Speckle pattern interferometry : vibration measurement based on a novel CMOS camera

A digital speckle pattern interferometer based on a novel custom complementary metaloxide- semiconductor (CMOS) array detector is described. The temporal evolution of the dynamic deformation of a test object is measured using inter-frame phase stepping. The flexibility of the CMOS detector is used to identify regions of interest with full-field time averaged measurements and then to interrogate those regions with time-resolved measurements sampled at up to 7 kHz. The maximum surface velocity that can be measured and the number of measurement points are limited by the frame rate and the data transfer rate of the detector. The custom sensor used in this work is a modulated light camera (MLC), whose pixel design is still based on the standard four transistor active pixel sensor (APS), but each pixel has four large independently shuttered capacitors that drastically boost the well capacity from that of the diode alone. Each capacitor represents a channel which has its own shutter switch and can either be operated independently or in tandem with others. The particular APS of this camera enables a novel approach in how the data are acquired and then processed. In this Thesis we demonstrate how, at a given frame rate and at a given number of measurement points, the data transfer rate of our system is increased if compared to the data transfer rate of a system using a standard approach. Moreover, under some assumptions, the gain in system bandwidth doesn’t entail any reduction in the maximum surface velocity that can be reliably measured with inter-frame phase stepping

Liquid Metal Printing with Scanning Probe Lithography for Printed Electronics

In den letzten Jahren hat das „Internet der Dinge“ (Englisch Internet of Things, abgekürzt IoT), das auch als Internet of Everything (Deutsch frei „Internet von Allem“) bezeichnet wird, mit dem Aufkommen der „Industrie 4.0“ einen Strom innovativer und intelligenter sensorgestützter Elektronik der neuen Generation in den Alltag gebracht. Dies erfordert auch die Herstellung einer riesigen Anzahl von elektronischen Bauteilen, einschließlich Sensoren, Aktoren und anderen Komponenten. Gleichzeitig ist die herkömmliche Elektronikfertigung zu einem hochkomplexen und investitionsintensiven Prozess geworden. In dem Maße, wie die Zahl der elektronischen Bauteile und die Nachfrage nach neuen, fortschrittlicheren elektronischen Bauteilen zunimmt, steigt auch die Notwendigkeit, effizientere und nachhaltigere Wege zur Herstellung dieser Bauteile zu finden. Die gedruckte Elektronik ist ein wachsender Markt, der diese Nachfrage befriedigen und die Zukunft der Herstellung von elektronischen Geräten neu gestalten könnte. Sie erlaubt eine einfache und kostengünstige Produktion und ermöglicht die Herstellung von Geräten auf Papier- oder Kunststoffsubstraten. Für die Herstellung gibt es dabei eine Vielzahl von Methoden. Techniken auf der Grundlage der Rastersondenlithografie waren dabei schon immer Teil der gedruckten Elektronik und haben zu Innovationen in diesem Bereich geführt. Obwohl die Technologie noch jung ist und der derzeitige Stand der gedruckten Elektronik im industriellen Maßstab, wie z. B. die Herstellung kompletter integrierter Schaltkreise, stark limitiert ist, sind die potenziellen Anwendungen enorm. Im Mittelpunkt der Entwicklung gedruckter elektronischer Schaltungen steht der Druck leitfähiger und anderer funktionaler Materialien. Die meisten der derzeit verfügbaren Arbeiten haben sich dabei auf die Verwendung von Tinten auf Nanopartikelbasis konzentriert. Die Herstellungsschritte auf der Grundlage von Tinten auf Nanopartikelbasis sind komplizierte Prozesse, da sie das Ausglühen (Englisch Annealing) und weitere Nachbearbeitungsschritte umfassen, um die gedruckten Muster leitfähig zu machen. Die Verwendung von Gallium-basierten, bei/nahe Raumtemperatur flüssigen Metallen und deren direktes Schreiben für vollständig gedruckte Elektronik ist immer noch ungewöhnlich, da die Kombination aus dem Vorhandensein einer Oxidschicht, hohen Oberflächenspannungen und Viskosität ihre Handhabung erschwert. Zu