Акустическая микроскопия

Рис. 1: Акустическое изображение интегральной схемы с отслаиванием материала внутри (красный).

Акустическая микроскопия является неразрушающим , метод визуализации , то ультразвуковые очень высокой частоты используется для генерации изображения внутри объекта. Разрешение по боковым деталям соответствует классическому световому микроскопу , разрешение по глубине намного лучше. Это также называется ультразвуковой микроскопией или акустической микроскопией , часто с добавлением сканирования (например, в сканирующей ультразвуковой микроскопии), чтобы описать, как это работает. Английский термин для обозначения акустической микроскопии - это в основном сканирующая акустическая микроскопия и сокращается до (SAM) . Термин акустическая микровизуализация или сокращенно AMI также широко распространен .

Он подходит для обнаружения дефектов и анализа свойств или изменений материалов. Поскольку процесс особенно эффективно реагирует на границы раздела между твердым или жидким веществом и газом, его часто используют в электронике и полупроводниковой технике для анализа ошибок (см. Рис. 1), чтобы найти отслоения, трещины и полости. Но акустическая микроскопия также используется в материаловедении для исследования металлических конструкций или керамики. В биологических и медицинских исследованиях живые клетки можно исследовать без заделки, сушки или окрашивания.

Ультразвуковой

Рис.2: Акустический частотный спектр

С физической точки зрения звук - это распространение колебаний давления и плотности в среде. В однородных средах звук распространяется прямо вперед и может переноситься линзами фокусировки . В диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц говорят об слышимом звуке и, следовательно, о разных высоких тонах (см. Рис. 2). Зона УЗИ находится выше . Хорошо известные примеры применения z. Б. Ванны для ультразвуковой очистки (частота 10–30 кГц) или сонография при медицинских обследованиях (диапазон частот 1–40 МГц). Акустическая микроскопия использует частоты в диапазоне гигагерц. Достижимое разрешение увеличивается с увеличением частоты, но вместе с ним увеличивается и затухание : хотя инфразвук распространяется на тысячи километров в атмосфере, газы с частотой выше 10 МГц должны быть сильно сжаты, чтобы иметь возможность передавать звук. В диапазоне ГГц диапазон падает ниже миллиметра даже в конденсированных средах . На самых высоких частотах затухание звуковых волн в жидкостях почти такое же высокое, как затухание поперечных волн , которые могут распространяться в твердых телах только на низких частотах.

Устройство и функции ультразвукового микроскопа

Акустический микроскоп использует возможность распространения ультразвука в твердом теле. Для этого в образец посылается короткий ультразвуковой импульс, и исследуется взаимодействие на границах раздела между различными материалами (например, включениями или дефектами). Ультразвуковой сигнал может отражаться, рассеиваться или поглощаться внутри образца.

Рис. 3: Как работает акустический микроскоп

Генерация сигнала и фокусировка

Короткие электрические высокочастотные сигналы генерируются передатчиком и передаются на преобразователь звука (преобразователь). Звуковой преобразователь представляет собой пьезоэлектрический кристалл и состоит из различных материалов в зависимости от используемого частотного диапазона. Преобразователь использует короткие электрические сигналы передатчика для генерации коротких импульсов длительностью от 20 до 100 нс (наносекунд) из высокочастотных ультразвуковых волн и направляет их на акустическую линзу, которая напрямую связана с ультразвуковым преобразователем. В секунду излучается несколько тысяч звуковых импульсов.

Нижняя сторона линзы вогнута для фокусировки ультразвуковых волн , при этом радиус кривизны может составлять от менее 100 мкм до нескольких миллиметров, в зависимости от используемой частоты. Связующая среда (обычно вода) передает ультразвуковые волны изображаемому объекту. Волны отражаются от поверхности и от внутренних границ раздела (см. Раздел Типы взаимодействия в образце ). Тот же ультразвуковой преобразователь преобразует отраженные акустические волны обратно в электрические сигналы, которые оцениваются приемником с временным разрешением.

Если ультразвуковая головка сканируется построчно по образцу с помощью XY-сканера, информация о различных областях образца получается одна за другой, и на ее основе можно рассчитать изображение. Это часто отображается как изображение в оттенках серого или в ложных цветах (рис. 1).

Типы взаимодействия в выборке

Если ультразвуковой сигнал попадает на границу раздела между двумя разными материалами, часть ультразвукового сигнала отражается, а остальная часть пропускается (рис. 4a). В случае полости ультразвуковые волны не могут распространяться дальше в исходном направлении. Имеется полное отражение сигнала (рис. 4б). Структуры ниже полости не достигаются и поэтому не могут быть проанализированы. Если граница раздела (например, трещина) наклонена в направлении распространения сигнала, отраженный сигнал отражается обратно в другом направлении (рис. 4c). В зависимости от наклона поверхности отраженный сигнал может больше не улавливаться детектором. Если звук попадает в тонкие структуры по сравнению с используемой длиной волны, звук рассеивается во всех направлениях и, таким образом, его интенсивность значительно ослабляется (рис. 4d).

