Акустическая микроскопия – это микроскопия , в которой используется ультразвук очень высокой или сверхвысокой частоты . Акустические микроскопы работают неразрушающе и проникают в большинство твердых материалов, делая видимыми изображения внутренних особенностей, включая такие дефекты, как трещины, расслоения и пустоты .
Представление об акустической микроскопии восходит к 1936 г., когда С.Я. Соколов [1] предложил устройство для получения увеличенных изображений конструкций с помощью звуковых волн частотой 3 ГГц. Однако из-за технологических ограничений того времени создать такой прибор не удалось, и только в 1959 году Данн и Фрай [2] провели первые эксперименты по акустической микроскопии, хотя и не на очень высоких частотах.
Научная литература показывает очень незначительный прогресс в создании акустического микроскопа после экспериментов Данна и Фрая примерно до 1970 года, когда возникли две группы исследователей, одну возглавлял К. Ф. Куэйт (Стэнфордский университет), а другую — А. Корпель и Л. В. Кесслер (Zenith Radio). исследовательские лаборатории). Первые усилия по разработке оперативного акустического микроскопа были сосредоточены на высокочастотной адаптации методов низкочастотной ультразвуковой визуализации. Одна из ранних систем использовала дифракционное изображение по Брэггу [3] , которое основано на прямом взаимодействии между полем акустической волны и лучом лазерного света. Другой пример был основан на вариациях ячейки Полмана. [4] Оригинальное устройство основано на суспензии асимметричных частиц в тонком слое жидкости, которые под воздействием акустической энергии вызывают визуальные изменения отражательной способности. Каннингем и Квейт [5] модифицировали это, подвешивая крошечные латексные сферы в жидкости. Акустическое давление вызвало изменения численности населения, которые можно было обнаружить визуально. Кесслер и Сойер [6] разработали жидкокристаллическую ячейку, которая позволяла обнаруживать звук посредством гидродинамической ориентации жидкости. В 1973 году группа Quate начала разработку концепции [7] , в которой использовался первый сканирующий акустический микроскоп (SAM) с конфокальной парой ультразвуковых линз с частотой 50 МГц для фокусировки и обнаружения ультразвуковой энергии. В 1974 году эту концепцию реализовали Р. А. Лемонс и К. Ф. Куэйт в микроволновой лаборатории Стэнфордского университета . Достижения этого инструмента, сканирующего акустического микроскопа, связаны с достижением очень высокого разрешения, новыми режимами визуализации и применениями. SAM был коммерчески представлен компаниями Leitz Corp и Olympus Corp. В 1970 году группа Корпеля и Кесслера начала разработку сканирующей лазерной системы обнаружения для акустической микроскопии. [8] В 1974 году деятельность была передана другой организации под руководством Кесслера (Sonoscan Inc), где были разработаны практические аспекты инструмента. Этот прибор, сканирующий лазерно-акустический микроскоп (SLAM), стал коммерчески доступным в 1975 году. [9]
В 1980 году Романом Маевым и его учениками в его Лаборатории биофизической интроскопии РАН была построена первая ЗУР сквозного режима высокого разрешения (с частотой до 500 МГц) . [10] Первый коммерческий ЗРК ELSAM с широким диапазоном частот от 100 МГц до сверхвысоких 1,8 ГГц был построен на фирме Ernst Leitz GmbH (Вецлар, Германия) группой под руководством Мартина Хоппе и его консультантов Абдуллы Аталара (Стэнфордский университет, г. США), Роман Маев ( РАН , Россия).
В то же время в 1984 году группа Кесслера завершила разработку концептуального прибора C-SAM [11] , который работал в режиме отражения, а также в режиме сквозной передачи (только) SLAM. Использование одного и того же преобразователя для подачи ультразвука и приема отраженного эха означало, что акустическое изображение можно было легко ограничить до интересующей глубины. Эта конструкция была предшественником практически всех акустических микроскопов, используемых сегодня, и стала разработкой, которая сделала возможными многочисленные последующие достижения, такие как акустическая визуализация поперечного сечения, трехмерная акустическая визуализация и другие.