diesem Zweck zielt diese Arbeit darauf ab, Methoden zum Drucken von Materialien, einschließlich Flüssigmetallen, zu entwickeln, die mit den verfügbaren Druckmethoden nicht oder nur schwer gedruckt werden können und diese Methoden zur Herstellung vollständig gedruckter elektronischer Bauteile zu verwenden. Weiter werden Lösungen für Probleme während des Druckprozesses untersucht, wie z. B. die Haftung der Tinte auf dem Substrat und andere abscheidungsrelevante Aspekte. Es wird auch versucht, wissenschaftliche Fragen zur Stabilität von gedruckten elektronischen Bauelementen auf Flüssigmetallbasis zu beantworten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine auf Glaskapillaren basierenden Direktschreibmethode für das Drucken von Flüssigmetallen, hier Galinstan, entwickelt. Die Methode wurde auf zwei unterschiedlichen Wegen implementiert: Einmal in einer „Hochleistungsversion“, basierend auf einem angepassten Nanolithographiegerät, aber ebenfalls in einer hochflexiblen, auf Mikromanipulatoren basierenden Version. Dieser Aufbau erlaubt einen on-the-fly („im Fluge“) kapillarbasierten Druck auf einer breiten Palette von Geometrien, wie am Beispiel von vertikalen, vertieften Oberflächen sowie gestapelten 3D-Gerüsten als schwer zugängliche Oberflächen gezeigt wird. Die Arbeit erkundet den potenziellen Einsatz dieser Methode für die Herstellung von vollständig gedruckten durch Flüssigmetall ermöglichten Bauteilen, einschließlich Widerständen, Mikroheizer, p-n-Dioden und Feldeffekttransistoren. Alle diese elektronischen Bauelemente werden ausführlich charakterisiert. Die hergestellten Mikroheizerstrukturen werden für temperaturgeschaltete Mikroventile eingesetzt, um den Flüssigkeitsstrom in einem Mikrokanal zu kontrollieren. Diese Demonstration und die einfache Herstellung zeigt, dass das Konzept auch auf andere Anwendungen, wie z.B. die bedarfsgerechte Herstellung von Mikroheizern für in-situ Rasterelektronenmikroskop-Experimente, ausgeweitet werden kann. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, wie PMMA-Verkapselung als effektive Barriere gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit fungiert und zusätzlich als brauchbarer mechanischer Schutz der auf Flüssigmetall basierenden gedruckten elektronischen Bauteile wirken kann. Insgesamt zeigen der alleinstehende, integrierte Herstellungsablauf und die Funktionalität der Geräte, dass das Potenzial des Flüssigmetall-Drucks in der gedruckten Elektronik viel größer ist als einzig die Verwendung zur Verbindung konventioneller elektronischer Bauteile. Neben der Entwicklung von Druckverfahren und der Herstellung elektronischer Bauteile befasst sich die Arbeit auch mit der Korrosion und der zusätzlichen Legierung von konventionellen Metallelektroden in Kontakt mit Flüssigmetallen, welche die Stabilität der Bauteil beinträchtigen könnten. Zu diesem Zweck wurde eine korrelierte Materialinteraktionsstudie von gedruckten Galinstan- und Goldelektroden durchgeführt. Durch die kombinierte Anwendung von optischer Mikroskopie, vertikaler Rasterinterferometrie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenphotonenspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie konnte der Ausbreitungsprozess von Flüssigmetalllinien auf Goldfilmen eingehend charakterisiert werden. Diese Studie zeigt eine unterschiedliche Ausbreitung der verschiedenen Komponenten des Flüssigmetalls sowie die Bildung von intermetallischen Nanostrukturen auf der umgebenden Goldfilmoberfläche. Auf der Grundlage der erhaltenen zeitabhängigen, korrelierten Charakterisierungsergebnisse wird ein Modell für den Ausbreitungsprozess vorgeschlagen, das auf dem Eindringen des Flüssigmetalls in den Goldfilm basiert. Um eine ergänzende Perspektive auf die interne Nanostruktur zu erhalten, wurde die Röntgen-Nanotomographie eingesetzt, um die Verteilung von Gold, Galinstan und intermetallischen Phasen in einem in das Flüssigmetall getauchten Golddraht zu untersuchen. Schlussendlich werden Langzeitmessungen des Widerstands an Flüssigmetallleitungen, die Goldelektroden verbinden, durchgeführt, was dazu beiträgt, die Auswirkungen von Materialwechselwirkungen auf elektronische Anwendungen zu bewerten

