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扫描电镜不同程度的自动化|选择适合您工作流程的自动化等级

发布时间: 2021-12-17  点击次数: 345次

您是否还在耗费大量时间获取扫描电镜图像?您是否还在和海量的数据收集和分析做斗争?您是否还在担心人为检测的准确性?自动化等级的初、中、高级水平,适合您的是哪个?


为什么选择扫描电镜自动化?


自扫描电镜(SEM)普及以来,人们一直渴望实现 SEM 自动化。研究人员通过在微观层面研究样品需要人工重复的步骤,可以寻找替代方案来努力提高这些过程的效率。随着 SEM 技术的不断成熟,人们对扫描电镜(SEM)的要求也越来越复杂,比如增加更复杂的图像处理算法,提高分析大量数据的能力等。经过调查发现,人们对于 SEM 自动化的期待主要有 3 个:消除人为误差,节省时间和成本,在海量数据中快速找到目标。

 

用户也许会手动拍摄数百张样品的图片,然后将它们拼接在一起,以获取单个样品的大面积图像;也许会手动结合二次电子(SE)和背散射电子(BSE)像,来观察形貌和成分分布信息;也可能正在手动搜索样品中的微小污染物。

 

研究人员通过分析哪些重复的步骤耗费时间最久,且存在较大的人为误差风险,就能确定哪一个流程可以通过自动化来替代。根据具体的工作流程,可以选择不同的自动化程度。

 

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自动化水平的不同等级

 

一般来说,根据在工作流程中操作人员干预的不同程度,自动化水平可以分为初级、中级、高级。

 

1. 自动化水平 —— 初级

 

初级的自动化水平,仍然需要操作人员的干预。以石棉检测为例,「石棉」一种常用于建筑的天然硅酸盐矿物,但石棉是危险材料,必须遵循相应的规范来评估其风险。

 

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ISO 14966 规范中所述石棉分析的工作流程

 

在这个过程中,可以通过设置一个简单的脚本来帮助操作人员实现初级的石棉自动化分析。在手动检查石棉纤维之前,操作人员可以制作脚本来设置获取的图像数量,图像自动保存,然后操作人员将可疑的纤维继续通过 EDS 能谱进行成分分析。当所有的样品分析结束,对整体的石棉含量进行评估,并与规范中定义的标准值进行对比。如果石棉含量超过一定值,则有必要进行人工干预筛选过程。

 

2. 自动化水平 —— 中级

 

有些情况下,用户希望能通过扫描电镜(SEM)多种功能的组合来达到中级自动化水平。以材料保护涂层的质量检测为例。在汽车行业,磷酸盐转化涂层可以防止钢部件腐蚀,同时也可以提高润滑度。该涂层是通过将该部件浸入含有磷酸和金属磷酸盐的溶液中得到的,因此,锌、锰或磷酸铁的结晶层会沉积在钢部件上。为确保磷酸盐转化涂层工艺的有效性,汽车行业的供应商需要执行严格的质量控制。扫描电镜(SEM)对于评估磷酸盐涂层的覆盖情况非常有帮助:背散射电子(BSD)图像可以明显区分不同的元素。钢在 BSD 图像上看起来很亮,但当它被磷酸盐层覆盖时会变暗。但是,手动分析 SEM 图像会非常费力,并且容易出现人为失误。

 

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磷酸盐涂层质量检测的自动化工艺流程

 

这个工艺流程属于中级的自动化水平,通过使用自动化的编程,用户可以定义缺陷样本的标准,例如涂层含量低于 95% 的样品。在自动分析图像以确定磷酸盐涂层的覆盖率之前,可以自动扫描大面积样品,并将结果转化成报告供用户稍后查看。操作员可以随时运行自动化程序进行检测,并随时查看报告,节省了宝贵的时间并提高了结果的可靠性。

 

3. 自动化水平 —— 高级

 

在某些情况下,用户需要达到高级的自动化水平,例如汽车零部件的清洁度检测。汽车行业的自动变速器等部件是使用精密制造的电动液压部件,即使是极少量的污垢或碎屑也会导致变速器性能下降。为确保其零部件的清洁度,汽车供应商必须严格遵守 VDA19 和 ISO16232 的清洁度标准。在过去,负责生产的工程师使用扫描电镜(SEM)结合 X-Ray 能谱(EDS)来获取汽车部件的清洁度数据,但是这个过程极其费力,通常需要对用户进行专门的培训,并且可能导致生产延迟。

