基于辐射响应信号统计的薄膜测厚装置及方法

本发明涉及测量装置，特别是一种基于辐射响应信号统计的薄膜测厚装置及方法。

背景技术：

1、随着薄层材料应用越来越广泛，农业、化工、机械、医疗等多个行业对薄层材料的需求也不断增加，尤其体现在对高质量薄层材料的需求上。如何快速、准确、低成本的对薄层材料进行测厚一直是相关企业及科研机构研究的重点。

2、目前，薄层材料厚度的测量方法主要有机械测量法、光学测量法和电学测量法。

3、机械测量法中的典型应用为扫描探针显微法，它是扫描探针显微镜对薄膜进行相关参数测量，原子力显微镜就是最具代表性的扫描探针显微镜，原子力显微镜的探针被放置于微悬臂上，利用光学杠杆原理测出微悬臂在探针与薄膜原子的相互作用力下的形变，从而测得薄膜表面的形貌。具有高分辨率、无损测量的优点。但由于该方法是利用光学杠杆原理来测量微悬臂的形变，容易受到光电噪声、振动等因素影响，对测量环境要求较高，并且设备比较昂贵，测量成本较高。

4、光学测量法的测量原理是利用光学偏振及干涉特性，其中椭圆偏振法应用较多，典型代表设备有椭偏仪。当偏振光从空气入射到薄膜后，其反射的光线的偏振成分会随着薄膜厚度、入射角大小等改变，通过检测和分析入射光与反射光偏振状态的变化来反演推导薄膜的厚度。该方法及有无损测量、高灵敏度的特点。但是椭圆偏振法测量范围通常在1nm-1um之间，尤其以10nm左右的薄膜厚度测量为最佳，如果薄膜厚度超出上述的测量范围，则薄膜的厚度将有多个不确定值。此外，该方法是一种间接测量法，依靠对色散模型的拟合得到薄膜厚度，但色散模型的建立过程复杂繁琐，会给测量结果带来很多的不确定性。

5、电学测量法主要包括电阻法、电容法和石英晶体法等，其中电阻法是一种较为简单的电学测量方法，其通常采用电桥测量样品两端的电流电压，再推导出薄膜电阻值，但在测量时，若探针与薄膜接触压力较大，容易划伤薄膜，若探针与薄膜接触压力较小，会产生较大的接触电阻，这两种情况都会导致测量数据不准确。

6、综上所述，研发一种新的薄层材料厚度测量方法，以克服现有的测量方法存在的测量过程容易受外界因素干扰、测量设备昂贵、测量方法复杂度较高及测量操作控制难度大的问题，显得非常有意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种基于辐射响应信号统计的薄膜测厚装置及方法，它解决了现有的薄层测量方法容易受外界因素干扰、测量设备昂贵、测量方法复杂度较高及测量操作控制难度大的问题。

2、本发明的技术方案是：基于辐射响应信号统计的薄膜测厚装置，包括测量执行机构、射线约束机构和放射源；

3、测量执行机构包括探测器和pc机；探测器包括有源像素传感器、电路板和主板；有源像素传感器固定安装在电路板上，主板上安装有soc芯片，主板与电路板之间通过杜邦接头实现通信连接；pc机与主板通信连接，其用于调节有源像素传感器的参数，存储和显示主板输出的包含辐射响应信号的帧图像；

4、射线约束机构包括顶盖和夹盖；顶盖呈矩形板，定义其两端面分别为放射源定位面和夹盖对接面，其两端面之间设有贯通孔，夹盖呈矩形板，定义其两端面分别为顶盖对接面和探测器对接面，其两端面之间设有镂空孔；夹盖的顶盖对接面与顶盖的夹盖对接面可拆卸连接，夹盖的顶盖对接面与顶盖的夹盖对接面之间形成用于安置薄层材料的夹层，夹盖的的镂空孔与顶盖的贯通孔正对并连通；夹盖的探测器对接面与探测器的电路板可拆卸连接，其上的镂空孔正对并包容有源像素传感器；

