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1. Preparación preliminar de la Medición Nota: La muestra utilizada para el experimento es un electrodo de MEMS. Los electrodos de oro se fabrican en una oblea de silicio usando el despegue proceso. La muestra es un joven de 18 mm x 18 mm oblea con estructuras periódicas (electrodos) con 1 mm periodo <ol><li> Inicia sesión en el libro de registro antes de utilizar el sistema. </li><li> Encienda la potencia de los ordenadores, sistemas láser y etapa de traducción. </li><li> Coloque la muestra MEMS electrodo / micro-diafragma. <ol><li> Colocar la muestra MEMS en el medio de soporte de la muestra utilizando una pinza. </li><li> Ajuste el soporte de muestra para posicionar los electrodos en la trayectoria del haz. El campo de medición máxima de vista se define por el tamaño del sensor de la cámara. Es un rectángulo de 2,3 mm x 1,8 mm. </li></ol></li><li> El uso de la etapa de dirección vertical motorizado, mover el sistema de aproximativamente 1,5 cm de distancia de la muestra. </li></ol> 2. Software de Configuración de Ajuste <ol><li> Abra la 3DVersoftware. 3DVer es nuestro programa interno en desarrollado en C ++. </li><li> Haga clic en el botón fuente de imágenes para seleccionar la cámara adecuada para el experimento. Elija la cámara CCD monocromo. Evitar una cámara de color en esta configuración puesto que se utiliza un láser de diodo monocromática. Además, para el mismo número de píxeles, la resolución sería menor cuando se utilizan cámaras a color. <ol><li> En la pestaña de configuración de dispositivos, seleccione Y800 (1280 x 960) y el formato de vídeo de 15 fotogramas por segundo velocidad de vídeo. </li></ol></li><li> Haga clic en el botón de reproducción de color amarillo para iniciar la cámara. Una imagen del objeto con patrones de franjas impresas (holograma) debería aparecer. <ol><li> Ajuste óptimos parámetros de ganancia y de exposición para evitar la saturación de la imagen si es necesario. </li></ol></li><li> Uso de la ventana de vista de la cámara de vídeo en directo, ajustar la posición de la muestra para seleccionar el área exacta para investigar sobre la muestra. </li><li> pestaña de configuración abierta. <ol><li> En la pestaña de configuración, seleccione el tipo de superficie (reflectante o transparente), longitud de onda de laSer, y el tamaño de píxel de la cámara. El láser es un láser de diodo que funciona a 633 nm. El tamaño de los píxeles de la cámara es 4,650 nm. La muestra es un dispositivo MEMS especular electrodo así el modo de reflexión debe ser seleccionado. Nota: La configuración CDHM permite que sólo las superficies reflectantes a medir. Sin embargo, el software también se puede utilizar para medir muestras transparentes cuando un sistema de holografía digital diferente se utiliza 13. Un cambio en esta configuración se modifica la fórmula de cálculo de la altura de la fase. De hecho, el cálculo de la diferencia de camino óptico es ligeramente diferente para muestras transparentes, ya que incluye el índice de refracción objeto. </li><li> Elegir el algoritmo de reconstrucción de convolución y ajustar la distancia de reconstrucción a cero. Elija un paso reconstrucción de 1 o 2. Nota: El parámetro de distancia de reconstrucción se puede definir más adelante al considerar la imagen de intensidad obtenida a partir del holograma y utilizando el enfoque automático. La etapa de reconstrucción define el número depasos utilizados para implementar la integral de Fresnel y simular la propagación del haz. El primer método de evaluar la integral como una sola vez transformada de Fourier. Un paso de 2 evaluará la integral doble. Esto añade una mayor flexibilidad en el intervalo de la rejilla, pero es computacionalmente menos eficiente 20. </li><li> En la pestaña de post-procesamiento, seleccionar el algoritmo de desenvolver necesaria para obtener la imagen sin envolver final. Seleccione la calidad de mapeado algoritmo. Nota: En el software, la elección entre Goldstein y Calidad asignada algoritmo puede hacerse. Cuanto más tarde ha demostrado fase espacial robusto y rápido desenvolver. El algoritmo de calidad asignada se basa en fase guiada desenvolver como se describe en 21. </li></ol></li></ol> 3. Adquisición de Datos <ol><li> Pulse el icono de Fourier para abrir la ventana del espectro de transformadas de Fourier. Una orden 0 y dos +1, -1 órdenes deben aparecer. Si este no es el caso, compruebe que la muestra está en la posición correcta, y ajustar obtener unad tiempo de exposición de nuevo. </li><li> Detener el modo de medición en vivo. Seleccione uno de los órdenes difractados (frecuencia positiva o negativa) con la función de filtro. El área seleccionada debe ser lo suficientemente grande como para que todas las frecuencias necesarias para la recuperación de fase están presentes. Conmutar del modo de vivir de nuevo. Nota: La elección del orden negativo se acaba de afectar la señal de la fase en el resultado final, es decir, se invierte la imagen en 3D final. </li><li> Abra la ventana de fase. Compruebe que el modo de envolver no está activado. Imagen fase gris del objeto impreso con franjas envueltos debería aparecer. </li><li> Utilizar la etapa verticales motorizado para reducir el número de franjas de la imagen de la fase en. Cuando sólo 1 o 2 franjas se dejan en la imagen, detenga la platina motorizada. Nota: El sistema se basa en la interferometría. Por lo tanto, es sensible a las vibraciones. Después de mover el escenario z dirección motorizada, el usuario debe esperar 1 o 2 segundos antes de que la imagen aparece envuelta fase againorte. También es importante para evitar vibraciones durante la medición para obtener una imagen de fase estable. </li><li> Haga clic en el botón de enfoque automático 22 para encontrar la mejor distancia de reconstrucción. Uno puede necesitar utilizar el enfoque automático varias veces para acercarse a la distancia óptima de reconstrucción hasta que la imagen de intensidad aparece nítida y clara. El enfoque automático se basa en un método de espectro angular efectiva y eficiente el tiempo como se describe en el 22. Nota: La barra de selección de enfoque se puede utilizar para un ajuste fino. A continuación, haga clic en el botón de enfoque central para registrar la distancia actual reconstrucción. A veces parece que el mejor enfoque no se encontró con la opción de enfoque automático. En este caso, introducir manualmente reconstrucción distancia para encontrar el mejor enfoque. </li><li> Activar el modo de envolver para ver la imagen de fase desenvuelta haciendo clic en el botón de desenrollado. </li></ol> 4. La visualización y análisis de datos para la medición estática <ol><li> Abra la ventana de la imagen 3D para ver el final de 3Dimagen de la muestra. Utilice las opciones disponibles para observar el resultado final (rotar, mapa de color, escala de visualización ...). </li><li> Haga clic en el botón de ventanas en mosaico para organizar las ventanas como no se solapan y mostrar todas las ventanas mediciones. </li><li> Utilice la regla de línea para dibujar una línea en un área de interés la imagen de fase desenvuelta sucesivamente. En la ventana de diagrama de puntos, se puede observar un gráfico de perfil en sección transversal del área de interés. Use los dos marcadores de línea verde para extraer una altura aproximada del objeto (Figura 5). Rugosidad de la superficie también se puede obtener en la parte superior plana de la muestra. </li><li> Guarda la imagen de fase final en formato JPEG para importarlo a otro software si es necesario. </li></ol> 5. Preparación de la muestra y análisis de datos para medición dinámica <ol><li> Coloque el diafragma en una placa de micro estación de calentamiento. La muestra no se retiró de la placa hasta que termina el experimento. </li><li> Grabar un holograma del micro diafragma a temperatura ambiente siguiendo el procedimiento descrito anteriormente en la Sección 2 y 3. Se puede utilizar como una referencia para el análisis de la deformación. </li><li> Guardar los datos de fase en el equipo. </li><li> Encienda la placa de calentamiento de laboratorio. </li><li> Mediante el mando de la temperatura, variar la temperatura en pasos de 50 ° C de 50 ° C a 300 ° C. Para cada paso de temperatura, guardar la imagen del mapa de fase en formato JPEG. </li><li> Restar el mapa de fase la temperatura ambiente inicial de la otra fase mapa grabado para obtener los datos de deformación. Nota: Este paso de post-procesamiento se puede realizar con código MATLAB sencilla. Las diferentes fases obtenidas se cargan en MATLAB y se realiza la resta sencilla matriz. Entonces parcelas de sección transversal de las diferentes etapas de deformación se pueden obtener. </li></ol>

