We presenteren een compact reflectie digitale holografische systeem (CDHM) voor inspectie en karakterisering van MEMS. Een lens-less ontwerp met behulp van een divergerende ingang golf verstrekken van natuurlijke geometrische vergroting wordt aangetoond. Zowel statische als dynamische studies worden gepresenteerd.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Compact Lens-less Digitale Holografische Microscoop voor MEMS Inspectie en karakterisering
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Een micro-elektro-mechanisch systeem (MEMS) is een veelgebruikt onderdeel in vele industrieën, waaronder energie, biotechnologie, medische zorg, communicatie en de automobielindustrie. Er zijn echter effectieve inspectie- en karakteriseringsmetrologiesystemen nodig om de functionele betrouwbaarheid van MEMS te garanderen. Deze studie presenteert een systeem gebaseerd op digitale holografie als een hulpmiddel voor MEMS-metrologie. Digitale holografie heeft de afgelopen 20 jaar steeds meer aandacht gekregen. Met de snelle ontwikkeling en dalende kosten van sensorarrays is de resolutie van dergelijke systemen toegenomen, wat de potentiële toepassingen verbreedt. Daarom heeft het zowel van onderzoeks- als industriekant aandacht getrokken als een potentieel betrouwbaar hulpmiddel voor industriële metrologie. Inderdaad, door het interferentiepatroon tussen een objectstraal (die hoogte-informatie van het monster bevat) en een referentiestraleel op een CCD-camera op te nemen, kan men de kwantitatieve fase-informatie van een object verkrijgen. De meeste digitale holografische systemen zijn echter omvangrijk en dus niet gemakkelijk te implementeren in industriële productielijnen. De nieuwigheid van het gepresenteerde systeem is dat het lensloos en dus zeer compact is. In deze studie wordt aangetoond dat de Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) kan worden gebruikt om verschillende kenmerken te evalueren die typisch worden beschouwd als criteria bij MEMS-inspecties. De oppervlakteprofielen van MEMS in zowel statische als dynamische omstandigheden worden gepresenteerd. Vergelijking met AFM wordt onderzocht om de nauwkeurigheid van de CDHM te valideren.
Inleiding
Metrologie van micro- en nano-objecten is van groot belang voor zowel de industrie en onderzoekers. Inderdaad, miniaturisatie van objecten vormt een nieuwe uitdaging voor optische metrologie. Micro elektromechanische systemen (MEMS) zijn over het algemeen gedefinieerd heeft elektromechanische systemen geminiaturiseerde en bestaat meestal componenten zoals micro sensoren, micro-actuatoren, micro-elektronica en microstructuren. Het heeft vele toepassingen in diverse gebied, zoals de biotechnologie, geneeskunde, communicatie en sensing 1 gevonden. Onlangs heeft de toenemende complexiteit en de progressieve miniaturisatie van testobject kenmerkt vereisen dat geschikte karakteriseringstechnieken voor MEMS. Hoge doorvoer productie van deze complexe microsystemen vereist de implementatie van geavanceerde inline meettechnieken, om karakteristieke parameters en aanverwante defecten veroorzaakt door de procescondities 2 kwantificeren. Bijvoorbeeld, de afwijking van geometrische paramters in een MEMS inrichting beïnvloedt de systeemeigenschappen en moet worden gekarakteriseerd. Bovendien, de industrie vereist hoge resolutie meetprestaties, zoals volledige driedimensionale (3D) metrologie, grote zichtveld, hoge resolutie imaging, en real-time analyse. Aldus is het essentieel om een betrouwbare kwaliteitscontrole en inspectie te waarborgen. Bovendien vereist het meetsysteem eenvoudig implementeerbaar op een productielijn en dus relatief compact op bestaande infrastructuren te worden geïnstalleerd te zijn.
