Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

مايكرو / نانو مقياس مقياس توزيع سلالة من أخذ العينات مويري هامش

Published: May 23, 2017 doi: 10.3791/55739
Automatic Translation
1, 1, 1
1Research Institute for Measurement and Analytical Instrumentation, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

Summary

ويعرض هنا أسلوب أخذ العينات موهير يضم طرق أخذ العينات 2 بكسل ومتعددة بكسل لقياس قياسات توزيع عالية الدقة على نطاق الجزئي / نانو هنا.

Abstract

يصف هذا العمل إجراء قياس ومبادئ تقنية موهير لأخذ عينات لقياسات تشوه الصغير النطاق / نانو النطاق الكامل. ويمكن تنفيذ التقنية المتقدمة بطريقتين: استخدام طريقة مويرة الضرب أعيد بناؤها أو طريقة أخذ العينات المكانية تحول مسار موير. عندما يكون الملعب الشبكة عينة حوالي 2 بكسل، يتم إنشاء 2 بكسل بكسل أخذ العينات مويير لإعادة بناء نمط مويرة الضرب لقياس تشوه. كل من النزوح وحساسيات سلالة هي ضعفي كما هو الحال في طريقة موهير المسح الضوئي التقليدي في نفس مجال واسع من الرأي. وعندما يكون الملعب الشبكي للعينة حول أو يزيد عن 3 بيكسلات، يتم إنشاء حواف موانير أخذ العينات متعددة البكسل، وتقترن تقنية تحويل الطور المكاني لقياس تشوه كامل المجال. يتم تحسين دقة قياس سلالة بشكل ملحوظ، وقياس دفعة التلقائي يمكن تحقيقه بسهولة.ويمكن لكلتا الطريقتين قياس توزيعات سلالة ثنائية الأبعاد (2D) من صورة شبكة واحدة بالرصاص دون تدوير العينات أو خطوط المسح الضوئي، كما هو الحال في تقنيات النسيج التقليدي. على سبيل المثال، تم قياس التوزيعات ثنائية الأبعاد والتوزيعات، بما في ذلك سلالات القص لعينتين من البلاستيك المقوى بالألياف الكربونية، في اختبارات الانحناء ذات ثلاث نقاط. ومن المتوقع أن تلعب التقنية المقترحة دورا هاما في التقييمات الكمية غير المدمرة للخصائص الميكانيكية، وحوادث الكراك، والضغوط المتبقية لمجموعة متنوعة من المواد.

Introduction

قياسات تشوه الصغرى / نانو مقياس ضرورية للغاية لتقييم الخواص الميكانيكية، والسلوك عدم الاستقرار، والإجهاد المتبقية، والكراك تحدث المواد المتقدمة. منذ التقنيات البصرية هي عدم الاتصال، حقل كامل، وغير مدمرة، وقد وضعت أساليب بصرية مختلفة لقياس تشوه خلال العقود القليلة الماضية. في السنوات الأخيرة، وتشمل تقنيات قياس تشويه الصغرى / نانو مقياس أساسا أساليب موير 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، تحليل المرحلة الهندسية (غبا) 5 ، 6 ، تحويل فورييه (فت)، ارتباط الصورة الرقمية (ديك)، و قياس رقعة نمط الرقطة الإلكترونية (إسبي). من بين هذه التقنيات، غبا و فت ليست مناسبة تماما ل قياسات تشوه معقدة لوجود ترددات متعددة موجودة. طريقة ديك هي سيمبلي ولكن عاجزة ضد الضوضاء لأن الناقل تشوه هو رقطة عشوائية. وأخيرا، إسبي حساس جدا للاهتزاز.

ومن بين أساليب التموج الصغرى / النانوية على نطاق واسع، والطرق الأكثر شيوعا في الوقت الحاضر هي أساليب المجهر المسح الضوئي موير، مثل الإلكترون مسح موير 7 ، 8 ، 9 ، ليزر المسحوق موير 10 ، 11 ، المجهر القوة الذرية (عفم) موير 12 ، وبعض الأساليب مويرسوب القائم على المجهر، مثل الرقمية / متداخلة موير 13 ، 14 ، 15 طريقة وطريقة التجميع / كسور موير 16 ، 17 . طريقة موير المسح الضوئي لديها العديد من المزايا، مثل مجال واسع من الرأي، وارتفاع ريسولوتيون، وعدم الحساسية للضوضاء العشوائية. ومع ذلك، فإن أسلوب موير المسح الضوئي التقليدي غير مريح لقياس قياسات 2D لأنه من الضروري لتدوير مرحلة العينة أو اتجاه المسح الضوئي من قبل 90 درجة والمسح الضوئي مرتين لتوليد هامش موير في اتجاهين 18 . دوران وعمليات المسح المزدوج إدخال خطأ دوران وتأخذ وقتا طويلا، والتأثير على محمل الجد دقة قياس سلالة 2D، وخاصة لسلالة القص. على الرغم من أن تقنية التحول المرحلة الزمنية 19 ، 20 يمكن أن تحسن دقة قياس تشوه، فإنه يتطلب الوقت وجهاز التحول مرحلة خاصة غير مناسبة لاختبارات ديناميكية.

طريقة موهير الاعتيان 21 ، 22 لديها دقة عالية في قياسات النزوح ويستخدم الآن أساسا لقياسات انحراف على الجسور عندما السيارات pالحمار. لتوسيع طريقة أخذ العينات موير إلى قياسات سلالة 2D / نانو على نطاق 2D، وقد تم تطوير طريقة مويرة الضرب أعيد بناؤها حديثا 23 من 2 بكسل الهجين أخذ العينات موير، حيث القياسات هي ضعف حساسية ومجال واسع من الرأي من يتم الاحتفاظ طريقة موير المسح. وعلاوة على ذلك، تم تطوير طريقة التجميع المكاني لأخذ العينات من الطور المائي من أطراف متعددة لقطع العينات، مما يسمح بقياسات سلالة عالية الدقة. هذا البروتوكول سوف يعرض إجراء قياس سلالة مفصلة ومن المتوقع أن يساعد الباحثين والمهندسين على تعلم كيفية قياس تشوه، وتحسين عمليات تصنيع المواد والمنتجات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. تأكيد مايكرو / نانو-- مقياس الشبكة على العينة

