MEMS-Testlösungen

Spektra und der Erreger für Schwingungstests bis Megahertz-Frequenzen

Spektra und der Erreger für Schwingungstests bis Megahertz-Frequenzen

Spektra und der Erreger für Schwingungstests bis Megahertz-Frequenzen

Spektra und der Erreger für Schwingungstests bis Megahertz-Frequenzen

Spektra und der Erreger für Schwingungstests bis Megahertz-Frequenzen

Das Testen von auf MEMS-Technologien basierten Sensoren erfordert immer hochfrequentere mechanische Erreger… sogar bis in den Megahertz-Bereich.

Warum müssen MEMS Sensoren auf hochfrequente Störungen getestet werden?

Vor 13 Jahren erhielt Spektra zum ersten Mal den Anruf eines Kunden, der bei seinen auf MEMS basierten Drehratesensoren unerwartete Störungen durch hochfrequente Stoßanregungen der Sensoren beobachtete. Die Frage, die sich damals stellte war: Wie kann man solche Störereignisse auf einem Schwingungserreger nachstellen und damit die Immunität der Sensoren gegen die Störungen testen? Damals war von Tests im Frequenzbereich von 20 kHz bis 50 kHz die Rede. Seitdem sind die Strukturen von MEMS-Sensoren immer kleiner geworden und die relevanten Störfrequenzbereiche immer höher.

Welche Testsysteme wurden dafür entwickelt?

Die Testsysteme, die Spektra für solche Tests seitdem an seine Kunden auslieferte, wurden entsprechend immer anspruchsvoller. Ließen sich die Tests des ersten Kunden noch mit einem bewährten SE-09-Schwingungserreger, der für die Kalibrierung von Beschleunigungssensoren bis 50 kHz ausgelegt war, bewältigen, wurden in den folgenden Jahren immer speziellere Schwingungserreger entworfen. Über den SE-11 (Frequenzbereich 1 kHz … 50 kHz) als für diese Tests spezialisierte Variante des SE-09 führte der Weg zum SE-16-Schwingungserreger (Frequenzbereich 5 kHz … 100 kHz), der für spezielle Messungen auch bis 400 kHz ausgereizt wurde.

Doch spätestens bei 400 kHz war klar, dass das Konzept des klassischen elektromagnetischen Schwingungserregers an seine Grenzen gekommen war. Andererseits boten piezoelektrische Schwingungserreger nicht die Schwingungseigenschaften, die für diese Tests notwendig sind. Herkömmliche Piezoaktoren brechen im geforderten Frequenzbereich in vielfältige Eigenschwingungen auf, wobei insbesondere unerwünschte Schwingungen in der Ebene des „Schwingtisches“ (in-plane Anregung) dazu führen, dass der Prüfling vollkommen unkontrolliert angeregt wird. Gesucht war eine Lösung bei der die in-plane Anregungen unterdrückt sind und die out-of-plane Anregungen senkrecht zur Ebene des Schwingtisches dominieren.

Wie sieht der neue Ansatz für einen Schwingungserreger für MHz-Frequenzen aus?

Hier hatten die Spektra-Ingenieure den genialen Einfall, Mikropiezoaktuatoren zu verwenden, die in einer Matrix angeordnet und in ein Trägermaterial eingebettet sind. Dadurch werden die in-plane Moden der Aktuatoren vom Trägermaterial aufgenommen, während die out-of-plane Moden die Bewegung der Oberfläche dieser Piezo-Matrix dominieren. Verbindet man nun Gruppen dieser Aktuatoren mit elektrischen Kontaktstreifen, dann lassen sich ganze Gruppen mit einem Eingangssignal gleichzeitig anregen. Regt man alle Gruppen mit dem gleichen Signal an, dann ergibt dies eine translatorische Bewegung der Oberfläche. Regt man nebeneinanderliegende Gruppen mit einem 180° gedrehten Signal an, dann bewegen sich die Gruppen in entgegengesetzte Richtungen. Ein Prüfling, der auf zwei Gruppen befestigt ist, würde so in eine Kippbewegung versetzt.