Holografie, die voor het eerst werd geïntroduceerd door Gabor 3, is een techniek die het herstel van de volledige kwantitatieve informatie van een object mogelijk maakt door het opnemen van de interferentie tussen een referentie- en een objectgolf een lichtgevoelig medium. Tijdens dit proces wordt de opname, de amplitude, fase en polarisatie van een veld zijn opgeslagen in het medium. Toen het veld golf object kan worden hersteld door het sturen van de referentie-bundel op het meDIUM, een proces dat bekend staat als optische lezing van het hologram. Omdat een conventionele detector alleen registreert de intensiteit van de golf, is holografie een onderwerp van groot belang geweest in de afgelopen vijftig jaar, omdat het de toegang tot extra informatie over het elektrische veld geeft. Echter, een aantal aspecten van de conventionele holografie maken het onpraktisch voor industriële toepassingen. Inderdaad, fotogevoelige materialen zijn duur en het opnameproces vereist in het algemeen een hoge stabiliteit. Vooruitgang in hoge resolutie camera sensoren zoals geladen gekoppelde inrichtingen (CCD) hebben een nieuwe aanpak voor digitale metrologie geopend. Een van deze technieken staat bekend als digitale holografie 4. In digitale holografie (DH), wordt het hologram opgenomen met een camera (registratiemedium) en numerieke processen worden gebruikt om de fase en intensiteitsinformatie reconstrueren. Zoals bij conventionele holografie, kan het resultaat worden verkregen na twee procedures: de opname- en reconstructie zoals in Fifiguur 1. Indien de opname is gelijk aan conventionele holografie, de reconstructie slechts numerieke 5. De numerieke reconstructie werkwijze wordt getoond in figuur 2. Twee procedures zijn betrokken bij de wederopbouw. Eerst wordt het golfveld object opgehaald uit het hologram. Het hologram wordt vermenigvuldigd met een numerieke referentie-wave naar het object golffront het hologram vliegtuig te krijgen. Ten tweede wordt het complex object golffront numeriek doorgegeven aan het beeldvlak. In ons systeem, wordt deze stap uitgevoerd met de convolutie methode 6. De gereconstrueerde veld verkregen is een complexe functie en dus fase en intensiteit kan worden gewonnen verstrekken van kwantitatieve hoogte-informatie over het object van belang. Het vermogen van gehele veld informatieopslag in holografie werkwijze en het gebruik van computertechnologie voor snelle gegevensverwerking bieden meer flexibiliteit bij experimentele configuratie en significante toename van de speed van de experimentele proces, opent nieuwe mogelijkheden om DH ontwikkelen als een dynamische metrologische tool voor MEMS en micro-systemen 7,8.
Het gebruik van digitale holografie in fase contrast beeldvorming is nu goed ingeburgerd en werd voor het eerst meer dan tien jaar geleden 9 gepresenteerd. Inderdaad, onderzoek microscopische inrichtingen combineert digitale holografie en microscopie uitgevoerd in vele studies 10, 11, 12, 13. Verschillende systemen op basis van hoge coherentie 14 en lage coherentie 15 bronnen alsmede verschillende geometrie 13, 16, 17 (in lijn, off as gemeenschappelijke weg ...) werden gepresenteerd. Bovendien, in overeenstemming digitale holografie is eerder gebruikt karakterisering van MEMS inrichting 18, 19. Maar deze systemen zijn doorgaans moeilijk te implementeren en volumineus, waardoor ze ongeschikt voor industriële toepassingen. In deze studie, stellen we een compact, eenvoudig en lens free-systeem op basis van off AXIs digitale holografie in staat om real-time MEMS inspectie en karakterisering. De compacte digitale holografische microscoop (CDHM) is een lens minder digitale holografische systeem ontwikkeld en gepatenteerd om de 3D-morfologie van micro-size spiegelende objecten te verkrijgen. In ons systeem, een 10 mW, zeer stabiel, temperatuurgestuurde diodelaser werkt bij 638 nm wordt gekoppeld in een mono-mode fiber. Zoals getoond in figuur 