扫描声学显微镜（SAM）技术深度解析：从工作原理到应用实例

扫描声学显微镜（Scanning Acoustic Microscope, SAM）作为一种强大的无损检测与材料表征工具，它利用高频超声波穿透不透明材料的能力，为我们揭示样品表面及内部的微观结构、弹性特性与缺陷信息。不同于依赖光或电子束的传统显微技术，SAM能够“透视”到光学显微镜无法企及的深度，并对材料的力学性能变化极为敏感。其工作模式灵活多样，主要包括单声束焦平面成像、双声束成像、空间域分析、频率域分析、兰姆波检测和瑞利波检测等。

工作原理与核心成像模式

1. 单声束焦平面成像

单声束焦平面成像是SAM最基础也最直观的工作模式。其核心过程可以分解为几个步骤（如图1所示）：

1. 信号发射：脉冲发生器产生一个短电脉冲，激励安装在声透镜杆背面的压电换能器。
2. 声束聚焦：换能器将电能转化为高频声波。声波以近乎平面波的形式在透镜杆（通常由蓝宝石或熔融石英等低声衰减材料制成）内传播，到达另一端的球面凹面时发生折射，通过耦合液（通常是水）汇聚成一个极细的焦点，照射在样品内部或表面。
3. 信号接收：如果焦点位置的材料声学特性阻抗（声速与密度的乘积）存在不连续性，例如遇到裂纹、夹杂、分层或晶界，声波就会发生反射。反射回波循原路返回，被换能器接收并转换回电信号。
4. 图像生成：通过精密机械装置，使声透镜或样品在水平（x-y）平面上进行光栅式扫描。接收器在一个极窄的时间窗内采集每个扫描点的反射信号幅度，并将其以不同的灰度或颜色映射到监视器的相应位置，最终拼接成一幅二维的声学图像。

图1 SAM的焦平面成像示意图

该模式的典型工作频率在100 ~ 400 MHz之间，能够提供样品表面及近表面的高分辨率图像。当需要探测更深层的结构时，可采用孔径角稍大、频率范围在25 ~ 100 MHz的声透镜，这种工作方式也被称为C扫描声学显微术（C-SAM）。为避免在样品表面激励出干扰成像的瑞利波，焦平面成像通常采用孔径角较小的声透镜，并主要利用纵波信息。

评价SAM性能的关键指标是分辨率，它分为方位分辨率（Δr）和深度分辨率（ΔL）。对于球面聚焦声束（如图2），这两者可近似表示为：

Δr = λF ΔL = 2λF²

其中，λ是声波在耦合介质中的波长，F是声透镜的f数（焦距与透镜口径之比）。

图2 声透镜分辨率的定义

从公式可以看出，深度分辨率对F数更为敏感。例如，在1 GHz的工作频率下，水中声波波长λ约为1.5 μm。对于一个F=0.7的声透镜，其方位分辨率Δr可达1 μm，而深度分辨率ΔL却为1.5 μm。显然，单纯依赖幅度的成像方式，其深度分辨能力弱于方位分辨能力。

如何提升深度分辨率？研究人员开发了干涉法。该方法将从样品焦点反射的声束（图2中声束B）与一个参考声束（如从声透镜与耦合液界面反射的声束A）进行干涉。通过分析干涉信号，可以更精确地确定焦点的深度信息。在上述1 GHz、F=0.7的条件下，干涉法可将深度分辨率从1.5 μm提升至0.3 μm，改善幅度高达5倍。

2. 双声束成像

单声束成像的图像对比度主要源于反射信号的幅度，丢失了相位信息。而相位信息往往蕴含着更丰富的材料特性。双声束成像技术（图3）正是为了弥补这一不足。

图3 双声束声透镜的示意图

它采用一个特殊的声透镜，其背面有两个微小倾角的平面，每个平面上都制作了一个换能器。两个换能器被相干的脉冲分别激励，产生两束声波，经过透镜聚焦在样品上两个相邻的探测点。

