Акустическая микроскопия

Акустическая микроскопия – это микроскопия очень высокой или сверхвысокой частоты , в которой используется ультразвук . Акустические микроскопы работают неразрушающе и проникают в большинство твердых материалов, делая видимыми изображения внутренних особенностей, включая такие дефекты, как трещины, расслоения и пустоты .

История

Представление об акустической микроскопии восходит к 1936 г., когда С.Я. Соколов ^[1] предложил устройство для получения увеличенных изображений структур с помощью звуковых волн частотой 3 ГГц. Однако из-за технологических ограничений того времени создать такой инструмент не удалось, и только в 1959 году Данн и Фрай ^[2] провел первые эксперименты по акустической микроскопии, хотя и не на очень высоких частотах.

Научная литература показывает очень незначительный прогресс в создании акустического микроскопа после экспериментов Данна и Фрая примерно до 1970 года, когда возникли две группы исследователей, одну возглавлял К. Ф. Куэйт (Стэнфордский университет), а другую — А. Корпель и Л. В. Кесслер (Zenith Radio). исследовательские лаборатории). Первые усилия по разработке оперативного акустического микроскопа были сосредоточены на высокочастотной адаптации методов низкочастотной ультразвуковой визуализации. Одна из ранних систем использовала дифракционное изображение по Брэггу . ^[3] основанный на прямом взаимодействии поля акустической волны с лучом лазерного света. Другой пример был основан на вариациях ячейки Полмана. ^[4] Оригинальное устройство основано на суспензии асимметричных частиц в тонком слое жидкости, которые под воздействием акустической энергии вызывают изменения визуальной отражательной способности. Каннингем и Квейт ^[5] модифицировали это, подвешивая крошечные латексные сферы в жидкости. Акустическое давление вызвало изменения численности населения, которые можно было обнаружить визуально. Кесслер и Сойер ^[6] разработал жидкокристаллическую ячейку, которая позволяла обнаруживать звук путем гидродинамической ориентации жидкости. В 1973 году группа Quate приступила к разработке концепции. ^[7] в котором использовался первый сканирующий акустический микроскоп (SAM) с конфокальной парой ультразвуковых линз с частотой 50 МГц для фокусировки и обнаружения ультразвуковой энергии. В 1974 году эту концепцию реализовали Р. А. Лемонс и К. Ф. Куэйт в микроволновой лаборатории Стэнфордского университета . Достижения этого инструмента, сканирующего акустического микроскопа, связаны с достижением очень высокого разрешения, новыми режимами визуализации и приложениями. SAM был коммерчески представлен компаниями Leitz Corp и Olympus Corp. В 1970 году группа Корпеля и Кесслера начала разработку сканирующей лазерной системы обнаружения для акустической микроскопии. ^[8] В 1974 году деятельность была передана другой организации под руководством Кесслера (Sonoscan Inc), где были разработаны практические аспекты инструмента. Этот прибор, сканирующий лазерно-акустический микроскоп (SLAM), стал коммерчески доступным в 1975 году. ^[9]

построена первая ЗУР сквозного режима высокого разрешения (с частотой до 500 МГц) В 1980 году Романом Маевым и его учениками в его Лаборатории биофизической интроскопии РАН была . ^[10] Первая коммерческая ЗРК ELSAM с широким диапазоном частот от 100 МГц до сверхвысоких 1,8 ГГц была построена на фирме Ernst Leitz GmbH (Вецлар, Германия) группой под руководством Мартина Хоппе и его консультантов Абдуллы Аталара (Стэнфордский университет, США). Роман Маев ( Российская академия наук , Россия).

В это же время в 1984 году группа Кесслера завершила разработку концептуального прибора C-SAM. ^[11] который работал в режиме отражения, а также в режиме сквозной передачи (только) SLAM. Использование одного и того же преобразователя для подачи ультразвука и приема отраженного эха означало, что акустическое изображение можно было легко ограничить до интересующей глубины. Эта конструкция была предшественником практически всех акустических микроскопов, используемых сегодня, и стала разработкой, которая сделала возможными многочисленные последующие достижения, такие как акустическое изображение поперечного сечения, трехмерное акустическое изображение и другие.

