Акустическая микроскопия

Акустическая микроскопия - это микроскопия , в которой используется очень высокий или ультра -высокочастотный ультразвук . Акустические микроскопы работают неразрушительно и проникают в большинство твердых материалов для создания видимых изображений внутренних функций, включая дефекты, такие как трещины, расслоение и пустоты .

История

Понятие акустической микроскопии восходит к 1936 году, когда S. Ya. Соколов ^{[ 1 ]} предложило устройство для создания увеличенного вида структуры с помощью звуковых волн 3 ГГц. Однако из -за технологических ограничений в то время ни один такой инструмент не мог быть построен, и только в 1959 году Dunn и Fry ^{[ 2 ]} Выполнил первые эксперименты по акустической микроскопии, хотя и не на очень высоких частотах.

Научная литература показывает очень небольшой прогресс в направлении акустического микроскопа после экспериментов Dunn и Fry вплоть до 1970 года, когда появились две группы активности, одна из которых возглавлял CF Quate (Стэнфордский университет), а другая - А. Корпел и Л.В. Исследовательские лаборатории). Первые усилия по разработке оперативного акустического микроскопа, сосредоточенного на высокочастотных адаптациях низкочастотных методов ультразвуковой визуализации. Одна ранняя система использовала дифракционную визуализацию Bragg , ^{[ 3 ]} который основан на прямом взаимодействии между акустическим волнным полем и лазерным светом. Другой пример был основан на вариациях ячейки Полмана. ^{[ 4 ]} Оригинальное устройство основано на суспензии асимметричных частиц в тонком слое жидкости, который при воздействии акустической энергии дает изменения визуальной отражательной способности. Каннингем и Quate ^{[ 5 ]} изменил это путем приостановки крошечных латексных сфер в жидкости. Акустическое давление вызвало сдвиги населения, которые были визуально обнаруживаемыми. Кесслер и Сойер ^{[ 6 ]} разработал жидкокристаллическую ячейку, которая позволила обнаружить звук гидродинамической ориентацией жидкости. В 1973 году группа Quate начала разработку концепции, ^{[ 7 ]} который использовал первый сканирующий акустический микроскоп (SAM) с конфокальной парой ультразвуковых линз 50 МГц для фокусировки и обнаружения ультразвуковой энергии. В 1974 году эта концепция была реализована Ra Lemons и CF Quate в Микроволновой лаборатории Стэнфордского университета . Достижения этого инструмента, сканирующего акустического микроскопа, связаны с достижением очень высокого разрешения, новых способов визуализации и применения. SAM был коммерчески введен Leitz Corp, а Olympus Corp. В 1970 году группа Korpel и Kessler начала заниматься сканирующей системой обнаружения лазера для акустической микроскопии. ^{[ 8 ]} В 1974 году деятельность была перенесена на другую организацию под руководством Kessler (Sonoscan Inc), где были разработаны практические аспекты инструмента. Этот инструмент, сканирующий лазерный акустический микроскоп (Slam), был сделан коммерческим в 1975 году. ^{[ 9 ]}

В 1980 году первая режим высокого разрешения (с частотой до 500 МГц) через режим передачи Сэм был построен Роман Маев и его ученики в его лаборатории биофизической интроскопии Российской академии наук . ^{[ 10 ]} Первый коммерческий Сэм Эльсам с широким частотным диапазоном от 100 МГц до сверхвысокого высокого уровня 1,8 ГГц был построен в Ernst Leitz GmbH (Ветцлар, Германия) группой, возглавляемым Мартином Хоппе и его консультантами Абдуллой Аталаром (Stanford Univ., USA), Роман Маев ( Российская академия наук , Россия).

В то же время, в 1984 году группа Кесслера завершила разработку концептуального инструмента C-SAM ^{[ 11 ]} который работал в режиме отражения, а также в режиме переворота (только) шлема. Использование того же преобразователя для ультразвука пульса и получения эхо -отростка означало, что акустическое изображение может быть легко ограничено до глубины интереса. Этот дизайн был предшественником по существу всех акустических микроскопов, которые использовались сегодня, и было развитием, которое сделало возможным многочисленным более поздним достижениям, таким как поперечная акустическая визуализация, трехмерная акустическая визуализация и другие.

