Megapixel-Modalanalyse mit dem Scanning-Vibrometer von SmarAct

Wenn ein Objekt in Bewegung gesetzt wird, führen Biegemodi höherer Ordnung oft zu komplexen Schwingungsmustern, ein Phänomen, das bei der Konstruktion von Sensoren und Aktoren von entscheidender Bedeutung ist. Für eine vollständige Modalanalyse solcher Geräte wird der Messlaser des PICOSCALE Vibrometers über die Probe gescannt und Vibrationen werden an jedem Pixel gemessen. Aus den aufgezeichneten Daten kann ein Schwingungsbild rekonstruiert werden.

Anwendungsbeispiele

Eine Übersicht aller Anwendungshinweise finden Sie hier.

Messung von Schwingungen gekapselter MEMS

Wenn MEMS in einem Siliziumgehäuse verpackt sind, ist es unmöglich, herkömmliche optische Messmethoden zu verwenden, um ihre dynamische Leistung zu bewerten, ohne sie zu öffnen. Das PICOSCALE Vibrometer verwendet einen Infrarot-Messlaser mit einem konfokalen Detektionsschema. Dies bietet die Möglichkeit zum Analysieren der Dynamik eines Bewegungssensors durch sein Siliziumgehäuse.

Wir danken InvenSense, einem Unternehmen der TDK Group, für die Unterstützung bei diesem Anwendungsbeispiel.

Messung lateraler Vibrationen in Vollsilizium-Lautsprechern

Über die interferometrische Messung von Out-of-Plane-Schwingungen hinaus ermöglicht das PICOSCALE Vibrometer die Abbildung von In-Plane-Schwingungen von gekapselten Geräten mit konfokaler Infrarotmikroskopie. Hier testeten wir ein innovatives MEMS-Lautsprecherdesign, bei dem Schalldruck durch mehrere elektrostatische Biegeaktoren erzeugt wird, die sich lateral bewegen.

Wir danken dem Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme für die Probe und ihre Unterstützung bei diesem Application Note.

Störende Resonanzen von Smartphone-Lautsprechern erkennen

Die Charakterisierung der dynamischen Reaktion von Lautsprechern ist unerlässlich, um ihre Leistung in einer Vielzahl von Geräten zu optimieren. Hier haben wir das PICOSCALE Vibrometer von SmarAct verwendet, um die Reaktion von zwei Smartphone-Lautsprechern verschiedener Hersteller zu analysieren. Die Fähigkeit des Instruments, Schwingungsmoden mechanischer Strukturen direkt abzubilden, ermöglicht es, Diskontinuitäten in den Amplitudenspektren bestimmten Resonanzen der Lautsprechermembran oder des Gehäuses zuzuordnen.

 

Prüfung von Ultraschallwandlern mit Vibrometrie

Die Leistung von Ultraschallwandlern kann durch Messung der mechanischen Bewegung, die durch einen elektrischen Impuls induziert wird, bewertet werden. Das PICOSCALE Vibrometer ermöglicht präzise Messungen von Sub-Nanometer-Bewegungen der Wandleroberfläche durch Interferometrie.

Wir danken der Vallen Systeme GmbH für die Unterstützung bei diesem Anwendungsbeispiel.

 

Funktionsprinzip

Die Schwingungen werden mit einem eng fokussierten Laserstrahl eines Michelson-Interferometers gemessen und verwenden somit das gleiche Messprinzip wie das PICOSCALE Interferometer. Die aufgezeichneten Verschiebungen an jedem Pixel können im Zeit- oder Frequenzbereich analysiert werden. Darüber hinaus ist das Gerät mit einem Lock-in-Verstärker ausgestattet, der die direkte Abbildung von Biegemodi ermöglicht, ohne dass eine Datennachbearbeitung erforderlich ist.

Das Scannen des Messlasers über die Probe erfolgt durch ein SmarAct 3D-Positioniersystem. Dieses System ermöglicht es, Strukturen mit Größen von wenigen μm bis zu 20 mm abzubilden. Da Closed-Loop-Piezo-Positionierer mit nm-Auflösung verwendet werden, ist die Positionierung des Laserstrahls hochgradig reproduzierbar.

Um die Probe anzuregen, erfolgt eine Induzierung der Vibrationen entweder durch die fortschrittliche piezobasierte Shaker-Stufe oder direkt mit einem elektrischen Signal, das vom PICOSCALE Vibrometer erzeugt wird.

Ein einzigartiges Merkmal des PICOSCALE Vibrometers ist, dass der Interferometer-Laserstrahl gleichzeitig verwendet wird, um ein mikroskopisches Bild der Probe aufzunehmen. Dieses Mikroskopiebild ist somit intrinsisch auf die Schwingungsmessungen ausgerichtet und ein separates Mikroskop-Bildgebungssystem ist nicht erforderlich.

Wichtige Spezifikationen

Für jede der Komponenten des PICOSCALE Vibrometers steht im Downloadbereich ein detailliertes Spezifikationsblatt zur Verfügung.

Vibrometrie
 
Auflösung1 [pm] < 1
Bandbreite2 [MHz] 2.5
Mikroskopie
 
Optische laterale Auflösung3 [μm] 2 - 7
Optische axiale Auflösung3 [μm] 7 - 90
Arbeitsabstand3 [mm] 1.5 - 10
Maximale Bildgröße [mm] 20 x 20
Minimale Pixelgröße [μm] 1
Maximale Anzahl von Pixeln 1000 x 1000
Dimensionen
 
Controller 2 Einheiten à 33 x 27 x 7,2 cm (B x L x H), Gesamtgewicht 7,6 kg
XYZ-Positioniersystem 5,5 x 11,0 x 7,5 cm (B x L x H), Gewicht 0,25 kg
Instrumentenmontage Granitstein 15 x 20 x 4 cm (B x L x H) mit Edelstahlpfosten 2,5 x 15 cm (Ø x H), Gesamtgewicht 4,3 kg
Shaker-Stage 8 x 1,5 cm (Ø x H), Gewicht 0,5 kg

1 Bei der Analyse von Verschiebungen im Frequenzbereich

2 Abtastrate beträgt 10 MHz

3 Je nach gewähltem Sensorkopf