面向微器件检测的超声多参数测量与显微成像关键技术研究

发布时间：2017-03-25 12:13

  本文关键词：面向微器件检测的超声多参数测量与显微成像关键技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：具有极高精度和微细内部结构的微器件,如微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,简称MEMS)、集成电路(Integrated Circuits,简称IC)和多层复合材料等广泛应用于航空航天、超大规模集成电路制造、生物医学工程、精密制造和控制、信息通讯等各个重要领域。作为微器件的制造过程中不可或缺的环节,高精度、高效率微器件无损检测技术对于保证器件和材料的性能和可靠性具有重要的意义。不同于光学成像、扫描探针等检测技术,超声和X射线等检测手段可以穿透到材料内部,可以同时实现表面和内部的无损检测。但是x射线对于微器件的常见缺陷如分层等不敏感。超声检测有多种实现方法,如扫描超声波显微镜技术、相控阵声扫描技术、导波检测技术等。其中,扫描超声波显微镜技术检测分辨率最高,适用于微器件的检测。随着微器件向材料多样化、集成化、多层化的快速发展,传统的扫描超声成像检测技术出现了越来越多的瓶颈问题： 1)超声图像中每个像素的灰度值对应于该点的声阻抗值(或反射系数值)的大小,所以扫描超声成像的核心问题是如何精确地测量每个像素点处的材料声阻抗值,然而超声回波信号中包括了材料的多种参数,在微尺度下如何从回波信号中测量得到材料局域多参数以分离出声阻抗值一直是困扰着超声显微检测技术的难题；2)大多数微器件由很多层不同材料叠加形成,传统的基于超声回波频域处理的方法难以解决多层材料参数的同时测量问题,未知的多参数变量随着层数的增加而增加,参数求解问题尤为凸显；3)在获得微器件的超声图像之后,快速精准地对器件中的缺陷目标实现快速检测仍然是亟待解决的问题。4)在传统扫描成像仪器中,高分辨率和高速成像检测往往不可得兼,如何开发一套扫描超声显微检测系统同时实现扫描分辨率和成像速度的最优化一直是迫切需要解决的难题。本论文总共分为以下六章：第一章简要介绍了目前国内和国际上微器件无损检测技术发展的现状和趋势,明确了现在微器件超声检测技术所面临的技术挑战和存在的瓶颈问题,并针对于此,确立了材料局域多参数同时测量、多层多参数同时测量、大规模超声图像缺陷快速检测算法和高效率扫描超声显微成像检测系统四个主要研究内容,并对其研究意义作出简要阐述。第二章研究了微器件的材料局域多参数同时测量技术。为了获取高分辨率扫描超声图像中每个像素的灰度值,即材料的声阻抗值(或者声反射系数值),本论文首先提出了基于V(z,t)技术的材料局域多参数同时求解方法。将一系列脉冲反射回波信号V(z,t)进行二维傅里叶变换得到材料的二维反射系数谱Re(θ,ω),并用传播矩阵计算出理论的二维反射系数谱R1(θ,ω),通过谱拟合精确地测量出包括声阻抗在内的六个机械和几何特性参数。这种方法不需要任何已知变量即可得到被测材料的相应参数。另外,为了避免拟合过程中需要给定初始值的问题,提出了基于聚焦法的局域多参数测量方法,通过将超声束分别聚焦于被测层的上下表面以得到材料的声阻抗等四个多参数。第三章研究了微器件多层材料多参数的测量技术。传统的基于频谱拟合原理的测量方法极易出现求解不稳定的问题,并且随着层数的增加该问题更加凸显。本论文首次提出了时域回波信号处理方法。根据不同界面反射回波之间的不重叠部分的处理可以依次得到声阻抗、渡越时间和声衰减系数。对于多层材料,建立逐层测量算法依次求解每层的声学特性参数。经过仿真和实验验证,该算法有效解决了多层材料多参数测量难题。第四章研究了大规模微器件的超声图像中缺陷的快速检测技术。在很多微器件的超声图像中,缺陷(如分层、裂纹、气泡等)可以看作是具有稀疏性的不规则二维信号,而多个微器件图像中的大部分正常区域则具有规律性和周期性。因此,本论文将缺陷看作是大规模微器件超声图像中的显著信号,首先采用相位谱法快速检测到图像中的显著点,然后再在显著像素点处进行局域匹配算子以判别出真正的缺陷。论文中严格证明了相位谱法可以迅速过滤图像中绝大部分正常区域,而将缺陷或其他边缘点处增强。实验研究表明这种检测方法有效提高了检测效率和精度。第五章基于材料局域、多层多参数测量技术和大规模超声图像中缺陷检测算法,结合高效率机械扫描技术,自主构建了扫描超声显微成像检测平台。针对高效率扫描技术展开了研究,提出了基于双轴联动的快速机械扫描方法,利用双轴同时扫描策略,将两轴电机的运动结合起来实现共同扫描和共同步进,提出了两种快速扫描方式：快速栅格扫描和“回”型扫描。研究了在X、Y电机在不同运动和控制参数组合下最优的扫描轨迹规划,理论分析和实验结果表明,在不改变任何硬件的前提条件下,所提出的快速扫描方法可以提高扫描效率近30%。此外,还开发了多层同时扫描成像和3D成像模式。第六章总结了本论文的主要工作、创新点和关键技术,对今后微器件的扫描超声检测技术的发展和改善作出进一步规划和展望。
