超聲掃描顯微鏡技術介紹

最新 08-26

01 基礎知識——超聲波掃描顯微鏡

超聲波掃描顯微鏡是利用超聲波對物體內部進行成像的無損檢測設備，相對於其他顯微技術，超聲波與被檢測物間的相互作用不同於光、電子束及X射線，這些不同的物理效應決定了接收信號的特徵，從而形成了顯微照片的對比度。

先進的圖像處理技術可以保證用戶方便地進行偽彩色顯示及對比度調節。自動掃描功能可以對樣品進行全自動的檢測，這使得即便沒有經過特殊培訓的人員也可以完成檢測任務。

超聲波是由壓電換能器（Transducer）產生的，頻率在100MHz以下的換能器一般採用鈮酸鋰晶體、石英晶體或其他陶瓷；100MHz以上多採用ZnO等壓電晶體。這些換能器受到電子間歇脈衝的激發會在其固有頻率下振蕩，也可以在高頻電磁場的激發下做受迫振蕩。

超聲信號在換能器內部傳播需要經過一個藍寶石（Al2O3）晶柱及一個集成在內部的聲學透鏡。平面波在透鏡與耦合介質的界面發生強烈折射，並在透鏡的軸向聚焦。透鏡和樣品之間的耦合介質主要用於傳播超聲波。

當超聲波與被測物發生相互作用之後，系統開始與產生超聲波相反的工作過程。換能器收集已經發散的反射波，並將它們轉變為平面波，之後再轉變為電信號。脈衝模式下高頻功率為1瓦，由於超聲波在樣品表面發生反射、在水中（耦合介質）傳播均需要一定的時間，故兩次超聲激發之間必須要有一個停頓。超聲激發的重複頻率完全由微處理器根據超聲波的頻率來控制的，最大為128KHz。

通常超聲波的頻率越高，波長越短，但衰減更強烈。

超聲斷層掃描及顯微成像技術相對於其他的掃描技術相比，最大的優點在於成像時採取了完全不同的灰度產生機制。聲學圖像的灰度完全是由材料表面及對超聲不透明的材料內部各種物理參數（如密度、彈性模量等）的變化引起的。

02 超聲波掃描顯微鏡工作原理——超聲波掃描顯微鏡

超聲掃描顯微鏡採用脈衝回波技術工作，由特定的聲學組件發射和接收高重複率的短超聲脈衝，聲波與被測樣品發生相互作用後，反射波被接收並轉換為視頻信號。要形成一幅聲學圖像，掃描機構需在樣品上方來回做掃描運動，樣品每一點反射波的強度及相位信息均被按順序同步記錄，並轉換為一定灰度值的像素點，顯示在高解析度顯示屏上。

其中λ為波長，NA為透鏡的數值孔徑。

數值孔徑定義為介質的折射率（n）和孔徑角半數（α）的正弦之乘積，即：NA=n.Sinα 。如果透鏡製作的足夠好的情況下，聲學顯微鏡的解析度可以小於聲波的波長，而聲波的波長可以通過提高聲波的頻率來減小。

03 換能器——超聲波掃描顯微鏡

超聲波掃描顯微鏡系統有很多部件，其中一個關鍵部件叫：換能器，俗稱探頭。它是把高頻電子脈衝信號轉換為超聲波信號的一個器件，相當於把電能量轉換為機械能，因此稱為換能器。它的內部是一些壓電晶體，就是一片片很薄的陶瓷片粘接到一起的一個「堆」，當在兩端加上電壓時，這個堆就作微量的位移（即會伸長或縮短，且具有線性特性）。換能器的外觀，如下圖所示，各種形狀都有。

04 換能器的焦距——超聲波掃描顯微鏡

超聲波掃描顯微鏡的換能器，它的工作焦距取決於被測材料的物理性質。由於不同的材料中聲速也不相同，因此換能器的焦距一般特指在水中的焦距。大多數材料中的聲速都大於水中的聲速，換能器的有效焦距均縮短了。造成這種效應的原因是聲波在界面上的折射，如下圖所示。

超聲波掃描顯微鏡的換能器焦距示意圖

下式可以計算焦距的變化情況。

換能器焦距計算公式

其中WP代表水中的距離，MD代表聲波在材料中穿透的深度，F表示水中的焦距，Ctm，Cw分別表示被測材料及水中的聲速。

例如，在特定的焦距及材料路徑下，上式可以用於計算為了補償焦距變化換能器到樣品表面的有效距離。

05 換能器的聲場——超聲波掃描顯微鏡

超聲波掃描顯微鏡的能量轉換部件——換能器，它發出的超聲波對材料產生彈性作用，會存在一個有效區域，這個區域我們稱之為「換能器的聲場」。超聲波掃描顯微鏡的聲場可以分為兩部分：近場區(Near field)及遠場區(Far field)，它們的位置如下圖所示。

06 超聲波掃描顯微鏡-換能器的聲場

近場區是指從換能器的前端直至最佳聚焦區Y0的起點，在該區域回波的振幅經歷了數個從最大值到最小值的變化過程，並且終止在最後一個最大值上；聲場遠場區是指最佳聚焦區以外的區域，在該區域聲壓逐漸降為零。由於在近場區回波的振幅存在較大的變化，因此在近場區很難利用基於振幅的檢測方式來準確評估材料中的缺陷。近場區的距離取決於換能器的頻率、晶片直徑及材料中的聲速。

聚焦區的起始點與終止點的位置定義為軸向脈衝回波的振幅相對於焦點處的振幅降低6dB內的區域。

超聲波掃描顯微鏡換能器的聲場2

距離-振幅曲線表明了在遠場區振幅隨距離的指數衰減以及近場區對回波振幅的影響。同時說明了換能器的有效焦距。

07 換能器與解析度和穿透深度的關係——超聲波掃描顯微鏡

超聲波掃描顯微鏡對被測器件是有一定限制的，因為它的工作頻率一般在5MHz~400MHz之間，所以它在不同材料中，穿透深度是不同。一般有這樣的規律：頻率越高的超聲波，穿透性越差，但是解析度高；頻率低的超聲波，穿透性好，但是解析度有限！

穿透深度（與材料本身有關*）: 穿透深度取決於被測物的彈性參數、信噪比及超聲掃描顯微鏡系統的工作頻率。被測物與耦合介質之間較大的聲失配會降低穿透深度，但另一方面，高信噪比可以提高穿透深度。在高聲阻抗的固體中，超聲波的穿透深度與超聲波的頻率成反比。對於低聲阻抗的固體，橫波和縱波均可以用於內部成像，因此在這種情況下穿透深度不受頻率的限制。

解析度：取決於樣品和換能器的狀況，一般情況下可達到半波長（λ/2）。