Dreidimensionale Schwingungsanalyse auf neuen Wegen

Mikromechanische Systeme verlangen Auflösungen im Pikometerbereich – Polytec bietet die dafür erforderlichen Geräte

Bei der Entwicklung mikro-elektromechanischer Systeme (MEMS) ist es wichtig, nicht nur das elektrische Verhalten der Bauelemente zu bestimmen, sondern auch das tatsächliche dynamische Verhalten der beweglichen Komponenten. Schließlich erlaubt die Kenntnis des Bewegungsverhaltens unter kontrollierten Anregungsbedingungen die direkte Überprüfung des spezifizierten Systemverhaltens. FE-Modelle lassen sich dann entsprechend bewerten beziehungsweise optimieren. Bisher war ein solches Vorgehen allerdings meist Wunschdenken der Entwickler. Dank eines neuen Verfahrens, mit dem sich Schwingungen in der Bauteilebene (In-Plane) mit Auflösungen im Pikometerbereich messen lassen, dürfte sich dies jetzt aber ändern.

Mikromechanische Sensoren und Aktoren werden in der Technik immer wichtiger. ­Typische Beispiele sind MEMS-Komponenten wie Beschleunigungs- oder Drehratensensoren in Smartphones; auch in Automobil- und Medizintechnik beruhen viele Innovationen auf MEMS-Technologie und Mikrosystemtechnik. Beim Test des Bewe­gungsverhaltens der kleinen Bauteile stießen die Entwickler bisher jedoch an Grenzen. Denn die funktionale Bewegungsrichtung beziehungsweise die Bewegungsebene von MEMS-Bausteinen liegt in den meisten Fällen innerhalb der Bauteilebene (In-Plane-Bewegungen). In einem kleineren Teil der Fälle ist die Bewegung orthogonal dazu (Out-of-Plane). Beide Bewegungs­anteile werden sich in der Praxis aber meist überlagern. Zur vollständigen Beschreibung werden deshalb hochauflösende Mess­daten für jede Bewegungskomponente ­benötigt, zum Beispiel in kartesischen Koordinaten.

Die Grenzen konventioneller Messverfahren

Nun ist es makroskopisch ohne Weiteres möglich, dreidimensionale Objektschwingungen mit einem Laser-Doppler-Vibro­meter zu erfassen. In diesem Fall wird mit drei Messköpfen aus linear unabhängigen Richtungen die Objektbewegung gemessen und die Messdaten werden danach in ein orthogonales Koordinatensystem transformiert. Für mikromechanische Systeme ist dieser Lösungsansatz aber nur bedingt ­geeignet, da sich die benötigte laterale Auflösung im Mikrometerbereich mit drei sich beeinflussenden Laserspots nicht erreichen lässt.

Daher wurden zur Messung der In-Plane-Bewegung Videomikroskopiesysteme in Verbindung mit Stroboskopie eingesetzt. In vielen Fällen stoßen sie aber ebenfalls an ihre Grenzen, weil die Auflösung der Schwingungsamplitude der Bewegung durch den Stroboskopeffekt auf den Nano­meterbereich begrenzt ist. Zudem dauert es mehrere Minuten, bis Resultate für Bewegungen in der Ebene vorliegen, da die ­digitalen stroboskopischen Aufnahmen erst über Bildverarbeitungsprogramme ausgewertet werden müssen, bevor ein Vibra­tionsspektrum angezeigt werden kann.

3D-Schwingungsmesssystem

Dieser Thematik hat sich jetzt Polytec angenommen und mit dem MSA-100-3D ein neues mikroskopbasiertes 3D-Schwingungsmesssystem entwickelt (Abb. 1), das perfekt auf die Anforderungen der Entwicklung von Mikrosystemen abgestimmt ist. Es ermöglicht die Messung von drei­dimensionalen Schwingungsparametern mikroskopischer Objekte in Echtzeit und mit einer bisher unerreichten Schwingungsamplitudenauflösung im Pikometerbereich. Das ist um den Faktor 1000 genauer als beispielsweise die oben genannten Videomikroskopverfahren.

Eine Analogie veranschaulicht die neue Größenordnung der messbaren Bewegungen am besten: Wäre der lediglich 50 µm breite Siliziumcantilever im Messbeispiel (Abb. 2) ein Airbus mit 80 Meter Spannweite, ließen sich Schwingungen der Flügel­spitze von nur 80 µm erkennen, was ungefähr der Dicke eines menschlichen Haares entspricht.

