روش سنجش تغییر شکل سه بعدی جدید در میکروسکوپ نوری برای آزمون بالج میکرومقیاس
چکیده
در این مقاله، روش سنجش تغییرشکل سه بعدی میکرومقیاس در ترکیب با میکروسکوپ نوری پیشنهاد می‌شود. این روش مبتنی بر گریتینگ (توری) و الگوریتم تغییر فاز است. میدان تغییرشکل سه بعدی نمونه را می‌توان از فازهای الگوهای گریتینگ با ثبت تصاویر گریتینگِ قبل و بعد از تغییرشکل از دو زاویه متقارن و محاسبه فازهای الگوهای گریتینگ، استخراج کرد. روش پیشنهادی در آزمون بالج با مقیاس میکرو به کار رفت. دستگاه آزمون بالج با اتصال حرارتی/مکانیکی میکرومقیاس همراه با میکروسکوپ با عمق زیاد استفاده شد. با استفاده از گریتینگ های ساخته شده در فیلم، مورفولوژی تغییرشکل یافته فیلم بالج شده با اطمینان اندازه-گیری شد. نتایج آزمایشی نشان می‌دهند که روش پیشنهادی و دستگاه آزمون بالج به کار رفته را می‌توان با موفقیت برای مشخص کردن ویژگی های حرارتی/مکانیکی فیلم ها میکرومقیاس استفاده کرد.
1. مقدمه
با افزایش کاربرد فیلم های نازک در بیشتر بخشها، مشخص کردن ویژگی مکانیکی فیلم های نازک ضروری است. روش های کاربردی عادی، مانند روش انحنای ویفر مبتنی بر فرمول استونی و روش نانو فروروی، برای مشخص کردن ویژگی های مکانیکی فیلم های نازک به کار رفته اند. اگرچه اجرای روش انحنای ویفر ساده است و برای سنجش تنش باقیمانده فیلم ها به کار می‌رود، ولی استخراج سایر ویژگی های فیلم سخت است. آزمون نانو فروروی را می‌توان برای مشخص کردن ویژگی های الاستیک-پلاستیک فیلم به کار برد، ولی اثرات زیرلایه ها را نمی‌توان حذف کرد. بنابراین این روشها، محدودیت هایی برای مشخص کردن ویژگی های مکانیکی فیلم های نازک دارند.
برای مشخص کردن ویژگی های مکانیکی فیلم های خودایستا، آزمون کشش میکروسکوپی و آزمون بالج ایجاد شدند. آزمون کشش میکروسکوپی می‌تواند ویژگی های درونی فیلم ها را به صورت مستقیم و رفتارهای ساختاری را با افزایش بار کاربردی، اندازه گیری کند.
5. نتیجه گیری
روش سنجش تغییرشکل سه بعدی میکرومقیاس مبتنی بر گریتینگ ها و میکروسکوپ نوری پیشنهاد شد و در آزمون بالج به کار رفت تا ویژگی های مکانیکی فیلم های نازک مشخص شود. دستگاه آزمون بالج میکرومقیاس به کار رفت. محیط اتصال حرارتی/مکانیکی در این دستگاه آزمون بالج استفاده شد.
منبع خطا و دقت سنجش روش پیشنهادی، آنالیز و برآورد می‌شود. دقت جابه جایی خارج از صفحه برای آزمایش انجام شده در این مقاله با روش پیشنهادی، μm0.18 است. نتیجه گیری شد که دقت این روش وابسته به فرکانس گریتینگ است. این یعنی دقت سنجش با افزایش فرکانس گریتینگ در میدان تغییرشکل یکسان، افزایش می‌یابد.
با روش سنجش تغییرشکل سه بعدی پیشنهادی، انحراف بالج غشا به دست آمد. در ترکیب با نظریه آزمون بالج، ویژگی مکانیکی فیلم ارزیابی شد. فیلم های پلی ایمید در دمای اتاق (25 درجه سانتیگراد) و 150 درجه سانتیگراد آزمایش شد. نتایج آزمایشی نشان داد که ضرایب الاستیک فیلم های پلی ایمید در 150 درجه سانتیگراد در مقایسه با دمای اتاق، 27 درصد کاهش یافت.
