一種熱波成像膜層厚度檢測系統及方法與流程
2023-05-08 01:25:46 1
本發明涉及一種基於熱波成像技術的膜層厚度檢測系統及方法，特別是採用脈衝式均勻熱激勵，並採用逐行掃描熱成像技術實現對膜層厚度的檢測，屬紅外無損檢測技術領域。
背景技術：
隨著科學技術的快速發展，塗層與薄膜的應用越來越廣泛，工業界對膜層厚度的測量提出了更高的要求，比如要求在線、非接觸、實時檢測等等。目前對膜層厚度的檢測所使用的常規方法主要包括渦流、超聲、X射線、探針法和光學法等，但這些方法不能完全滿足現代工業對膜厚測量的要求，如渦流法對襯底材料性質有要求，必須導電；超聲法需要耦合劑，並且不能有效測量薄膜層；X射線要求樣品必須是可進行透射檢測，並且有特殊安全防護的要求；探針法屬接觸型的檢測，可能會傷害樣品；而光學法要求膜層必須是透明介質，且具有很高光潔度，等等。目前很多塗層的具有厚度薄、非透明、脆弱易受損等特性，因此滿足這些膜層的測量需要採用更先進的技術手段。
熱波成像技術是近代發展起來的一項無損檢測手段，其基本原理是採用熱激勵源對試件表面進行加熱，產生熱脈衝並向試件內部傳播，當熱波在試件內部遇到缺陷或者熱阻抗發生變化的地方熱能就會產生一部分反射回到試件的表面，在試件表面形成動態的溫度分布。採用紅外熱像儀記錄試件表面溫度隨時間變化的信息，再通過圖像處理對熱波信號進行校正、數據處理和分析，實現對膜層厚度的檢測。相比傳統的無損檢測手段，熱波成像技術具有獨特的優勢，比如非接觸、大面積快速成像、適合非透明塗層、對材料的熱學性質敏感等，可以滿足現代工業中對膜層厚度檢測的需求。
採用熱波成像技術檢測膜層時需要得到熱波信號隨時間變化的曲線，這通常是通過對樣品表面連續採集一系列紅外圖像得到的，每幀圖像代表一個數據點，採樣頻率即為幀頻，例如對50Hz幀頻的熱像儀來說，採樣周期就為20毫秒。對於較薄的膜層、特別是高導熱率材料膜層的檢測，因其熱波信號變化很快，如在幾十甚至幾毫秒時間以內，因此通常的熱像儀無法採集足夠的數據點來得到完整的熱波信號隨時間變化的曲線。為此目前只有採用高幀頻的熱像儀，而這種熱像儀十分昂貴，從因而限制了該項技術的應用。
技術實現要素：
本發明的目的就是針對目前膜層厚度測量技術的不足，提出一種新的基於熱波成像技術的膜厚檢測方法。其具體方法是：首先對樣品表面進行全幅脈衝熱激勵，即樣品表面各點的熱脈衝產生於同一時刻；在對樣品表面熱波信號進行採集時，採用逐行掃描的形式，即相鄰兩行的採集時間有個時間為行頻周期的延時。這樣得到的一幅熱波圖像上不同行的熱波信號具有不同的延時，沿著熱像儀行掃描的方向，這個延時在逐步的增加。這樣熱波信號在沿著掃描方向的變化等同於該信號在時間上的變化。沿著熱像儀行掃描的方向將每行的熱波信號連成曲線，再將其與理論模型進行擬合，從而可以推導出膜層的厚度。在這種情況下，熱波信號採樣頻率為熱像儀的行頻，因此相比於傳統方法中採樣頻率為幀頻的情況提高了數百倍，這樣對熱像儀的性能要求大幅降低。
根據上述原理，本發明的一種測量膜層厚度的典型方法包括如下步驟：
a、根據被測試件膜層的特性，確定熱激勵源的能量，並對被測試件的表面進行脈衝加熱激勵熱波；
b、採用逐行掃描方式採集被測試件表面的熱波圖像；
c、在該熱波圖像中沿著逐行掃描方向選取多個像素值，將所述多個像素值順序排列，形成膜層的熱波信號曲線；
d、將上述熱波信號曲線與所述膜層相對應的理論模型進行數值擬合，得出所述膜層的厚度及其它物理參數。