С тех пор было сделано много улучшений в системах акустической микроскопии для повышения разрешения, качества изображения и точности. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}

Типы акустических микроскопов

В течение полувека с момента первых экспериментов, непосредственно приводящих к развитию акустических микроскопов, были разработаны по меньшей мере три основных типа акустического микроскопа. Это сканирующий акустический микроскоп (SAM), конфокальный сканирующий акустический микроскоп (CSAM) и C-режим сканирующего акустического микроскопа (C-SAM). ^{[ 15 ]}

Совсем недавно акустические микроскопы, основанные на пикосекундных ультразвуковых системах, продемонстрировали акустическую визуализацию в клетках, используя подоптические длины волн, работающие с ультразвуковыми частотами в мульти-ГГц. Поскольку подавляющее большинство акустических микроскопов, используемых сегодня, представляют собой инструменты типа C-SAM, это обсуждение будет ограничено этими инструментами. ^{[ 16 ]}

Поведение ультразвука в материалах

Ультразвук широко определяется как любой звук, имеющий частоту выше 20 кГц, которая является приблизительно самой высокой частотой, которая может быть обнаружена человеческим ухом. Тем не менее, акустические микроскопы излучают ультразвук в диапазоне от 5 МГц до более 400 МГц, так что может быть достигнуто разрешение размера микрометра. Ультразвук, который проникает в образец, может быть разбросан, поглощен или отражена внутренними признаками или самим материалом. Эти действия аналогичны поведению света. Ультразвук, который отражается от внутренней функции, или (в некоторых приложениях), которое проходило через всю толщину образца, используется для изготовления акустических изображений.

Типы выборки и подготовка

Образцы не нуждаются в специальной обработке перед акустической визуализацией, но они должны быть в состоянии выдержать, по крайней мере, краткое воздействие воды или другой жидкости, поскольку воздух является очень плохим передатчиком высокочастотной акустической энергии от датчика. Образец может быть полностью погружен в воду или отсканирован с узким потоком воды. Альтернативно можно использовать спирты и другие жидкости, чтобы не загрязнять образец. Образцы обычно имеют по крайней мере одну плоскую поверхность, которая может быть сканирована, хотя цилиндрические и сферические образцы также могут быть отсканированы с помощью соответствующих приспособлений. В следующих параграфах описанный образец представляет собой интегрированную схему пластиковой инкапсулированной.

Ультразвуковые частоты

Ультразвуковые частоты, пульсированные в образцы, преобразователями акустических микроскопов варьируются от низкого уровня 10 МГц (редко от 5 МГц) до максимума 400 МГц или более. В этом спектре частот существует компромисс проникновения и разрешения . Ультразвук на низких частотах, таких как 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 акустические изображения, имеющие очень высокое разрешение. Частота, выбранная для изображения конкретного образца, будет зависеть от геометрии детали и от задействованных материалов.

Акустическое изображение пластикового инкапсулированного IC ниже было сделано с использованием датчика 30 МГц, поскольку эта частота обеспечивает хороший компромисс между проникновением и разрешением изображения.

Процесс сканирования

В акустическом изображении ультразвук пульсировали через соединение черной плесени (пластик) и отражали от раздела между вышележащим соединением плесени и верхней поверхностью кремния, верхней поверхности лопатки, рассылки (красные) сверху) поверх вершины Борьба и внешняя часть (свинцовые пальцы) свинцовой рамы.

Ультразвуковой преобразователь сканирует верхнюю поверхность образца. Несколько тысяч импульсов попадают в образец каждую секунду. Каждый импульс может быть разбросан или поглощен прохождением через однородные части образца. На материалах интерфейсов часть импульса отражается обратно до преобразователя, где он получен, и его амплитуда записана.

Часть отраженного импульса определяется акустическим импедансом z, Z, каждого материала, который встречается на границе раздела. Акустический импеданс данного материала - это плотность материала, умноженная на скорость ультразвука в этом материале. Когда импульс ультразвука встречается с разделами между двумя материалами, степень ультразвукового отражения от этого раздела регулируется этой 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 имптические импеданты двух материалов, аналогичные показателю преломления при распространении света.

Если оба материала являются типичными твердыми веществами, степень отражения будет умеренной, а значительная часть импульса будет двигаться глубже в образец, где это может быть частично отражаться более глубокими материалами. Если одним из материалов является газ, такой как воздух, как в случае с рассылками, трещинами и пустотами-степень отражения на границе с твердым газом составляет почти 100%, амплитуда отраженного импульса очень высока, и практически ни один из пульса не движется глубже в образец.

