Akustisk mikroskopi

Fig. 1: Akustisk bilde av en integrert krets med materiale som skreller innvendig (rød).

Den akustiske mikroskopien er en ikke-destruktiv , en avbildningsmetode , den ultralyd meget høye frekvensen som brukes til å generere bilder av innsiden av et objekt. Den laterale detaljoppløsningen oppnår den for et klassisk lysmikroskop , dybdeoppløsningen er mye bedre. Det kalles også ultralydsmikroskopi eller akustomikroskopi , ofte med tillegg av skanning (f.eks. Ved skanning av ultralydsmikroskopi) for å beskrive hvordan det fungerer. Det engelske ordet for akustisk mikroskopi er for det meste skanning av akustisk mikroskopi og er forkortet til (SAM) . Begrepet akustisk mikrobildebehandling eller forkortet AMI er også vanlig .

Den er egnet for å oppdage feil og analysere materialegenskaper eller endringer. Siden prosessen reagerer spesielt effektivt på grensesnitt mellom fast eller flytende materie og gass, brukes den ofte i elektronikk og halvlederteknologi for feilanalyse (se figur 1) for å finne løsrivelser, sprekker og hulrom. Men akustisk mikroskopi brukes også i materialvitenskap for å undersøke metallkonstruksjoner eller keramikk. I biologisk og medisinsk forskning kan levende celler undersøkes uten innstøping, tørking eller flekker.

Ultralyd

Fig. 2: Akustisk frekvensspektrum

I fysiske termer er lyd forplantning av trykk- og tetthetssvingninger i et medium. I homogene medier forplantes lyd rett frem og kan bæres linser i fokus . I frekvensområdet mellom 20  Hz og 20 kHz snakker man om hørbar lyd og dermed om forskjellige høye toner (se fig. 2). Ultralydområdet ligger over dette . Kjente applikasjonseksempler er z. B. Ultralydrensebad (frekvens 10–30 kHz) eller sonografi ved medisinske undersøkelser (frekvensområde 1–40 MHz). Akustisk mikroskopi bruker frekvenser i gigahertz-området. Den oppnåelige oppløsningen øker med frekvensen, men også dempningen : Mens infralyd sprer seg over tusenvis av kilometer i atmosfæren, må gasser over en frekvens på 10 MHz komprimeres kraftig for å kunne overføre lyd. I GHz-området faller rekkevidden til godt under en millimeter, selv i kondensert materiale . Ved de høyeste frekvensene er dempningen av lydbølger i væsker nesten like høy som for skjærbølger , som bare kan forplante seg i faste stoffer ved lave frekvenser.

Struktur og funksjonalitet til et ultralydsmikroskop

Det akustiske mikroskopet bruker muligheten for forplantning av ultralyd i en solid kropp. For dette formålet sendes en kort ultralydspuls inn i prøven, og interaksjonen ved grensesnitt mellom forskjellige materialer (f.eks. Inneslutninger eller mangler) blir undersøkt. Ultralydsignalet kan reflekteres, spres eller absorberes inne i prøven.

Fig. 3: Hvordan et akustisk mikroskop fungerer

Signalgenerering og fokusering

Korte elektriske høyfrekvente signaler genereres av en sender og sendes videre til lydomformeren (svinger). Lydgiveren er en piezoelektrisk krystall og består av forskjellige materialer avhengig av frekvensområdet som brukes. Transduseren bruker de korte elektriske signalene til senderen til å generere korte pulser med en varighet på 20 til 100  ns (nanosekunder) fra høyfrekvente ultralydbølger og videresender dem til den akustiske linsen som er direkte koblet til ultralydtransduseren. Flere tusen lydimpulser sendes ut per sekund.

Bunnen av linsen er konkav for å fokusere ultralydbølgene , hvor krumningsradien kan være fra mindre enn 100 µm til noen få millimeter, avhengig av frekvensen som brukes. Et koblingsmedium (vanligvis vann) overfører ultralydbølgene til objektet som skal avbildes. Bølgene reflekteres på overflaten og på interne grensesnitt (se avsnitt Typer av interaksjon i prøven ). Den samme ultralydtransduseren konverterer de reflekterte akustiske bølgene tilbake til elektriske signaler, som evalueres av mottakeren på en tidsoppløst måte.