С тех пор в системы акустической микроскопии было внесено множество усовершенствований, направленных на повышение разрешения, качества изображения и точности. ^[12]^[13]^[14]

Виды акустических микроскопов

За полвека, прошедшие со времени первых экспериментов, непосредственно приведших к созданию акустических микроскопов, были разработаны по крайней мере три основных типа акустических микроскопов. Это сканирующий акустический микроскоп (SAM), конфокальный сканирующий акустический микроскоп (CSAM) и сканирующий акустический микроскоп C-режима (C-SAM). ^[15]

Совсем недавно акустические микроскопы, основанные на пикосекундных ультразвуковых системах, продемонстрировали акустическую визуализацию в клетках с использованием субоптических длин волн, работающих с ультразвуковыми частотами в несколько ГГц. Поскольку подавляющее большинство используемых сегодня акустических микроскопов представляют собой инструменты типа C-SAM, это обсуждение будет ограничено этими инструментами. ^[16]

Поведение ультразвука в материалах

Ультразвук в широком смысле определяется как любой звук с частотой выше 20 кГц, что примерно соответствует самой высокой частоте, которую может обнаружить человеческое ухо. Однако акустические микроскопы излучают ультразвук в диапазоне частот от 5 МГц до более 400 МГц, поэтому можно достичь разрешения микрометрового размера. Ультразвук, проникающий в образец, может рассеиваться, поглощаться или отражаться внутренними элементами или самим материалом. Эти действия аналогичны поведению света. Ультразвук, отраженный от внутреннего элемента или (в некоторых приложениях) прошедший через всю толщину образца, используется для создания акустических изображений.

Типы и подготовка проб

Образцы не нуждаются в специальной обработке перед акустической визуализацией, но они должны выдерживать хотя бы кратковременное воздействие воды или другой жидкости, поскольку воздух является очень плохим передатчиком высокочастотной акустической энергии от преобразователя. Образец можно полностью погрузить в воду или сканировать узкой струей воды. Альтернативно можно использовать спирты и другие жидкости, чтобы не загрязнять образец. Образцы обычно имеют по крайней мере одну плоскую поверхность, которую можно сканировать, хотя цилиндрические и сферические образцы также можно сканировать с помощью соответствующих приспособлений. В следующих параграфах описываемый образец представляет собой интегральную схему в пластиковом корпусе.

Ультразвуковые частоты

Ультразвуковые частоты, передаваемые в образцы преобразователями акустических микроскопов, варьируются от низких 10 МГц (реже 5 МГц) до высоких 400 МГц и более. В этом спектре частот существует компромисс между проникновением и разрешением . Ультразвук на низких частотах, например 10 МГц, проникает глубже в материалы, чем ультразвук на более высоких частотах, но пространственное разрешение акустического изображения меньше. С другой стороны, ультразвук на очень высоких частотах не проникает глубоко, но обеспечивает акустическое изображение очень высокого разрешения. Частота, выбранная для изображения конкретного образца, будет зависеть от геометрии детали и используемых материалов.

Акустическое изображение микросхемы в пластиковой капсуле, представленной ниже, было получено с использованием преобразователя с частотой 30 МГц, поскольку эта частота обеспечивает хороший компромисс между проникновением и разрешением изображения.

Процесс сканирования

На акустическом изображении ультразвук пропускался через черный пресс-форму (пластик) и отражался от границы раздела между покрывающим пресс-формой и верхней поверхностью кремниевой матрицы, верхней поверхностью лопасти матрицы, расслоениями (красный) наверху лопатка штампа и внешняя часть (ведущие пальцы) выводной рамы.

Ультразвуковой преобразователь растрово сканирует верхнюю поверхность образца. Каждую секунду в образец поступает несколько тысяч импульсов. Каждый импульс может рассеиваться или поглощаться при прохождении через однородные части образца. На границах раздела материалов часть импульса отражается обратно к преобразователю, где он принимается и регистрируется его амплитуда.

