מאמר שיטה

מדידת מיקרו-תזוזה המבוססת על טכניקת הצל

DOI:

10.3791/64658

⸱

7 באוקטובר 2022

 ,  ,  ,  , 
1State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University, 2State Key Laboratory of Tribology, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מדידת מיקרו-תזוזה ברמת דיוק גבוהה היא משמעותית בתחום הנדסת אווירונאוטיקה וחלל, עיבוד שבבי מדויק במיוחד ומיקרו-הרכבה. הפרוטוקול הנוכחי מתאר מדידת תזוזות מיקרו על סמך טכניקת הצל.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המדידה המדויקת של מיקרו תזוזה חשובה בתחומים מדעיים ותעשייתיים. עם זאת, זהו אתגר קשה בשל העיצוב המורכב והעלות הגבוהה של מכשירי מדידה. בהשראת הצל שנוצר מצעדים במים ההולכים על פני מים תחת אור השמש, הוצעה שיטת מדידת מיקרו-תזוזה. רגלי צעד מים בעלות תכונות סופר-הידרופוביות מכופפות את פני המים. פני השטח המעוקלים של המים שוברים את אור השמש, ויוצרים צל עם קצה בהיר בתחתית הבריכה. גודל הצל בדרך כלל גדול יותר מעומק הכניסה של הרגליים מפני המים. במערכת מדידת המיקרו-תזוזה, התזוזה המיושמת היא פרופורציונלית לשינוי בקוטר הצל. המחקר המוצג מציע הליך מדידת מיקרו-תזוזה המבוסס על טכניקת צל זו. רגישות התזוזה יכולה להגיע ל-10.0 ננומטר/פיקסל בטווח של 5 מיקרומטר. מערכת זו פשוטה לבנייה, בעלות נמוכה ובעלת דיוק גבוה עם ביצועים ליניאריים טובים. השיטה מספקת אפשרות נוספת נוחה למדידת מיקרו-תזוזה.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מדידות תזוזה מדויקות ממלאות תפקיד חיוני בתחומי הנדסת אווירונאוטיקה וחלל1, עיבוד שבבי מדויק במיוחד2 ומיקרו-הרכבה3. יש למדוד עיוות מבני במדויק לניטור בריאות מבנית4. עם זאת, מדידות מיקרו-תזוזה עם דיוק גבוה נותרו אתגר קשה בשל העיצוב המורכב והעלות הגבוהה של מכשירי המדידה5.

ניתן לחלק את טכניקת מדידת המיקרו-תזוזה לשיטות קונבנציונליות ולא קונבנציונליות. שיטות קונבנציונליות, כגון חיישנים מגנטיים, קיבוליים, אינדוקטיביים וחשמליים, רגישות להפרעות אלקטרומגנטיות6. שיטות לא קונבנציונליות הן בעיקר שיטות אופטיות, כגון השיטה המבוססת על סיבים אופטיים ושיטת הלייזר.

Ke Tian et al. עיצב מבנה סיבים מולטי-מודים כפוף בצורת בלון למדידת תזוזה מיקרו, שרגישות התזוזה שלו יכולה להשיג 0.51 dB/μm עם טווח מדידה של 0-100 מיקרומטר בניסוי7. עם זאת, יש לקחת בחשבון תחילה את הגודל והעלות של מפענח הסיבים האופטיים; ולא היה קל לבטל את האפקט התרמי. Qianbo Lu et al. הציעו חיישן תזוזה ברזולוציה תת-ננומטרית המבוסס על חלל אינטרפרומטרי סורג, שרגישותו יכולה להגיע ל-44.75 mV/nm על ידי פיצוי העוצמה ואפנון הפאזה8. אינטרפרומטר הלייזר הוא אחד ממכשירי המיקרו-תזוזה הנפוצים ברזולוציה ננומטרית. עם זאת, הרפלקטור דורש עיבוד אותות מסובך, ורזולוציית השוליים של האינטרפרומטריה מגבילה את יישומיו9. לכן, יש צורך במערכת מדידה חלופית שנבנתה בפשטות, בעלות נמוכה וברמת דיוק גבוהה.

