掃描電鏡不同程度的自動(dòng)化｜選擇適合您工作流程的自動(dòng)化等級

您是否還在耗費大量時(shí)間獲取掃描電鏡圖像？您是否還在和海量的數據收集和分析做斗爭？您是否還在擔心人為檢測的準確性？自動(dòng)化等級的初、中、高級水平，適合您的是哪個(gè)？

為什么選擇掃描電鏡自動(dòng)化？

自?huà)呙桦婄R（SEM）普及以來(lái)，人們一直渴望實(shí)現 SEM 自動(dòng)化。研究人員通過(guò)在微觀(guān)層面研究樣品需要人工重復的步驟，可以尋找替代方案來(lái)努力提高這些過(guò)程的效率。隨著(zhù) SEM 技術(shù)的不斷成熟，人們對掃描電鏡（SEM）的要求也越來(lái)越復雜，比如增加更復雜的圖像處理算法，提高分析大量數據的能力等。經(jīng)過(guò)調查發(fā)現，人們對于 SEM 自動(dòng)化的期待主要有 3 個(gè)：消除人為誤差，節省時(shí)間和成本，在海量數據中快速找到目標。

用戶(hù)也許會(huì )手動(dòng)拍攝數百張樣品的圖片，然后將它們拼接在一起，以獲取單個(gè)樣品的大面積圖像；也許會(huì )手動(dòng)結合二次電子（SE）和背散射電子（BSE）像，來(lái)觀(guān)察形貌和成分分布信息；也可能正在手動(dòng)搜索樣品中的微小污染物。

研究人員通過(guò)分析哪些重復的步驟耗費時(shí)間最久，且存在較大的人為誤差風(fēng)險，就能確定哪一個(gè)流程可以通過(guò)自動(dòng)化來(lái)替代。根據具體的工作流程，可以選擇不同的自動(dòng)化程度。

自動(dòng)化水平的不同等級

一般來(lái)說(shuō)，根據在工作流程中操作人員干預的不同程度，自動(dòng)化水平可以分為初級、中級、高級。

1. 自動(dòng)化水平 —— 初級

初級的自動(dòng)化水平，仍然需要操作人員的干預。以石棉檢測為例，「石棉」一種常用于建筑的天然硅酸鹽礦物，但石棉是危險材料，必須遵循相應的規范來(lái)評估其風(fēng)險。

ISO 14966 規范中所述石棉分析的工作流程

在這個(gè)過(guò)程中，可以通過(guò)設置一個(gè)簡(jiǎn)單的腳本來(lái)幫助操作人員實(shí)現初級的石棉自動(dòng)化分析。在手動(dòng)檢查石棉纖維之前，操作人員可以制作腳本來(lái)設置獲取的圖像數量，圖像自動(dòng)保存，然后操作人員將可疑的纖維繼續通過(guò) EDS 能譜進(jìn)行成分分析。當所有的樣品分析結束，對整體的石棉含量進(jìn)行評估，并與規范中定義的標準值進(jìn)行對比。如果石棉含量超過(guò)一定值，則有必要進(jìn)行人工干預篩選過(guò)程。

2. 自動(dòng)化水平 —— 中級

有些情況下，用戶(hù)希望能通過(guò)掃描電鏡（SEM）多種功能的組合來(lái)達到中級自動(dòng)化水平。以材料保護涂層的質(zhì)量檢測為例。在汽車(chē)行業(yè)，磷酸鹽轉化涂層可以防止鋼部件腐蝕，同時(shí)也可以提高潤滑度。該涂層是通過(guò)將該部件浸入含有磷酸和金屬磷酸鹽的溶液中得到的，因此，鋅、錳或磷酸鐵的結晶層會(huì )沉積在鋼部件上。為確保磷酸鹽轉化涂層工藝的有效性，汽車(chē)行業(yè)的供應商需要執行嚴格的質(zhì)量控制。掃描電鏡（SEM）對于評估磷酸鹽涂層的覆蓋情況非常有幫助：背散射電子（BSD）圖像可以明顯區分不同的元素。鋼在 BSD 圖像上看起來(lái)很亮，但當它被磷酸鹽層覆蓋時(shí)會(huì )變暗。但是，手動(dòng)分析 SEM 圖像會(huì )非常費力，并且容易出現人為失誤。

