مايكرو / نانو مقياس مقياس توزيع سلالة من أخذ العينات مويري هامش
Summary
ويعرض هنا أسلوب أخذ العينات موهير يضم طرق أخذ العينات 2 بكسل ومتعددة بكسل لقياس قياسات توزيع عالية الدقة على نطاق الجزئي / نانو هنا.
Abstract
يصف هذا العمل إجراء قياس ومبادئ تقنية موهير لأخذ عينات لقياسات تشوه الصغير النطاق / نانو النطاق الكامل. ويمكن تنفيذ التقنية المتقدمة بطريقتين: استخدام طريقة مويرة الضرب أعيد بناؤها أو طريقة أخذ العينات المكانية تحول مسار موير. عندما يكون الملعب الشبكة عينة حوالي 2 بكسل، يتم إنشاء 2 بكسل بكسل أخذ العينات مويير لإعادة بناء نمط مويرة الضرب لقياس تشوه. كل من النزوح وحساسيات سلالة هي ضعفي كما هو الحال في طريقة موهير المسح الضوئي التقليدي في نفس مجال واسع من الرأي. وعندما يكون الملعب الشبكي للعينة حول أو يزيد عن 3 بيكسلات، يتم إنشاء حواف موانير أخذ العينات متعددة البكسل، وتقترن تقنية تحويل الطور المكاني لقياس تشوه كامل المجال. يتم تحسين دقة قياس سلالة بشكل ملحوظ، وقياس دفعة التلقائي يمكن تحقيقه بسهولة.ويمكن لكلتا الطريقتين قياس توزيعات سلالة ثنائية الأبعاد (2D) من صورة شبكة واحدة بالرصاص دون تدوير العينات أو خطوط المسح الضوئي، كما هو الحال في تقنيات النسيج التقليدي. على سبيل المثال، تم قياس التوزيعات ثنائية الأبعاد والتوزيعات، بما في ذلك سلالات القص لعينتين من البلاستيك المقوى بالألياف الكربونية، في اختبارات الانحناء ذات ثلاث نقاط. ومن المتوقع أن تلعب التقنية المقترحة دورا هاما في التقييمات الكمية غير المدمرة للخصائص الميكانيكية، وحوادث الكراك، والضغوط المتبقية لمجموعة متنوعة من المواد.
Introduction
قياسات تشوه الصغرى / نانو مقياس ضرورية للغاية لتقييم الخواص الميكانيكية، والسلوك عدم الاستقرار، والإجهاد المتبقية، والكراك تحدث المواد المتقدمة. منذ التقنيات البصرية هي عدم الاتصال، حقل كامل، وغير مدمرة، وقد وضعت أساليب بصرية مختلفة لقياس تشوه خلال العقود القليلة الماضية. في السنوات الأخيرة، وتشمل تقنيات قياس تشويه الصغرى / نانو مقياس أساسا أساليب موير 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، تحليل المرحلة الهندسية (غبا) 5 ، 6 ، تحويل فورييه (فت)، ارتباط الصورة الرقمية (ديك)، و قياس رقعة نمط الرقطة الإلكترونية (إسبي). من بين هذه التقنيات، غبا و فت ليست مناسبة تماما ل قياسات تشوه معقدة لوجود ترددات متعددة موجودة. طريقة ديك هي سيمبلي ولكن عاجزة ضد الضوضاء لأن الناقل تشوه هو رقطة عشوائية. وأخيرا، إسبي حساس جدا للاهتزاز.
ومن بين أساليب التموج الصغرى / النانوية على نطاق واسع، والطرق الأكثر شيوعا في الوقت الحاضر هي أساليب المجهر المسح الضوئي موير، مثل الإلكترون مسح موير 7 ، 8 ، 9 ، ليزر المسحوق موير 10 ، 11 ، المجهر القوة الذرية (عفم) موير 12 ، وبعض الأساليب مويرسوب القائم على المجهر، مثل الرقمية / متداخلة موير 13 ، 14 ، 15 طريقة وطريقة التجميع / كسور موير 16 ، 17 . طريقة موير المسح الضوئي لديها العديد من المزايا، مثل مجال واسع من الرأي، وارتفاع ريسولوتيون، وعدم الحساسية للضوضاء العشوائية. ومع ذلك، فإن أسلوب موير المسح الضوئي التقليدي غير مريح لقياس قياسات 2D لأنه من الضروري لتدوير مرحلة العينة أو اتجاه المسح الضوئي من قبل 90 درجة والمسح الضوئي مرتين لتوليد هامش موير في اتجاهين 18 . دوران وعمليات المسح المزدوج إدخال خطأ دوران وتأخذ وقتا طويلا، والتأثير على محمل الجد دقة قياس سلالة 2D، وخاصة لسلالة القص. على الرغم من أن تقنية التحول المرحلة الزمنية 19 ، 20 يمكن أن تحسن دقة قياس تشوه، فإنه يتطلب الوقت وجهاز التحول مرحلة خاصة غير مناسبة لاختبارات ديناميكية.
طريقة موهير الاعتيان 21 ، 22 لديها دقة عالية في قياسات النزوح ويستخدم الآن أساسا لقياسات انحراف على الجسور عندما السيارات pالحمار. لتوسيع طريقة أخذ العينات موير إلى قياسات سلالة 2D / نانو على نطاق 2D، وقد تم تطوير طريقة مويرة الضرب أعيد بناؤها حديثا 23 من 2 بكسل الهجين أخذ العينات موير، حيث القياسات هي ضعف حساسية ومجال واسع من الرأي من يتم الاحتفاظ طريقة موير المسح. وعلاوة على ذلك، تم تطوير طريقة التجميع المكاني لأخذ العينات من الطور المائي من أطراف متعددة لقطع العينات، مما يسمح بقياسات سلالة عالية الدقة. هذا البروتوكول سوف يعرض إجراء قياس سلالة مفصلة ومن المتوقع أن يساعد الباحثين والمهندسين على تعلم كيفية قياس تشوه، وتحسين عمليات تصنيع المواد والمنتجات.
Protocol
Representative Results
Discussion
في التقنية الموصوفة، خطوة واحدة صعبة هي شبكة الصغرى / نانو النطاق أو صريف (مختصر كما الشبكة) تلفيق 26 إذا لم يكن هناك نمط الدوري على العينة. وينبغي أن تكون الملعب الشبكة موحدة قبل تشوه لأنها معلمة هامة لقياس تشوه. إذا كانت المادة المعدنية، وسبائك معدنية، أو…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل جسبس كاكينهي، وأرقام المنحة JP16K17988 و JP16K05996، وبرنامج تعزيز الابتكار الاستراتيجي عبر الوزارات، وحدة D66، القياس والتحليل المبتكر للمواد الهيكلية (سيب-إماسم)، التي تديرها مكتب مجلس الوزراء. المؤلفون أيضا ممتنون للدكتور. ساتوشي كيشيموتو وكيميوشي نايتو في نيمس للمواد سفرب بهم.
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).
