本发明属于金刚石损伤层检测技术领域，具体涉及一种金刚石片裂纹检测方法与装置。
背景技术：
现有半导体集成电路行业近几年迅猛发展，超宽禁带半导体——金刚石集电学、光学、力学、声学和热学等优点于一体，将引发新一代半导体技术的革命，而cvd金刚石膜具有化学惰性强、脆性大、硬度高和厚度薄等特点，因而极易在晶体生长和后序衬体加工中产生缺陷，裂纹作为产生随机、尺度较大、影响较深的缺陷一旦产生，金刚石衬底乃至后续制造的芯片会有碎片的隐患，将造成巨大的浪费，因此对金刚石片裂纹的检测是非常重要的。
现有的衬底裂纹的检测方法在科研领域中通常是借助显微镜进行检测，根据对衬底晶片的损伤程度分为有损检测和无损检测。有损检测一般会引入二次损伤，且检测后的样品不可再次使用；无损检测一般是通过仪器采集待测物体振动信号、光信号和电信号等进行分析，与样品无接触，不会引入新的缺陷，裂纹检测的有效性相对较高。但是，现有的无损检测中，存在视场与精度的矛盾关系。在生产应用中，传统缺陷检测方法是依赖于人工进行的。由于人工缺陷检测存在劳动强度过高、工作效率低、检测准确性不高、过于依赖个人经验、容易受主观因素影响等缺点，如何快速检测全场、高精度检测裂纹并评价分析是一个亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种金刚石片裂纹检测方法与装置，减少对传统裂纹检测方法对从业人员经验以及专业技术的依赖，提高了工业生产的检测效率及裂纹检测的准确性。
本发明解决其技术问题的技术方案为：一种金刚石片裂纹检测方法，包括以下步骤：
s1：将待检测cvd金刚石片固定在压电陶瓷激振底座，利用白噪声发生器产生白噪声电激励信号驱动压电陶瓷激振底座产生振动信号；
s2：用激光多普勒测振仪测得待检测cvd金刚石片的振动响应信号，并对振动响应信号进行时间序列分析建立arma模型并提取特征参数；
s3：通过步骤s2中所获得的特征参数计算待检测cvd金刚石片一阶或多阶固有频率ωi与无裂纹cvd金刚石片一阶或多阶固有频率ω0对比，判断待测cvd金刚石片是否存在裂纹，若不存在裂纹，检测结束；若存在裂纹，执行步骤s4；
s4：通过步骤s2中所获得的特征参数构造待测cvd金刚石片裂纹程度识别指标dfi；
s5：选取无裂纹cvd金刚石片，按照步骤s1、s2、s4，采集无裂纹cvd金刚石片的振动响应信号，进行时间序列分析建立arma模型，提取特征参构造无裂纹cvd金刚石片裂纹程度识别指标数df0；
s6：将待测cvd金刚石片裂纹程度识别指标dfi与无裂纹cvd金刚石片裂纹程度识别指标数df0做除法运算，即：
当cvd金刚石片存在裂纹时，h值偏离于1，且裂纹程度越大，h值偏离1的程度越大，通过分析量化裂纹损伤程度，以此判断cvd金刚石片的裂纹大小，决定是否参与后续衬体加工。
所述步骤s1中，采用示波器来显示白噪声信号发生器产生的激励信号波形。
所述步骤s2中对待测cvd金刚石片的振动响应信号进行多次采集，提高所采集数据的准确度。
所述步骤s2中为避免待测cvd金刚石片固定位置存在裂纹造成裂纹识别不出的问题，对于同一片待测cvd金刚石片一次检测之后上下旋转180度再次检测一次。
所述步骤s3中，对多片无裂纹cvd金刚石片进行测量并求平均值，得出无裂纹金刚石片一阶或多阶固有频率ω0范围值。
