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Filete del Tema
Antecedentes
Interferometría de la Luz Blanca
Aplicaciones de la Interferometría de la Luz Blanca
Perfilometría de la Aguja
Microscopia Atómica de la Fuerza
AFM de Configuración para las Aplicaciones del CONTROL DE CALIDAD
Antecedentes
La Mayoría de las necesidades superficiales de la metrología se pueden cubrir por una de tres herramientas complementarias - el interferómetro de la luz blanca, el microscopio atómico de la fuerza y el rugosímetro de la aguja.
La medición Cuantitativa de la topografía superficial ahora es un requisito del clave QC/QA en un rango cada vez más amplio de industrias, de productos y de materiales. Esto incluye las mediciones en productos finales, investigación y desarrollo (R&D) en nuevos tratamientos del superficie y superficiales y en-proceso que vigila durante la producción de volumen.
Los Materiales incluyen superficies pintadas y chapadas de los metales, de los compuestos, de los plásticos, del papel, las superficies porosas y el cristal.
Los Programas Pilotos para estas mediciones colocan de impacto funcional y del funcionamiento crítico, como en el caso de una superficie parcialmente tramitada del fulminante de semiconductor, al curso de la vida previsto, por ejemplo para superficies sustentadoras del implante del caballete, a las consideraciones estéticas, un ejemplo que es cáscara de naranja en pintura automotor.
Vario diverso contacto y técnicas sin contacto utilizan actualmente esta diversidad de la aplicación, el ser más ampliamente utilizado dos interferometría de la luz blanca y perfilometría de la aguja. Ahora otra técnica con incluso más de alta resolución - microscopia atómica de la fuerza - se contrapesa a la transición del laboratorio al atline y a las aplicaciones en línea.
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El Cuadro 1. profilers Ópticos está bien adaptado para la tosquedad superficial de medición en las hojas de afeitar y otros tipos de la lámina.
Interferometría de la Luz Blanca
La interferometría de la luz Blanca, designada a menudo la perfilometría óptica, es un método óptico versátil y potente que utiliza ondas pálidas como regla extremadamente exacta. Esto es realizado usando el mismo fenómeno de la interferencia que produce bandas coloreadas cuando la luz del sol se refleja de una película muy fina de la gasolina que conecta en un charco del agua.
Un profiler óptico es un tipo de microscopio en el cual la luz de una lámpara es partida en dos caminos por un espejo parcialmente reflectante llamado un divisor de haz.
Un camino dirige la luz conectado a la superficie bajo prueba, el otro camino dirige la luz a una superficie de referencia muy plana.
Las Reflexiones de las dos superficies se recombinan en el microscopio y reflejado en una cámara digital. Cuando la diferencia de camino entre los haces recombinados está por orden de algunas longitudes de onda de la luz o menos, la interferencia ocurre. Esto produce una serie de bandas oscuras y pálidas, llamada las franjas. Estas franjas corresponden a los contornos superficiales de la superficie de la prueba, correlacionando su (topografía vertical del eje de Z) en una resolución de hasta 0,1 nanómetros.
La resolución XY depende de la opción del objetivo y del número de pixeles de la cámara, y puede estar tan muy bien como 500 nanómetros. La técnica también proporciona a nanómetros absolutos de la exactitud ±3 en Z-AXIS.
Los profilers ópticos disponibles en el comercio de la Corriente colocan de sistemas del R&D del benchtop a los instrumentos que ofrecen las funciones aerodinámicas para en línea o la en-línea control de procesos operativos. El más avanzados de éstos generan datos superficiales estadísticos de la topografía, tales como Ra y Rq (Promedio y tosquedad del RMS), e incluso incluyen el software de análisis de imagen que calcula anchos de la característica y posiciones relativas, y que se puede modificar para requisitos particulares para determinar desviaciones de una dimensión de una variable ideal. También activan la investigación para los defectos, tales como rayaduras y huecos, en los umbrales laterales y verticales operador-especificados, con el rechazo automático de la parte, y la causa-registración para el mando de proceso mejorado.