磷酸鹽涂層質(zhì)量檢測的自動(dòng)化工藝流程

這個(gè)工藝流程屬于中級的自動(dòng)化水平，通過(guò)使用自動(dòng)化的編程，用戶(hù)可以定義缺陷樣本的標準，例如涂層含量低于 95% 的樣品。在自動(dòng)分析圖像以確定磷酸鹽涂層的覆蓋率之前，可以自動(dòng)掃描大面積樣品，并將結果轉化成報告供用戶(hù)稍后查看。操作員可以隨時(shí)運行自動(dòng)化程序進(jìn)行檢測，并隨時(shí)查看報告，節省了寶貴的時(shí)間并提高了結果的可靠性。

3. 自動(dòng)化水平 —— 高級

在某些情況下，用戶(hù)需要達到高級的自動(dòng)化水平，例如汽車(chē)零部件的清潔度檢測。汽車(chē)行業(yè)的自動(dòng)變速器等部件是使用精密制造的電動(dòng)液壓部件，即使是極少量的污垢或碎屑也會(huì )導致變速器性能下降。為確保其零部件的清潔度，汽車(chē)供應商必須嚴格遵守 VDA19 和 ISO16232 的清潔度標準。在過(guò)去，負責生產(chǎn)的工程師使用掃描電鏡（SEM）結合 X-Ray 能譜（EDS）來(lái)獲取汽車(chē)部件的清潔度數據，但是這個(gè)過(guò)程極其費力，通常需要對用戶(hù)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的培訓，并且可能導致生產(chǎn)延遲。

現在，用戶(hù)可以使用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)—— SEM 和 EDS 結合的自動(dòng)化分析系統，以確認零部件是否符合 VDA19 和 ISO16232 的清潔度標準。用戶(hù)可以設置特定參數，例如顆粒的粒度范圍、分類(lèi)規則、感興趣的區域和終止標準，并將它們存儲為一個(gè)專(zhuān)屬的“個(gè)性化程序"。然后，只需單擊幾下，就可以啟動(dòng)樣品測試——在分析完成之前無(wú)需人工監控。用戶(hù)可以在夜間或在執行其他工作時(shí)同時(shí)運行這些程序，從而節省大量時(shí)間。并且可以根據汽車(chē)行業(yè)標準或用戶(hù)的特定要求自動(dòng)生成測試報告。分析完成后，用戶(hù)可以重新觀(guān)察感興趣的顆粒以進(jìn)行進(jìn)一步分析。

根據 ISO16232 標準，生成專(zhuān)用的清潔度自動(dòng)化分析軟件

Phenom ParticleX 全自動(dòng)清潔度檢測系統自動(dòng)輸出詳細的顆粒數據，并進(jìn)行自動(dòng)歸類(lèi)

在鋼鐵的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為了確定鋼鐵質(zhì)量并將生產(chǎn)過(guò)程達到更高的水平，專(zhuān)用的自動(dòng)化軟件可用于鋼鐵夾雜物的自動(dòng)化分析，并結合三元圖顯示的結果，可以直觀(guān)看出夾雜物出現在不同的時(shí)間點(diǎn)，以進(jìn)一步指導優(yōu)化煉鋼工藝。

自動(dòng)化分析面臨的挑戰和解決方案

雖然實(shí)現自動(dòng)化具有非常明顯的優(yōu)勢，但對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，有時(shí)存在著(zhù)一些挑戰和問(wèn)題。如何克服這些問(wèn)題，很多用戶(hù)也迫切地想要找到答案。