Hvis ultralydhodet skannes linje for linje over prøven med en XY-skanner, oppnås informasjon om de forskjellige prøveområdene etter hverandre og et bilde kan beregnes ut fra dette. Dette vises ofte som et gråtoneskala eller falskt fargebilde (fig. 1).

Typer av interaksjon i utvalget

Hvis ultralydssignalet treffer et grensesnitt mellom to forskjellige materialer, reflekteres en del av ultralydssignalet, mens resten slippes gjennom (figur 4a). I tilfelle et hulrom kan ikke ultralydbølgene forplante seg lenger i den opprinnelige retningen. Det er en total refleksjon av signalet (fig. 4b). Strukturer under hulrommet er ikke nådd og kan derfor ikke analyseres. Hvis grenseoverflaten (f.eks. En sprekk) vippes til retning av signalutbredelse, reflekteres det reflekterte signalet tilbake i en annen retning (figur 4c). Avhengig av overflatens helling, kan det reflekterte signalet ikke lenger tas opp av detektoren. Hvis lyden treffer fine strukturer sammenlignet med bølgelengden som brukes, er lyden spredt i alle retninger, og dens intensitet blir dermed sterkt svekket (figur 4d).

• 

  Fig. 4a: Interaksjon av ultralyd ved et grensesnitt

• 

  Fig. 4b: Total refleksjon av ultralyd i et hulrom

• 

  Fig. 4c: Total refleksjon av ultralyd på en skrå sprekk

• 

  Fig. 4d: Spredning av ultralydssignalet på veldig fine strukturer

Målesignalet

Fig. 5a: Utvikling av målesignalet i akustisk mikroskopi (uten feil).

Fig. 5b: Opphavet til målesignalet i akustisk mikroskopi (med defekt).

Målesignalet inneholder informasjon om transittid , amplitude og polaritet (tegn) til den reflekterte lydbølgen. For evaluering er amplituden til signalet tegnet som en funksjon av tiden.

Det første signalet i tide kommer fra refleksjonen av lyden på prøveoverflaten (rødt signal i figur 5a). Uten ekstra inhomogeniteter i prøven reflekteres lydsignalet bare igjen på undersiden av prøven (grønt signal i fig. 5a). Hvis lydhastigheten er kjent, gir forskjellen i transittid mellom de to signalene fra toppen og bunnen av prøven informasjon om tykkelsen på prøven. Hvis det er en feil i prøven, reflekteres lyden ved hvert grensesnitt mellom to materialer (fig. 5b). Dette er også tydelig i målesignalet (blått signal i figur 5b). I det viste tilfellet reflekteres det på toppen og bunnen av feilen. Posisjonen (dybden) til et grensesnitt eller en defekt kan i sin tur bestemmes på grunnlag av transittiden.

Amplituden (signalets styrke) gir informasjon om materialegenskapene til materialene som er involvert i grensesnittet (se også avsnitt Teori om lydutbredelse i en prøve ). Større forskjeller i akustisk impedans gir også en sterkere refleksjon og dermed en større amplitude av det reflekterte signalet.

Hvis lyden passerer gjennom et grensesnitt fra et medium med lavere tetthet til et tettere medium, tilsvarer signalets form det opprinnelig sendte signalet (rødt signal i fig. 5a og 5b). Når du bytter fra et materiale med høyere tetthet til et materiale med lavere tetthet, er det imidlertid en endring i polaritet, dvs. H. signalet forandrer seg (grønt signal på undersiden av prøven i fig. 5a eller 5b). I tilfelle en inkludering er det vanligvis to signaler med ulik polaritet (blått signal i figur 5b), som hver kommer fra toppen og bunnen av defekten.