نتایج آزمایشی نشان داد که روش پیشنهادی برای سنجش انحراف بالج میکرومقیاس مناسب است. توصیه می‌شود که این روش در سنجش تغییرشکل سه بعدی میکرومقیاس در سایر زمینه ها نیز امیدوارکننده باشد.
Abstract
A micro-scale 3D deformation measurement method combined with optical microscope is proposed in this paper. The method is based on gratings and phase shifting algorithm. By recording the grating images before and after deformation from two symmetrical angles and calculating the phases of the grating patterns, the 3D deformation field of the specimen can be extracted from the phases of the grating patterns. The proposed method was applied to the micro-scale bulge test. A micro-scale thermal/mechanical coupling bulge-test apparatus matched with the super-depth microscope was exploited. With the gratings fabricated onto the film, the deformed morphology of the bulged film was measured reliably. The experimental results show that the proposed method and the exploited bulge-test apparatus can be used to characterize the thermal/mechanical properties of the films at micro-scale successfully.
1. Introduction
With increasing applications of thin films in many areas [1–4], the mechanical property characterization of thin films is crucial. Conventional applied methods, such as the wafer curvature method based on the Stoney’s formula and the nano-indentation method [5,6], have been applied to characterize the mechanical properties of the thin films. Although the wafer curvature method is easy to implement and applied to measure the residual stress of the films, it’s hard to extract other properties of the films. The nano-indentation test can be used to characterize the elastic-plastic properties of the film, but influences of substrates can’t be eliminated. So the above mentioned methods have limitations for the mechanical properties characterization of thin films.
To characterize the mechanical properties of free-standing films, micro-tensile test and bulge-test were developed. The micro-tensile test can measure the intrinsic properties of the films directly and constitutive behaviors with the increasing load applied [7].
5. Conclusions
A micro-scale 3D deformation measurement method based on gratings and the optical microscope is proposed and applied to the bulge-test to characterize the mechanical properties of the thin films. A microscale bulge-test apparatus was exploited. Thermal/mechanical coupling circumstance was incorporated in this bulge-test apparatus.
The error source and measurement accuracy of the proposed method is analyzed and estimated. The out-of-plane displacement accuracy is about 0.18 μm for the experiment conducted in this paper by the proposed method. It has been concluded that the accuracy of this method primarily depends on the grating frequency. It means the measurement accuracy increases with the increase of the grating frequency at the same deformation field.
With the proposed 3D deformation measurement method, the membrane bulge deflection was obtained. Combined with the bulge-test theory, the mechanical property of the film was evaluated. The polyimide films were tested at room temperature (25 °C) and 150 °C respectively.
The experimental results indicate that the elastic modulus of the polyimide films was reduced 27% at 150 °C compared with that at room temperature. The experimental results indicate that the proposed method is feasible for the bulge deflection measurement at micro-scale. It is also suggested that the method is promising in micro-scale 3D deformation measurement in other fields.
(جهت بزرگ نمایی روی عکس کلیک نمایید)
چکیده
1. مقدمه
2. پیش زمینه نظری
2.1 اصول اساسی
2.2 آنالیز دقت
3. توصیف روش
3.1 روش سنجش سه بعدی برای آزمون بالج
3.2 دستگاه
3.3 آماده سازی نمونه
3.4 آزمایش آزمون بالج
4. نتایج و بحث
5. نتیجه گیری
Abstract
1. Introduction
2. Theoretical background
2.1. Basic principles
2.2. Accuracy analysis
3. Method description
3.1. The 3D measurement method for bulge-test
3.2. Apparatus
3.3. Sample preparation
3.4. Bulge-test experiment
4. Results and discussions
5. Conclusions
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه