Summary
אנו מציגים מערכת הולוגרפית דיגיטלית קומפקטית השתקפות (CDHM) לבדיקה ואפיון של התקני MEMS. עיצוב-פחות עדשה באמצעות גל קלט לסטות מתן גדלה גיאומטרית טבעית מודגם. שני המחקרים סטטי ודינמי מוצגים.
Introduction
מטרולוגיה של חפצים מיקרו וננו היא בעלת חשיבות רבה עבור התעשייה והן החוקרים. ואכן, מזעור של אובייקטים מהווה אתגר חדש עבור מטרולוגיה אופטית. מערכות אלקטרו מכאניות מיקרו (MEMS) הם בדרך כלל מוגדר יש מיניאטורי מערכות אלקטרומכניות ובדרך כלל כוללת רכיבים כגון חיישנים מיקרו, ומפעילים מיקרו, מיקרואלקטרוניקה microstructures. זה נמצא יישומים רבים בתחום מגוון כגון ביוטכנולוגיה, רפואה, תקשורת חישת 1. לאחרונה, המורכבות הגוברות כמו גם המזעור המתקדם של מושא בדיקה כוללת שיחה לפיתוח טכניקות אפיון מתאימות MEMS. ייצור תפוקה גבוה של Microsystems המורכבת אלה דורש היישום של שיטות מדידות מוטבע מתקדמות, לכמת פרמטרי מאפיין ופגמים הקשורים שנגרמו על ידי תנאי תהליך 2. למשל, סטיית פרמטר הנדסילאטות ב תקן MEMS משפיעה על מאפייני המערכת ויש לו להתאפיין. בנוסף, התעשייה דורשת ביצועי מדידה ברזולוציה גבוהים, כגון מלאה תלת ממד (3D) המטרולוגיה, שדה גדול של נוף, ברזולוציה גבוהה הדמיה, וניתוח בזמן אמת. לכן, זה הכרחי כדי להבטיח בקרת איכות אמינה תהליך הבדיקה. יתר על כן, זה דורש מערכת המדידה להיות ישים בקלות על קו ייצור ובכך קומפקטי יחסית כדי להיות מותקן על תשתיות קיימות.
הולוגרפיה, אשר הוצגה לראשונה על ידי גאבור 3, היא טכניקה המאפשרת ההתאוששות של המידע כמוני המלא של אובייקט על ידי הקלטת ההתערבות בין הפניה ו גל אובייקט לתוך מדיום רגיש. במהלך תהליך זה המכונה הקלטה, המעטפת, מופע הקיטוב של שדה מאוחסנים הבינוני. ואז את שדה גל אובייקט ניתן לשחזר על ידי שליחת קרן ההתייחסות אל ליdium, תהליך המכונה קריאה אופטית של ההולוגרמה. מאז גלאי קונבנציונלי רק מתעד את עוצמת הגל, הולוגרפיה כבר נושא של עניין רב בחמישים השנים האחרונות שכן הוא נותן גישה למידע נוסף על השדה החשמלי. עם זאת, כמה היבטים של הולוגרפיה קונבנציונאלי להפוך אותו חסר מעשיות עבור יישומים בתעשייה. ואכן, חומרי רגיש יקר תהליך ההקלטה בדרך כלל דורש רמה גבוהה של יציבות. התקדמות חיישני מצלמה ברזולוציה גבוהה כגון (CCD) מכשירים מצמידים טעונים פתחה גישה חדשה עבור המטרולוגיה דיגיטלי. אחת מן הטכניקות הללו שמכונה הולוגרפיה דיגיטלית 4. בשינה דיגיטלית הולוגרפיה (DH), בהולוגרמה נרשמה על מצלמה (בינוני הקלטה) ותהליכים מספריים משמשים לשחזר את המידע בשלב ועצמה. כמו הולוגרפיה קונבנציונאלי, התוצאה יכולה להיות מושגת לאחר שני ניתוחים עיקריים: ההקלטה ושחזור כמוצג Fiאיור 1. עם זאת, אם ההקלטה דומה הולוגרפיה קונבנציונלי, השחזור הוא רק 5 מספרים. תהליך השיקום המספרי מוצג באיור 2. שני הליכים מעורבים בתהליך השיקום. ראשית, את שדה גל אובייקט מאוחזר הולוגרמה. ההולוגרמה מוכפל בהינף התייחסות מספרית כדי לקבל את חזית הגל עצם כלשהו על המטוס הולוגרמה. שנית, חזית גל האובייקט המורכבת מופצות מספריות למישור התמונה. במערכת שלנו, שלב זה מתבצע בשיטת פיתול 6. השדה המשוחזר המתקבל הוא פונקציה מורכבת ולכן שלב ועוצם ניתן לחלץ מתן מידע גובה הכמותית על מושא העניין. היכולת של אחסון מידע שלם בשדה פתוח בשיטה הולוגרפיה והשימוש בטכנולוגיית מחשב לעיבוד נתונים מהיר מציעים גמישות רבה יותר בתצורה ניסיונית להגדיל באופן משמעותי את השפייםד של תהליך הניסוי, פתיחת אפשרויות חדשות לפיתוח DH ככלי המטרולוגי דינמי עבור MEMS ו-מערכות מיקרו 7,8.