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SPIE. 5716, 173-181 (2005).</li><li>Gabor, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+New+Microscopic+Principle.">A New Microscopic Principle.</a> Nature. 161 (4098), 777-778 (1948).</li><li>Schnars, U., J&#252;ptner, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+recording+of+holograms+by+a+CCD+target+and+numerical+reconstruction.">Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction.</a> Appl. Opt. 33 (2), 179-181 (1994).</li><li>Schnars, U., J&#252;ptner, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Digital+recording+and+numerical+reconstruction+of+holograms.">Digital recording and numerical reconstruction of holograms.</a> Meas. Sci. 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K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+and+validation+of+digital+microholo+interferometric+system+for+micromechanical+testing.">Development and validation of digital microholo interferometric system for micromechanical testing.</a> Proc. SPIE. 4778, 11-20 (2002).</li><li>Qu, W., Bhattacharya, K., Choo, C. O., Yu, Y., Asundi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transmission+digital+holographic+microscopy+based+on+a+beam-splitter+cube+interferometer.">Transmission digital holographic microscopy based on a beam-splitter cube interferometer.</a> Appl. Opt. 48 (15), 2778-2783 (2009).</li><li>Potcoava, M. C., Kim, M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fingerprint+biometry+applications+of+digital+holography+and+low-coherence+interferography.">Fingerprint biometry applications of digital holography and low-coherence interferography.</a> Appl. Opt. 48 (34), 9-15 (2009).</li><li>Kolman, P., Chmel&#236;k, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherence-controlled+holographic+microscope.">Coherence-controlled holographic microscope.</a> Opt. Express. 18 (21), 21990-22003 (2010).</li><li>Lee, M., Yaglidere, O., Ozcan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Field-portable+reflection+and+transmission+microscopy+based+on+lensless+holography.">Field-portable reflection and transmission microscopy based on lensless holography.</a> Biomed. Opt. Express. 2 (9), 2721-2730 (2011).</li><li>Mico, V., Zalevsky, Z., Garc&#236;a, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Common-path+phase-shifting+digital+holographic+microscopy:+a+way+to+quantitative+phase+imaging+and+superresolution.">Common-path phase-shifting digital holographic microscopy: a way to quantitative phase imaging and superresolution.</a> Opt. Commun. 281 (17), 4273-4281 (2008).</li><li>Singh, V. R., Miao, J., Wang, Z., Hedge, G. M., Asundi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+characterization+of+MEMS+diaphragm+using+time+averaged+in-line+digital+holography.">Dynamic characterization of MEMS diaphragm using time averaged in-line digital holography.</a> Opt. Commun. 280 (2), 285-290 (2007).</li><li>Singh, V. R., Anderi, A., Gorecki, C., Nieradko, L., Asundi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+MEMS+cantilevers+lensless+digital+holographic+microscope.">Characterization of MEMS cantilevers lensless digital holographic microscope.</a> Proc. SPIE. 6995, 69950F-1 (2008).</li><li>Schmidt, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Numerical+Simulation+of+Optical+Wave+Propagation+with+Examples+in+MATLAB.">Numerical Simulation of Optical Wave Propagation with Examples in MATLAB.</a> SPIE PRESS BOOK. , (2010).</li><li>Zhao, M., Huang, L., Zhang, Q. C., Su, X. Y., Asundi, A., Qian, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quality-guided+phase+unwrapping+technique:+comparison+of+quality+maps+and+guiding+strategies.">Quality-guided phase unwrapping technique: comparison of quality maps and guiding strategies.</a> Appl. Opt. 50 (33), 6214-6224 (2011).</li><li>Wang, Z., Qu, W., Yang, F., Wen, Y., Asundi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+autofocus+method+based+on+angular+spectrum+method+in+digital+holography.">A new autofocus method based on angular spectrum method in digital holography.</a> Proc. SPIE. 9449, 2-7 (2015).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

