The authors have no acknowledgements.

1. Vorläufige Vorbereitung der Messung Anmerkung: Die für das Experiment verwendete Probe eine MEMS-Elektrode ist. Die Goldelektroden werden auf einem Siliziumwafer unter Verwendung Abhebeverfahren hergestellt. Die Probe ist ein 18 mm x 18 mm Wafer mit periodischen Strukturen (Elektroden) mit 1 mm Periode <ol><li> Melden Sie sich in das Logbuch, bevor Sie das System verwenden. </li><li> Schalten Sie den Computer, LASER und Übersetzungsstufe Macht. </li><li> Legen Sie die MEMS-Elektrode / Mikromembranprobe. <ol><li> Platzieren Sie die MEMS Probe in der Mitte des Probenhalters ein pinzetten verwenden. </li><li> Stellen Sie den Probenhalter um die Elektroden in dem Strahlengang zu positionieren. Die maximale Messsichtfeld wird durch den Kamerasensor Größe definiert. Es ist ein Rechteck von 2,3 mm x 1,8 mm. </li></ol></li><li> Mit Hilfe der vertikalen Richtung motorisierte Bühne, bewegen Sie das System approximativ 1,5 cm entfernt von der Probe. </li></ol> 2. Software-Einstellungen Anpassung <ol><li> Öffnen Sie die 3DViewSoftware. 3DView ist unser hauseigenes Programm in C ++ entwickelt. </li><li> Klicken Sie auf Imaging Source-Taste, um die richtige Kamera für das Experiment ausgewählt. Wählen Sie die monochrome CCD-Kamera. Vermeiden Sie eine Farbkamera in diesem Setup, da eine monochromatische Diodenlaser verwendet wird. Zusätzlich wird für die gleiche Anzahl von Pixeln, würde Auflösung niedriger sein, wenn die Farbkameras. <ol><li> In der Registerkarte Geräteeinstellungen, wählen Sie Y800 (1.280 x 960) Video-Format und 15 Bildern pro Sekunde Videorate. </li></ol></li><li> Klicken Sie auf gelbe Play-Taste, um die Kamera zu starten. Ein Bild des Objekts mit aufgedruckten Streifenmuster (Hologram) sollte angezeigt werden. <ol><li> Passen Sie optimale Verstärkung und Belichtungsparameter Bildsättigung zu vermeiden, wenn nötig. </li></ol></li><li> Mit dem Live-Video-Fenster Kamera-Ansicht, passen Sie die Probenposition den genauen Bereich auszuwählen, auf die Probe zu untersuchen. </li><li> Öffnen Sie Einstellungen Registerkarte. <ol><li> In der Registerkarte Konfiguration wählen Sie die Art der Oberfläche (reflektierend oder transparent), Wellenlänge von laSer und Pixelgröße der Kamera. Der Laser ist ein Dioden-Laser bei 633 nm arbeitet. Die Pixelgröße der Kamera ist 4,650 nm. Die Probe ist eine spiegelnde MEMS Elektrodeneinrichtung so Reflexionsmodus ausgewählt werden sollte. Hinweis: Die CDHM Konfiguration erlaubt nur reflektierenden Oberflächen gemessen werden. Jedoch kann die Software auch zur Messung der transparenten Proben verwendet werden , wenn ein anderes der digitalen Holografie System 13 verwendet wird. Eine Änderung dieser Einstellung ändert sich die Höhe Berechnungsformel aus der Phase. Tatsächlich ist die optische Pfaddifferenz-Berechnungs leicht unterschiedlich für transparente Proben, wie es das Objekt Brechungsindex umfasst. </li><li> Wählen Sie den Rekonstruktionsalgorithmus Convolution und stellen Sie die Rekonstruktion Abstand auf Null. Wähle einen Rekonstruktionsschritt von 1 oder 2 ist. Hinweis: Der Parameterrekonstruktions Abstand kann später definiert werden, indem das Intensitätsbild von dem Hologramm erhalten Berücksichtigung und die Verwendung der Autofokus. Der Rekonstruktionsschritt definiert die Anzahl derverwendet Schritte, um die Fresnel Integral und simulieren die Strahlausbreitung zu implementieren. Die erste Methode bewerten das Integral einmal als eine einzige Fourier-Transformation. Ein Schritt 2 wird das Integral zweimal bewerten. Dies fügt mehr Flexibilität in der Gitterabstand ist jedoch rechentechnisch weniger effizient 20. </li><li> In der Nachbearbeitung Registerkarte, wählen Sie den auspackt Algorithmus notwendig, die endgültige abgewickeltes Bild zu erhalten. Wählen Sie Qualität abgebildet Algorithmus. Hinweis: In der Software, die Wahl zwischen Goldstein und Qualitäts Algorithmus Mapped vorgenommen werden kann. Die später hat sich das robuste und schnelle räumliche Phasenentkompaktierungstechniken gezeigt. Die Qualität abgebildet Algorithmus wird Abwickeln auf geführten Phase basiert , wie in 21 beschrieben. </li></ol></li></ol> 3. Datenerfassung <ol><li> Drücken Sie die Fourier-Symbol die Fourier-Transformation Spektrum-Fenster zu öffnen. Ein 0-ter Ordnung und zwei +1, -1 Aufträge sollte angezeigt werden. Ist dies nicht der Fall ist, prüfen Sie, dass die Probe in der richtigen Position ist, und stellen Sie gewinnen eind Belichtungszeit wieder. </li><li> Stoppen Sie die Live-Messmodus. Wählen Sie eine der Beugungsordnungen (positive oder negative Frequenz) durch den Filter-Tool. Der ausgewählte Bereich sollte groß genug sein, so daß alle Frequenzen für das Phasenwiedergewinnungs benötigt vorhanden sind. Schalten Sie den Live-Modus