Messung von Schwingungen gekapselter MEMS

Dieser Anwendungshinweis zeigt, wie das PICOSCALE Vibrometer von SmarAct die direkte, nicht-invasive Messung von MEMS-Schwingungen durch Siliziumverpackungen ermöglicht. Mithilfe infrarot-konfokaler Bildgebung bei 1550 nm visualisiert und quantifiziert das System interne Bewegungen in verpackten MEMS-Bauelementen wie dem Bewegungssensor MPU-6050. Dies ermöglicht eine genaue Modalanalyse unter nahezu betriebsnahen Bedingungen – entscheidend für Designvalidierung und Integrationstests.

Problem

MEMS-Sensoren, beispielsweise Bewegungsdetektoren, sind häufig in Siliziumgehäusen versiegelt, die sichtbares Licht blockieren – wodurch eine herkömmliche interferometrische Analyse interner Schwingungen verhindert wird. Die Bewertung der mechanischen Leistungsfähigkeit durch das Gehäuse ist jedoch entscheidend für Entwicklung, Integration und Fehlersuche in eingebetteten Systemen.

Lösung

Das PICOSCALE Vibrometer nutzt 1550-nm-Infrarotlicht und konfokale Mikroskopie, um Siliziumgehäuse zu durchdringen und die internen MEMS-Strukturen selektiv abzubilden. Dies ermöglicht eine modale und phasenaufgelöste Analyse beweglicher Teile, ohne den Sensor zu verändern oder zu demontieren.

Umsetzung

• Das System scannte durch das Silizium und identifizierte Reflexionsspitzen sowohl vom Fenster als auch von der MEMS-Struktur.

• Lokale Schwingungen wurden unter mechanischer Anregung (1–600 kHz) gemessen, und Resonanzmoden wurden in 3D visualisiert.

• Phasenkartierung zeigte Bewegungsunterschiede zwischen internen MEMS-Komponenten.

Ergebnisse

• MEMS-Merkmale unterhalb der Siliziumoberfläche wurden klar abgebildet und aufgelöst.

• Mehrere Resonanzspitzen wurden identifiziert und spezifischen Biegemoden zugeordnet.

• Verschiedene MEMS-Elemente zeigten phasenverschobenes Verhalten (~70°), was auf entkoppelte Dynamiken hinweist – wertvoll für die Designvalidierung.

Fazit

Das PICOSCALE Vibrometer ermöglicht eine präzise Through-Silicon-Schwingungsmessung gekapselter MEMS. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für zerstörungsfreie Prüfungen, Leistungsanalyse und Systemintegrationsoptimierung von Bewegungssensoren und anderen verpackten Mikrostrukturen.