שימוש הולוגרפיה דיגיטלי הדמיה לעומת שלב עכשיו הוא מבוסס היטב הוצג לראשונה יותר מ -9 לפני עשר שנים. ואכן, החקירה של התקנים מיקרוסקופים ידי שילוב הולוגרפיה דיגיטלית מיקרוסקופי שבוצעה במחקרים רבים 10, 11, 12, 13. מספר מערכות המבוססות על קוהרנטיות גבוהה 14 ומקורות 15 קוהרנטיות נמוכים, כמו גם סוגים שונים של גיאומטריה 13, 16, 17 (בתור, את הציר, נתיב משותף ...) הוצג. בנוסף, עולה בקנה אחד הולוגרפיה דיגיטלית נעשה בה שימוש בעבר באפיון של התקן MEMS 18, 19. עם זאת, מערכות אלו הם בדרך כלל קשה ליישם ומגושם, מה שהופך אותם מתאימים ליישומים תעשייתיים. במחקר זה, אנו מציעים מערכת קומפקטית, פשוט עדשה חינם על בסיס AXI אתזה הולוגרפיה דיגיטלית מסוגל לבדיקה ואפיון MEMS בזמן אמת. המיקרוסקופ ההולוגרפי דיגיטלית קומפקטית (CDHM) היא עדשה פחות מערכת הולוגרפית דיגיטלי פיתחה פטנט להשיג את המורפולוגיה 3D אובייקטים מחזירי אור מיקרו-גודל. במערכת שלנו, 10 mW, מאוד יציב, ליזר דיודה בקרת טמפרטורת הפעלה ב 638 ננומטר מצמיד לתוך סיב מונה-mode. כפי שניתן לראות בתרשים 3, הקרן לסטות נפלט הסיבים מחולק הפניה ו אלומת אובייקט על ידי קרן splitter. נתיב קרן ההתייחסות כולל מראה מוטה לממש את גיאומטרית ציר off. אלומת האובייקט מפוזרת שמשתקפת המדגם. שתי אלומות להתערב על CCD נותן בהולוגרמה. הפרעות הדפוס המוטבעים על גבי התמונה נקרא נשאית מרחבית ומתיר ההתאוששות של המידע בשלב כמותית עם תמונה אחת בלבד. השחזור המספרי מתבצע באמצעות פורייה משותפת התמרת אלגוריתם פיתול כמו STAטד בעבר. תצורת עדשה פחות יש מספר יתרונות מה שהופך אותו אטרקטיבי. בלי עדשות משמשות, קורה הקלט הוא גל לסטות מתן גדלה גיאומטרית טבעית ובכך לשפר את הרזולוציה של המערכת. יתר על כן, זה ללא סטיות נתקלו במערכות אופטיות טיפוסיות. כפי שניתן לראות באיור 3 ב, המערכת יכולה להתבצע קומפקטי (55x75x125 מ"מ 3), קל משקל (400 גרם), וכך ניתן לשלב בקלות לתוך קווי ייצור תעשייתיים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הכנה מוקדמת של מדידה
הערה: המדגם המשמש הניסוי הוא אלקטרודה MEMS. האלקטרודות הזהב מיוצרות על פרוסות סיליקון באמצעות תהליך המראה. המדגם הוא רקיק 18 מ"מ x 18 מ"מ עם מבנים מחזוריים (אלקטרודות) עם 1 מ"מ תקופה
- היכנס היומן לפני השימוש במערכת.
- הפעילו את המחשב המחשב, לייזר הבמה תרגום.
- מניחים את MEMS אלקטרודה / מדגם הסרעפת מיקרו.