Главное оборотное эхо

Импульс ультразвука от наносекунд перемещения датчика или микросекунд, чтобы достичь внутреннего границы раздела и отражается обратно на преобразователь. Если на разных глубинах есть несколько внутренних интерфейсов, эхо попадает в преобразователь в разное время. Планарные акустические изображения не часто используют все возвращаемые эхо от всех глубин, чтобы сделать видимое акустическое изображение. Вместо этого создается временное окно, которое принимает только те возвратные эхо от глубины интереса. Этот процесс известен как «стробирование» возврата эхо.

В IC-пластиковой капсулах стробирование было на глубине, которая включала в себя кремниевую матрицу, матрицу и свинцовую раму.

По -прежнему сканируя верхнюю часть образца, затем стробирование возврата эхо было изменено, чтобы включить только пластиковый инкапсулянт (состав плесени) над матрицей. Полученное акустическое изображение показано выше. Он показывает структуру заполненного частицами соединения пластиковой плесени, а также следов круглой формы на верхней поверхности компонента. Небольшие белые элементы являются пустотами (захваченные пузырьки) в соединении плесени. (Эти пустоты также видны на предыдущем изображении как темные акустические тени.)

Затем стробирование было изменено, чтобы включить только глубину прикрепления материала, который прикрепляет кремниевую матрицу к матрицу. Убийство, матрица и другие особенности выше и под глубиной прикрепления подминками игнорируются. В полученной акустике, показанной выше, слегка увеличенным, красные области представляют собой пустоты (дефекты) в материале прикрепления матрица.

Наконец, IC-пластиковой инкапсулированный IC был перевернут и визуализирован с задней стороны. Возвращение эхо было закрыто на глубине, где составные интерфейсы задней формы с задней стороной лопатки. Маленькие черные точки на акустическом изображении выше представляют собой небольшие пустоты (захваченные пузырьки) в соединении плесени.

Другие типы изображений

Акустические изображения, показанные выше, представляют собой плоские изображения, названные так, потому что они делают видимым горизонтальной плоскостью в образце. Акустические данные, полученные в обратном эхо-сигналах, также могут использоваться для изготовления других типов изображений, включая трехмерные изображения, изображения поперечного сечения и изображения через сканирование.

Диапазон приложений

Образцы, изображенные акустическими микроскопами, обычно представляют собой сборки одного или нескольких твердых материалов, которые имеют по крайней мере одну поверхность, которая является плоской или регулярной изогнутой. Глубина интереса может включать внутреннюю связь между материалами или глубину, при которой дефект может возникать в однородном материале. Кроме того, образцы можно охарактеризовать без визуализации, например, их акустический импеданс.

Из-за их способности находить визуализируемые функции неразрушительно акустические микроскопы широко используются в производстве электронных компонентов и сборков для контроля качества, надежности и анализа отказа. Обычно интерес заключается в поиске и анализе внутренних дефектов, таких как расслоение, трещины и пустоты, хотя акустический микроскоп также может быть использован просто для проверки (по характеристике материалов или визуализации, или оба), что данная часть или заданная материал соответствует спецификациям или , в некоторых случаях, не подделка. ^{[ 17 ]} Акустические микроскопы также используются для печатных печатных плат ^{[ 18 ]} и другие собрания.

Кроме того, есть многочисленные применения за пределами электроники. Во многих отраслях продукты, которые включают трубки, керамические материалы, композитные материалы или различные типы связанных суставов, включая клейкие слои и различные сварные швы, могут быть изображены акустически.

Сборка многочисленных медицинских продуктов использует акустические микроскопы для исследования внутренних облигаций и особенностей. Например, полимерная пленка может быть изображена для изучения его связи с многоканальной пластиковой пластиной, используемой в анализе крови. SAM может предоставить данные об эластичности клеток и обоих твердых и мягких тканях, которые могут дать полезную информацию о физических силах, удерживающих структуры в определенной форме, и механике структур, таких как цитоскелет . ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Эти исследования особенно ценны в изучении процессов, таких как подвижность клеток . ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Другое многообещающее направление было инициировано разными группами в мире для разработки и создания портативного ручного SAM для подземной 3D-визуализации и диагностики мягких и твердых тканей ^{[ 16 ]}^{[ 19 ]} И это направление в настоящее время успешно развивается с целью реализации этих методов в клиническую и косметологическую практику.

