Акустическая микроскопия - Acoustic microscopy

Акустическая микроскопия является микроскопия в котором работает очень много или сверхвысокая частота УЗИ. Акустические микроскопы работают неразрушающим образом и проникают в большинство твердых материалов, чтобы сделать видимыми изображений внутренних особенностей, включая такие дефекты, как трещины, расслоения и пустоты.

История

Идея акустической микроскопии возникла в 1936 году, когда С.Я. Соколов[1] предложили устройство для получения увеличенных изображений конструкции с помощью звуковых волн 3 ГГц. Однако из-за технологических ограничений в то время такой прибор не мог быть сконструирован, и только в 1959 году Данн и Фрай[2] провел первые эксперименты по акустической микроскопии, правда, не на очень высоких частотах.

После экспериментов Данна и Фрая научная литература демонстрирует очень незначительный прогресс в создании акустического микроскопа вплоть до 1970 года, когда возникли две группы активности, одна из которых возглавила К.Ф. Quate (Стэнфордский университет), а другой - A. Korpel и L.W. Кесслер (Zenith Radio Research Labs). Первые усилия по разработке операционного акустического микроскопа были сосредоточены на высокочастотной адаптации методов низкочастотной ультразвуковой визуализации. Использовалась одна ранняя система Брэгговская дифракционная визуализация,[3] который основан на прямом взаимодействии поля акустической волны и лазерного светового луча. Другой пример был основан на вариациях ячейки Польмана.[4] Оригинальное устройство основано на суспензии асимметричных частиц в тонком слое жидкости, которые под воздействием акустической энергии вызывают изменения визуальной отражательной способности. Каннингем и Куэйт[5] изменил это, подвесив крошечные латексные шарики в жидкости. Акустическое давление вызывало перемещение населения, которое можно было обнаружить визуально. Кесслер и Сойер[6] разработали жидкокристаллическую ячейку, которая позволяла обнаруживать звук по гидродинамической ориентации жидкости. В 1973 году группа Quate начала разработку концепции,[7] в котором использовался первый сканирующий акустический микроскоп (SAM) с конфокальной парой ультразвуковых линз 50 МГц для фокусировки и регистрации ультразвуковой энергии. В 1974 году эту концепцию реализовали Р. А. Лемонс и К. Ф. Куэйт в лаборатории СВЧ Стэндфордский Университет. Достижения этого инструмента, сканирующего акустического микроскопа, связаны с достижением очень высокого разрешения, новыми режимами построения изображений и приложениями. SAM был коммерчески представлен Leitz Corp и Olympus Corp. В 1970 году группа компаний Korpel и Kessler 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 инструмент, сканирующий лазерный акустический микроскоп (SLAM), был коммерчески доступен в 1975 году.[9]

В 1980 г. был построен первый ЗРК высокого разрешения (с частотой до 500 МГц) со сквозной передачей. Роман Маев и его ученики в его лаборатории биофизической интроскопии Российская Академия Наук.[10] Первый коммерческий ЗРК ELSAM с широким диапазоном частот от 100 МГц до сверхвысоких 1,8 ГГц был построен на заводе. Ernst Leitz GmbH (Вецлар, Германия) группой под руководством Мартина Хоппе и его консультантов Абдулла Аталар (Стэнфордский университет, США), Роман Маев (Российская Академия Наук, Россия) и Эндрю Бриггс (Оксфордский университет, Великобритания.)[11][12]

В то же время в 1984 году группа Кесслера завершила разработку концептуального прибора C-SAM.[13] которые работали в режиме отражения, а также в режиме сквозной передачи (только) SLAM. Использование одного и того же преобразователя для импульсного ультразвука и приема отраженных эхосигналов означало, что акустическое изображение можно было легко ограничить интересующей глубиной. Эта конструкция была предшественницей практически всех акустических микроскопов, используемых сегодня, и была разработкой, которая сделала возможными многочисленные более поздние достижения, такие как формирование акустических изображений поперечного сечения, трехмерное акустическое изображение и другие.