En esta revisión, proporcionamos un protocolo para recuperar con precisión la morfología cuantitativa de diferentes dispositivos MEMS mediante el uso de un sistema compacto depender de la holografía digital. caracterización MEMS en modo estático y dinámico se demuestra. Se obtienen datos 3D cuantitativos de un MEMS micro canales. Con el fin de validar la precisión del sistema, los resultados se han comparado entre el CDHM y la AFM. Buen acuerdo se encuentra lo que significa que la holografía digital puede ser u...

Metrología de micro y nano objetos es de gran importancia para la industria y los investigadores. De hecho, la miniaturización de los objetos representa un nuevo reto para la metrología óptica. sistemas micro electro mecánicos (MEMS) se definen generalmente ha miniaturizado sistemas electromecánicos y por lo general comprende componentes tales como sensores micro, micro actuadores, la microelectrónica y microestructuras. Se ha encontrado muchas aplicaciones en distintos campos como la biotecnología, la medicina, la comunicación y la detección 1. Recientemente, la complejidad cada vez mayor, así como la progresiva miniaturización de objeto de prueba funciones de llamada para el desarrollo de técnicas de caracterización adecuados para MEMS. Alto rendimiento de fabricación de estos complejos microsistemas requiere la implementación de las técnicas de medición en línea avanzada, para cuantificar parámetros característicos y defectos relacionados causadas por las condiciones de proceso 2. Por ejemplo, la desviación de param geométricaetros en un dispositivo MEMS afecta a las propiedades del sistema y tiene que ser caracterizado. Además, la industria requiere un rendimiento de medición de alta resolución, tales como la metrología completa en tres dimensiones (3D), amplio campo de visión, la nitidez de la imagen, y el análisis en tiempo real. Por lo tanto, es esencial para asegurar un control de calidad y proceso de inspección fiable. Además, se requiere que el sistema de medición para ser fácilmente implementable en una línea de producción y por lo tanto relativamente compacto para ser instalado en las infraestructuras existentes. La holografía, que se introdujo por primera vez por Gabor 3, es una técnica que permite la recuperación de la información cuantitativa completa de un objeto mediante el registro de la interferencia entre una referencia y una onda del objeto en un medio fotosensible. Durante este proceso conocido como la grabación, la amplitud, fase y polarización de un campo se almacenan en el medio. A continuación, el campo de ondas objeto se puede recuperar enviando el haz de referencia en el meDium, un proceso conocido como de lectura óptica del holograma. Desde un detector convencional sólo se registra la intensidad de la onda, la holografía ha sido un tema de gran interés en los últimos cincuenta años, ya que da acceso a información adicional sobre el campo eléctrico. Sin embargo, varios aspectos de la holografía convencional hacen que sea poco práctico para las aplicaciones industriales. De hecho, los materiales fotosensibles son caros y el proceso de grabación requiere generalmente un alto grado de estabilidad. Los avances en sensores de la cámara de alta resolución, tales como dispositivos de carga acoplada (CCD) han abierto un nuevo enfoque para la metrología digital. Una de esas técnicas se conoce como holografía digital 4. En Digital Holografía (DH), el holograma es grabado en una cámara (soporte de grabación) y los procesos numéricos se utilizan para reconstruir la información de fase y la intensidad. Al igual que con la holografía convencional, el resultado puede ser obtenido después de dos procedimientos principales: la grabación y de reconstrucción como se muestra en Fifigura 1. Sin embargo, si la grabación es similar a la holografía convencional, la reconstrucción es solamente numérica 5. El proceso de reconstrucción numérico se muestra en la Figura 2. Dos procedimientos están involucrados en el proceso de reconstrucción. En primer lugar, el campo de onda del objeto se recupera del holograma. El holograma se multiplica con una onda de referencia numérica para obtener el frente de onda objeto en el plano del holograma. En segundo lugar, el complejo de frente de onda se propaga objeto numéricamente al plano de imagen. En nuestro sistema, este paso se lleva a cabo utilizando el método de convolución 6. El campo reconstruida obtenida es una función compleja y por lo tanto la fase y la intensidad se pueden extraer proporcionar información cuantitativa altura en el objeto de interés. La capacidad de almacenamiento de la información de campo en todo método de la holografía y el uso de la tecnología informática para el procesamiento de datos rápida ofrecen más flexibilidad en la configuración experimental y aumentan