硅薄板光声信号在频率的噪声分析以及信号校正外文翻译资料

 2022-09-01 06:09

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硅薄板光声信号在频率的噪声分析以及信号校正

本文研究光声信号的测量以及整改的方法并分析85微米薄硅样品在20-20000赫兹调制频率范围内呈现的呈现方法。对于频率相关的方法在相干和非相干噪声存在幅度和相位信号整改以及由于麦克风特性失真中介绍。信号校正完成利用实际比较理想的信号推导逆系统响应函数用公知的散装参数和尺寸的样品。系统响应是在一个分段施工中，每个组件是由于测量系统的特定效应而产生的。热转移和弹性效应正在使用标准Rosencweig-Gersho弹性弯曲建模理论。被计算出的热扩散，热弹性和弹塑性信号分量和相比测量。理论和实验之间的差别被用于检测正确信号失真，并确定探测器和声卡的特点。更正信号分析发现如实地反映已知样品参数。

介绍

固体测量的光声光谱由于光学的样品加热的压力变化吸收。对不透明固体的，表面吸收其次是通过热传递的样品和耦合流体。固体加热也导致弹性弯曲和热扩展的影响，可能有助于总信号。这个热转移是由于热扩散（TD）而机械热弹性效应（TE）过程。最后，所有这些影响产生的样品内的压力变化细胞检测PA信号。使用rosencweig—Gersho（RG）和弹性弯曲（EB）型号的开放的细胞（OC）的实验装置，可以用声热弹性参数的测定描述固体样品。

在金属和绝缘体的情况下，只有TD和TE组件的存在，简化了分析。但我们最终目标是表征薄膜（主要是光催化）在半导体层上，因此，我们选择硅作为具有良好定义的热和完全弹性基板另一方面，波长选择用于照明的样品是有限的光催化薄膜分析需要，所以使用波长，导致自由无法避免载波生成。

在Si的情况下，和半导体，在一般情况下，光诱导的自由载流子的产生有助于TD和TE的影响。自由载流子也可以引起的弹性应力导致弹塑性（PE）的影响。随后，半导体PA信号是由于结合了TD、TE、PE的影响。因此，可以用来确定热，机械，光学，和电子特性的半导体。一个装置适用于一层样品，所有这些影响可以阐明在20赫兹到20千赫的频率范围应用调制EB模型对数据进行分析。不幸的是，噪声，失真和干扰往往掩盖了“真实”的PA信号的噪声和信号失真的分析是准确测量的一个不可回避的PA随后任务。识别，定量和校正这些仪器的影响，允许一个以获得“真实”的信号，清晰的许多类型的干扰和失真。

在这份报告中，PA的幅度和相位信号进行分析为20赫兹-20千赫的调制频率范围内的噪声和系统的失真。良好表征的Si的85微米的板被用作样品。 “真”和实验的信号之间的差异进行识别和表征为系统的噪声和信号失真源自用于构造该装置的仪器。信号失真分析是通过级联高和低通滤波器建模，以及相应的系统的传递函数导出。无失真信号被施加逆系统传递函数获得的。 “真”频率相关的PA信号目标响应使用RG和EB理论和TD，TE之间的关系计算，PE信号组件好协议的处理PA信号，占仪器响应后的理论模型之间找到。这些信号模型的适用性被示为整个频率范围内对薄半导体样品可信。

理论模型

图1 理论模型图

这里采用的理论模型，采用均匀的半导体样品的光学激发（图1（1））。激励强度是I = I0 exp (minus;jomega;t),，其中J是虚数单位，t是时间，omega;= 2pi;f，f是频率调制。一般的假设是，样品吸收的入射光的能量和样品照射的至少一部分，在整个表面上是均匀的。作为后者的一个假设的结果，热传播沿Z轴（图1（a））。因此，传热被认为是一个一维的过程。在图1（1）的情况下，在传输光声装置的基本模型配置。

Ts (z, t)通过计算温度分布为：

其中N（z）是自由载流子浓度，beta;为样品的吸收系数，和B1，B2，B3和B4的络合常数，取决于样品的特性。gamma;=Jomega;/ DS，与热扩散系数、DZ，DS = KS /（rho;C）ks为热传导，rho;是密度，和C的热。

方程（2）允许一个计算的温度场（最小二乘法），在背面的样本（=）。这个温度是负责PA信号delta;PTD TD的组件。

在T0、P0是气体的温度和压力，分别gamma;G是绝热率，DG是气体的热扩散率，和LC是PA细胞长度。

众所周知，降低硅样品的厚度增加的TD和TD TE成分，增加的速度比TE。在薄的硅样品的情况下，TD的影响通常控制在（20赫兹–20 kHz）的频率范围。在薄的硅半导体板块的案例分析（85mu;m），TD的过程中是占主导地位的调制频率低于1000 Hz。在更高的频率和体育的影响变得非常重要，并具有很强的影响总信号的产生。在小振幅的情况下，该delta;PTE（omega;）和delta;PPE（omega;）的计算可以使用圆柱近似（图1（b））假定声波振动模式是相极坐标ϕ。delta;PTE（omega;）和delta;PPE（omega;）。

