Akustische Mikroskopie - Acoustic microscopy
Akustische Mikroskopie ist eine Mikroskopie , bei der sehr hoch- oder ultrahochfrequenter Ultraschall verwendet wird . Akustische Mikroskope arbeiten zerstörungsfrei und dringen in die meisten festen Materialien ein, um Bilder von inneren Merkmalen sichtbar zu machen , einschließlich Defekten wie Rissen, Delaminationen und Hohlräumen .
Geschichte
Der Begriff der akustischen Mikroskopie stammt aus dem Jahr 1936, als S. Ya. Sokolov schlug ein Gerät zur Erzeugung vergrößerter Strukturansichten mit 3-GHz-Schallwellen vor. Aufgrund der damaligen technologischen Einschränkungen konnte jedoch kein solches Instrument konstruiert werden, und erst 1959 führten Dunn und Fry die ersten akustischen Mikroskopieexperimente durch, wenn auch nicht bei sehr hohen Frequenzen.
Die wissenschaftliche Literatur zeigt nach den Dunn- und Fry-Experimenten bis etwa 1970, als zwei Aktivitätsgruppen entstanden, eine unter der Leitung von CF Quate (Stanford University) und die andere von A. Korpel und LW Kessler (Zenith Radio), nur sehr geringe Fortschritte in Richtung eines akustischen Mikroskops Forschungslabors). Die ersten Versuche, ein operatives akustisches Mikroskop zu entwickeln, konzentrierten sich auf hochfrequente Anpassungen niederfrequenter Ultraschallvisualisierungsmethoden. Ein frühes System verwendete die Bragg-Beugungsbildgebung , die auf einer direkten Wechselwirkung zwischen einem Schallwellenfeld und einem Laserlichtstrahl basiert. Ein weiteres Beispiel basierte auf Variationen der Pohlman-Zelle. Die ursprüngliche Vorrichtung basiert auf einer Suspension asymmetrischer Partikel in einer dünnen Flüssigkeitsschicht, die, wenn sie mit akustischer Energie beaufschlagt wird, visuelle Änderungen des Reflexionsvermögens erzeugt. Cunningham und Quate modifizierten dies, indem sie winzige Latexkugeln in einer Flüssigkeit suspendierten. Akustischer Druck verursachte Bevölkerungsverschiebungen, die visuell erkennbar waren. Kessler und Sawyer entwickelten eine Flüssigkristallzelle, mit der Schall durch hydrodynamische Ausrichtung der Flüssigkeit erfasst werden konnte. 1973 begann die Quate-Gruppe mit der Entwicklung eines Konzepts, bei dem das erste akustische Rastermikroskop (SAM) mit einem konfokalen Paar von 50-MHz-Ultraschalllinsen zum Fokussieren und Erfassen der Ultraschallenergie verwendet wurde. 1974 wurde dieses Konzept von RA Lemons und CF Quate am Microwave Laboratory der Stanford University umgesetzt . Die Fortschritte dieses Instruments, eines akustischen Rastermikroskops, haben mit der Erzielung einer sehr hohen Auflösung, neuartigen Bildgebungsmodi und Anwendungen zu tun. Das SAM wurde kommerziell von Leitz Corp. und Olympus Corp. eingeführt. 1970 begannen die Korpel- und Kessler-Gruppe, ein Rasterlaser-Detektionssystem für die akustische Mikroskopie zu verfolgen. 1974 wurde die Aktivität auf eine andere Organisation unter Kessler (Sonoscan Inc) verlagert, wo praktische Aspekte des Instruments entwickelt wurden. Dieses Instrument, das Rasterlaser-Akustikmikroskop (SLAM), wurde 1975 kommerziell verfügbar gemacht.