wieder. Hinweis: Die Wahl der negativen Ordnung wird nur das Vorzeichen der Phase im Endergebnis beeinflussen, dh die endgültige 3D - Bild invertiert werden. </li><li> Öffnen Sie das Phasenfenster. Überprüfen Sie, ob die ungeöffneten Modus nicht aktiviert ist. Grau Phase Bild des Objekts mit umwickelten Fransen eingeprägt erscheinen soll. </li><li> Nutzen Sie die motorisierte vertikale Bühne, die Anzahl der Streifen in dem Phasenbild zu reduzieren. Wenn nur 1 oder 2 Fransen auf dem Bild links sind, die motorisierte Bühne stoppen. Hinweis: Das System basiert auf der Interferometrie. So ist es zu Schwingungen empfindlich. die z-Richtung motorisierte Bühne Nach dem Umzug sollte der Benutzer 1 oder 2 Sekunden warten, bevor die Phase gewickelt Bild erscheint again. Es ist auch wichtig, Vibrationen während der Messung zu vermeiden, um eine stabile Phasenbild zu erhalten. </li><li> Klicken Sie auf die Auto-Fokus - 22 , um die beste Rekonstruktion Abstand zu finden. Man kann brauchen Autofokus die optimale Rekonstruktion Entfernung zu nähern, mehrmals zu verwenden, bis die Intensität Bild scharf und klar erscheint. Der Autofokus basiert auf einer effizienten und zeit effektive Winkelspektrum Verfahren wie in 22 beschrieben. Hinweis: Der Fokus Schieberegler können zur Feineinstellung verwendet werden. Klicken Sie dann auf Mitte Fokus-Taste, um die aktuelle Rekonstruktion Entfernung aufzuzeichnen. Es scheint manchmal, dass am besten Fokus nicht mit Autofokus-Option gefunden. In diesem Fall wird die manuelle Eingabe Rekonstruktion Entfernung finden Sie den besten Fokus. </li><li> Aktivieren Sie die ungeöffneten Modus, um die aufgewickelten Phasen Bild durch Klicken auf die Schaltfläche Abwickeln zu sehen. </li></ol> 4. Daten-Visualisierung und Analyse zur statischen Messung <ol><li> Öffnen Sie die 3D-Bildfenster, um den 3D zu sehenBild der Probe. Optionen Verwenden Sie das Endergebnis (Drehen, Farbkarte, Skalenanzeige ...) zu beobachten. </li><li> Klicken Sie auf die Kachel Fenster, um die Fenster als nicht überlappend zu gestalten und alle Messungen Fenster anzuzeigen. </li><li> Verwenden Sie die Linie Lineal eine Linie auf einem Gebiet von Interesse auf der ungeöffneten Phasenbild zu zeichnen. Im Liniendiagramm Fenster kann ein Querschnittsprofil Handlung des Bereichs von Interesse zu beobachten. Verwenden Sie die beiden Marker grüne Linie eine ungefähre Höhe des Objekts (Abbildung 5) zu extrahieren. Oberflächenrauhigkeit kann auch auf dem flachen oberen Teil der Probe erhalten werden. </li><li> Speichern Sie die letzte Phase Bild im JPEG-Format an andere Software zu importieren, wenn nötig. </li></ol> 5. Herstellung von Probe und Datenanalyse für dynamische Mess <ol><li> Legen Sie die Micro-Membran auf einer Heizstation Platte. Die Probe wird nicht von der Platte entfernt werden, bis das Experiment beendet. </li><li> Nehmen Sie ein Hologramm des micro Membran bei Umgebungstemperatur durch das Verfahren folgende oben in Abschnitt 2 und 3 beschrieben wird es für die Deformationsanalyse als Referenz verwendet werden. </li><li> Speichern Sie die Phasendaten auf dem Computer. </li><li> Schalten Sie die Laborheizplatte. </li><li> Unter Verwendung der Temperatur-Regler, variieren, um die Temperatur in Schritten von 50 ° C von 50 ° C bis 300 ° C. Für jeden Temperaturschritt, in JPEG- Format, um die Phasenkarte Bild speichern. </li><li> Ziehen Sie die anfängliche Umgebungstemperatur Phasenkarte von der anderen Phasenkarte aufgezeichnet, die Verformung Daten zu erhalten. Hinweis: Dieser Beitrag Verarbeitungsschritt kann mit einfachen MATLAB-Code realisiert werden. Die verschiedenen Phasen erhalten werden geladen in MATLAB und einfachen Matrix-Subtraktion durchgeführt wird. Dann Querschnittsdiagramme der unterschiedlichen Verformungsstufen erhalten werden. </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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Lett. 24 (5), 291-293 (1999).</li><li>Qu, W., Yu, Y., Chee Oi, C., Raj Singh, V., 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=Quasi-physical+phase+compensation+in+digital+holographic+microscopy.">Quasi-physical phase compensation in digital holographic microscopy.</a> J. Opt. Soc. Am. 26 (9), 2005-2011 (2009).</li><li>Schedin, S., Pedrini, G., Tiziani, H. J., Santoyo, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+three-dimensional+dynamic+deformation+measurements+with+pulsed+digital+holography.">Simultaneous three-dimensional dynamic deformation measurements with pulsed digital holography.</a> Appl. Opt. 38 (34), 7056-7062 (1999).</li><li>Lei, X., Xiaoyuan, P., Jianmin, M., Asundi, A. 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. 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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.

