Microscopía acústica - Acoustic microscopy
La microscopía acústica es una microscopía que emplea ultrasonidos de muy alta o ultra alta frecuencia . Los microscopios acústicos operan de forma no destructiva y penetran la mayoría de los materiales sólidos para hacer imágenes visibles de características internas, incluidos defectos como grietas, delaminaciones y huecos .
Historia
La noción de microscopía acústica se remonta a 1936 cuando S. Ya. Sokolov propuso un dispositivo para producir vistas ampliadas de la estructura con ondas sonoras de 3 GHz. Sin embargo, debido a las limitaciones tecnológicas de la época, no se pudo construir tal instrumento, y no fue hasta 1959 que Dunn y Fry realizaron los primeros experimentos de microscopía acústica, aunque no a frecuencias muy altas.
La literatura científica muestra muy poco progreso hacia un microscopio acústico siguiendo los experimentos de Dunn y Fry hasta aproximadamente 1970 cuando surgieron dos grupos de actividad, uno encabezado por CF Quate (Universidad de Stanford) y el otro por A. Korpel y LW Kessler (Zenith Radio Laboratorios de investigación). Los primeros esfuerzos para desarrollar un microscopio acústico operativo se concentraron en las adaptaciones de alta frecuencia de los métodos de visualización ultrasónica de baja frecuencia. Uno de los primeros sistemas empleaba imágenes por difracción de Bragg , que se basa en la interacción directa entre un campo de ondas acústicas y un rayo de luz láser. Otro ejemplo se basó en variaciones de la celda de Pohlman. El dispositivo original se basa en una suspensión de partículas asimétricas en una fina capa de fluido que, cuando actúa sobre la energía acústica, produce cambios de reflectividad visual. Cunningham y Quate modificaron esto al suspender pequeñas esferas de látex en un fluido. La presión acústica provocó cambios de población que eran visualmente detectables. Kessler y Sawyer desarrollaron una celda de cristal líquido que permitía detectar el sonido mediante la orientación hidrodinámica del fluido. En 1973, el grupo Quate comenzó el desarrollo de un concepto, que utilizó el primer microscopio acústico de barrido (SAM) con un par confocal de lentes ultrasónicas de 50 MHz para enfocar y detectar la energía ultrasónica. En 1974, este concepto fue realizado por RA Lemons y CF Quate en el Laboratorio de Microondas de la Universidad de Stanford . Los avances de este instrumento, un microscopio acústico de barrido, tienen que ver con lograr una resolución muy alta, modos novedosos de obtención de imágenes y aplicaciones. El SAM fue introducido comercialmente por Leitz Corp y por Olympus Corp. En 1970, el grupo Korpel y Kessler comenzaron a buscar un sistema de detección de láser de barrido para microscopía acústica. En 1974, la actividad se trasladó a otra organización de Kessler (Sonoscan Inc), donde se desarrollaron los aspectos prácticos del instrumento. Este instrumento, el microscopio acústico láser de barrido (SLAM), se comercializó en 1975.
En 1980, Roman Maev y sus estudiantes construyeron el primer SAM en modo de transmisión directa de alta resolución (con una frecuencia de hasta 500 MHz) en su Laboratorio de Introscopia Biofísica de la Academia de Ciencias de Rusia . El primer SAM ELSAM comercial con un amplio rango de frecuencia desde 100 MHz hasta 1.8 GHz ultra alto fue construido en Ernst Leitz GmbH (Wetzlar, Alemania) por el grupo liderado por Martin Hoppe y sus consultores Abdullah Atalar (Universidad de Stanford, EE. UU.). Roman Maev ( Academia de Ciencias de Rusia, Rusia) y Andrew Briggs (Univ. De Oxford, Gran Bretaña).
Al mismo tiempo, en 1984, el grupo de Kessler completó el desarrollo del concepto de instrumento C-SAM que operaba en el modo de reflexión, así como en el modo de transmisión (único) del SLAM. El uso del mismo transductor para pulsar el ultrasonido y recibir los ecos de retorno significó que la imagen acústica podría limitarse fácilmente a una profundidad de interés. Este diseño fue el precursor de prácticamente todos los microscopios acústicos que se utilizan hoy en día, y fue el desarrollo que hizo posible numerosos avances posteriores, como imágenes acústicas de sección transversal, imágenes acústicas tridimensionales y otros.