反射回波被各自的换能器接收后，可以通过两种方式处理：

• 幅度差模式：对两路回波信号进行电子学相减并放大，得到反映两点声反射率差异的幅度差图像。
• 相位差模式：将两路信号送入相敏检测器，得到相位差图像。

通过光栅扫描，即可获得高对比度的幅度差或相位差图像。这种差分检测方式能够有效放大样品上微小的反射率或声速变化，对于观察细微结构差异极具优势。在近1 GHz频率下，其分辨率可接近1 μm。

3. 空间域分析（V(Z)曲线）

V(Z)曲线是一种强大的定量分析技术，它将材料的局部弹性特性转化为一条特征曲线。其测量过程如图4所示：使用一个大孔径角的声透镜，在保持x-y坐标不变的情况下，沿z轴（垂直于样品表面）方向移动声透镜，使其焦点从样品表面上方逐渐深入到样品内部。在此过程中，连续记录换能器输出信号的电压幅度V随离焦距离Z的变化，便得到V(Z)曲线。

图4 确定V(Z)曲线的示意图

图5 从玻璃上获得的V(Z)曲线（频率f = 30 MHz）

V(Z)曲线通常呈现出周期性的振荡（如图5）。这种振荡并非噪声，而是源于两种声波的干涉：一是直接从样品表面镜面反射的声束（图4中声束A），二是在液-固界面以特定瑞利临界角θ_R入射，激发了沿样品表面传播的泄漏瑞利波（Leaky Rayleigh Wave），该波在传播过程中会不断将能量泄漏回耦合液，并被声透镜接收（图4中声束B）。

图6 表面力学性能不同的试样的V(Z)表征（c₁—纵波声速，c₁—横波声速，α—衰减值）

V(Z)曲线的形态对材料的表面力学性能（如声速、衰减）极为敏感（如图6）。其振荡的周期ΔZ与瑞利波的传播特性直接相关，可以通过下式计算：

ΔZ = (1/f) * [c_W / (2 - 2cosθ_R)]

通过实验测量得到ΔZ，结合已知的超声频率f和耦合液声速c_W，便可反算出瑞利波临界角θ_R，进而精确计算出材料表面的瑞利波声速c_R：

c_R = c_W / √[1 - (1 - c_W / (2fΔZ))²]

由于瑞利波声速与材料的弹性模量、剪切模量和泊松比等密切相关，因此V(Z)曲线成为了一种无损、定点、定量表征材料表面弹性的有力工具。

当使用球面透镜时，测量到的是样品表面各个方向弹性性能的平均值。若要研究材料的各向异性（如残余应力、晶体取向），则可以采用线聚焦声透镜（图7），它将声束聚焦成一条直线，能够对特定方向的弹性性能进行测量。

图7 直线形聚焦声束

4. 频率域分析（V(f)曲线）

V(f)分析是V(Z)分析的一种变体。从物理上看，离焦距离z和频率f在声束相位中扮演着相似的角色。因此，我们可以在固定离焦距离z的情况下，通过改变超声工作频率f来记录换能器的输出电压V，从而获得V(f)曲线（如图8）。

图8 散焦距离z = -1 mm时玻璃的V(f)曲线

V(f)曲线同样呈现周期性振荡，其振荡周期Δf与V(Z)曲线的ΔZ存在对应关系：

Δf = (1/z) * [c_W / (2 - 2cosθ_R)]

相比V(Z)分析，V(f)分析有两个主要优点：

• 避免机械移动：它无需在z轴方向进行精密的机械位移，从而消除了潜在的机械噪声源。
• 检测区域恒定：由于离焦距离z固定，声束在样品上的探测区域大小保持不变，避免了因样品不均匀性而导致测量结果失准的问题。

5. 兰姆波（Lamb Wave）检测

对于薄板或多层结构材料，常规的球面透镜会同时激励起多种模式的泄漏波，导致信号混杂，难以解析。兰姆波透镜（图9）为此应运而生。

图9 兰姆波声透镜的几何形状

这种特殊设计的透镜能够以一个固定的入射角将声束聚焦到样品上。由于在特定材料中，激励某种兰姆波模式的临界角与频率相关，因此通过精确选择与该入射角匹配的工作频率，就可以选择性地激励起单一模式的兰姆波。这种模式选择性大大提高了模转换效率和信噪比。其V(f)曲线上，不同模式的兰姆波会以清晰的峰值形式出现，而这些峰值的位置对各层材料的弹性常数、厚度以及界面结合质量都极为敏感。