其中，EXP（jomega;t）被省略M= TE，PE表示特定的效果，V0和P0是细胞体积和环境压力，r是径向坐标，z是纵向位置，Rs为样品的有效半径，以及Uz（R，Z）是描述线弹性弯曲和体积膨胀位移功能。对于TE的影响，该功能可以写成一个总和的形式：

样品的弯曲项是：

同时给出了热膨胀项设计：

这里，alpha;是线性膨胀系数，LS是样品厚度，nu;是泊松比，和T（z）是沿z轴的温度分布（图1（b））。MT和NT被定义为：

图2 理论信号图

图2示出了理论的PA信号（a）振幅Rtheo（F）和（b）相phi;theo（f）中，和相应的TD，TE和PE组成。在计算为一个85微米厚的Si板具有直径0.7厘米进行。散装参数在表Ⅰ此声信号将作为“真”的PA中的噪声分析和信号表所列是信号分析。我们的目标假定模型是有效的大部分参数被称为定整个调制频率范围和有效期超过硅这里使用了特定的其它样本。

装置和噪声分析

光声装置由五个主要部分：样品;光源，细胞，检测器，电子信号处理设备。示出主要部件的示意图：

图3 光声装置图

在图3中的空白被添加作为用于噪声测量的光波束停止描绘。所有测量都用一个单一的Si薄板样品进行的，从3-5Omega;厘米，n-型制备，并且lang;100rang;取向的Si晶片散装样品参数在表I的光学激发给出使用一个执行20赫兹和20千赫兹带之间660纳米激光二极管调制电流调制system.20的照射样品表面是抛光和背面进行蚀刻。我们试图照射为了尽量减少的影响均匀采样3D效果。

在电子有限公司型号ECM30驻极体传声器被用于检测光声信号。驻极体麦克风，在一般情况下，可产生在低电压非线性响应。这种非线性主要是由高所致强度信号和随后的非线性响应驻极体材料.我们的实验条件下产生足够低的声强，这些非线性效应最小的。麦克风采用电池供电和影响力电线（50赫兹）的干扰显著降低。然而，一些线路干扰在50赫兹观察100赫兹使用我们的空白梁块的实验装置和麦克风关闭。

使用英特尔82801Ib/IR/ IH进行数据采集高清PC音频控制器。锁定的软件仿真用放大器的信号处理，以提取振幅和声学信号的相位。

测量时，Y（omega;）可通过的总和表示信号分量和噪声分量为：

其中S（omega;）为PA信号和N（omega;）是噪声。在这里，PA信号（omega;）由下式定义：

其中，H（omega;）是所述测量系统的响应和P（omega;）的表示“真”的PA信号P（omega;）〜Delta;P（omega;）。

噪声通常是用来指定所有不需要的一个术语信号在一个系统的输出观察到的。不需要的信号干扰和掩盖的利益真正PA信号。 一些噪声源是存在于PA的测量，包括噪声源中的检测和光调制系统。

噪声使用设备没有样品测量照射。这是通过将一个光束块完成的，图中标记为“空白”之间的光源和样品。典型的测量（点 线）噪声（A）幅度RN（F）和（b）相phi;N（F）如图4所示。两个频率范围可以区分：（1）低频（LF）范围（20-1000）Hz和（2）高频（HF）范围（1-20）千赫。噪声在低频范围由闪烁噪声支配（FN），具有典型的F -1幅度依赖（虚线线 - 图4（a））和随机相位（图4的（b））。 HF范围特征在于主导串音或干扰，在此所谓的“相干信号偏差”（CSD），具有典型˚F 1振幅依赖（虚线-图4（a））和相干相（图4的（b）），这两者都是由电流驱动调制系统。

总噪声N（omega;）可以被写成如下形式：

其中，NFN（omega;）是闪烁噪声和非碳酸饮料（omega;）是相干信号差。不能减少闪烁噪声，但相干信号偏差中减去。

图4 噪声测量图

频率信号偏差的相关性

失真改变了信号的幅度和相位不同程度的调制频率范围。这失真被纳入系统的传递函数H（omega;）。有限的机械和电子系统的响应影振幅和相位相关的信号分量。系统响应函数的要求，产生适当的幅度和相位之间的关系，并描述物理现实系统。以前的工作评估不同麦克风，锁插件和声卡，这些研究表明系统传递函数法对信号的传递函数恢复是适当的在20赫兹，20千赫调制在本研究中使用的频率范围。

麦克风的频率响应和伴随的电子有带通特性关于设计，制造和隔膜性能。在低频区域，这些可以被建模为高通滤波器低于200赫兹的特征频率。高通滤波器显著改变信号的幅度在和下面的特征频率。高通滤波器的影响占一阶高通滤波器级联系统传递函数为：

类似的效应发生在高频区域。电子仪器配套and the麦克风作为滤波器的频率特性的低频6 kHz和20千赫之间。低通滤波器的传输函数代表系统的一阶低通滤波器级联：

在这两种情况下，高和低通特性改变PA信号振幅R（f）和phi;阶段（F）如图所示与图5的实线（a）和图5（b）。理论信号没有偏差，即，“真”的PA信号，都用虚线。