In diesem Beitrag stellen wir ein Protokoll, um genau die quantitative Morphologie verschiedener MEMS-Geräte durch die Verwendung eines kompakten Systems sich auf der digitalen Holografie erholen. MEMS Charakterisierung in statischen und dynamischen Modus wird demonstriert. Quantitative 3D-Daten eines Mikrokanal MEMS erhalten. Um die Genauigkeit des Systems zu bestätigen, wurden Ergebnisse zwischen dem CDHM und dem AFM verglichen. Eine gute Übereinstimmung wird, was bedeutet, dass gefunden digitalen Holografie eine zuverlässige Technik für 3D-Bildgebung sein kann. Die Ergebnisse zeigen, dass das System 10 fähig nm Tiefenauflösung ist. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse auf dem Mikrokanal erhalten, dass das System in MEMS Charakterisierung verwendet werden, wie die Morphologie der Probe kann während des MEMS Herstellungsprozesses gesteuert werden. Zusätzlich erhalten die Vergrößerung der CDHM mit dem entsprechen, was sollte für MEMS-Größe (4.2X) verwendet werden. Das System ist auch in der Lage vollständige Feldmessung. Dies ist ein wesentlicher Vermögenswert, wenn compare typischerweise auf Techniken zur MEMS-Inspektion wie konfokale Mikroskopie verwendet, die lange Scan Messung erfordern. Außerdem kann die laterale Auflösung des Systems leicht durch Ändern der roten Diodenlaser mit einem UV-Laser zu verbessern sein. Schließlich ermöglicht die hohe Empfindlichkeit des Systems Rauheitsmessungen. Dynamische Messung auf einer Micro-Membran zeigt, dass die CDHM ein geeignetes Instrument ist Deformation in MEMS-Bauelemente zu beobachten, wenn thermische oder elektrische Belastung angelegt wird. Mit Hilfe eines Doppelbelichtungsverfahren die Verformung Karte, dynamische Verformung Studie einer Micro-Membran zu bauen durchgeführt wird. Man kann sehen , dass die Membranform kann sorgfältig in Echtzeit beobachtet werden. Dieses Ergebnis ist möglich, weil die 3D - Morphologie nur ein Bild unter Verwendung berechnet wird. Aber anders, als es bei statischen Messungen beobachtet wurde, dynamische Messung thermische Belastung unter Verwendung zeigt eine ungewöhnlich grobem Profil. Tatsächlich könnte man die Liniendiagramm sh betrachtenbesitzen in 6G als rau , wenn der statischen Messergebnisse verglichen. Da das System kann Struktur so klein wie 10 nm zu lösen, wird die Rauhigkeit nicht scheinen, von dem Objekt zu kommen. Eine mögliche Erklärung kann sein, daß die durch die Erwärmungsstufe erzeugte Wärme die Interferenzen zwischen den beiden Wellen stört und wirkt sich auf die Objektwellenwellenfront. Zusätzlich wurden dynamische Studien durchgeführt , die auf MEMS CDHM using elektrischen Last 12 und diese Rauhigkeit scheint nicht zu erscheint. Das Protokoll enthält mehrere wichtige Schritte, wie die Probe vertikale Positionierung, die Wahl des Rekonstruktions Entfernung, die Rekonstruktionsverfahren, eine vibrationsfreie Umgebung und die Qualität der Fransen auf dem CCD. Um ein zuverlässiges und stabiles Ergebnis zu gewährleisten, werden alle diese Schritte sollten sorgfältig durchgeführt werden. Zum Beispiel muss der Objektstrahlengang der gleiche wie der Referenz ein, beispielsweise die Probenabstand zu dem System als kritischklare Streifenmuster auf dem CCD zu erhalten. Darüber hinaus sollte die numerische Rekonstruktion Abstand eingestellt werden und um sicherzustellen, dass das Hologramm in der Bildebene rekonstruiert wird. Schließlich wird eine Probe mit scharfen Struktur höher als die Hälfte der Wellenlänge des Lasers unzuverlässig Phase Ergebnis führen. Tatsächlich könnte ein Phasensprung aufgrund erscheinen auspackt Fehler zu Phase. Diese Ergebnisse veranschaulichen die Fähigkeit des CDHM 3D-Messungen quantitative Tiefe von MEMS-Vorrichtungen durchzuführen. Tatsächlich für reflektierende Oberfläche , wie in MEMS und Mikroelektronikindustrie angetroffen wird , ist die CDHM ein tragbares System , das für Messungen in situ Prozessvorrichtungen sowie die Charakterisierung und Überprüfung Mikro verwendet werden kann. Eine Validierungsstudie zeigt, dass die durch das System erhaltenen Ergebnisse sind sehr zuverlässig. Die CDHM deckt einen größeren Scan-Bereich und Echtzeitmessungen durchgeführt werden können. Es ist ein wichtiger Vorteil gegenüber anderen Techniken wie AFM oder konfokalen microsKopie, die zeitaufwändige Scannen erfordert. Neben den vorgestellten Ergebnisse kann das System wertvolle Informationen in anderen MEMS Prozesse geben. Beispielsweise hat es eine erwiesene Fähigkeit bei der Messung sehr schnellen Prozessen Zeitmittelung und Intensitätsbilder mit den Resonanzmoden in MEMS - Vorrichtungen 11 zu beobachten. Zukünftige Arbeiten werden auf die Bildgebung in Echtzeit die Ablenkung Änderung des MEMS-Cantilever unter elektrischer Last konzentrieren.

