Сканирующий акустический микроскоп
Сканирующий акустический микроскоп ( SAM ) — это устройство, которое использует сфокусированный звук для исследования, измерения или изображения объекта (процесс, называемый сканирующей акустической томографией). Он обычно используется при анализе отказов и неразрушающей оценке . Он также находит применение в биологических и медицинских исследованиях. Полупроводниковая промышленность нашла SAM полезным для обнаружения пустот, трещин и расслоений внутри микроэлектронных корпусов.
История
[ редактировать ]Первый сканирующий акустический микроскоп (SAM) с ультразвуковой линзой 50 МГц был разработан в 1974 году Р. А. Лемонсом и К. Ф. Куэйтом в микроволновой лаборатории Стэнфордского университета . [1] Спустя несколько лет, в 1980 году, Р.Гр. создал первый сквозной ЗУР высокого разрешения (с частотой до 500 МГц). Маев и его ученики в своей лаборатории биофизической интроскопии РАН . [2] Первый коммерческий ЗРК ELSAM, с широким диапазоном частот от 100 МГц до 1,8 ГГц, был построен на фирме Ernst Leitz GmbH группой под руководством Мартина Хоппе и его консультантов Абдуллой Аталаром ( Стэнфордский университет ), Романом Маевым ( Российская академия наук ). и Эндрю Бриггс ( Оксфордский университет ). [3] [4]
С тех пор в такие системы было внесено множество усовершенствований для повышения разрешения и точности. Большинство из них подробно описано в монографии «Продвинутые достижения в области акустической микроскопии» под ред. , Эндрю Бриггса 1992, Oxford University Press, и в монографии Романа Маева , «Основы и приложения акустической микроскопии», монография, Wiley & Son – VCH, 291 страница, август 2008 г., а также недавно в. [5]
C-SAM по сравнению с другими методами
[ редактировать ]Существует множество методов анализа повреждений микроэлектронных корпусов, включая лазерную декапсуляцию, декапсуляцию мокрым травлением, оптическую микроскопию , SEM-микроскопию и рентгеновское излучение . Проблема большинства этих методов заключается в том, что они разрушительны. Это означает, что вполне возможно, что сам ущерб будет нанесен во время подготовки. Кроме того, большинство этих деструктивных методов требуют трудоемкой и сложной подготовки проб. Поэтому в большинстве случаев важно исследовать повреждения неразрушающим методом. И в отличие от других неразрушающих методов, таких как рентген, CSAM очень чувствителен к упругим свойствам материалов, через которые он проходит. Например, CSAM очень чувствителен к наличию расслоений и воздушных зазоров при субмикронной толщине, поэтому он особенно полезен для проверки небольших и сложных устройств. [6]
Физический принцип
[ редактировать ]В этом методе используется высокая глубина проникновения акустических волн для изображения внутренней структуры образца. Итак, при сканирующей акустической микроскопии для анализа внутренних особенностей обрабатываются как отраженные, так и прошедшие акустические волны. Когда акустическая волна распространяется по образцу, она может рассеиваться, поглощаться или отражаться на границах раздела сред. Таким образом, этот метод регистрирует эхо, создаваемое контрастом акустического импеданса (Z) между двумя материалами. Сканирующая акустическая микроскопия работает путем направления сфокусированного звука от преобразователя в небольшую точку целевого объекта. Звук, попадающий на объект, либо рассеивается, поглощается, отражается (рассеивается под углом 180°) или передается (рассеивается под углом 0°). Можно обнаружить рассеянные импульсы, движущиеся в определенном направлении. Обнаруженный импульс информирует о наличии границы или объекта. "Время полета" импульса определяется как время, за которое он излучается акустическим источником, рассеивается объектом и принимается детектором, который обычно совпадает с источником. Время пролета можно использовать для определения расстояния неоднородности от источника, зная скорость прохождения среды.
На основании измерений исследуемому месту присваивается значение. Датчик (или объект) слегка перемещается, а затем снова озвучивается. Этот процесс систематически повторяется до тех пор, пока не будет исследована вся интересующая область. Часто значения каждой точки объединяются в изображение объекта. Контраст, видимый на изображении, основан либо на геометрии объекта, либо на составе материала. Разрешение изображения ограничено либо физическим разрешением сканирования, либо шириной звукового луча (которая, в свою очередь, определяется частотой звука).
Методология
[ редактировать ]В SAM высокого разрешения доступны различные типы режимов анализа. Основными тремя режимами являются A-сканы, B-сканы и C-сканы. Каждый из них предоставляет различную информацию о целостности структуры образца. [6]
А-скан — это амплитуда эхо-сигнала по ToF. Датчик установлен на оси Z ЗРК. Его можно сфокусировать на определенном целевом слое, расположенном в труднодоступной зоне, путем изменения z-положения относительно испытуемого образца, закрепленного механически. [6]
B-скан обеспечивает вертикальное сечение образца с визуализацией информации о глубине. Это очень хорошая функция, когда речь идет об обнаружении повреждений в поперечном сечении. [6]
C-скан — это широко используемый режим сканирования, который дает 2D-изображения (срезы) целевого слоя на определенной глубине в образцах; использование нескольких эквидистантных слоев возможно в режиме X-сканирования. [6]
Метод отражения импульсов
[ редактировать ]Двухмерные или трехмерные изображения внутренней структуры становятся доступными с помощью метода импульсного отражения, при котором несоответствие импедансов двух материалов приводит к отражению ультразвукового луча. Инверсия фазы отраженного сигнала может позволить отличить расслоение (акустический импеданс почти нулевой) от включений и частиц, но не от пузырьков воздуха, которые демонстрируют такое же поведение импеданса, как и расслоение. [6]
Чем выше рассогласование импедансов на границе раздела, тем выше интенсивность отраженного сигнала (больше яркость на 2D-изображении), которая измеряется по амплитуде эха. В случае границы раздела с воздухом (Z = 0) происходит полное отражение ультразвуковой волны; следовательно, SAM очень чувствителен к любому содержанию воздуха в тестируемом образце. [6]
Чтобы улучшить проникновение акустической волны в образец, акустический преобразователь и образец погружаются в связующую среду, обычно в воду, чтобы избежать сильного отражения на границе раздела с воздухом.
