Nicht-invasive, gleichzeitige Bestimmung von Schichtdicken und Schallgeschwindigkeiten mittels Ultraschall
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei konventionellen Ultraschallverfahren wird die Laufzeit gemessen und daraus bei vorgegebener Schallgeschwindigkeit der Reflektorabstand (Abbildungsverfahren) oder bei bekannter Schichtdicke die Schallgeschwindigkeit (Materialcharakterisierung) bestimmt. Eine gleichzeitige Bestimmung von Schichtdicke und Schallgeschwindigkeit ist wünschenswert z.B. für die zerstörungsfreie Bestimmung von Materialparametern unbekannter Festkörper-Schichtsysteme oder die Verbesserung der Ultraschall-Bildgebung. Dieses ist aber in den meisten Fällen nicht möglich, da dafür Vergleichsreflektoren bzw. andere Schallköpfe in definierten Abständen erforderlich sind. Im Rahmen des Projektes wurden zwei nicht-invasive, zerstörungsfreie Ultraschall-Verfahren zur gleichzeitigen Ermittlung von Schichtdicken und Schallgeschwindigkeiten mithilfe von Annular-Arrays entwickelt. Die Untersuchung der Funktionstüchtigkeit ergab bei einschichtigen Medien eine Abweichung kleiner als 1%. Bei der Untersuchung von Metallplatten mit einer überlagerten Wasserschicht (zweischichtiges System) wurden mit beiden Methoden Abweichungen gegenüber den konventionell gemessenen Schallgeschwindigkeiten und Schichtdicken zwischen 3% und 5% erzielt, wobei die konventionellen Messmethoden selbst eine Unsicherheit in diesem Bereich aufweisen. Jeweils wurde ein geometrisches Modell zur Bestimmung der Verzögerungszeiten bzw. Laufzeitdifferenzen verwendet. Dieses bildet die Schallausbreitung nur ungenügend ab und schränkt deshalb die erreichbaren Genauigkeiten der Verfahren ein. Deshalb war das Hauptaugenmerk in der zweiten Projektphase auf die Entwicklung eines Algorithmus zur Berechnung der Impulsantwort der einzelnen Elemente des Annular-Arrays gerichtet. Der entwickelte Algorithmus basiert auf exakten, transienten GREEN’schen Funktionen für mehrschichtige Strukturen und einer räumlichen Faltung zur Berechnung des ausgedehnten Wandlers. Er ist deshalb ohne Einbuße an Genauigkeit sehr effizient und ermöglicht erstmals eine schnelle Berechnung der Impulsantwort in Abhängigkeit der jeweiligen Schichtstruktur. Aus der Impulsantwort kann das Signal für beliebige Anregungsfunktionen berechnet werden. Durch Vergleich von simulierten und gemessenen Echosignalen wird es damit möglich, simultan Schallgeschwindigkeiten und Schichtdicken iterativ zu bestimmen. Da der entwickelte Berechnungsalgorithmus im Gegensatz zu voll numerischen Methoden zur Berechnung von Signalen auch mit Mittenfrequenzen oberhalb von 100 MHz einsetzbar ist, besitzt er großes Potential für die Anwendung in der Ultraschallmikroskopie bei der Prüfung mikroelektronischer Bauteile. Deshalb soll er (bei Berücksichtigung) von Mehrfachreflexionen auf mehr als zweischichtige Strukturen und beliebig geformte Wandler erweitert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Simultaneous measurement of thickness and sound velocities of each layer in multi-layered structures. 2013 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), 372(2013, 7), 146-149. IEEE.
Kummritz, S.; Wolf, M. & Kuhnicke, E.
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"Advanced signal analysis for the examination of multilayered structures using annular arrays", 11th ECNDT, 2014, Prague
Wolf, M.; Kümmritz, S. & Kühnicke, E.
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"Simultaneous Determination of Thickness and Sound Velocity in Layered Structures", 11th ECNDT, 2014, Prague
Wolf, M.; Kümmritz, S. & Kühnicke, E.
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Simultane Bestimmung von Dicken und Schallgeschwindigkeiten, DGZfP Jahrestagung, DGZfP-Berichtsband BB 148-CD, 2014, Potsdam.
Kümmritz, Sebastian; Wolf, Mario & Kühnicke, Elfgard
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"Material Characterization of Layered Structures by the Simultaneous Determination of Sound Velocity and Thickness", VIIIth International Workshop NDT in Progress, 2015, Prague. Proceedings, p. 198, ISBN 978-80-214-5262-6
Wolf, M.; Kümmritz, S. & Kühnicke, E.
