Holographischer MEMS Analyzer
Entdecken Sie die Fülle an Möglichkeiten mit 4D
Die DHM® MEMS Analyzer Version ermöglicht zeitaufgelöste Sequenzen der fortlaufenden 3D Topographien eines MEMS Bauteils entsprechend dem angelegten Signal zu analysieren. Dieses einmalige Set an Daten enthält eine Fülle an Information. So können gleichzeitig in- und aus-der-Ebene Bewegungen und Frequenz-Analysen an jedem beliebigen Punkt innerhalb des Bildfeldes präzise analysiert werden.
- Nicht-scannende Methode für schnelles Messen
- Effizienter Vergleich zwischen Simulation und realem Bauteil
- Charakterisierung von Bauteilen, die sich mit anderen Techniken nicht messen lassen
Zeitsequenz-Aufnahmen der 3D Topographie bis 25 MHz
Einmalige Fülle an Daten für Ihre MEMS Analyse
EINE KOMPLETT LÖSUNG FÜR MESSUNGEN . . .
Die Lyncée Tec holographische MEMS Analyzer Lösung umfasst eine komplette Charakterisierungs-Umgebung wie:
- Probing Plattform
- Vakuum und Klimakammer
- Signalgenerator für MEMS Ansteuerung bis zu 25 MHz
- Aufzeichnen der elektrischen Werte eines Bauteils
- DHM®-T und R-Serie Aufnahmen für 3D Topographie als zeitaufgelöste Sequenzen
- Stroboskopisches Modul für die Synchronisation der MEMS Anregung und Messung
… ZUR ANALYSE ZEITLICHER SEQUENZEN
Die MEMS Tool Software erlaubt die effiziente Analyse der 3D Topograpie Zeitsequenzen betreffend
- Aus-der-Ebene Bewegung von 5 pm to 50 Mikrometer
- In-der-Ebene Bewegung von 1 nm (sub-Pixel Algorithmen) bis 5 mm
- Bode und Fourier Frequenz-Antwort-Analyse
- Vibrations-Darstellungen
Interagiere mit dem Bauteil
Anwender Testimonials
Autonome Universität Barçelona
Ein internationales Team mit Forschern aus Spanien, Holland und den USA charakterisierten den flexo-elektrischen Koeffizient dielektrischer Materialien auf Silikon mit dem Messen des Biegeradius, hervorgerufen durch eine angelegte Spannung, mit dem DHM®.
Das DHM, ungleich einem Vibrometer, misst direkt die Auslenkung in jedem Punkt einer gemessenen MEMS Struktur während einer Vibrationsanregung. So lassen sich die DHM Daten elegant für harmonische Analysen via die Verwendung diskreter Fourier-Transform-Analyse Techniken. Letzteres ist unerlässlich zur Unterscheidung einer Reaktion, die sich linear auswirkt zu einem angelegten elektrischen Feld (z.B. Piezo elektrische Kraft) zu einer Reaktion, die im Quadrat reagiert wie z.B. eine elektrostatische Kraft.
FHG-IPMS in Dresden, and TU Cottbus Senftenberg
Deutsche Forscher vom Fraunhofer IPMS in Dresden zusammen mit der TU Cottbus Senftenberg massen die Auslenkung eines revolutionären neuen Mikroaktors mit Hife des DHM® (IPMS-FHG press release).
Wir können mit allen dynamischen Bewegungen arbeiten (stroboskopische und kontinuierliche Messung) – was das DHM einmalig macht gegenüber alternativen Geräten wie WLI und Laser-Doppler-Vibrometer.
Es hat die hohe vertikale Auflösung, um präzise die aus-der-Ebene Bewegung (z-Auslenkung) des Aktuators zu verfolgen.
Ein Vibrometer misst die Geschwindigkeit über den Dopplereffekt. Die Bewegung der Spitze wird über Integration berechnet. Folglich sind fehlerhafte Positionsmessungen ebenfalls integriert und verhindern damit Absolut-Positions- und Langzeit-Drift-Messungen.
DHM® entzieht sich diesem Problem, indem es direkt eine Position misst. Auslenkung kann jederzeit präzise gemessen werden.
Holographischer MEMS Analyzer
Die Holographische MEMS-Analyzer-Lösung beinhaltet alles, was Sie zu einer umfassenden MEMS Charakterisierung benötigen. Und wann immer ein Anwender Neues für seine Anwendung braucht, ist Lyncée Tec gerne bereit, in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden eine Anwernder spezifische Lösung auszuarbeiten.