מאמר זה מציע הליך מדידת מיקרו-תזוזה המבוסס על טכניקת הצל 10,11,12,13 שהוא פשוט, בעלות נמוכה ומדויק ביותר עם ביצועים ליניאריים טובים. שיטה זו נוצרה בהשראת צעדי מים ההולכים על פני המים. רגלי צעד מים בעלות תכונות סופר-הידרופוביות מכופפות את פני המים. פני השטח המעוקלים של המים שוברים את אור השמש, ויוצרים צל עם קצה בהיר בתחתית הבריכה. גודל הצל בדרך כלל גדול בהרבה מעומק השקע של הרגליים מפני המים 14,15,16. במערכת, התזוזה המיושמת והשינוי בקוטר הצל היו פרופורציונליים, מה שאומת על ידי ניסוי הכיול. המחקר מצביע על כך ששיטה זו מספקת אלטרנטיבה למדידה מדויקת של מיקרו תזוזה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. הכנת קטע ה-PDMS

  1. הכן פולימר פולידימתילסילוקסן (PDMS, ראה טבלת חומרים) על ידי שקילת הבסיס וחומר הריפוי (באמצעות מאזני שקילה) ביחס של 30:1 במיכל פוליקרבונט קובואיד (PC).
    הערה: גודל המיכל הוא 60 מ"מ × 45 מ"מ × 15 מ"מ. גובה התערובת הוא כ -10 מ"מ.
  2. מערבבים את תערובת ה-PDMS בבלנדר כ-20 דקות עד שהיא מתמלאת בבועות.
  3. השתמש במשאבת ואקום כדי להסיר בועות מהתערובת למשך כ-30 דקות (ראה טבלת חומרים).
  4. מרפאים את ה-PDMS בתנור של 65 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות.
  5. השתמש בחתיכת ה-PDMS שנוצרה במיכל המחשב כאלמנט הרגיש לתזוזה (שלב 2.1).
    הערה: גודל חתיכת ה-PDMS הוא 60 מ"מ ×-45 מ"מ ×-10 מ"מ.

2. הכנה ניסויית למדידת מיקרו-תזוזה

  1. אסוף את כל המודולים/רכיבים של מערכת המדידה, כולל מקור אור מקביל, דיאפרגמת צמצם בקוטר 0.7 מ"מ, חתיכת PDMS (האלמנט הרגיש לתזוזה), שולחן עבודה עם שלוש רגליים גליליות קשיחות, מצלמה, מיקום דיוק אנכי, שלבים ממונעים ורכיבים אחרים (ראה טבלת חומרים), כפי שמוצג באיור 1 ובאיור 2.
  2. הנח את שולחן העבודה שהושג מסחרית (ראה טבלת חומרים) על ה-PDMS.
    הערה: פני השטח של ה-PDMS כפופים על ידי רגלי שולחן העבודה. שולחן העבודה מתקבל על ידי עיבוד אלומיניום. קוטר הרגליים הגליליות הקשיחות הוא 0.5 מ"מ, שצריך להיות קטן ככל האפשר.
  3. חבר את מקור האור המקביל עם דיאפרגמת הצמצם כדי לפלוט קרן אור מקבילה בקוטר מסוים אנכית לאחת הרגליים הגליליות הנוקשות.
    הערה: קוטר אלומת האור המקבילה הוא 0.7 מ"מ, שחייב להיות קטן ככל האפשר.
  4. מקם את מקור האור המקביל כ-50 מ"מ מעל פני ה-PDMS על ידי התאמת השלבים הממונעים של שולחן העבודה.
    הערה: המשטח הכפוף שובר את האור המקביל ויוצר צל עם קצה בהיר, המוצג באיור 3.
  5. הנח את המצלמה ישירות על 260 מ"מ מתחת ל-PDMS כדי ללכוד את תמונת הצל. התאימו את ההגדלה של עדשת המצלמה כך שהצל ימלא את כל התמונה.
    הערה: גודל הפיקסלים והרזולוציה של המצלמה הם כ-3.72 מיקרומטר ו-4,000 ×-6,000, בהתאמה.
  6. תקן את מיקום הדיוק האנכי ברזולוציה של 0.2 ננומטר מעל שולחן העבודה כדי לכייל את רגישות התזוזה (שלב 4).

3. עיבוד תמונה

  1. המירו את התצלום הצבעוני של הצל לתמונה בגווני אפור באמצעות תוכנת ראיית מכונה (ראו טבלת חומרים).
    1. לחץ על כפתור ההתחלה של התוכנה כדי לעבד את תמונת הצל ולקבל את קוטר הצל ישירות.
      הערה: הקוד של שלבי עיבוד התמונה משולב בתוכנה.
  2. בצע את העיבוד המקדים של התמונה, כולל סינון גאוס כדי להסיר את הרעש ושיפור התמונה כדי לשפר את ניגודיות התמונה12.
  3. השתמש באופרטור Canny כדי לחשב את מעבר הצבע של כל פיקסל ולקבל ערכות קווי מתאר של קצוות תת-פיקסלים. אל תכלול פיקסלים ללא קצוות בהתבסס על הביטול שאינו מקסימלי12.
  4. בטל את קווי המתאר של הקצוות שאינם חלק מקצוות הצל על-ידי קביעת סף אורך מסוים.
  5. התאם את קוטר הצל על ידי התאמת הריבועים הקטנים ביותר של עיגולים17.