- מניחים את המדגם MEMS באמצע בעל מדגם באמצעות פינצטה.
- התאם את בעל המדגם למקם את האלקטרודות בנתיב הקרן. שדה המדידה המרבי ראייה מוגדר על ידי גודל חיישן מצלמה. זהו מלבן של 2.3 מ"מ x 1.8 מ"מ.
- באמצעות הבמה ממונע אנכי בכיוון, להזיז את המערכת approximatively 1.5 ס"מ מן המדגם.
2. התאמת הגדרות תוכנה
- פתח את 3DViewתוֹכנָה. 3DView הוא תוכנית ללא צורך במיקור חוץ שלנו שפותחה ב- C ++.
- לחץ על לחצן מקור הדמיה כדי לבחור את המצלמה הנכונה עבור הניסוי. בחר את מצלמת CCD מונוכרום. הימנע מצלמה צבע כלולים בהגדרה זו מאז דיודת לייזר מונוכרומטית משמש. בנוסף, עבור אותו המספר של פיקסלים, ברזולוציה תהיה נמוכה יותר כאשר באמצעות מצלמות צבע.
- בכרטיסייה הגדרות התקן, Y800 בחר (1,280 x 960) פורמט וידאו ו -15 פריימים שיעור וידאו השני.
- לחץ צהוב לחצן הפעלה כדי להפעיל את המצלמה. תמונה של האובייקט עם דפוסים שוליים מוטבעים (הולוגרמה) אמורה להופיע.
- להתאים את הפרמטרים רווחים וחשיפה אופטימליים כדי למנוע רווית תמונה במידת הצורך.
- באמצעות תצוגת מצלמת וידאו חלון החייה, להתאים את המיקום המדגם כדי לבחור את האזור המדויק לחקור על המדגם.
- כרטיסיית הגדרות להרחיב.
- בכרטיסיית התצורה, בחר את הסוג של משטח (רעיוני או שקוף), אורך גל של laגודל ser, ו פיקסל של המצלמה. הלייזר הוא דיודת לייזר ההפעלה ב 633 ננומטר. גודל פיקסל של המצלמה הוא 4,650 ננומטר. המדגם הוא מכשיר אלקטרודה MEMS specular כך במצב רעיוני צריך להיות מסומן.
הערה: תצורת CDHM מאפשר רק משטחים משקפים כדי להימדד. עם זאת, התוכנה יכולה לשמש גם כדי למדוד דגימות שקופות כשמערכת הולוגרפיה דיגיטלי שונה משמשת 13. שינוי הגדרה זו משנה את הנוסחה לחישוב גובה מהשלב. אכן, חישוב הבדל נתיב האופטי הוא שונה במקצת עבור דגימות שקופות כפי שהוא כולל את מקדם שבירת אובייקט. - בחר את אלגוריתם שחזור פיתול ולהגדיר את המרחק שחזור לאפס. בחר צעד ושחזור 1 או 2.
הערה: פרמטר מרחק השיקום ניתן להגדיר מאוחר יותר על ידי בחינת התמונה העוצמת מתקבל הולוגרמה ושימוש הפוקוס האוטומטי. צעד השחזור מגדיר את המספרצעדים המשמש ליישם אינטגרל פרנל ולדמות את התפשטות הקורה. השיטה הראשונה להעריך את אינטגרלית פעם בתור פורייה יחידה המרה. צעד של 2 יעריך אינטגרל פעמיים. זה מוסיף גמישות רבה יותר את מרווח הרשת אבל הוא פחות יעיל מחשוב 20. - בלשונית שלאחר העיבוד, בחר את אלגוריתם העטיפה צורך לקבל את תמונת העטיפה הסופית. איכות בחר ממופה אלגוריתם.
הערה: התוכנה, הבחירה בין גולדשטיין האיכות ממופית אלגוריתם יכולה להתבצע. המאוחר הוכיח שלב מרחבית חזק ומהיר עטיפה. האלגוריתם ממופה האיכות מבוססת על שלב מודרך עטיפה כמתוארת 21.
- בכרטיסיית התצורה, בחר את הסוג של משטח (רעיוני או שקוף), אורך גל של laגודל ser, ו פיקסל של המצלמה. הלייזר הוא דיודת לייזר ההפעלה ב 633 ננומטר. גודל פיקסל של המצלמה הוא 4,650 ננומטר. המדגם הוא מכשיר אלקטרודה MEMS specular כך במצב רעיוני צריך להיות מסומן.