Driftsmodus

I akustisk mikroskopi skilles det mellom forskjellige driftsmåter. De viktigste driftsmåtene er:

• A-modus: Representasjon av signalamplituden som en funksjon av tiden
• B-modus: akustisk dybdeprofil (vertikalt snitt)
• C-Mode: Horisontalt akustisk tverrsnitt
• T-modus: akustisk overføringsbilde
• ToF-modus: Flytid, representasjon av et høyde / dybdebilde

A-modus

I A-modus (A = amplitude) beveges ikke svingeren. Informasjon oppnås således for posisjonen under svingeren. I A-modus oppnås ingen bilder, men en signalvisning som beskrevet i forrige avsnitt Målesignalet (fig. 5a / b).

Akustisk dybdeprofil (B-modus)

Når du bruker B-modus (B = lysstyrke), flyttes svingeren langs en linje over prøven. Ved hvert punkt på denne linjen blir et tidsoppløst målesignal registrert etter hverandre, som beskrevet ovenfor. Styrken til signalet (amplitude) tildeles deretter forskjellige grå nivåer. Et bilde der målehodets posisjon er tegnet til høyre og transittiden (dybden) nedover tilsvarer et vertikalt snittbilde eller dybdeprofil gjennom komponenten. Denne typen bildegenerering er for eksempel egnet for å vise tilting av komponenter.

Siden signalet som brukes til etterforskningen inneholder 1,5 til 3 perioder, er det alltid flere linjer som følger hverandre i det vertikale snittbildet per grensesnitt.

Akustisk (horisontalt) tverrsnitt (C-modus)

Fig. 6a: Tverrsnitt gjennom en elektronisk komponent

Fig. 6b: akustisk bilde av overflaten til IC

Figur 6c: akustisk bilde med materialavløsning (rød)

Ved avbildning i C-modus blir transduseren skannet over prøveoverflaten med en xy-skanner. Et tidsoppløst målesignal blir registrert for hvert målepunkt. En gate er satt i dette signalet. Bare informasjon med transittider i dette vinduet brukes til illustrasjonen (horisontalt snittbilde). Avhengig av posisjonen til vinduet, kan forskjellige dybdeområder for prøven avbildes.

Den enkleste måten å forklare dette på er med et eksempel på en elektronisk komponent. Fig. 6a viser et skjematisk tverrsnitt gjennom en integrert krets (IC). Hvis et vindu brukes til bildet som bare inneholder signalene som kommer fra overflaten til komponenten (røde signaler i fig. 5a / 5b), får du et akustisk bilde av overflaten til IC (fig. 6b). Dette bildet tilsvarer stort sett det visuelle inntrykket av komponenten. De store sirkulære fordypningene i overflaten av potteforbindelsen kan sees. De tre mindre hvite strukturer i den øvre delen av bildet er forårsaket av hulrom (gassbobler fanget i potteforbindelsen) rett under overflaten.

Hvis du flytter vinduet til et annet transitt-tidsområde for målesignalet (f.eks. Rundt det blå signalet i fig. 5b), genereres et snittbilde på en annen dybde av komponenten. I fig. 6c ble det brukt en falsk fargekoding av maksimal signalstyrke for dette. Oppgaven kan sees i skalaen til venstre på bildet. Grensesnittet mellom potteforbindelsen og silisiumflisoverflaten (1) ser lyst ut på grunn av den relativt høye signalrefleksjonen. Det samme gjelder grensesnittet til bunnplaten (2) og de fingerlignende ledningene (4). Siden ledningene (4) er laget av kobber, virker de litt lettere på bildet enn grensesnittet til silisiumet. De røde områdene i bildet (3) tilsvarer også en høy reflektert signalstyrke, men med et negativt tegn på signalet. Dette tilsvarer en total refleksjon ved et grensesnitt med et hulrom (materialavløsning).

De tre mørke flekkene i den øvre delen av bildet i fig. 6c er forårsaket av skyggelegging av signalet. Disse er forårsaket av en total refleksjon av signalet ved de tre små hulrommene under overflaten (se fig. 6b). De underliggende strukturene kan ikke lenger undersøkes. Også i hjørnene kan det sees at inhomogeniteter arrangert over undersøkelsesplanet (f.eks. Fordypningene i overflaten av potteforbindelsen) kan forstyrre bildet.