4. כיול תזוזה

  1. כוונן את מיקום הדיוק האנכי (ראה טבלת חומרים) כדי ליצור קשר עם לחצן הטעינה של שולחן העבודה.
  2. לכוד את תמונת הצל הנוכחית כתמונת ייחוס.
  3. הסע את שולחן העבודה כדי לנוע למטה בצעדים של 1 מיקרומטר עד שהמרחק בין שולחן העבודה למיקום הדיוק האנכי הוא 5 מיקרומטר.
  4. צלמו את צילומי הצל עם המצלמה בכל שלב.
  5. חזור על הניסוי חמש פעמים.
  6. התאם את התוצאות כדי לקבל את הקשר בין תפוקת התזוזה של מיקום הדיוק האנכי לבין השינוי בקוטר הצל לפי משוואה 4 (ראה תוצאות מייצגות).
    הערה: מכאן מתקבלת רגישות התזוזה k .

5. מדידת מיקרו תזוזה

  1. נתק את המגע בין מיקום הדיוק האנכי לכפתור העומס של שולחן העבודה.
  2. לכוד את תמונת הצל הנוכחית כתמונת ייחוס.
  3. כוונן את הליניארי הממונע tagה (רזולוציה, 0.625 מיקרומטר) כדי ליצור קשר עם כפתור העומס.
    הערה: במחקר הנוכחי נעשה שימוש בשלב ליניארי ממונע זמין מסחרית (ראה טבלת חומרים) כדי להדגים את מדידת התזוזה המיקרו. עם זאת, המשתמשים יכולים למדוד עבור דגימות נפוצות רבות הדורשות מדידת מיקרו תזוזה.
  4. צלם את התמונה הנוכחית של הצל עקב תזוזה זעירה.
    הערה: ברגע שדגימת הבדיקה באה במגע עם כפתור הטעינה, שולחן העבודה זז. קוטר הצל משתנה עקב תזוזה מיקרו. לאחר מכן מצלמים את תמונת הצל, וקוטר הצל נקבע.
  5. קבע את השינוי בקוטר הצל על ידי עיבוד תמונה (שלב 3) וחשב את תזוזה המיקרו בהתאם לרגישות התזוזה המכוילת k ומשוואה 4.
    הערה: ה-Z במשוואה 4 הוא המיקרו-תזוזה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

בעקבות הפרוטוקול, ניתן לכייל את הרגישות של מערכת מדידת המיקרו-תזוזה, ולמדוד את תזוזה המיקרו. שיטת הצל במדידת המיקרו-תזוזה מוצגת כדלקמן. איור 3 מציג את נתיב הנסיעה של אור מקביל דרך המשטח המעוות של PDMS עקב התזוזה המופעלת. השבירה של אור מקביל יוצרת צל בעל קצה בהיר. הפתרון המפורש של תזוזות z(x) של משטח ה-PDMS המבוסס על מודל ג'ונסון-קנדל-רוברטס (JKR) הוא18:

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פרוטוקול זה הציע מערכת מדידת מיקרו-תזוזה המבוססת על טכניקת הצל. כיול התזוזה הוא השלב הקריטי בפרוטוקול להשגת רגישות התזוזה וטווח המדידה. ניתן לשפר את רגישות התזוזה על ידי הקטנת הקוטר של הרגליים הגליליות ושל אלומת האור המקבילה והגדלת מרחק העבודה על סמך משוואה 4. יתר על כן, גודל הפיקסלים והרזולוציה של המצלמה, כמו גם הדיוק של עיבוד התמונה, הם גם המפתח לשיפור רגישות התזוזה. גודל הפיקסלים חייב להיות קטן ככל האפשר כדי לקבל את השינוי הקטן ביותר בקוטר הצל. רזולוציית המצלמה צריכה להיות גדולה ככל ה...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אנו מודים לתוכנית המחקר והפיתוח הלאומית של סין (מס' 2021YFC2202702) על מימון עבודה זו.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
דיאפרגמת צמצםמעובדת על ידי השחזה ברמת דיוק גבוההקוטר הצמצם הוא 0.7 מ"מ.
מצלמהCanon EOS80Dגודל הפיקסלים והרזולוציה של המצלמה הם בערך 3.72 μ m ו-4000 ופעמים; 6000, בהתאמה.
HALCONMVTec Software GmbH18.11MVTec HALCON היא התוכנה הסטנדרטית המקיפה עבור ראיית מכונה עם סביבת פיתוח משולבת (HDevelop) המשמשת ברחבי העולם.
שלב ליניארי ממונעZolixTSA50-Cרזולוציה 0.625 μ m
מקור אור מקבילOriental Technology (שנחאי) ושות', בע"מBTPL-50Gאורך הגל השיא הוא 523 ננומטר.
פולידימתילסילוקסן (PDMS)Dow CorningSylgard 184PDMS הוא פולימר צולב שקוף מבוסס סיליקון.
משאבת ואקוםשנחאי חזזית-BX מכשיר טכונולוגיה ושות', בע"מ2XZ-6Bקצב השאיבה הוא 6 ליטר לשנייה. 1 עמוד 
מיקום דיוק אנכיPIP-620. ZCDהרזולוציה היא 0.2 ננומטר בטווח של 50 μm.
שולחן עבודה עם שלוש רגליים גליליות קשיחותמעובד על ידי שחיקהקוטר הרגליים הוא 0.5 מ"מ. הרגליים מפוזרות על נקודות החתך של מעגל ברדיוס של 14 מ"מ
ברמת דיוק גבוהה