3. קליטת נתונים
- לחץ על התמרת סמל כדי לפתוח את חלון הספקטרום הפורה. אחת 0 כדי ושני +1, -1 הזמנות אמורות להופיע. אם זה אינו המקרה, לבדוק כי המדגם נמצא במצב תקין, ולהתאים לזכותזמן חשיפה ד שוב.
- עצור את מצב המדידה החי. בחר באחת ההזמנות מתפזרות (תדר חיובי או שלילי) על ידי שימוש באפשרות הסינון. האזור שנבחר צריך להיות גדול מספיק כך שכל התדרים דרושים יחזור שלב נוכחים. הפעל את במצב החי שוב.
הערה: הבחירה של ההסדר שהלילי רק תשפיע על סימן שלב התוצאה הסופית, כלומר, את תמונת 3D הסופית תהיה הפוכה. - פתח את חלון השלב. בדקו את מצב העטיפה אינו מופעל. תמונת שלב גרי של האובייקט מוטבע ציציות עטופות אמורה להופיע.
- לנצל את הבמה האנכית הממונעת לצמצם את המספר בשולים בתמונת השלב. כאשר רק 1 או 2 שולים נותרים על התמונה, לעצור את הבמה הממונעת.
הערה: המערכת מבוססת על אינטרפרומטריה. כך שהוא עלול להיות מושפע תנודות. לאחר המעבר בכיוון z הבמה ממונע, המשתמש צריך לחכות שניות 1 או 2 לפני תמונת השלב העטופה מופיעה משינוי מתחn. כמו כן, חשוב להימנע תנודות במהלך המדידה לקבל תמונת שלב יציבה. - לחץ על כפתור הפוקוס האוטומטי 22 כדי למצוא את מרחק השחזור הטוב ביותר. אחת ייתכן שיהיה עליך להשתמש פוקוס אוטומטי מספר פעמים להתקרב מרחק שחזור אופטימלי עד שהתמונה עוצמת מופיע חדה וברורה. הפוקוס האוטומטי מבוסס על שיטת ספקטרום יעילה זמן יעילה זוויתי כמתואר 22.
הערה: סרגל מחוון המוקד יכול לשמש לכוונון עדין. לאחר מכן, לחץ על לחצן מיקוד מרכז להקליט את מרחק השיקום הנוכחי. נראה לפעמים כי המיקוד הטוב ביותר לא נמצא עם אפשרות פוקוס אוטומטי. במקרה זה, המרחק שחזור להזין ידנית כדי למצוא את המיקוד הטוב ביותר. - הפעל את המצב לא העטוף כדי לראות את התמונה בשלב עטיפה על ידי לחיצה על הכפתור לקרוע את העטיפה.
4. ויזואליזציה נתונים וניתוח למדידה סטטי
- פתח בחלון תמונת 3D לראות הסופי 3Dתמונה של המדגם. השתמש באפשרויות זמינות כדי לבחון את התוצאה הסופית (לסובב, מפת צבעים, תצוגת סולם ...).
- הקש על כפתור חלונות האריח לסדר את החלונות כמו שאינו חופף ולהציג את כל חלונות המדידות.
- השתמש שליט הקו למתוח קו על פני שטח של ריבית על תמונת שלב העטיפה. בחלון עלילת הקו, מגרש פרופיל חתך של השטח של עניין ניתן לצפות. השתמש בסמני הקו ירוקים שני לחלץ בגובה משוער של האובייקט (איור 5).
חספוס פני השטח ניתן להשיג גם על החלק העליון השטוח של המדגם. - שמור את התמונה השלב הסופי בפורמט JPEG לייבא אותו תוכנות אחרות במידת הצורך.
5. הכנת המדגם וניתוח נתונים למדידה דינמית
- מניחים את הסרעפת מיקרו על צלחת תחנת חימום. המדגם לא יוסר מהצלחת עד לסיום הניסוי.
- קלט הולוגרמה של micro הסרעפת בטמפרטורת הסביבה על ידי ביצוע ההליך המתואר לעיל בסעיף 2 ו -3 זה ישמש כנקודת התייחסות לניתוח עיוות.
- שמור את הנתונים בשלב במחשב.
- הפעל את צלחת חימום מעבדה.