Development of a simple full field optical coherence tomography system and its applications

Optical coherence tomography (OCT) is a versatile and powerful imaging technique widely used in biomedical applications. It employs non-destructive radiation and performs non-contact micrometre-scale cross-sectional imaging of the sample structure. However, classic OCT systems generally apply a single-point detection scheme, which creates inefficiencies in terms of the experimental alignment of system, the point-by-point signal acquisition process and the measurement speed. One of its variants, full-field optical coherence tomography (FF-OCT) employs parallel illumination and directly acquires en-face images with a complementary camera, hence omitting the need of electromechanical lateral scans as in classic OCT systems. Current FF-OCT systems could offer more efficient measurement procedures as well as superior imaging performance, however, they are neither economically viable nor universally applicable to different applications. There is a need for a simplified low cost system to make such a powerful technology readily available for a wide range of applications. In this thesis, the development of a low cost simple FF-OCT system is described from its system setup, experimental procedures, data analysis, and system performance. The system consists of only essential components including probing lens and a beam-splitter, together with a low cost infrared LED source and CMOS camera. During the measurement, the system only requires to control the axial movement of the sample arm and the image acquisition by the camera. For the imaging of a sample with a depth of 100 um, the FF-OCT measurement only takes less than two minutes. The time-efficient measurement with the simple system offers great advantage over the developed phase-shifting FF-OCT system, which requires lengthy measurement and excessive operations, despite the decoupling of signal strength and instantaneous phase with penetration depth. Therefore, compared to state-of-the-art systems, it has the advantage of being low-cost, fast image acquisition speed and simple experimental operations. For the data analysis of tomographic imaging, the axial position of a structural feature is determined by that of the envelope, which is obtained by processing raw FF-OCT signal with Hilbert transform. The imaging performance of the simple system is measured to have a spatial resolution of 3.6 x 10.3 um2 (axial x lateral) and a system sensitivity of 74 dB. The characterisation of small-size pharmaceutical pellet coatings, bovine corneal layers and paint films is to demonstrate the potential of the simple FF-OCT system for the tomographic imaging. The layered structures and internal morphology features can be revealed by analysing the measured FF-OCT B-scan images and A-scan signals. First of all, the simple FF-OCT system is capable of performing accurate and quick measurements of pellet coatings, which are validated by the XuCT technique. FF-OCT imaging can provide a spatial characterisation of coating layers, an accurate determination of coating thickness, and an estimation of coating uniformity and porosity, making the simple system a powerful tool for the coating evaluation of similar pharmaceutical pellets. Secondly, the simple system can detect corneal surfaces and the two anterior layers of bovine cornea. This could permit the prediction of the corneal oedematous state and epithelial erosions by the analysis of the FF-OCT results of the corneal structure. Thirdly, the simple system is capable of revealing the surface and subsurface of basecoat and clearcoat films. The measurement of their paint thicknesses is also verified by the reference profilometry results. FF-OCT imaging can provide further spatial evaluation of a paint film and the areal thickness map could be obtained. The study of these paint samples with the simple system might provide an indication for the FF-OCT measurement of industrial automotive paint. For the data analysis of the surface topography, the axial position of the surface is obtained by applying interpolation and a minimum search algorithm to the raw FF-OCT signal. This allows sub-micrometre depth precision to be obtained with the simple system. In the validation of the measurement of the surface topography, a less than 10 nm deviation of the FF-OCT measurement is found compared to the AFM measurement of a nanostructured step-like surface. The capability of the simple system for the surface topography is further illustrated by the determination of the electrode thickness of semiconductor microelectronics. By analysing the phase change upon reflections and the optical path lengths during the measurement, the step-like structure and the sandwich configuration can be revealed from the measured FF-OCT surface maps. The usefulness of the simple system is presented in the surface topography of PMMA models. It is demonstrated that the areal refractive power can be obtained by analysing the 2-D curvature of the FF-OCT measured surface map, which is useful in the identification of surface irregularity