表面缺陷檢測(cè)方法文獻(xiàn)綜述現(xiàn)有的微流控芯片表面缺陷檢測(cè)方法主要集中在自動(dòng)測(cè)試向量生成法，而在其它微納表面的缺陷檢測(cè)中，超聲波、紅外、圖像、電磁等檢測(cè)方法也取得了廣泛的應(yīng)用。圖1-1展示了微流控芯片和其它表面缺陷檢測(cè)的主要方法。圖1-1表面缺陷檢測(cè)方法自動(dòng)測(cè)試向量生成技術(shù)(automationtestpatterngeneration,ATPG)被廣泛應(yīng)用于集成電路故障測(cè)試中，其根據(jù)電路的拓?fù)湫畔⒌玫綔y(cè)試向量，模擬信號(hào)在電路中的傳遞過程，使錯(cuò)誤信號(hào)能夠通過輸出的不同狀態(tài)表現(xiàn)出來，從而根據(jù)輸出狀態(tài)的組合診斷集成電路中的故障[15]。由于數(shù)字微流控芯片[16]與完全可編程閥陣列(fullyprogrammablevalvearray,FPVA)能夠抽象為布爾門組成的邏輯電路，ATPG方法被應(yīng)用于這兩類微流控芯片的故障檢測(cè)中。FPVA是一類特殊的連續(xù)流體微流控芯片[17]，其內(nèi)部存在流動(dòng)流道與控制流道兩類流道，施加在控制流道內(nèi)的氣壓會(huì)擠壓流動(dòng)流道，從而阻斷流體的流動(dòng)，而釋放氣壓則使流動(dòng)流道處的液體恢復(fù)流動(dòng)。制造技術(shù)的進(jìn)步使得研究人員能夠在每平方厘米的面積下放下上百萬的微閥，通過微控制器控制微閥能夠?qū)崿F(xiàn)高效、精準(zhǔn)的流體操控。針對(duì)FPVA，研究人員將氣壓源連接到芯片的輸入端口，通過切換某些微閥的打開與關(guān)閉狀態(tài)，測(cè)量輸出端口上不同的響應(yīng)，從而判斷從壓力源到輸出端口間是否存在通路，進(jìn)而能夠使用數(shù)字電路模型表示路徑與閥門間的關(guān)系，并生成ATPG矢量識(shí)別故障。Hu[18]等人將連續(xù)流體微流控芯片中的故障概括為流動(dòng)流道堵塞、控制流道堵塞、流動(dòng)流道泄漏、控制流道泄漏四種類型，并將微流控芯片轉(zhuǎn)化為邏輯電路模型，通過壓力傳感器的反饋從而確定缺陷的類型和位置。然而隨著制造工藝的進(jìn)步，微流控芯片結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜化，因此研究人員嘗試通過少量的測(cè)試向量檢測(cè)故障，從而大大提高缺陷檢測(cè)的效率。Hu等[19]將將故障定位建模為碰撞集問題，通過SA算法減少可能的故障組合的數(shù)量，該方案能夠在較短時(shí)間內(nèi)識(shí)別復(fù)雜微流控芯片中的故障。Liu等[20]將FPVA中的測(cè)試向量定義為Test-PathPatterns與Test-CutPatterns，使用少量的兩類測(cè)試向量能夠覆蓋多個(gè)故障，大大提高了檢測(cè)效率。雖然自動(dòng)測(cè)試向量生成技術(shù)檢測(cè)速度快，通過少量的測(cè)試向量即可檢測(cè)極為復(fù)雜的微流控芯片，但該方法難以精確定位缺陷位置，依賴進(jìn)一步的人工查找。并且該方法對(duì)芯片中流道的路徑要求較高，難以應(yīng)用于其它類型的微流控芯片中。在其它微納表面缺陷檢測(cè)中，超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、電磁檢測(cè)、紅外檢測(cè)與圖像檢測(cè)取得了廣泛的應(yīng)用。超聲檢測(cè)主要利用超聲波與待檢表面間的相互作用，當(dāng)超聲波傳播到缺陷等不連續(xù)區(qū)域會(huì)發(fā)生散射、反射和透射等現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)樣件表面的結(jié)構(gòu)特征、裂紋缺陷的檢測(cè)。Sato等人[21]利用掃描條紋干涉生成的表面聲波檢測(cè)到了硅晶片上13μm高的微小缺陷。超聲檢測(cè)技術(shù)成本低、對(duì)裂紋類缺陷效果好，但不適合結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的表面，微流控芯片表面復(fù)雜的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生較大的干擾。射線檢測(cè)將X射線等射線照射待檢樣品，射線的吸收程度能夠反映樣品結(jié)構(gòu)與成分上的差異，從而能夠根據(jù)影像結(jié)果分析缺陷信息。Cicchiani等人[22]提出了一種利用微米級(jí)分辨率X射線成像檢測(cè)PCB缺陷的方法。利用X射線的穿透性，能夠直觀地看到IC、晶體管、二極管乃至PCB內(nèi)部?；谏渚€檢測(cè)的方法穿透性強(qiáng)，能夠檢測(cè)表面與內(nèi)部缺陷，但射線輻射與較高的成本導(dǎo)致其不適用于實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)景。電磁檢測(cè)包括漏磁檢測(cè)、渦流檢測(cè)等技術(shù)，主要用于金屬等導(dǎo)電性材料的缺陷檢測(cè)中。Griesbach等人[23]提出了一種由單匝線圈與各向異性磁阻傳感器組成的模塊化傳感器。AMR傳感器的傳感軸檢測(cè)由勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的總磁場(chǎng)以及在無缺陷樣品中感應(yīng)出的渦流，在出現(xiàn)缺陷的情況下，傳感器的輸出信號(hào)會(huì)由于渦流路徑的干擾而發(fā)生變化?；陔姶艡z測(cè)的方案主要應(yīng)用在金屬樣品的缺陷檢測(cè)中，不適用于以PDMS、PMMA、玻璃等為主要材質(zhì)的微流控芯片。紅外檢測(cè)主要通過觀察被檢測(cè)工件表面的溫度場(chǎng)變化檢測(cè)工件表面存在的缺陷，這是因?yàn)橄啾葻o缺陷部位，缺陷部位能夠堆積更多的熱量。根據(jù)是否主動(dòng)施加激勵(lì)源，紅外檢測(cè)技術(shù)被分為主動(dòng)式與被動(dòng)式，常見的激勵(lì)源有熱燈、激光、超聲、渦流、微波等。Bodnar等[24]提出了一種利用低能量微波檢測(cè)易損材料中裂紋的無損方案，通過分析受低能量微波影響的壁畫表面的溫度變化過程檢測(cè)出壁畫內(nèi)的裂紋?；诩t外的缺陷檢測(cè)方法主要適用于檢測(cè)裂紋等結(jié)構(gòu)型損傷，對(duì)于結(jié)構(gòu)連通這種由于模具問題造成的表面缺陷效果較差。圖像檢測(cè)主要通過圖像傳感器采集待檢樣品表面的圖像，并進(jìn)一步利用圖像處理算法檢測(cè)樣品影像中的缺陷。Liu等人[25]搭建了一套用于檢測(cè)存在大量重復(fù)圖案的發(fā)光二極管基板的缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括圖像捕獲模塊與XY軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)。作者首先通過圖像配準(zhǔn)算法拼接完整圖像，然后通過開運(yùn)算、OTSU二值化等操作將中心區(qū)域ROI分割出來。同時(shí)作者還提出了一種基于RPCA的新型圖像恢復(fù)方案，以解決具有重復(fù)圖案的圖像缺陷檢測(cè)問題。Tien等人[26]開發(fā)出了一種能夠晶圓缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，通過將光學(xué)編碼器放置在晶圓運(yùn)送平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前位置的定位?；趫D像處理的表面缺陷檢測(cè)方法具備成本低、自動(dòng)化、可長(zhǎng)時(shí)間工作的優(yōu)點(diǎn)，目前已在鋼板[27]、印刷[28]、紡織[29]、電子[30]等眾多行業(yè)的表面缺陷檢測(cè)中廣泛應(yīng)用，并且在晶圓[25]、納米纖維[31]、MEMS[26]等精密微細(xì)產(chǎn)品的表面缺陷檢測(cè)同樣取得了理想的效果。由于待檢目標(biāo)特征不同且豐富，基于圖像處理技術(shù)的表面缺陷檢測(cè)方法有著眾多方案，如基于缺陷特征的分割算法[32,33]、有監(jiān)督缺陷檢測(cè)算法、無監(jiān)督缺陷檢測(cè)算法等。本文將詳細(xì)介紹其中較為重要的三個(gè)部分的研究現(xiàn)狀，分別為圖像預(yù)處理、基于有監(jiān)督學(xué)習(xí)的缺陷檢測(cè)方法與基于無監(jiān)督學(xué)習(xí)的缺陷檢測(cè)方法。參考文獻(xiàn)[1]WhitesidesG.Theoriginsandthefutureofmicrofluidics[J].Nature,2006,442(7101):368-373.[2]LagallyET,SchererJR,BlazejRG,etal.Integratedportablegeneticanalysismicrosystemforpathogen/infectiousdiseasedetection[J].AnalyticalChemistry,2004,76(11):3162-3170.[3]MathiesRA,KumaresanP,BlazejRG.Microfabricatedbioprocessorforintegratednanoliter-scaleSangerDNAsequencing[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2006,103(19):7240-7245.[4]KhandurinaJ,GuttmanA.Bioanalysisinmicrofluidicdevices[J].JournalofChromatographyA,2002,943(2):159-183.[5]DittrichPS,ManzA.Lab-on-a-chip:microfluidicsindrugdiscovery[J].NatureReviewsDrugDiscovery,2006,5(3):210-218.[6]GaoJ,YinXF,FangZL.Integrationofsinglecellinjection,celllysis,separationanddetectionofintracellularconstituentsonamicrofluidicchip[J].LabonaChip,2004,4(1):47-52.[7]TaylorAM,RheeSW,TuCH,etal.Microfluidicmulticompartmentdeviceforneuroscienceresearch[J].Langmuir,2003,19(5):1551-1556.[8]TaylorAM,RheeSW,JeonNL.Microfluidicchambersforcellmigrationandneuroscienceresearch.[J].MethodsinMolecularBiology,2006,321(11):167-177.[9]TourovskaiaA,FigueroaX,FolchA.Differentiation-on-a-chip:Amicrofluidicplatformforlong-termcellculturestudies[J].LabonAChip,2005,5(1):14-19.[10]ChinCD,LaksanasopinT,CheungYK,etal.Microfluidics-baseddiagnosticsofinfectiousdiseasesinthedevelopingworld[J].NatureMedicine,2011,17(8):1015-1019.[11]QuakeSR,SchererA.Frommicro-tonanofabricationwithsoftmaterials[J].Science,2000,290(5496):1536-1540.[12]Michel,B,BernardA,BietschA.Printingmeetslithography:softapproachestohigh-resolutionprinting[J].IBMJournalofResearchandDevelopment,2001,45(5):697-731.[13]XieP,HuL,HeJ,etal.MechanismandsolutionsofappearancedefectsonmicrofluidicchipsmanufacturedbyUV-curingassistedinjectionmolding[J].JournalofPolymerEngineering,2016,37(5):493-503.[14]ChapmanG,GrayBL,JainVK.Defecttoleranceinmicrofluidicchambersforcapacitivebiosensors[C].ProceedingsofSPIE-TheInternationalSocietyforOpticalEngineering,Orlando,Florida,UnitedStates,2010:207-218.[15]NiermannT,PatelJH.HITEC:Atestgenerationpackageforsequentialcircuits[C].ProceedingsoftheEuropeanConferenceonDesignAutomation,Hamburg,Germany,2002:12-17.[16]ZhaoY,ChakrabartyK,BhattacharyaBB.Testingoflow-costdigitalmicrofluidicbiochipswithnon-regulararraylayouts[J].JournalofElectronicTesting,2012,28(2):243-255.[17]KimJ,TaylorD,AgrawalN,etal.Aprogrammablemicrofluidiccellarrayforcombinatorialdrugscreening[J].LabonAChip,2012,12(10):1813-1822.[18]HuK,BhattacharyaBB,ChakrabartyK.Faultdiagnosisforleakageandblockagedefectsinflow-basedmicrofluidicbiochips[J].IEEETransactionsonComputer-AidedDesignofIntegratedCircuitsandSystems,2016,35(7):1179-1191.[19]HuK,YuF,HoT,etal.Testingofflow-basedmicrofluidicbiochips:faultmodeling,testgeneration,andexperimentaldemonstration[J].IEEETransactionsonComputerAidedDesignofIntegratedCircuits&Systems,2014,33(10):1463-1475.[20]LiuC,LiB,BhattacharyaBB,etal.Testgenerationforflow-basedmicrofluidicbiochipswithgeneralarchitectures[J].IEEETransactionsonComputer-AidedDesignofIntegratedCircuitsandSystems,2020,39(30):2530-2543.[21]SatoH,MatsumotoS,OgisoH,etal.Detectionofdefectsinmicro-machineelementsbyusingacousticwavesgeneratedbyphasevelocityscanningoflaserinterferencefringes[J].JapaneseJournalofAppliedPhysics,2000,39(2000):3093-3096.[22]CicchianiJA,HartmullerTL,SellCM,etal.Faultdetectionandvisualizationthroughmicron-resolutionX-rayimaging[C].IEEEAutotestcon,Piscataway,NewJersey,UnitedStates,2008:330-335.[23]GriesbachT,WurzMC,RissingL.Modulareddycurrentmicrosensor[J].IEEETransactionsonMagnetics,2011,47(10):3760-3763.[24]BodnarJL,NicolasJL,CandoreJC,etal.Non-destructivetestingbyinfraredthermographyunderrandomexcitationandARMAanalysis[J].InternationalJournalofThermophysics,2012,33(11):2011-2015.[25]LiuHW,ChenSH,PerngDB.Defectinspectionofpatternedthin-filmceramiclight-emittingdiodesubstrateusingafastrandomizedprincipalcomponentanalysis[J].IEEETransactionsonSemiconductorManufacturing,2016,29(3):248-256.[26]TienCL,LaiQH,LinCS.Developmentofopticalautomaticpositioningandwaferdefectdetectionsystem[J].MeasurementScience&Technology,2016,27(2):25-33.[27]KazamaA,OshigeT.Adefectinspectiontechniqueusingpolarizedimagesforsteelstripsurface[C].ProceedingsofSPIE-TheInternationalSocietyforOpticalEngineering,Orlando,Florida,UnitedStates,2008:72-80.[28]SeethalakshmiR,SreeranjaniTR,BalachandarT,etal.Opticalcharacterrecognitionforprintedtamiltextusingunicode[J].JournalofZhejiangUniversity(Science),2005,6(11):1297-1305.[29]StojanovicR,PapadopoulosG,GeorgoudakisM,etal.Visionsystemforfinishedfabricinspection[C].MachineVisionApplicationsinIndustrialInspectionⅩ.In