Также в течение последнего десятилетия был выражен интерес к применению методов акустической микроскопии для трехмерной неинвазивной проверки слоев краски нарисованного искусства и других предметов искусства и культурного наследия. ^{[ 20 ]}^{[ 21 ]}

Смотрите также

Ссылки

^ S. Sokolov, Patent ossr №. 49 (31 августа 1936 г.), британский патент №. 477,139, 1937 и патент США 2164,125 , 1939.
^ Данн, Флойд (1959). «Ультразвуковой абсорбционный микроскоп». Журнал Акустического общества Америки . 31 (5): 632–633. Bibcode : 1959asaj ... 31..632d . doi : 10.1121/1.1907767 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Корпель А. (1966). «Визуализация поперечного сечения звукового луча с помощью дифракции света Брэгга». Прикладные физические буквы . 9 (12): 425–427. Bibcode : 1966pphl ... 9..425K . doi : 10.1063/1.1754639 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Р. Полман, «Освещение материала посредством акустических оптических изображений», Z. Phys. , 1133 697, 1939. См. Также Z. Angew. Физический Vol. 1, с. 181, 1948.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Ja Cunningham и CF Quate, «акустическое вмешательство в твердые вещества и голографическую визуализацию», в акустической голографии , вып. 4, G. Wade, ed., New York: Plenum, 1972, с. 667–685.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Кесслер, LW (1970). «Ультразвуковая стимуляция оптического рассеяния в нематических жидких кристаллах». Прикладные физические буквы . 17 (10): 440–441. Bibcode : 1970apphl..17..440K . doi : 10.1063/1.1653262 .
^ Lemons, RA (1974). «Акустический микроскоп - версия для обедания». Прикладные физические буквы . 24 (4): 163–165. Bibcode : 1974Apphl..24..163L . doi : 10.1063/1.16555136 .
^ A. Korpel и LW Kessler, «Сравнение методов акустической микроскопии», в акустической голографии , вып. 3 от AF Metherell, ed., New York: Plenum, 1971, с. 23–43.
^ Кесслер, LW; Юхас, Де (1979). «Акустическая микроскопия - 1979». Труды IEEE . 67 (4): 526. Bibcode : 1979ieeep..67..526k . doi : 10.1109/proc.1979.11281 . S2CID 30304663 .
^ Р. Гр. MAEV, Принципы и будущее акустической микроскопии, Материалы Совместного советского западного международного симпозиума по фотометрии микроскопа и акустической микроскопии в науке, Москва, Россия, 1-12, 1985.
^ "Акустическая визуализация и акустические микроскопы из Sonoscan Inc." Соноскан. 11 июля 2008 г.
^ Бриггс, Эндрю (1992). Продвинулся в акустической микроскопии . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-1-4615-1873-0 .
^ Маев, Роман (2008). Акустическая микроскопия: основы и применения . Wiley-Vch. ISBN 978-3-527-40744-6 .
^ Маев, Роман (2013). Достижения в области акустической микроскопии и ультразвуковой визуализации высокого разрешения: от принципов до новых применений . Wiley-Vch. ISBN 978-3-527-41056-9 .
^ Kessler, LW, «Акустическая микроскопия», Metals Handbook, vol. 17 - Неразрушающая оценка и контроль качества, ASM International, 1989, с. 465–482.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Р.Гр. MAEV, редактор и соавтор, Достижения в области акустической микроскопии и ультразвуковой визуализации высокого разрешения: от принципов к новым приложениям, монографии, 14 глав, 400 страниц, Wiley & Son - VCH, апрель 2013 г.
^ Тулкофф, Шерил. «Стратегии подделки и обнаружения: когда это сделать / как это сделать» (PDF) . Решения DFR.
^ О'Тул, Кевин; Эссер, Боб; Бинфилд, Сет; Хиллман, Крейг; Пиво, Джо (2009). «Без PB-без PB Reflow, деградация PCB и влияние поглощения влаги» (PDF) . Вершина
^ Vogt, M., и Ermert, H., "Ограниченное углу пространственной составной визуализации кожи с высокочастотным ультразвуком", IEEE Trans. Ultrason., FERROELECTR. Фрейк. Control, 55 (9), 1975–1983 (2011).
^ Georgios Karagiannis, Dimitrios Alexiadis, Argirios Damcsios, Georgios Sergiadis и Christos Salpistis, 3-й неразрушающий «выборка» объектов искусства, IEEE Инструменты и измерения, том 60, выпуск 9, страница 1-28, сентябрь 2011 года.
^ D. Chillett, CS Cheung, H. Liang, J. Twydle, R.GR. Maev, D. Gavrilov, с использованием неинвазивных неразрушающих методов для мониторинга объектов культурного наследия, журнал Insight, 59 (5): 230–234, 2017

[1] S. Sokolov, Patent ossr №. 49 (31 августа 1936 г.), британский патент №. 477,139, 1937 и патент США 2164,125 , 1939.