Часть отраженного импульса определяется акустическим сопротивлением Z каждого материала, встречающегося на границе раздела. Акустический импеданс данного материала — это плотность материала, умноженная на скорость ультразвука в этом материале. Когда ультразвуковой импульс сталкивается с границей раздела двух материалов, степень отражения ультразвука от этой границы определяется следующей формулой:

R={\frac {\left(z_{2}-z_{1}\right)}{\left(z_{2}+z_{1}\right)}}

где R — доля отражения, а z ₁ и z ₂ — акустические импедансы двух материалов, аналогичные показателю преломления при распространении света.

Если оба материала являются типичными твердыми телами, степень отражения будет умеренной, и значительная часть импульса пройдет глубже в образец, где он может частично отражаться от более глубоких границ раздела материалов. Если одним из материалов является газ, например воздух – как в случае с расслоениями, трещинами и пустотами – степень отражения на границе раздела твердое тело-газ близка к 100%, амплитуда отраженного импульса очень высока. и практически ни один импульс не проникает глубже в образец.

Подавление обратных эхо-сигналов

Ультразвуковой импульс от датчика проходит наносекунды или микросекунды, достигает внутреннего интерфейса и отражается обратно к датчику. Если имеется несколько внутренних интерфейсов на разной глубине, эхо-сигналы достигают преобразователя в разное время. Плоские акустические изображения не часто используют все отраженные эхо-сигналы со всех глубин для создания видимого акустического изображения. Вместо этого создается временное окно, которое принимает только те обратные отражения из глубины интереса. Этот процесс известен как «контролирование» обратных эхо-сигналов.

В микросхеме с пластиковой капсулой стробирование располагалось на глубине, включающей кремниевый кристалл, лопатку кристалла и выводную рамку.

Продолжая сканирование верхней части образца, стробирование отраженных эхо-сигналов было затем изменено, чтобы включать только пластиковый герметик (формовочный компаунд) над матрицей. Полученное акустическое изображение показано выше. На нем показана структура заполненного частицами пластикового компаунда, а также круглые следы формы на верхней поверхности компонента. Маленькие белые детали представляют собой пустоты (захваченные пузырьки) в пресс-форме. (Эти пустоты также видны на предыдущем изображении как темные акустические тени.)

Затем литбирование было изменено и теперь учитывает только глубину материала крепления матрицы, который прикрепляет кремниевую матрицу к лопатке матрицы. Матрица, лопатка матрицы и другие элементы выше и ниже глубины крепления матрицы игнорируются. На полученной акустике, показанной выше в небольшом увеличении, красные области представляют собой пустоты (дефекты) в материале крепления штампа.

Наконец, микросхему в пластиковой капсуле перевернули и отобразили с обратной стороны. Обратные эхо-сигналы фиксировались на глубине, где задняя сторона пресс-формы соприкасается с задней стороной лопасти матрицы. Маленькие черные точки на акустическом изображении выше — это небольшие пустоты (захваченные пузырьки) в пресс-форме.

Другие типы изображений

Все акустические изображения, показанные выше, представляют собой плоские изображения, названные так потому, что они делают видимой горизонтальную плоскость внутри образца. Акустические данные, полученные в ответных эхо-сигналах, также можно использовать для создания изображений других типов, включая трехмерные изображения, изображения поперечного сечения и изображения сквозного сканирования.

Область применения

Образцы, отображаемые с помощью акустических микроскопов, обычно представляют собой сборки из одного или нескольких твердых материалов, у которых по крайней мере одна поверхность либо плоская, либо регулярно изогнутая. Интересующая глубина может включать внутреннюю связь между материалами или глубину, на которой может возникнуть дефект в однородном материале. Кроме того, образцы можно охарактеризовать без визуализации, чтобы определить, например, их акустический импеданс.