significativamente el Speed del proceso experimental, abriendo nuevas posibilidades para el desarrollo de DH como una herramienta dinámica para metrológico MEMS y microsistemas de 7,8. El uso de la holografía digital en imágenes de contraste de fase está ahora bien establecida y se presentó por primera vez hace más de diez años 9. De hecho, la investigación de dispositivos microscópicos mediante la combinación de la holografía digital y microscopía se ha realizado en muchos estudios de 10, 11, 12, 13. Varios sistemas basados ​​en alta coherencia 14 y baja coherencia 15 fuentes, así como diferentes tipos de geometría 13, 16, 17 (en línea, fuera de eje, camino común ...) se han presentado. Además, en línea de holografía digital se ha utilizado anteriormente en la caracterización de dispositivo MEMS 18, 19. Sin embargo, estos sistemas son generalmente difíciles de implementar y voluminosos, que los hace inadecuados para aplicaciones industriales. En este estudio, se propone un sistema compacto, sencillo y gratuito basado en la lente axi fueras holografía digital con capacidad para la inspección de MEMS en tiempo real y caracterización. El microscopio digital compacta holográfica (CDHM) es una lente holográfica digital de sistema menos desarrollado y patentado para obtener la morfología 3D de objetos especulares tamaño micro. En nuestro sistema, un 10 mW, altamente estable, de temperatura controlada láser de diodo que funciona a 638 nm se acopla en una fibra mono-modo. Como se muestra en la Figura 3, el haz divergente que emana de la fibra se divide en una referencia y un haz de objeto por un divisor de haz. La trayectoria del haz de referencia comprende un espejo inclinado a darse cuenta de la geometría fuera de eje. El haz de objeto es dispersada y reflejada por la muestra. Los dos haces interfieren en el CCD dando el holograma. El patrón de interferencia impresa sobre la imagen se denomina portador espacial y permite la recuperación de la información de fase cuantitativa sólo una imagen con. La reconstrucción numérica se realiza usando una transformada de Fourier común y el algoritmo de convolución como staTed anteriormente. La configuración de lente-menos tiene varias ventajas por lo que es atractivo. Como no se utilizan lentes, el haz de entrada es una onda divergente proporcionando una magnificación geométrica natural y mejorando así la resolución del sistema. Además, es libre de aberraciones encontrados en los sistemas ópticos típicos. Como puede verse en la Figura 3B, el sistema puede hacerse compacto (55x75x125 mm 3), ligero (400 g), y por lo tanto se puede integrar fácilmente en líneas de producción industrial.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1228">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">2 MP Camera</td>
			<td style="width:251px;">Imaging Source</td>
			<td style="width:251px;">DMX 41BU02</td>
			<td style="width:512px;">used to record the hologram. 4.65 microns pixel size</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Motorized X,Y,Z Translation Stage</td>
			<td style="width:251px;">Zaber Technology&#160;</td>
			<td style="width:251px;">TLS28-M</td>
			<td>Holder for the system&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Beam splitter</td>
			<td style="width:251px;">Edmund optics</td>
			<td style="width:251px;">49-003</td>
			<td>Cube Beam splitter. Separate and recombine the object and reference beam</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Laser&#160;</td>
			<td style="width:251px;">Micro Laser Systems, Inc.</td>
			<td>SRT-F635S-20/OSYS</td>
			<td>Diode laser</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Mirror</td>
			<td style="width:251px;">Edmund Optics</td>
			<td style="width:251px;">#43-412-566</td>
			<td>1&#34; Dia. Protected Gold, &#955;/20 Flat Zerodur</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">monomode Fiber</td>
			<td style="width:251px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:251px;">S405-XP</td>
			<td style="width:512px;">Single Mode Optical Fiber, 400 - 680 nm, &#216;125 &#181;m Cladding</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Sample holder</td>
			<td style="width:251px;">Edmund Optics</td>
			<td style="width:251px;">#39-930</td>
			<td>Ideal Positioning Platform,&#177;35mm Travel in Both X and Y</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Hotplate</td>
			<td style="width:251px;">Thermolyne Mirak hotplate</td>
			<td style="width:251px;">Barnstead International HP72935-60</td>
			<td>temperature range&#160;&#160; 40-370 &#176;C</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Holoscope Software</td>
			<td style="width:251px;">d&#39;Optron Pte Ltd</td>
			<td style="width:251px;">NA</td>
			<td>software developed by the NTU researchers&#160;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