附圖說明
圖1為本發明的一種實施方式系統方框圖；
圖2為熱波成像原理示意圖；
圖3為不同厚度膜層的熱波信號隨時間變化曲線；
圖4為本發明方法的原理示意圖；
圖5為本發明的另一種實施方式系統方框圖；
圖6為本發明的又一種實施方式系統方框圖。
具體實施方式
為了使本發明的特點能夠更好地被理解，以下將結合具體附圖和實施例對本發明做進一步說明。
首先圖2所示的是熱波成像無損檢測的原理，脈衝熱激勵單元22對樣品表面30進行短周期脈衝加熱，產生脈衝熱波33向樣品內部傳播，當遇到塗層31和基板32的界面36時，一部分透射熱波35繼續往樣品內部傳播，另外一部分反射熱波34會回到樣品表面，熱波反射回來的時間、強度等是與膜層的厚度及兩種材料的物理特性相關的。因此樣品表面的溫度隨時間的變化將與膜層的物理參數，如厚度、熱導率等相關。圖3所示的是幾種典型的熱波信號隨時間變化的曲線，曲線37表示的是在沒有膜層的情況下樣品表面熱波信號，曲線38、39則代表有塗層時的狀況，三條曲線在早期是重合在一起的，這是因為反射熱波34還沒從界面36反射回來。當反射熱波34到達表面時，三個信號開始分離，塗層越薄，分離的時間越早，如圖3中的38和39所示，其中曲線38所代表的塗層就比曲線39的要薄，並且塗層越薄則信號越強。採用熱像儀對樣品表面的溫度進行實時採集，得到溫度隨時間變化的曲線，再利用相應公式對該曲線進行擬合便可以得知包括塗層厚度在內的物理參數。因此膜層檢測的關鍵是準確地得到該膜層表面溫度隨時間的變化關係。
在短脈衝面熱源進行熱激勵的情況下，樣品內部溫度場的分布可由一維模型表達：
，
其中α= K/ (ρCV)為熱擴散率，K是熱傳導係數，ρ是密度，CV 是熱容，q是熱激勵能量密度。
如果忽略空氣的熱傳導，在樣品為半無窮大的情況下，解上面的公式得到樣品表面溫度隨時間的變化：
，
其中C = q/(ρCV)。
當樣品的表面有厚度為d的膜層時，表面溫度可近似成：
其中r是界面36的熱反射係數，決定於兩種材料的熱學參數。在上述公式中，和塗層厚度d相關項是r*exp(-d2/αt)，可以看出當膜層很薄時，即d<<1，只有在t很小時，這個與塗層厚度相關項才有意義，也就是說在很短的時間內熱波信號的變化可以反映出膜層厚度，過了這段時間後熱波信號的變化主要決定於襯底材料的特性，和膜層基本無關。因此要檢測薄膜層厚度，就必須在很短時間內採集熱波信號隨時間變化的曲線。
對於較厚的塗層，反射熱波34 到達樣品表面的時間比較晚，並且熱波信號的變化比較緩慢，因此利用普通幀頻的熱像儀也可以採集到足夠幀數的圖像。但是如果塗層比較薄，例如在數百微米以下，熱波信號的變化很快，有用的信息在毫秒量級的時間裡就出現和消失。常規的熱像儀的幀頻周期在20毫秒左右，在這個時期裡採集不到幾幅圖像，不能準確地描繪出熱波信號隨時間變化的曲線，因而不能精確得到塗層厚度的信息。雖然高幀頻熱像儀在一定程度上能改善這個問題，但這種熱像儀十分昂貴，而且輸出的圖像解析度隨著幀頻的提高而大幅下降。
圖1所示為本發明所採用的熱波成像膜層測量系統原理圖。系統包括數據採集處理系統27、同步控制單元23、熱激勵驅動源21、熱激勵單元22、紅外成像裝置25等。在數據採集處理系統27的控制下，熱激勵驅動源21驅動熱激勵單元22產生高功率、短脈衝的熱激勵，對被測試件24的表面進行加熱，這種脈衝熱激勵源可以是大功率閃光燈、雷射器及其它高能量輻射源。數據採集處理系統27通過紅外成像裝置25連續採集樣品表面溫度的變化，同步控制單元23用於協調熱激勵脈衝發生與圖像採集之間的時序關係。