Andre typer bilder

I tillegg til funksjonstypene som er oppført ovenfor, kan hele tredimensjonale datasett også lagres og vurderes tomografisk. Med noen akustiske mikroskoper er det også mulig å plassere en andre svinger under prøven og flytte den parallelt med den øvre svingeren. Det resulterende overføringsbildet (T-modus) viser absorpsjon eller skyggelegging av lydbølgene i prøven. I enkle tilfeller representerer det et negativt bilde av refleksjonsbildet.

Øvelseskrav og forberedelse

Prøver krever ingen spesiell forbehandling før undersøkelse, men de bør i det minste overleve en kort behandling med vann eller annen væske uten endring. Væsken er nødvendig for å koble den akustiske energien, siden luft er en veldig dårlig lydsender med høye frekvenser. Prøven kan senkes helt ned i vann under målingen eller skannes med en smal vannstråle. Alternativt kan alkoholer eller andre væsker brukes for ikke å endre prøven.

Prøvene har vanligvis minst en flat overflate som skannes. Det må ikke være sprekker eller hulrom over planet som skal undersøkes, da disse fører til en skyggelegging av signalet. Inhomogeniteter som B. fyllstoffer eller en overflateruhet som er i størrelsesorden av bølgelengden som brukes, kan føre til spredning av signalet og dermed til problemer i tolkningen av resultatene.

applikasjoner

På grunn av muligheten for ikke-destruktiv undersøkelse og visuell fremstilling av interne strukturer, brukes det akustiske mikroskopet i halvlederindustrien for kvalitetskontroll og feilanalyse. Det brukes ofte til å analysere feil (f.eks. Løsrivelser, sprekker og hulrom), selv om et akustisk mikroskop også kan brukes til å kontrollere plasseringen og plasseringen av komponentene som brukes i en elektronisk komponent. Det brukes også til å skildre kretskort og andre enheter.

Innen materialvitenskapelige felt tillater akustiske bilder at den mikroskopiske strukturen til metaller vises, eller at keramikk kontrolleres for hulrom eller mikrosprekker.

Utenom tekniske applikasjoner er det andre bruksområder innen medisin. En stor bekymring for osteologisk forskning er vurderingen av beinvev, spesielt nydannede bein. Mikroskopiske strukturelle egenskaper, oppnådd ved hjelp av akustisk mikroskopi, bestemmer beinets mekanikk.

Mange levende cellestrukturer har dimensjoner i mikrometerområdet. Små strukturelle elementer skiller seg ofte sterkt ut i elastiske egenskaper. Siden prøvene er innebygd i vann og ikke trenger å tørkes, farges eller utsettes for vakuum, er undersøkelsen av levende materiale mulig.

Sammenligning av akustisk mikroskopi og sonografi

Selv om begge metodene bruker ultralyd for bildebehandling, er det klare forskjeller. En forskjell er absolutt frekvensen og dermed oppnåelig oppløsning, som er betydelig høyere med ultralydsmikroskopet. Samtidig tillater den høye frekvensen bare undersøkelse av strukturer veldig nær overflaten, noe som på ingen måte vil være tilstrekkelig for medisinsk sonografi .

En annen stor forskjell er typen screening. Mens transduseren beveges mekanisk over prøven i akustisk mikroskopi, brukes sektorskannere eller trinnvise matriser i sonografi, hvor ultralydet svinges elektronisk i forskjellige retninger av en fast svinger. I sonografi er et akustisk snitt typisk i dybden, mens akustisk mikroskopi skaper horisontale kutt.

Imidlertid er det også klare forskjeller på grunn av materialene som er undersøkt. Siden den biologiske kroppen selv i stor grad består av vann, er koblingen av ultralyd mye lettere her enn med tekniske faste stoffer. I tillegg, med hver lydrefleksjon i faste stoffer, oppstår moduskonvertering av signalet (f.eks. Langsgående til tverrgående ), som ikke forekommer i mykt materiale.