  1. الآلات من العينة
    1. قطع العينة إلى حجم المطلوبة من قبل جهاز تحميل محددة تستخدم تحت المجهر (على سبيل المثال، 1 × 5 × 30 مم 3 )، مما يجعل السطح التي يتعين ملاحظتها 1.5x أكبر من المنطقة ذات الاهتمام.
    2. البولندية سطح العينة التي يتعين ملاحظتها (على سبيل المثال، 1 × 30 مم 2 )، تباعا باستخدام الخشنة ورقة الرمال الناعمة على آلة تلميع التلقائي (على سبيل المثال، استخدام احباط سيك # 320 لمدة 3 دقائق ثم # 800 لمدة 1 دقيقة في 150 دورة في الدقيقة و 30 N). تنظيف العينة باستخدام المياه بعد كل خطوة تلميع.
    3. البولندية نفس سطح العينة، تباعا باستخدام الخشنة والغرامة تلميع الحلول على آلة تلميع التلقائي (على سبيل المثال، واستخدام DP- رذاذ P 15 ميكرون لمدة 5 دقائق، P 1 ميكرون لمدة 8 دقائق، و P 0.25 ميكرون لمدة 10 دقيقة في 150 دورة في الدقيقة و 30 N). تنظيف العينة باستخدام الماء بعد كل بوليشينز الخطوة.
  2. تصنيع شبكة مايكرو / نانو الحجم إذا لم يكن هناك نمط دوري على العينة
    ملاحظة: يمكن حذف هذه الخطوة إذا كان هناك نمط الدوري الطبيعي على مقياس الجزئي / نانو على سطح العينة. اختيار طريقة تصنيع الشبكة من ما يلي: الأشعة فوق البنفسجية (الأشعة فوق البنفسجية) أو التدفئة نانويمبرينت الطباعة الحجرية (لا شيء) 26 ، شعاع الالكترون الطباعة الحجرية (إبل) 2 ، وتركز أيون شعاع (فيب) طحن 6 .
    ملاحظة: يتم إدخال عملية تصنيع الشبكة هنا، مع الأشعة فوق البنفسجية لا شيء كمثال.
    1. إسقاط 2 مل من الأشعة فوق البنفسجية مقاومة على سطح العينة باستخدام ماصة.
    2. معطف مقاومة على سطح العينة باستخدام المغطي تدور في 1500 دورة في الدقيقة لمدة 60 ثانية.
    3. اضغط على قالب نانويمبرينت إلى طبقة مقاومة عند ضغط 0.2 ميجا باسكال. فضح مقاومة للأشعة فوق البنفسجية مع الطول الموجي من 375 نانومتر لمدة 30 ثانية.
    4. فصل قالب نانويمبرينت من سطح العينة.
    5. مراقبة الشبكة على العينة باستخدام المجهر
      1. معطف طبقة البلاتين أو الذهب مع سمك 3-10 نانومتر على سطح الشبكة باستخدام المغطي أيون (على سبيل المثال، طلاء لمدة 30 ثانية في 3 باسكال مع تيار الاخرق من 30 مللي أمبير).
      2. وضع العينة تحت المجهر المسح بالليزر (لسم) 23 .
        ملاحظة: المجاهر الأخرى يمكن أن تستخدم أيضا، مثل المجهر الإلكتروني الإلكترون (تيم) 5 ، مجهر القوة الذرية (عفم) 12 ، أو المجهر الإلكتروني المسح (سيم) 7 .
      3. ضبط التركيز وحفظ صورة شبكة واحدة باستخدام المجهر عن طريق النقر على "التقاط" و "ملف | تصدير | صورة ملف" في صورة برنامج تسجيل المجهر.
    6. حساب الملعب الشبكة (نانومتر أو ميكرون) من العينة من صورة الشبكة
      1. حساب متوسط ​​قيمة أكثر من 10 غرامإد الملعب في المنطقة الوسطى من صورة الشبكة لتجنب التأثير المحتمل للمسح أو تشويه العدسة.
        ملاحظة: الشبكة على العينة يمكن حفظها لعدة أيام في درجة حرارة الغرفة.

    2. الحصول على صور الشبكة في اختبار التحميل

    1. إعداد اختبار التحميل تحت المجهر
      1. إصلاح العينة إلى جهاز تحميل، مثل الشد، والضغط، والتدفئة، أو جهاز التحميل الكهربائي، تحت المجهر.
        ملاحظة: إذا كان الملعب الشبكة أقل من 20 نانومتر، يجب استخدام تيم أو عفم. إذا كان الملعب الشبكة هو 20 نانومتر إلى 10 ميكرون، يمكن استخدام سيم. إذا كان الملعب الشبكة أكبر من 400 نانومتر، لسم يمكن استخدامها.
      2. تعيين سرعة الحمل (على سبيل المثال، 0.01 ملم / ثانية) وخطوة الحمل أو النزوح التدريجي (على سبيل المثال، 0.5 N / خطوة أو 0.024 مم / خطوة) وفقا لمتطلبات محددة. مسبقا كل من الحمل والتشريد إلى الصفر.
      3. جعل شبكة تصفحالآس في الطائرة المراقبة. اختيار منطقة من الفائدة تحت التكبير منخفضة عن طريق تحريك أو تناوب مرحلة عينة من المجهر.
      4. حدد التكبير المناسب عن طريق جعل الملعب الشبكة في الصورة أكبر من 1.8 × بكسل واحد الحجم.
        ملاحظة: عادة، فمن الأفضل لجعل الملعب الشبكة في الصورة أكبر من 2 بكسل. والمزيد من بكسل واحد الملعب الشبكة يتوافق، وارتفاع دقة قياس تشوه، ولكن أصغر مجال الرؤية للقياس.
    2. مجموعة من الصور الشبكة في اختبار التحميل
      1. حفظ صورة الشبكة للمنطقة ذات الاهتمام قبل التحميل عن طريق النقر على "التقاط" و "ملف | تصدير | ملف الصورة" في صورة برنامج تسجيل المجهر.
      2. تبدأ لتحميل العينة في الموقع على المجهر عن طريق ممارسة الخطوة الأولى تحميل (على سبيل المثال، 0.5 N أو 0.024 ملم) باستخدام برنامج التشغيل من جهاز التحميل.
      3. تمأورد صورة الشبكة للمنطقة ذات الاهتمام بعد الخطوة الأولى تحميل (على سبيل المثال، في 0.5 N أو 0.024 ملم) عن طريق النقر على "التقاط" و "ملف | تصدير | صورة ملف" في برنامج تسجيل صورة المجهر. تأكد من أن التكبير والمسافة العمل من المجهر تبقى دون تغيير.
      4. الاستمرار في تحميل العينة عن طريق ممارسة كل خطوة تحميل باستخدام جهاز التحميل. تسجيل صورة الشبكة بعد كل خطوة تحميل حتى يتم كسر العينة أو حتى يتم تحقيق قيمة معينة (على سبيل المثال، تحميل 19 مرة وتسجيل 19 صورة الشبكة في 1 N، 1.5 N، 2.0 N، ...، 10 N، على فترات من 0.5 N؛ أو 0.048 مم، 0.072 مم، 0.096 مم، ...، 0.48 مم، على فترات 0.024 مم). تأكد من أن التكبير والمسافة العمل من المجهر لا يزال دون تغيير.
        ملاحظة: يمكن حفظ الصور الشبكة لفترة طويلة بشكل تعسفي من الزمن.