Desde entonces, se han realizado muchas mejoras en los sistemas de microscopía acústica para mejorar la resolución, la calidad y la precisión de la imagen. La mayoría de ellos se describen en detalle en el libro Briggs, Andrew (1992). Avanzado en Microscopía Acústica . Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-1-4615-1873-0 . , Maev, Roman (2008). Microscopía acústica: fundamentos y aplicaciones . Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40744-6 . , así como recientemente en Maev, Roman (2013). Avances en microscopía acústica e imágenes ultrasónicas de alta resolución: de los principios a las nuevas aplicaciones . Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-41056-9 . .
Tipos de microscopios acústicos
En el medio siglo transcurrido desde los primeros experimentos que condujeron directamente al desarrollo de microscopios acústicos, se han desarrollado al menos tres tipos básicos de microscopios acústicos. Estos son el microscopio acústico de barrido (SAM), el microscopio acústico de barrido confocal (CSAM) y el microscopio acústico de barrido en modo C (C-SAM).
Más recientemente, los microscopios acústicos basados en sistemas ultrasónicos de picosegundos han demostrado imágenes acústicas en células que utilizan longitudes de onda subópticas que trabajan con frecuencias ultrasónicas en varios GHz. Dado que la gran mayoría de los microscopios acústicos que se utilizan hoy en día son instrumentos de tipo C-SAM, esta discusión se limitará a estos instrumentos.
Comportamiento del ultrasonido en materiales
El ultrasonido se define ampliamente como cualquier sonido que tenga una frecuencia superior a 20 kHz, que es aproximadamente la frecuencia más alta que puede ser detectada por el oído humano. Sin embargo, los microscopios acústicos emiten ultrasonidos que van desde 5 MHz hasta más de 400 MHz, de modo que se puede lograr una resolución de tamaño micrométrico. El ultrasonido que penetra en una muestra puede ser dispersado, absorbido o reflejado por las características internas o el propio material. Estas acciones son análogas al comportamiento de la luz. El ultrasonido que se refleja desde una característica interna, o (en algunas aplicaciones) que ha viajado a través de todo el espesor de la muestra, se utiliza para crear imágenes acústicas.
Tipos de muestras y preparación
Las muestras no necesitan un tratamiento especial antes de la obtención de imágenes acústicas, pero deben poder soportar al menos una breve exposición al agua u otro fluido, ya que el aire es un transmisor muy pobre de la energía acústica de alta frecuencia del transductor. La muestra puede sumergirse completamente en el agua o escanearse con un chorro estrecho de agua. Alternativamente, se pueden usar alcoholes y otros fluidos para no contaminar la muestra. Las muestras suelen tener al menos una superficie plana que se puede escanear, aunque las muestras cilíndricas y esféricas también se pueden escanear con los accesorios adecuados. En los siguientes párrafos, la muestra que se describe es un circuito integrado encapsulado en plástico.
Frecuencias ultrasónicas
Las frecuencias ultrasónicas pulsadas en las muestras por los transductores de los microscopios acústicos varían desde un mínimo de 10 MHz (rara vez, 5 MHz) hasta un máximo de 400 MHz o más. A lo largo de este espectro de frecuencias, existe una compensación entre la penetración y la resolución . El ultrasonido a bajas frecuencias, como 10 MHz, penetra más profundamente en los materiales que el ultrasonido a frecuencias más altas, pero la resolución espacial de la imagen acústica es menor. Por otro lado, los ultrasonidos a frecuencias muy altas no penetran profundamente, pero proporcionan imágenes acústicas de muy alta resolución. La frecuencia elegida para obtener imágenes de una muestra en particular dependerá de la geometría de la pieza y de los materiales involucrados.
La imagen acústica del IC encapsulado en plástico que se muestra a continuación se realizó con un transductor de 30 MHz porque esta frecuencia proporciona un buen compromiso entre la penetración y la resolución de la imagen.
Proceso de escaneo
El transductor ultrasónico escanea la superficie superior de la muestra. Varios miles de pulsos entran en la muestra cada segundo. Cada pulso puede dispersarse o absorberse al pasar por partes homogéneas de la muestra. En las interfaces de materiales, una parte del pulso se refleja de regreso al transductor, donde se recibe y se registra su amplitud.
La porción del pulso que se refleja está determinada por la impedancia acústica , Z, de cada material que se encuentra en la interfaz. La impedancia acústica de un material dado es la densidad del material multiplicada por la velocidad del ultrasonido en ese material. Cuando un pulso de ultrasonido encuentra una interfaz entre dos materiales, el grado de reflexión ultrasónica de esa interfaz se rige por esta fórmula:
donde R es la fracción de reflexión, y z 1 y z 2 son las impedancias acústicas de los dos materiales, análoga al índice de refracción en la propagación de la luz.