Probing
MEMS probing Plattformen ermöglichen die direkte DHM® Charakterisierung von Bauteilen ohne vorher zu bonden. Eine heizbare Version erlaubt die Untersuchung von Temperatur Einflüssen bis 200°C auf die MEMS Eigenschaften.
Vacuum und Temperatur Kontrolle
Vacuum & thermische Kammern erlauben die Charakterisierung von Bauteilen unter realen Bedingungen wie Vacuum, Flüssigkeit, Gas, hohe und niedrige Temperatur bis -196°C, hoher Druck etc. Dabei sind die Messungen so einfach wie unter Normal-Bedingungen, dank der DHM® einmaligen optischen Konfiguration.
Holographische Mikroskope
Auflicht und Durchlicht DHM® mit einer oder zwei Wellenlängen sind voll kompatibel mit der Holographischen MEMS-Analyzer-Lösung. Die Geräte können mit allen Objektiven ausgestattet werden, insbesondere auch mit LWD Objektiven mit grossem Arbeitsabstand, für Messen in Flüssigkeit ebenso wie Glas korrigierte Modelle. Damit lässt sich mit Probes, in Flüssigkeit, durch Glas etc. messen wie in Normal Umgebung.
Stroboskopisches Modul
Das stroboskopische Modul synchronisiert die MEMS Anregung mit der 3D Topographie Zeitsequenz und elektrischen Output Messung. In Übereinstimmung mit der Anregung nimmt das DHM® 3D Topographie Zeitsequenzen, Vibration und elektrische Information gleichzeitig in einem einzigen Datensatz auf.
Post-Analyse Software
Die MEMS Analysis Tool Software ermöglicht die Unterscheidung der Bewegung in Bezug auf schiefe Ebene, Deformation der Oberfläche zur in- und aus-der-Ebene Auslenkung. Vibrations-Amplitude, Geschwindigkeit sowie Beschleunigung an jeder beliebigen Stelle lassen sich berechnen. Mehr noch, diese Software ermöglicht auch die so wichtigen Resonanz-, Fourier- und Bode-Frequenz-Analysen.
Kompetitive Stärken
Der DHM® Holographische MEMS Analyzer kennt mehrere Limiten anderer Messsysteme nicht – wie: es ist das einzige System, mit dem sich Anregung und Messung bis 25 MHz synchronisieren lassen. Dazu die Messmöglichkeiten in den verschiedensten Umgebungsbedingungen.
Alternative Systeme sind :
Holographischer MEMS Analyzer vs Laser-Doppler-Vibrometer (LDV & 3D LDV)
Der wichtigste Unterschied zwischen den beiden Systemen ist, dass das DHM® gleichzeitig jedes Pixel der Aufnahme aufnimmt während das LDV die Oberfläche Punkt um Punk abscannt. Dadurch ist die laterale Auflösung beim LDV limitiert durch den Spot Durchmesser (ein paar Mikrometer). Beim DHM® bestimmt das ausgewählte Objektiv die laterale Auflösung, die maximal unter ein halbes Mikrometer reicht.
Das LDV muss eine komplexe Kette von Signal verarbeitenden Schritten durchlaufen, um eine Geschwindigkeit zu messen. Jeder Datenpunkt wird dazu in Bezug auf die Amplitude der Vibration umgerechnet. Das LDV alleine liefert keine Absolut-Position und damit keine 3D Topographie. Das DHM® erfasst eine zeitliche Abfolge sukzessiver 3D Topographien, was eine direkte Berechnung der absoluten Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung erlaubt. Die Vibrations-Amplitude wird vom DHM® mit hoher Zuverlässigkeit bestimmt.
| Features | DHM® | 3D LDV | LDV |
| Dynamische Topographie | [ja] | [nein] | [nein] |
| 3D Vibration (X,Y,Z) | [ja] XYZ | [ja] XYZ | [nein] nur Z |
| Maximum Frequenz | 25 MHz | 25 MHz | bis zu 1.2 GHz |
| Vollflächige Messungen | [ja] | [nein] mit XY scanning | [nein] mit XY scanning |
| Diffraktion limitierte Auflösung | [ja] | [nein] limitiert durch Laser Spot Grösse | [nein] limitiert durch Laser Spot Grösse |
| Objektiv Revolverkopf | [ja] | [nein] | [ja] |
| Nötige Proben Präparation | [nein] | – für diffuse Proben ja |
[nein] |
| Messen komplexer Strukturen | [ja] | [nein] | [nein] |
| Messen komplexer Bewegung (simultane in-, out- of plane, tilt, … ) | ++ | – | – |
| Messen der in-der-Ebene-Bewegung grösser denn MEMS Strukturen | [ja] | [nein] | [nein] |
Holographischer MEMS Analyzer vs 2D Stroboskopische Mikroskopie
2D Stroboskopische Mikroskopie ist üblicherweise kombiniert mit LDV um die Messung der in-der-Ebene-Bewegung des Vibrometers zu ermöglichen.