С тех пор в системы акустической микроскопии было внесено множество усовершенствований, направленных на повышение разрешения, качества изображения и точности. [12] [13] [14]
За полвека, прошедшие со времени первых экспериментов, непосредственно приведших к созданию акустических микроскопов, были разработаны по крайней мере три основных типа акустических микроскопов. Это сканирующий акустический микроскоп (SAM), конфокальный сканирующий акустический микроскоп (CSAM) и сканирующий акустический микроскоп C-режима (C-SAM). [15]
Совсем недавно акустические микроскопы, основанные на пикосекундных ультразвуковых системах, продемонстрировали акустическую визуализацию в клетках с использованием субоптических длин волн, работающих с ультразвуковыми частотами в несколько ГГц. Поскольку подавляющее большинство используемых сегодня акустических микроскопов представляют собой инструменты типа C-SAM, это обсуждение будет ограничено этими инструментами. [16]
Ультразвук в широком смысле определяется как любой звук с частотой выше 20 кГц, что примерно соответствует самой высокой частоте, которую может обнаружить человеческое ухо. Однако акустические микроскопы излучают ультразвук в диапазоне частот от 5 МГц до более 400 МГц, поэтому можно достичь разрешения микрометрового размера. Ультразвук, проникающий в образец, может рассеиваться, поглощаться или отражаться внутренними элементами или самим материалом. Эти действия аналогичны поведению света. Ультразвук, отраженный от внутренних элементов или (в некоторых случаях) прошедший через всю толщину образца, используется для создания акустических изображений.
Образцы не требуют специальной обработки перед акустической визуализацией, но они должны выдерживать хотя бы кратковременное воздействие воды или другой жидкости, поскольку воздух является очень плохим передатчиком высокочастотной акустической энергии от преобразователя. Образец можно полностью погрузить в воду или сканировать узкой струей воды. Альтернативно можно использовать спирты и другие жидкости, чтобы не загрязнять образец. Образцы обычно имеют по крайней мере одну плоскую поверхность, которую можно сканировать, хотя цилиндрические и сферические образцы также можно сканировать с помощью соответствующих приспособлений. В следующих параграфах описываемый образец представляет собой интегральную схему в пластиковом корпусе.
Ультразвуковые частоты, передаваемые в образцы преобразователями акустических микроскопов, варьируются от низких 10 МГц (реже 5 МГц) до высоких 400 МГц и более. В этом спектре частот существует компромисс между проникновением и разрешением . Ультразвук на низких частотах, например 10 МГц, проникает глубже в материалы, чем ультразвук на более высоких частотах, но пространственное разрешение акустического изображения меньше. С другой стороны, ультразвук на очень высоких частотах не проникает глубоко, но обеспечивает акустическое изображение очень высокого разрешения. Частота, выбранная для изображения конкретного образца, будет зависеть от геометрии детали и используемых материалов.
Акустическое изображение микросхемы в пластиковой капсуле, представленной ниже, было получено с использованием преобразователя с частотой 30 МГц, поскольку эта частота обеспечивает хороший компромисс между проникновением и разрешением изображения.
Ультразвуковой преобразователь растрово сканирует верхнюю поверхность образца. Каждую секунду в образец поступает несколько тысяч импульсов. Каждый импульс может рассеиваться или поглощаться при прохождении через однородные части образца. На границах раздела материалов часть импульса отражается обратно к преобразователю, где он принимается и регистрируется его амплитуда.
Часть отраженного импульса определяется акустическим сопротивлением Z каждого материала, встречающегося на границе раздела. Акустический импеданс данного материала — это плотность материала, умноженная на скорость ультразвука в этом материале. Когда ультразвуковой импульс сталкивается с границей раздела двух материалов, степень отражения ультразвука от этой границы определяется следующей формулой:
где R — доля отражения, а z 1 и z 2 — акустические импедансы двух материалов, аналогичные показателю преломления при распространении света.