compact lens-less digital holographic microscope for mems inspection and characterization

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.

El protocolo descrito anteriormente fue diseñado para inspeccionar y caracterizar MEMS y los dispositivos que utilizan el sistema Micro CDHM. En nuestro sistema, una fibra mono-modo está acoplada a un láser de diodo que funciona a una longitud de onda de 633 nm. Debido a la configuración haz divergente, es importante para que coincida con el haz objeto y el camino del haz de referencia con el fin de obtener un holograma que puede ser reconstruido. Esto se logra mediante la colocació...

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Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

Presentamos un sistema holográfico digital de reflexión compacto (CDHM) para la inspección y caracterización de dispositivos MEMS. Un diseño de lente de menor a través de una onda de entrada divergente proporciona magnificación geométrica natural se demostró. Ambos se presentan los estudios estáticos y dinámicos.

Compacto holográfica microscopio digital Lente menos por MEMS Inspección y Caracterización

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...

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10.2K vistas.  Nanyang Technological University.  Presentamos un sistema holográfico digital de reflexión compacto (CDHM) para la inspección y caracterización de dispositivos MEMS. Un diseño de lente de menor a través de una onda de entrada divergente proporciona magnificación geométrica natural se demostró. Ambos se presentan los estudios estáticos y dinámicos. 

Video: Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Single-molecule imaging is an important tool for understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the spatial and temporal heterogeneity of molecular behaviors that underlie cellular biology 1-4. To image an individual molecule of interest, it is typically conjugated to a fluorescent tag (dye, protein, bead, or quantum dot) and observed with epifluorescence or total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. While dyes and fluorescent proteins have been the mainstay of fluorescence imaging for decades, their fluorescence is unstable under high photon fluxes necessary to observe individual molecules, yielding only a few seconds of observation before complete loss of signal. Latex beads and dye-labeled beads provide improved signal stability but at the expense of drastically larger hydrodynamic size, which can deleteriously alter the diffusion and behavior of the molecule under study.
Quantum dots (QDs) offer a balance between these two problematic regimes. These nanoparticles are composed of semiconductor materials and can be engineered with a hydrodynamically compact size with exceptional resistance to photodegradation 5. Thus in recent years QDs have been instrumental in enabling long-term observation of complex macromolecular behavior on the single molecule level. However these particles have still been found to exhibit impaired diffusion in crowded molecular environments such as the cellular cytoplasm and the neuronal synaptic cleft, where their sizes are still too large 4,6,7.
Recently we have engineered the cores and surface coatings of QDs for minimized hydrodynamic size, while balancing offsets to colloidal stability, photostability, brightness, and nonspecific binding that have hindered the utility of compact QDs in the past 8,9. The goal of this article is to demonstrate the synthesis, modification, and characterization of these optimized nanocrystals, composed of an alloyed HgxCd1-xSe core coated with an insulating CdyZn1-yS shell, further coated with a multidentate polymer ligand modified with short polyethylene glycol (PEG) chains (Figure 1). Compared with conventional CdSe nanocrystals, HgxCd1-xSe alloys offer greater quantum yields of fluorescence, fluorescence at red and near-infrared wavelengths for enhanced signal-to-noise in cells, and excitation at non-cytotoxic visible wavelengths. Multidentate polymer coatings bind to the nanocrystal surface in a closed and flat conformation to minimize hydrodynamic size, and PEG neutralizes the surface charge to minimize nonspecific binding to cells and biomolecules. The end result is a brightly fluorescent nanocrystal with emission between 550-800 nm and a total hydrodynamic size near 12 nm. This is in the same size range as many soluble globular proteins in cells, and substantially smaller than conventional PEGylated QDs (25-35 nm).

We describe the preparation of colloidal quantum dots with minimized hydrodynamic size for single-molecule fluorescence imaging. Compared to conventional quantum dots, these nanoparticles are similar in size to globular proteins and are optimized for single-molecule brightness, stability against photodegradation, and resistance to nonspecific binding to proteins and cells.

Compact Puntos Cuánticos for Imaging sola molécula

Single-molecule imaging is an important tool for  understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the  spatial and temporal ...