Благодаря своей способности неразрушающим образом находить визуализированные особенности акустические микроскопы широко используются в производстве электронных компонентов и сборок для контроля качества, надежности и анализа отказов. Обычно интерес заключается в поиске и анализе внутренних дефектов, таких как расслоения, трещины и пустоты, хотя акустический микроскоп также может использоваться просто для проверки (путем определения характеристик материала или визуализации, или того и другого), что данная деталь или данный материал соответствует спецификациям или в некоторых случаях не является подделкой. ^[17] Акустические микроскопы также используются для получения изображений печатных плат. ^[18] и другие сборки.

Кроме того, существует множество применений за пределами электроники. Во многих отраслях продукция, включающая трубы, керамические материалы, композиционные материалы или различные типы клеевых соединений, включая клеевые слои и различные сварные швы, может визуализироваться акустически.

При сборке многочисленных медицинских изделий используются акустические микроскопы для исследования внутренних связей и особенностей. Например, можно визуализировать полимерную пленку, чтобы изучить ее связь с многоканальной пластиковой пластиной, используемой при анализе крови. СЭМ может предоставить данные об эластичности клеток, а также твердых и мягких тканей, что может дать полезную информацию о физических силах, удерживающих структуры в определенной форме, а также о механике таких структур, как цитоскелет . ^[3]^[4] Эти исследования особенно ценны при изучении таких процессов, как подвижность клеток . ^[5]^[6]

Еще одно перспективное направление было инициировано различными группами мира по разработке и созданию портативных ручных ЗРК для подповерхностной 3D-визуализации и диагностики мягких и твердых тканей. ^[16]^[19] и это направление в настоящее время успешно развивается с целью внедрения этих методов в клиническую и косметологическую практику.

Также в течение последнего десятилетия был выражен интерес к применению методов акустической микроскопии для неинвазивного 3D-контроля красочных слоев живописных произведений искусства и других объектов культурного и художественного наследия. ^[20]^[21]