    3. جيل من أخذ العينات مويري هامش قبل وبعد ديفormation الوقود النووي

    1. تقدير الملعب الشبكة (بكسل) في الشبكة الصور
      1. قم بتقدير مساحة الشبكة (الوحدة: البكسل) في صورة الشبكة قبل التحميل عن طريق قياس المسافة بين مركزي نقطتي شبكتين متجاورتين في برنامج معالجة الصور ( مثل ميكروسوفت بينت).
      2. تقدير الملعب الشبكة في صورة الشبكة في الحمل الأقصى.
    2. تحديد حجم العينة (بكسل)
      1. الانتقال إلى الخطوة 3.2.2 عندما الملعب الشبكة قبل وبعد تشوه ما بين 1،8 و 2،5 بكسل. انتقل إلى الخطوة 3.2.3 عندما الملعب الشبكة قبل وبعد تشوه ما بين 2.4 و 3.6 بكسل. انتقل إلى الخطوة 3.2.4 عندما الملعب الشبكة قبل وبعد تشوه أكبر من 3.2 بكسل.
      2. تعيين الملعب أخذ العينات إلى T = 2 بكسل. انتقل إلى الخطوة 3.3.
      3. تعيين الملعب أخذ العينات إلى T = 3 بكسل. انتقل إلى الخطوة 3.3.
      4. تعيين أخذ العينات الملعب T إلى إيجابيةعدد صحيح داخل 0.75x و 1.25 x الملعب الشبكة قبل وبعد التشوه، وتحدد من نتائج محاكاة وفيرة 22 .
        ملاحظة: إذا كان هناك 2 أعداد صحيحة موجبة التي تلبي متطلبات في الخطوات 3.2.1 و 3.2.4، فمن الأفضل لاختيار عدد صحيح أكبر كما الملعب أخذ العينات. إذا كان هناك 3 أو أكثر من الأعداد الصحيحة الإيجابية التي تلبي متطلبات، فمن الأفضل لاختيار عدد صحيح الأوسط، طالما أنها أكبر قليلا من الملعب أخذ العينات.
    3. جيل من أخذ العينات مويري هامش قبل التشوه
      1. افتح صورة الشبكة قبل التشوه. على افتراض أن الاتجاه x هو أفقيا إلى اليمين، اتجاه y هو رأسيا إلى أسفل، والإحداثيات (0، 0) في الزاوية العلوية اليسرى، وحساب عرض الصورة W في اتجاه x وارتفاع الصورة H في الاتجاه ص .
        ملاحظة: يمكن تعريف اتجاه y أيضاعموديا صعودا.
      2. الانتقال إلى الخطوة 3.3.3 لتوليد هامش موير في الاتجاه ص . انتقل إلى الخطوة 3.3.7 لتوليد هامش موير في الاتجاه x .
      3. معالجة صورة الشبكة إلى صورة صريف باستخدام مرشح تمرير منخفض (ليف). على سبيل المثال، استخدم خوارزمية فت لقمع صريف، مع اتجاه رئيسي من x ، حيث يتم تعريف الاتجاه الرئيسي على أنه اتجاه عمودي على خطوط صريف. تعيين حجم مرشح لتكون قريبة من الملعب الشبكة.
      4. ضع صورة الشبكة عن طريق استخراج القيم الرمادية في عدة خطوط أفقية فقط، مع تباعد عرض العينة T ( T ≥2) من y = k بيكسلات ( k = 0) ( الشكل 1 ) ( أي الإبقاء فقط على الرمادي القيم في خطوط أخذ العينات من y = k بيكسيلز، y = k + T بيكسيلز، ...، y = k + إيت بيكسيلز ، حيث i بوصحيح صحيح). جعل إحداثيات خط أخذ العينات الماضي، k + إيت ، أقل من ارتفاع الصورة H.
      5. قم بتوليد نمط عينات مواريه في الاتجاه y عن طريق إجراء استيفاء شدة المجال الكامل (الخطية أو B-سبلين) للصورة مع خطوط أخذ العينات الأفقية.
      6. توليد أنماط أخرى من عينات T -1 لأخذ العينات في الاتجاه y من خلال تكرار الخطوتين 3.3.4 و 3.3.5 T -1 من خلال تغيير k عند الخطوة الإضافية البالغة 1 بكسل ( أي تحويل نقطة البداية من ترقق إلى y = k بكسل؛ k = 1، ...، T -1).
      7. استخدم نفس الإجراءات الواردة في الخطوات 3.3.3.3.3.6 لتوليد أنماط توصيلات أخذ العينات المكانية T- ستيب المكانية في الاتجاه x عن طريق تغيير x إلى y في الخطوة 3.3.3، وتغيير ارتفاع الصورة H إلى عرض الصورة W ، وتغيير y إلى x في الخطوات 3.3.4-3.3.6.
        مالحظة: ميكن أن تكون درجة املعاينة يف االتجاه x مختلفة عن ذلك يف اتجاه y .
    4. جيل من أخذ العينات مويري هامش بعد تشوه
      1. فتح جميع الصور الشبكة في الأحمال المختلفة. لنفترض أن عدد صور الشبكة هو N.
      2. توليد N مجموعات من T- ستيب المكانية التحول المرحلة موجهات هامش في الاتجاه ص بتكرار الخطوات 3.3.3-3.3.6 N مرات.
      3. توليد N مجموعات من T- ستيب المكانية المرحلة التحول هامش موير في الاتجاه x بتكرار الخطوة 3.3.7 N مرات.

    4. تشوه قياس العينة في اختبار التحميل

    1. تحديد شدة مويري هامش قبل وبعد تشوه
      1. استخراج شدة T- ستيب موجب هامش قبل تشوه في رانه الاتجاه في الخطوات 3.3.5 و 3.3.6. تحديد كثافة شدة النسيج في الاتجاه x في الخطوة 3.3.7. وصف شدة التوتر T- ستيب ( T ≥2) قبل التشوه في الاتجاه j ( j = x ، y ) باستخدام المعادلة التالية 23 :
        المعادلة 1 (1)
        حيث p j هي الملعب الشبكي قبل التشوه في الاتجاه j ( j = x ، y )، A هي السعة التضمينية، وتشمل D الخلفية وشدة التردد الأعلى.
      2. استخراج شدة T- ستيب موجب هامش بعد تشوه في الاتجاه ص في الخطوة 3.4.2 وتحديد تلك كثافة مويرة في الاتجاه x في الخطوة 3.4.3. وصف T- ستيب ( T ≥ 2) كثافة مويرة بعد تشوهفي الاتجاه j ( j = x ، y ) باستخدام المعادلة نفسها المذكورة أعلاه (المعادلة 1) بتغيير I m و j ( k ) و p j و A و D إلى I ' m و j ( k ) و p ' j ، A '، و D '، على التوالي، حيث يقتبس اقتباس واحد فوق التشوه بعد التشوه.
        ملاحظة: إذا كانت درجة أخذ العينات T ≥ 3 بكسل، تجاهل هذه الخطوة ثم انتقل إلى الخطوة 4.3.
      1. إعادة بناء هامش الضرب موير من التدخل المضاعف بين خطوتين أخذ العينات عينة موجي شدة ( الشكل 1A ) قبل تشوه باستخدام المعادلة التالية 23
        المعادلة 2 (2)
        حيث أنا متعددة، ي تقف على كثافة س(f) ( j = x ، y ) الاتجاه قبل التشوه.
      2. عملية إعادة بناؤها الضرب موير هامش قبل تشوه باستخدام هامش تقنية التمركز 24 . قم بتعيين أعداد صحيحة متتالية ونصف أعداد صحيحة f j = [1، 1.5، 2، 2.5، ...] للأوامر الهامشية في الخطوط المركزية لأنسجة الضرب التي أعيد بناؤها.
        مالحظة: إذا كان هامش التوتير املكعب كثيفا جدا، ميكن حتديد األوامر الهامشية من مواير أخذ العينات من خطوتني) أي، f j ) 0 (=] 1، 0، 2، 0، 3، 0، ... [ f j (1) = [0، 1.5، 0، 2.5، 0، 3.5، ...]). ويكون الترتيب الهامشي للهيكل الموجب الضرب هو f j = f j (0) + f j (1) = [1، 1.5، 2، 2.5، 3، 3.5، ...]. لن يؤثر تشريد الجسم الصلب على نتيجة السلالة.
      3. قياس السلالة النسبية للعينة قبل التشوه نسبة إلى الملعب أخذ العينات باستخدام المعادلات التالية 23
        المعادلة 3 (3)
        المعادلة 4 (4)
        حيث تمثل u u _rela و ε j _rela النزوح النسبي والسلالة النسبية للعينة قبل التشوه في الاتجاه j ( j = x ، y ) على التوالي، ويعبر γ زي _rela عن سلالة القص النسبية قبل التشوه.
      4. كرر الخطوات من 4.2.1-4.2.3 لتحديد السلالات النسبية للعينة بعد تشوه في اتجاهات x و y ل N مرات، وتغيير I متعددة، j ، أنا م، ي (0)، أنا م، ي p j و A و D و u j _rela ( j = x و y ) و ε j _rela و γ زي _rela في المعادلات (2) - (4) إلى I ' مولتي، j ، I ' m، j (0)، I ' m، j (1)، p ' j ، A '، D '، u ' j _rela (j = x، y)، ε ' j _rela و γ ' زي _rela ، على التوالي ، حيث يقتبس اقتباس واحد فوق التشوه بعد التشوه.
      5. تحديد السلالة الطبيعية الفعلية ε j في j ( j = x ، y ) الاتجاه، وهو التغير النسبي في الملعب الشبكة وسلالة القص، γ زي ، وهو أبسولوته التباين في زاوية الشبكة من العينة الناجمة عن الحمل من السلالات النسبية قبل وبعد تشوه 20 .
        المعادلة 5 (5)
        المعادلة 6 (6)
    3. تشوه القياس عندما يكون أخذ العينات الملعب T ≥ 3 بكسل
      1. احسب مرحلة الهوامش المعيارية لأخذ العينات في الاتجاه j ( j = x ، y ) قبل التشوه عند k = 0 ( الشكل 1b ) باستعمال تقنية تحويل الطور المكاني 21
        المعادلة 7 (7)
      2. الحصول على المرحلة من الهامش موير الاعتيان في j ( j = x ، y ) الاتجاه بعد تشوه عندما k = 0 عن طريق استبدال φ م، j و i m، j ( k ) في المعادلة (7) مع φ ' m و j و I ' m، j ( k )، على التوالي، حيث يقتبس الاقتباس المفرد العلوي بعد التشوه. كرر N مرات ل N الأحمال.
        ملاحظة: إذا كان هناك ضوضاء عشوائية أكثر بكثير في توزيعات الطور في الخطوتين 4.3.1 و 4.3.2، يمكن استخدام مرشاح سين / كوز 25 لتيسير المراحل.
      3. تحديد فرق الطور في هامش التموج المعياري في الاتجاه j ( j = x ، y ) قبل وبعد التشوه ( أي، φ φ m، j = φ ' m، j - φ m، j ).
      4. قياس توزيعات التشريد ش j ، سلالة طبيعية ε j في j = x ، y ) الاتجاه، وسلالة القص γ زي من العينة الناجمة عن الحمل. استخدم المعادلات التالية 6 ، 21
        المعادلة 8 (8)
        المعادلة 9 (9)
        المعادلة 10 (10)
        ملاحظة: إذا كان هناك الكثير من الضوضاء في توزيعات سلالة، يمكن استخدام مرشح التمهيد المتوسط، مع حجم مرشح أصغر من 2 ملاعب الشبكة.
    4. تخزين النتيجة
      1. حفظ البيانات من هامش موجي، مراحل (عندما الملعب أخذ العينات هو T ≥3 بكسل)، والتشريد، والسلالات في أشكال الصور، مثل ملفات .tif أو .bmp والنص، مثل .txt أو .csv الملفات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تم قياس التوزيعات ثنائية الأبعاد وتوزيعات السلالة لعينتين من البلاستيك المقوى بالألياف الكربونية (# 1 و # 2) وفقا لمبدأ تشكيل الموريق 23 وعملية القياس ( الشكل 1 ). وكانت عينات سفرب تتكون من ألياف الكربون K13D قطرها 10-11 ميكرون والراتنجات الايبوكسي. تم تحديد تشوه ال كفرب # 1 باستخدام طريقة التجميع المعاد بناؤها من خطي أخذ العينات من خطوط التجميع، وتم قياس هذا المعيار باستخدام طريقة التجميع المكاني لأخذ عينات المراحل من ثلاث مراحل.

