MEMS Muayene ve Karakterizasyonu için kompakt Lens az Dijital Holografik Mikroskop
Summary
Biz MEMS cihazlarının muayene ve karakterizasyonu için kompakt bir yansıma dijital holografik sistemini (CDHM) sunuyoruz. Doğal geometrik büyütme sağlayan uzaklaşan giriş dalga kullanan bir lens daha az tasarım gösterilmiştir. Hem statik ve dinamik çalışmalar sunulmuştur.
Abstract
A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.
Introduction
mikro ve nano nesnelerin Metroloji sanayi ve araştırmacılar açısından büyük önem taşımaktadır. Gerçekten de, nesnelerin minyatür optik metroloji için yeni bir sorun teşkil etmektedir. Genellikle tanımlanan Mikro elektro mekanik sistemler (MEMS) elektromekanik sistemler minyatür ve genellikle mikro sensörler, mikro aktüatörler, mikroelektronik ve mikroyapılar olarak bileşenleri içermektedir gelmiştir. Böyle biyoteknoloji, tıp, iletişim ve 1 algılama gibi çeşitli alanda birçok uygulama bulmuştur. Son zamanlarda, artan karmaşıklık yanı sıra test nesnesinin ilerici minyatür MEMS için uygun karakterizasyon tekniklerinin geliştirilmesi çağrısını sahiptir. Bu karmaşık mikrosistemlerin yüksek verim üretim karakteristik parametreleri ve proses koşullarına 2 yol açtığı ile ilgili kusurları ölçmek için, gelişmiş satır içi ölçüm tekniklerinin uygulanmasını gerektirir. geometrik param Örneğin, sapmaolan bir MEMS cihazında etreleri sistem özelliklerini etkiler ve karakterize edici özelliği olması gerekir. Buna ek olarak, sanayi gibi tam üç boyutlu (3D) metroloji, görünümü, yüksek görüntüleme çözünürlüğü büyük fi eld, ve gerçek zamanlı analizi gibi yüksek çözünürlüklü ölçüm performansı gerektirir. Bu durumda, kalite kontrol ve denetim işlemi güvenilir sağlamak için gereklidir. Ayrıca, mevcut altyapılar yüklü olması bir üretim hattı üzerinde kolayca uygulanabilir ve böylece nispeten kompakt olmasını ölçüm sistemi gerektirir.
İlk Gabor 3 tarafından tanıtıldı Holografi, bir referans ve bir ışığa ortama bir nesne dalga arasındaki parazitleri kaydederek bir nesnenin tam nicel bilgilerin giderilmesini sağlar bir tekniktir. kayıt olarak bilinen bu işlem sırasında, bir alanın amplitüd, faz ve polarizasyon ortamında saklanır. Sonra nesne dalga alan üstüme referans ışını gönderilerek elde edilebilirdium, hologram, optik okuma olarak bilinen bir proses. geleneksel bir dedektör sadece dalga şiddeti kaydeder beri, holografi elektrik alanında ek bilgilere erişim sağlar bu yana geçen elli yıl içinde büyük ilgi çeken bir konu olmuştur. Bununla birlikte, geleneksel holografi çeşitli yönleri sanayi uygulamaları için kullanışsız hale. Gerçekten de, ışığa duyarlı malzemeler pahalıdır ve kayıt işlemi genel olarak bir denge yapılması gereklidir. Böyle ücret birleştiğinde cihaz (CCD) gibi yüksek çözünürlüklü kamera sensörleri ilerlemeler dijital metroloji için yeni bir yaklaşım açtı. Bu tekniklerden biri dijital holografi 4 olarak bilinmektedir. Dijital Holografi (DH) hologram kamera (kayıt ortamı) üzerine kaydedilir ve sayısal işlemler aşaması ve yoğunluk bilgilerini yeniden kullanılır. Fi gösterildiği gibi kayıt ve yeniden: Konvansiyonel holografi olduğu gibi, sonuç iki ana işlemlerden sonra elde edilebilirKayıt geleneksel holografi benzer olup olmadığını şekil 1. Ancak, imar 5 sadece sayısal olduğunu. Sayısal rekonstrüksiyon işlemi Şekil 2'de gösterilmiştir. İki prosedürler yeniden inşa sürecine dahil olmaktadır. Birincisi, nesne dalga alan hologram alınır. Hologram hologram düzleminde nesne wavefront almak için sayısal referans dalga ile çarpılır. İkincisi, karmaşık nesne Wavefront sayısal görüntü düzlemine yayılır. Sistemimizde, bu adım konvolüsyon yöntem 6 kullanılarak gerçekleştirilir. Elde edilen yeniden alan karmaşık bir fonksiyon ve böylece faz ve yoğunluğu ilgi nesne üzerinde nicel yükseklik bilgi veren elde edilebilir olduğunu. holografi yöntemiyle bütün saha bilgi depolama kapasitesi ve hızlı veri işleme için bilgisayar teknolojisinin kullanımı deneysel yapılandırmaya daha fazla esneklik sunar ve anlamlı Spee artırmakyeni olanaklar açılması deneysel sürecin d MEMS ve mikro sistemlerin 7,8 için dinamik bir metrolojik araç olarak DH geliştirmektir.
