基于锁相放大技术的激光超声信号处理电路的设计.pdf

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1、2012年第3l卷第3期传感器与微系统(，I’ransducerandMierosystemTechnologies)109基于锁相放大技术的激光超声信号处理电路的设计金宝印，DanteDorantes，白茂森，孙凤鸣，李艳宁，陈治，胡小唐(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室。天津300072)摘要：利用激光声表面波(SAW)技术对膜材料机械特性的测量(如杨氏模量、密度、厚度等)已得到了越来越广泛的应用。但激光激发激光检测声表面波(LG／LD—SAW)的频谱带宽较宽(达几百兆到GHz)，一般的检测方法难以在如此高的

2、带宽下对其进行检测。设计了一种基于锁相放大(LIA)原理的微弱信号处理电路，通过应用一特殊的去噪电路，能在很宽的频谱(GHz)范围检测微弱信号，并将其从噪声信号中提取出来。关键词：激光声表面波；锁相放大；微弱信号．中图分类号：TB523文献标识码：A文章编号：1000-9787(2012)03-0109-041D～es●ignolnsi‘gna’lpr0CeSSl●ngci‘rcUi-t·0tn’laseru_lt·rasoni‘cbased0nphaselock-inamplifiertechnologyJINBao—

3、yin，DanteDorantes，BAIMao-sen，SUNFeng—ruing，LIYan—ning，CHENZhi，HUXiao—tang(StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasuringTechnologyandInstruments，TianjinUniversity，Tianjin300072，China)Abstract：Lasersurfaceacousticwave(SAW)technologyformeasuringthinfilmmechanicalproperties

4、suchasYoung’Smodulus，density，thickness，andSOon，hasbeenwidelyused．However，duetowidespectrumbandwidth(uptoseveralhundredMHztoGHz)oflaser—generateandlaser—detectingsurfaceacousticwave(LG／LD—SAW)，generalmethodscannotdetectitinsuchahighbandwidth．Aweaksignalprocessingq

5、ircuitbasedonlock—inamplifier(LIA)isproposed，anditachievesGHzdetectionofweaksignalsthroughusingaspecialde—noisingcircuitanditcanbeextractedfromnoisesigna1．Keywords：lasersurfaceacousticwaves(LSAW)；lock—inamplifier；faintsignal0引言技术是一种接触式测量，会对样品表面造成一定的损伤，布亚微米尺度下的表面和

6、亚表面效应对于科学研究与工里渊散射技术是一种耗时的测量方法其获得的散射波的振业运用具有重要意义，已经得到了广泛的应用，比如：1)薄幅远小于其他方法获得的振幅，而LSAW技术是一种无损膜是微机电系统(MEMS)的重要组成部分；2)在微电子的技术，又具备快速，精确测量等特点，以及具有原位且同工业中，必须时刻对集成电路的薄膜厚度和粗糙度在线监步测量的能力，故而被视作测量薄层机械特性(厚度低于测[3-53；3)航空领域的表面涂层、切割刀具的耐磨涂层以及1m)，柔软或硬脆薄层(很高的孔隙率)的最有效方法之一固态装置的弥散层的应用；

7、4)薄膜具有良好的纳米摩擦。SAW的能量集中于表面下l-2个波长范围，适合学性能，广泛应用于非易失性随机存取存储器；5)用于纳测量表面和亚表面的薄膜特性，其能量会随着传播深度的米元件，如作为液体和固体的表层、纳米管、纳米线、纳米谐增加呈指数衰减，频率越高，衰减越快。振腔和纳米原子链等；6)用于生物技术、生物材料以及涂1实验系统料等。鉴于LSAW技术优越的性能，本文设计了一套基于因此，如何对薄膜材料的机械特性(如杨氏模量、厚Sagnac干涉仪的LG／LD—SAW信号检测系统，系统结构如图度、密度等)进行准确的测量显得十分重

8、要。测量杨氏模1所示”j。量的现有技术主要包括纳米压痕测试技术、布里渊散射技本文所用的激光器为二极管泵浦被动可调Q激光器，术和激光声表面波技术(LSAW)。其中纳米压痕测试波长532／1064nm可调，532nm下单脉冲能量0．5mJ，脉冲收稿日期：2011-07-06110传感器与微系统第31卷⋯⋯⋯一一⋯⋯一上一