[2] Данн, Флойд (1959). «Ультразвуковой абсорбционный микроскоп». Журнал Акустического общества Америки . 31 (5): 632–633. Bibcode : 1959asaj ... 31..632d . doi : 10.1121/1.1907767 .

[Korpel_1966-3] Jump up to: ^а ^{беременный} Корпель А. (1966). «Визуализация поперечного сечения звукового луча с помощью дифракции света Брэгга». Прикладные физические буквы . 9 (12): 425–427. Bibcode : 1966pphl ... 9..425K . doi : 10.1063/1.1754639 .

[Pohlman_1939-4] Jump up to: ^а ^{беременный} Р. Полман, «Освещение материала посредством акустических оптических изображений», Z. Phys. , 1133 697, 1939. См. Также Z. Angew. Физический Vol. 1, с. 181, 1948.

[Cunningham_1972-5] Jump up to: ^а ^{беременный} Ja Cunningham и CF Quate, «акустическое вмешательство в твердые вещества и голографическую визуализацию», в акустической голографии , вып. 4, G. Wade, ed., New York: Plenum, 1972, с. 667–685.

[Kessler_1970-6] Jump up to: ^а ^{беременный} Кесслер, LW (1970). «Ультразвуковая стимуляция оптического рассеяния в нематических жидких кристаллах». Прикладные физические буквы . 17 (10): 440–441. Bibcode : 1970apphl..17..440K . doi : 10.1063/1.1653262 .

[7] Lemons, RA (1974). «Акустический микроскоп - версия для обедания». Прикладные физические буквы . 24 (4): 163–165. Bibcode : 1974Apphl..24..163L . doi : 10.1063/1.16555136 .

[8] A. Korpel и LW Kessler, «Сравнение методов акустической микроскопии», в акустической голографии , вып. 3 от AF Metherell, ed., New York: Plenum, 1971, с. 23–43.

[9] Кесслер, LW; Юхас, Де (1979). «Акустическая микроскопия - 1979». Труды IEEE . 67 (4): 526. Bibcode : 1979ieeep..67..526k . doi : 10.1109/proc.1979.11281 . S2CID 30304663 .

[10] Р. Гр. MAEV, Принципы и будущее акустической микроскопии, Материалы Совместного советского западного международного симпозиума по фотометрии микроскопа и акустической микроскопии в науке, Москва, Россия, 1-12, 1985.

[11] "Акустическая визуализация и акустические микроскопы из Sonoscan Inc." Соноскан. 11 июля 2008 г.

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

[13] Маев, Роман (2008). Акустическая микроскопия: основы и применения . Wiley-Vch. ISBN 978-3-527-40744-6 .

[14] Маев, Роман (2013). Достижения в области акустической микроскопии и ультразвуковой визуализации высокого разрешения: от принципов до новых применений . Wiley-Vch. ISBN 978-3-527-41056-9 .

[15] Kessler, LW, «Акустическая микроскопия», Metals Handbook, vol. 17 - Неразрушающая оценка и контроль качества, ASM International, 1989, с. 465–482.

[Maev_2013-16] Jump up to: ^а ^{беременный} Р.Гр. MAEV, редактор и соавтор, Достижения в области акустической микроскопии и ультразвуковой визуализации высокого разрешения: от принципов к новым приложениям, монографии, 14 глав, 400 страниц, Wiley & Son - VCH, апрель 2013 г.

[17] Тулкофф, Шерил. «Стратегии подделки и обнаружения: когда это сделать / как это сделать» (PDF) . Решения DFR.

[18] О'Тул, Кевин; Эссер, Боб; Бинфилд, Сет; Хиллман, Крейг; Пиво, Джо (2009). «Без PB-без PB Reflow, деградация PCB и влияние поглощения влаги» (PDF) . Вершина

[19] Vogt, M., и Ermert, H., "Ограниченное углу пространственной составной визуализации кожи с высокочастотным ультразвуком", IEEE Trans. Ultrason., FERROELECTR. Фрейк. Control, 55 (9), 1975–1983 (2011).

[20] Georgios Karagiannis, Dimitrios Alexiadis, Argirios Damcsios, Georgios Sergiadis и Christos Salpistis, 3-й неразрушающий «выборка» объектов искусства, IEEE Инструменты и измерения, том 60, выпуск 9, страница 1-28, сентябрь 2011 года.

[21] D. Chillett, CS Cheung, H. Liang, J. Twydle, R.GR. Maev, D. Gavrilov, с использованием неинвазивных неразрушающих методов для 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 ]