一种金刚石片裂纹检测装置，包括压电陶瓷激振底座、白噪声信号发生器、用于将cvd金刚石片的一侧固定在压电陶瓷激振底座表面上的固定装置、激光多普勒测振仪和波形显示及信号处理分析系统，所述白噪声信号发生器用于产生白噪声电激励信号驱动压电陶瓷激振底座产生振动信号，所述白噪声信号发生器的信号输出端与压电陶瓷激振底座的信号输入端连接，所述激光多普勒测振仪用于检测cvd金刚石片的振动响应信号，所述激光多普勒测振仪的检测端与cvd金刚石片的非固定侧连接，所述激光多普勒测振仪的信号输出端与波形显示及信号处理分析系统的信号输入端连接。
还包括示波器，所述示波器用于显示白噪声信号发生器产生的激励信号波形，所述示波器的信号输入端与压电陶瓷激振底座的信号输出端连接。
还包括弹性隔振装置，所述压电陶瓷激振底座设置在弹性隔振装置上。
本发明的有益效果为：
(1)利用金刚石片振动响应信号基于时间序列分析计算固有频率，进而识别金刚石片是否存在裂纹，该方法具有很好的鲁棒性，频率计算结果有不错的抗噪性。且该检测方法具有学习能力，若经检测若某cvd金刚石片无裂纹，其分析结果可以作为后续裂纹检测的依据，提高检测准确度。
(2)根据采集的待检cvd金刚石片振动响应信号，利用时间序列分析识别其一阶或多阶固有频率，可以快速判断是否存在裂纹，若金刚石片存在裂纹，通过计算其裂纹程度识别指标dfi与无裂纹金刚石片裂纹程度识别指标df0对比，可以量化裂纹程度。
(3)本方法在采用计算机数据处理的方法对金刚石片进行自动检测识别裂纹，减少对传统裂纹检测方法对从业人员经验以及专业技术的依赖，大大提高了工业生产的检测效率及裂纹检测的准确性。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明装置的结构原理框图。
图3是本发明cvd金刚石片与压电陶瓷激振底座固定方式及振动方向示意图。
图4是本发明白噪声信号发生器生成的白噪声激励信号图。
图5是本发明无裂纹cvd金刚石片振动信号波形图。
图6是本发明无裂纹cvd金刚石片一阶固有频率范围以及某片有裂纹cvd金刚石片一阶固有频率图。
图7是本发明存在三种程度裂纹cvd金刚石片裂纹程度识别指标dfi以及差异值h变化趋势示意图。
图1中：1、白噪声信号发生器，2、示波器，3、波形显示及信号处理分析系统，4、激光多普勒测振仪，5、cvd金刚石片，6、固定装置，7、压电陶瓷激振底座，8、弹性隔振装置。
图2中：箭头的方向为cvd金刚石片的振动方向。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2、图3所示，一种金刚石片裂纹检测方法，包括以下步骤：
s1：将待检测cvd金刚石片固定在压电陶瓷激振底座，利用白噪声发生器产生白噪声电激励信号驱动压电陶瓷激振底座产生振动信号；
s2：用激光多普勒测振仪测得待检测cvd金刚石片的振动响应信号，并对振动响应信号进行时间序列分析建立arma模型并提取特征参数；
s3：通过步骤s2中所获得的特征参数计算待检测cvd金刚石片一阶或多阶固有频率ωi与无裂纹cvd金刚石片一阶或多阶固有频率ω0对比，判断待测cvd金刚石片是否存在裂纹，若不存在裂纹，检测结束；若存在裂纹，执行步骤s4；
s4：通过步骤s2中所获得的特征参数构造待测cvd金刚石片裂纹程度识别指标dfi；
s5：选取无裂纹cvd金刚石片，按照步骤s1、s2、s4，采集无裂纹cvd金刚石片的振动响应信号，进行时间序列分析建立arma模型，提取特征参构造无裂纹cvd金刚石片裂纹程度识别指标数df0；
s6：将待测cvd金刚石片裂纹程度识别指标dfi与无裂纹cvd金刚石片裂纹程度识别指标数df0做除法运算，即：
当cvd金刚石片存在裂纹时，h值偏离于1，且裂纹程度越大，h值偏离1的程度越大，通过分析量化裂纹损伤程度，以此判断cvd金刚石片的裂纹大小，决定是否参与后续衬体加工。
