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超音波掃瞄顯微鏡

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在聲學顯微鏡中以 50 MHz 掃描一便士

超音波掃瞄顯微鏡（scanning acoustic microscope，SAM），又稱超聲波掃描斷層成像（scanning acoustic tomography，SAT）是一種使用聚焦聲音來研究、測量或成像物體的設備。檢測基本原理為利用超音波發射源（Probe）透過純水為介質而傳導到待測試片上，經由超音波的反射或穿透等的作用，將此訊號經機台特定軟體處理成像。[1]常用於失效分析和無損檢測。SAM在半導體行業檢測微電子封裝內的空隙、裂紋和分層方面非常有用。此外，SAM也在生物和醫學研究中得到應用。

歷史[編輯]

第一台超音波掃瞄顯微鏡，具有 50 MHz的超聲波透鏡，1974年由斯坦福大學微波實驗室的RA Lemons和CF Quate開發。[2]1980年，第一個高分辨率（500 MHz）直通式SAM由R.Gr. Maev和他的學生在俄羅斯科學院生物物理內窺鏡實驗室建立。[3]第一個商用SAM ELSAM，頻率範圍從 100 MHz到1.8 GHz，由Martin Hoppe及其顧問Abdullah Atalar（斯坦福大學）、Roman Maev（俄羅斯科學院）和Andrew Briggs（牛津大學）領導的團隊在Ernst Leitz GmbH建造。[4][5]

自那時起，對這些系統進行了許多改進，以提高分辨率和準確性。其中大部分詳細描述在1992年由安德魯·布里格斯（Andrew Briggs）編輯的專著《聲學顯微鏡的進展》（Advanced in Acoustic Microscopy）中，以及由羅曼·邁夫（Roman Maev）編著的專著《聲學顯微鏡基礎和應用》（Acoustic Microscopy Fundamentals and Applications），Wiley & Son - VCH出版。[6]

C-SAM與其他技術[編輯]

微電子封裝損壞失效分析的方法有很多，包括但不限於激光解封、濕法蝕刻解封、光學顯微鏡、SEM顯微鏡、 X射線，大多數傳統的方法存在一個問題，即它們具有破壞性。這意味着在準備過程中可能會對樣品造成損害。此外，這些破壞性方法通常需要耗時且複雜的樣品製備。因此，在大多數情況下，使用非破壞性技術進行研究變得非常重要。與X射線等其他非破壞性技術不同，C-SAM對其所穿過材料的彈性特性高度敏感。例如，C-SAM對亞微米厚度的分層和氣隙的存在高度敏感，因此它對於檢查小型複雜設備特別有用。[7]

與光學顯微鏡不同，空氣成為從SAM中的換能器到樣品的聲波的不良傳輸介質。因此，樣品完全浸沒在去離子、脫氣的水中，距離換能器大約15毫米，取決於其焦距。使用軟刷清除透鏡下的微小氣泡。然後，將換能器沿着Z方向移動，即靠近樣品的深度方向，直到A掃描的振幅在適當的工作距離下達到最大值。[7]

物理原理[編輯]

此技術利用聲波的高穿透深度對樣本的內部結構進行成像。因此，在掃描聲學顯微鏡中，處理反射或透射聲波以分析內部特徵。超聲脈衝（聲波）是由由磁鐵和射頻線圈組成的壓電換能器產生的。重複頻率受處理器控制的過程限制，這取決於使用的頻率。頻率越低，脈衝就越長，但衰減減小。當聲波穿過樣品傳播時，它可能在介質界面處被散射、吸收或反射。 折射發生在界面上，因為兩種材料內聲波的速度不同。由於大多數材料的速度比水耦合介質要快，聚焦長度會縮短。因此，該技術記錄了兩種材料之間的聲阻抗（Z）對比產生的迴音。 掃描聲學顯微鏡的工作原理是將來自換能器的聚焦聲音引導到目標物體上的一個小點。 擊中物體的聲音會被散射、吸收、反射（以 180° 散射）或傳播（以 0° 散射）。 可以偵測沿特定方向行進的散射脈衝。 偵測到的脈衝表示邊界或物體的存在。 脈衝的「飛行時間」定義為從聲源發射、被物體散射並被偵測器接收所需的時間，偵測器通常與聲源一致。 在已知通過介質的速度的情況下，飛行時間可用於確定不均勻性與源的距離。[7]

根據測量結果，為所調查的位置分配一個值。稍微移動探頭（或物體），然後再次進行聲掃。以系統模式重複此過程，直到研究了整個感興趣區域。通常每個點的值都會組合成對象的圖像。圖像中看到的對比度基於對象的幾何形狀或材料成分。圖像的分辨率受到物理掃描分辨率或聲束寬度的限制（聲束寬度又由聲音的頻率決定）。

方法學[編輯]

高清SAM提供不同類型的分析模式，包括A掃瞄（A-scan）、B掃瞄（B-scan）、C掃瞄（C-scan）、S圖像（S-image）和透射式掃瞄（T-scan），主要的三種模式是A掃描、B掃描和C掃描。 每一種都提供了有關樣品結構完整性的不同資訊。

A掃描是ToF上回波訊號的振幅。 感測器安裝在SAM的z軸上。 透過改變相對於機械固定的測試樣品的z位置，它可以聚焦到位於難以接近區域的特定目標層。

B 掃描提供樣品的垂直橫截面以及深度信息的可視化。當涉及到橫截面損傷檢測時，這是一個非常好的功能。[7]

C掃描是一種常用的掃描模式，它給出樣品中特定深度目標層的二維圖像（切片）；通過X掃描模式可以實現多個等距層。[7]

