更加自動(dòng)化的設(shè)備需求會(huì)增多，如自動(dòng)上料，自動(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)上下水循環(huán)系統(tǒng)等。

工業(yè)超聲檢測(cè)技術(shù)目前很大一部分都是人工操作，檢測(cè)效率低，數(shù)據(jù)記錄不完善、不規(guī)范。隨著國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化工作的逐步完善，對(duì)檢測(cè)的要求越來(lái)越高。而隨著工業(yè)4.0、大數(shù)據(jù)等技術(shù)地不斷推廣，現(xiàn)階段手工檢測(cè)已經(jīng)逐步被一些自動(dòng)化設(shè)備替代。當(dāng)然自動(dòng)化的發(fā)展不是一蹴而就的事情，需要在實(shí)踐中不斷摸索、循序漸進(jìn)。

3)向智能化方向發(fā)展。超聲波掃描顯微鏡對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的缺陷需要人工去判別。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)缺陷類型的識(shí)別和判斷方法越來(lái)越多，對(duì)試件的剩余壽命的預(yù)測(cè)技術(shù)也逐漸成熟。因此，超聲波掃描顯微鏡在自動(dòng)化的基礎(chǔ)上會(huì)繼續(xù)向智能化的方向發(fā)展?？蓪?duì)缺陷的類型、大小及危害程度進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并可對(duì)裝備的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4)向國(guó)產(chǎn)化方向發(fā)展。隨著國(guó)家對(duì)高端儀器的研制的政策支持，會(huì)加快超聲波掃描顯微鏡的國(guó)產(chǎn)化研制工作。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的低頻的超聲掃描顯微鏡的硬件主要采用國(guó)外的關(guān)鍵組部件進(jìn)行集成。核心技術(shù)未掌握，是限制國(guó)內(nèi)超聲波掃描顯微鏡發(fā)展的最大因素。因此，突破關(guān)鍵技術(shù)和國(guó)產(chǎn)化替代研制，是國(guó)內(nèi)超聲波掃描顯微鏡發(fā)展前進(jìn)的方向和未來(lái)。

5 結(jié)束語(yǔ)

超聲波掃描顯微鏡在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。隨著超聲波技術(shù)的發(fā)展，聲頻會(huì)越來(lái)越高，超聲顯微鏡的本領(lǐng)將越來(lái)越大?？梢灶A(yù)料，它與其他尖端技術(shù)結(jié)合，將會(huì)發(fā)揮出更大、更獨(dú)特的作用。