所述步骤s1中，采用示波器来显示白噪声信号发生器产生的激励信号波形。
所述步骤s2中对待测cvd金刚石片的振动响应信号进行多次采集，提高所采集数据的准确度。
所述步骤s2中为避免待测cvd金刚石片固定位置存在裂纹造成裂纹识别不出的问题，对于同一片待测cvd金刚石片一次检测之后上下旋转180度再次检测一次。
所述步骤s3中，对多片无裂纹cvd金刚石片进行测量并求平均值，得出无裂纹金刚石片一阶或多阶固有频率ω0范围值。
一种金刚石片裂纹检测装置，包括压电陶瓷激振底座7、白噪声信号发生器1、用于将cvd金刚石片5的一侧固定在压电陶瓷激振底座7表面上的固定装置6、激光多普勒测振仪4和波形显示及信号处理分析系统3，所述白噪声信号发生器1用于产生白噪声电激励信号驱动压电陶瓷激振底座7产生振动信号，所述白噪声信号发生器1的信号输出端与压电陶瓷激振底座7的信号输入端连接，所述激光多普勒测振仪4用于检测cvd金刚石片5的振动响应信号，所述激光多普勒测振仪4的检测端与cvd金刚石片5的非固定侧连接，所述激光多普勒测振仪4的信号输出端与波形显示及信号处理分析系统3的信号输入端连接。
还包括示波器2，所述示波器2用于显示白噪声信号发生器1产生的激励信号波形，所述示波器2的信号输入端与压电陶瓷激振底座7的信号输出端连接。
还包括弹性隔振装置8，所述压电陶瓷激振底座7设置在弹性隔振装置8上。
发明原理：根据待检测cvd金刚石片在白噪声激励下的振动响应信号，对其进行时间序列分析建立arma模型，时间序列arma模型参数中包含有结构系统的固有特性，通过计算机算法可以识别出待检测金刚石片一阶或多阶固有频率。而固有频率是物体刚度与质量的函数，物体的某一个部分存在缺陷(例如cvd金刚石片裂纹缺陷)后将会造成一阶固有频率的变化，对于金刚石裂纹缺陷，质量变化一般忽略不计，固有频率的变化往往是由于金刚石片自身刚度的变化引起的，且裂纹程度越大，其时间序列arma模型与无裂纹金刚石片振动响应信号arma模型之间的差异也就越大。本发明基于cvd金刚石片振动响应信号，采用时间序列分析方法，识别出待检测金刚石片一阶固有频率，及构造金刚石裂纹程度识别指标dfi，计算待检测金刚石片与无裂纹金刚石片裂纹程度识别指标df0差异量h，进一步判断金刚石片存在裂纹程度。
本实施例中，待测金刚石片和无裂纹金刚石片的尺寸为10*10*2mm
将待检测cvd金刚石片放置在固定装置上，设置白噪声信号发生器发出白噪声激励电信号，示波器用于显示白噪声激励电信号的波形图，激励信号传递给压电陶瓷激振底座产生振动，压电陶瓷激振底座振动传导给cvd金刚石片，cvd金刚石片受到压电陶瓷激振底座的振动激励，产生振动响应信号，由激光多普勒测振仪采集cvd金刚石片振动响应信号，将信号滤波放大后输出至波形显示及信号处理分析系统。
白噪声信号发生器，用于生成高斯白噪声电激励信号，采用泰克科技有限公司的afg3051c任意波形函数信号发生器，可输出正弦波、方波、三角波、高斯白噪声、锯齿波、sin(x)/x、负锯齿波、指数上升波、指数下降波等信号。正弦波、方波的频率范围为1μhz一10mhz，高斯白噪声噪声带宽50mhz。
压电陶瓷激振底座选用丹麦noliac公司生产nac2403型压电陶瓷，尺寸为10mmx10mmx3.4mm，一阶固有频率大于300khz。