- באמצעות כפתור הטמפרטורה, להשתנות הטמפרטורה בקפיצות של 50 מעלות צלזיוס בין 50 ° C עד 300 ° C. לכל שלב טמפרטורה, לשמור את תמונת המפה שלב בפורמט JPEG.
- הפחת את המפה שלב טמפרטורת הסביבה הראשונית ממפת השלב השנייה רשמה לקבל את נתוני העיוות.
הערה: שלב עיבוד פוסט זה יכול להתממש עם קוד MATLAB פשוט. השלבים השונים המתקבלים נטענים לתוך MATLAB וחיסור מטריצה פשוט מתבצע. ואז מגרש חתך של שלבי עיוות השונים אפשר לקבל.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
הפרוטוקול המתואר לעיל נועד לבדוק ולאפיין MEMS והתקנים מיקרו באמצעות מערכת CDHM. במערכת שלנו, סיב מונו-mode מצמידים דיודת לייזר ההפעלה באורך גל 633 ננומטר. בשל התצורה קרן לסטות, חשוב להתאים את קורות אובייקט נתיב קרן התייחסות על מנת לקבל הולוגרמה כי ניתן לשחזר. זו מושגת באמצעות מיצוב אנכי זהיר של המדגם ביחס למערכת. בתמונת השלב עטוף המחושבת, המספר בשולים מצטמצם למינימום על ידי שינוי המיקום גובה מערכת. היא מבטיחה כי הנתיבים האופטיים הם מתאימים. איור 4 מראה את התוצאה המתקבלת במדידה באמצעות CDHM לאחר מיצוב צירי נכון של המדגם. הנתונים מתקבלים בזמן אמת מתוך תמונה אחת. בניסוי זה, יעד USAF מורכב בדפוסים צורמים של עליות בתקופות שונות נבחר מדגם.כפי שהוסבר לעיל, מפת השלב (איור 4 א) מופקת הולוגרמה תמונה האחת. עלילת קו של דפוס מסוים מוצגת באיור 4 א. הקו הצהוב (איור 4 א) מייצג את המיקום חתך על המדגם. שני קווי סמן ירוקים משמשים לאמידת הערך המוחלט של הגובה המדגם. כדי לאמת את התוצאות של מערכת הולוגרפית הדיגיטלית, מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) חקירת המדגם מתבצעת. חתך של אותו אזור מדגם מוצג באיור 4B. מאותה מבנה, הבדל בגובה של 2.1 ננומטר נמצא בין AFM ומדידת CDHM. לפיכך, השוואה בין שתי השיטות מדגימה את היכולת של CDHM.
כדי במיוחד לאפיין תקן MEMS, חקירת סטטי 3D של אלקטרודה MEMS מתבצעת. המכשיר עשוי סיליקון עם פת אלקטרודות זהבerned באמצעות תהליך המראה. באופן כללי, MEMS מבוסס סיליקון מיוצר בשיטות רגישות כגון תחריט או להמריא תהליך. בשני המקרים, את היכולת לכמת את השינוי של מורפולוגיה מדגם במהלך תהליך הייצור הוא בעל חשיבות רבה. איור 5 מראה את תוצאת המדידה למדגם זה. מורפולוגיה 3D מלאה של המדגם ניתן לצפות. קו חתך עלילה (איור 5 א) מראה את מפת העומק שיכול לשמש לבדיקה. העומק של הערוץ יימצא 632 ננומטר והמרחק לרוחב בין האלקטרודות מסופק גם על ידי CDH מראה כי היא מסוגלת לספק ניתוח 3D כמותית מוחלט של המדגם. עלילה בממד האחר (איור 5 ב) מציגה את חספוס פני השטח של האלקטרודה להוכיח כי CDHM מתאים גם מדידות חספוס.
יישומים סטטי באפיון MEMS הם של gערך reat אבל רוב התהליכים מעניינים דורש בדיקה דינמית. על ידי בחירת שיטות הקלטה מתאימות, מערכת CDHM מסוגלת התקני מייקרו בדיקה ואפיון לשני מצבים סטטיים ודינמיים. איור 6 מציג סדרה של נתונים 3D של סרעפת מייקרו השיגה בטמפרטורות שונות. הסרעפת הייתה מפוברקת על ידי מליטת פלדה דקה על גבי SOI (סיליקון על מבודד) מדגם רקיק. המדגם מושם על צלחת חימום. על מנת למדוד את העיוות התרמית, הטמפרטורה מגוונת ב -50 ° C צעדים החל מ -50 מעלות צלזיוס ועד 300 מעלות צלזיוס. השחזור המספרי של הולוגרמות מבוצע עבור כל טמפרטורה. ההולוגרמה והפאזה בטמפרטורת הסביבה כבר נרשמו בעבר. הוא משמש כשלב התייחסות. החיסור של המדינה המעווה (עומס חום) ואת מצב ההתייחסות (טמפרטורת סביבה) נותן מפות העיוות. לכן ניתוח שדה מלא של העיוות התרמית של ד iaphragm מתקבל. איור 6G מדגיש את העיוות עבור טמפרטורות שונות. במקרה זה, מגרשי הקו עולים כי המדידה להראות חספוס משמעותי בהשוואה לתוצאות שהושגו במהלך מדידות סטטי.