a) تشوه قياس كفرب # 1

سمك، وطول، وعرض سفرب # 1 كانت 1 ملم، 22 ملم، و 4 ملم، على التوالي ( الشكل 2A ). طول دكان إركيتيون من جميع الألياف عمودي على 1 × 22 مم 2 السطح، والتي تم مصقول باستخدام أوراق الرمل وتلميع الحلول. تم ملفقة شبكة مع الملعب من 3.0 ميكرون على سطح مصقول باستخدام الأشعة فوق البنفسجية نانويمبرينت الطباعة الحجرية ( الشكل 2B ). تم لصق مقياس سلالة على أسفل 4 × 22 مم 2 سطح لمراقبة أكبر سلالة الشد.

تم إجراء اختبار الانحناء ثلاث نقاط على كفرب # 1 باستخدام رقصة التحميل، مع دعم فترة من 16 ملم، تحت المجهر المسح بالليزر. وكانت نسبة العمق إلى العمق 16 وفقا لمعايير الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد (أستم). الصور الشبكة عندما كانت قيم مقياس سلالة 0 و 0.00533 ( الشكل 2B ) سجلت. كان التكبير للعدسة الهدف من المجهر 5 ×، وكان قرار المسح 1،024 × 1،024. الاتجاه x أفقيايمين و y اتجاه عموديا صعودا.

وبما أن ملاعب الشبكة على سفرب # 1 في كل من الاتجاهين x و y كانت حوالي 2 بكسل في الصورة المسجلة، تم تعيين ملاعب أخذ العينات لأسفل في الاتجاهين لتكون T = 2 بكسل لقياس تشوه. ولتجنب التأثير المحتمل لتشويه المسح الضوئي، تم اختيار منطقة مركزية بحجم 1.26 × 0.53 مم 2 كمجال اهتمام. من 2 بكسل أسفل أخذ العينات والمعادلة (2)، تم إنشاء 2-الخطوة أنماط موير العينات ونمط موهير الضرب أعيد بناؤها بعد تشوه ( الشكل 2C ). وباستخدام المعادلتين (3) و (4)، تم حساب التشوه النسبي لمقياس أخذ العينات عندما كانت قيمة مقياس السلالة 0.00533. وبالمثل، تم الحصول على التشوه النسبي عندما كانت قيمة مقياس السلالة 0 أيضا. وأخيرا، والتوزيعات تشوه الفعلي، المؤتمر الوطني العراقيلودينغ التشريد 2D ( الشكل 2D )، سلالات عادية 2D، وسلالة القص ( الشكل 2E )، تم قياسها باستخدام المعادلات (5) و (6).

من التوزيعات النزوح ( الشكل 2D )، و x -direction النزوح هو إيجابي في الزاوية العلوية اليمنى واليسرى السفلى اليمنى، ولكن سلبية في الزوايا الأخرى. ويكون التهجير y-ديركتيون سلبيا في المنطقة بأكملها وعلى الأقل في المنطقة الوسطى. هذا يتفق بشكل جيد مع ميزات تشوه من عينة الانحناء. من التوزيعات سلالة ( الشكل 2e )، والمنطقة العليا تحمل سلالة الضغط في الاتجاه س ولكن التوتر الشد في الاتجاه ص ، والمنطقة السفلى تحمل سلالة الشد في الاتجاه س ولكن الضغط الانضغاط في الاتجاه ص ، مما يدل على تشوه مثيرة للاهتمام جharacteristic. سلالة القص سلبية في المنطقة اليسرى وإيجابية في المنطقة اليمنى، بما يتفق مع الانحناء الملكية.

b) تشوه قياس من سفرب # 2

سمك، وطول، وعرض مغلفة سفرب # 2 كانت 1 ملم، 30 ملم و 5 ملم، على التوالي ( الشكل 3A ). كان هناك 8 طبقات، وكان سمك كل طبقة 0.13 ملم. كان طول اتجاه جميع الألياف عمودي على 1 × 30 مم 2 السطح، والتي تم مصقول باستخدام أوراق الرمل وتلميع الحلول. ثم تم ملفقة شبكة مع الملعب من 3.7 ميكرون على سطح مصقول باستخدام الأشعة فوق البنفسجية نانويمبرينت الطباعة الحجرية ( الشكل 3B ).