激光多普勒测振仪，用来采集cvd金刚石片振动响应信号，选用宝利泰公司的vfx-f-110单点式激光测振仪，可同时输出位移，速度，加速度三种振动响应信号，激光波长633nm，最大测量速度为±30m/s，带宽频率上限为12mhz。为了避免环境的振动对待测叠层芯片产生干扰，贴有叠层芯片的压电陶瓷被固定在压电陶瓷激振底座上，压电陶瓷激振底座与测试平台之间使用弹性隔振装置。
本实施例以压电陶瓷激振底座为激振设备，激励出cvd金刚石片固有振动特性，利用激光多普勒测振仪作为拾振设备，研究cvd金刚石片的动态特性，判断金刚石片损伤状态。
本实施例中调节vfx-f-110单点式激光测振仪与待测cvd金刚石片的水平距离为200mm-700mm，引号采集点位于cvd金刚石片侧面靠近顶部部分，为保证能够采集到的稳定理想的振动响应信号，抽样定理规定，采样频率fs必须高于信号成分中最高频率的两倍，即：
如图4、图5所示，调节afg3051c任意波形函数信号发生器生成高斯白噪声电激励信号，信号中心频率在0khz-400khz之间，本实施例中设置vfx-f-110单点式激光测振仪采样频率为2mhz，采集足够时长的cvd金刚石片的输出响应信号，按照时间序列记为时序xt，取其有限的采样时间段建立时间序列arma模型，为减小数据截断造成能量泄漏，对振动信号进行加汉宁窗处理。
1)对采集的信号进行预处理：
(1)去除趋势项，目的是为了消除传感器零点漂移和温漂现象。
(2)数据标准化处理。
2)建立时间序列分析arma模型：
(1)模型定阶，对数据子段利用赤池信息准则(aic)确定合适的arma模型阶数；确定模型阶数后，对所有cvd金刚石振动响应信号采用相同的模型阶数。
(2)估计模型参数；
(3)模型残差检验。
模型定阶准则使用赤池信息准则，公式为：
aic＝-ln(l) 2k
式中l为最大似然函数，k为模型参数个数，从一组可供选择的模型中选择最佳模型时，通常选择aic值最小时的模型阶数。
arma模型表达式：
式中at为白噪声激励，θi、
引入后移算子b，得到脉冲响应函数，其分子部分包含了结构的固有特性，即：
式中λi是模型ar部分的特征根。
3)计算待检cvd金刚石片一阶固有频率
根据振动模态理论可以得到其一阶固有频率ωi：
式中h＝δt为时间序列采样时间间隔，同样的方法计算得到无裂纹cvd金刚石片一阶固有频率ω0，选取多片无裂纹金刚石片得出无裂纹cvd金刚石片一阶固有频率范围。将待检金刚石片与无裂纹金刚石片一阶固有频率进行对比判断金刚石片是否存在裂纹，如图6所示。
为避免待检金刚石片固定位置存在裂纹造成裂纹识别不出的问题，对于一片金刚石一次检测之后上下旋转180度再次检测一次。
4)裂纹程度指标计算：
对待检cvd金刚石片振动响应信号建立时间序列模型，估计模型参数，提取模型ar部分前三阶系数构造裂纹程度指标dfi如下:
进一步计算无裂纹cvd金刚石裂纹程度识别指标df0，二者相除计算差异值h：
当cvd金刚石片存在裂纹时，h值偏离于1，且裂纹程度越大，h值偏离1的程度越大，通过分析可以量化裂纹损伤程度，以此判断cvd金刚石片的裂纹大小，如图7所示，存在三种程度裂纹cvd金刚石片裂纹程度识别指标dfi以及差异值h变化趋势示意图。
本发明的有益效果为：
(1)利用金刚石片振动响应信号基于时间序列分析计算固有频率，进而识别金刚石片是否存在裂纹，该方法具有很好的鲁棒性，频率计算结果有不错的抗噪性。且该检测方法具有学习能力，若经检测若某cvd金刚石片无裂纹，其分析结果可以作为后续裂纹检测的依据，提高检测准确度。
(2)根据采集的待检cvd金刚石片振动响应信号，利用时间序列分析识别其一阶或多阶固有频率，可以快速判断是否存在裂纹，若金刚石片存在裂纹，通过计算其裂纹程度识别指标dfi与无裂纹金刚石片裂纹程度识别指标df0对比，可以量化裂纹程度。