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"Schichtdickenbestimmung mit Ultraschall bei unbekannten Schallgeschwindigkeiten", DAGA, Tagungsband, S. 281., 2015, Nürnberg
Wolf, M.; Kümmritz, S. & Kühnicke, E.
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"Verbesserung der Signalauswertung bei der Untersuchung mehrschichtiger Strukturen mit Annular-Arrays", DAGA, Tagungsband. S. 281f., 2015, Nürnberg
Wolf, M.; Kümmritz, S. & Kühnicke, E.
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Material Characterization of Layered Structures with Ultrasound. Physics Procedia, 70(2015), 330-333.
Kümmritz, S.; Wolf, M. & Kühnicke, E.
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schwindigkeiten", DGZfP Jahrestagung, DGZfP-Berichtsband BB 148-CD, 2014, Potsdam
Kühnicke, E.; Wolf, M.; Kümmritz, S. & Lenz, M.
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Simultane Bestimmung von Dicken und Schallgeschwindigkeiten geschichteter Strukturen. tm - Technisches Messen, 82(3), 127-134.
Kümmritz, Sebastian; Wolf, Mario & Kühnicke, Elfgard
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A wave propagation model for simultaneous determination of thickness and sound velocity of layered structures. Journal of Nondestructive Testing, 2016, 21. Jg., Nr. 7
Wolf, M.; Kümmritz, S. & Kühnicke, E.
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Annular arrays for novel ultrasonic measurement techniques. Journal of Sensors and Sensor Systems, 5(2), 373-380.
Wolf, Mario; Kühnicke, Elfgard; Kümmritz, Sebastian & Lenz, Michael
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Approach for simultaneous determination of thickness and sound velocity in layered structures based on sound field simulations. AIP Conference Proceedings, 1806(2017), 090012. Author(s).
Kühnicke, Elfgard; Wolf, Mario & Kümmritz, Sebastian
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Investigation of embedded structures in media with unknown acoustic properties. AIP Conference Proceedings, 1806(2017), 080013. Author(s).
Kümmritz, S.; Wolf, M. & Kühnicke, E.
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Neuer Ansatz zur zerstörungsfreien Bestimmung von Materialeigenschaften mit Ultraschall, DAGA 2017, Kiel
Wolf, M.; Kümmritz, S. & Kühnicke, E.
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P2.1 - Novel simulation algorithms for developing measuring techniques for multichannel ultrasonic microscopy. Proceedings Sensor 2017 (2017), 579-584. AMA Service GmbH, Von-Münchhausen-Str. 49, 31515 Wunstorf, Germany.
Kühnicke, E. & Wolf, M.
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Transiente Green’sche Funktionen bei ringförmiger Anregung zur verbesserten Modellierung für die Entwicklung neuer Ultraschallmessverfahren. daga 2017
Wolf, M. & Kühnicke, E.
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Schallfeldbasierte Ultraschallmessverfahren zur gleichzeiti-gen Messung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen. In: 45. Deutsche Jahrestagung für Akustik – DAGA 2019, 18.-21.03.2019, Rostock, Proceedings, 1041-1044
Wolf, M. & Kühnicke, E.
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Transient approximated Green’s Function of a circular line source on a half space for fast simulation of axisymmetric problems. 2019 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), 16(2019, 10), 2507-2510. IEEE.
Wolf, Mario & Kuhnicke, Elfgard
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Ultraschallmessverfahren mit Annular Arrays zur verbesserten Bestimmung von Materialeigenschaften und Charakterisierung von Einschlüssen. TUDpress, 2020
Kümmritz, S.
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Signalprädiktion für simulationsbasierte Messverfahren in der Ultraschallmikroskopie, 5. Workshop des Fachaussusses Ultraschall der DEGA e.V. „Messtechnische Anwendungen von Ultraschall“ vom 20.6. -22.6. 2022 in Drübeck
Leipner, Emanuel
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Automated echo separation in scanning acoustic microscopy fortesting multi-layered electronic devices. 13th European Conference on Non-Destructive Testing 2023, Lissabon
Leipner, Emanuel
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Wave Propagation in Layered Media using Transient GREEN's Functions, ICTCA 2023, Monterey 6.-11.8.2023
Kühnicke, Elfgard; Leipner, Emanuel; Wolf, Mario & Kupsch, Christian