См. также

Ссылки

^ С. Соколов, Патент СССР №. 49 (31 августа 1936 г.), патент Великобритании №. 477139, 1937 г., и патент США 2164125 , 1939 г.
^ Данн, Флойд (1959). «Ультразвуковой абсорбционный микроскоп». Журнал Акустического общества Америки . 31 (5): 632–633. Бибкод : 1959ASAJ...31..632D . дои : 10.1121/1.1907767 .
^ Jump up to: ^а ^б Корпель, А. (1966). «Визуализация поперечного сечения звукового луча с помощью брэгговской дифракции света». Письма по прикладной физике . 9 (12): 425–427. Бибкод : 1966АпФЛ...9..425К . дои : 10.1063/1.1754639 .
^ Jump up to: ^а ^б Р. Полман, «Освещение материала посредством акусто-оптических изображений», Z. Phys. , 1133 697, 1939. См. также З. Angew. Физ. , том. 1, с. 181, 1948.
^ Jump up to: ^а ^б Дж. А. Каннингем и К. Ф. Куэйт, «Акустическая интерференция в твердых телах и голографические изображения», в журнале Acoustical Holography , vol. 4, Дж. Уэйд, редактор, Нью-Йорк: Пленум, 1972, стр. 667–685.
^ Jump up to: ^а ^б Кесслер, Л.В. (1970). «Ультразвуковая стимуляция оптического рассеяния в нематических жидких кристаллах». Письма по прикладной физике . 17 (10): 440–441. Бибкод : 1970АпФЛ..17..440К . дои : 10.1063/1.1653262 .
^ Лимонс, РА (1974). «Акустический микроскоп — сканирующая версия». Письма по прикладной физике . 24 (4): 163–165. Бибкод : 1974АпФЛ..24..163Л . дои : 10.1063/1.1655136 .
^ А. Корпель и Л. В. Кесслер, «Сравнение методов акустической микроскопии», в «Акустической голографии » , том. 3 А. Ф. Метерелла, редактор, Нью-Йорк: Пленум, 1971, стр. 23–43.
^ Кесслер, ЛВ; Юхас, DE (1979). «Акустическая микроскопия-1979». Труды IEEE . 67 (4): 526. Бибкод : 1979IEEP..67..526K . дои : 10.1109/PROC.1979.11281 . S2CID 30304663 .
^ Р.Гр. Маев, Принципы и будущее акустической микроскопии, Труды совместного советско-западногерманского международного симпозиума по микроскопической фотометрии и акустической микроскопии в науке, Москва, Россия, 1-12, 1985.
^ «Акустическая визуализация и акустические микроскопы от Sonoscan Inc.» Соноскан. 11 июля 2008 г.
^ Бриггс, Эндрю (1992). Продвинутый специалист в области акустической микроскопии . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-1-4615-1873-0 .
^ Маев, Роман (2008). Акустическая микроскопия: основы и приложения . Вайли-ВЧ. ISBN 978-3-527-40744-6 .
^ Маев, Роман (2013). Достижения в области акустической микроскопии и ультразвуковой визуализации высокого разрешения: от принципов к новым применениям . Вайли-ВЧ. ISBN 978-3-527-41056-9 .
^ Кесслер, Л.В., «Акустическая микроскопия», Справочник по металлам, Том. 17 – Неразрушающий контроль и контроль качества, ASM International, 1989, стр. 465–482.
^ Jump up to: ^а ^б Р.Гр. Маев, редактор и соавтор, «Достижения в области акустической микроскопии и ультразвуковой визуализации высокого разрешения: от принципов к новым применениям», монография, 14 глав, 400 страниц, Wiley & Son - VCH, апрель 2013 г.
^ Тулкофф, Шерил. «Стратегии защиты и обнаружения подделок: когда это делать / как это делать» (PDF) . Решения DfR.
^ О'Тул, Кевин; Эссер, Боб; Бинфилд, Сет; Хиллман, Крейг; Бирс, Джо (2009). «Пайка без свинца, деградация печатных плат и влияние поглощения влаги» (PDF) . АПЕКС .
^ Фогт М. и Эрмерт Х., «Пространственное изображение кожи с ограниченным углом с помощью высокочастотного ультразвука», IEEE Trans. Ультрасон., Ферроэлектр. Частота. Контроль, 55 (9), 1975–1983 (2011).
^ Георгиос Карагианнис, Димитриос Алексиадис, Аргириос Дамциос, Георгиос Сергиадис и Христос Салпистис, 3D-неразрушающий «отбор проб» предметов искусства, приборы и измерения IEEE, том 60, выпуск 9, страницы 1–28, сентябрь 2011 г.
^ Д. Тикетт, К.С. Чунг, Х. Лян, Дж. Твидл, Р.Гр. Маев, Д. Гаврилов, Использование неинвазивных неразрушающих методов мониторинга объектов культурного наследия, Журнал Insight, 59 (5): 230–234, 2017

[1] С. Соколов, Патент СССР №. 49 (31 августа 1936 г.), патент Великобритании №. 477139, 1937 г., и патент США 2164125 , 1939 г.

[2] Данн, Флойд (1959). «Ультразвуковой абсорбционный микроскоп». Журнал Акустического общества Америки . 31 (5): 632–633. Бибкод : 1959ASAJ...31..632D . дои : 10.1121/1.1907767 .

[Korpel_1966-3] Jump up to: ^а ^б Корпель, А. (1966). «Визуализация поперечного сечения звукового луча с помощью брэгговской дифракции света». Письма по прикладной физике . 9 (12): 425–427. Бибкод : 1966АпФЛ...9..425К . дои : 10.1063/1.1754639 .

[Pohlman_1939-4] Jump up to: ^а ^б Р. Полман, «Освещение материала посредством акусто-оптических изображений», Z. Phys. , 1133 697, 1939. См. также З. Angew. Физ. , том. 1, с. 181, 1948.

