Optische Schwingungsmesstechnik Polytec 3D-Laservibrometer für MEMS-Bausteine

Für die Schwingungsanalyse gibt es unterschiedliche Ansätze. Einer davon ist die auf Optoelektronik basierende Laser-Doppler-Vibrometrie. Polytec hat die Möglichkeiten der Laservibrometrie nun erweitert, um ein völlig neues 3D-Schwingungsmessgerät für winzige MEMS-Bauelemente zu entwickeln.

Die in Waldbronn ansässige Polytec GmbH wurde für ihren neuen »MSA-500 Micro System Analyzer« bereits mit dem AMA Innovationspreis 2013 ausgezeichnet. Die besondere Innovation des neuen Messgerätes ist die Messung dreidimensionaler Bewegungen mit nur einem einzigen Laserstrahl. Das neue Verfahren verbessert insbesondere die Auflösung für die In-Plane-Bewegungskomponenten erheblich.

Die Kombination von Polytecs Mikroskop-Systemen mit kommerziell verfügbaren Probestations ermöglicht auch Testprozesse für MEMS auf Wafer-Level.

Der Analysator ermöglicht die Messung dreidimensionaler Schwingungsparameter mikroskopischer Objekte in Echtzeit mit bisher unerreichter Genauigkeit für alle drei Raumrichtungen. Dazu wird ein Laserstrahl auf die zu messende Struktur fokussiert und das Streulicht in drei verschiedenen Raumrichtungen analysiert. Aus der Dopplerfrequenzverschiebung des Streulichtes für diese drei Raumrichtungen wird die dreidimensionale Objektbewegung bestimmt.

Das Besondere am neuen Messgerät ist die erstmals auch für In-Plane-Messungen an Mikrobauteilen erreichbare Auflösung im Picometer-Bereich. »Weil die meisten MEMS-Bauteile in der Ebene schwingen, erfüllt das neue Gerät eine lange geforderte Messeigenschaft, für die es bisher keine adäquate Lösung gab«, betont der Experte. »Das Gerät ist kompatibel mit gängigen Probestations und ist somit direkt für Messungen auf Wafer-Level einsetzbar, auch im Vakuum.«

Praktische Anwendungen

Welche Anwendungen lassen sich mit dem neuen Messsystem realisieren? »Bei der MEMS-Entwicklung ist es wichtig, nicht nur das elektrische Verhalten der Bauelemente zu bestimmen, sondern auch das tatsächliche dynamische Verhalten der beweglichen Siliziumkomponenten genau zu ermitteln«, verdeutlicht Steger. »Denn die Kenntnis des Bewegungsverhaltens unter kontrollierten Rand- und Anregungsbedingungen erlaubt die direkte Überprüfung des spezifizierten Systemverhaltens und die Validierung bzw. Optimierung von FE-Modellen. Deshalb ist die direkte, nicht beeinflussende Messung der 3D-Dynamik von großer Bedeutung für MEMS-Entwicklerteams.« Weitere wichtige Anwendungen sind Fehleranalyse, Zuverlässigkeitstests und die Fertigungsüberwachung.

Was ist ein Laservibrometer?

Laser-Doppler-Vibrometer, kurz Laservibrometer oder LDV, messen die Geschwindigkeit der mechanischen Schwingungen eines Objektes. Dazu wird der Laserstrahl des Vibrometers auf eine Oberfläche fokussiert. Das zurückgestreute Licht wird mit einem unbeeinflussten Referenz-Laserstrahl (Interferometrie) überlagert. Aufgrund des Doppler-Effektes verschiebt sich bei einer Bewegung der zu messenden Oberfläche die Frequenz des zurückgestreuten Laserlichts. Diese Frequenzverschiebung wird im Vibrometer mittels des Interferometers ausgewertet und als Spannungssignal oder digitaler Datenstrom ausgegeben. Damit lassen sich die Geschwindigkeit und entsprechend auch die Schwingung des Messobjekts ermitteln.

Laser-Doppler-Vibrometer eignen sich vor allem für die Messung von Schwingungsvorgängen, bei denen alternative Verfahren an ihre Grenzen stoßen oder schlicht nicht anwendbar sind. So messen sie beispielsweise Schwingungen vom akustischen bis in den GHz-Bereich mit sehr linearer Phasen-Kennlinie und hoher Amplitudengenauigkeit. Auch für das Messen von Schwingungen von sehr kleinen, leichten und filigranen Strukturen oder bei glühend-heißen oder Hochspannungs-führenden Komponenten eignen sich ausschließlich kontaktfreie Messverfahren.

Im Wesentlichen unterscheidet man folgende Verfahren:

  • Einpunkt-Vibrometer messen die Schwingungen eines Objektes in Richtung des Laserstrahls. Ist das System senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet, ist auch der Begriff »Out-of-Plane«-Vibrometer gebräuchlich.
  • Scanning-Vibrometer führen strukturdynamische und akustische Messungen an beliebigen Oberflächen durch.
  • Mikro-System-Analysatoren eignen sich zur Messung der Dynamik und Topographie kleinster Strukturen wie etwa mikroelektromechanischer Bauelemente (MEMS).

Darüber hinaus gibt es weitere Spezial-Vibrometer, beispielsweise für die hochfrequente Schwingungsmessung für Ultraschallanwendungen, Rotationsvibrometer für rotierende Strukturen, In-Plane-Vibrometer für die Schwingungsmessung rechtwinklig zum Messstrahl und 3D-Vibrometer für die simultane Erfassung von Schwingungen in allen drei Raumrichtungen.