图5 PA信号频率域图

图6 高频范围的PA信号图

图7 相干信号的测量偏差图

图8 函数的调制频率图

在HF范围内的另一个明显的麦克风失真是麦克风的声学偏差黑沙HF（omega;）。这件神器是由于麦克风体积内的空气流量的变化。这些变化的速度有多快麦克风的功能隔膜可对压力变化作出反应。由于隔膜是薄且柔性的，它可以在多种方式弯曲，赋予不均匀的频率响应。系统响应可以被描述为声学低通滤波器并被表示通过二阶低通滤波器的级联（图6）。

其中，Delta;K=omega;k/ QK个是阻尼和QK个是品质因数（K = aHF1，aHF2，。）。式中的第一项。 （14）通常是表征为麦克风截止频率，omega;aHF1。该在级联第二项是更加微妙，小参展但幅度明显的相的影响。除其他因素外，这取决于麦克风本体的几何形状和具有omega;aHF2的特征频率。

结果与讨论

本文提出的主要思想是显示一个可以测量的以及正确的，并分析经典压力传感器（麦克风），以及处理电子器件。 虽然原因进行PA测量获取信息在样品上，综合“整体”的方式对信号分析是必需的，以优化信号信息随后的样本参数估计。我们的经验表明，所有的PA测量将受到连贯语无伦次的噪声，高频和低频滚降引起的麦克风和测量电子特性，并且失真由于电子阻抗失配和麦克风频率响应。的程度失真信号是组件的质量的函数。但有些失真将再好的组件的存在。

为了便于装置建模，我们假定这些效果可以通过典型的系统的传递函数的元素来建模基于已知的物理学。该系统的参数传递函数发现同时表征关于信号的幅度和相位的实际效果。我们一般的信号校正处理在下面的步骤中给出：

  1. 测量并减去相干信号偏差NCSD（omega;）从Yexp（omega;），得到用式SEXP（omega;）。
  2. 飞度SEXP（omega;）取得所有麦克风和锁定电子特点omega;mn，delta;mn和tau;mn
  3. 正确SEXP（omega;）通过删除所有检测到的LF和HF偏差H（omega;），针对在“真”PA信号方程。

我们的这种分析测试系统是一个薄硅板样本具有恒定散装值表Ⅰ给出。在这方面，充分表征的Si，我们使用用于校准样品推导出设备的常量。

图7描述了85微米厚的新生信号硅板（一）幅度，Rexp（F）和（b）阶段，phi;exp（F）（实线），为调制频率f的函数。 噪音幅度和相位是使用空白光块测量。数据证实闪烁噪声，NFN（omega;），是一种显性，但忽略不计（信噪比大于103以上）的PA信号组件在LF范围本设备。 在另一另一方面，非碳酸饮料（omega;）的幅度，为f 1.0的依赖，是非常高，并且拦截（10-20）内的声信号kHz的范围内。很显然，我们必须仔细衡量这一CSD干扰和从总信号中移除。 “清除”消减除去后得到的信号，同时非碳酸饮料（omega;）作为一个复数。 “清除”信号的幅度，Rclear（F）和相位，phi;clear（f）中，示出相比于新生数据。 “清除”信号占CSD，而不是工具失真。

与声卡检测器的阻抗失配在低频范围中的声信号的偏差的主要原因。正如预期的，偏差减小的信号振幅。用公式（12），嵌合率分别声卡和tau;eLF1探测器特征弛豫时间=1.1times;10-2小号和tau;eLF2=6.3times;10-3秒。在调制频率而言feLF1= 15 Hz和feLF2= 25赫兹。这是根据我们预期有1赫兹之间，振幅偏差10赫兹大多数锁插件的用于光声之间，5赫兹和20赫兹的大部分声音卡，20和20赫兹到60赫兹的大部分驻极体相偏差在整个低频范围的预期。

在TD，TE和总的PA信号的聚乙烯组分可以基于理论Rtheo（f）和phi;theo（F）推导出。如清楚地看到图2，TD是在低频范围占主导地位。另一方面，在TE过程，特别是在弹性弯曲，10kHz以上变得重要。一个小PE效应的贡献也清楚地观察到。但人不能估计这项单独的PE分量的自由载流子的贡献。该PE成分仅是由于从弹性应力样扩张。更多显著免费载波信号的捐款通过热分布是显而易见的沿着样品，在样品温度下等式的形式给出，对于在方程的TD和TE信号分量。

比较图2和8，可以看出，该PA振幅遵循由预测频率依赖响应该模型。其他研究人员已经得出结论，该模型这里使用的是不是有效的，即使是在低频range.13他们发现一个在TD和TE实验和理论之间的差异互比率和解释这表明在TE位移部件是使用严格U1Z失算（R，z）的〜LS-3式的依赖。他们占的差异使用半经验U1Z（R，Z）〜LS-2.8依赖。根据我们的经验，一个类似的差异已经观察非常薄的Si的样品，尤其是那些具有厚度在低于50mu;

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