Örneklemeden Mozaik Saçaklardan Mikro / Nano-Ölçekli Gerinim Dağılım Ölçümü
Summary
Mikro / nano ölçekte yüksek hassasiyetli gerinim dağılımı ölçümleri için 2-piksel ve çok piksel örnekleme yöntemleri içeren örnekleme moiré tekniği burada sunulmuştur.
Abstract
Bu çalışma, tam saha mikro / nano ölçekli deformasyon ölçümleri için örnekleme moiré tekniğinin ölçüm prosedürü ve ilkelerini açıklamaktadır. Geliştirilen teknik iki şekilde gerçekleştirilebilir: yeniden yapılandırılmış çarpma moiré yöntemi veya uzamsal faz kaydırmalı örnekleme moiré yöntemi. Örnek ızgara payı yaklaşık 2 piksel olduğunda, bir deformasyon ölçümü için bir çarpma moiré paterni yeniden oluşturmak için 2 piksel örnekleme moiré saçaklar oluşturulur. Hem yer değiştirme hem de gerinim duyarlılıkları, aynı geniş görüş alanında geleneksel tarama moiré yönteminin iki katı kadar yüksektir. Örnek ızgara aralığı 3 pikselden daha yakın veya çok olduğunda, çok piksel örnekleme moiré saçaklar oluşturulur ve bir tam alan deformasyon ölçümü için bir mekansal faz kaydırma tekniği birleştirilir. Gerinim ölçüm hassasiyeti belirgin şekilde geliştirilmiş ve otomatik toplu ölçüm kolayca başarılabilir.Her iki yöntem de, geleneksel moiré tekniklerinde olduğu gibi, numuneyi veya tarama çizgilerini döndürmeden bir tek atışlı ızgara görüntüsünden iki boyutlu (2D) gerinim dağılımlarını ölçebilir. Örnek olarak, iki karbon elyaf takviyeli plastik numunenin kesilme soyları da dahil olmak üzere, iki boyutlu deplasman ve gerinim dağılımları üç noktalı bükülme testlerinde ölçüldü. Önerilen yöntemin, çeşitli malzemelerin mekanik özelliklerinin, çatlak oluşumlarının ve artık gerilmelerin tahribatsız nicel değerlendirmelerinde önemli bir rol oynaması beklenmektedir.
Introduction
Mikro / nano ölçekli deformasyon ölçümleri, gelişmiş malzemelerin mekanik özelliklerini, istikrarsız davranışlarını, artık gerilmelerini ve çatlak oluşumlarını değerlendirmek için hayati önem taşır. Optik teknikler temassız, tam alanlı ve tahribatsız olduğundan, son birkaç on yıl boyunca deformasyon ölçümü için çeşitli optik yöntemler geliştirilmiştir. Son yıllarda, mikro / nano ölçekli deformasyon ölçüm teknikleri ağırlıklı olarak moiré yöntemleri 1 , 2 , 3 , 4 , geometrik faz analizi (GPA) 5 , 6 , Fourier dönüşümü (FT), dijital görüntü korelasyonu (DIC) ve Elektronik benekli desen interferometrisi (ESPI). Bu teknikler arasında GPA ve FT, çoklu frekanslar mevcut olduğu için karmaşık deformasyon ölçümleri için uygun değildir. DIC yöntemi simAncak gürültüye karşı güçsüzdür çünkü deformasyon taşıyıcısı rasgele benektir. Son olarak, ESPI titreşime karşı oldukça duyarlıdır.
Mikro / nano ölçekli moiré yöntemleri arasında şu anda en çok kullanılan yöntemler, elektron tarama moiré 7 , 8 , 9 , lazer tarama moiré 10 , 11 ve atomik kuvvet mikroskopu (AFM) moiré 12 gibi mikroskop tarama moiré yöntemlerdir Ve dijital / üst üste moiré 13 , 14 , 15 yöntemi ve çarpma / kısmi moiré yöntemi 16 , 17 gibi bazı mikroskop tabanlı moiré yöntemleri. Tarama moiré yönteminin geniş bir görüş alanı, yüksek resoLution ve rassal gürültüye duyarsızlık. Bununla birlikte, geleneksel tarama moiré yöntemi, 2 boyutlu şekil değiştirme ölçümleri için uygun değildir, çünkü örneklemin veya tarama yönünün 90 ° döndürülmesi ve iki yönde moiré saçaklar oluşturmak için iki kez tarama yapılması gereklidir [ 18] . Döndürme ve çift tarama işlemleri, dönme hatasını getirir ve uzun sürebilir ve 2D gerinim ölçüm hassasiyetini, özellikle kayma gerginliğini ciddi şekilde etkiler. Zamansal faz kaydırma tekniği 19 , 20 deformasyon ölçüm doğruluğunu iyileştirebilmesine rağmen zaman ve dinamik testler için uygun olmayan özel bir faz kaydırma cihazı gerektirir.