脈衝反射法[編輯]

透過脈衝反射方法可以獲得內部結構的2D或3D維影像，其中兩種材料之間的阻抗不匹配導致超音波波束的反射。 反射訊號的相位反轉可以區分夾雜物和顆粒的分層（聲阻抗幾乎為零），但不能區分氣泡，氣泡表現出與分層相同的阻抗行為。

界面處的阻抗失配越高，反射訊號的強度就越高（2D影像中的亮度越高），這是透過回波幅度來測量的。 在與空氣界面（Z=0）的情況下，超音波發生全反射；因此，SAM 對測試樣品中的任何截留空氣高度敏感。

為了增強聲波插入樣品中，聲換能器和樣品都浸入耦合介質（通常是水）中，以避免空氣界面處的高反射。

在脈衝波模式下，使用具有良好聚焦特性的透鏡將超聲波聚焦到樣本上的點，並接收不到100 ns的時間內從點返回的反射波。聲束可以聚焦到足夠小的點，深度達2-3 mm，以解決典型的層間裂紋和其他關鍵裂紋幾何形狀。對每個點接收到的回波進行分析和存儲，以構建整個掃描區域的圖像。反射信號被監測並發送到同步顯示器以形成完整的圖像，就像在掃描電子顯微鏡中一樣。

應用領域[編輯]

醫學和生物學[編輯]

SAM可以提供有關細胞和組織彈性的數據，從而提供有關將結構保持為特定形狀的物理力以及細胞骨架等結構力學的有用信息。[8][9]這些研究對於研究細胞運動等過程特別有價值。[10][11]

SAM還可應用於評估使用無針注射注射到皮膚中的顆粒的穿透深度。[12]

另一個方向旨在設計和構建便攜式手持式SAM，用於軟組織和硬組織的地下診斷[13][6] ，該方向目前正處於臨床和美容實踐的商業化過程中。

相關[編輯]

參考[編輯]

  1. ^ MA-tek 閎康科技. www.matek.com. [2024-02-01]. （原始內容存檔於2024-02-02）. 
  2. ^ Lemons R. A.; Quate C. F. Acoustic microscope—scanning version. Appl. Phys. Lett. 1974, 24 (4): 163–165. Bibcode:1974ApPhL..24..163L. doi:10.1063/1.1655136. 
  3. ^ 7. R. Gr. Maev, Principles and Future of Acoustic Microscopy, Proceedings of the Joint Soviet-West Germany International Symposium on Microscope Photometry and Acoustic Microscopy in Science, Moscow, Russia, 1-12, 1985
  4. ^ M. Hoppe, R. Gr. Maev, Editors and Co-authors, Microscope Photometry and Acoustic Microscopy in Science, Proceedings of the FRG-USSR Symposium, Moscow, 231 pages, 1985.
  5. ^ Hoppe, M., and Bereiter-Hahn, J., 「Applications of scanning acoustic microscopy - survey and new aspects,」 IEEE Trans. Ultrason., Ferroelectr. Freq. Control, 32 (2), 289 –301 (1985)
  6. ^ 6.0 6.1 R.Gr. Maev, Editor and Co-author, Advances in Acoustic Microscopy and High Resolution Ultrasonic Imaging: From Principles to New Applications, Monograph, 14 Chapters, 400 pages, Wiley & Son - VCH, April 2013
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 Yu, Hyunung. Scanning acoustic microscopy for material evaluation. Applied Microscopy. 2020-12, 50 (1) [2024-02-02]. ISSN 2287-4445. PMC 7818342 可免費查閱. PMID 33580436. doi:10.1186/s42649-020-00045-4. （原始內容存檔於2024-04-11） （英語）. 
  8. ^ Bereiter-Hahn J; Karl I; Lüers H; Vöth M. Mechanical basis of cell shape: investigations with the scanning acoustic microscope. Biochem. Cell Biol. 1995, 73 (7–8): 337–48. PMID 8703407. doi:10.1139/o95-042. 
  9. ^ Lüers H; Hillmann K; Litniewski J; Bereiter-Hahn J. Acoustic microscopy of cultured cells. Distribution of forces and cytoskeletal elements. Cell Biophys. 1991, 18 (3): 279–93. PMID 1726537. S2CID 11466285. doi:10.1007/BF02989819. 
  10. ^ Hildebrand JA; Rugar D; Johnston RN; Quate CF. Acoustic microscopy of living cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1981, 78 (3): 1656–60. Bibcode:1981PNAS...78.1656H. PMC 319191 可免費查閱. PMID 6940179. doi:10.1073/pnas.78.3.1656 可免費查閱. 
  11. ^ Johnston RN; Atalar A; Heiserman J; Jipson V; Quate CF. Acoustic microscopy: resolution of subcellular detail. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1979, 76 (7): 3325–9. Bibcode:1979PNAS...76.3325J. PMC 383818 可免費查閱. PMID 291006. doi:10.1073/pnas.76.7.3325 可免費查閱. 
  12. ^ Condliffe, Jamie; Schiffter, Heiko; Coussios, Constantin C. An acoustic technique for mapping and sizing particles following needle-free transdermal drug and vaccine delivery. Journal of the Acoustical Society of America. 2008, 123 (5): 3001. Bibcode:2008ASAJ..123.3001C. doi:10.1121/1.2932570. 
  13. ^ Vogt, M., and Ermert, H., 「Limited-angle spatial compounding imaging of skin with high-frequency ultrasound,」 IEEE Trans. Ultrason., Ferroelectr. Freq. Control, 55 (9), 1975 –1983 (2011)
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