光热反射实验中微弱信号的测量

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1、上海理工大学学报第卷第期垃别即刃夯文章编号一一一》光热反射实验中微弱信号的测量‘,‘‘,‘,布文峰郑兴华唐大伟王照亮程光华,减,中国科学院工程热物理研究所北京】中国科学院西安光学精密机械研究所西安摘要介绍了用激光光热反射方法测童表面下物体热物性的实验原理分析了实验中噪声的主要,运用带通滤光片结合来源差分探测的方式降低激光器产生的噪声锁相放大技术对被测信号进行,锁相放,窄带放大大器结合示波器愉出了被测信号的周期变化部分实现了光热法测责中徽弱信号的汉明童关键词热物性光热反升技术噪声滤波锁相放大中图分类号文献标识码白下伯,,,灿刁怕。,叼陷呼心陷璐时替心‘刀钻邝即户,,,心“,友以凡姐凌洲,

2、心动自火沼以二’以￡口,刀刀,’,如邝坛勿州阮丙以人,交”四以山一加司月眼双耳犯飞场眼眼飞吃吧,吃因一田找如动曰口,咧户叭介对必动动川毗叹伽血比认派五众夹一诬洲汀动曲似,,,随着微电子机械系统和半导体器件的发展微吸收系数的变化等还可监测同时发生的动态变化电子器件集成度提高将增加热产生率,导致微装置从表面测量演绎得到内部纵深处的数据光热反射高热载荷,从而影响微电子器件工作的稳定性,和可法是一种非接触性和非破坏性测量的实验方法光,,靠性因此半导体材料的热学性质也受到人们越来热反射方法的实验原理川是一束连续的激光光束,,越多的重视对其进行表面和表面下多层功能材料经过调制后变为具有一定频率的正

3、弦周期激光试、、,中各层材料的厚度热物性埋藏颗粒的大小和分散样接受了这样的激光加热表面上就会呈现出与加情况等方面的准确的定量分析,和预测将直接影响半热热流同频不同相的温度波温度变化导致的复折、,导体器件的热设计热管理射率的变化会引起材料反射率的变化另一束能量光热技术是探测光激励热效应的方法,可探测连续不变的探测激光探测与时间有关的反射率的变,、、与温度有关的各种物理参数如压力波折射系数及化就会揭示瞬态的温度响应实验中选择高增益低收一一稿日期“”蔫金项目国家自然科学基金资助项目中国科学院百人计划课题资助项目作者简介布文峰一,女,博士上海理工大学学报的年第卷噪声的差分光电传感器直接测量反射

4、激光能量的变强度的变化则反映了试样表面反射率的变化反射化,进而揭示表面温度的变化和材料的热物性,如导光强度与温度的关系为、热系数扩散系数和热浸透率等全丑二一△一·“粤业丝丢塑,根据热传导理论可知自表面以下越深人到物找找,体内部,或交变频率越高,这个温度波的振幅就越光热反射系数与材料有关在一定范围内,,小,并且温度波相对于加热热流的相位滞后也会有为常数〔】所以反射激光强度变化与温度变化步,一,所变化在一定深度温度波的衰减和相位滞后程度调一致硅的光热反射系数、多数与导热物体的热物性有关因此,改变热流波动的频金属在一经高度线性化的光电探测器,,‘。率其热扩散深度不同可反映出不同深度材料的热探

5、测到的电压信号可表示为,一‘十价。△户‘物性参数可以探求试样表面下的热结构‘用锁相放大器处理与等在厚薄膜超导材料上镀两个信号,得到幅值和相位笋。△价,去除可从,厚相膜用光热反射法测量了的热浸实验中直接测量得到的价。,得到相位差△笋透率分布试样结构如图所示在被测的局部点上,图的问题简化为图所示的层状结构,在图实验原理与装置,、,,、、。中为各层厚度热浸透率丫奚两实脸原理、,分别为导热系数密度和比热容为加热激光的能,实验采用周期半导体激光器作为加热热源调量理论分析得到关系式,△笋了,。,,,,制频率为一连续半导体激光作为探测光,比较实验结果和理论解析结果,用多参数,束应用稳态的光热反射探测

6、技术得到相应于表面优化拟合的方法,,,,可得到一组最优的,温度响应的周期反射信号此系统包括周期加热激、即表面材料和表面下异物的热浸透率异物的埋藏、、,光连续探测激光差分探测器及锁相放大器等实深度和厚度,若其中某个或多个参数已知,则拟合效验系统如图所示果更好小姚,图试样结构示惫图也”段对于振幅测量和相位差△协的测量来讲,相位差的测量对试样的光学特性和激光强度的变化都不敏感,所以是一个很理想的方法图实验原理图激光的加热和探测丘砚犷本实验中用到的试样,以硅片为基材表面磁控一云娇,,。假设函数发生器信号其中溅射厚度的钥膜,认下名一为加热频率为时间调制的周期加热激光强度以美国公司的模拟调二‘,,

7、其中为幅值,价。为相位差对制半导体激光器为加热源在试样表面上造成交变,‘,试样表面进行加热表面产生的温度波的温度波假设加热激光的能量强度当加一,,,。‘气酬其中为幅值价△价为相位热激光的光斑直径远大于其在材料中的渗透深度产,,差连续激光经一定人射角照射在试样上,其反射光必兀兀时可近似为面热源加热其中为扩散第期布文峰,等光热反射实验中微弱信号的测量系数,为周期加热激光的调制频率该温度波可表期变化部分示为产‘一‘‘△价锁相放大技术,,一、。’由于光