Faz kontrast görüntüleme dijital holografi kullanılması artık iyi bilinmektedir ve ilk on yıldan fazla önce 9 sunuldu. Nitekim, dijital holografiyi ve mikroskopi birleştirerek mikroskobik cihazların araştırılması birçok çalışmada 10, 11, 12, 13 yapılmıştır. Yüksek tutarlılık 14 ve düşük tutarlılık 15 kaynağa göre çeşitli sistemler yanı sıra geometri 13, 16 farklı türde, 17 (çizgi, eksen, ortak yolu kapalı …) sunulmuştur. Buna ek olarak, gelen sayısal holografi MEMS cihazının 18, 19 karakterizasyonu daha önce kullanılmıştır. Bununla birlikte, bu sistemler, genel olarak uygulanması zor ve hacimlidir endüstriyel uygulamalar için uygun olmayacak hale getirmeyecek. Bu çalışmada, biz kapalı axi tabanlı ücretsiz, kompakt, basit ve lens sistemi öneriyoruzGerçek zamanlı MEMS muayene ve karakterizasyonu için dijital holografi yetenekli s. Kompakt Dijital Holografik mikroskobu (CDHM) bir mercek daha az dijital holografik sistem geliştirildi ve mikro boyutlu yansıtıcı nesnelerin 3D morfolojisi elde etmek patentli olduğunu. Sistemimizde, 10 mW olarak, son derece istikrarlı, 638 nm çalışan ısı kontrollü diode lazer mono-modlu fiber içine bağlanır. Şekil 3'te gösterildiği gibi, lif çıkan ayrılan ışını bir ışın dağıtıcı aracılığı ile, bir referans ve bir amacı, kiriş ayrılmıştır. Referans ışın yolu kapalı eksen geometri gerçekleştirmek için bir eğik ayna içerir. nesne ışın dağınık ve numune ile yansıtılır. iki ışın hologramı veren CCD müdahale. görüntü üzerine basılmış girişim deseni mekansal taşıyıcı denir ve sadece tek bir görüntü ile kantitatif faz bilgilerinin kurtarma izin edilir. Sayısal rekonstrüksiyon ortak Fourier dönüşümü ve sta olarak evrişim algoritması kullanılarak yapılırDaha önce ted. mercek az yapılandırma cazip hale birçok avantajı vardır. Hiçbir lensler kullanıldığı gibi, giriş ışın genişleyen bir dalga doğal geometrik büyütme sağlayan ve böylece sistem çözünürlüğü artırmak olduğunu. Ayrıca, tipik optik sistemlerde karşılaşılan sapmaları ücretsizdir. Şekil 3B'de görüldüğü gibi, sistem kompakt (55x75x125 mm 3) hafif (400 g) yapılabilir, ve bu nedenle kolayca endüstriyel üretim hatlarına entegre edilebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu derlemede, doğru dijital holografi dayanarak bir kompakt sistem kullanılarak farklı MEMS cihazlarının kantitatif morfolojisi kurtarmak için bir protokol sağlar. Statik ve dinamik modda MEMS gösterilmektedir. Bir mikro kanal MEMS Kantitatif 3D verileri elde edilir. sisteminin doğruluğunu onaylamak için, sonuçlar CDHM ve AFM arasında karşılaştırıldı. İyi bir anlaşma dijital holografi 3D görüntüleme için güvenilir bir teknik olabilir yani bulunmuştur. Sonuçlar sistemi 10 nm derinlik rezolusyo…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors have no acknowledgements.
Materials
| 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, Ø125 µm Cladding |
| Sample holder | Edmund Optics | #39-930 | Ideal Positioning Platform,±35mm 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 | NA | software developed by the NTU researchers |
References
- Maluf, N. An introduction to Microelectromechanical Systems. Artech House. Boston (2002).
- Novak, E. MEMS metrology techniques. Proc. SPIE. 5716, 173 – 181 , doi:10.1117/12.596989 (2005).
- Gabor, D. A New Microscopic Principle. Nature. 161 (4098), 777 – 778 (1948).
- 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), R85 – R101 (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. A26 (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), H9-H15 (2009).
- Kolman,P., Chmelìk, R. Coherence-controlled holographic microscope. Opt. Express. 18 (21), 21990-22003 (2010).
- 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).