1980 wurde von Roman Maev und seinen Schülern in seinem Labor für biophysikalische Introskopie der Russischen Akademie der Wissenschaften der erste hochauflösende (mit einer Frequenz bis zu 500 MHz) Durchgangsübertragungsmodus SAM gebaut . Das erste kommerzielle SAM ELSAM mit einem breiten Frequenzbereich von 100 MHz bis zu ultrahohen 1,8 GHz wurde an der Ernst Leitz GmbH (Wetzlar, Deutschland) von der Gruppe unter der Leitung von Martin Hoppe und seinen Beratern Abdullah Atalar (Stanford Univ., USA) gebaut. Roman Maev ( Russische Akademie der Wissenschaften , Russland) und Andrew Briggs (Oxford Univ., Großbritannien)
Gleichzeitig schloss Kesslers Gruppe 1984 die Entwicklung des C-SAM-Konzeptinstruments ab, das sowohl im Reflexionsmodus als auch im Durchgangsmodus (nur) des SLAM betrieben wurde. Die Verwendung des gleichen Wandlers zum Pulsieren von Ultraschall und zum Empfangen der Rückechos bedeutete, dass das akustische Bild leicht auf eine interessierende Tiefe beschränkt werden konnte. Dieses Design war der Vorläufer im Wesentlichen aller heute verwendeten akustischen Mikroskope und war die Entwicklung, die zahlreiche spätere Fortschritte wie akustische Querschnittsbildgebung, dreidimensionale akustische Bildgebung und andere ermöglichte.
Seitdem wurden viele Verbesserungen an akustischen Mikroskopiesystemen vorgenommen, um die Auflösung, Bildqualität und Genauigkeit zu verbessern. Die meisten von ihnen wurden ausführlich in dem Buch Briggs, Andrew (1992) beschrieben. Fortgeschrittene in der akustischen Mikroskopie . Oxford University Press. ISBN 978-1-4615-1873-0 . , Maev, Roman (2008). Akustische Mikroskopie: Grundlagen und Anwendungen . Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40744-6 . sowie kürzlich in Maev, Roman (2013). Fortschritte in der akustischen Mikroskopie und der hochauflösenden Ultraschallbildgebung: Von Prinzipien zu neuen Anwendungen . Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-41056-9 . .
Arten von akustischen Mikroskopen
In dem halben Jahrhundert seit den ersten Experimenten, die direkt zur Entwicklung von Akustikmikroskopen führten, wurden mindestens drei Grundtypen von Akustikmikroskopen entwickelt. Dies sind die Abtastung akustisches Mikroskop (SAM), konfokalen Raster akustisches Mikroskop (CSAM) und C-Modus - Abtastung akustisches Mikroskop (CSAM).
In jüngerer Zeit haben akustische Mikroskope, die auf Pikosekunden-Ultraschallsystemen basieren , eine akustische Bildgebung in Zellen unter Verwendung suboptischer Wellenlängen demonstriert, die mit Ultraschallfrequenzen im Multi-GHz-Bereich arbeiten. Da die überwiegende Mehrheit der heute verwendeten akustischen Mikroskope Instrumente vom Typ C-SAM sind, wird diese Diskussion auf diese Instrumente beschränkt sein.
Verhalten von Ultraschall in Materialien
Ultraschall ist allgemein definiert als jeder Schall mit einer Frequenz über 20 kHz, was ungefähr der höchsten Frequenz entspricht, die vom menschlichen Ohr erfasst werden kann. Die akustischen Mikroskope emittieren jedoch Ultraschall im Bereich von 5 MHz bis über 400 MHz, so dass eine Auflösung der Mikrometergröße erreicht werden kann. Der Ultraschall, der eine Probe durchdringt, kann durch die inneren Merkmale oder das Material selbst gestreut, absorbiert oder reflektiert werden. Diese Aktionen sind analog zum Verhalten von Licht. Ultraschall, der von einem internen Merkmal reflektiert wird oder (in einigen Anwendungen) die gesamte Dicke der Probe durchlaufen hat, wird verwendet, um akustische Bilder zu erstellen.
Probentypen und Vorbereitung
Die Proben müssen vor der akustischen Bildgebung nicht speziell behandelt werden, sollten jedoch zumindest einer kurzen Einwirkung von Wasser oder einer anderen Flüssigkeit standhalten können, da Luft ein sehr schlechter Sender für hochfrequente akustische Energie vom Wandler ist. Die Probe kann vollständig in das Wasser eingetaucht oder mit einem schmalen Wasserstrahl gescannt werden. Alternativ können Alkohole und andere Flüssigkeiten verwendet werden, um die Probe nicht zu kontaminieren. Proben haben typischerweise mindestens eine flache Oberfläche, die gescannt werden kann, obwohl zylindrische und kugelförmige Proben auch mit den richtigen Vorrichtungen gescannt werden können. In den folgenden Absätzen ist das beschriebene Beispiel eine kunststoffgekapselte integrierte Schaltung.
