[发明专利]用于非压电材料的声波激励装置、探测系统、场分布测法

说明书

本发明公开了一种用于非压电材料的高频声波激励装置、扫描探测系统、测定场分布的方法，所述装置包括用于产生高频振动的压电陶瓷片，与压电陶瓷片刚性连接的金属钨针，置于金属钨针同侧的用于观测金属钨针的针尖位置的高倍数CCD，所述金属钨针的针尖与待测样品上的点声源激励位置接触，所述金属钨针用于将压电陶瓷片产生的高频振动传到点声源激励位置并发出高频声波。本发明可应用在微观体系的压电材料上，且测定结果精准，其中的精密的三轴扫描平台可以实现任意非压电材料表面的某一区域进行扫描获得其场分布信息。

技术领域

本发明涉及一种高频声波激励装置、扫描探测系统、测定场分布的方法，尤其涉及一种用于非压电材料的高频声波激励装置、扫描探测系统、测定场分布的方法。

背景技术

不断发展的科学技术对声波的频率要求越来越高，对高频声波激励和精准探测一直以来都是学术界及产业界的目标。传统宏观体系下，声波的激励和探测都比较容易，比如专利CN 106198729 B公开了一种应用于宏观体系的声板波自聚焦光干涉扫描探测系统，利用压电换能器和外差干涉仪可以测量声波的场分布信息，但仅使用于宏观系统，不适用于微观体系；在微观体系下，压电材料由于其本身性质，可以通过在压电材料表面制备叉指换能器激励声波，如在研究论文“30 GHz Surface Acoustic Wave Transducers withExtremely High Mass Sensitivity” Appl.Phys.Lett.116,123502(2020)中制备出的世界上最小周期的叉指换能器用来激励声波，但由于非压电材料不具备压电效应，所以在非压电材料表面制备叉指换能器无法产生声波。

非压电材料体系，比如最常见的半导体材料Si/SiO₂中声表面波、板波的研究非常广泛，比如研究声波在声子/光子晶体中的传播规律、研究光力学微腔对品质因子的影响、声光力物理场之间的相互耦合等，所以探测和确定非压电材料体系的小振幅表面振动是非常重要的。然而非压电材料体系中不仅声波的激励非常困难，声波的探测也不容易，特别是当频率超过100KHz时，最大振幅可能只有几个纳米，并且由于芯片的尺寸小，无法通过传统的超声换能器来激励声波。

由于工程应用中的精度要求不高，干涉仪激光打在宏观材料如铝合金，不锈钢等表面上的反射属于漫反射，漫反射回来的光面积大很容易进入干涉仪激光探头内，而半导体材料的表面都会进行抛光处理，激光打在上面相当于镜面反射，反射光将很难返回干涉仪激光探头内。

高分辨率、高测速、高精度是外差激光干涉仪的显著特点，激光源发出的光经分光镜分成两束，之后使参考臂和测量臂中的某一束光的频率对于原始频率f 发生微小的频移f_m(f_m＜＜f)变为f+f_m。测量臂经过样品表面反射最终与参考臂的光发生干涉作用，得到光强的干涉项为：

由环境因素导致的相位变化对于总相位变化影响并不大，因此这种测量方法对测量环境的包容度非常大，仅普通测量平台即可无需高精度光学平台，并且几乎不受样品表面的粗糙、台阶起伏、反射率起伏的影响，非常适用于半导体材料表面声场的测量。在这个数量级下，非接触测量方法的优势非常明显，而激光干涉仪就是一种用来测量表面微小振动十分有效的非接触光学测量方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种微观体系下、精确度高的用于非压电材料的高频声波激励装置；本发明的另一目的是提供一种包含高频声波激励装置的扫描探测系统；本发明的另一目的是提供一种测定场分布的方法。

技术方案：本发明的用于非压电材料的高频声波激励装置，所述装置包括用于产生高频振动的压电陶瓷片，与压电陶瓷片刚性连接的金属钨针，置于金属钨针同侧的用于观测金属钨针的针尖位置的高倍数CCD，所述金属钨针的针尖与待测样品上的点声源激励位置接触，所述金属钨针用于将压电陶瓷片产生的高频振动传到点声源激励位置并发出高频声波。