Рис. 4a: Взаимодействие ультразвука на интерфейсе
Рис. 4b: Полное отражение ультразвука от полости
Рис. 4c: Полное отражение ультразвука от наклонной трещины
Рис. 4d: Рассеяние ультразвукового сигнала на очень тонких структурах

Сигнал измерения

Рис. 5а: Развитие измерительного сигнала в акустической микроскопии (без дефектов).

Рис. 5b: Источник сигнала измерения в акустической микроскопии (с дефектом).

Сигнал измерения содержит информацию о времени прохождения , амплитуде и полярности (знаке) отраженной звуковой волны. Для оценки амплитуда сигнала отображается как функция времени.

Первый по времени сигнал возникает от отражения звука от поверхности образца (красный сигнал на рис. 5а). Без дополнительных неоднородностей в образце звуковой сигнал снова отражается только на нижней стороне образца (зеленый сигнал на рис. 5а). Если скорость звука известна, разница во времени прохождения между двумя сигналами сверху и снизу образца дает информацию о толщине образца. Если в образце есть дефект, звук отражается от каждой границы раздела двух материалов (рис. 5b). Это также видно по измерительному сигналу (синий сигнал на рис. 5b). В показанном случае есть отражение сверху и снизу дефекта. Положение (глубина) интерфейса или дефекта, в свою очередь, можно определить на основе времени прохождения.

Амплитуда (сила сигнала) предоставляет информацию о свойствах материалов, входящих в состав интерфейса (см. Также раздел Теория распространения звука в образце ). Большие различия в акустическом импедансе также вызывают более сильное отражение и, следовательно, большую амплитуду отраженного сигнала.

Если звук проходит через границу раздела из среды с более низкой плотностью в более плотную среду, форма сигнала соответствует первоначально переданному сигналу (красный сигнал на рис. 5a и 5b). Однако при переходе от материала с более высокой плотностью к материалу с более низкой плотностью происходит изменение полярности, т.е. ЧАС. знак сигнала меняется (зеленый сигнал на нижней стороне образца на рис. 5а или 5б). В случае включения обычно есть два сигнала разной полярности (синий сигнал на рис. 5b), каждый из которых идет сверху и снизу дефекта.

Режимы работы

Акустическая микроскопия различает разные режимы работы. Наиболее важные режимы работы:

A-режим: представление амплитуды сигнала как функции времени
B-режим: профиль акустической глубины (вертикальный разрез)
C-Mode: горизонтальное акустическое поперечное сечение
T-режим: изображение передачи звука
ToF-Mode: время полета, представление изображения высоты / глубины

А-режим

В режиме A (A = амплитуда) датчик не перемещается. Таким образом, получается информация о позиции под датчиком. В режиме A изображения не получаются, но отображается сигнал, как описано в предыдущем разделе Сигнал измерения (рис. 5a / b).

Профиль акустической глубины (B-режим)

При использовании режима B (B = яркость) датчик перемещается по линии над образцом. В каждой точке этой линии один за другим записываются сигналы измерения с временным разрешением, как описано выше. Затем сила сигнала (амплитуда) присваивается различным уровням серого. Изображение, на котором положение измерительной головки нанесено справа, а время прохождения (глубина) вниз соответствует изображению вертикального сечения или профилю глубины через компонент. Этот тип создания изображения подходит, например, для демонстрации наклона компонентов.

Поскольку сигнал, используемый для исследования, содержит от 1,5 до 3 периодов, всегда есть несколько строк, следующих друг за другом в вертикальном разрезе для каждого интерфейса.

Акустическое (горизонтальное) поперечное сечение (режим C)

Рис. 6a: Поперечное сечение электронного компонента

Рис. 6b: акустическое изображение поверхности IC

Рис. 6c: акустическое изображение с отрывом материала (красный)

При формировании изображения в C-режиме датчик сканирует поверхность образца с помощью xy-сканера. Сигнал измерения с временным разрешением записывается для каждой точки измерения. В этом сигнале устанавливается гейт. Для иллюстрации используется только информация со временем прохождения в этом окне (изображение горизонтального среза). В зависимости от положения окна могут быть отображены различные диапазоны глубины образца.

