Измерение распределения микро / наномасштабных деформаций по выборке Муаровые обводки
Summary
Здесь представлена методика сэмплирования муара с использованием методов выборки 2-х пикселов и много пикселов для высокоточных измерений распределения деформации в микро / наномасштабном масштабе.
Abstract
В этой работе описывается процедура измерения и принципы метода отбора проб муара для полномасштабных измерений деформации микро / наномасштабных деформаций. Разработанная методика может быть выполнена двумя способами: с использованием реконструированного муарового метода умножения или методом пространственного сдвига фаз с перемещением. Когда шаг сетки образца составляет около 2 пикселей, генерируются 2-пиксельные фрагменты муарового фрагмента, чтобы восстановить шаблон мультипликации муара для измерения деформации. Как смещение, так и деформация чувствительность в два раза выше, чем в традиционном сканировании муара метод в том же широком поле зрения. Когда шаг сетки образца составляет около или больше 3 пикселей, генерируются мульти-пиксельные фрагменты муара, а метод пространственного сдвига фаз объединяется для измерения деформации в полном поле. Точность измерения деформации значительно улучшена, и автоматическое измерение партии легко достижимо.Оба метода могут измерять двумерные (2D) распределения деформации по одноразовому изображению сетки без вращения образца или линий сканирования, как в традиционных муарных методах. В качестве примеров, двумерные смещения и распределения деформации, включая сдвиговые деформации двух образцов, армированных углеродным волокном, были измерены в трехточечных испытаниях на изгиб. Ожидается, что предлагаемая методика будет играть важную роль в неразрушающих количественных оценках механических свойств, трещин и остаточных напряжений в различных материалах.
Introduction
Измерения микро / наномасштабной деформации жизненно необходимы для оценки механических свойств, поведения нестабильности, остаточных напряжений и появления трещин в современных материалах. Поскольку оптические методы являются бесконтактными, полнопольными и неразрушающими, для измерения деформации в течение последних нескольких десятилетий были разработаны различные оптические методы. В последние годы методы измерения микро / наномасштабной деформации в основном включают в себя методы муара 1 , 2 , 3 , 4 , геометрический фазовый анализ (ГПА) 5 , 6 , преобразование Фурье (FT), корреляцию цифровых изображений (DIC) и Интерферометрия электронных спекл-структур (ESPI). Среди этих методов ГПД и ФТ не подходят для комплексных измерений деформации, поскольку существуют многочисленные частоты. Метод DIC – это симНо бессильна от шума, потому что носитель деформации является случайным пятном. Наконец, ESPI сильно чувствителен к вибрации.
Среди методов муара в микро / наномасштабе наиболее распространенными методами в настоящее время являются методы сканирования микроскопа муара, такие как электронное сканирование муара 7 , 8 , 9 , лазерное сканирование муара 10 , 11 и атомно-силовой микроскоп (АСМ) муара 12 , А также некоторые муарные методы на микроскопе, такие как метод цифрового / перекрывающегося муара 13 , 14 , 15 и метод умножения / дробного муара 16 , 17 . Сканирующий муаровый метод имеет много преимуществ, таких как широкое поле зрения, высокое разрешениеИ нечувствительность к случайным шумам. Однако традиционный метод сканирующего муара неудобен для двумерных измерений деформации, поскольку необходимо поворачивать каскад образца или направление сканирования на 90 ° и дважды сканировать, чтобы сформировать муаровые полосы в двух направлениях 18 . Вращение и двойные процессы сканирования приводят к ошибке вращения и занимают много времени, что серьезно влияет на точность измерения 2D-деформации, особенно при деформации сдвига. Хотя временная фазовая методика 19 , 20 может улучшить точность измерения деформации, она требует времени и специального устройства фазового сдвига, непригодного для динамических испытаний.
Метод 21 , 22 выборки муара имеет высокую точность измерения смещения и в настоящее время в основном используется для измерения прогибов на мостах, когда автомобили pжопа. Чтобы расширить метод муара выборки для измерения двумерных деформаций в микро / наномасштабном масштабе, реконструированный муарный метод умножения был недавно разработан 23 из 2-пиксельных муаровых полос, в которых измерения в два раза чувствительнее и широкое поле зрения Метод сканирования moiré. Кроме того, метод пространственного сдвига фазового сдвига муара также разработан на основе мульти-пиксельных муаровых полос, что позволяет проводить высокоточные измерения деформации. Этот протокол представит подробную процедуру измерения деформации и, как ожидается, поможет исследователям и инженерам научиться измерять деформацию, улучшая производственные процессы материалов и изделий.
Protocol
Representative Results
Discussion
В описываемом способе одним из стимулирующих шагов является микро / наномасштабная сетка или решетка (сокращенно называемая сеткой) 26, если на образце не существует периодической картины. Шаг сетки должен быть однородным до деформации, поскольку он является важным параме?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана JSPS KAKENHI, грантовыми номерами JP16K17988 и JP16K05996, а также междисциплинарной стратегической программой продвижения инноваций, подраздел D66 «Инновационные измерения и анализ конструкционных материалов» (SIP-IMASM), управляемой кабинетом кабинета. Авторы также признательны докторам. Satoshi Kishimoto и Kimiyoshi Naito из NIMS за свой материал для углепластика.
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).