באיור 1. הקלטת הולוגרפיה דיגיטלית ואת ערכת תהליך השיקום. נתון זה מראה בפירוט של תהליך בן שני שלבים כדי לקבל שלושה ממדי התמונה של אובייקט. קריקטורה של תהליך הקלטת הולוגרמה כתוצאה מוצגת. מתוך הולוגרמה, המשרעת והפאזה (מודולו 2π) של האובייקט מחולץ. השלב הוא הסיר כדי להסיר את העמימות 2π. שחזור 3D מבוצע אז. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2. תכנית מפורטת של תהליך השיקום. נתון זה מראה סכמטי של ערכת תהליך השיקום. ההולוגרמה הדיגיטלית נרשמה ואת פורייה המהירה Transform (FFT) של התמונה מתבצעת. לאחר בחירת מידע שימושי בספקטרום, התמונה פורה שינתה בחזרה. אז דור המספרי של קרן ייחוס התפשטות של ההולוגרמה הוא מדומה כדי לאחזר את השלב משרעת של האובייקט באופן עצמאי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3. סכמטי של התקנת CDHM. נתון זה מראה ייצוג סכמטי של התקנת CDHM (
השוואת איור 4. בין CDHM ואת כוח אטומי מיקרוסקופ (AFM) מדידת גובה של יעד חיל האוויר האמריקאי. נתון זה מראה את חלקות שורה מתוך מטרה חיל האוויר האמריקאי מבנה מיקרו שהושגו באמצעות CDHM (א) ו מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM ) (ב). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 5. עלילת פרופיל וקו 3D של MEMS el התקנים ectrode. תוצאות המדידה של מכשיר אלקטרודה MEMS סיליקון באמצעות CDHM. קו עלילה עם סמנים ירוקים להשתמש כדי להעריך את עומק המדגם ב חתך מסוים בכיוון x (א) ו בכיוון y (B) ותמונת שדה כולו מראים תוצאת 3D (C). אנא לחץ כאן כדי להציג גדול גרסה של נתון זה.
איור 6. מחקר דפורמציה של הסרעפת מיקרו תחת העומס התרמי. תמונות להציג תמונות עיוות 3D של סרעפת מייקרתו תחת משתנה עומס תרמי (AF) וקו עלילה המראה את האבולוציה של העיוות בכל חתך מסוים (G).t = "_ blank"> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
בסקירה זו, אנו מספקים פרוטוקול לשחזר את המורפולוגיה כמותי מדויק של התקני MEMS שונים באמצעות מערכת קומפקטית להסתמך על הולוגרפיה דיגיטלית. אפיון MEMS הוא במצב סטטי ודינמי מודגם. נתוני 3D כמותי של MEMS ערוץ מייקרו מתקבלים. כדי לאמת את הדיוק של המערכת, התוצאות היו בהשוואה בין CDHM ואת AFM. הסכם טוב נמצא כלומר הולוגרפיה דיגיטלית יכולה להיות טכניקה אמינה הדמית 3D. תוצאות המחקר מראות כי המערכת מסוגלת רזולוציה עומק 10 ננומטר. יתר על כן, התוצאות שהתקבלו בערוץ מיקרו מראים כי המערכת יכולה לשמש באפיון MEMS כמו המורפולוגיה של המדגם ניתן לשלוט בתהליך ייצור MEMS. בנוסף, הגדלה שהושגה באמצעות CDHM מתאימה מה אמור לשמש גודל MEMS (4.2X). המערכת היא גם מסוגלת מדידת שדה מלאה. זהו נכס ניכר כאשר comלקלף לטכניקות משמשות בדרך כלל לבדיקת MEMS כגון מיקרוסקופיה confocal, אשר דורשות מדידת סריקה ארוכה. בנוסף, ההחלטה לרוחב של המערכת יכולה להיות לשפר בקלות על ידי שינוי לייזר דיודה אדום לייזר UV. לבסוף, הרגישות הגבוהה של המערכת מאפשרת מדידות חספוס.