С тех пор в системы акустической микроскопии было внесено множество усовершенствований для повышения разрешения, качества и точности изображения. Большинство из них подробно описано в книге. Бриггс, Эндрю (1992). Продвинутый уровень акустической микроскопии. Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-1-4615-1873-0., Маев Роман (2008). Акустическая микроскопия: основы и приложения. Wiley-VCH. ISBN  978-3-527-40744-6., а также недавно в Маев Роман (2013). Достижения в акустической микроскопии и ультразвуковой визуализации высокого разрешения: от принципов к новым приложениям. Wiley-VCH. ISBN  978-3-527-41056-9..

Типы акустических микроскопов

За полвека, прошедшие с момента первых экспериментов, непосредственно приведших к созданию акустических микроскопов, было разработано по крайней мере три основных типа акустических микроскопов. Эти сканирующий акустический микроскоп (СЭМ), конфокальный сканирующий акустический микроскоп (CSAM) и сканирующий акустический микроскоп с режимом C (C-SAM).[14]

В последнее время акустические микроскопы на основе пикосекундный ультразвук Системы продемонстрировали акустическое изображение в клетках с использованием субоптических длин волн, работающих с ультразвуковыми частотами до нескольких ГГц. Поскольку подавляющее большинство акустических микроскопов, используемых сегодня, являются приборами типа C-SAM, данное обсуждение будет ограничено этими приборами.[15]

Поведение ультразвука в материалах

Ультразвук в широком смысле определяется как любой звук, имеющий частоту выше 20 кГц, что приблизительно является самой высокой частотой, которую может обнаружить человеческое ухо. Однако акустические микроскопы излучают ультразвук в диапазоне от 5 МГц до более 400 МГц, так что разрешение по размеру микрометра может быть достигнуто. Ультразвук, который проникает в образец, может рассеиваться, поглощаться или отражаться внутренними элементами или самим материалом. Эти действия аналогичны поведению света. Ультразвук, который отражается от внутреннего элемента или (в некоторых случаях) проходит через всю толщину образца, используется для создания акустических изображений.

Типы образцов и подготовка

Образцы не нуждаются в специальной обработке перед акустической визуализацией, но они должны выдерживать хотя бы кратковременное воздействие воды или другой жидкости, так как воздух очень плохой передатчик высокочастотной акустической энергии от преобразователя. Образец можно полностью погрузить в воду или сканировать узкой струей воды. В качестве альтернативы 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 заключенную в пластик интегральную схему.

Ультразвуковые частоты

Ультразвуковые частоты, подаваемые в образцы преобразователями акустических микроскопов, варьируются от 10 МГц (редко 5 МГц) до 400 МГц или более. В этом спектре частот есть компромисс: проникновение и разрешающая способность. Ультразвук на низких частотах, таких как 10 МГц, глубже проникает 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 дает акустические изображения с очень высоким разрешением. Частота, выбранная для изображения конкретного образца, будет зависеть от геометрии детали и используемых материалов.

Акустическое изображение заключенной в пластик ИС ниже было получено с использованием преобразователя 30 МГц, поскольку эта частота обеспечивает хороший компромисс между проникновением и разрешением изображения.

Процесс сканирования

На акустическом изображении ультразвук проходил через черный компаунд формы (пластик) и отражался от границы раздела между вышележащим компаундом формы и верхней поверхностью кремниевой матрицы, верхней поверхностью лопасти матрицы, отслоениями (красный цвет) на поверхности лопатка штампа и внешняя часть (ведущие пальцы) выводной рамки.
Диаграмма вида сбоку

В ультразвуковой преобразователь растровое сканирование верхней поверхности образца. Каждую секунду в выборку поступает несколько тысяч импульсов. Каждый импульс может рассеиваться или поглощаться при прохождении через однородные части образца. На границах раздела материалов часть импульса отражается обратно в датчик, где он принимается и регистрируется его амплитуда.

Отраженная часть импульса определяется акустический импеданс, 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 встречает границу раздела двух материалов, степень отражения ультразвука от этой границы раздела регулируется следующей формулой:

где R - доля отражения, а z1 и z2 акустические импедансы двух материалов, аналогичные показатель преломления в распространении света.

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

Стробирование обратных эхо

Импульс ультразвука от датчика проходит наносекунды или микросекунды, чтобы достичь внутреннего интерфейса и отражается обратно в датчик. Если имеется несколько внутренних интерфейсов на разной глубине, эхо-сигналы поступают на датчик в разное время. Плоские акустические изображения не часто используют все отраженные эхосигналы со всех глубин для создания видимого акустического изображения. Вместо этого создается временное окно, которое принимает только те ответные эхо-сигналы из глубины интереса. Этот процесс известен как «стробирование» возвратных эхо-сигналов.