 

现在,用户可以使用先进的自动化技术—— SEM 和 EDS 结合的自动化分析系统,以确认零部件是否符合 VDA19 和 ISO16232 的清洁度标准。用户可以设置特定参数,例如颗粒的粒度范围、分类规则、感兴趣的区域和终止标准,并将它们存储为一个专属的“个性化程序"。然后,只需单击几下,就可以启动样品测试——在分析完成之前无需人工监控。用户可以在夜间或在执行其他工作时同时运行这些程序,从而节省大量时间。并且可以根据汽车行业标准或用户的特定要求自动生成测试报告。分析完成后,用户可以重新观察感兴趣的颗粒以进行进一步分析。

 

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根据 ISO16232 标准,生成专用的清洁度自动化分析软件

 

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Phenom ParticleX 全自动清洁度检测系统自动输出详细的颗粒数据,并进行自动归类

 

在钢铁的实际生产过程中,为了确定钢铁质量并将生产过程达到更高的水平,专用的自动化软件可用于钢铁夹杂物的自动化分析,并结合三元图显示的结果,可以直观看出夹杂物出现在不同的时间点,以进一步指导优化炼钢工艺。

 

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自动化分析面临的挑战和解决方案

 

虽然实现自动化具有非常明显的优势,但对于用户来说,有时存在着一些挑战和问题。如何克服这些问题,很多用户也迫切地想要找到答案。

 

挑战一:缺乏编程的能力

 

实现自动化,用户首先面临的问题便是:编写自动化的程序。虽然现在扫描电镜(SEM)可以通过编程来获取高质量的 SEM 数据,但用户必须具备使用编程语言(如 Python)的能力。Python 相对容易实现,但大部分用户可能并没有时间或精力投入到编程工作中。

 

解决方案

 

对于具有一定编程能力的用户,可以使用飞纳编程界面(Phenom Programming Interface,简称 PPI),便可以控制扫描电镜电镜的任何部分(包括移动台、导航相机、电镜控制等)。PPI 广泛支持 C++、Python、NET 等语言,支持 Windows、Linux、macOS 等操作系统,支持包括从简单的产量增强脚本,到复杂的全自主自动化流水脚本,具有多样性。

 

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对于不具有编程能力,且希望把电镜集成到生产流程中或想创建定制化解决方案的客户来说,可以把制作定制化解决方案的过程交给飞纳电镜。基于您的工作流程及行业需求,来开发专属的自动化解决方案。

 

挑战二:自动化工作流程中存在突发故障的可能性

 

传统钨灯丝扫描电镜的灯丝会在 100 小时后突然断裂,如果经常使用传统钨灯丝扫描电镜,通常需要每周更换一次灯丝。这也就意味着自动化的工作流程可能会在无人监控的过程中突然失效,需要花费额外的时间和金钱来重复自动化的工作流程。

 

解决方案

 

选择六硼化铈 (CeB6) 灯丝的飞纳台式扫描电镜,便可以避免这个问题。钨灯丝在成像过程中会挥发且会突然断裂,有时甚至会污染 SEM 的其他部分。CeB6 灯丝的平均使用寿命至少为 1,500 小时,使用寿命可以预测,且需要更换的次数要少得多。

 

挑战三:SEM 的使用具有一定的时间局限性

 

产线上的仪器设备需要昼夜不停,用户非常担心自动化的扫描电镜(SEM)工作流程会限制其他研究人员使用 SEM 的情况。

 

解决方案

 

飞纳电镜的全自动化方案具有一个非常重要的好处:能够在夜间、周末和其他无人在场的时间自动化运行工作流程。通过设置在低使用率期间进行自动化工作流程,用户便可以将扫描电镜(SEM)的利用率进行zui大化,确保他们获得 SEM 的最大使用价值。

 

总而言之,通过扫描电镜(SEM)自动化,用户可以减少分析大量样品所产生的人为误差,及早发现故障,以便在付出更高代价之前快速调整生产流程,进一步减少由劣质原材料生产出缺陷成品造成的不必要损失,工作人员也可以腾出更多的时间和精力来进行更有意义的工作。

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