מדידה דינמית על דיאפרגמה מיקרו מגלה כי CDHM הוא כלי מתאים להתבונן עיוות התקן MEMS בעת טעינת תרמית או חשמלית מוחלת. באמצעות שיטת חשיפה כפולה כדי לבנות את מפת העיוות, מחקר עיוות דינמי של סרעפת מייקרו מבוצע. אפשר לראות כי צורת הסרעפת ניתן להבחין בזהירות בזמן אמת. תוצאה זו אפשרית מכיוון מורפולוגיה 3D מחושבת באמצעות תמונה אחת בלבד. עם זאת שונה ממה נצפה במהלך מדידות סטטי, מדידה דינמית באמצעות עומס חום מראה פרופיל מחוספס באופן חריג. אכן, אפשר לשקול את sh עלילת הקוהבעלים באיור 6G כפי מחוספס יותר כשמשווים את תוצאות המדידה סטטי. כמו המערכת יכולה לפתור מבנה קטן כמו 10 ננומטר, החספוס לא נראה שזה בא מבית האובייקט. הסבר אפשרי יכול להיות כי החום שנוצר על ידי בשלב החימום מדאיג את ההתערבויות שבין שני הגלים ומשפיע על חזית גל גל אובייקט. בנוסף, מחקרים דינמיים בוצעו באמצעות CDHM על MEMS באמצעות עומס חשמלי 12 וחספוס זה לא נראה מופיע.
הפרוטוקול מכיל מספר שלבים קריטיים, כגון מיקום האנכי המדגם, הבחירה של מרחק השיקום, שיטת השחזור, בסביבה חופשית רעידות איכות בשולים על ה- CCD. כדי להבטיח תוצאה אמינה ויציבה, כל השלבים הבאים צריכים להתבצע בזהירות. למשל, נתיב קרן אובייקט צריך להיות זהה התייחסות אחת, למשל, את מרחק המדגם למערכת הוא קריטיכדי לרכוש דפוסים שוליים ברורים על ה- CCD. יתר על כן, מרחק השחזור המספרי צריך להיות מותאם היטב על מנת להבטיח כי הולוגרמה משוחזרת במישור התמונה. לבסוף, מדגם עם מבנה חד גבוה ממחצית אורך הגל של הליזר יגרום תוצאת שלב לא אמינה. ואכן, קפיצת שלב יכולה להופיע בשל לשלב שגיאות עטיפה.
תוצאות אלו ממחישות את היכולת של CDHM לבצע מדידות עומק כמוני 3D של התקני MEMS. ואכן, עבור משטח רפלקטיבי כמו נתקל בענף MEMS המיקרואלקטרוניקה, את CDHM היא מערכת ניידת, שניתן להשתמש בם עבור במדידות תהליך באתר וכן אפיון בדיקת מכשירי microsystem. מחקר אימות מראה כי התוצאות שהושגו על ידי המערכת הם אמינים מאוד. CDHM משתרע על שטח סריקה גדול ומדידות בזמן אמת יכול להתבצע. זהו יתרון גדול לעומת טכניקות אחרות כגון מיקרו AFM או confocalעותק מחייב סריקת זמן רב. בנוסף לתוצאות המוצגות, המערכת יכולה לתת מידע יקר בתהליכי MEMS אחרים. לדוגמה, יש לו יכולת מוכחת במדידת תהליכים מהר מאוד באמצעות זמן תמונות מיצוע ועוצמה כדי לבחון את מצבי התהודה ב התקני MEMS 11. עבודה עתידית תתמקד הדמיה בזמן אמת את שינוי הסטייה של שלוחת MEMS תחת עומס חשמלי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 2 MP Camera | Imaging Source | DMX 41BU02 | used to record the hologram. 4.65 microns pixel size |
| Motorized X,Y,Z Translation Stage | Zaber Technology | TLS28-M | Holder for the system |
| Beam splitter | Edmund optics | 49-003 | Cube Beam splitter. Separate and recombine the object and reference beam |
| Laser | Micro Laser Systems, Inc. | SRT-F635S-20/OSYS | Diode laser |
| Mirror | Edmund Optics | #43-412-566 | 1" Dia. Protected Gold, λ/20 Flat Zerodur |
| monomode Fiber | Thorlabs | S405-XP | Single Mode Optical Fiber, 400 - 680 nm, Ø 125 µm Cladding |
| Sample holder | Edmund Optics | #39-930 | Ideal Positioning Platform, ±35 mm Travel in Both X and Y |
| Hotplate | Thermolyne Mirak hotplate | Barnstead International HP72935-60 | temperature range 40-370 °C |
| Holoscope Software | d'Optron Pte Ltd | software developed by the NTU researchers |
References
- Maluf, N. An introduction to Microelectromechanical Systems. , Artech House. Boston. (2002).