Если оба материала являются типичными твердыми телами, степень отражения будет умеренной, и значительная часть импульса пройдет глубже в образец, где он может частично отражаться от более глубоких границ раздела материалов. Если одним из материалов является газ, например воздух – как в случае с расслоениями, трещинами и пустотами – степень отражения на границе раздела твердое тело-газ близка к 100%, амплитуда отраженного импульса очень высока. и практически ни один импульс не проникает глубже в образец.
Ультразвуковой импульс от датчика проходит наносекунды или микросекунды, достигает внутреннего интерфейса и отражается обратно к датчику. Если имеется несколько внутренних интерфейсов на разной глубине, эхо-сигналы достигают преобразователя в разное время. Плоские акустические изображения не часто используют все отраженные эхо-сигналы со всех глубин для создания видимого акустического изображения. Вместо этого создается временное окно, которое принимает только те обратные отражения из глубины интереса. Этот процесс известен как «контролирование» обратных эхо-сигналов.
Наконец, микросхему в пластиковой капсуле перевернули и отобразили с обратной стороны. Обратные эхо-сигналы фиксировались на глубине, где задняя сторона пресс-формы соприкасается с задней стороной лопасти матрицы. Маленькие черные точки на акустическом изображении выше — это небольшие пустоты (захваченные пузырьки) в пресс-форме.
Все акустические изображения, показанные выше, представляют собой плоские изображения, названные так потому, что они делают видимой горизонтальную плоскость внутри образца. Акустические данные, полученные в ответных эхо-сигналах, также можно использовать для создания изображений других типов, включая трехмерные изображения, изображения поперечного сечения и изображения сквозного сканирования.
Образцы, отображаемые с помощью акустических микроскопов, обычно представляют собой сборки из одного или нескольких твердых материалов, у которых по крайней мере одна поверхность либо плоская, либо регулярно изогнутая. Интересующая глубина может включать внутреннюю связь между материалами или глубину, на которой может возникнуть дефект в однородном материале. Кроме того, образцы можно охарактеризовать без визуализации, чтобы определить, например, их акустический импеданс.
Благодаря своей способности неразрушающим образом находить визуализированные особенности акустические микроскопы широко используются в производстве электронных компонентов и сборок для контроля качества, надежности и анализа отказов. Обычно интерес заключается в поиске и анализе внутренних дефектов, таких как расслоения, трещины и пустоты, хотя акустический микроскоп также может использоваться просто для проверки (путем определения характеристик материала или визуализации, или того и другого), что данная деталь или данный материал соответствует спецификациям или в некоторых случаях не является подделкой. [17] Акустические микроскопы также используются для изображения печатных плат [18] и других сборок.
Кроме того, существует множество применений за пределами электроники. Во многих отраслях продукция, включающая трубы, керамические материалы, композиционные материалы или различные типы клеевых соединений, включая клеевые слои и различные сварные швы, может визуализироваться акустически.
При сборке многочисленных медицинских изделий используются акустические микроскопы для исследования внутренних связей и особенностей. Например, можно визуализировать полимерную пленку, чтобы изучить ее связь с многоканальной пластиковой пластиной, используемой при анализе крови. СЭМ может предоставить данные об эластичности клеток, а также твердых и мягких тканей, что может дать полезную информацию о физических силах, удерживающих структуры в определенной форме, а также о механике таких структур, как цитоскелет . [3] [4] Эти исследования особенно ценны при изучении таких процессов, как подвижность клеток . [5] [6]
Другое перспективное направление было инициировано различными группами в мире по проектированию и созданию портативных ручных ЗРК для подповерхностной 3D визуализации и диагностики мягких и твердых тканей [16] [19] и в настоящее время успешно развивается с целью реализации этих методов в клиническую и косметологическую практику.
Также в течение последнего десятилетия был выражен интерес к применению методов акустической микроскопии для неинвазивного 3D-контроля красочных слоев живописных произведений искусства и других объектов культурного и художественного наследия. [20] [21]