Investigación

Ingeniería

Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular organelles 2,3, as well as for high spatial and temporal resolution readout of their position relative to the center of the trap. The system described herein has one such "traditional" trap operating at 980 nm. It additionally provides a second optical trapping system that uses a commercially available holographic package to simultaneously create and manipulate complex trapping patterns in the field of view of the microscope 4,5 at a wavelength of 1,064 nm. The combination of the two systems allows for the manipulation of multiple refractive objects at the same time while simultaneously conducting high speed and high resolution measurements of motion and force production at nanometer and piconewton scale.

The system described herein employs a traditional optical trap as well as an independent holographic optical trapping line, capable of creating and manipulating multiple traps. This allows for the creation of complex geometric arrangements of refractive particles while also permitting simultaneous high-speed, high-resolution measurements of the activity of biological enzymes.

Construcción de un microscopio de alta resolución con capacidades de captura óptica convencional y holográfica

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input bias voltage. However, the tradeoff for the improved switching performance is a relatively long settling time to reach each gap height in response to various applied voltages. Transient applied bias waveforms are employed to facilitate reduced switching times for electrostatic fringing-field MEMS actuators with high mechanical quality factors. Removing the underlying substrate of the fringing-field actuator creates the low mechanical damping environment necessary to effectively test the concept. The removal of the underlying substrate also a has substantial improvement on the reliability performance of the device in regards to failure due to stiction. Although DC-dynamic biasing is useful in improving settling time, the required slew rates for typical MEMS devices may place aggressive requirements on the charge pumps for fully-integrated on-chip designs. Additionally, there may be challenges integrating the substrate removal step into the back-end-of-line commercial CMOS processing steps. Experimental validation of fabricated actuators demonstrates an improvement of 50x in switching time when compared to conventional step biasing results. Compared to theoretical calculations, the experimental results are in good agreement.

The robust device design of fringing-field electrostatic MEMS actuators results in inherently low squeeze-film damping conditions and long settling times when performing switching operations using conventional step biasing. Real-time switching time improvement with DC-dynamic waveforms reduces the settling time of fringing-field MEMS actuators when transitioning between up-to-down and down-to-up states.

Real-Time DC-dinámico Método de polarización de conmutación Tiempo Mejoras en Severamente Subamortiguado Fleco campo electrostático MEMS actuadores

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input ...

Single Plane Illumination Module and Micro-capillary Approach for a Wide-field Microscope

A module for light sheet or single plane illumination microscopy (SPIM) is described which is easily adapted to an inverted wide-field microscope and optimized for 3-dimensional cell cultures, e.g., multi-cellular tumor spheroids (MCTS). The SPIM excitation module shapes and deflects the light such that the sample is illuminated by a light sheet perpendicular to the detection path of the microscope. The system is characterized by use of a rectangular capillary for holding (and in an advanced version also by a micro-capillary approach for rotating) the samples, by synchronous adjustment of the illuminating light sheet and the objective lens used for fluorescence detection as well as by adaptation of a microfluidic system for application of fluorescent dyes, pharmaceutical agents or drugs in small quantities. A protocol for working with this system is given, and some technical details are reported. Representative results include (1) measurements of the uptake of a cytostatic drug (doxorubicin) and its partial conversion to a degradation product, (2) redox measurements by use of a genetically encoded glutathione sensor upon addition of an oxidizing agent, and (3) initiation and labeling of cell necrosis upon inhibition of the mitochondrial respiratory chain. Differences and advantages of the present SPIM module in comparison with existing systems are discussed.

A module for single plane illumination microscopy (SPIM) is described which is easily adapted to an inverted wide-field microscope and optimized for 3-dimensional cell cultures. The sample is located within a rectangular capillary, and via a microfluidic system fluorescent dyes, pharmaceutical agents or drugs can be applied in small quantities.

Módulo de iluminación solo plano y Aproximación Micro-capilar para un microscopio de campo amplio

A module for light sheet or single plane illumination microscopy (SPIM) is described which is easily adapted to an inverted wide-field microscope and ...

Comprehensive Characterization of Extended Defects in Semiconductor Materials by a Scanning Electron Microscope

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications of semiconductor materials. However, it is still under debate how the defect structure determines the band structure, and therefore, the recombination behavior of electron-hole pairs responsible for the optical and electrical properties of the extended defects. The present paper is a survey of procedures for the spatially resolved investigation of structural and of physical properties of extended defects in semiconductor materials with a scanning electron microscope (SEM). Representative examples are given for crystalline silicon. The luminescence behavior of extended defects can be investigated by cathodoluminescence (CL) measurements. They are particularly valuable because spectrally and spatially resolved information can be obtained simultaneously. For silicon, with an indirect electronic band structure, CL measurements should be carried out at low temperatures down to 5 K due to the low fraction of radiative recombination processes in comparison to non-radiative transitions at room temperature. For the study of the electrical properties of extended defects, the electron beam induced current (EBIC) technique can be applied. The EBIC image reflects the local distribution of defects due to the increased charge-carrier recombination in their vicinity. The procedure for EBIC investigations is described for measurements at room temperature and at low temperatures. Internal strain fields arising from extended defects can be determined quantitatively by cross-correlation electron backscatter diffraction (ccEBSD). This method is challenging because of the necessary preparation of the sample surface and because of the quality of the diffraction patterns which are recorded during the mapping of the sample. The spatial resolution of the three experimental techniques is compared.