3, wordt de divergerende bundel afkomstig van de vezel splitsen in een referentie- en een objectbundel door een bundeldeler. De referentie-bundel pad bestaat uit een gekantelde spiegel aan de geometrie buiten de as te realiseren. Het object bundel wordt verstrooid en gereflecteerd door het monster. De twee bundels interfereren op de CCD die het hologram. Het interferentiepatroon afgedrukt op het beeld wordt een ruimtelijk vervoerder genoemd en maakt het herstel van de kwantitatieve fase-informatie met slechts één beeld. De numerieke reconstructie wordt uitgevoerd met een gewone Fourier transformatie en convolutie algoritme stated eerder. De lens-minder configuratie heeft meerdere voordelen maken het aantrekkelijk. Aangezien er geen lenzen, worden de ingevoerde bundel is een divergerende golf die een natuurlijke geometrische vergroting en daarmee de resolutie systeem verbeteren. Bovendien is het vrij van aberraties aangetroffen in typische optische systemen. Zoals te zien is in figuur 3B, kan het systeem compact worden gemaakt (55x75x125 mm 3), licht (400 g), en kan dus eenvoudig worden geïntegreerd in industriële productielijnen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Voorafgaande Voorbereiding van de meting
Opmerking: De voor de proef monster een MEMS elektrode. De gouden elektroden worden gefabriceerd op een silicium wafer met behulp van een lift off proces. Het monster is een 18 mm x 18 mm wafer met periodieke structuren (elektroden) met 1 mm periode
- Meld u aan bij het logboek voor het gebruik van het systeem.
- Zet de computer, LASER en vertaling podium macht.
- Plaats de MEMS elektrode / micro-membraan monster.
- Plaats de MEMS monster in het midden van de monsterhouder met behulp van een pincet.
- Stel de monsterhouder naar de elektrodes in de stralengang. De grootste gemeten gezichtsveld wordt gedefinieerd door de camerasensor grootte. Het is een rechthoek van 2,3 mm x 1,8 mm.
- Met behulp van de verticale richting gemotoriseerde podium, te verplaatsen van het systeem bij benadering 1,5 cm afstand van het monster.
2. Software-instellingen aanpassing
- Open de 3DViewsoftware. 3DView is onze in-house programma ontwikkeld in C ++.
- Klik imaging source-knop om de juiste camera voor het experiment te selecteren. Kies de monochrome CCD camera. Vermijd kleurencamera in deze opstelling aangezien een monochromatische diodelaser wordt gebruikt. Bovendien, voor hetzelfde aantal pixels, resolutie zou lager zijn bij gebruik van kleurencamera's.
- In het tabblad instellingen van het apparaat, selecteert u Y800 (1280 x 960) videoformaat en 15 frames per seconde video-tarief.
- Klik op de gele play-knop om de camera te starten. Een beeld van het object met opdruk franje patronen (Hologram) moet verschijnen.
- Pas een optimale versterking en belichting parameters om de afbeelding verzadiging indien nodig te vermijden.
- Met behulp van de live video venster camerabeeld, past het monster positie om de exacte gebied selecteren om te onderzoeken op het monster.
- Open het tabblad Instellingen.
- In het tabblad configuratie, selecteert u het type oppervlak (reflecterend of transparant), golflengte van laser en pixelgrootte van de camera. De laser een diodelaser die werkt bij 633 nm. De pixelgrootte van de camera 4650 nm. Het monster is een spiegelende MEMS elektrode apparaat dus reflectieve modus moet worden gekozen.
Opmerking: De CDHM configuratie laat alleen reflecterende oppervlakken te meten. Echter de software ook worden gebruikt voor transparante monsters meten wanneer een verschillende digitale holografie wordt gebruikt 13. Een verandering in deze instelling verandert de hoogte berekeningsformule van de fase. Inderdaad, de lichtwegverschilfunctie berekening iets anders voor transparante monsters omvat de refractie-index object. - Kies de Convolution reconstructie-algoritme en zet de reconstructie afstand tot nul. Kies een reconstructiestap van 1 of 2.