5、放射源包括用于发射α射线的本体和用于限定本体位置的定位座；本体一侧设有供α射线射出的发射面；定位座呈板形，其上相对的两端面分别为第一端面和第二端面，第一端面上设有用于限定本体位置的凹坑，第二端面上设有连通至凹坑的准直孔；本体可拆卸安装在定位座的凹坑中，本体的发射面正对并紧贴定位座的凹坑底面；放射源仅通过准直孔向外发出α射线；放射源的定位座的第二端面与顶盖的放射源定位面可拆卸连接；放射源发出的α射线依次通过准直孔-贯通孔-镂空孔，照射在有源像素传感器上。

6、本发明进一步的技术方案是：其还包括基座；基座具有屏蔽可见光和射线的特性；基座呈上端敞口下端封闭的容器，其内部设有用于定位探测器的内腔，其外部设有供线缆延伸而出的缺口；探测器可拆卸插装在基座内腔中。

7、本发明进一步的技术方案是：其还包括外罩；外罩具有屏蔽可见光和射线的特性；外罩呈下端敞口上端封闭的容器；当外罩通过敞口活动盖装在基座的敞口上时，外罩内腔与基座内腔合围形成隔绝外界可见光和环境辐射的暗室，暗室将从下至上依次叠装的探测器-顶盖-夹盖-放射源包容在内。

8、本发明再进一步的技术方案是：放射源中的本体为am-241。

9、本发明再进一步的技术方案是：有源像素传感器为cmos有源像素传感器。

10、本发明再进一步的技术方案是：所述pc机为平板电脑，平板电脑的配件包括通过蓝牙连接的键盘和通过蓝牙连接的触控笔。

11、本发明更进一步的技术方案是：顶盖两端面之间的距离定义为厚度，顶盖的厚度不超过1cm。

12、本发明的技术方案是：一种薄膜测厚方法，应用于上述的基于辐射响应信号的薄膜测厚装置；执行方法之前，在pc机中安装参数调控软件，参数调控软件用于调用有源像素传感器的寄存器地址并赋值，以实现有源像素传感器的增益和积分时间的调节；

13、方法步骤如下：

14、s01，组装测量相关部件：

15、a，基于材质的区别准备多组薄膜备用，每组薄膜均包含在厚度上呈梯度变化的多张薄膜；取上述准备好的一张薄膜，展平夹紧安装在顶盖与夹盖之间，将顶盖与夹盖拼接为一体，拼接完成后，薄膜将镂空孔与贯通孔隔开；

16、b，将拼接好的顶盖与夹盖连接在位于基座中的探测器的上端，连接完成后，夹盖的探测器对接面与探测器的电路板相连接，其上的镂空孔正对并包容有源像素传感器；将放射源安装在拼接好的顶盖与夹盖上端，安装完成后，放射源的定位座的第二端面与顶盖的放射源定位面相连接；

17、本步骤中，考虑到α射线在空气中射程短的特性，选择厚度为0.5mm的顶盖；

18、本步骤中，准备的薄膜具有允许α粒子透过的特性，薄膜的厚度与α粒子的穿透概率呈负相关，薄膜的密度与α粒子的穿透概率呈负相关，α粒子的穿透概率在0-100%之间所对应的薄膜厚度区间即为a分步骤中需要准备的薄膜的厚度范围；

19、s02，线路连接及参数设置：

20、a，使用usb数据线将主板与pc机连接，以实现两者之间的数据传输，并通过pc机为探测器供电；

21、b，在pc机上通过参数调节软件设定有源像素传感器的积分时间在0.001-1s之间，增益在1-100db之间；

22、c，将外罩盖装在基座上端，外罩将从下至上依次叠加的探测器-顶盖-夹盖-放射源包容在内，从而避免外部可见光及环境辐射对测量的干扰；

23、s03，辐射响应信号的可视化展示：

24、放射源发出的α射线依次通过准直孔-贯通孔-薄膜-镂空孔，照射在有源像素传感器上，使有源像素传感器产生辐射响应信号；通过主板上的soc芯片采集有源像素传感器的输出数据，并将有源像素传感器的输出数据转变为连续的帧图像传输至pc机，pc机实时存储并实时显示连续的帧图像，帧图像黑色背景中闪烁的白色噪点即为辐射响应信号；