挑戰一：缺乏編程的能力

實(shí)現自動(dòng)化，用戶(hù)首先面臨的問(wèn)題便是：編寫(xiě)自動(dòng)化的程序。雖然現在掃描電鏡（SEM）可以通過(guò)編程來(lái)獲取高質(zhì)量的 SEM 數據，但用戶(hù)必須具備使用編程語(yǔ)言（如 Python）的能力。Python 相對容易實(shí)現，但大部分用戶(hù)可能并沒(méi)有時(shí)間或精力投入到編程工作中。

解決方案

對于具有一定編程能力的用戶(hù)，可以使用飛納編程界面（Phenom Programming Interface，簡(jiǎn)稱(chēng) PPI），便可以控制掃描電鏡電鏡的任何部分（包括移動(dòng)臺、導航相機、電鏡控制等）。PPI 廣泛支持 C++、Python、NET 等語(yǔ)言，支持 Windows、Linux、macOS 等操作系統，支持包括從簡(jiǎn)單的產(chǎn)量增強腳本，到復雜的全自主自動(dòng)化流水腳本，具有多樣性。

對于不具有編程能力，且希望把電鏡集成到生產(chǎn)流程中或想創(chuàng )建定制化解決方案的客戶(hù)來(lái)說(shuō)，可以把制作定制化解決方案的過(guò)程交給飛納電鏡?；谀墓ぷ髁鞒碳靶袠I(yè)需求，來(lái)開(kāi)發(fā)專(zhuān)屬的自動(dòng)化解決方案。

挑戰二：自動(dòng)化工作流程中存在突發(fā)故障的可能性

傳統鎢燈絲掃描電鏡的燈絲會(huì )在 100 小時(shí)后突然斷裂，如果經(jīng)常使用傳統鎢燈絲掃描電鏡，通常需要每周更換一次燈絲。這也就意味著(zhù)自動(dòng)化的工作流程可能會(huì )在無(wú)人監控的過(guò)程中突然失效，需要花費額外的時(shí)間和金錢(qián)來(lái)重復自動(dòng)化的工作流程。

解決方案

選擇六硼化鈰 (CeB6) 燈絲的飛納臺式掃描電鏡，便可以避免這個(gè)問(wèn)題。鎢燈絲在成像過(guò)程中會(huì )揮發(fā)且會(huì )突然斷裂，有時(shí)甚至會(huì )污染 SEM 的其他部分。CeB6 燈絲的平均使用壽命至少為 1,500 小時(shí)，使用壽命可以預測，且需要更換的次數要少得多。

挑戰三：SEM 的使用具有一定的時(shí)間局限性

產(chǎn)線(xiàn)上的儀器設備需要晝夜不停，用戶(hù)非常擔心自動(dòng)化的掃描電鏡（SEM）工作流程會(huì )限制其他研究人員使用 SEM 的情況。

解決方案

飛納電鏡的全自動(dòng)化方案具有一個(gè)非常重要的好處：能夠在夜間、周末和其他無(wú)人在場(chǎng)的時(shí)間自動(dòng)化運行工作流程。通過(guò)設置在低使用率期間進(jìn)行自動(dòng)化工作流程，用戶(hù)便可以將掃描電鏡（SEM）的利用率進(jìn)行zui大化，確保他們獲得 SEM 的最大使用價(jià)值。

總而言之，通過(guò)掃描電鏡（SEM）自動(dòng)化，用戶(hù)可以減少分析大量樣品所產(chǎn)生的人為誤差，及早發(fā)現故障，以便在付出更高代價(jià)之前快速調整生產(chǎn)流程，進(jìn)一步減少由劣質(zhì)原材料生產(chǎn)出缺陷成品造成的不必要損失，工作人員也可以騰出更多的時(shí)間和精力來(lái)進(jìn)行更有意義的工作。