Metrology von Mikro- und Nanoobjekten ist von großer Bedeutung für die Industrie und Forscher. Tatsächlich stellt die Miniaturisierung von Objekten eine neue Herausforderung für die optische Messtechnik. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind allgemein definiert elektromechanische Systeme miniaturisiert und in der Regel umfasst Komponenten wie Mikrosensoren, Mikroaktuatoren, Mikroelektronik und Mikrostrukturen. Es hat viele Anwendungen in vielfältigen Bereich wie Biotechnologie, Medizin, Kommunikation und Sensor 1 gefunden. Vor kurzem verfügt die zunehmende Komplexität sowie die fortschreitende Miniaturisierung der Testobjektaufruf für die Entwicklung geeigneter Charakterisierungstechniken für MEMS. Hoher Durchsatz Herstellung dieser komplexen Mikrosystemen erfordert die Einführung fortgeschrittener Inline - Messtechnik, zu charakteristischen Parameter zu quantifizieren und im Zusammenhang mit den Prozessbedingungen 2 verursachte Mängel. Beispielsweise wird die Abweichung der geometrischen parameter in einer MEMS-Einrichtung wirkt sich auf die Systemeigenschaften und hat gekennzeichnet. Darüber hinaus muss die Industrie hochauflösende Messleistung, wie volle drei Dimension (3D) Messtechnik, große Sichtfeld, hohe Bildauflösung und die Echtzeitanalyse. Daher ist es wichtig, eine zuverlässige Qualitätskontrolle und Inspektion zu gewährleisten. Außerdem erfordert es das Messsystem leicht implementierbare auf einer Produktionslinie zu sein und daher relativ kompakt auf bestehende Infrastrukturen installiert werden. Holographie, die von Gabor zuerst eingeführt wurde 3 ist eine Technik , die die Wiederherstellung der vollständigen quantitative Informationen eines Objekts ermöglicht durch die Interferenz zwischen einem Referenzaufnahme und einer Objektwelle in einem lichtempfindlichen Medium. Während dieses Prozesses als Aufzeichnungs bekannt ist, werden die Amplitude, Phase und Polarisation eines Feldes in dem Medium gespeichert. Dann kann das Objekt Wellenfeld durch Senden des Referenzstrahls auf die mich zurückgewonnen werdendium, ein Prozess als optische Lesen des Hologramms bekannt. Da nur ein herkömmlicher Detektor die Intensität der Welle erfasst hat Holographie ein Thema von großem Interesse in den letzten fünfzig Jahren, seit es den Zugriff auf zusätzliche Informationen über das elektrische Feld gibt. Jedoch mehrere Aspekte der konventionellen Holographie machen es für Industrie-Anwendungen unpraktikabel. Tatsächlich sind lichtempfindliche Materialien teuer, und der Aufzeichnungsprozess erfordert im allgemeinen einen hohen Grad an Stabilität. Die Fortschritte in der hochauflösenden Kamera-Sensoren wie ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD) haben einen neuen Ansatz für die digitale Messtechnik eröffnet. Einer dieser Techniken wird als digitale Holografie 4 bekannt. In der digitalen Holografie (DH) wird das Hologramm auf einer Kamera (Aufzeichnungsmedium) aufgezeichnet und numerische Verfahren verwendet werden, um die Phasen- und Intensitätsinformation zu rekonstruieren. Wie bei konventionellen Holographie, kann das Ergebnis nach zwei Hauptverfahren erhalten werden: die Aufzeichnung und Rekonstruktion , wie in Fi gezeigtAbbildung 1. Wenn jedoch die Aufzeichnung ähnlich der herkömmlichen Holographie ist, ist die Rekonstruktion nur numerische 5. Die numerische Rekonstruktionsprozess ist in Abbildung 2 dargestellt. Zwei Verfahren sind in den Wiederaufbauprozess