| Features | DHM® | 2D Stroboskopische Mikroskopie |
| 3D Topographie | [ja] | [nein] |
| 3D Vibrationen (X,Y,Z) | [ja] | [nein]1 |
| Maximum Frequenz | 25 MHz | 1 MHz |
| Vollflächige Messungen | [ja] | [ja] |
Holographic MEMS Analyzer vs Weisslichtinterferometer (WLI)
Einige Weisslichtinterferometer können Aufnahmen im stroboskopischen Modus machen, um die dynamische Topographie von MEMS zu messen. Allerdings sind scannende Aufnahmen einer dynamischen Oberfläche störanfällig auf Vibrationen, dazu zeitaufwendig.
Einige Systeme kombinieren Weisslichtinterferometrie mit LDV oder 2D stroboskopischen Aufnahmen um statische Topographie zu messen. Für diesen Fall gibt es Limiten zum Messen wie bekannt beim WLI in der Klimakammer.
| Features | DHM® | WLI |
| Dynamische Topographie | [ja] | –1 |
| 3D Vibrationen (X,Y,Z) | [ja] | –1 |
| Maximum Frequenz | 25 MHz | 1 MHz |
| Stitching Messung | [ja] | nicht im stroboskopischen Modus |
| Messung in der Klimakammer | [ja] | –2 |
1. WLI ist geeignet für statische Topographie. Scannende Technologie eignet sich vom Prinzip her nicht für dynamische Messungen
2. Limitierte Auswahl an Objektiven mit Glas (Fenster) Kompensation
Spezifikationen
| Optische Messeinheit | AuflichtDHM® oder Durchlicht DHM® |
| MEMS Anregungs-Einheit | LyncéeTec stroboskopisches Modul |
| XYZ Tisch | Manueller oder motorisierter Tisch |
| Software | Koala für Acquisition und live Analyse
MEMS Analyse Tool für nachträgliche erweiterte Analyse |
| Objektive | Revolverkopf mit 6 Positionen, Vergrösserung von 2.5x bis 100x |
| In-der-Ebene Vibration2 | von 10 nm bis 5 mm |
| Aus-der-Ebene Vibration2 | von 10 pm bis 50 μm |
| Topographie Auflösung |
Vertikal : 0.1 nm
Lateral1 : von 400nm bis 8.5μm |
| Anregungsfrequenz | von statisch bis 25 Mhz |
| Laser-Pulslänge | runter bis 7.5 ns |
| Maximale vertikale Geschwindigkeit 2 |
bis 10 m/s |
1. equivalent zur Vibrometer-Messpunktgrösse, Objektiv abhängig
Vibrometrie und stroboskopische DHM-Messungen
Die 4D-Messfähigkeit der DHM-Technologie bietet insbesondere bei dynamischen Messungen zahlreiche Vorteile. Bei der Analyse von MEMS lassen sich DHM-Messungen in Schwingungskarten umwandeln. Diese zeigen auf einen Blick die Schwingungsamplitude für jedes erfasste Pixel.
Der Rauschpegel einer Schwingungskarte entspricht der Nachweisgrenze der vibrometrischen Messung und kann somit zur Charakterisierung der Leistungsfähigkeit eines Systems herangezogen werden.
Definition und Bestimmung des Rauschbodens in DHM-Schwingungskarten
DHM-Systeme liefern Rohdaten, die sich von denen der Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV) unterscheiden. DHM liefert unmittelbar zeitliche Abfolgen von Topografien und absolute Schwingungsamplituden in Pikometern.
