Micro / Nano-schaal Distributiemeting van Steekproef Moiré Fringes
Summary
Hier wordt een monstername moiré-techniek met 2-pixel- en multi-pixel bemonsteringsmethoden voor nauwkeurige strainverdelingsmetingen op de micro / nano-schaal weergegeven.
Abstract
Dit werk beschrijft de meetprocedure en de principes van een steekproef moiré-techniek voor volumebelasting micro / nano-schaal vervorming metingen. De ontwikkelde techniek kan op twee manieren worden uitgevoerd: gebruik maken van de gereconstrueerde vermenigvuldigde moiré-methode of de ruimtelijke faseverschuivende monstername moiré-methode. Wanneer de specimen roosterhoogte ongeveer 2 pixels is, worden 2-pixel sampling moiré fringes gegenereerd om een vermenigvuldiging moiré patroon te reconstrueren voor een vervormingsmeting. Zowel de verplaatsings- als strain gevoeligheden zijn tweemaal zo hoog als in de traditionele scan moiré methode in hetzelfde brede gezichtsveld. Wanneer de monstergraad rond of meer dan 3 pixels is, worden multipixel sampling moiré fringes gegenereerd, en een ruimtelijke faseverschuivingstechniek wordt gecombineerd voor een full-field deformation meting. De nauwkeurigheid van de meetmethode is aanzienlijk verbeterd en de automatische batchmeting is gemakkelijk te bereiken.Beide methoden kunnen de tweedimensionale (2D) stamverdelingen meten van een single-shot-rasterbeeld zonder de specimen of scanlijnen te roteren, zoals bij traditionele moiré-technieken. Als voorbeeld werden de 2D-verplaatsings- en spanverdelingen, inclusief de schuifstammen van twee koolstofvezelversterkte kunststofmonsters, gemeten in driepunt buigende tests. De voorgestelde techniek zal naar verwachting een belangrijke rol spelen in de niet-destructieve kwantitatieve evaluaties van mechanische eigenschappen, kraakgevallen en restspanning van een verscheidenheid aan materialen.
Introduction
Deformatiemetingen van micro / nano-schaal zijn van vitaal belang voor de evaluatie van de mechanische eigenschappen, instabiliteitsgedrag, restspanning en kraakgevallen van geavanceerde materialen. Aangezien optische technieken niet contact hebben, volledig veld en niet destructief zijn, zijn er gedurende de laatste decennia verschillende optische methoden ontwikkeld voor deformatiemeting. In de afgelopen jaren omvatten de metingstechnieken voor de micro / nano-schaal vervorming hoofdzakelijk de moiré-methoden 1 , 2 , 3 , 4 , geometrische faseanalyse (GPA) 5 , 6 , Fourier-transformatie (FT), digitale beeldcorrelatie (DIC) Elektronische spekpatroon interferometrie (ESPI). Onder deze technieken zijn GPA en FT niet goed geschikt voor complexe vervormingsmetingen omdat er meerdere frequenties bestaan. De DIC-methode is simPle maar machteloos tegen geluid omdat de vervormingsdrager willekeurig is. Ten slotte is ESPI sterk gevoelig voor trillingen.
Onder de methoden van micro / nano-schaal moiré zijn de meest gebruikte methoden momenteel de methoden voor het scannen van microscoopzoeken, zoals elektronische scanning moiré 7 , 8 , 9 , laser scanning moiré 10 , 11 en atoomkrachtmicroscoop (AFM) moiré 12 , En sommige microscoop gebaseerde moiré methoden, zoals de digitale / overlappende moiré 13 , 14 , 15 methode en de vermenigvuldiging / fractionele moiré methode 16 , 17 . De scanning moiré methode heeft vele voordelen, zoals een breed gezichtsveld, hoge resoLut, en ongevoeligheid voor willekeurig geluid. De traditionele scanning moiré methode is echter ongemakkelijk voor 2D-stammetingen, omdat het nodig is om de steekproefstadium of de aftastrichting te draaien met 90 ° en twee keer te scannen om moiré fringes in twee richtingen 18 te genereren. Rotatie en de dubbele aftastprocessen introduceren rotatiefout en duurt een lange tijd, waardoor de meetnauwkeurigheid van de 2D-stam ernstig wordt beïnvloed, met name voor de schuifspanning. Hoewel de temporale faseverschakelingstechniek 19 , 20 de nauwkeurigheid van de vervormingsmeting kan verbeteren, vereist het tijd en een speciaal faseverschuivingsapparaat dat niet geschikt is voor dynamische tests.