تم إجراء اختبار الانحناء ثلاث نقاط باستخدام رقصة التحميل، مع دعم تمتد من 16 ملم، تحت المجهر المسح بالليزر. الفترة الممتدة إلى دوكانت نسبة إبث أيضا 16. صورة الشبكة في التحميل N 0.2 تم تسجيل أول مرة. عندما كان الحمل 10.8 N وكان انحراف -200 ميكرون، كما تم تسجيل صورة الشبكة مشوه ( الشكل 3B ). وكان التكبير للعدسة الهدف من المجهر 5X، وكان التكبير التصوير 120٪، وكان قرار المسح 1،024 × 1،024 بكسل. اتجاه x هو أفقيا إلى اليمين والاتجاه y عموديا صعودا.

وبما أن ملاعب الشبكة على سفرب # 2 في كل من الاتجاهين x و y كانت حوالي 3 بيكسل في الصورة المسجلة، تم تعيين ملاعب أخذ العينات أسفل في الاتجاهين لتكون T = 3 بكسل لقياس تشوه. ولتجنب التأثير المحتمل لتشويه المسح الضوئي، تم اختيار منطقة مركزية ذات حجم 1.15 × 0.49 مم 2 كمجال اهتمام. باستخدام الطريقة الموصوفة في الخطوة 4.3، المرحلة موير ديستم الحصول على تريبوتيونس في 0.2 N و 10.8 N في كل من X و Y الاتجاهات ( الشكل 3C ). تم تحديد توزيعات 2D التشريد في الطائرة ( الشكل 3D )، والسلالات العادية 2D، وسلالة القص ( الشكل 3E).

توزيع النزوح ( الشكل 3D ) ملامح كفرب # 2 مماثلة لتلك التي من سفرب # 1 ( الشكل 2D )، إلا أن النزوح -direction يختلف قليلا. ملامح سلالة x -direction وسلالة القص من سفرب # 2 ( الشكل 3E ) هي أيضا مماثلة لتلك التي من سفرب # 1 ( الشكل 2E )، والاتفاق مع ملامح تشوه من عينة الانحناء. ومع ذلك، فإن سلالة -direction من سفرب # 2 ( الشكل 3E ) هو فرق إرنت من أن من سفرب # 1 لأن سفرب # 2 هو عينة مغلفة. يمكن ملاحظة عدة طبقات من توزيع سلالة y-ديركتيون، وهو سلبي تقريبا في المنطقة بأكملها.

شكل 1
الشكل 1: أخذ العينات مبدأ تشكيل موير وعملية القياس. ( أ ) مبدأ توليد الموجة المعاد بناؤها من 2 ميغا بكسل أخذ عينات من موجهات عندما يكون الملعب أخذ العينات هو T = 2 بكسل. ( ب ) مبدأ التشكيل من طرفيات متعددة المراحل لنقل العينات، و عملية القياس لمرحلة المواسير عندما تكون درجة أخذ العينات T ≥3 بيكسلات. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ف together.within الصفحات = "1"> الشكل 2
الشكل 2: نتائج قياس تشوه كفرب # 1. ( أ ) الإعداد التجريبي لاختبار الانحناء الثلاثي النقاط تحت مجهر ليزر ومخطط العينة. ( ب ) سطح الملاحظة من كفرب # 1 مع الشبكة الصغيرة. ( ج ) خطوتين من عينات أنماط موير ونمط موير الضرب أعيد بناؤها عندما كانت قيمة مقياس سلالة 0.00533. ( د ) توزيعات التشريد المقاسة في الاتجاهين x و y . ( ه ) التوزيعات المقاسة للاتجاه x ، اتجاه y ، وسلالات القص من كفرب # 1. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3 "كلاس =" زفيجيمغ "سرك =" / فيليز / ftp_upload / 55739 / 55739fig3.jpg "/>
الشكل 3: نتائج قياس تشوه مغلفة سفرب # 2. ( أ ) رسم تخطيطي للانحناء الثلاثي النقاط تحت مجهر ليزر. ( ب ) سطح ملاحظ من سفرب # 2 مع الشبكة الصغيرة. ( ج ) التوزيعات الطرفية (المدى: - π ~ π) لتوزيعات هامش التماس المعاينة عند التحميل المسبق 0.2 N والحمولة 10.8 N في الاتجاهين x و y . ( د ) توزيعات التشريد المقيسة في الاتجاهين x و y ، حيث لم يتم عرض الانحراف (200 ميكرون) في الاتجاه y . ( ه ) التوزيعات المقاسة للاتجاه x ، اتجاه y ، وسلالات القص من كفرب # 2. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

في التقنية الموصوفة، خطوة واحدة صعبة هي شبكة الصغرى / نانو النطاق أو صريف (مختصر كما الشبكة) تلفيق 26 إذا لم يكن هناك نمط الدوري على العينة. وينبغي أن تكون الملعب الشبكة موحدة قبل تشوه لأنها معلمة هامة لقياس تشوه. إذا كانت المادة المعدنية، وسبائك معدنية، أو السيراميك، الأشعة فوق البنفسجية أو التدفئة نانويمبرينت الطباعة الحجرية (لا شيء) 27 ، شعاع الالكترون الطباعة الحجرية (إبل) 2 ، ركزت أيون شعاع (فيب) طحن 6 ، أو الشبكة طريقة مكررة 26 يمكن أن يكون مستخدم. إذا كانت المادة تحتوي على البوليمر الضعيف، لا يقترح إبل و فيب الطحن. عندما عنصر من المواد ليست الحرارة-- مقاومة، لا يمكن استخدام التدفئة لا شيء. إذا كانت العينة رقيقة، وطريقة شبكة مكررة من الصعب تطبيق لأنه ليس من السهل لفصل العينة.