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Cuadro 2. Este ejemplo destaca las ventajas de la proyección de imagen de la fase con un AFM. Topografía (dejada) e imagen de la fase (correcta) de una muestra de múltiples capas cryo-microtomed del polietileno. Mientras Que la topografía es dominada por ondulaciones en grande, la fase proporciona a una vista limpia de la estructura acodada. La estructura fina Adicional muestra la presencia de pequeñas gotitas.
Aplicaciones de la Interferometría de la Luz Blanca
Las ventajas de la perfilometría óptica son flexibilidad, velocidad y rango dinámico ancho de Z-AXIS. El Más, éste es un método totalmente sin contacto. El rango dinámico grande de cámaras digitales de hoy permite su uso con las reflectividades superficiales que colocan a partir de la 0,5% hasta más el de 90%. Por Otra Parte, porque el profiler óptico es una herramienta de la proyección de imagen que hace mediciones del área con cada acción de adquisición de datos, puede perfilar una superficie mucho más rápida que una herramienta que tiene que proceder en serie apunta por la punta.
Y una de las ventajas de él que es una herramienta óptica, sin contacto es que el instrumento puede hacer mediciones a través de ventanas transparentes, por ejemplo en cámaras de vacío o el empaquetado del producto. Más el últimos software y soporte físico los paquetes permiten a estos instrumentos estudiar el movimiento dinámico y parado de superficies móviles según lo en dispositivos de MEMS tales como las virutas del micromirror usadas en televisiones de proyección.
Pasado, el profiler óptico ofrece un rango muy grande de Z-AXIS, de algunos nanómetros hasta las alturas de la característica tan grandes como 10.000 micrones.
Las aplicaciones de la Calidad para los profilers ópticos atraviesan todo de aplicaciones del recinto limpio en espacio aéreo y los aparatos médicos a la fábrica suelan aplicaciones en industrias más pesadas tales como automotor.
En términos de aplicaciones del alto nivel, esta tecnología ahora es utilizada por uno de los fabricantes de cabeza de los E.E.U.U. de grifos de la cocina y del cuarto de baño y de herrajes relacionados. Los instrumentos se utilizan para examinar la superficie de piezas antes y después del cromado.
Utilizado Originalmente para el revelado de proceso, estas mediciones fueron desarrolladas en los pliegos de condiciones de proceso del CONTROL DE CALIDAD que correlacionan con calidad así como resistencia cosméticas percibidas a la peladura y a las picaduras del cromo.
Otra aplicación óptica del profiler está en un fabricante importante de hojas de afeitar. Aquí los instrumentos se utilizan para el ángulo dominante de la medición-rutina del CONTROL DE CALIDAD dos del borde de lámina y de la profundidad y la calidad de las marcas de la muesca. Las láminas se crean como carrete contínuo hasta de decenas de miles de láminas, que entonces singulated automáticamente encajando a presión en éstos líneas mecánicamente creadas de la muesca. El ángulo de la rutina es una medición determinado crítica del CONTROL DE CALIDAD porque hasta 1 millón de láminas dispositioned basaron solamente en datos ópticos del profiler solamente de algunas muestras estadísticas en cada tratamiento por lotes.
En una aplicación muy diversa del bajo volumen/elevado valor, los contratistas de la NASA utilizan este tipo de profiler óptico para examinar y para evaluar las ventanas del transbordador espacial para los micro-huecos causados por impactos micros del meteorito. De Acuerdo con los resultados de estas mediciones, las ventanas costosas del zafiro se reemplazan típicamente después de cuatro a cinco misiones.
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El Cuadro 3. profilers Ópticos es ampliamente utilizado en el fabricante de aparatos médicos como se ilustra en estas mediciones de una variedad de superficies del implante: (a) carga del implante del caballete, (b) copa del implante del caballete, (c) implante del codo (superficie portadora) y (d) implante dental.