De methode 21 , 22 van de bemonstering moiré heeft een hoge nauwkeurigheid in verplaatsingsmetingen en wordt nu hoofdzakelijk gebruikt voor afbuigingsmetingen op bruggen wanneer auto's pass. Om de steekproef moirémethode uit te breiden naar micro-nano-schaal 2D-stammetingen, is een gereconstrueerde vermenigvuldigde moirémethode nieuw ontwikkeld 23 uit 2-pixel sampling moiré fringes, waarin de metingen tweemaal zo gevoelig zijn en het brede gezichtsveld van de Scanning moiré methode wordt bewaard. Bovendien is de ruimtelijke faseverschuivende monsternemoiremethode ook ontwikkeld uit multi-pixel sampling moiré fringes, waardoor nauwkeurige strainmetingen mogelijk zijn. Dit protocol zal de gedetailleerde spanmetingsprocedure introduceren en zal naar verwachting onderzoekers en ingenieurs helpen om deformatie te meten, de productieprocessen van materialen en producten te verbeteren.
Protocol
Representative Results
Discussion
In de beschreven techniek is één uitdagende stap het micro / nano-schaalrooster of raster (verkort als rooster) fabricage 26 indien er geen periodiek patroon op het monster bestaat. De gridhoogte moet uniform zijn voor vervorming, omdat het een belangrijke parameter is voor de vervormingsmeting. Als het materiaal een metaal, een metaallegering of een keramische, UV-of verwarmingsnanoimprint lithografie (NIL) 27 , elektronische bundel lithografie (EBL) 2…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door JSPS KAKENHI, subsidie nummers JP16K17988 en JP16K05996, en door het Kruisministeriële Strategische Innovatie Promotie Programma, Unit D66, Innovatieve Meting en Analyse voor Structuurmaterialen (SIP-IMASM), beheerd door het kabinet kantoor. De auteurs zijn ook dankbaar voor Drs. Satoshi Kishimoto en Kimiyoshi Naito bij NIMS voor hun CFRP materiaal.
Materials
| 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 |
References
- Weller, R., Shepard, B. Displacement measurement by mechanical interferometry. Proc. Soc. Exp. Stress Anal. 6 (1), 35-38 (1948).
- 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).
- Ifju, P., Han, B. Recent applications of moiré interferometry. Exp. Mech. 50 (8), 1129-1147 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Li, C., Liu, Z., Xie, H., Wu, D. Novel 3D SEM Moiré method for micro height measurement. Opt. Express. 21 (13), 15734-15746 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Liu, Z., Lou, X., Gao, J. Deformation analysis of MEMS structures by modified digital moiré methods. Opt. Lasers Eng. 48 (11), 1067-1075 (2010).
- 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).
- Patorski, K., Wielgus, M., Ekielski, M., Kaźmierczak, P. AFM nanomoiré technique with phase multiplication. Meas. Sci. Technol. 24 (3), 035402 (2013).
- Wang, Q., Ri, S., Takashita, Y., Ogihara, S., Yoshida, S. Chapter 33: Full-field measurements of principal strains and orientations using moiré fringes. Advancement of Optical Methods in Experimental Mechanics. 3, 251-259 (2017).
- Wang, Z., Han, B. Advanced iterative algorithm for phase extraction of randomly phase-shifted interferograms. Opt. Lett. 29 (14), 1671-1673 (2004).
- 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).
- Ri, S., Fujigaki, M., Morimoto, Y. Sampling moiré method for accurate small deformation distribution measurement. Exp. Mech. 50 (4), 501-508 (2010).
- 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).
- 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).
- Dai, F., Wang, Z. Automatic fringe patterns analysis using digital processing tehniques: I fringe center method. Acta Photonica Sinica. 28, 700-706 (1999).
- Gutmann, B., Weber, H. Phase-shifter calibration and error detection in phase-shifting applications: a new method. Appl. Opt. 37 (32), 7624-7631 (1998).
- 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).
- 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).