الخطوة الحاسمة لقياس سلالة من صورة الشبكة قبل وبعد تشوه باستخدام تقنية المقترحة هو جيل من العينات مويير هامش 22 ، ومبدأ الذي يختلف عن مبدأ تشكيل التدخل التقليدي هامش موير. ولتوليد هامش ممتص لأخذ عينات مختلفة، يقترح مرشح تمرير منخفض، مثل خوارزمية فت، لقمع الخطوط أو النقاط غير المرغوب فيها. وإذا كانت أطراف التماس المعينة غير واضحة بعد أخذ العينات أسفلها ( أي تضييق صورة الشبكة) والاستكمال الداخلي للشدة الخطية، يمكن اعتماد مرشح التمهيد، مثل المرشح المتوسط، قبل أخذ العينات السفلية. ويمكن استخدام خوارزمية الاستكمال الداخلي B-سبلين من الدرجة الثانية أو حتى الثالثة من أجل الاستيفاء الشدة لتوليد هامشين متماثلين لأخذ العينات.

وبالمقارنة مع الأساليب التقليدية للأنسجة المعدنية، فإن تقنية التموج المعينة المقترحة لقياس توزيع السلالة لها ميزة أن تكونإنغ بسيطة سلالة 2D قياس وجود معالجة بسيطة، عالية السرعة، حساسية عالية تشوه، ودقة قياس عالية 23 . قياس سلالة 2D يمكن أن يؤديها بسهولة دون تدوير مرحلة العينة أو خطوط المسح من المجهر، وهو أمر ضروري في الطرق التقليدية. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن قياس تشوه ديناميكي، والمعلومات المطلوبة هي فقط صورة واحدة طلقة الشبكة في كل تحميل. هذا لا يمكن أن يتم مع الأسلوب الزماني تحول المرحلة الزمنية لأن هناك حاجة إلى العديد من الصور الشبكة أو مويري، جنبا إلى جنب مع الوقت في كل حمولة.

على الرغم من أن تقنية وصفها يسمح للقياسات سلالة 2D سهلة على المقاييس الصغرى / نانو، فقد القيود الخاصة به 23 ، كما يفعل أي تقنية أخرى. يجب أن تكون مساحة الشبكة في صورة مسجلة أكبر من 1.8 بكسل لتوليد 2-بكسل أو متعدد بكسل هامش موير. إذا كان الملعب الشبكة في الصورة حوالي 2 بيزيلس، يمكن أن يكون 2-بكسل هامش موهير أخذ العينات كبديل للمجهر مسح هامش موير، مع نفس مجال الرؤية في نفس التكبير. ومع ذلك، إذا كان الملعب الشبكة في صورة حوالي 1 بكسل على أعلى دقة المسح الضوئي للمجهر عندما هامش مموج المسح الضوئي واضحة يمكن ملاحظتها مباشرة، وأخذ العينات هامش موير لن تكون قادرة على تشكيل في نفس التكبير. على الرغم من أن العينات يمكن أن تتولد هامش موجي عند زيادة التكبير المجهر، فإن مجال الرؤية لقياس تشوه تنخفض. لحسن الحظ، قرارات المسح من المجاهر التجارية آخذة في التحسن، وأخذ العينات هجاء موجب يمكن أن تتولد في معظم الحالات. وارتفاع دقة المسح الضوئي، وأكبر عدد بكسل من الملعب الشبكة واحدة، وارتفاع دقة قياس سلالة.

على عكس طريقة مويرة الضرب أعيد بناؤها من 2 بكسل أخذ العينات موير فرينيجيس، طريقة التجميع المكاني لأسلوب أخذ العينات من مواضع متعددة بكسل بكسل مويير لديه سرعة معالجة أعلى ودقة قياس أعلى ولكن مجال أصغر من الرأي. اختيار الأسلوب يعتمد على عدد بكسل من الملعب الشبكة العينة، أو على دقة القياس المطلوبة ومجال الرؤية إذا كان عدد بكسل من الملعب الشبكة عينة يمكن السيطرة عليها. كلا الأسلوبين مفيدة لاتخاذ قياسات تشوه غير تدميري وإجراء التقييمات الكمية للخصائص الميكانيكية، حدوث الكراك والنمو، والإجهاد المتبقية، كشف عيب، توصيف الهيكلي، الخ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

وأيد هذا العمل من قبل جسبس كاكينهي، وأرقام المنحة JP16K17988 و JP16K05996، وبرنامج تعزيز الابتكار الاستراتيجي عبر الوزارات، وحدة D66، القياس والتحليل المبتكر للمواد الهيكلية (سيب-إماسم)، التي تديرها مكتب مجلس الوزراء. المؤلفون أيضا ممتنون للدكتور. ساتوشي كيشيموتو وكيميوشي نايتو في نيمس للمواد سفرب بهم.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Automatic Polishing Machine Marumoto Struers K.K. LaboPol-30, Labor Force-100
Carbon Fiber Reinforced Plastic Mitsubishi Plastics, Inc.  HYEJ16M95DHX1
Computer DELL Japan VOSTRO Can be replaced with another computer with C++ programming language
Image Recording Software Lasertec Corporation LMEYE7 Installed in a laser scanning microscope
Ion Coater Japan Electron Optics Laboratory Ltd. JEC3000F
Laser Scanning Microscope Lasertec Corporation OPTELICS HYBRID
Nanoimprint Device Japan Laser Corporation  EUN-4200 Can be replaced with a electron beam lithography device or a focused ion beam milling device
Nanoimprint Mold SCIVAX Corporation 3.0μm pitch Customized
Nanoimprint Resist Toyo Gosei Co., Ltd  PAK01
Polishing Solution Marumoto Struers K.K. DP-Spray P 15μm, 1μm, 0.25μm Use from coarse to fine
Pipet AS ONE Corporation 10mL
Sand Paper Marumoto Struers K.K. SiC Foil #320, #800 Use from coarse to fine
Spin Coater MIKASA Corporation MS-A100

