Mikro / Nano-skala Distansmätning från provtagning Moiré Fringes
Summary
En provtagningsmoiréteknik med 2-pixel och flerpixelprovtagningsmetoder för mätningar med hög noggrannhet vid distansmätning på mikro / nanoskala presenteras här.
Abstract
I det här arbetet beskrivs mätproceduren och principerna för en provtagningsteknisk teknik för fullfältmätning av mikro / nanoskaladeformationer. Den utvecklade tekniken kan utföras på två sätt: med hjälp av den rekonstruerade multiplikationsmoirémetoden eller den rumsliga fasförskjutande provtagningsmoirémetoden. När provstegsbredden är cirka 2 pixlar genereras 2-pixelprovtagnings-moiréfransar för att rekonstruera ett multipliceringsmoirémönster för en deformationsmätning. Både förskjutnings- och belastningsfelheten är dubbelt så hög som i den traditionella scanning moirémetoden i samma breda synvinkel. När provstegsbredden är omkring eller större än 3 pixlar alstras flera pixelprovtagningsmoiréfransar, och en rymdfasskiftteknik kombineras för en mätning med fullfältdeformation. Mätnoggrannheten för belastningen förbättras signifikant, och det är enkelt att uppnå automatisk satsmätning.Båda metoderna kan mäta de tvådimensionella (2D) stamfördelningarna från en enstaka gallerbild utan att rotera provet eller scanningslinjerna, som i traditionella moiré-tekniker. Som exempel uppmättes 2D-förskjutnings- och stamfördelningarna, inklusive skjuvstammar av två kolfiberförstärkta plastprover, i trepunktsböjningstest. Den föreslagna tekniken förväntas spela en viktig roll i de icke-destruktiva kvantitativa utvärderingarna av mekaniska egenskaper, sprickuppträdanden och restspänningar av olika material.
Introduction
Mikro / nanoskala deformationsmätningar är avgörande för utvärdering av de mekaniska egenskaperna, instabilitetsbeteenden, restspänningar och sprickuppträdanden av avancerade material. Eftersom optiska tekniker är kontaktfria, fullfält och icke-destruktiva har olika optiska metoder utvecklats för deformationsmätning under de senaste decennierna. Under de senaste åren har mikrometano-skala-deformationsmätningsteknikerna huvudsakligen inkluderat moirémetoderna 1 , 2 , 3 , 4 , geometrisk fasanalys (GPA) 5 , 6 , Fouriertransformation (FT), digital bildkorrelation (DIC) och Elektroniskt speckmönsterinterferometri (ESPI). Bland dessa tekniker är GPA och FT inte väl lämpade för komplexa deformationsmätningar eftersom flera frekvenser existerar. DIC-metoden är simPle men maktlös mot ljud eftersom deformationsbäraren är slumpmässig speckle. Slutligen är ESPI starkt känslig för vibrationer.
Bland moirémetoder med mikro / nanoskala är de vanligaste metoderna för närvarande mikroskopscanning moiré-metoder, såsom elektroniska scanning moiré 7 , 8 , 9 , laserskanning moiré 10 , 11 och atomkraftmikroskop (AFM) moiré 12 , Och vissa mikroskopbaserade moirémetoder, såsom den digitala / överlappande moiré 13 , 14 , 15- metoden och multiplikations / fraktional moirémetoden 16 , 17 . Skanning moiré-metoden har många fördelar, såsom ett brett synfält, hög resoLution och okänslighet för slumpmässigt brus. Den traditionella avsökning moirémetoden är emellertid obekvämt för 2D-stammätningar eftersom det är nödvändigt att rotera provsteget eller avsökningsriktningen med 90 ° och skanna två gånger för att generera moiréfransar i två riktningar 18 . Rotation och dubbla skanningsprocesser introducerar rotationsfel och tar lång tid, vilket på allvar påverkar mätnoggrannheten hos 2D-stammen, speciellt för skjuvspänningen. Fastän den temporära fasförskjutningstekniken 19 , 20 kan förbättra deformationsmätningsnoggrannheten, kräver det tid och en speciell fasskiftningsanordning olämplig för dynamiska test.
Provtagningsmoirémetoden 21 , 22 har en hög noggrannhet i förskjutningsmätningar och används nu huvudsakligen för avböjningsmätningar på broar när bilar pröv. För att förlänga provtagningsmoirémetoden till mätning av mikro / nanoskala 2D-stammen har en rekonstruerad multipliceringsmirémetod nyligen utvecklats 23 från 2-pixel sampling moiré fringes, där mätningarna är dubbelt så känsliga och det breda synfältet på Scanning moiré-metoden hålls. Dessutom utvecklas den rumsliga fasförskjutande provtagningsmoiré-metoden också från flera pixelprovtagningsmoiréfransar, vilket möjliggör mätningar med hög noggrannhet. Detta protokoll kommer att introducera detaljerad belastningsmätning och förväntas hjälpa forskare och ingenjörer att lära sig att mäta deformation, förbättra tillverkningsprocesser av material och produkter.
Protocol
Representative Results
Discussion
I den beskrivna tekniken är ett utmanande steg mikro / nano-skalan eller gitteret (förkortat som gallret) tillverkning 26 om inget periodiskt mönster existerar på provet. Gridhöjden bör vara likformig före deformation eftersom den är en viktig parameter för deformationsmätningen. Om materialet är en metall, en metalllegering eller en keramisk, UV- eller uppvärmningsnanoimprint-litografi (NIL) 27 , elektronstrållitografi (EBL) 2 , fokuse…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av JSPS KAKENHI, bidragsnummer JP16K17988 och JP16K05996, och genom det korsministeriella strategiska innovationsprogrammet, enhet D66, innovativ mätning och analys för strukturmaterial (SIP-IMASM), som drivs av skåpkontoret. Författarna är också tacksamma för Drs. Satoshi Kishimoto och Kimiyoshi Naito vid NIMS för deras CFRP material.
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).