25、s04，建立薄膜参数与像素参数的对应关系：

26、a，设定平均值s、总像素p、总计数q为像素参数，其中，总像素p为1个统计帧数中的所有像素值之和，总计数q为1个统计帧数中的像素总数量，平均值s的计算公式为：s=p/q；在1个统计帧数的范围内分别统计总像素p和总计数q，再根据公式s=p/q计算平均值s；将当前所用薄膜的材质-当前所用薄膜的厚度-平均值s-总像素p共四项数据进行关联，从而建立了当前所用薄膜的“薄膜参数与像素参数对应关系”；

27、b，多次重复“s01步骤-s02步骤-s03步骤-s04步骤a分步骤”，每次重复的区别仅在选用不同的薄膜，从而为s01步骤a分步骤中准备的所有薄膜建立“薄膜参数与像素参数对应关系”；

28、c，针对s01步骤a分步骤中准备的每一种材质的薄膜，在平面坐标系内绘制“厚度-平均值拟合曲线”以及“厚度-总像素拟合曲线”，所述平面坐标系的横坐标为薄膜的厚度，纵坐标为相对应的平均值s；至此，完成了上述s01步骤a分步骤中准备的各种材质薄膜的标定工作；

29、本步骤中，1个统计帧数包含至少10-100张连续的帧图像，帧图像中的黑色背景的像素值趋近0，帧图像中的辐射响应信号的像素值趋近255；

30、本步骤中，设定最小像素值在1-30之间，统计p和q时均排除低于最小像素值的部分，从而降低本底噪声对测量准确性的干扰；

31、s05，测量特定材料薄膜的厚度：

32、a，明确待测薄膜属于上述标定的薄膜材质的前提下，使用待测薄膜执行“s01步骤-s02步骤-s03步骤”，从而获取包含辐射响应信号的帧图像；在1个统计帧数的范围内分别统计总像素p和总计数q，再根据公式s=p/q计算平均值s；

33、b，以下两个方案二选一执行：ⅰ、将统计得到的总像素对应到该材质薄膜的“厚度-总像素拟合曲线”中，即可查询得到待测薄膜的厚度；若总像素无法对应到“厚度-总像素拟合曲线”中，则表示待测薄膜的厚度超出本方法的测量范围；ⅱ、将计算得到的平均值对应到该材质薄膜的“厚度-平均值拟合曲线”中，即可查询得到待测薄膜的厚度；若平均值无法对应到“厚度-平均值拟合曲线”中，则表示待测薄膜的厚度超出本方法的测量范围。

34、本发明与现有技术相比具有如下优点：

35、1.其创造性的将α射线应用到了薄膜测厚的技术领域，并适应性的设计了薄膜测厚装置及对应的薄膜测厚方法，装置及方法均具有操作简便，成本低廉的特点，属于先进核技术的拓展应用。

36、2.α射线具有能量散失快，穿透能力弱的特点，在空气中的射程只有几厘米，很容易被薄层材料阻挡，因此导致α射线的应用场景相比γ和β射线少得多。当α射线穿透薄层材料时，穿透概率随着薄层材料的厚度增加而降低，穿透概率随着薄层材料的密度增加而降低。本发明正是基于α射线具备的上述特性选择了可产生α射线的am-241作为放射源，并相应的设计了小尺度的拼装结构和可视化的展示结构用于薄膜测厚。所述拼装结构(射线约束机构)用于将探测器与放射源进行对接，将待测薄膜的位置限定在探测器与放射源之间，排除外界可见光和环境辐射对测量的干扰；所述展示结构(探测器和pc机)可基于α射线的辐照输出包含辐射响应信号的帧图像，后续再对帧图像中的辐射响应信号进行统计，基于统计结果和标定数据即可测得薄膜厚度。