В ИС, заключенной в пластик, стробирование осуществлялось на глубине, которая включала кремниевый кристалл, лопасть кристалла и выводную рамку.
По-прежнему сканируя верхнюю часть образца, стробирование отраженных эхо-сигналов было изменено, чтобы включить только пластиковый герметик (компаунд для форм) над штампом. Результирующее акустическое изображение показано выше. На нем показана структура наполненного частицами пластикового компаунда для пресс-формы, а также круглые следы пресс-формы на верхней поверхности компонента. Маленькие белые детали - это пустоты (захваченные пузыри) в пресс-форме. (Эти пустоты также видны на предыдущем изображении как темные акустические тени.)
Затем стробирование было изменено, чтобы включить только глубину материала крепления штампа, который прикрепляет силиконовый штамп к лопасти штампа. Матрица, лопатка матрицы и другие элементы выше и ниже глубины прикрепления матрицы игнорируются. В результирующей акустике, показанной выше в слегка увеличенном масштабе, красные области представляют собой пустоты (дефекты) в материале крепления матрицы.

Наконец, заключенная в пластик ИС была перевернута и отображена с обратной стороны. Возвратные эхо-сигналы регистрировались на глубине, где задняя сторона пресс-формы соприкасается с задней стороной лопасти штампа. Маленькие черные точки на акустическом изображении выше - это небольшие пустоты (захваченные пузырьки) в пресс-форме.

Другие типы изображений

Все акустические изображения, показанные выше, являются плоскими изображениями, названными так, потому что они делают видимой горизонтальную плоскость внутри образца. Акустические данные, полученные в ответных эхо-сигналах, также могут использоваться для создания других типов изображений, включая трехмерные изображения, изображения поперечного сечения и изображения сквозного сканирования.

Спектр приложений

Образцы, отображаемые с помощью акустических микроскопов, обычно представляют собой сборки из одного или нескольких твердых материалов, которые имеют по крайней мере одну поверхность, которая является либо плоской, либо правильно изогнутой. 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 их способности находить визуализированные элементы неразрушающим способом, акустические микроскопы широко используются в производстве электронных компонентов и узлов для контроля качества, надежности и анализа отказов. Обычно интерес заключается в обнаружении 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.[16] Акустические микроскопы также используются для изображения печатных плат.[17] и другие сборки.

Кроме того, существует множество приложений вне электроники. Во многих отраслях промышленности продукты, которые включают трубы, керамические материалы, композитные материалы или различные типы клеевых соединений, включая клеевые слои и различные сварные швы, могут быть визуализированы акустически.

При сборке множества медицинских изделий используются акустические микроскопы для исследования внутренних связей и особенностей. Например, можно получить изображение полимерной пленки, чтобы изучить ее связь с многоканальной пластиковой пластиной, используемой при анализе крови. SAM может предоставить данные об эластичности клеток и твердых и мягких тканей, которые могут дать полезную информацию о физических силах, удерживающих структуры в определенной форме, и механике таких структур, как цитоскелет.[3][4] Эти исследования особенно ценны при изучении таких процессов, как клеточная подвижность.[5][6]

Еще одно многообещающее направление было инициировано различными группами в мире по разработке и созданию портативных портативных ЗРК для подповерхностной трехмерной визуализации и диагностики мягких и твердых тканей.[15][18] и это направление в настоящее время успешно развивается с целью внедрения этих методов в клиническую и косметологическую практику.