Laser-Doppler-Vibrometer messen eine Geschwindigkeit. Ihre Ausgabedaten basieren auf einer FFT und einem Leistungsspektrum. Daher werden Rauschboden und Verschiebungen üblicherweise in Abhängigkeit von der Messbandbreite und in Pikometern pro Quadratwurzel aus Hertz (pm/√Hz) angegeben. Um aus solchen Spezifikationen absolute Verschiebungs- und Rauschwerte zu berechnen, müssen die angegebenen Werte mit der Quadratwurzel der Messbandbreite multipliziert werden. Die zugrunde gelegte Messbandbreite ist bei niedrigen Frequenzen in der Regel gering und bei hohen Frequenzen gross.
Um einen Vergleich zu ermöglichen, stellt eine Veröffentlichung im Journal of Physics: Photonics eine fundierte Methodik vor. Diese basiert auf grundlegenden Definitionen des Rauschens und ermöglicht die Bestimmung des Rauschbodens für Schwingungen ausserhalb der Ebene. Der Einfluss aller wesentlichen experimentellen Parameter auf die minimale Nachweisgrenze wird untersucht und die Optimierung jedes einzelnen Parameters diskutiert.
Zusammenfassung der Publikationsergebnisse
DHM-MEMS-Analyzer werden durch ihren in Pikometern angegebenen tatsächlichen Rauschboden (Actual Floor Noise, AFN) charakterisiert. Dieser nimmt umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der folgenden Grössen ab:
- Anzahl der Abtastwerte (S) pro Periode
- Anzahl der gemittelten Perioden (N)
- Anzahl der Pixel im räumlichen Filterbereich der Topografiedaten
Der tatsächliche Rauschboden hängt nicht signifikant von den folgenden experimentellen Faktoren ab:
- Anregungsfrequenz des MEMS
- Gewähltes Objektiv
- Relative Pulsdauer (Duty Cycle), d. h Verhältnis der Laserpulses zur Anregungsperiode des MEMS
Definition und Messung des tatsächlichen DHM-Rauschbodens (AFN)
Zur Quantifizierung der Leistungsfähigkeit eines DHM-MEMS-Analyzers wird die Schwingungsamplitudenkarte eines ebenen Kalibrierspiegels gemessen, der als statisch angenommen wird. Ohne Rauschen müssten alle Werte dieser Karte gleich null sein. Bei einem realen Messsystem ist dies aufgrund unvermeidbarer Umgebungseinflüsse jedoch nicht der Fall. Das Rauschen wird daher anhand von zwei Parametern charakterisiert:
- Standardabweichung σᵥ der Amplitudenkarte: Sie beschreibt die Streuung der gemessenen Schwingungsamplituden um den erwarteten Wert.
- Mittelwert der Amplitudenkarte: Er ermöglicht die Bestimmung des sogenannten tatsächlichen Rauschbodens (Actual Floor Noise, AFN), also der Schwingungsamplitude, die einem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von 1 entspricht.
Normierter DHM-Rauschboden (NFN)
Da der tatsächliche Rauschboden (AFN) im Wesentlichen mit der inversen Quadratwurzel der Gesamtzahl der zeitlichen Abtastwerte abnimmt, lässt sich eine allgemeine, von den experimentellen Parametern unabhängige Kenngrösse für die Leistungsfähigkeit eines Systems definieren
Die Gesamtzahl der zeitlichen Abtastwerte ST ergibt sich aus: ST
Dabei bezeichnet (S) die Anzahl der Abtastwerte pro Periode und (N) die Anzahl der gemittelten Perioden. Der normierte Rauschboden ist definiert als:
Der NFN beschreibt das Rauschen für den unrealistischen theoretischen Fall eines einzigen Abtastwertes. Dieser Wert kann nicht direkt gemessen werden, da stroboskopische Messungen mit periodischer Anregung nicht mit nur einem Datenpunkt pro Periode durchgeführt werden können. Die Einheit des NFN wird in der Publikation als pm · √# angegeben, wobei # für die Anzahl der Abtastwerte steht.
Wurde ein System zuvor anhand seines NFN charakterisiert, kann der AFN bereits vor einer Messung berechnet werden: AFN = NFN / . So lässt sich die erforderliche Anzahl der Abtastwerte bestimmen, um das gewünschte Rauschniveau zu erreichen.
Im Gegensatz zum bandbreitenabhängigen FN von Laser-Doppler-Vibrometern sind NFN und AFN unabhängig von der Messbandbreite.