Ultraschallfrequenzen
Die von den Wandlern akustischer Mikroskope in Proben gepulsten Ultraschallfrequenzen reichen von einem niedrigen Wert von 10 MHz (selten 5 MHz) bis zu einem hohen Wert von 400 MHz oder mehr. Über dieses Frequenzspektrum hinweg gibt es einen Kompromiss zwischen Penetration und Auflösung . Ultraschall bei niedrigen Frequenzen wie 10 MHz dringt tiefer in Materialien ein als Ultraschall bei höheren Frequenzen, aber die räumliche Auflösung des akustischen Bildes ist geringer. Andererseits dringt Ultraschall bei sehr hohen Frequenzen nicht tief ein, sondern liefert akustische Bilder mit sehr hoher Auflösung. Die Frequenz, die zur Abbildung einer bestimmten Probe gewählt wird, hängt von der Geometrie des Teils und den beteiligten Materialien ab.
Das akustische Bild des kunststoffgekapselten IC unten wurde unter Verwendung eines 30-MHz-Wandlers aufgenommen, da diese Frequenz einen guten Kompromiss zwischen Penetration und Bildauflösung darstellt.
Scanvorgang
Der Ultraschallwandler scannt die Oberseite der Probe. Pro Sekunde treten mehrere tausend Impulse in die Probe ein. Jeder Impuls kann beim Durchgang durch homogene Teile der Probe gestreut oder absorbiert werden. An Materialgrenzflächen wird ein Teil des Impulses zum Wandler zurückreflektiert, wo er empfangen und seine Amplitude aufgezeichnet wird.
Der Teil des Impulses, der reflektiert wird, wird durch die akustische Impedanz Z jedes Materials bestimmt, das sich an der Grenzfläche trifft. Die akustische Impedanz eines bestimmten Materials ist die Dichte des Materials multipliziert mit der Ultraschallgeschwindigkeit in diesem Material. Wenn ein Ultraschallimpuls auf eine Grenzfläche zwischen zwei Materialien trifft, wird der Grad der Ultraschallreflexion von dieser Grenzfläche durch diese Formel bestimmt:
wobei R der Reflexionsanteil ist und z 1 und z 2 die akustischen Impedanzen der beiden Materialien sind, analog zum Brechungsindex bei der Lichtausbreitung.
Wenn beide Materialien typische Feststoffe sind, ist der Reflexionsgrad moderat und ein erheblicher Teil des Impulses wandert tiefer in die Probe hinein, wo er teilweise durch tiefere Materialgrenzflächen reflektiert werden kann. Wenn eines der Materialien ein Gas wie Luft ist - wie im Fall von Delaminierungen, Rissen und Hohlräumen -, liegt der Reflexionsgrad an der Fest-Gas-Grenzfläche nahe 100%, und die Amplitude des reflektierten Impulses ist sehr hoch. und praktisch keiner der Impulse wandert tiefer in die Probe hinein.
Tor der Rückechos
Ein Ultraschallimpuls vom Wandler wandert Nanosekunden oder Mikrosekunden, um eine interne Grenzfläche zu erreichen, und wird zum Wandler zurückreflektiert. Wenn es mehrere interne Schnittstellen in unterschiedlichen Tiefen gibt, kommen die Echos zu unterschiedlichen Zeiten am Wandler an. Planare akustische Bilder verwenden nicht oft alle Rückechos aus allen Tiefen, um das sichtbare akustische Bild zu erzeugen. Stattdessen wird ein Zeitfenster erstellt, das nur die Rückechos aus der Tiefe des Interesses akzeptiert. Dieser Vorgang wird als "Gating" der Rückechos bezeichnet.
Schließlich wurde der kunststoffverkapselte IC umgedreht und von der Rückseite abgebildet. Die Rückechos wurden in der Tiefe eingestellt, in der die Rückseitenformverbindung mit der Rückseite des Matrizenpaddels in Verbindung steht. Die kleinen schwarzen Punkte im obigen akustischen Bild sind kleine Hohlräume (eingeschlossene Blasen) in der Formverbindung.
Andere Bildtypen
Die oben gezeigten akustischen Bilder sind alle planare Bilder, die so genannt werden, weil sie eine horizontale Ebene innerhalb der Probe sichtbar machen. Die in den Rückechosignalen empfangenen akustischen Daten können auch verwendet werden, um andere Arten von Bildern zu erzeugen, einschließlich dreidimensionaler Bilder, Querschnittsbilder und Durchlaufbilder.
Anwendungsbereich
Die mit akustischen Mikroskopen abgebildeten Proben sind typischerweise Anordnungen aus einem oder mehreren festen Materialien, die mindestens eine Oberfläche aufweisen, die entweder flach oder regelmäßig gekrümmt ist. Die interessierende Tiefe kann eine innere Bindung zwischen Materialien oder eine Tiefe beinhalten, bei der ein Defekt in einem homogenen Material auftreten kann. Zusätzlich können Proben ohne Bildgebung charakterisiert werden, um beispielsweise ihre akustische Impedanz zu bestimmen.
Aufgrund ihrer Fähigkeit, zerstörungsfreie Visualisierungsmerkmale zu finden, werden akustische Mikroskope häufig bei der Herstellung elektronischer Komponenten und Baugruppen zur Qualitätskontrolle, Zuverlässigkeit und Fehleranalyse eingesetzt. Normalerweise besteht das Interesse darin, interne Defekte wie Delaminationen, Risse und Hohlräume zu finden und zu analysieren, obwohl ein akustisches Mikroskop auch einfach verwendet werden kann, um (durch Materialcharakterisierung oder Bildgebung oder beides) zu überprüfen, ob ein bestimmtes Teil oder ein bestimmtes Material den Spezifikationen entspricht oder ist in einigen Fällen nicht gefälscht. Akustische Mikroskope werden auch verwendet, um Leiterplatten und andere Baugruppen abzubilden.
Darüber hinaus gibt es zahlreiche Anwendungen außerhalb der Elektronik. In vielen Branchen können Produkte, die Rohre, Keramikmaterialien, Verbundwerkstoffe oder verschiedene Arten von Klebeverbindungen umfassen, einschließlich Klebeschichten und verschiedener Schweißnähte, akustisch abgebildet werden.
Bei der Montage zahlreicher medizinischer Produkte werden mithilfe von Akustikmikroskopen interne Bindungen und Merkmale untersucht. Beispielsweise kann ein Polymerfilm abgebildet werden, um seine Bindung an eine Mehrkanal-Kunststoffplatte zu untersuchen, die bei der Blutanalyse verwendet wird. SAM kann Daten zur Elastizität von Zellen und sowohl von hartem als auch von weichem Gewebe liefern, die nützliche Informationen über die physikalischen Kräfte liefern können, die Strukturen in einer bestimmten Form halten, und über die Mechanik von Strukturen wie dem Zytoskelett . Diese Studien sind besonders wertvoll bei der Untersuchung von Prozessen wie der Zellmotilität .
Eine weitere vielversprechende Richtung wurde von verschiedenen Gruppen auf der Welt initiiert, um tragbare handgehaltene SAM für die 3D-Bildgebung und -Diagnostik von Weich- und Hartgewebe unter der Oberfläche zu entwerfen und zu bauen. Diese Richtung wird derzeit erfolgreich mit dem Ziel entwickelt, diese Methoden in die klinische und kosmetische Praxis umzusetzen trainieren.
Auch während des letzten Jahrzehnts wurde Interesse bekundet, akustische Mikroskopiemethoden für die nicht-invasive 3D-Inspektion der Farbschichten von gemalter Kunst und anderen Objekten des Kunst- und Kulturerbes anzuwenden.
Siehe auch
- Akustisches Interferometer
- Scannen der Nahfeld-Ultraschall-Holographie
- Ultraschallbiomikroskopie
- Kapazitiver mikrobearbeiteter Ultraschallwandler