- Novak, E.
- Gabor, D.
- Schnars, U., Jüptner, W. Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction. Appl. Opt. 33 (2), 179-181 (1994).
- Schnars, U., Jüptner, W. Digital recording and numerical reconstruction of holograms. Meas. Sci. Technol. 13 (9), 85-101 (2002).
- Pedrini, G., Schedin, S., Tiziani, H. Lensless digital holographic interferometry for the measurement of large objects. Opt. Commun. 171 (1-3), 29-36 (1999).
- Dubois, F., Joannes, L., Legros, J. C. Improved three-dimensional imaging with a digital holography microscope with a source of partial spatial coherence. Appl. Opt. 38 (34), 7085-7094 (1999).
- Lei, X., Xiaoyuan, P., Jianmin, M., Asundi, A. K. Studies of digital microscopic holography with applications to microstructure testing. Appl. Opt. 40 (28), 5046-5051 (2001).
- Cuche, E., Bevilacqua, F., Depeursinge, C. Digital holography for quantitative phase-contrast imaging. Opt. Lett. 24 (5), 291-293 (1999).
- Qu, W., Yu, Y., Chee Oi, C., Raj Singh, V., Asundi, A. Quasi-physical phase compensation in digital holographic microscopy. J. Opt. Soc. Am. 26 (9), 2005-2011 (2009).
- Schedin, S., Pedrini, G., Tiziani, H. J., Santoyo, F. M. Simultaneous three-dimensional dynamic deformation measurements with pulsed digital holography. Appl. Opt. 38 (34), 7056-7062 (1999).
- Lei, X., Xiaoyuan, P., Jianmin, M., Asundi, A. K. Development and validation of digital microholo interferometric system for micromechanical testing. Proc. SPIE. 4778, 11-20 (2002).
- Qu, W., Bhattacharya, K., Choo, C. O., Yu, Y., Asundi, A. Transmission digital holographic microscopy based on a beam-splitter cube interferometer. Appl. Opt. 48 (15), 2778-2783 (2009).
- Potcoava, M. C., Kim, M. K. Fingerprint biometry applications of digital holography and low-coherence interferography. Appl. Opt. 48 (34), 9-15 (2009).
- Kolman, P., Chmelìk, R.
- Lee, M., Yaglidere, O., Ozcan, A. Field-portable reflection and transmission microscopy based on lensless holography. Biomed. Opt. Express. 2 (9), 2721-2730 (2011).
- Mico, V., Zalevsky, Z., Garcìa, J. Common-path phase-shifting digital holographic microscopy: a way to quantitative phase imaging and superresolution. Opt. Commun. 281 (17), 4273-4281 (2008).
- Singh, V. R., Miao, J., Wang, Z., Hedge, G. M., Asundi, A. Dynamic characterization of MEMS diaphragm using time averaged in-line digital holography. Opt. Commun. 280 (2), 285-290 (2007).
- Singh, V. R., Anderi, A., Gorecki, C., Nieradko, L., Asundi, A. Characterization of MEMS cantilevers lensless digital holographic microscope. Proc. SPIE. 6995, 69950F-1 (2008).
- Schmidt, J. D. Numerical Simulation of Optical Wave Propagation with Examples in MATLAB. SPIE PRESS BOOK. , (2010).
- Zhao, M., Huang, L., Zhang, Q. C., Su, X. Y., Asundi, A., Qian, K. M. Quality-guided phase unwrapping technique: comparison of quality maps and guiding strategies. Appl. Opt. 50 (33), 6214-6224 (2011).
- Wang, Z., Qu, W., Yang, F., Wen, Y., Asundi, A. A new autofocus method based on angular spectrum method in digital holography. Proc. SPIE. 9449, 2-7 (2015).