Также в течение последнего десятилетия был проявлен интерес к применению методов акустической микроскопии для неинвазивного трехмерного контроля красочных слоев нарисованных произведений искусства и других объектов культурного наследия.[19][20]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ С. Соколов, Патент СССР No. 49 (31 августа 1936 г.), патент Великобритании № 477139, 1937 г. и Патент США 2164125 , 1939.
  2. ^ Данн, Флойд (1959). «Ультразвуковой абсорбционный микроскоп». Журнал акустического общества Америки. 31 (5): 632–633. Bibcode:1959ASAJ ... 31..632D. Дои:10.1121/1.1907767.
  3. ^ а б Корпель, А. (1966). «Визуализация поперечного сечения звукового луча по брэгговской дифракции света». Письма по прикладной физике. 9 (12): 425–427. Bibcode:1966АпФЛ ... 9..425К. Дои:10.1063/1.1754639.
  4. ^ а б Полман Р. «Освещение материалов с помощью акустооптических изображений». Z. Phys., 1133 697, 1939. См. Также З. Энгью. Phys., т. 1, стр. 181, 1948 г.
  5. ^ а б Дж. А. Каннингем и К. Ф. Куэйт, «Акустическая интерференция в твердых телах и голографические изображения», в Акустическая голография, т. 4, Эд. Г. Уэйд, Нью-Йорк: Пленум, 1972, стр. 667–685.
  6. ^ а б Кесслер, Л. У. (1970). «Ультразвуковая стимуляция оптического рассеяния в нематических жидких кристаллах». Письма по прикладной физике. 17 (10): 440–441. Bibcode:1970АпФЛ..17..440К. Дои:10.1063/1.1653262.
  7. ^ Лимонс, Р. А. (1974). «Акустический микроскоп - сканирующая версия». Письма по прикладной физике. 24 (4): 163–165. Bibcode:1974АпФЛ..24..163Л. Дои:10.1063/1.1655136.
  8. ^ А. Корпель, Л. В. Кесслер, «Сравнение методов акустической микроскопии», в Акустическая голография, т. 3 под ред. А. Ф. Метерелла, Нью-Йорк: Пленум, 1971, стр. 23–43.
  9. ^ Кесслер, L.W .; Yuhas, D.E. (1979). «Акустическая микроскопия - 1979». Труды IEEE. 67 (4): 526. Bibcode:1979IEEEP..67..526K. Дои:10.1109 / PROC.1979.11281. S2CID  30304663.
  10. ^ R. Gr. 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. ^ М. Хоппе, Р. Гр. Маев, Редакторы и соавторы, Микроскопическая фотометрия и акустическая микроскопия в науке, Материалы симпозиума ФРГ-СССР, Москва, 231 страница, 1985
  12. ^ Хоппе, М., и Берейтер-Хан, Дж., "Применение сканирующей акустической микроскопии - обзор и новые аспекты", IEEE Trans. Ультрасон., Ферроэлектр. Freq. Контроль, 32 (2), 289–301 (1985)
  13. ^ «Акустическая визуализация и акустические микроскопы от Sonoscan Inc.» Соноскан. 11 июля 2008 г.
  14. ^ Кесслер, Л.В., "Акустическая микроскопия", Справочник по металлам, Vol. 17 - Неразрушающая оценка и контроль качества, ASM International, 1989, стр. 465–482.
  15. ^ а б R.Gr. Маев, редактор и соавтор, «Достижения в акустической микроскопии и ультразвуковой визуализации высокого разрешения: от принципов к новым приложениям», монография, 14 глав, 400 страниц, Wiley & Son - VCH, апрель 2013 г.
  16. ^ Тюлькофф, Шерил. «Стратегии защиты и обнаружения подделок: когда это делать / как это делать» (PDF). Решения DfR.
  17. ^ О'Тул, Кевин; Эссер, Боб; Бинфилд, Сет; Хиллман, Крейг; Пиво, Джо (2009). «Бессвинцовый оплавление, деградация ПХД и влияние поглощения влаги» (PDF). APEX.
  18. ^ Фогт, М., и Эрмерт, Х., "Пространственное комбинированное изображение кожи с ограниченным углом с помощью высокочастотного ультразвука", IEEE Trans. Ультрасон., Ферроэлектр. Freq. Контроль, 55 (9), 1975–1983 (2011).
  19. ^ Георгиос Карагианнис, Димитриос Алексиадис, Аргириос Дамциос, Георгиос Серджиадис и Христос Сальпистис, неразрушающая «выборка» 3D-объектов искусства, приборы и измерения IEEE, том 60, выпуск 9, страницы 1-28, сентябрь 2011.
  20. ^ Д. Тикетт, К.С. Чунг, Х. Лян, Дж. Твайдл, Р.Гр. Маев, Д. Гаврилов, Использование неинвазивных неразрушающих методов для мониторинга объектов культурного наследия, Insight Magazine, 59 (5): 230–234, 2017