紅外熱像儀的工作方式具有凝視型和逐行掃描型之分，凝視型是指整幅圖像的所有像素都在同一時刻積分並將信號保持在晶片中，然後逐行輸出，因此每行像素之間沒有時間延遲。而本發明系統中的紅外成像裝置25必須採用逐行掃描型，也就是每行像素的積分為不同時刻，圖像在行掃描方向逐行延遲，相鄰兩行的延遲時間為行掃描周期。目前市場上多數非製冷型紅外焦平面探測器都是採用逐行掃描形式的。
圖4進一步說明了本發明的原理。當採用逐行掃描的熱像儀時，其焦平面探測器41的每個像素行順序從上往下依次積分並讀出，每行的採樣時間不同，都有一個行頻周期的延遲。如果沿焦平面探測器41的行掃描方向將各行熱波信號順序連接起來，如圖4（b）所示，就可以得到熱波信號隨時間的變化曲線42，其採樣頻率為行頻。假如採用一個常規50Hz幀頻的熱像儀，如果有500行像元，其行頻為2500Hz，因此可以大大地提高熱波圖像的採樣頻率。對熱波信號隨時間的變化曲線42進行數據處理，例如背景信號修正及去噪，再通過與相應理論模型的擬合，便可得到塗層的厚度及其它信息。
上述實施方式中，是通過對熱波信號在空間的變化來實現對時間變化的檢測，或者說是將隨時間變化的信號轉換成隨空間變化的信號。因此如果要準確測量塗層的厚度，要求塗層在樣品表面一定範圍內比較均勻。
上述實施方案採用逐行掃描焦平面紅外熱像儀進行熱波圖像的採集，但是也可以採用其它圖像採集方式，如圖5所示的另一種實施方案中採用了一維紅外陣列探測器51結合掃描振鏡53的方式。一維紅外陣列探測器51由單行（或數行）紅外陣列傳感器組成，振鏡53在掃描驅動器52的控制下對被測試件24的表面進行一維掃描，從而得到試件24表面的熱波圖像。這種一維紅外陣列探測器的價格較二維紅外熱像儀低很多，因此可以在較低成本的情況下，採用信噪比較高的製冷型、或者具有較高像素的一維紅外陣列探測器。當然本發明也可以採用單個像素的紅外傳感器通過二維振鏡掃描的方式來實現。
圖6所示的是本發明的另外一種實施方式，為了達到逐行掃描的目的，系統同樣採用一維紅外陣列探測器51，並進一步包括電機驅動器61及一維移動平臺62。被測試件24置放於移動平臺62上，在電機驅動器61的驅動下移動平臺62進行一維掃描，同步控制單元23用於控制移動平臺62的掃描與熱激勵脈衝之間的時序關係。
綜上所述，本發明採取的膜厚測量方法包括如下步驟：
a、根據被測試件24膜層的特性，確定熱激勵單元22的能量，並對被測試件24的表面進行脈衝加熱激勵熱波；
b、採用逐行掃描方式採集被測試件24表面的熱波圖像；
c、在該熱波圖像中沿著逐行掃描方向選取多個像素值，將所述多個像素值順序排列，形成膜層的熱波信號隨時間變化曲線42；
d、將上述熱波信號隨時間變化曲線42與所述膜層相對應的理論模型進行數值擬合，得出所述膜層的厚度及其它物理參數。
為了準確得到膜層的厚度，理論模型中的一些其它參量需要通過對標準試件的測量進行標定，標準試件與被測試件具有同樣的物理特性，並且膜層的厚度已通過其它手段事先測定。
本發明主要應用是測量膜層厚度，膜層可以是單層或多層的，也可以應用於對其他膜層物理特性的檢測，如膜層及襯底的熱學特性、力學參數、及膜層與襯底的粘合質量等。
以上對本發明的描述為說明性的，而非限制性，在權利要求書的範圍中對其進行修改、變化及等效，都將落於本發明的保護範圍。