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Weller, R., Shepard, B. Displacement measurement by mechanical interferometry. Proc. Soc. Exp. Stress Anal. 6 (1), 35-38 (1948).
  2. Kishimoto, S., Egashira, M., Shinya, N. Microcreep deformation measurements by a moiré method using electron beam lithography and electron beam scan. Opt. Eng. 32 (3), 522-526 (1993).
  3. Ifju, P., Han, B. Recent applications of moiré interferometry. Exp. Mech. 50 (8), 1129-1147 (2010).
  4. Zhang, H., Wu, C., Liu, Z., Xie, H. A curved surface micro-moiré method and its application in evaluating curved surface residual stress. Meas. Sci. Technol. 25 (9), 095002 (2014).
  5. Zhang, H., Liu, Z., Wen, H., Xie, H., Liu, C. Subset geometric phase analysis method for deformation evaluation of HRTEM images. Ultramicroscopy. 171, 34-42 (2016).
  6. Wang, Q., Kishimoto, S., Xie, H., Liu, Z., Lou, X. In situ high temperature creep deformation of micro-structure with metal film wire on flexible membrane using geometric phase analysis. Microelectron. Reliab. 53 (4), 652-657 (2013).
  7. Wang, Q., Kishimoto, S. Simultaneous analysis of residual stress and stress intensity factor in a resist after UV-nanoimprint lithography based on electron moiré fringes. J. Micromech. Microeng. 22 (10), 105021 (2012).
  8. Kishimoto, S., Wang, Q., Xie, H., Zhao, Y. Study of the surface structure of butterfly wings using the scanning electron microscopic moiré method. Appl. Opt. 46 (28), 7026-7034 (2007).
  9. Li, C., Liu, Z., Xie, H., Wu, D. Novel 3D SEM Moiré method for micro height measurement. Opt. Express. 21 (13), 15734-15746 (2013).
  10. Xie, H., Wang, Q., Kishimoto, S., Dai, F. Characterization of planar periodic structure using inverse laser scanning confocal microscopy moiré method and its application in the structure of butterfly wing. J. Appl. Phys. 101 (10), 103511 (2007).
  11. Tang, M., Xie, H., Wang, Q., Zhu, J. Phase-shifting laser scanning confocal microscopy moiré method and its applications. Meas. Sci. Technol. 21 (5), 055110 (2010).
  12. Xie, H., Kishimoto, S., Asundi, A., Boay, C. G., Shinya, N., Yu, J., Ngoi, B. K. In-plane deformation measurement using the atomic force microscope moiré method. Nanotechnology. 11 (1), 24 (2000).
  13. Xie, H., Liu, Z., Fang, D., Dai, F., Gao, H., Zhao, Y. A study on the digital nano-moiré method and its phase shifting technique. Meas. Sci. Technol. 15 (9), 1716 (2004).
  14. Wang, Q., Kishimoto, S., Yamauchi, Y. Three-directional structural characterization of hexagonal packed nanoparticles by hexagonal digital moiré method. Opt. Lett. 37 (4), 548-550 (2012).
  15. Liu, Z., Lou, X., Gao, J. Deformation analysis of MEMS structures by modified digital moiré methods. Opt. Lasers Eng. 48 (11), 1067-1075 (2010).
  16. Li, Y., Xie, H., Chen, P., Zhang, Q. Theoretical analysis of moiré fringe multiplication under a scanning electron microscope. Meas. Sci. Technol. 22 (2), 025301 (2010).
  17. Patorski, K., Wielgus, M., Ekielski, M., Kaźmierczak, P. AFM nanomoiré technique with phase multiplication. Meas. Sci. Technol. 24 (3), 035402 (2013).
  18. Wang, Q., Ri, S., Takashita, Y., Ogihara, S., et al. Chapter 33: Full-field measurements of principal strains and orientations using moiré fringes. Advancement of Optical Methods in Experimental Mechanics. Yoshida, S., et al. 3, Springer. 251-259 (2017).
  19. Wang, Z., Han, B. Advanced iterative algorithm for phase extraction of randomly phase-shifted interferograms. Opt. Lett. 29 (14), 1671-1673 (2004).
  20. Wang, Q., Xie, H., Hu, Z., Zhang, J., Sun, J., Liu, G. Residual thermo-creep deformation of copper interconnects by phase-shifting SEM moiré method. Appl. Mech. Mater. 83, 185-190 (2011).
  21. Ri, S., Fujigaki, M., Morimoto, Y. Sampling moiré method for accurate small deformation distribution measurement. Exp. Mech. 50 (4), 501-508 (2010).
  22. Ri, S., Muramatsu, T. Theoretical error analysis of the sampling moiré method and phase compensation methodology for single-shot phase analysis. Appl. Opt. 51 (16), 3214-3223 (2012).
  23. Wang, Q., Ri, S., Tsuda, H. Digital sampling Moiré as a substitute for microscope scanning Moiré for high-sensitivity and full-field deformation measurement at micron/nano scales. Appl. Opt. 55 (25), 6858-6865 (2016).
  24. Dai, F., Wang, Z. Automatic fringe patterns analysis using digital processing tehniques: I fringe center method. Acta Photonica Sinica. 28, 700-706 (1999).
  25. Gutmann, B., Weber, H. Phase-shifter calibration and error detection in phase-shifting applications: a new method. Appl. Opt. 37 (32), 7624-7631 (1998).
  26. Wang, Q., Kishimoto, S., Tanaka, Y., Kagawa, Y. Micro/submicro grating fabrication on metals for deformation measurement based on ultraviolet nanoimprint lithography. Opt. Lasers Eng. 51 (7), 944-948 (2013).
  27. Min-Jin, T., Hui-Min, X., Yan-Jie, L., Xiao-Jun, L., Dan, W. A new grating fabrication technique on metal films using UV-nanoimprint lithography. Chin. Phys. Lett. 29 (9), 098101 (2012).

Tags

الهندسة، العدد 123، توزيع تشوه، قياس سلالة، أخذ العينات موير، معالجة الصور، طريقة البصرية، مايكرو / نانو-- مقياس، المواد المركبة
مايكرو / نانو مقياس مقياس توزيع سلالة من أخذ العينات مويري هامش
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wang, Q., Ri, S., Tsuda, H.… More

Wang, Q., Ri, S., Tsuda, H. Micro/Nano-scale Strain Distribution Measurement from Sampling Moiré Fringes. J. Vis. Exp. (123), e55739, doi:10.3791/55739 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter