扫描声学显微镜及其在材料科学中的应用

　　一、引言

　　扫描声学显微镜(Scanning Acoustic Microscope，简称SAM )测试技术是一种新型的测试技术。其主要特点为:

　　①它有一个所谓“表层能力”，即声透镜使超声波在样品表面及内部聚焦，并利用测量点的反射回波进行成像，因而能观察光学不透明材料的表层组织;②扫描声学显微镜所产生的图像反映了样品的材料力学参量，如刚度、粘度、韧度、密度、形貌等，③由于是超声测量，扫描声学显微镜对绝大多数样品是无损检测，甚至活细胞也能够无明显损害而被检验。声学显微镜的无损检测特性，使其在材料检测中具有十分重要的意义。由于扫描声学显微镜的以上特征.使其在材料科学、电子科学、机械工程及生物科学方面具有广泛的应用价值。

　　用声波显微成像的设想最早是由苏联学者S. Y.Soykolov于30年代中期提出的，由于技术原因，该设想长期未能实现。70年代中期，美国斯坦福( Stanford)大学的Quate教授和他的合作者研制成功了世界上第一台扫描声学显微镜。如今，西德、美国、日本等国已生产出扫描声学显微镜商品，工作频率范围在5 OMHz ^- 2GHz之间，分辨率为0. 5wm^-20wm范围。在50MHz^-400MHz频率范围内工作的设备属于低频扫描声学显微镜，主要用于观察材料内部;而在0. 8 GHz ^- 2 . O GHz频率范围内工作的设备属于高频扫描声学显微镜，可以高分辨率地观察表面及亚表层状况。目前，美国斯坦福大学已获得了工作频率为SGHz、分辨为200人的扫描声学显微镜的研究成果，正试图研制工作频率为100GHz、分辨率为50人的声学显微镜，一旦此研究获得成功，将使声学显微技术产生一个飞跃。

　　二、扫描声学显微镜签本原理

　　扫描声学显微镜是一种集声学、电子、机械、计算机等技术为一体的高科技产品，有透射型和反射型两种，透射型只能观察很薄的试件，对样品制备有一定要求。而反射型的优点是试件厚度不受限制，因而有着更为广泛的应用领域，目前可购买到的扫描声学显微镜商品为反射型。反射式扫描声学显微镜原理如图1所示。

　　微波信号源输出连续微波信号，经脉冲调制器形成脉冲调制微波信号，该微波信号通过环行器加到压电换能器上，使高脉冲信号转化为声脉冲，这些超声脉冲经声学透镜的凹端聚焦，并通过藕合介质，投射在样品的表面上，激励样品表面产生表面波。由于声束受到样品的反射、散射和吸收，声波从样品表面返回到压电晶体换能器，并被转换成电信号，通过对该电信号放大、检波、采样、送入计算机处理，可以得到一个象素;随着声束在样品表面上二维(X}y方向)扫描，即可得到一幅完整的声图象。图像上每个信号的灰值，反映了样品相应部分反射信号的强度。同时在垂直于样品方向上(Z方向)移动探头，改变声波在样品内的聚焦位置，就可得到样品内部的声图像。测得的信号电压V)取决于透镜的聚焦性能和焦点材料的物理一机械性能。扫描声学显微镜的核心部分是声学透镜。为了降低声学衰减，透镜体选用高纯材料蓝宝石制成，同时，蓝宝石还是一种高声速晶体，该性质能够有效地减少像差。在透镜体的下端呈凹球面，凹球面尺寸取决于工作频率。当换能器发射平面声波时，由于凹球面的折射，声波聚焦。在蓝宝石透镜体的顶部经抛光后，安装了一个氧化锌压电换能器，其作用是将电振荡与声振荡相互转换。