Самый простой способ объяснить это на примере электронного компонента. На рис. 6а схематично показано поперечное сечение интегральной схемы (ИС). Если вы используете окно для изображения, которое содержит только сигналы, поступающие с поверхности компонента (красные сигналы на рис. 5a / 5b), вы получите акустическое изображение поверхности IC (рис. 6b). Это изображение во многом соответствует визуальному впечатлению от компонента. Видны большие круглые углубления на поверхности заливочной массы. Три меньшие белые структуры в верхней части рисунка вызваны полостями (пузырьками газа, задержанными в заливочной массе) непосредственно под поверхностью.

Если вы переместите окно в другой диапазон времени прохождения измерительного сигнала (например, вокруг синего сигнала на рис. 5b), изображение в разрезе будет создано на другой глубине компонента. На рис. 6c для этого использовалось кодирование ложными цветами максимальной мощности сигнала. Назначение можно увидеть на шкале в левом углу рисунка. Граница между заливочным компаундом и поверхностью кремниевого чипа (1) выглядит яркой из-за относительно высокого отражения сигнала.То же самое относится к границе раздела с базовой пластиной (2) и пальцевидными выводами (4). Поскольку выводы (4) сделаны из меди, они кажутся немного светлее на изображении, чем граница раздела с кремнием. Красные области на изображении (3) также соответствуют высокому уровню отраженного сигнала, но с отрицательным знаком сигнала. Это соответствует полному отражению на границе с полостью (отрыв материала).

Три темных пятна в верхней части рисунка на рис. 6в вызваны затенением сигнала. Это вызвано полным отражением сигнала от трех небольших полостей под поверхностью (см. Рис. 6b). Основные структуры больше не могут быть исследованы. В углах также можно увидеть, что неоднородности, расположенные над плоскостью исследования (например, углубления на поверхности заливочного компаунда), могут искажать изображение.

Другие типы изображений

В дополнение к типам функций, перечисленным выше, целые наборы трехмерных данных также могут быть сохранены и оценены томографически. В некоторых акустических микроскопах также можно разместить второй датчик под образцом и переместить его параллельно верхнему датчику. Результирующее изображение передачи (T-режим) показывает поглощение или затенение звуковых волн в образце. В простых случаях он представляет собой негативное изображение отраженного изображения.

Требования к репетиции и подготовка

Образцы не требуют специальной предварительной обработки перед исследованием, но они должны, по крайней мере, выдержать кратковременную обработку водой или другой жидкостью без каких-либо изменений. Жидкость необходима для передачи акустической энергии, так как воздух очень плохо передает звук с высокими частотами. Образец можно полностью погрузить в воду во время измерения или сканировать узкой водяной струей. В качестве альтернативы можно использовать спирты или другие жидкости, чтобы не изменять образец.

Образцы обычно имеют по крайней мере одну сканируемую плоскую поверхность. Над исследуемой плоскостью не должно быть трещин или полостей, так как они приводят к затенению сигнала. Неоднородности, такие как B. наполнители или шероховатость поверхности порядка используемой длины волны могут привести к рассеянию сигнала и, следовательно, к проблемам в интерпретации результатов.

Приложения

Благодаря возможности неразрушающего контроля и визуального представления внутренних структур акустический микроскоп используется в полупроводниковой промышленности для контроля качества и анализа ошибок. Он часто используется для анализа дефектов (например, отслоений, трещин и пустот), хотя акустический микроскоп также можно использовать для проверки расположения и положения компонентов, используемых внутри электронного компонента. Также он используется для изображения печатных плат и других узлов.

В области материаловедения акустические изображения позволяют показать микроскопическую структуру металлов или проверить керамику на наличие пустот или микротрещин.

Помимо технических приложений, есть и другие области применения в медицине. Основной задачей остеологических исследований является оценка костной ткани, особенно новообразованных костей. Микроскопические структурные особенности, полученные с помощью акустической микроскопии, определяют механику кости.

Многие структуры живых клеток имеют размеры в диапазоне микрометров. Мелкие элементы конструкции часто сильно различаются по своим упругим свойствам. Поскольку образцы погружены в воду и их не нужно сушить, окрашивать или подвергать воздействию вакуума, исследование на живом материале возможно.

Сравнение акустической микроскопии и сонографии

Хотя оба метода используют ультразвук для визуализации, между ними есть явные различия. Одно различие, безусловно, заключается в частоте и, следовательно, в достижимом разрешении, которое у ультразвукового микроскопа значительно выше. В то же время высокая частота позволяет исследовать только структуры, расположенные очень близко к поверхности, что никоим образом не может быть достаточным для медицинской сонографии .

Еще одно большое отличие - это тип проверки. В то время как в акустической микроскопии преобразователь механически перемещается по образцу, секторные сканеры или фазированные решетки используются в сонографии, в которой ультразвук поворачивается электронно в разных направлениях с помощью фиксированного преобразователя. В сонографии типичен акустический разрез в глубину, в то время как акустическая микроскопия создает горизонтальные разрезы.