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Zhang, H., Li, D. T., Li, H. Development of a cantilever beam thrust stand for electric propulsion thrusters. Review of Scientific Instruments. 91 (11), 115104(2020).
  2. Huang, Y., et al. An optical glass plane angle measuring system with photoelectric autocollimator. Nanotechnology and Precision Engineering. 2 (2), 71-76 (2019).
  3. Bettahar, H., Clevy, C., Courjal, N., Lutz, P. Force-Position photo-robotic approach for the high-accurate micro-assembly of photonic devices. IEEE Robotics and Automation Letters. 5 (4), 6396-6402 (2020).
  4. Ngeljaratan, L., Moustafa, M. A. Structural health monitoring and seismic response assessment of bridge structures using target-tracking digital image correlation. Engineering Structures. 213, 110551(2020).
  5. Berkovic, G., Shafir, E. Optical methods for distance and displacement measurements. Advances in Optics and Photonics. 4 (4), 441-471 (2012).
  6. Ghaffar, A., et al. A simple and high-resolution POF displacement sensor based on face-coupling method. Measurement. 187, 110285(2022).
  7. Tian, K., Farrell, G., Wang, X., Lewis, E., Wang, P. Highly sensitive displacement sensor based on composite interference established within a balloon-shaped bent multimode fiber structure. Applied Optics. 57 (32), 9662-9668 (2018).
  8. Lu, Q. B., et al. Subnanometer resolution displacement sensor based on a grating interferometric cavity with intensity compensation and phase modulation. Applied Optics. 54 (13), 4188-4196 (2015).
  9. Hu, Y., et al. An axial displacement measurement relying on the double-helix light beam. Optics & Laser Technology. 59, 1-6 (2014).
  10. Zheng, Y., et al. Elegant shadow making tiny force visible for water-walking arthropods and updated Archimedes' principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
  11. Lu, H., et al. A shadow-based nano scale precision force sensor. IEEE Sensors Journal. 19 (6), 2072-2078 (2019).
  12. Yang, Y., et al. Development of a nanoscale displacement sensor based on the shadow method. Applied Optics. 61 (22), 9-14 (2022).
  13. Li, Y., et al. Imaging dynamic three-dimensional traction stresses. Science Advances. 8 (11), (2022).
  14. Zheng, Y., Yin, W., Lu, H., Tian, Y. Revealing stepping forces in sub-mg tiny insect walking. Chinese Physics B. 29 (12), 124703(2020).
  15. Zheng, Y., et al. Walking of spider on water surface studied from its leg shadows. Chinese Physics B. 27 (8), 084702(2018).
  16. Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y., Zhang, X. J., Tian, Y. Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs. Applied Physics Letters. 109 (16), 163701(2016).
  17. Yang, Y., et al. A disturbance suppression micro-Newton force sensor based on shadow method. ISA Transactions. , (2022).
  18. Popov, V. L., Heß, M., Willert, E. Handbook of contact mechanics: exact solutions of axisymmetric contact problems. , Springer Nature. (2019).
  19. Sun, B., Zheng, G., Zhang, X. Application of contact laser interferometry in precise displacement measurement. Measurement. 174, 108959(2021).
  20. Huang, Y. G., Yang, Y., Zhang, X. M., Zhao, M. R. A novel torque sensor based on the angle of magnetization vector. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. 2018 (1), 230(2018).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

הסרטון יגיע בקרוב

מאמרים קשורים