beteiligt. Zunächst wird das Objekt Wellenfeld von dem Hologramm abgerufen. Das Hologramm wird mit einer numerischen Referenzwelle multipliziert, um die Objektwellenfront an der Hologrammebene zu erhalten. Zweitens wird die komplexe Objektwellenfront an der Bildebene numerisch propagiert. In unserem System wird dieser Schritt unter Verwendung des Faltungsverfahren 6 durchgeführt. Das rekonstruierte Feld erhalten wird, ist eine komplexe Funktion und somit Phase und Intensität auf das interessierende Objekt quantitative Höhe Bereitstellung von Informationen extrahiert werden. Die Fähigkeit der gesamten Feldinformationsspeicherung in Holographie-Verfahren und die Verwendung von Computertechnologie für schnelle Datenverarbeitung bieten mehr Flexibilität bei der experimentellen Konfiguration und signifikant die spee erhöhend des experimentellen Verfahren, neue Möglichkeiten eröffnen zu entwickeln DH als dynamisches messtechnische Werkzeug für MEMS und Mikrosysteme 7,8. Die Nutzung der digitalen Holografie im Phasenkontrast - Bildgebung ist inzwischen gut etabliert und wurde zum ersten Mal mehr als zehn Jahren präsentierte vor 9. Tatsächlich Untersuchung mikroskopischer Geräte durch digitale Holografie und Mikroskopie kombiniert wurde in vielen Studien 10, 11, 12, 13. Mehrere Systeme auf Basis von hoher Kohärenz 14 und niedriger Kohärenz 15 Quellen sowie verschiedene Arten von Geometrie 13, 16, durchgeführt wurde 17 (in der Linie, von der Achse, gemeinsamen Weg ...) vorgestellt wurden. Zusätzlich in Linie digitalen Holografie hat 18 in Charakterisierung von MEMS - Vorrichtung vorher verwendet wurde, 19. Jedoch, diese Systeme im Allgemeinen schwierig zu implementieren sind und sperrig, so dass sie für industrielle Anwendungen ungeeignet. In dieser Studie schlagen wir eine kompakte, einfache und Objektiv frei System basierend auf off axis digitale Holographie für die Echtzeit-MEMS-Inspektion und Charakterisierung der Lage. Die kompakte Digital Holographic-Mikroskop (CDHM) ist eine Linse weniger digitale holografische System entwickelt und patentiert, die 3D-Morphologie der Mikrogröße spiegelnde Objekte zu erhalten. In unserem System 10 mW, sehr stabile, temperaturgesteuerten Diodenlaser bei 638 nm arbeitet, wird in eine Monomode-Faser gekoppelt. Wie in Figur 3 gezeigt, wird der divergierende Strahl von der Faser ausgehende aufgeteilt in einen Referenz- und einen Objektstrahl durch einen Strahlteiler. Der Referenzstrahlengang umfasst einen Umlenkspiegel den außeraxialen Geometrie zu verwirklichen. Der Objektstrahl wird gestreut und von der Probe reflektiert wird. Die beiden Strahlen interferieren auf dem CCD, das Hologramm zu geben. Das Interferenzmuster auf das Bild aufgeprägt wird ein räumlicher Träger genannt und erlaubt die Rückgewinnung der quantitative Phaseninformation mit nur einem Bild. Die numerische Rekonstruktion wird wie sta eine gemeinsame Fourier-Transformation und Faltungsalgorithmusted zuvor. Die Linse lose Konfiguration hat mehrere Vorteile, die es attraktiv machen. Da keine Linsen verwendet werden, ist der Eingangsstrahl eine divergierende Welle eine natürliche geometrische Vergrßerung Bereitstellung und somit die Systemauflösung zu verbessern. Darüber hinaus ist sie frei von Aberrationen in optischen Systemen typisch auftreten. Wie in 3B zu sehen ist, kann das System kompakt (55x75x125 mm 3) hergestellt werden, leicht (400 g) und somit problemlos in industriellen Fertigungslinien integrierbar sind.