Örnekleme moiré yöntemi 21 , 22 , deplasman ölçümlerinde yüksek bir doğruluk derecesine sahiptir ve şu anda özellikle otomobiller p köprüleri üzerinde sapma ölçümleri için kullanılmaktadıreşek. Örnekleme moiré yöntemini mikro / nano-ölçekli 2D gerinim ölçümlerine genişletmek için, 2 piksel örneklemeli moiré saçaklardan, ölçmelerin iki kat daha hassas olduğu geniş bir görüş alanı olan yeniden yapılandırılmış bir çarpma moiré yöntemi 23 geliştirildi. Tarama moiré yöntemi tutulur. Dahası, mekansal faz kaydırmalı örnekleme moiré yöntemi, çok pikselli örneklemeli moiré saçaklardan geliştirildi ve yüksek hassasiyetli gerinim ölçümleri yapılmasına olanak sağladı. Bu protokol detaylı gerinim ölçme prosedürünü tanıtacak ve araştırmacılara ve mühendislere deformasyonun nasıl ölçüleceğini, malzemelerin ve ürünlerin üretim süreçlerini iyileştirmeyi öğrenmesine yardımcı olması bekleniyor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Açıklanan teknikte, zorlu bir adım, numunede periyodik bir desen mevcut değilse mikro / nano ölçekli ızgaralı veya ızgaralı (ızgaralı olarak kısaltılmış) üretimdir26. Izgara aralığı deformasyona uğramadan önce üniform olmalı çünkü deformasyon ölçümü için önemli bir parametredir. Malzeme metal, metal alaşım veya seramik ise, UV veya ısıtma nanoimprint litografi (NIL) 27 , elektron ışını litografi (EBL) 2 , odaklanmış iyon demeti (F…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma JSPS KAKENHI, hibe numaraları JP16K17988 ve JP16K05996 tarafından ve Kabine Ofisi tarafından işletilen Yapısal Malzemeler için Yenilikçi Ölçme ve Analiz (SIP-IMASM) Birimi D66'nın D66 Birimi Stratejik Yenilik Geliştirme Programı tarafından desteklenmiştir. Yazarlar Drs'a da minnettarlar. Satoshi Kishimoto ve Kimiyoshi Naito CFRP materyalleri için NIMS'de.
Materials
| Automatic Polishing Machine | Marumoto Struers K.K. | LaboPol-30, Labor Force-100 | |
| Carbon Fiber Reinforced Plastic | Mitsubishi Plastics, Inc. | HYEJ16M95DHX1 | |
| Computer | DELL Japan | VOSTRO | Can be replaced with another computer with C++ programming language |
| Image Recording Software | Lasertec Corporation | LMEYE7 | Installed in a laser scanning microscope |
| Ion Coater | Japan Electron Optics Laboratory Ltd. | JEC3000F | |
| Laser Scanning Microscope | Lasertec Corporation | OPTELICS HYBRID | |
| Nanoimprint Device | Japan Laser Corporation | EUN-4200 | Can be replaced with a electron beam lithography device or a focused ion beam milling device |
| Nanoimprint Mold | SCIVAX Corporation | 3.0μm pitch | Customized |
| Nanoimprint Resist | Toyo Gosei Co., Ltd | PAK01 | |
| Polishing Solution | Marumoto Struers K.K. | DP-Spray P 15μm, 1μm, 0.25μm | Use from coarse to fine |
| Pipet | AS ONE Corporation | 10mL | |
| Sand Paper | Marumoto Struers K.K. | SiC Foil #320, #800 | Use from coarse to fine |
| Spin Coater | MIKASA Corporation | MS-A100 |
References
- Weller, R., Shepard, B. Displacement measurement by mechanical interferometry. Proc. Soc. Exp. Stress Anal. 6 (1), 35-38 (1948).
- Kishimoto, S., Egashira, M., Shinya, N. Microcreep deformation measurements by a moiré method using electron beam lithography and electron beam scan. Opt. Eng. 32 (3), 522-526 (1993).
- Ifju, P., Han, B. Recent applications of moiré interferometry. Exp. Mech. 50 (8), 1129-1147 (2010).
- Zhang, H., Wu, C., Liu, Z., Xie, H. A curved surface micro-moiré method and its application in evaluating curved surface residual stress. Meas. Sci. Technol. 25 (9), 095002 (2014).
- Zhang, H., Liu, Z., Wen, H., Xie, H., Liu, C. Subset geometric phase analysis method for deformation evaluation of HRTEM images. Ultramicroscopy. 171, 34-42 (2016).