The optical, electrical, and structural properties of dislocations and of grain boundaries in semiconductor materials can be determined by experiments performed in a scanning electron microscope. Electron microscopy has been used to investigate cathodoluminescence, electron beam induced current, and diffraction of backscattered electrons.

Caracterización integral de defectos extendidos en materiales semiconductores por un microscopio electrónico de barrido

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications ...

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems (C-MEMS)

A wide range of carbon sources are available in nature, with a variety of micro-/nanostructure configurations. Here, a novel technique to fabricate long and hollow glassy carbon microfibers derived from human hairs is introduced. The long and hollow carbon structures were made by the pyrolysis of human hair at 900 &#176;C in a N2 atmosphere. The morphology and chemical composition of natural and pyrolyzed human hairs were investigated using scanning electron microscopy (SEM) and electron-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), respectively, to estimate the physical and chemical changes due to pyrolysis. Raman spectroscopy was used to confirm the glassy nature of the carbon microstructures. Pyrolyzed hair carbon was introduced to modify screen-printed carbon electrodes ; the modified electrodes were then applied to the electrochemical sensing of dopamine and ascorbic acid. Sensing performance of the modified sensors was improved as compared to the unmodified sensors. To obtain the desired carbon structure design, carbon micro-/nanoelectromechanical system (C-MEMS/C-NEMS) technology was developed. The most common C-MEMS/C-NEMS fabrication process consists of two steps: (i) the patterning of a carbon-rich base material, such as a photosensitive polymer, using photolithography; and (ii) carbonization through the pyrolysis of the patterned polymer in an oxygen-free environment. The C-MEMS/NEMS process has been widely used to develop microelectronic devices for various applications, including in micro-batteries, supercapacitors, glucose sensors, gas sensors, fuel cells, and triboelectric nanogenerators. Here, recent developments of a high-aspect ratio solid and hollow carbon microstructures with SU8 photoresists are discussed. The structural shrinkage during pyrolysis was investigated using confocal microscopy and SEM. Raman spectroscopy was used to confirm the crystallinity of the structure, and the atomic percentage of the elements present in the material before and after pyrolysis was measured using EDX.

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems C-MEMS

Long and hollow glassy carbon microfibers were fabricated based on the pyrolysis of a natural product, human hair. The two fabrication steps of carbon microelectromechanical and carbon nanoelectromechanical systems, or C-MEMS and C-NEMS, are: (i) photolithography of a carbon-rich polymer precursor and (ii) pyrolysis of the patterned polymer precursor.

Fabricación de sistemas microelectromecánicos de carbono 3D (C-MEMS)

A wide range of carbon sources are available in nature, with a variety of micro-/nanostructure configurations. Here, a novel technique to fabricate long ...

Demonstration of a Hyperlens-integrated Microscope and Super-resolution Imaging

The use of super-resolution imaging to overcome the diffraction limit of conventional microscopy has attracted the interest of researchers in biology and nanotechnology. Although near-field scanning microscopy and superlenses have improved the resolution in the near-field region, far-field imaging in real-time remains a significant challenge. Recently, the hyperlens, which magnifies and converts evanescent waves into propagating waves, has emerged as a novel approach to far-field imaging. Here, we report the fabrication of a spherical hyperlens composed of alternating silver (Ag) and titanium oxide (TiO2) thin layers. Unlike a conventional cylindrical hyperlens, the spherical hyperlens allows for two-dimensional magnification. Thus, incorporation into conventional microscopy is straightforward. A new optical system integrated with the hyperlens is proposed, allowing for a sub-wavelength image to be obtained in the far-field region in real time. In this study, the fabrication and imaging setup methods are explained in detail. This work also describes the accessibility and possibility of the hyperlens, as well as practical applications of real-time imaging in living cells, which can lead to a revolution in biology and nanotechnology.

The use of a hyperlens has been regarded as a novel super-resolution imaging technique due to its advantages in real-time imaging and its simple implementation with conventional optics. Here, we present a protocol describing the fabrication and imaging applications of a spherical hyperlens.

Demostración de un microscopio integrado de Hyperlens y proyección de imagen de súper resolución

The use of super-resolution imaging to overcome the diffraction limit of conventional microscopy has attracted the interest of researchers in biology and ...