Funktion: alle Bewegungskomponenten mit einem Messstrahl

Das neue Messverfahren nutzt den richtungsabhängigen Dopplereffekt des Lichts, um die Geschwindigkeit eines Messobjekts in eine messbare Frequenzverschiebung zu wandeln. Dabei sind Geschwindigkeit des Objekts und Frequenzverschiebung des von diesem Objekt reflektierten Lichts proportional zueinander. Ein Interferometer ermittelt diese Frequenzverschiebung, anschließend wird die Bewegung errechnet.

Das Besondere daran ist, dass dafür nur ein Laserstrahl benötigt wird. Drei Empfänger messen das Doppler-verschobene Streulicht, vom Laserfokuspunkt kann so eine dreidimensionale Bewegungsinformation gewonnen werden (Abb. 3). Da es nur einen Messstrahl gibt, sind optische Übersprechstörungen nicht zu befürchten und die bisher nicht realisierbare Amplitudenauflösung im Bereich weniger Pikometer wird möglich.

Die Geometrie des Messkopfes und die mechanischen Verbindungspunkte wurden so gewählt, dass sich der Messkopf an jeder Probestation anschließen lässt. Dadurch sind Schwingungsanalysen bereits auf Waferebene möglich, auch im Vakuum. Letzteres ist beispielsweise interessant für Objekte, die ein Vakuum-Packing bekommen und daher nur im Vakuum getestet werden können, beispielsweise Beschleunigungs- und Drehratensensoren. Als Option ist zudem ein xy-Verfahrtisch im Gerät integrierbar (Abb. 4), um flächenhafte Messungen durchzuführen.

Preisgekrönte Technik

Dank des mikroskopisch kleinen Laserspots von < 4 µm Durchmesser und der Frequenzbandbreite von 25 MHz eignet sich das Messgerät ideal zur Untersuchung von mikro-elektromechanischen Sensoren und Aktuatoren sowie anderen mikromechanischen Strukturen. Mit den präzisen Daten des MSA können Entwickler und Forscher zum Beispiel mikro-elektromechanische Bauteile von Smartphones oder Fahrzeugen optimieren, FE-Modelle validieren beziehungsweise verbessern und so letztendlich die Entwicklungszeit verkürzen. Unterstützung bietet dabei die Messsoftware, die wichtige praktische Features bietet (Abb. 5). So lassen sich beispielsweise auch größere Messobjekte, die das Gesichtsfeld und den Schärfentiefe­bereich des Objektivs überschreiten, in Verbindung mit einer xyz-Positioniereinheit (Option) automatisiert und komfortabel messen.

Abb. 5: Software mit nützlichen Features / Bild: Polytec

Die Vorteile der 3D-Schwingungsanalyse können auch ohne die Anschaffung eines Geräts genutzt werden, da Polytec Auftragsmessungen durchführt.

Für die Entwicklung des neuartigen Messsystems erhielt Polytec am 1. Dezember 2014 im Ludwigsburger Schloss den renommierten Dr.-Rudolf-Eberle-Preis des Landes Baden-Württemberg. Dieser Preis prämiert die erfolgreiche Umsetzung herausragender technischer Innovationen.

Auf internationaler Ebene ist das innovative Messgerät nominiert für den Prism Award 2015. Damit ist es wieder einmal gelungen, in der modernen Messtechnik für Forschung und Industrie neue Maßstäbe zu setzen.

Über Polytec

Als innovatives Hochtechnologie-Unternehmen entwickelt, produziert und vertreibt Poly­tec seit über 40 Jahren laserbasierte Messtechniklösungen für Forschung und Industrie. Aufbauend auf dem Erfolg im Distributionsgeschäft begann Polytec bereits in den 1970er Jahren mit der Entwicklung und Fertigung von eigenen, laserbasierten Messgeräten. Heute­ nimmt das Unternehmen mit Stammsitz in Waldbronn bei Karlsruhe im Bereich der optischen Schwingungsmessung mit Laservibrometern eine weltweit führende Position ein. Systeme für die Oberflächenmesstechnik, die analytische Messtechnik und die Prozessautomation gehören ebenfalls zur mittlerweile breit gefächerten Palette innovativer Eigenprodukte. Gleichzeitig ist die Distribution von Hightech-Produkten anderer innovativer Hersteller eine weitere Kernkompetenz von Polytec.