6. 瑞利波（Rayleigh Wave）检测

瑞利波检测模式专门用于高效探测表面及近表面开口裂纹。如图10所示，其声透镜设计巧妙，可以使一部分声线以瑞利临界角θ_R入射到样品表面，从而高效地将纵波能量转换为沿表面传播的瑞利波。

图10 瑞利波检测

由于换能器是圆形的，声线会聚成一个圆锥，与样品表面相交形成一个入射圆环。瑞利波从这个圆环的整个圆周向中心汇聚，穿过中心区域后，在对面的圆环处再模式转换为纵波，被换能器的另一侧接收。

这种360°汇聚的检测方式有一个显著优点：任何阻断瑞利波传播路径的表面裂纹，无论其走向如何，都会导致接收信号幅度的大幅下降。例如，图10中的缺陷A，只要其位于入射圆内，就会阻断大量瑞利波，信号衰减明显。因此，该方法对各种取向的表面裂纹都具有近乎相同的检出概率，对于承受高应力、易产生疲劳裂纹的构件表面检测尤为重要。

扫描声显微镜的核心构成

一套高性能的SAM系统，除了常规的脉冲发射/接收、信号处理和图像显示单元，其核心在于三大关键部件：

1. 高频压电换能器：为了实现GHz级别的超高频工作，通常在声透镜的入射平面上，通过溅射工艺沉积一层微米级的ZnO（氧化锌）压电薄膜。这层薄膜不仅要耐高压、灵敏度高，其结晶的C轴取向必须严格垂直于基底（偏差在±2°以内），以确保产生纯净的纵波，避免不必要的横波干扰。其机电耦合系数K_t通常要求在0.2~0.25之间。

2. 声透镜：声透镜材料选用声衰减极低的单晶蓝宝石或熔凝石英。其挑战在于微小半球形凹面的精密加工。为达到高分辨率，焦距必须很短，例如在1 GHz频率下，透镜口径仅约150 μm。一种巧妙的加工方法是利用熔凝石英原料中残留气体形成的气泡。这些气泡在表面张力作用下形成完美的球形，其表面光滑度远超机械研磨水平。通过切割和研磨，就可以利用这些天然气泡制作出高质量的微型声透镜（如图11）。

图11 声透镜的加工程序

3. 高稳定度机械扫描台：为了匹配微米级的声束焦点，扫描台的精度和稳定性至关重要。现代SAM系统常采用静压空气悬浮技术，可实现1 μm的稳定方位分辨率，在10 mm的Z轴移动范围内，重复定位精度可高达0.05 μm。

典型应用案例

1. 单声束焦平面成像应用

• 内部组织的三维观察 通过在不同深度（Z轴）上进行逐层C扫描，可以获得一系列二维切片图像。将这些图像通过计算机进行三维重建，即可实现对样品内部结构的无损三维表征。图12展示了对铁板上镀锌层的观察，前三张切片清晰显示了镀锌层的组织结构，而第四张切片则深入到了铁基体。

图12 用SAM对铁板上镀锌层作三维观察

• 复合材料冲击损伤的定量评价 纤维增强复合材料虽轻质高强，但对横向的低速冲击非常敏感，容易产生内部损伤（主要是分层），从而导致刚度和强度显著下降。SAM是检测此类内部损伤的理想工具。图13是一幅100 MHz的激光扫描声显微镜（SLAM）图像，显示了复合材料板在冲击后的整体损伤投影。

图13 树脂基复合材料中冲击损伤的SLAM图像（频率：100 MHz）

为了精确定位损伤，研究人员使用10 MHz的焦平面成像技术，将焦点分别对准不同铺层之间的界面进行扫描。图14展示了四个不同界面处的分层图像，清晰可见分层损伤的形状沿其下方铺层的纤维方向扩展。将这些分层图像进行分析合成（图15），可以准确定量每个界面的损伤面积。