In aufwendigen Untersuchungen mit einem 3D-Scanning-Laservibrometer konnte gezeigt werden, dass mit dieser Lösung nicht nur präzise translatorische Bewegungen bis in den Frequenzbereich von 1 MHz und darüber hinaus erzeugt werden können, sondern erstmalig auch präzise rotatorische Bewegungen (Kippbewegungen) bis in diesen Frequenzbereich möglich waren.

Wie kann ein Prüfling für Untersuchungen im MHz-Bereich befestigt werden?

Die Sensoren, die untersucht werden sollen, werden typischerweise auf eine Leiterplatte aufgelötet, damit man sie während des Tests auslesen kann. Dabei kann auch mehr als ein Sensor auf einer Leiterplatte sein, um die Tests möglichst effizient zu gestalten. Die nächste Aufgabe bestand nun darin, ein Verfahren zur Befestigung der Leiterplatte auf der Piezo-Matrix zu finden, mit der sich der Prüfling so anbringen lässt, dass er der Schwingung der Piezo-Matrix exakt folgt und sich nach dem Test wieder problemlos ablösen lässt, ohne den Prüfling oder den Piezoerreger zu zerstören.

Ein direktes Aufkleben des Prüflings auf den Kontaktstreifen der Piezo-Matrix erwies sich als unmöglich, da die Kontakte beim Ablösen des Prüflings unweigerlich zerstört wurden. Daher wurden dünne Keramikstreifen auf die Kontaktstreifen geklebt und auf die Keramikstreifen wird der Prüfling geklebt. Da die Keramikstreifen sehr robust sind, lassen sich die Prüflinge ablösen, ohne den Piezo-Erreger zu zerstören. Wieder wurden durch umfangreiche Untersuchungen mit einem 3D-Scanning-Laservibrometer gezeigt, dass auch mit dieser Zwischenschicht aus Keramikstreifen die Prüflinge präzise angeregt werden können.

Gleichzeitig wurden in getrennten Versuchen verschiedene „Klebstoffe“ getestet, mit denen sich die Prüflingsleiterplatten auf dem Piezo-Erreger gut befestigen und nach den Tests wieder leicht ablösen lassen. Dabei wurden sowohl Varianten mit mechanischer Ablösung, chemischer Ablösung als auch thermischer Ablösung untersucht. Damit steht für unterschiedliche Einsatzzwecke eine Anzahl an „Klebern“ zur Verfügung, die für Prüfaufgaben im Frequenzbereich bis zu einigen MHz teilweise auch unter verschiedenen Temperaturbedingungen eingesetzt werden können.

Mit dem neuen Piezo-Matrix-Schwingungserreger konnte Spektra erstmals den MHz-Frequenzbereich für Vibrations-Immunitätstest für präzise Anregungen sowohl mit translatorischen als auch mit rotatorischen Schwingungen erschließen. Wurde diese neue Technik anfangs für den Bereich bis 1 MHz untersucht, werden nun auf Kundenwunsch auch Frequenzbereiche bis zu mehreren MHz angestrebt. Eine Lücke zwischen dem neuen Erreger und den älteren elektromagnetischen Erregern besteht noch im tieferen Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 500 kHz, wo die elektromagnetischen Erreger oft nicht mehr präzise genug sind und der Piezoerreger bereits aufgrund der begrenzten Stellwege an seine Grenzen stößt.

Hier sind neue Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten angelaufen, um in Zukunft diese Lücke schließen zu können und ggf. den gesamten Frequenzbereich mit einem Prüfstand testen zu können. Andere Untersuchungen versuchen, die derzeit noch nötigen teuren Laservibrometer als Referenzsensoren durch günstigere Lösungen zu ersetzen. Hier gibt es erste Ansätze, die wie die vorgestellten Anregungsverfahren auch mittlerweile zum Patent angemeldet wurden.

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