Si ambos materiales son sólidos típicos, el grado de reflexión será moderado y una parte significativa del pulso viajará más profundamente en la muestra, donde puede reflejarse en parte por interfaces de material más profundas. Si uno de los materiales es un gas como el aire, como en el caso de las delaminaciones, grietas y huecos, el grado de reflexión en la interfaz sólido-gas es cercano al 100%, la amplitud del pulso reflejado es muy alta. y prácticamente ninguno de los pulsos penetra más profundamente en la muestra.
Puerta de los ecos de retorno
Un pulso de ultrasonido del transductor viaja nanosegundos o microsegundos para alcanzar una interfaz interna y se refleja de regreso al transductor. Si hay varias interfaces internas a diferentes profundidades, los ecos llegan al transductor en diferentes momentos. Las imágenes acústicas planas no suelen utilizar todos los ecos de retorno de todas las profundidades para hacer la imagen acústica visible. En cambio, se crea una ventana de tiempo que acepta solo aquellos ecos de retorno de la profundidad de interés. Este proceso se conoce como "bloqueo" de los ecos de retorno.
Finalmente, el CI encapsulado en plástico se dio la vuelta y se tomó una imagen de la parte posterior. Los ecos de retorno se sincronizaron en la profundidad donde el compuesto del molde de la parte trasera interactúa con la parte trasera de la paleta del troquel. Los pequeños puntos negros en la imagen acústica de arriba son pequeños huecos (burbujas atrapadas) en el compuesto del molde.
Otros tipos de imágenes
Las imágenes acústicas que se muestran arriba son todas imágenes planas, llamadas así porque hacen visible un plano horizontal dentro de la muestra. Los datos acústicos recibidos en las señales de eco de retorno también se pueden usar para crear otros tipos de imágenes, incluidas imágenes tridimensionales, imágenes transversales e imágenes a través de escaneo.
Gama de aplicaciones
Las muestras de las que se obtienen imágenes mediante microscopios acústicos son típicamente conjuntos de uno o más materiales sólidos que tienen al menos una superficie que es plana o curvada regularmente. La profundidad de interés puede implicar una unión interna entre materiales o una profundidad a la que puede ocurrir un defecto en un material homogéneo. Además, las muestras se pueden caracterizar sin formación de imágenes para determinar, por ejemplo, su impedancia acústica.
Debido a su capacidad para encontrar características de visualización de forma no destructiva, los microscopios acústicos se utilizan ampliamente en la producción de componentes y ensamblajes electrónicos para el control de calidad, la confiabilidad y el análisis de fallas. Por lo general, el interés está en encontrar y analizar defectos internos como delaminaciones, grietas y huecos, aunque también se puede usar un microscopio acústico simplemente para verificar (mediante caracterización o imagen del material, o ambas) que una pieza o un material dado cumple con las especificaciones o , en algunos casos, no es una falsificación. Los microscopios acústicos también se utilizan para obtener imágenes de placas de circuitos impresos y otros conjuntos.
Además, existen numerosas aplicaciones fuera de la electrónica. En muchas industrias, los productos que involucran tubos, materiales cerámicos, materiales compuestos o varios tipos de uniones unidas, incluidas capas adhesivas y diferentes soldaduras, se pueden obtener imágenes acústicas.
El ensamblaje de numerosos productos médicos utiliza microscopios acústicos para investigar las uniones y características internas. Por ejemplo, se puede obtener una imagen de una película de polímero para examinar su unión a una placa de plástico multicanal utilizada en análisis de sangre. SAM puede proporcionar datos sobre la elasticidad de las células y los tejidos duros y blandos, lo que puede proporcionar información útil sobre las fuerzas físicas que mantienen las estructuras en una forma particular y la mecánica de estructuras como el citoesqueleto . Estos estudios son particularmente valiosos para investigar procesos como la motilidad celular .
Otra dirección prometedora fue iniciada por diferentes grupos en el mundo para diseñar y construir SAM portátil de mano para imágenes 3D del subsuelo y diagnóstico de tejidos blandos y duros y esta dirección se está desarrollando con éxito en la actualidad con el objetivo de implementar esos métodos en la clínica y la cosmetología. práctica.
También durante la última década se expresó el interés de aplicar métodos de microscopía acústica para la inspección no invasiva en 3D de las capas de pintura de arte pintado y otros objetos del patrimonio artístico y cultural.
Ver también
- Interferómetro acústico
- Escaneo de holografía por ultrasonido de campo cercano
- Biomicroscopía por ultrasonidos
- Transductor ultrasónico capacitivo micromecanizado