В режиме пульсовой волны линза, имеющая хорошие фокусирующие свойства на оси, используется для фокусировки ультразвуковых волн в пятно на образце и приема отраженных волн обратно от пятна, обычно менее чем за 100 нс. Акустический луч может быть сфокусирован в достаточно маленькое пятно на глубине до 2–3 мм для разрешения типичных межламинарных трещин и трещин другой критической геометрии. Полученные эхо-сигналы анализируются и сохраняются для каждой точки для построения изображения всей сканируемой области. Отраженный сигнал отслеживается и отправляется на синхронный дисплей для формирования полного изображения, как в сканирующем электронном микроскопе.
Приложения
[ редактировать ]- Быстрый контроль производства- Стандарты: IPC A610, Mil-Std883, J-Std-035, Esa и т. д.- Сортировка запчастей- Проверка контактных площадок, флип-чипа, недостаточного заполнения, крепления матрицы.- Герметизация стыков- Паяные и сварные соединения.- Квалификация и быстрый подбор клеев, клеев, сравнительные анализы на старение и т.д.- Включения, неоднородности, пористость, трещины в материале
Медицина и биология
[ редактировать ]САМ может предоставить данные об эластичности клеток и тканей, которые могут дать полезную информацию о физических силах, удерживающих структуры в определенной форме, и о механике таких структур, как цитоскелет . [7] [8] Эти исследования особенно ценны при изучении таких процессов, как подвижность клеток . [9] [10]
Также была проведена некоторая работа по оценке глубины проникновения частиц, вводимых в кожу с помощью безыгольной инъекции. [11]
Другое перспективное направление было инициировано различными группами по разработке и созданию портативных ручных ЗРК для подповерхностной диагностики мягких и твердых тканей. [12] [5] и это направление в настоящее время находится в процессе коммерциализации в клинической и косметологической практике.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Лимоны РА; Quate CF (1974). «Акустический микроскоп — сканирующая версия». Прил. Физ. Летт . 24 (4): 163–165. Бибкод : 1974АпФЛ..24..163Л . дои : 10.1063/1.1655136 .
- ^ 7. 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.
- ^ М. Хоппе, Р.Гр. Маев, редакторы и соавторы, Микроскопическая фотометрия и акустическая микроскопия в науке, Труды симпозиума ФРГ-СССР, Москва, 231 страница, 1985.
- ^ Хоппе М. и Берейтер-Хан Дж., «Применение сканирующей акустической микроскопии - обзор и новые аспекты», IEEE Trans. Ультрасон., Ферроэлектр. Частота. Контроль, 32 (2), 289–301 (1985)
- ^ 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.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Берточчи, Франческо; Грандони, Андреа; Джурик-Рисснер, Татьяна (ноябрь 2019 г.). «Сканирующая акустическая микроскопия (SAM): надежный метод обнаружения дефектов в процессе производства ультразвуковых датчиков для медицинской визуализации» . Датчики . 19 (22): 4868. Бибкод : 2019Senso..19.4868B . дои : 10.3390/s19224868 . ПМК 6891697 . ПМИД 31717317 .
В эту статью включен текст из этого источника, доступного по лицензии CC BY 4.0 . - ^ Берейтер-Хан Дж; Карл I; Люерс Х; Фёт М (1995). «Механические основы формы клеток: исследования на сканирующем акустическом микроскопе». Биохим. Клеточная Биол . 73 (7–8): 337–48. дои : 10.1139/o95-042 . ПМИД 8703407 .
- ^ Люерс Х; Хиллманн К; Литневский Дж; Берейтер-Хан Дж (1991). «Акустическая микроскопия культивируемых клеток. Распределение сил и элементов цитоскелета». Клеточная биофизика . 18 (3): 279–93. дои : 10.1007/BF02989819 . ПМИД 1726537 . S2CID 11466285 .
- ^ Хильдебранд Дж.А.; Ругар Д; Джонстон Р.Н.; Quate CF (1981). «Акустическая микроскопия живых клеток» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 78 (3): 1656–60. Бибкод : 1981PNAS...78.1656H . дои : 10.1073/pnas.78.3.1656 . ПМК 319191 . ПМИД 6940179 .
- ^ Джонстон Р.Н.; Аталар А; Хейзерман Дж; Джипсон В; Quate CF (1979). «Акустическая микроскопия: разрешение субклеточных деталей» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 76 (7): 3325–9. Бибкод : 1979PNAS...76.3325J . дои : 10.1073/pnas.76.7.3325 . ПМЦ 383818 . ПМИД 291006 .
- ^ Кондлифф, Джейми; Шифтер, Хайко; Куссиос, Константин С (2008). «Акустический метод картирования и определения размеров частиц после безыгольной трансдермальной доставки лекарств и вакцин». Журнал Акустического общества Америки . 123 (5): 3001. Бибкод : 2008ASAJ..123.3001C . дои : 10.1121/1.2932570 .
- ^ Фогт М. и Эрмерт Х., «Пространственное комплексное изображение кожи с ограниченным углом с помощью высокочастотного ультразвука», IEEE Trans. Ультрасон., Ферроэлектр. Частота. Контроль, 55 (9), 1975 –1983 (2011)