Perfilometría de la Aguja
La perfilometría de la Aguja ha estado alrededor por décadas, con todo sigue siendo la herramienta de la opción en varias aplicaciones dominantes, en parte debido a su excelente rendimiento para costar la relación de transformación. En un rugosímetro de la aguja, una aguja o una aguja diamante-inclinada es drenada a través de una superficie por un escenario del movimiento de la precisión. Las Variaciones en la topografía superficial causan el movimiento vertical de la aguja que es detectado por un Transductor Diferenciado Variable Lineal (LVDT). La resolución del Instrumento depende del radio de la punta de aguja, y puede estar tan muy bien como 1 nanómetro en altura.
Aunque sea sin obstrucción una herramienta superficial del contacto, la fuerza inferior de la aplicación de la aguja de instrumentos típicamente hace esta técnica no destructiva. Las ventajas de la perfilometría de la aguja son su capacidad de realizar rápidamente las exploraciones lineales largas - hasta 200 milímetros - su capacidad de cuantificar alturas relativamente grandes del paso de progresión, y su bajo costo.
Se utiliza mejor para generar datos del transect; mientras que los datos del área se pueden acumular por la exploración de retículo, éste es típicamente realizado a una velocidad y a una producción más altas usando la perfilometría óptica.
El mercado para los rugosímetros de la aguja es dominado por las aplicaciones de la calidad que implican las películas y las capas. Un ejemplo actual es control de calidad del cobrizado en el elemento de la escritura de virtualmente cada unidad de disco duro hecha.
Otro está calibrando la dimensión de una variable de los microlens usados en DVD o tocadiscos ópticos similares. Una aplicación dominante en la industria del semiconductor es mando de la tensión de la película, compresiva y de tensión. Esta tensión deforma el fulminante y la aguja se utiliza para medir rápidamente su curvatura y para calcular la magnitud de la tensión de estos datos.
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Cuadro 4. En un profiler óptico típico, una cámara digital registra las franjas que resultan de reflexiones de una superficie de la prueba y de una superficie de referencia. El ordenador del sistema convierte estas franjas en la alta resolución
información topográfica.
Microscopia Atómica de la Fuerza
La última herramienta del arsenal de las soluciones para la metrología del CONTROL DE CALIDAD es el microscopio atómico de la fuerza (AFM). En un AFM, una punta hiperfina, tal como un único cristal del silicio o del diamante, se monta en una arma voladiza ligera y se trae en contacto con una superficie. Las fuerzas Interatómicas causan la desviación en relativamente suavemente el voladizo. Al Principio estas fuerzas sea débil atractivo, pero llegan a ser fuertemente repulsivas mientras que se hace el contacto superficial. Las desviaciones voladizas minúsculas son detectadas rebotando un de rayo láser del voladizo y sobre un fotodetector positionsensing.
En un anuncio publicitario moderno AFM, el voladizo, o la muestra, se monta en un actuador tridimensional de la precisión, generalmente una estructura tubelike piezoeléctrica. Esto se utiliza lo más común posible para mantener una fuerza constante de la acción recíproca entre la muestra y la punta. Por la retículo-exploración la punta en relación con la muestra, una correspondencia superficial topográfica cuantitativa se puede crear sobre la base del voltaje piezoeléctrico necesario para mantener fuerza constante de la acción recíproca. La resolución del en-avión (o XY) de un AFM es limitada principal por el radio de la punta, y es a menudo 10 nanómetros o a veces mejores. La resolución en (z) la dimensión vertical no se relaciona directamente con la punta, y puede estar en el rango de 0,05 nanómetros (0,5 Å).
El instrumento también se puede operatorio en TappingMode. Aquí el voladizo se hace para oscilar rápidamente como un diapasón, golpeando ligeramente pálido en la superficie. En este modo de operación, la amplitud y la fase del voladizo oscilante se utilizan para calibrar la topografía superficial. Este modo es ampliamente utilizado porque es ideal para las muestras delicadas - incluso membranas mojadas - porque evita fuerzas laterales entre la punta y la superficie. TappingMode es ventajoso para las muestras duras tales como metales, porque permiso la mayor precisión del mando de fuerza.