- Wang, Q., Kishimoto, S., Xie, H., Liu, Z., Lou, X. In situ high temperature creep deformation of micro-structure with metal film wire on flexible membrane using geometric phase analysis. Microelectron. Reliab. 53 (4), 652-657 (2013).
- Wang, Q., Kishimoto, S. Simultaneous analysis of residual stress and stress intensity factor in a resist after UV-nanoimprint lithography based on electron moiré fringes. J. Micromech. Microeng. 22 (10), 105021 (2012).
- Kishimoto, S., Wang, Q., Xie, H., Zhao, Y. Study of the surface structure of butterfly wings using the scanning electron microscopic moiré method. Appl. Opt. 46 (28), 7026-7034 (2007).
- Li, C., Liu, Z., Xie, H., Wu, D. Novel 3D SEM Moiré method for micro height measurement. Opt. Express. 21 (13), 15734-15746 (2013).
- Xie, H., Wang, Q., Kishimoto, S., Dai, F. Characterization of planar periodic structure using inverse laser scanning confocal microscopy moiré method and its application in the structure of butterfly wing. J. Appl. Phys. 101 (10), 103511 (2007).
- Tang, M., Xie, H., Wang, Q., Zhu, J. Phase-shifting laser scanning confocal microscopy moiré method and its applications. Meas. Sci. Technol. 21 (5), 055110 (2010).
- Xie, H., Kishimoto, S., Asundi, A., Boay, C. G., Shinya, N., Yu, J., Ngoi, B. K. In-plane deformation measurement using the atomic force microscope moiré method. Nanotechnology. 11 (1), 24 (2000).
- Xie, H., Liu, Z., Fang, D., Dai, F., Gao, H., Zhao, Y. A study on the digital nano-moiré method and its phase shifting technique. Meas. Sci. Technol. 15 (9), 1716 (2004).
- Wang, Q., Kishimoto, S., Yamauchi, Y. Three-directional structural characterization of hexagonal packed nanoparticles by hexagonal digital moiré method. Opt. Lett. 37 (4), 548-550 (2012).
- Liu, Z., Lou, X., Gao, J. Deformation analysis of MEMS structures by modified digital moiré methods. Opt. Lasers Eng. 48 (11), 1067-1075 (2010).
- Li, Y., Xie, H., Chen, P., Zhang, Q. Theoretical analysis of moiré fringe multiplication under a scanning electron microscope. Meas. Sci. Technol. 22 (2), 025301 (2010).
- Patorski, K., Wielgus, M., Ekielski, M., Kaźmierczak, P. AFM nanomoiré technique with phase multiplication. Meas. Sci. Technol. 24 (3), 035402 (2013).
- Wang, Q., Ri, S., Takashita, Y., Ogihara, S., Yoshida, S. Chapter 33: Full-field measurements of principal strains and orientations using moiré fringes. Advancement of Optical Methods in Experimental Mechanics. 3, 251-259 (2017).
- Wang, Z., Han, B. Advanced iterative algorithm for phase extraction of randomly phase-shifted interferograms. Opt. Lett. 29 (14), 1671-1673 (2004).
- Wang, Q., Xie, H., Hu, Z., Zhang, J., Sun, J., Liu, G. Residual thermo-creep deformation of copper interconnects by phase-shifting SEM moiré method. Appl. Mech. Mater. 83, 185-190 (2011).
- Ri, S., Fujigaki, M., Morimoto, Y. Sampling moiré method for accurate small deformation distribution measurement. Exp. Mech. 50 (4), 501-508 (2010).
- Ri, S., Muramatsu, T. Theoretical error analysis of the sampling moiré method and phase compensation methodology for single-shot phase analysis. Appl. Opt. 51 (16), 3214-3223 (2012).
- Wang, Q., Ri, S., Tsuda, H. Digital sampling Moiré as a substitute for microscope scanning Moiré for high-sensitivity and full-field deformation measurement at micron/nano scales. Appl. Opt. 55 (25), 6858-6865 (2016).
- Dai, F., Wang, Z. Automatic fringe patterns analysis using digital processing tehniques: I fringe center method. Acta Photonica Sinica. 28, 700-706 (1999).
- Gutmann, B., Weber, H. Phase-shifter calibration and error detection in phase-shifting applications: a new method. Appl. Opt. 37 (32), 7624-7631 (1998).
- Wang, Q., Kishimoto, S., Tanaka, Y., Kagawa, Y. Micro/submicro grating fabrication on metals for deformation measurement based on ultraviolet nanoimprint lithography. Opt. Lasers Eng. 51 (7), 944-948 (2013).
- Min-Jin, T., Hui-Min, X., Yan-Jie, L., Xiao-Jun, L., Dan, W. A new grating fabrication technique on metal films using UV-nanoimprint lithography. Chin. Phys. Lett. 29 (9), 098101 (2012).