图14 复合材料每一界面分层的SAM图像（频率 f = 10 MHz）

图15 图14所示图像的重建

为了验证其准确性，研究人员用X射线照相法进行了对比（图16）。从表1可见，两种方法测得的分层面积高度吻合。进一步的研究（表2）表明，总分层面积与冲击能量成正比。这些定量数据为评估复合材料冲击后的剩余强度提供了关键依据。

图16 同一受冲击复合材料试样的X射线检测照片

表1 用扫描声显微镜和X射线测得分层面积的比较（单位：mm²）

表2 不同试样分层面积比较（单位：mm²）

• 半导体器件的分层观察 对于多层结构的半导体器件，高深度分辨率的逐层观察至关重要。图17和图18对比了幅度模式和干涉模式对同一半导体器件的观察效果。在幅度模式下（图17），即使将焦平面移动1 μm，图像也几乎没有变化，说明其深度分辨率不足，看到的是多层结构的叠加影像。而在干涉模式下（图18），焦平面1 μm的移动导致图像内容发生显著变化，清晰地区分开了不同深度的两层构造。实验数据表明，在450 MHz频率下，幅度模式的深度分辨率为3.3 μm，而干涉模式则达到了0.67 μm。

图17 半导体器件的SAM幅度方式观察（频率：450MHz）

图18 半导体器件的SAM干涉方式观察（频率：450MHz）

2. 双声束成像应用

图19展示了用820 MHz双声束SAM在SiC纤维增强钛基复合材料上获得的相位图像。图像对比度高，噪声低。当扫描探头从基体移动到纤维时，边缘呈现亮色；反之，从纤维移向基体时，边缘则为暗色。这种对比度的反转，精确地揭示了由于SiC纤维与钛基体硬度差异，在样品制备（磨平）过程中产生的纤维部位微小的凸起或凹陷形貌。

图19 在SiC纤维增强Ti基复合材料上的双声束扫描声显微图像

3. 空间域分析（V(Z)曲线）应用

• 晶粒结构和晶粒边界的研究 对于多晶材料，不同晶粒由于晶体取向不同，其表面弹性也不同，这导致它们的V(Z)曲线存在差异（如图21）。因此，在固定的离焦距离Z下，不同晶粒会呈现出不同的灰度。更有趣的是，通过改变Z值，可以改变晶粒间的对比度，甚至使其反转（如图20 b和d）。通过精心选择Z值，可以让所有晶粒的灰度近乎一致，此时晶粒之间的边界就会以亮或暗的线条凸显出来（如图20 a和c）。这使得SAM成为研究材料晶粒结构和晶界特性的有力工具。

图20 在多晶钛试样上，散焦距离不同时晶粒和晶界的对比（频率：f = 1.6 GHz）

图21 从不同弹性的表面所得的V(Z)曲线

• 薄膜弹性常数的测定 薄膜材料的力学性能难以用传统方法测量。利用线聚焦SAM，通过在不同方向上测量V(Z)曲线并计算瑞利波速，可以精确反演出薄膜的弹性常数。图22展示了对在MgO基底上外延生长的VN薄膜的测量。通过沿[100]和[110]等不同晶向测量一系列V(Z)曲线，研究人员成功地计算出VN薄膜的弹性常数C₁₁, C₁₂, 和C₄₄，为薄膜材料的性能评估和设计提供了数据支持。

图22 在(001)面上沿[100]方向测得的V(Z)曲线（频率 f = 225 MHz）

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• 磨削加工热损伤的检测 S50C钢在磨削加工后，表面会因过热而形成一层硬脆的加工变质区。图23a是从侧面观察到的SAM图像，图23b是对应位置的V(Z)曲线。可以看到，磨削面附近的白色马氏体区域，其V(Z)曲线与基体材料的显著不同。图24a则是对磨削表面进行研磨抛光后的图像，但依然能看到网纹状的残留热损伤痕迹，其V(Z)曲线（图24b）的周期也发生了变化。这表明SAM能够灵敏地探测到加工引入的亚表面损伤和组织变化。

图23 从被磨削材料侧面观察的SAM图像（频率 f = 200 MHz）

图24 从板研磨的磨削表面观察到的SAM图像（频率 f = 120 MHz）