[Cunningham_1972-5] Jump up to: ^а ^б Дж. А. Каннингем и К. Ф. Куэйт, «Акустическая интерференция в твердых телах и голографические изображения», в журнале Acoustical Holography , vol. 4, Дж. Уэйд, редактор, Нью-Йорк: Пленум, 1972, стр. 667–685.

[Kessler_1970-6] Jump up to: ^а ^б Кесслер, Л.В. (1970). «Ультразвуковая стимуляция оптического рассеяния в нематических жидких кристаллах». Письма по прикладной физике . 17 (10): 440–441. Бибкод : 1970АпФЛ..17..440К . дои : 10.1063/1.1653262 .

[7] Лимонс, РА (1974). «Акустический микроскоп — сканирующая версия». Письма по прикладной физике . 24 (4): 163–165. Бибкод : 1974АпФЛ..24..163Л . дои : 10.1063/1.1655136 .

[8] А. Корпель и Л. В. Кесслер, «Сравнение методов акустической микроскопии», в «Акустической голографии » , том. 3 А. Ф. Метерелла, редактор, Нью-Йорк: Пленум, 1971, стр. 23–43.

[9] Кесслер, ЛВ; Юхас, DE (1979). «Акустическая микроскопия-1979». Труды IEEE . 67 (4): 526. Бибкод : 1979IEEP..67..526K . дои : 10.1109/PROC.1979.11281 . S2CID 30304663 .

[10] Р.Гр. Маев, Принципы и будущее акустической микроскопии, Труды совместного советско-западногерманского международного симпозиума по микроскопической фотометрии и акустической микроскопии в науке, Москва, Россия, 1-12, 1985.

[11] «Акустическая визуализация и акустические микроскопы от Sonoscan Inc.» Соноскан. 11 июля 2008 г.

[12] Бриггс, Эндрю (1992). Продвинутый специалист в области акустической микроскопии . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-1-4615-1873-0 .

[13] Маев, Роман (2008). Акустическая микроскопия: основы и приложения . Вайли-ВЧ. ISBN 978-3-527-40744-6 .

[14] Маев, Роман (2013). Достижения в области акустической микроскопии и ультразвуковой визуализации высокого разрешения: от принципов к новым применениям . Вайли-ВЧ. ISBN 978-3-527-41056-9 .

[15] Кесслер, Л.В., «Акустическая микроскопия», Справочник по металлам, Том. 17 – Неразрушающий контроль и контроль качества, ASM International, 1989, стр. 465–482.

[Maev_2013-16] Jump up to: ^а ^б Р.Гр. Маев, редактор и соавтор, «Достижения в области акустической микроскопии и ультразвуковой визуализации высокого разрешения: от принципов к новым применениям», монография, 14 глав, 400 страниц, Wiley & Son - VCH, апрель 2013 г.

[17] Тулкофф, Шерил. «Стратегии защиты и обнаружения подделок: когда это делать / как это делать» (PDF) . Решения DfR.

[18] О'Тул, Кевин; Эссер, Боб; Бинфилд, Сет; Хиллман, Крейг; Бирс, Джо (2009). «Пайка без свинца, деградация печатных плат и влияние поглощения влаги» (PDF) . АПЕКС .

[19] Фогт М. и Эрмерт Х., «Пространственное изображение кожи с ограниченным углом с помощью высокочастотного ультразвука», IEEE Trans. Ультрасон., Ферроэлектр. Частота. Контроль, 55 (9), 1975–1983 (2011).

[20] Георгиос Карагианнис, Димитриос Алексиадис, Аргириос Дамциос, Георгиос Сергиадис и Христос Салпистис, 3D-неразрушающий «отбор проб» предметов искусства, приборы и измерения IEEE, том 60, выпуск 9, страницы 1–28, сентябрь 2011 г.

[21] Д. Тикетт, К.С. Чунг, Х. Лян, Дж. Твидл, Р.Гр. Маев, Д. Гаврилов, Использование неинвазивных неразрушающих методов мониторинга объектов культурного наследия, Журнал Insight, 59 (5): 230–234, 2017

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]