<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.

Die oben beschriebenen Protokoll wurde entworfen, MEMS- und Micro Devices unter Verwendung CDHM System zu untersuchen und zu charakterisieren. In unserem System wird eine Monomode-Faser mit einem Diodenlaser gekoppelt mit einer 633 nm Wellenlänge arbeitet. Aufgrund der divergierenden Strahlkonfiguration ist es wichtig, den Objektstrahl und Referenzstrahlengang anzupassen, um ein Hologramm zu erhalten, die rekonstruiert werden können. Dies wird durch eine sorgfältige vertikale Positionierung der Probe in bezug auf das System erreicht. In dem gewickelten Phasenbild berechnet wird, wird die Anzahl von Streifen auf ein Minimum reduziert, indem das System Höhenposition zu verändern. Es stellt sicher , dass die optischen Pfade angepasst sind. 4 ist das Ergebnis einer Messung erhalten wurde, zeigt die CDHM nach richtige axiale Positionierung der Probe verwendet wird . Die Daten werden in Echtzeit von einem Einzelbild erhalten. In diesem Experiment aus einem USAF Ziel in Gittermustern unterschiedlicher Höhen und Perioden wird als Probe ausgewählt.Wie oben erläutert, wird die Phasenabbildung (4A) aus dem einzelnen Bildhologramms extrahiert. Ein Liniendiagramm eines bestimmten Musters ist in 4A gezeigt. Die gelbe Linie (4A) stellt den Querschnitt Stelle auf der Probe. Zwei grüne Markierungslinien werden verwendet, um den absoluten Wert der Probenhöhe zu schätzen. Um die Ergebnisse des digitalen holografischen Systems, ein Atomkraftmikroskop (AFM) Untersuchung der Probe zur Validierung durchgeführt. Ein Querschnitt des gleichen Probenbereich ist in 4B gezeigt. Für die gleiche Struktur, eine Höhendifferenz von 2,1 nm zwischen der AFM und der CDHM Messung gefunden. Somit Vergleich zwischen den beiden Verfahren veranschaulicht die Fähigkeit des CDHM. Spezifisch eine MEMS-Vorrichtung zu charakterisieren, 3D statischen Untersuchung einer MEMS-Elektrode durchgeführt wird. Die Vorrichtung besteht aus Silizium mit Goldelektroden Patt gemachterned einen Lift off-Prozess. Im Allgemeinen Silizium basierten MEMS hergestellt sind unter Verwendung von sensiblen Verfahren wie Ätzen oder Abheben Prozess. In beiden Fällen ist von großer Bedeutung , die Fähigkeit , die Änderung der Probenmorphologie während des Herstellungsprozesses zu quantifizieren. Figur 5 zeigt das Messergebnis für diese Probe. Vollständige 3D-Morphologie der Probe beobachtet werden kann. Eine Querschnittslinie (5A) Plot zeigt die Tiefenkarte , die für die Inspektion verwendet werden kann. Die Tiefe des Kanals 632 nm gefunden und der seitliche Abstand zwischen den Elektroden zu sein, wird auch durch die CDH versehen ist, dass es in der Lage ist, eine vollständige quantitative 3D-Analyse der Probe bereitzustellen. Ein Grundstück in der anderen Dimension (5B) zeigt die Oberflächenrauhigkeit der Elektrode zu beweisen , dass die CDHM für Rauheitsmessung auch geeignet ist. Statische Anwendungen in der MEMS-Charakterisierung sind von great Wert, aber die meisten interessanten Prozesse erfordert dynamische Prüfung. Durch die Auswahl geeigneter Aufzeichnungsverfahren ist das System in der Lage CDHM der Inspektion und Charakterisierung Mikrovorrichtungen für sowohl statische als auch dynamische Situationen. 6 zeigt eine Reihe von 3D - Daten eines Mikromembran bei verschiedenen Temperaturen erhalten. Die Membran wurde hergestellt, indem eine dünne Platte auf einem SOI (Silicon on Insulator) Verbinden Waferprobe. Die Probe wird auf einer Heizplatte platziert. Um die thermische Verformung zu messen, wird die Temperatur in 50 ° C variiert Schritte ausgehend von 50 ° C und bis 300 ° C. Die numerische Rekonstruktion der Hologramme für jede Temperatur durchgeführt. Das Hologramm und die Phase bei Umgebungstemperatur wurde zuvor aufgezeichnet. Es wird als Referenzphase verwendet wird. Die Subtraktion des verformten Zustand (Wärmelast) und dem Referenzzustand (Umgebungstemperatur) ergibt die Verformungs Karten. Somit ist eine vollständige Feldanalyse der thermischen Verformung des d<html> iaphragm erhalten. 