Además de topología superficial simple de medición, la acción recíproca de la superficie-punta del AFM se puede adaptar para hacer un ordenador principal de mediciones físicas, químicas y electromágneticas. Los Ejemplos incluyen la correspondencia de la fuerza lateral en la punta (fricción del nanoscale) y la determinación de niveles de actividad piezoeléctricos.
AFM de Configuración para las Aplicaciones del CONTROL DE CALIDAD
Debido a su resolución del nanoscale, el AFM generalmente es considerado el instrumento superficial final de la metrología, por alguno. Puede perfilar superficies literalmente en el único nivel de la molécula. Y a diferencia de herramientas anteriores de la investigación, puede trabajar en una variedad de superficies, sin la preparación especial requerida. Puede incluso sondar las superficies que se sumergen en agua y otros líquidos.
Sin Embargo, hasta que muy recientemente, hayan lindado a la mayoría de aplicaciones del AFM al laboratorio de investigación y a los recursos del R&D. Esto es porque AFMs no ofreció el ruggedization indispensable y la simplicidad operativa para uso de operadores semidiestros en el ambiente de producción. Una anomalía a esto ha sido la industria del semiconductor, que ahora emplea extensivamente AFMs para validar varios escenarios de los procesos de producción de la viruta de la memoria y de lógica.
Una aplicación comercial típica de la investigación está en 3M, surtidor del componente importante para los productos disponibles del pañal. La cinta adhesiva en estos productos se debe cerrar asegurado por una única prensa de la mano para dar una sensación asegurada al padre que cambia a un niño. Pero esto depende de una aplicación uniforme del adhesivo sin manchas descubiertas o niveles desiguales de la adherencia. La compañía detectó recientemente un AFM para estudiar la cinta adhesiva usando una técnica llamada proyección de imagen de la fase.
Ésta es una extensión de la proyección de imagen de TappingMode. Proyectando la fase del voladizo oscilante, la proyección de imagen de la fase va más allá de la correspondencia topográfica simple. Específicamente, es sensible a las variaciones en la adherencia y la viscoelasticidad y puede proporcionar a la información sobre la composición de la muestra y la separación del microphase.
Según 3M, esta técnica ha revelado las características interesantes que no habían sido detectadas por ninguna otra técnica. Por Otra Parte, 3M cree que estas características podrían ser cambios morfológicos importantes en la formulación.
AFMs también se ha utilizado con éxito en varias aplicaciones del análisis del incidente y de la mejoría del producto.
Por ejemplo, una compañía de enlatado de los pescados necesitó analizar porqué su atún tenía una vida útil más corto que prevista. El AFM fue utilizado para analizar el deterioro de la capa en la superficie interna de la poder. Esto reveló que las características en el agua específica usada por la fábrica de conservas deterioraban la capa protectora del polímero usada para proteger el atún contra la exposición al metal descubierto.
Ahora una nueva generación de AFMs construido sólidamente compacto se contrapesa para tomar a éstos las mismas capacidades del laboratorio del R&D en operaciones del CONTROL DE CALIDAD de la corriente principal. Las aplicaciones Tempranas para estos nuevos instrumentos están para vigilar la tosquedad superficial y defectos en superficies y acabados revestidos de la multa. Otros adoptantes tempranos están en el área de películas y de hojas metálicas tales como película aluminizada del polímero.
En conclusión, las mediciones del CONTROL DE CALIDAD de la topografía superficial en una variedad de aplicaciones se pueden abastecer con tres tipos básicos de instrumentos - el profiler óptico, el microscopio atómico de la fuerza y el rugosímetro de la aguja.
Sin Embargo, no está siempre sin obstrucción al no iniciado que de estas aproximaciones es el mejor para un uso dado. Por Lo Tanto, elegir el instrumento derecho para una aplicación determinada requiere partnering con un surtidor que entienda las capacidades y las limitaciones de cada uno de estas tecnologías.
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