翻译

上传者：邓聚龙
|
上传时间：2015-04-15
|
密次下载

翻译

多孔硅的超声表征使用遗传算法逆向解决问题

关键词：遗传算法 ,逆向问题的解决，超声无损检测，多孔硅

摘要：这篇文章写的是多孔硅超声表征的一种方法，利用遗传算法来选择解决逆问题的最优化方法。使用描述水波通过浸在水中的样品的一维模型来计算透射光谱。然后，通过使用插入法或者替代法测量水浸的带宽，样品的光谱通过快速傅立叶变换法来计算。为了获得厚度，纵向黏度或密度等参数，需要使用以最优化为基础的基因算法。做两个不同厚度的铝板做为对照实验来确认这个方法，尽管在超声波信号发生重叠的情况下，听觉上的参数仍非常符合。

最后，两个样品，晶体硅和硅表面的多孔硅被评价。实际值与理论值比较符合。为了解释一些小的矛盾需要做一些假设。

1. 引言

对于通过样品的超声波的分析允许声学参数，因此也需要被提取样品的力学参数。大多数情况下，信号不会有重叠。时间范围和频度范围的分析可以用来决定参数，例如波速，衰减时间或密度。

在某些情况下，在频度范围内的声波透射系数被用来计算这些参数。

当样品的厚度与波长的分步一致时，或者在多层样品中会发生重叠时，直接测量参数是不可能的。

然而，超声无损表征材料已在薄层的情况下进行了广泛的研究。由于接收到的信号的复杂性，需要建立模型。利用逆问题的解决方法，可以得到所需的参数。但是，多数的最优化方法需要假设初使值。在材料的参数变化较大的情况下，很难精确的设定初使值来得到正确的解决方案。

在这项研究中，提出一各遗传算法来限制初使值的影响。事实上，这各优化方法收敛于全部解，并确定解的唯一性。选择一个一维波传播模型来计算通过一个多层样品信号的波谱。这个波谱段依赖于每层的几何性质和声学性质，比如，厚度，波速和波的密度。

为了验证的目的，对透射谱的理论浸渍铝合金板进行了计算并与经验值比较以获取样本的声学参数。

然后，对包含表面被侵蚀形成多孔硅层的样品进行研究。波速和硅的密度是已知的。多孔硅层被认为是均匀的，通过用遗传算法解决逆部里的方法来估计它的参数。

2. 多孔硅

2.1 多孔硅层的制备

多孔硅已经在微电子学中有了许多的应用。例如，介孔硅应用于隔离衬底射频应用程序或应用程序的高比表面传感器。

多孔硅在氢氢氟酸溶液中阳极氧化形成，基于高掺杂的样品厚度650μm和700μm之间p型Si（100）（10–50mΩ cm）。这样类型的硅被认为是生产10-100nm多孔硅的材料。腐蚀过程是一个高度的不均匀，从图1可以看出，孔的方向垂直于硅片表面。电化学腐蚀是在由AMMT公司开发的槽电解池中进行的。HF的浓度是30%，使用的表面活性剂乙酸与氢氟酸的体积比为4.6：2，乙酸与水的体积比是1：1.5。阳极氧化是在恒定电流的条件下进行的。密度为28mA/ cm的电流估计能够固定的获得50%的2

孔隙率。然后，电解的时间决定多孔硅层的厚度。在我们的实验中，174分钟的电解时间产生的厚度为200μm。技术上的厚度公布范围是5-10%。使用去离子水清洗样品以完全去除表面的腐蚀溶液。

2.2

用来这项研究的样品是方形的晶体硅片，硅片上形成了直径2.54cm的圆形多孔硅层。多孔硅的直径比声束的面积大以确保所有的超声信号都能通过多孔硅。为了与使用逆向问题解决方案得到的值进行比较，多孔硅层的厚度的测量使用破坏性的方法。这些值和所期望的密度在表1中列出。

这项研究中用到的晶体硅和水的物理参数在表2中列出。水中的波速与温度关系很大。在我们的实验中，水的温度控制在20度左右，允许波速根据计算来更正。

多孔硅的参数是未知的，是通过优化获得最佳的是量。

3.逆问题解决方案

3.1 模型

声波传播模型是基于假设一个一维沿z轴传播的平面波，声波传播方向垂直于表面，界面都是平行的。由于在考虑范围内的波长超过3个数量级大于孔径，多孔硅层被认为是一个非分散介质。在这项研究中，所有的测量方法都是通过水浸的方法实行的。根据小变形假设，在任何一层的声速v可分解为标量和矢量，分别和ψ：

内容需要下载文档才能查看

a-u 是下游的振幅,a+u 是上游振幅，kzu 是复杂的波速矢量（等式3），可以是横向的也可以是纵向的。ω是角频率。

这是的cz是波速。 u

在这项研究中使用由Cervenka 和Challande提出的矩阵表示法。材料的第一层可以上液体或者是固体。特别的，在他的工作中提出的假液体模型允许整个系统用一个矩阵表示。由于样品被水覆盖，波垂直于样品的表面，横向波可以忽略。因此，矢量ψ等于零，此时的u可以写成：