Design and Characterization Methodology for Efficient Wide Range Tunable MEMS Filters

Here, we demonstrate the advantages of the laser Doppler vibrometer (LDV) over conventional techniques (the network analyzer), as well as the techniques to create an application-based microelectromechanical systems (MEMS) filter and how to use it efficiently (i.e., tuning the tuning-capability and avoiding both failure and stiction). LDV enables crucial measurements that are impossible with the network analyzer, such as higher mode detection (highly sensitive biosensor application) and resonance measurement for very small devices (fast prototyping). Accordingly, LDV was used to characterize the frequency tuning range and resonance frequency at different modes of the MEMS filters built for this study. This wide range frequency tuning mechanism is based simply on Joule heating from the embedded heaters and relatively high thermal stress with respect to the temperature of a fixed-fixed beam. However, we demonstrate that another limitation of this method is the resulting high thermal stress, which can burn the devices. Further improvement was achieved and shown for the first time in this study, such that the tuning capability was increased by 32% through an increase in the applied DC bias voltage (25 V to 35 V) between the two adjacent beams. This important finding eliminates the need for the extra Joule heating at the wider frequency tuning range. Another possible failure is through stiction and requirement of structure optimization: We propose a simple and easy technique of low frequency square wave signal application that can successfully separate the beams and eliminates the need for the more sophisticated and complicated methods given in the literature. The above findings necessitate a design methodology, and so we also provide an application-based design.

A protocol for a fixed-fixed beam design using a laser Doppler vibrometer (LDV), including the measurement of frequency tuning, modification of tuning capability, and avoidance of device failure and stiction, is presented. The superiority of the LDV method over the network analyzer is demonstrated due to its higher mode capability.

Diseño y metodología de caracterización para filtros de MEMS Tunable eficiente toda la gama

Here, we demonstrate the advantages of the laser Doppler vibrometer (LDV) over conventional techniques (the network analyzer), as well as the techniques ...

Intermediate Strain Rate Material Characterization with Digital Image Correlation

The mechanical response of a material under dynamic load is typically different than its behavior under static conditions; therefore, the common quasistatic equipment and procedures used for material characterization are not applicable for materials under dynamic loads. The dynamic response of a material depends on its deformation rate and is broadly categorized into high (i.e., greater than 200/s), intermediate (i.e., 10&#8722;200/s) and low strain rate regimes (i.e., below 10/s). Each of these regimes calls for specific facilities and testing protocols to ensure the reliability of the acquired data. Due to the limited access to high-speed servo-hydraulic facilities and validated testing protocols, there is a noticeable gap in the results at the intermediate strain rate. The current manuscript presents a validated protocol for the characterization of different materials at these intermediate strain rates. Strain gauge instrumentation and digital image correlation protocols are also included as complimentary modules to extract the utmost level of detailed data from every single test. Examples of raw data, obtained from a variety of materials and test setups (e.g., tensile and shear) is presented and the analysis procedure used to process the output data is described. Finally, the challenges of dynamic characterization using the current protocol, along with the limitations of the facility and methods of overcoming potential problems are discussed.

Here we present a methodology for the dynamic characterization of tensile specimens at intermediate strain rates using a high-speed servo-hydraulic load frame. Procedures for strain gauge instrumentation and analysis, as well as for digital image correlation strain measurements on the specimens, are also defined.

Caracterización de materiales de tipo cepa intermedia con correlación Digital de imágenes

The mechanical response of a material under dynamic load is typically different than its behavior under static conditions; therefore, the common ...

Implementation of a Nonlinear Microscope Based on Stimulated Raman Scattering

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy uses near-infrared excitation light; therefore, it shares many multi-photon microscopic imaging properties. SRS imaging modality can be obtained using commercial laser-scanning microscopes by equipping with a non-descanned forward detector with proper bandpass filters and lock-in amplifier (LIA) detection scheme. A schematic layout of a typical SRS microscope includes the following: two pulsed laser beams, (i.e., the pump and probe directed in a scanning microscope), which must be overlapped in both space and time at the image plane, then focused by a microscope objective into the sample through two scanning mirrors (SMs), which raster the focal spot across an x-y plane. After interaction with the sample, transmitted output pulses are collected by an upper objective and measured by a forward detection system inserted in an inverted microscope. Pump pulses are removed by a stack of optical filters, whereas the probe pulses that are the result of the SRS process occurring in the focal volume of the specimen are measured by a photodiode (PD). The readout of the PD is demodulated by the LIA to extract the modulation depth. A two-dimensional (2D) image is obtained by synchronizing the forward detection unit with the microscope scanning unit. In this paper, the implementation of an SRS microscope is described and successfully demonstrated, as well as the reporting of label-free images of polystyrene beads with diameters of 3 &#181;m. It is worth noting that SRS microscopes are not commercially available, so in order to take advantage of these characteristics, the homemade construction is the only option. Since SRS microscopy is becoming popular in many fields, it is believed that this careful description of the SRS microscope implementation can be very useful for the scientific community.

In this manuscript, the implementation of a stimulated Raman scattering (SRS) microscope, obtained by the integration of an SRS experimental set-up with a laser scanning microscope, is described. The SRS microscope is based on two femtosecond (fs) laser sources, a Ti-Sapphire (Ti:Sa) and synchronized optical parametric oscillator (OPO).

Implementación de un microscopio no lineal basado en la dispersión estimulada de Raman

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy uses near-infrared excitation light; therefore, it shares many multi-photon microscopic imaging properties. ...