3D mikroskop pro analýzu vibrací MEMS

Novinkou na veletrhu Sensor+Test 2013 v Norimberku byl 3D mikroskop vyžívající novou metodu analýzy vibrací a dynamického chování mikroelektromechanických systémů (MEMS) použitím jediného laserového paprsku. Je určen zejména pro výzkum a vývoj, ale mohl by být používán i pro kontrolu ve výrobě. Mikroskop byl vyznamenán v soutěži AMA Innovation Award.

Mikroelektromechanické senzory a akční členy jsou dnes používány již v mnoha výrobcích. V každém chytrém mobilu je integrováno několik součástí MEMS, jako jsou senzory zrychlení, otáčení, tlaku atd. V automobilech jsou údaje o pohybu a stavu vozidla dodávány senzory MEMS. Rovněž v oblasti lékařství je mnoho inovačních postupů založeno na mikrosystémové technice. Tento nebývalý úspěch systémů MEMS je rovněž podmíněn vývojem vhodných měřicích metod pro určování pohybových vlastností mikrosystémů [1].  

Otázky vývojáře

Jak lze charakterizovat pohybové chování miniaturních gyroskopů, měřičů zrychlení a podobných prvků MEMS? Jakým způsobem lze měřit pohyby s amplitudami řádu subnanometrů a zpomaleně je zobrazit? Jak vyzkoušet elektricky nepřístupné, avšak důležité parametry systémů MEMS, které ovlivňují pohybové vlastnosti?

Takové úlohy lze řešit jednoduše, rychle a spolehlivě optickými metodami založenými na laserové Dopplerově vibrometrii. Přístroj vyvinutý německou firmou Polytec [2] podstatně rozšiřuje možnosti této měřicí techniky. 

3D měření kmitání

Nový mikroskop firmy Polytec MSA-100-3D umožňuje měřit charakteristiky kmitání mikroskopických objektů v prostoru a v reálném čase. Oproti jiným přístrojům se třemi vibrometry, které měří kmitající povrch z různých směrů, je MSA-100-3D vybaven pouze jednou integrovanou měřicí hlavicí, která analyzuje odraz laserového paprsku o průměru menším než 4 μm rozptýleného v prostoru okolo měřeného objektu a z toho určuje pohyby měřeného objektu v prostoru. Nový přístroj je založen na velmi citlivých optických senzorech a umožňuje dosud nedosažitelné rozlišení amplitud v řádu pikometrů. Při vývoji mikroelektromechanických systémů je důležité nejen určit elektrické chování součástek, nýbrž i přesně zjistit skutečné dynamické chování jejich pohyblivých částí. Znalost pohybového chování při řízených okrajových a budicích podmínkách dovoluje prověřit specifické chování systému a potvrdit nebo optimalizovat současné modely vytvořené metodou konečných prvků (na obr. 1 vlevo).

Přímé, objekt neovlivňující měření dynamického pohybu v prostoru má právě proto velký význam pro odborníky zabývající se vývojem MEMS. Vzhledem k tomu, že přístroje pro zjišťování 3D pohybu dosud dostupné na trhu dosahovaly jen omezených výsledků měření, budí další vývoj vhodné měřicí techniky velkou pozornost.  

Kontrola ve výrobě

Mnohé znaky kvality lze rozeznat z frekvenčního spektra kmitání vyráběných součástek. Proto je nový analyzátor vibrací MEMS vhodný též pro kontrolu výroby MEMS. Vzhledem k tomu, že zde je rychlost měření rozhodující, je zobrazení frekvenčních spekter v reálném čase podstatnou výhodou přístroje. Často je kmitavé chování mikroelektromechanických součástek jemně nastavováno ofsetovým napětím. V případě, že je ve výrobním procesu elektrické rozhraní obtížně přístupné nebo zcela nepřístupné, je optické měření rychlou a účinnou alternativou.

U většiny součástek je funkční směr pohybu, souběžný s rovinou součásti MEMS, tedy horizontální (IP – In Plane). Typickými příklady jsou inerciální (na setrvačnosti založené) senzory, jako je měřič zrychlení nebo gyroskop. V menším měřítku je důležitý směr pohybu kolmý k rovině součástky (OOP – Out Of Plane), tedy kolmo, vertikálně. Typickými příklady jsou soustavy mikrozrcadel, hlavy inkoustových tiskáren nebo membrány senzorů tlaku.

Ve většině případů však není možné skutečné chování popsat jako ryze horizontální nebo jen vertikální, nýbrž jde o kombinaci obou směrů. Proto jsou pro úplné popsání pohybů nutné naměřené hodnoty s velkým rozlišením pro každou pohyblivou součást, např. v kartézských souřadnicích.  

Schopnosti měření dosavadních vibrometrů

Amplitudy pohybu je třeba měřit s rozlišením v řádu mikrometrů až pikometrů, aby bylo možné spolehlivě zjistit i parazitní rušivé vibrace. Dosavadní laserové vibrometry, založené na Dopplerově efektu, umožňují velmi citlivá měření na součástech MEMS s rozlišením v řádu pikometrů, avšak pouze ve směru laserového záření. Jsou tedy omezeny na měření pohybu ve směru kolmém k rovině součástky (OOP).

V makroskopické oblasti používané 3D vibrometry se třemi samostatnými měřicími hlavami nelze uspokojivě použít k měření mikroskopických rozměrů. Proto byly pro měření horizontálních pohybů používány videoskopy ve spojení se stroboskopy, přičemž je však možné dosáhnout rozlišení pouze v řádu nanometrů. Navíc tento měřicí postup potřebuje dlouhé měřicí časy a složité zpracování dat, takže frekvenční spektrum vibrací se zobrazí až za několik minut.  

Měření pohybu v prostoru jedním paprskem

Nový systém firmy Polytec dovoluje zachytit pohyb současně ve všech směrech jedi­ným měřicím paprskem bez optických rušení s velkou rychlostí měření a rozlišením ampli­tud kmitání v řádu pikometrů. Poprvé je tak dosaženo potřebné citlivosti i při měření pohybu v horizontální rovině mikrostruktur. Vzhledem k tomu, že většina součástek MEMS kmitá v horizontálním směru, poskytuje nový přístroj již dlouho žádané měřicí schopnosti.

Mikroskop Polytec MSA-100-3D existuje zatím jen v prototypu, první dodávky jsou plánovány na konec roku 2013 a předpokládaná cena bude podle vybavení mezi pěti a sedmi miliony korun.  

Literatura:

[1] STEGER, H.: Aller guten Dinge sind drei. Mikroskop-basierte 3-D-Schwingungsmessverfah­ren für die Entwicklung von MEMS. Idustrielle Automation, 2013, č. 3, s. 34–35.

[2] Tiskové podklady firmy Polytec, 76337 Waldbronn, Německo (www.polytec.com). 

Ing. Jan Hájek

Obr. 1. Mikroskop k měření vibrací MEMS typu MSA-100-3D firmy Polytec; vlevo zobrazení kmitající součásti systému MEMS s naznačeným modelem vytvořeným metodou konečných prvků