6G verdeutlicht die Verformung für die verschiedenen Temperaturen. In diesem Fall zeigen die Liniendiagramme, dass die Messung deutliche Rauheit zeigen im Vergleich zu den Ergebnissen bei der statischen Messungen. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/53630/53630fig1.jpg" /> Abbildung 1. Digitale Holografie Aufnahme und Wiederaufbauprozess Schema. Diese Figur zeigt ein Detail der beiden Verfahrensschritte dreidimensionales Bild eines Objekts zu erhalten. Eine Karikatur des Aufzeichnungsprozesses und die daraus resultierende Hologramm dargestellt. Von dem Hologramm, Amplitude und Phase (modulo 2π) des Objekts extrahiert werden. Die Phase wird ausgepackt, die 2π Mehrdeutigkeit zu entfernen. Die 3D - Rekonstruktion wird dann durchgeführt. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53630/53630fig1large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53630/53630fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> &quot;Fo: keep-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/53630/53630fig2.jpg" /> Abbildung 2. Detaillierte Schema des Wiederaufbauprozesses. Diese Figur zeigt eine schematische Darstellung des Rekonstruktionsprozesses Schema. Das digitale Hologramm aufgezeichnet, und die schnelle Fourier-Transformation (FFT) des Bildes durchgeführt wird. Nach nützliche Informationen im Spektrum der Auswahl wird das Bild Fourier Transformed zurück. Dann numerische Erzeugung von Referenzstrahl und Ausbreitung des Hologramms wird simuliert , um die Phase und Amplitude des Objekts unabhängig abrufen. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53630/53630fig2large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> um <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53630/53630fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/53630/53630fig3.jpg" /> Abbildung 3. Schematische Darstellung des CDHM Setup. Diese Figur zeigt eine schematische Darstellung des CDHM Setup ( <strong&gt; A) und ein Foto davon (B). <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53630/53630fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53630/53630fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/53630/53630fig4.jpg" /> Abbildung 4. Vergleich zwischen CDHM und Rasterkraftmikroskop (AFM) Höhenmessung eines US - Luftwaffe Ziel. Diese Abbildung zeigt die Liniendiagramme von einer US - Luftwaffe Zielmikrostruktur , die die CDHM unter Verwendung (A) und ein Atomkraftmikroskop (AFM () B). <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53630/53630fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53630/53630fig4large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/53630/53630fig5.jpg" /> Abbildung 5. 3D - Profil und Liniendiagramm eines MEMS - el<html> ectrode Geräte. Die Messergebnisse eines Silizium MEMS Elektrodenvorrichtung die CDHM verwenden. Liniendiagramm mit grünen Markierungen verwendet , um die Tiefe der Probe abschätzen zu einem bestimmten Querschnitt in x - Richtung (A) und der y - Richtung (B) und ganze Feld Bild zeigt 3D - Ergebnis (C). <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53630/53630fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier um ein</a> , <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53630/53630fig5large.jpg" target="_blank">um zu vergrößern Version dieser Figur.</a> <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/53630/53630fig6.jpg" /> Abbildung 6. Deformations Studie einer Micro - Membran unter thermischer Belastung. Die Bilder zeigen 3D - Deformations Bilder einer Micro - Membran unter thermischer Belastung (AF) und Liniendiagramm zeigt die Evolution der Verformung zu einem bestimmten Querschnitt (G) variiert.t = &quot;_ blank&quot;&gt; Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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

