Mikro / Nano-skala Stamfordelingsmåling fra prøveudtagning Moiré Fringes
Summary
En prøveudtagningsteknologi med 2-pixel og multimedieprøveudtagningsmetoder til højnøjagtighedstestfordelingsmålinger på mikro / nano-skalaen er præsenteret her.
Abstract
Dette værk beskriver måleproceduren og principperne for en prøveudtagningsteknik for fuldmåne mikro / nano-skala deformationsmålinger. Den udviklede teknik kan udføres på to måder: ved hjælp af den rekonstruerede multiplikation moiré metode eller den rumlige faseforskydning sampling moiré metode. Når prøvegitteret er omkring 2 pixel, genereres 2-pixel sampling moiré fringes for at rekonstruere et multiplikation moiré mønster til en deformationsmåling. Både forskydnings- og belastningsfølsomheden er dobbelt så høj som i den traditionelle scanning moiré-metode i samme brede synsfelt. Når prøvegitteret er omkring eller større end 3 pixel, genereres multipixel sampling moiré fringes, og en rumlig faseforskydningsteknik kombineres til en måling af fuldfeltdeformation. Tæthedsmålerens nøjagtighed er signifikant forbedret, og automatisk batchmåling er let opnåelig.Begge metoder kan måle de todimensionale (2D) stamfordelinger fra et single-shot-gitterbillede uden at rotere prøven eller scanningslinierne, som i traditionelle moiré-teknikker. Som eksempler blev 2D-forskydnings- og spændingsfordelingerne, inklusiv shearstammerne af to carbonfiberforstærkede plastikprøver, målt i trepunkts-bøjningstest. Den foreslåede teknik forventes at spille en vigtig rolle i de ikke-destruktive kvantitative vurderinger af mekaniske egenskaber, sprækkeforekomster og restspændinger af forskellige materialer.
Introduction
Mikro / nano-skala deformationsmålinger er afgørende for at evaluere de mekaniske egenskaber, ustabilitet adfærd, restspændinger og revne forekomster af avancerede materialer. Da optiske teknikker er kontaktfri, fuldfelt og ikke-destruktiv, er forskellige optiske metoder blevet udviklet til deformationsmåling i de sidste par årtier. I de senere år omfatter mikro-nano-skala deformationsmålingsteknikkerne primært moirémetoderne 1 , 2 , 3 , 4 , geometrisk faseanalyse (GPA) 5 , 6 , Fourier-transformation (FT), digital billedkorrelation (DIC) og Elektronisk speckle pattern interferometry (ESPI). Blandt disse teknikker er GPA og FT ikke velegnet til komplekse deformationsmålinger, fordi der findes flere frekvenser. DIC-metoden er simMen kraftløse mod støj, fordi deformationsbæreren er tilfældig speckle. Endelig er ESPI stærkt følsom over for vibrationer.
Blandt mikro / nano-skala moiré-metoder er de mest anvendte metoder i øjeblikket mikroskopscanning moiré-metoder, såsom elektroniske scannings moiré 7 , 8 , 9 , laserskanning moiré 10 , 11 og atomkraftmikroskop (AFM) moiré 12 , Og nogle mikroskopbaserede moirémetoder, såsom den digitale / overlappende moiré 13 , 14 , 15 fremgangsmåde og multiplikation / fraktional moiré-metoden 16 , 17 . Skanning moiré-metoden har mange fordele, såsom et bredt synsfelt, høj resoLution og ufølsomhed over for tilfældig støj. Den traditionelle scanning moiré-metode er imidlertid ubelejlig for 2D-stamme-målinger, fordi det er nødvendigt at rotere prøvefasen eller scanningsretningen med 90 ° og skanne to gange for at frembringe moiré-frynser i to retninger 18 . Rotation og de dobbelte scanningsprocesser introducerer rotationsfejl og tager lang tid, hvilket alvorligt påvirker målingsnøjagtigheden af 2D-stammen, især for shear-stammen. Skønt den tidsmæssige faseforskydningsteknik 19 , 20 kan forbedre deformationsmålingsnøjagtigheden, kræver det tid og en særlig faseforskydningsanordning uegnet til dynamiske test.
Prøveudtagningsmoirémetoden 21 , 22 har en høj nøjagtighed i forskydningsmålinger og anvendes nu hovedsagelig til afbøjningsmålinger på broer, når biler prøv. For at udvide prøvetagning moiré-metoden til mikro / nano-skala 2D-stamme målinger er en rekonstrueret multiplikation moiré-metode blevet nyudviklet 23 fra 2-pixel sampling moiré fringes, hvor målingerne er dobbelt så følsomme og det brede synsfelt for Scanning moiré metode holdes. Desuden er den rumlige faseforskydende sampling moiré-metode også udviklet fra multipixel sampling moiré fringes, hvilket giver mulighed for høj nøjagtighed belastning målinger. Denne protokol vil introducere den detaljerede belastningsmålemetode og forventes at hjælpe forskere og ingeniører med at lære at måle deformation, forbedre fremstillingsprocesserne for materialer og produkter.
Protocol
Representative Results
Discussion
I den beskrevne teknik er et udfordrende trin mikro / nano-skala gitter eller gitter (forkortet som gitter) fabrikation 26, hvis der ikke findes et periodisk mønster på prøven. Gitterhældningen skal være ensartet inden deformation, fordi det er en vigtig parameter for deformationsmåling. Hvis materialet er et metal, en metallegering eller en keramisk, UV- eller opvarmningsnanoimprint-litografi (NIL) 27 , elektronstråle-lithografi (EBL) 2 , fo…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af JSPS KAKENHI, tildelingsnumre JP16K17988 og JP16K05996, og af det tværministerielle strategiske innovationsfremmende program, Enhed D66, Innovativ måling og analyse for strukturelle materialer (SIP-IMASM), der drives af kabinettet. Forfatterne er også taknemmelige for Drs. 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 |
Riferimenti
- 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).