Vergleich des DHM- und LDV-Rauschbodens in Abhängigkeit von Abtastparametern und Frequenz
Die rechte Abbildung zeigt den resultierenden AFN für typische Abtastparameter bei einem NFN von 624,5 pm · √#. Die Unabhängigkeit des AFN von der Frequenz ist deutlich erkennbar. Die Grafik veranschaulicht ausserdem, wie sich der angestrebte Rauschboden durch Anpassung von () erreichen lässt.
Zum Vergleich zeigt die Grafik die entsprechenden Werte für ein modernes Laser-Doppler-Vibrometer mit einem FN von 50 fm/√Hz. Für die Abschätzung wird die minimale Abtastfrequenz nach dem Nyquist-Kriterium angesetzt, also das Zweifache der Modulationsfrequenz. Der effektive Rauschboden des LDV in Pikometern steigt mit zunehmender Frequenz nichtlinear an und erreicht nicht die niedrigen AFN-Werte der DHM-Messungen.
Schwingungsmode eines phononischen Kristalls im Pikometerbereich
Die oben dargestellten Ergebnisse wurden durch die Messung des Schwingungsmodes eines phononischen Kristalls (PnC) validiert, für die eine Nachweisgrenze von einem Pikometer erforderlich war.
Der PnC wurde in einer Vakuumkammer bei einer bestimmten Resonanzfrequenz (f = 1,2675 MHz) und mit geringer Anregungsamplitude angeregt, um die Auslenkung zu minimieren. Die Messungen wurden mit einem R1000-System (λ = 666 nm, M = 2,5×, NA = 0,07) und einer Gesamtzahl von (=32.768) Abtastwerten durchgeführt. Vor der Berechnung der Schwingungskarte wurde ein räumlicher Filter zur Rauschreduzierung angewendet. Daraus ergab sich eine laterale optische Auflösung von etwa 20 μm. Auf Grundlage dieser Parameter und unter Annahme eines vergleichbaren NFN von 625 pm · √# war ein Rauschniveau von etwa 0,86 pm zu erwarten.
In der links dargestellten Amplitudenkarte dieses Schwingungsmodes lassen sich Bereiche mit minimaler und geringer Auslenkung erkennen. Die niedrigste im zugehörigen Profil gemessene Schwingungsamplitude liegt an einem Schwingungsknoten und beträgt 1,26 pm. Sie liegt damit in derselben Grössenordnung wie der erwartete Rauschwert. Bemerkenswert ist, dass sich bei einer solchen Probe ein derart niedriger Rauschboden bestimmen lässt, obwohl der Kristall selbst bei geringer Anregung in seinem Zentrum mit Amplituden schwingt, die bis zu 100-mal so gross wie der Rauschpegel sind.
Lyncée Tec Challenge 2022
Lyncée Tec Challenge 2022 was successfully launched in May 2022 to call for the best MEMS application which demonstrates the DHM® unique strengths for vibration map measurements. The winner receives a DHM® holographic MEMS analyzer as their prize! After more than 6 months, Silicon Austria Labs SAL won this award for their outstanding and innovative demonstration of measuring dynamic deformations of MEMS mirrors at all scanning angles using DHM’s unique full field vibration mode shape analysis. Congratulations to the winner and to all participants!
For more details, please visit webpage: https://challenge.lynceetec.com/
Among all applications, 5 best measurements are shown below.
- Description: Dynamic deformation of a MEMS mirror during the full scanning cycle and the corresponding point spread function
- Sample: MEMS micromirror
- Courtesy of: Dr. Clement Fleury, Silicon Austria Labs, Austria
- Description: Vibration mode shapes vs. FEM simulation
- Sample: X-ray detector array with bismuth absorbers coating for space telescopes
- Courtesy of: Dr. Henk van Weers, SRON, Netherlands Institute for Space Research, Netherlands
- Description: Vibration amplitude maps with frequency continuous sweep:640-670 kHz, showing complex mode shapes
- Sample: Nano-Micro cantilever with increased sensitivity
- Courtesy of: Prof. Dr.-Ing. Julia Körner, Leibniz University Hannover, Germany
- Description: Deformed structure requires decorrelation of in- & out of plane vibration for true value
- Sample: Tunable ring resonator
- Courtesy of: Dr. Mathieu Gratuze, Ecole de Technologie Superieure, Canada
- Description: Complex structures and complex in- & out-of-plane vibration mode shapes
- Sample: Double side clamped beam
- Courtesy of: Dr. Daniel Moreno, Ecole polytechnique fédérale de lausanne EPFL, Switzerland