Opmerking: De parameter reconstructie afstand kunnen later worden bepaald door de intensiteit beeld verkregen van het hologram te bestuderen en het gebruik van de auto-focus. De reconstructie stap definieert het aantalstappen gebruikt om de uitvoering van de fresnelintegraal en simuleren van de bundelpropagatie. De eerste methode beoordelen het integraal als één enkel Fourier Transform. Een stap 2 wordt de integraal tweemaal evalueren. Dit voegt meer flexibiliteit in het rooster uit elkaar, maar is rekenkundig minder efficiënt 20. - In het tabblad postverwerking, selecteert u het uitpakken algoritme die nodig zijn om het uiteindelijke beeld ongeopende krijgen. Selecteer kwaliteit in kaart gebracht algoritme.
Let op: In de software, de keuze tussen Goldstein en kwaliteit Toegewezen algoritme kan worden gemaakt. De latere heeft aangetoond robuuste en snelle ruimtelijke fase uitpakken. De kwaliteit toegewezen algoritme is gebaseerd op geleide fase uitpakken zoals beschreven in 21.
- In het tabblad configuratie, selecteert u het type oppervlak (reflecterend of transparant), golflengte van laser en pixelgrootte van de camera. De laser een diodelaser die werkt bij 633 nm. De pixelgrootte van de camera 4650 nm. Het monster is een spiegelende MEMS elektrode apparaat dus reflectieve modus moet worden gekozen.
3. Data Acquisition
- Druk op de Fourier-transformatie pictogram om het spectrum venster Fourier openen. Een 0 orde en twee 1, -1 bestellingen moeten verschijnen. Als dit niet het geval is, controleer dan of het monster in de juiste positie, en aan te passen krijgen eend belichtingstijd weer.
- Stop de live-meetmodus. Selecteer een van de afgebogen orders (positieve of negatieve frequentie) met behulp van de filter tool. Het geselecteerde gebied moet groot genoeg zijn zodat alle frequenties die nodig zijn voor het ophalen fase aanwezig zijn. Schakel de live-modus weer.
Opmerking: De keuze van de negatieve bestelling zal alleen van invloed op het teken van de fase in het uiteindelijke resultaat, dat wil zeggen, zal de uiteindelijke 3D-beeld worden omgekeerd. - Open het venster fase. Controleer of de ongeopende modus niet is ingeschakeld. grijze fase van het object bedrukt met verpakte franjes moeten verschijnen.
- Gebruik de gemotoriseerde verticale fase het aantal franjes beeld de fase te verminderen. Wanneer slechts 1 of 2 franjes zijn links op de afbeelding, stop de gemotoriseerde podium.
Opmerking: Het systeem is gebaseerd op interferometrie. Het is dus gevoelig voor trillingen. Na het verplaatsen van de z-richting gemotoriseerde podium, moet de gebruiker wacht 1 of 2 seconden voordat het de omwikkelde fase verschijnt again. Het is ook belangrijk om trillingen tijdens de meting vermijden beeld een stabiele fase te krijgen. - Klik op de knop auto-focus 22 om de beste reconstructie afstand te vinden. Men kan nodig zijn om autofocus meerdere malen te gebruiken om de optimale reconstructie afstand benaderen totdat het de intensiteit lijkt scherp en helder. De autofocus is gebaseerd op efficiënte en tijdbesparende hoekspectrum werkwijze als in 22.
Opmerking: De focus schuifbalk kan worden gebruikt voor fijninstelling. Klik vervolgens op het middelste scherpstelpunt knop om de huidige reconstructie afstand te nemen. Het lijkt soms dat het beste scherpstelling niet wordt gevonden met autofocus optie. In dit geval handmatig invoeren reconstructieafstand de beste scherpstelling vinden. - Schakel de ongeopende mode het imago van de ongeopende fase te zien door te klikken op de knop uitpakken.
4. Data Visualization en analyse voor Static Measurement
- Open de afbeelding venster 3D naar de finale 3D te zienbeeld van het monster. Gebruik de beschikbare opties om het eindresultaat te observeren (roteren, kleur kaart, schaal-display ...).
- Klik op de knop tegel ramen aan de ramen als niet-overlappende ordenen en weer te geven alle metingen ramen.