Однако есть и явные отличия, связанные с изученными материалами. Поскольку само биологическое тело в значительной степени состоит из воды, связь с ультразвуком здесь намного проще, чем с техническими твердыми телами. Кроме того, при каждом отражении звука в твердых телах происходит преобразование мод сигнала (например, из продольного в поперечный ), чего не происходит в мягком веществе.

Теория распространения звука в образце

Акустический импеданс ${\ displaystyle Z_ {F}}$
материал	10 ⁶ кг / (м ² с)
воздуха	0,00
Вода (20 ° C)	1,48
Эпоксидная смола	3,12
Смола для микросхем	6,76
Стекло	15.04
алюминий	16,90
кремний	20.04
Al ₂ O ₃	39,56
медь	41,83
золото	62,53

Акустический импеданс - важный параметр для описания распространения звука . Она определяется по формуле , где соответствует по плотности материала и от скорости звука в этом материале. Если теперь звуковые волны распространяются от одного материала с акустическим импедансом в другой материал с акустическим импедансом , часть сигнала отражается на границе раздела. Доля отраженного излучения или прошедшего излучения рассчитывается по следующим формулам ${\ displaystyle Z}$ ${\ Displaystyle Z_ {F} = \ rho \ cdot v}$ ${\ displaystyle \ rho}$ ${\ displaystyle v}$ ${\ displaystyle Z_ {1}}$ ${\ displaystyle Z_ {2}}$ ${\ displaystyle R}$ ${\ displaystyle T}$

{\ Displaystyle R = {\ frac {Z_ {2} -Z_ {1}} {Z_ {1} + Z_ {2}}} \ qquad {\ text {или}} \ qquad T = {\ frac {2Z_ { 2}} {Z_ {1} + Z_ {2}}}.}

Это означает, что отражение всегда происходит, когда акустический импеданс двух материалов на границе раздела различается. Чем больше разница в акустическом импедансе двух материалов, тем сильнее отражение. Звук особенно хорошо подходит для обнаружения трещин, отслоений и полостей, так как при переходе между материалом и газом происходит полное отражение (акустический импеданс ). ${\ displaystyle Z_ {2} = 0}$

Если звук переходит из более плотной среды в среду с более низким акустическим импедансом, на границе раздела также возникает отражение. Так как в этом случае переменная становится отрицательной, что меняет полярность волны (отрицательный сигнал). ${\ displaystyle Z_ {1}> Z_ {2}}$ ${\ displaystyle R}$

веб ссылки

Commons : Acoustic Microscopy - коллекция изображений, видео и аудио файлов.

Основы акустической микроскопии. Sonoscan, доступ 13 сентября 2009 г. (английский,описаниеметода производителя).
Принцип работы ЗРК. KSI Kraemer Sonic Industries, по состоянию на 22 января 2014 г. (описание метода производителя).
Как работает ультразвуковой сканирующий микроскоп. PVA TePla Analytical Systems GmbH, по состоянию на 16 января 2016 г. (описаниеметода производителя).
Томас Рапп: Ультразвуковой микроскоп. В: ELO The Magazine. Проверено 13 сентября 2009 г. (Как построить простой ультразвуковой микроскоп (часть 1)).
Томас Рапп: xy-сканер. В: ELO The Magazine. Проверено 13 сентября 2009 г. (Как построить простой ультразвуковой микроскоп (часть 2)).
Введение в акустическую микроскопию в Лейпцигском университете.
Режимы работы акустической микроскопии. Институт акустической микроскопии им. Krämer GmbH, по состоянию на 30 ноября 2009 г. (режимы работы / режимы сканирования и их применения).

Индивидуальные доказательства

↑ Урсула Кристин Винклер-Буденхофер, Сканирующая акустическая микроскопия для оценки вновь образованных костей (PDF; 3,2 МБ), диссертация о получении докторской степени по медицине, Мюнхенский университет, 2007 г.
↑ ^a^b^c Фолькер Дойч, Майкл Платте, Манфред Фогт: Ультразвуковые испытания: основы и промышленные применения, Verlag Springer, 1997, ISBN 3-540-62072-9 , стр. 146, (предварительный просмотр книг в Google )

[Winkler-1] Урсула Кристин Винклер-Буденхофер, Сканирующая акустическая микроскопия для оценки вновь образованных костей (PDF; 3,2 МБ), диссертация о получении докторской степени по медицине, Мюнхенский университет, 2007 г.

[Deutsch-2] Фолькер Дойч, Майкл Платте, Манфред Фогт: Ультразвуковые испытания: основы и промышленные применения, Verlag Springer, 1997, ISBN 3-540-62072-9 , стр. 146, (предварительный просмотр книг в Google )

Languages