Teori om lydutbredelse i et utvalg

Akustisk impedans ${\ displaystyle Z_ {F}}$

materiale	10 6  kg / (m 2 s)
luft	0,00
Vann (20 ° C)	1.48
Epoksyharpiks	3.12
Harpiks for IC-er	6,76
Glass	15.04
aluminium	16.90
silisium	20.04
Al 2 O 3	39,56
kobber	41,83
gull	62,53

Akustisk impedans er en viktig parameter for å beskrive lydutbredelsen . Den er definert ved formelen , der svarer til den tettheten av materialet og den lydhastigheten i dette materialet. Hvis lydbølger forplanter seg fra ett materiale med den akustiske impedansen til et annet materiale med den akustiske impedansen , reflekteres en del av signalet ved grensesnittet. Andelen av den reflekterte strålingen eller den overførte strålingen beregnes ved hjelp av følgende formler ${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle Z_ {F} = \ rho \ cdot v}$${\ displaystyle \ rho}$${\ displaystyle v}$${\ displaystyle Z_ {1}}$${\ displaystyle Z_ {2}}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle T}$

${\ displaystyle R = {\ frac {Z_ {2} -Z_ {1}} {Z_ {1} + Z_ {2}}} \ qquad {\ text {or}} \ qquad T = {\ frac {2Z_ { 2}} {Z_ {1} + Z_ {2}}}.}$

Dette betyr at en refleksjon alltid oppstår når den akustiske impedansen til to materialer er forskjellig ved et grensesnitt. Jo større forskjell i den akustiske impedansen til de to involverte materialene, jo sterkere blir refleksjonen. Lyd er spesielt godt egnet til å oppdage sprekker, løsrivelser og hulrom, siden overgangen mellom et materiale og en gass (akustisk impedans ) fører til total refleksjon. ${\ displaystyle Z_ {2} = 0}$

Hvis lyden går fra et tettere medium til et medium med lavere akustisk impedans, er det også en refleksjon ved grensesnittet. Siden det er i dette tilfellet , blir variabelen negativ, som endrer polariteten til bølgen (negativt signal). ${\ displaystyle Z_ {1}> Z_ {2}}$${\ displaystyle R}$

weblenker

• Grunnleggende om akustisk mikroskopi. Sonoscan, åpnet 13. september 2009 (engelsk, produsentens metodebeskrivelse). 
• SAM arbeidsprinsipp. KSI Kraemer Sonic Industries, åpnet 22. januar 2014 (metodebeskrivelse fra en produsent). 
• Hvordan et ultralydsskannemikroskop fungerer. PVA TePla Analytical Systems GmbH, åpnet 16. januar 2016 (metodebeskrivelsefraen produsent). 
• Thomas Rapp: Ultralydsmikroskop. I: ELO Magasinet. Hentet 13. september 2009 (Hvordan lage et enkelt ultralydsmikroskop (del 1)). 
• Thomas Rapp: xy-skanner. I: ELO Magasinet. Hentet 13. september 2009 (Hvordan lage et enkelt ultralydsmikroskop (del 2)). 
• Introduksjon til akustisk mikroskopi ved universitetet i Leipzig.
• Driftsmåter for akustisk mikroskopi. Institutt for akustisk mikroskopi Dr. Krämer GmbH, åpnet 30. november 2009 (driftsmodus / skannemodus og deres applikasjoner). 

Individuelle bevis

1. ↑ Ursula Christine Winkler-Budenhofer, Scanning Acoustic Microscopy for the Assessment of Newly Formed Bones (PDF; 3.2 MB), avhandling om tilegnelse av doktorgrad i medisin, Universitetet i München, 2007
2. ↑ ^{a b c} Volker Deutsch, Michael Platte, Manfred Vogt: Ultrasonic testing: Basics and industrial applications, Verlag Springer, 1997, ISBN 3-540-62072-9 , side 146, (forhåndsvisning av google-bøker )