- Gebruik de lijn liniaal om een lijn te trekken op een oppervlakte van belang imago van de ongeopende fase op. In de plot venster lijn, kan een dwarsdoorsnede profiel plot van het gebied van belang in acht worden genomen. Met de twee groene lijn markers om bij benadering een hoogte van het object (figuur 5) extract.
Oppervlakteruwheid kan ook verkregen worden op het vlakke bovenkant van het monster. - Sla de afbeelding laatste fase in JPEG-formaat te importeren naar andere software indien nodig.
5. Voorbereiding van het monster en Data-analyse voor Dynamic Measurement
- Plaats de micro middenrif bij een verwarming station plaat. Het monster wordt niet verwijderd van de plaat tot het experiment beëindigd.
- Neem een hologram van de MICRo membraan bij kamertemperatuur door de procedure hierboven beschreven in paragraaf 2 en 3. Het zal worden gebruikt als referentie voor de deformatieanalyse.
- Sla de fase gegevens op de computer.
- Zet het laboratorium verwarming plaat.
- Met de temperatuurregelaar, varieert de temperatuur in stappen van 50 ° C van 50 ° C tot 300 ° C. Voor elke temperatuur stap, sparen de fase kaart afbeelding in JPEG-formaat.
- Trek de aanvankelijke omgevingstemperatuur fase map van de andere fase kaart opgeslagen op de vervorming te verkrijgen.
Let op: Dit bericht processing stap kan worden gerealiseerd met eenvoudige MATLAB-code. De verschillende fases verkregen worden geladen in MATLAB en eenvoudige matrix aftrekken wordt uitgevoerd. Vervolgens dwarsdoorsnede grafieken van de verschillende fasen vervorming kan worden verkregen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
De hierboven beschreven protocol werd ontworpen om te inspecteren en te karakteriseren MEMS en Micro apparaten met behulp van CDHM systeem. In ons systeem is een mono-mode vezel gekoppeld met een diodelaser werkt bij een golflengte 633 nm. Door de divergerende bundel configuratie, is het belangrijk om de objectbundel en referentiebundel pad passen om een hologram dat kan worden gereconstrueerd verkrijgen. Dit wordt bereikt door zorgvuldige verticale positionering van het monster ten op...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
In deze review, bieden we een protocol om nauwkeurig te herstellen van de kwantitatieve morfologie van verschillende MEMS apparaten met behulp van een compact systeem te vertrouwen op digitale holografie. MEMS karakterisering in zowel statische als dynamische modus wordt aangetoond. Kwantitatieve 3D gegevens van een microkanaal MEMS verkregen. Om de nauwkeurigheid van het systeem te valideren, zijn de resultaten vergeleken tussen de CDHM en de AFM. Goede overeenkomst is gevonden betekent dat de digitale holografie een b...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
De auteurs hebben geen erkenningen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 2 MP Camera | Imaging Source | DMX 41BU02 | gebruikt om het hologram op te nemen. 4,65 microns pixelgrootte |
| Gemotoriseerde X,Y,Z Translatiebaan | Zaber Technology | TLS28-M | Houder voor het systeem |
| Straalverdeler | Edmund Optics | 49-003 | Cube Straalverdeler. Scheid en hercombineer het object- en referentielicht |
| Laser | Micro Laser Systems, Inc. | SRT-F635S-20/OSYS | Diodelaser |
| Spiegel | Edmund Optics | #43-412-566 | 1" Dia. Beschermde Goud, λ/20 Flat Zerodur |
| Monomode Vezel | Thorlabs | S405-XP | Single Mode Optische Vezel, 400 - 680 nm, Ø 125 µm Mantel |
| Monsterhouder | Edmund Optics | #39-930 | Ideale Positioneringsplatform, ±35 mm Verplaatsing in Zowel X als Y |
| Hotplate | Thermolyne Mirak hotplate | Barnstead International HP72935-60 | temperatuurbereik 40-370 °C |
| Holoscoop Software | d'Optron Pte Ltd | software ontwikkeld door de NTU onderzoekers |
Referenties
- Maluf, N. An introduction to Microelectromechanical Systems. , Artech House. Boston. (2002).
- Novak, E. MEMS metrology techniques. Proc. SPIE. 5716, 173-181 (2005).
- Gabor, D. A New Microscopic Principle. Nature. 161 (4098), 777-778 (1948).
- Schnars, U., Jüptner, W. Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction. Appl. Opt. 33 (2), 179-181 (1994).
- Schnars, U., Jüptner, W. Digital recording and numerical reconstruction of holograms. Meas. Sci. Technol. 13 (9), 85-101 (2002).
- Pedrini, G., Schedin, S., Tiziani, H. Lensless digital holographic interferometry for the measurement of large objects. Opt. Commun. 171 (1-3), 29-36 (1999).
- Dubois, F., Joannes, L., Legros, J. C. Improved three-dimensional imaging with a digital holography microscope with a source of partial spatial coherence. Appl. Opt. 38 (34), 7085-7094 (1999).
- Lei, X., Xiaoyuan, P., Jianmin, M., Asundi, A. K. Studies of digital microscopic holography with applications to microstructure testing. Appl. Opt. 40 (28), 5046-5051 (2001).
- Cuche, E., Bevilacqua, F., Depeursinge, C. Digital holography for quantitative phase-contrast imaging. Opt. Lett. 24 (5), 291-293 (1999).
- Qu, W., Yu, Y., Chee Oi, C., Raj Singh, V., Asundi, A. Quasi-physical phase compensation in digital holographic microscopy. J. Opt. Soc. Am. 26 (9), 2005-2011 (2009).
- Schedin, S., Pedrini, G., Tiziani, H. J., Santoyo, F. M. Simultaneous three-dimensional dynamic deformation measurements with pulsed digital holography. Appl. Opt. 38 (34), 7056-7062 (1999).
- Lei, X., Xiaoyuan, P., Jianmin, M., Asundi, A. K. Development and validation of digital microholo interferometric system for micromechanical testing. Proc. SPIE. 4778, 11-20 (2002).
- Qu, W., Bhattacharya, K., Choo, C. O., Yu, Y., Asundi, A. Transmission digital holographic microscopy based on a beam-splitter cube interferometer. Appl. Opt. 48 (15), 2778-2783 (2009).
- Potcoava, M. C., Kim, M. K. Fingerprint biometry applications of digital holography and low-coherence interferography. Appl. Opt. 48 (34), 9-15 (2009).
- Kolman, P., Chmelìk, R. Coherence-controlled holographic microscope. Opt. Express. 18 (21), 21990-22003 (2010).
- Lee, M., Yaglidere, O., Ozcan, A. Field-portable reflection and transmission microscopy based on lensless holography. Biomed. Opt. Express. 2 (9), 2721-2730 (2011).
- Mico, V., Zalevsky, Z., Garcìa, J. Common-path phase-shifting digital holographic microscopy: a way to quantitative phase imaging and superresolution. Opt. Commun. 281 (17), 4273-4281 (2008).
- Singh, V. R., Miao, J., Wang, Z., Hedge, G. M., Asundi, A. Dynamic characterization of MEMS diaphragm using time averaged in-line digital holography. Opt. Commun. 280 (2), 285-290 (2007).
- Singh, V. R., Anderi, A., Gorecki, C., Nieradko, L., Asundi, A. Characterization of MEMS cantilevers lensless digital holographic microscope. Proc. SPIE. 6995, 69950F-1(2008).
- Schmidt, J. D. Numerical Simulation of Optical Wave Propagation with Examples in MATLAB. SPIE PRESS BOOK. , (2010).
- Zhao, M., Huang, L., Zhang, Q. C., Su, X. Y., Asundi, A., Qian, K. M. Quality-guided phase unwrapping technique: comparison of quality maps and guiding strategies. Appl. Opt. 50 (33), 6214-6224 (2011).
- Wang, Z., Qu, W., Yang, F., Wen, Y., Asundi, A. A new autofocus method based on angular spectrum method in digital holography. Proc. SPIE. 9449, 2-7 (2015).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
