Mikro / Nano-skala Stamfordelingsmåling fra prøvetaking Moiré Fringes
Summary
En prøvetaking moiré-teknikk med 2-piksel- og flerpunkts-prøvetakingsmetoder for stor nøyaktighetstestfordelingsmåling på mikro / nano-skalaen er presentert her.
Abstract
Dette arbeidet beskriver måleprosedyren og prinsippene for en prøvetaking moiré-teknikk for deformasjonsmålinger i fullfelt mikro / nano-skala. Den utviklede teknikken kan utføres på to måter: ved hjelp av den rekonstruerte multiplikasjon moiré-metoden eller den romlige faseskiftende samplings moiré-metoden. Når prøvelinjen er rundt 2 piksler, genereres 2-pikslers samplings moiré fringer for å rekonstruere et multiplikasjon moiré mønster for en deformasjonsmåling. Både forskyvnings- og belastningsfølsomhetene er dobbelt så høye som i den tradisjonelle skanning moiré-metoden i samme brede synsfelt. Når prøvenettbredden er rundt eller større enn 3 piksler, genereres flere pikselmønstringsmoiré fringer, og en romlig faseforskyvningsteknikk kombineres for en fullfeltdeformasjonsmåling. Strenge måle nøyaktigheten er betydelig forbedret, og automatisk batch måling er lett oppnåelig.Begge metodene kan måle de todimensjonale (2D) stamfordelingsfordelingen fra et enkeltbildet rutenettbilde uten å rotere prøven eller skanningslinjene, som i tradisjonelle moiré-teknikker. Som eksempler ble 2D-forskyvning og belastningsfordeling, inkludert skjærstammene til to karbonfiberforsterkede plasteksempler, målt i trepunkts-bøyetester. Den foreslåtte teknikken forventes å spille en viktig rolle i de ikke-destruktive kvantitative evalueringene av mekaniske egenskaper, sprekktilfeller og restspenninger av en rekke materialer.
Introduction
Mikro / nanoskala deformasjonsmålinger er avgjørende for å evaluere de mekaniske egenskapene, ustabilitetsadferdene, restspenninger og sprekk forekomster av avanserte materialer. Siden optiske teknikker er ikke-kontakt, fullfelt og ikke-destruktive, har ulike optiske metoder blitt utviklet for deformasjonsmåling de siste tiårene. De siste årene har mikro / nano-skala deformasjonsteknikkene hovedsakelig moire-metodene 1 , 2 , 3 , 4 , geometrisk faseanalyse (GPA) 5 , 6 , Fourier-transformasjon (FT), digital bildekorrelasjon (DIC) og Elektronisk speckle pattern interferometry (ESPI). Blant disse teknikkene er GPA og FT ikke godt egnet for komplekse deformasjonsmålinger fordi flere frekvenser eksisterer. DIC-metoden er simMen kraftløst mot støy fordi deformasjonsbæreren er tilfeldig speckle. Endelig er ESPI sterkt følsom for vibrasjon.
Blant mikro / nano-skala moiré-metoder, er de mest brukte metodene for tiden mikroskopskanning moiré-metoder, for eksempel elektronskanning moiré 7 , 8 , 9 , laser scanning moiré 10 , 11 og atomkraftmikroskop (AFM) moiré 12 , Og noen mikroskopbaserte moirémetoder, slik som den digitale / overlappende moiré 13 , 14 , 15- metoden og multiplikasjons / fraksjonal moiré-metoden 16 , 17 . Skanning moiré-metoden har mange fordeler, for eksempel et bredt synsfelt, høy resoLution og ufølsomhet for tilfeldig støy. Den tradisjonelle skanning moiré-metoden er imidlertid ubeleilig for 2D-stamme-målinger fordi det er nødvendig å rotere prøvefasen eller skanneetningen med 90 ° og skanne to ganger for å generere moiréfranser i to retninger 18 . Rotasjon og de to skanningsprosessene innfører rotasjonsfeil og tar lang tid, noe som på alvor påvirker målingsnøyaktigheten til 2D-stammen, spesielt for skjærstammen. Selv om den temporale faseforskyvningsteknikken 19 , 20 kan forbedre deformasjonsmålingsnøyaktigheten, krever det tid og en spesiell faseforskyvningsanordning uegnet for dynamiske tester.
Sampling moiré-metoden 21 , 22 har en høy nøyaktighet i forskyvningsmålinger og brukes nå hovedsakelig til avbøyningsmålinger på broer når biler pass. For å utvide prøvetrykk moiré-metoden til mikro / nano-skala 2D stamme målinger, har en rekonstruert multiplikasjon moiré metode blitt nylig utviklet 23 fra 2-pixel sampling moiré fringes, hvor målingene er dobbelt så følsomme og det brede synsfeltet for Skanning moiré metode holdes. Videre er den romlige faseforskyvende samplings moiré-metoden også utviklet fra flerpikselprøve-moiré fringer, noe som gir mulighet for høy nøyaktighetstestmåling. Denne protokollen vil introdusere detaljerte belastningsmålinger og forventes å hjelpe forskere og ingeniører lære å måle deformasjon, forbedre produksjonsprosesser for materialer og produkter.
Protocol
Representative Results
Discussion
I den beskrevne teknikken er et utfordrende trinn mikro-nanoskala gitter eller gitter (forkortet som gitter) -fabrikasjon 26 dersom det ikke eksisterer periodisk mønster på prøven. Gitterhullet skal være jevnt før deformasjon fordi det er en viktig parameter for deformasjonsmåling. Hvis materialet er et metall, en metalllegering eller en keramisk, UV- eller oppvarmingsnanoimprint-litografi (NIL) 27 , elektronstråle-litografi (EBL) 2 , fokuser…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av JSPS KAKENHI, bevilgningsnumre JP16K17988 og JP16K05996, og ved det korsministerielle strategiske innovasjonsfremmende programmet, Unit D66, Innovative Measurement and Analysis for Structural Materials (SIP-IMASM), som drives av kabinettet. Forfatterne er også takknemlige for dr. Satoshi Kishimoto og Kimiyoshi Naito på NIMS for deres CFRP materiale.
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).