(3)本方法在采用计算机数据处理的方法对金刚石片进行自动检测识别裂纹，减少对传统裂纹检测方法对从业人员经验以及专业技术的依赖，大大提高了工业生产的检测效率及裂纹检测的准确性。
1.一种金刚石片裂纹检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
s1：将待检测cvd金刚石片固定在压电陶瓷激振底座，利用白噪声发生器产生白噪声电激励信号驱动压电陶瓷激振底座产生振动信号；
s2：用激光多普勒测振仪测得待检测cvd金刚石片的振动响应信号，并对振动响应信号进行时间序列分析建立arma模型并提取特征参数；
s3：通过步骤s2中所获得的特征参数计算待检测cvd金刚石片一阶或多阶固有频率ωi与无裂纹cvd金刚石片一阶或多阶固有频率ω0对比，判断待测cvd金刚石片是否存在裂纹，若不存在裂纹，检测结束；若存在裂纹，执行步骤s4；
s4：通过步骤s2中所获得的特征参数构造待测cvd金刚石片裂纹程度识别指标dfi；
s5：选取无裂纹cvd金刚石片，按照步骤s1、s2、s4，采集无裂纹cvd金刚石片的振动响应信号，进行时间序列分析建立arma模型，提取特征参构造无裂纹cvd金刚石片裂纹程度识别指标数df0；
s6：将待测cvd金刚石片裂纹程度识别指标dfi与无裂纹cvd金刚石片裂纹程度识别指标数df0做除法运算，即：
当cvd金刚石片存在裂纹时，h值偏离于1，且裂纹程度越大，h值偏离1的程度越大，通过分析量化裂纹损伤程度，以此判断cvd金刚石片的裂纹大小，决定是否参与后续衬体加工。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石片裂纹检测方法，其特征在于：所述步骤s1中，采用示波器来显示白噪声信号发生器产生的激励信号波形。
3.根据权利要求1所述的一种金刚石片裂纹检测方法，其特征在于：所述步骤s2中对待测cvd金刚石片的振动响应信号进行多次采集，提高所采集数据的准确度。
4.根据权利要求1所述的一种金刚石片裂纹检测方法，其特征在于：所述步骤s2中为避免待测cvd金刚石片固定位置存在裂纹造成裂纹识别不出的问题，对于同一片待测cvd金刚石片一次检测之后上下旋转180度再次检测一次。
5.根据权利要求1所述的一种金刚石片裂纹检测方法，其特征在于：所述步骤s3中，对多片无裂纹cvd金刚石片进行测量并求平均值，得出无裂纹金刚石片一阶或多阶固有频率ω0范围值。
6.一种金刚石片裂纹检测装置，其特征在于：包括压电陶瓷激振底座、白噪声信号发生器、用于将cvd金刚石片的一侧固定在压电陶瓷激振底座表面上的固定装置、激光多普勒测振仪和波形显示及信号处理分析系统，所述白噪声信号发生器用于产生白噪声电激励信号驱动压电陶瓷激振底座产生振动信号，所述白噪声信号发生器的信号输出端与压电陶瓷激振底座的信号输入端连接，所述激光多普勒测振仪用于检测cvd金刚石片的振动响应信号，所述激光多普勒测振仪的检测端与cvd金刚石片的非固定侧连接，所述激光多普勒测振仪的信号输出端与波形显示及信号处理分析系统的信号输入端连接。
7.根据权利要求6所述的一种金刚石片裂纹检测装置，其特征在于：还包括示波器，所述示波器用于显示白噪声信号发生器产生的激励信号波形，所述示波器的信号输入端与压电陶瓷激振底座的信号输出端连接。
8.根据权利要求6所述的一种金刚石片裂纹检测装置，其特征在于：还包括弹性隔振装置，所述压电陶瓷激振底座设置在弹性隔振装置上。
技术总结