Höhen- und Schwingungsmessungen an spiralförmigen Beschleunigungssensoren

Problem

Beim Prototyping und bei der Kalibrierung von MEMS-Beschleunigungssensoren ist es entscheidend, sowohl die 3D-Geometrie als auch die Schwingungsantwort des Bauelements zu bewerten. Konventionelle Werkzeuge haben häufig Schwierigkeiten mit komplexen Topologien wie Spiralen, insbesondere wenn Höhen- und Modenforminformationen korreliert werden müssen.

Lösung

Das PICOSCALE Vibrometer bietet zwei zentrale Funktionen:

1. Höhenrekonstruktion mittels phasenentfalteter Interferometrie

2. Modale Schwingungsbildgebung mithilfe von Amplituden- und Phasendetektion während der Messung

Zusammen liefern diese Funktionen ein vollständiges Bild der strukturellen und dynamischen Leistungsfähigkeit.

Umsetzung

• Ein spiralförmiger Beschleunigungssensor wurde gescannt, um seine 3D-Topographie zu rekonstruieren.

• Höhenkartierung zeigte, dass die äußeren Spiralarme etwa 25 µm über dem Substrat liegen und der Kern etwa 10 µm darüber.

• Modalanalysen wurden bei 2, 4, 14 und 46 kHz mithilfe des internen Shaker-Tisches und des Lock-in-Verstärkers des Systems durchgeführt.

• Auslenkungsbilder, die Amplitude und Phase kombinieren, wurden verwendet, um Biegemoden zu identifizieren, wobei die Grundmode bei 2 kHz die Bandbreite des Prototyps definiert.

Ergebnisse

• Genaue Höhenbilder wurden mithilfe automatisierter Phasenentfaltung erhalten, selbst an einer nicht ebenen und teilweise reflektierenden Probe.

• Die Modenbildgebung zeigte ausgeprägte Resonanzmuster bei allen getesteten Frequenzen und bestätigte die ordnungsgemäße Aktuierung und Sensorfunktionalität.

• Diese Erkenntnisse können direkt genutzt werden, um mechanische Modelle zu verfeinern und das Sensordesign zu verbessern.

Fazit

Durch die Kombination von Höhen- und Schwingungsanalyse stellt das PICOSCALE Vibrometer wesentliche Werkzeuge für die Validierung und Optimierung von MEMS-Beschleunigungssensoren bereit, insbesondere in frühen Entwicklungsphasen. Seine integrierte Software ermöglicht eine schnelle Ein-Klick-Verarbeitung sowohl für die strukturelle als auch für die dynamische Charakterisierung.