【关键词】：超声显微成像 超声无损检测 微制造 微器件 机械与几何特性参数测量 图像显著性 缺陷检测
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-15
• 1 绪论15-36
• 1.1 研究背景15-17
• 1.2 面向微器件的材料参数测量与成像检测技术17-21
• 1.2.1 光学和扫描探针检测技术17
• 1.2.2 红外热成像检测技术17
• 1.2.3 声发射检测技术17-18
• 1.2.4 激光散射检测技术18
• 1.2.5 X射线检测技术18
• 1.2.6 超声检测技术18-19
• 1.2.7 超声与其他物理手段相结合的检测技术19-21
• 1.3 扫描超声显微成像检测技术研究现状21-31
• 1.3.1 扫描超声显微成像工作原理21-23
• 1.3.2 材料多参数测量与超声显微成像机制23-26
• 1.3.3 超声图像中快速缺陷检测技术26
• 1.3.4 扫描超声显微成像检测系统26-31
• 1.4 论文的研究意义及研究内容31-35
• 1.4.1 论文研究意义与目标31-32
• 1.4.2 论文来源与项目支持32
• 1.4.3 论文的研究内容32-35
• 1.5 本章小结35-36
• 2 材料局域多参数定量测量技术36-56
• 2.1 引言36-37
• 2.2 基于 V(z,t)的局域多参数测量37-43
• 2.2.1 二维反射系数谱R_t(θ,ω)的理论模型37-40
• 2.2.2 从V(z,t)到二维反射系数谱R_e(θ,ω)的测量40
• 2.2.3 二维反射系数谱拟合求解局域多参数算法40-41
• 2.2.4 实验研究结果与分析41-43
• 2.3 基于自动聚焦的局域多参数测量43-54
• 2.3.1 局域声速和厚度同时测量43-46
• 2.3.2 局域声阻抗测量46-49
• 2.3.3 实验研究结果与分析49-54
• 2.4 本章小结54-56
• 3 多层材料多参数定量测量技术56-76
• 3.1 引言56-57
• 3.2 时域超声信号处理与多层多参数测量57-61
• 3.2.1 时域超声信号处理57-60
• 3.2.2 多层材料多参数测量算法60-61
• 3.3 实验研究61-74
• 3.3.1 实验准备61-62
• 3.3.2 实验结果62-73
• 3.3.3 分析与讨论73-74
• 3.4 本章小结74-76
• 4 大规模微器件超声图像中缺陷快速检测技术76-94
• 4.1 引言76-78
• 4.2 大规模微器件超声图像中的显著性检测78-82
• 4.3 基于显著图的缺陷检测方法82-84
• 4.4 实验研究84-93
• 4.4.1 实验准备85
• 4.4.2 实验结果85-91
• 4.4.3 分析与讨论91-93
• 4.5 本章小结93-94
• 5 高效率扫描超声显微成像检测系统94-125
• 5.1 引言94-95
• 5.2 扫描超声显微检测系统的建立95-100
• 5.2.1 基本工作原理95-97
• 5.2.2 系统硬件和软件97-100
• 5.3 双轴联动快速扫描轨迹的理论研究100-118
• 5.3.1 快速扫描方法的提出与效率分析100-106
• 5.3.2 最优快速扫描方法的一般形式106-111
• 5.3.3 双轴联动快速扫描方法的实验验证111-117
• 5.3.4 快速扫描方法的优势117-118
• 5.4 扫描超声显微检测系统多种成像模式及实验结果118-123
• 5.5 本章小结123-125
• 6 总结与展望125-129
• 6.1 论文总结125-127
• 6.2 论文创新点127
• 6.3 研究展望127-129
• 参考文献129-142
• 作者攻读博士学位期间的成果142-145

【参考文献】

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1 陈剑;基于超声显微镜的薄层材料多参量一体化定征关键技术研究[D];浙江大学;2013年

  本文关键词：面向微器件检测的超声多参数测量与显微成像关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：267191