[发明专利]杨氏模量和泊松常数的超声表面波双向检测方法

摘要

本发明属于材料性能检测技术领域，涉及一种杨氏模量和泊松常数的超声表面波双向检测方法，用于检测由各向同性薄膜淀积在硅衬底上形成的分层薄膜材料，包括下列步骤：利用短脉冲激光器在分层薄膜材料样片表面激发出宽频带超声表面波；通过压电探测器分别在样片表面的Si[110]方向和Si[100]方向对表面波信号进行采集，得到超声表面波在该方向上分层薄膜材料上传播的频散曲线；设置多个杨氏模量和泊松常数计算出多条不同的理论色散曲线，将实验测得的表面波实验色散曲线和这些理论色散曲线进行拟合，可以得到与实验色散曲线最接近的理论色散曲线，从而确定出薄膜材料的杨氏模量和泊松常数。本发明提出的方法具有快速，准确，无损检测等特点。

主权项

一种杨氏模量和泊松常数的超声表面波双向检测方法，用于检测由各向同性薄膜淀积在硅衬底上形成的分层薄膜材料，包括下列步骤：(1)利用短脉冲激光器在分层薄膜材料样片表面激发出宽频带超声表面波；(2)通过压电探测器在样片表面的Si[110]方向对表面波信号进行采集，得到超声表面波在该方向上分层薄膜材料上传播的频散曲线；(3)通过压电探测器在样片表面的Si[100]方向对表面波信号进行采集，得到超声表面波在该方向上分层薄膜材料上传播的频散曲线；(4)根据表面波传播的波动方程，建立分层薄膜材料中微小弹性单元沿三维坐标方向xi，i＝1，2，3，的位移公式；根据表面波在分层薄膜材料上传播应该满足的边界条件为在薄膜与衬底分界面上位移连续和应力连续，在自由表面上应力为零的边界条件，利用微小弹性单元沿三维坐标方向xi的位移公式建立边界条件矩阵，其中包含速度v，频率f，方向余弦l1，l2，l3，杨氏模量Ef，泊松常数σf，薄膜密度ρf，薄膜厚度d，硅衬底密度ρs，衬底弹性常量cijs参数，其中薄膜密度，薄膜厚度，硅衬底密度，衬底弹性常量均为通过其他方法得到的已知参数；设定杨氏模量和泊松常数使边界条件矩阵为零，通过计算软件编程求解边界条件矩阵为零的方程，得到关于速度v和频率f的函数关系。对于每个不同的速度v，通过求解该函数关系，求得它所对应的频率f，从而在理论上得到超声表面波在分层结构中传播的速度-频率色散关系；(5)预先在(0.1～0.5)区间内设置泊松常数作为已知参数，对步骤(2)得到的表面波在Si[110]方向传播的频散曲线，利用改变杨氏模量值得到的理论色散曲线通过平方误差最小原则进行拟合，从而测得分层薄膜材料的杨氏模量；(6)将Si[110]方向得出的杨氏模量作为已知参数，对步骤(3)得到的表面波在Si[100]方向传播的频散曲线，利用改变泊松常数得到的理论色散曲线进行拟合通过平方误差最小原则进行拟合，从而测得超薄薄膜材料的泊松常数。