Wir präsentieren eine kompakte Reflexion digitale holografische System (CDHM) zur Inspektion und Charakterisierung von MEMS-Bauelementen. Ein linsenloses Design einen divergierenden Eingangswelle bietet natürliche geometrische Vergrößerung verwendet wird demonstriert. Sowohl statische als auch dynamische Studien vorgestellt.

Compact-Objektiv lose digitale holografische Mikroskop für MEMS-Inspektion und Charakterisierung

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

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

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

10.2K Aufrufe.  Nanyang Technological University.  Wir präsentieren eine kompakte Reflexion digitale holografische System (CDHM) zur Inspektion und Charakterisierung von MEMS-Bauelementen. Ein linsenloses Design einen divergierenden Eingangswelle bietet natürliche geometrische Vergrößerung verwendet wird demonstriert. Sowohl statische als auch dynamische Studien vorgestellt. 

Serie: 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 Quantum Dots für Einzelmolekül-Imaging

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

Forschung

Ingenieurwesen

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.

Bau einer Hohe Auflösung Mikroskop mit Konventionelle und 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 ...

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.

Echtzeit-DC-Vorspannung dynamische Verfahren zur Verbesserung Schaltzeit in stark unterdämpft Fransen-Bereich Elektroantriebe MEMS

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.

Einzigen Ebene Beleuchtungsmodul und Micro-Kapillar-Ansatz für ein Weitfeld-Mikroskop

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.

Umfassende Charakterisierung von ausgedehnten Defekten in Halbleitermaterialien durch ein Rasterelektronenmikroskop

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.

Herstellung von 3D-Carbon-Mikroelektromechanischen Systemen (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.

Demonstration eines Hyperlens integriert Mikroskop und 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 ...

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.

Design und Charakterisierung Methodik für effiziente Weitbereichs-abstimmbaren MEMS-Filter

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.

Mittlere Belastung Rate Materialcharakterisierung mit digitaler Bildkorrelation

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).

Implementierung eines nichtlinearen Mikroskops auf Basis der stimulierten Raman-Streuung

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