In- & Aus-der-Ebene
4D Daten sind Voraussetzung für präzise in- und aus-der-Ebene Messungen
Viele MEMS haben, vom Design her oder unbeabsichtigt, beides, in- und aus-der-Ebene Bewegungskomponenten. Von daher ist es essentiell, die beiden Komponenten voneinander entkoppelt präzise analysieren zu können. Um z.B. das MEMS Bauteil auf sowohl dynamische wie frequenzabhängige Bewegung hin optimieren zu können.
Mit dem DHM messen Sie Topographie als eine Funktion der Zeit, heisst, 4D Daten (3D + Zeit). Damit enthält jede Messung – gemacht in Mikrosekunden – für jede Geometrie & Bewegung alle Information, um die beiden Bewegungskomponenten in- & aus-der-Ebene quantitativ zu bestimmen.
Alternative Systeme zur MEMS Analyse kombinieren die Ergebnisse aus mehreren unabhängigen Sensoren, was in vielen Fällen der korrekten Analyse der erhaltenen Daten in Bezug auf die zeitliche XYZ Bewegung nicht gerecht wird.
Die Notwendigkeit der 4D Daten für die präzise Messung der in- und aus-der-Ebene Bewegungskomponenten wird in den Tabs dieser Webseite gezeigt.
- in-der-Ebene Bewegung ist grösser als Strukturgrösse
- keine planaren Strukturen
- andere Beispiele komplexer Bewegung
Grosse in-der-Ebene Bewegung
In-der-Ebene Bewegungen sind heikel für aus-der-Ebene Messungen, wenn ihr Ausmass gross ist im Verhältnis zu ihrer Strukturgrösse. Dies ist der Fall wenn:
- dünne Arme sich über grössere Distanzen als ihre Breite bewegen,
- Oberflächen mit Löchern durchsetzt sind und sich über mehr als die Zwischenflächen bewegen, oder
- strukturierte Oberflächen sich über mehr als die Strukturgrössen bewegen.
Solche grossen in-der-Ebene Bewegungen können zu fehlerhaften aus-der-Ebene Messungen führen, wenn fix an einem Ort gemessen wird, wie gezeigt in der Darstellung nebenan.
Die DHM 4D Daten liefern verlässliche Messungen in allen Fällen, wie:
- in-der-Ebene tracking einer Stelle über grosse Flächen, mit Sub-Pixel Auflösung,
- messen der aus-der-Ebene Bewegung am selben Ort, folgend der in-der-Ebene Bewegung, und
- aus-der-Ebene messen über Spots klein bis zu einem Pixel, passend auch für kleinste Strukturgrössen.
Eine über die Zeit verlässliche aus-der-Ebene Messung muss zwingend der in-der-Ebene Bewegung folgen.
Beispiel an einem Mikromotor
Dieses Mikrossystem hat dünne Balken, die sich im Verhältnis zu ihrer Breite über eine grosse in-der-Ebene Strecke bewegen. Die Entkoppelung der in-der-Ebene und der aus-der-Ebene Bewegung ist nachfolgend beschrieben und illustriert in der 4D Darstellung links.
Unsere MEMS Analysis Tool Software erlaubt das Verfolgen der in-der-Ebene Bewegung eines beliebigen Punkts am bewegten Element. Die Software nutzt diese in-der-Ebene Bewegungsinformation, um am vom Anwender gesetzten Messpunkt (1) der aus-der-Ebene Bewegung zu folgen und im Diagramm festzuhalten. Dies lässt sich sowohl auf unelastische wie elastische Strukturen anwenden.
Im Falle dieses Mikromotors hier wird die in-der-Ebene Bewegung über Punkt 1 links oben verfolgt. Das erste Diagramm unten zeigt die X-Bewegung über die Zeit, dasselbe ist für die Y-Position möglich (nicht gezeigt hier).
Die in-der-Ebene (XY) Information wird dazu benutzt, den aus-der-Ebene Messpunkt (Punkt 1) über die Zeit am selben Ort zu halten. Somit zeigt das zweite Diagramm unten die aus-der-Ebene Bewegung (Z) über die Zeit am selben Ort.
Dieses Vorgehen erlaubt das perfekte Entkoppeln der in- & aus-der-Ebene (XYZ) Bewegung.
In-der-Ebene Bewegung einer unebenen Oberfläche
MEMS Strukturen, die sich verschieben, rotieren oder deformieren in-der-Ebene sind:
- nicht perfekt flach
- nicht parallel zur in-der-Ebene Bewegung
- nicht glatt, oder
- biegsam
Diese Deformationen können zu Fehlern im Messen der aus-der-Ebene Bewegung führen, scheinbar, aber nicht real, wenn an einem fixen Punkt gemessen wird, der nicht der Bewegung der Struktur folgt, wie rechts dargestellt.
Das DHM 4D Datenset liefert in jedem Fall zuverlässige Messungen, denn es erlaubt:
- die Bestimmung der in-der-Ebene Translations- und Rotationsparameter über Formerfassung,
- zur Kompensation jeglicher in-der-Ebene Bewegung. Über diese Parameter wird das bewegte Teil in ein Koordinatensystem gebettet, das statisch ist als Funktion der Zeit.
- zum Messen der eigentlichen aus-der-Ebene Bewegung an jedem Punkt der sich bewegenden Fläche. Echtes aus-der-Ebene Vibrations-Mapping ist damit machbar.
Demzufolge muss ein aus-der-Ebene Messspot der in-der-Ebene Bewegung folgen.
Anwendung beim stimmbaren Ringresonator
Ein stimmbarer Ringresonator besteht aus einer brillenartigen Struktur, die an flexiblen Armen festgemacht ist, welche in-der-Ebene um eine vertikale Achse rotiert. Dabei ist die Struktur als Ganzes nicht flach, wie links gezeigt.
Das Bild unten vergleicht die aus-der-Ebene Amplituden des linken Rings vom Sample, kompensiert / nicht kompensiert die in-der-Ebene Bewegung, gemessen bei Frequenzen von 48 – 54 kHz. Der maximale aus-der-Ebene Wert bei Resonanz (52 kHz) ist:
- Nicht kompensiert: 18 nm (scheinbarer, nicht realer aus-der-Ebene Wert)
- Kompensiert: 4 nm (wahrer, aus-der-Ebene Wert)
Sample by courtesy of ENS Montréal, Canada. Mehr zu dieser Applikation.
Wattwins 2DOF Taktgeber Oszillator
Das Instant-Lab am Swiss Institute of Technoloy of Lausanne (EPFL) entwickelt ein Wattwins 2DOF Taktgeber Oszillator für mechanische Armbanduhren ohne Unruh (IsoSpring Konzept), in Silikon hergestellt mit DRIE.
Um die Effizienz des Mechanismus zu maximieren, sind in- & aus-der-Ebene Messungen am Bauteil, welches die Bewegung zum Uhrmechanismus überträgt, von grosser Wichtigkeit.
Das 4D Datenset ist im oberen Bild rechts dargestellt. Die in-der-Ebene Bewegung wird beim Intensitätsbild gemessen, danach von den 4D Daten abgezogen um so die reine aus-der-Ebene Bewegung, gezeigt im untersten Bild, zu erhalten.
Sample by courtesy of The Instant-Lab at the Swiss Institute of Technoloy of Lausanne (EPFL)
Deformation des Uhren Oszillators über einen Zyklus
Die aus-der-Ebene Deformation eines Silizium Oszillators ist eine ungewollte Bewegung, die Energieverluste bereitet und damit die Gangautonomie herabsetzt.
Die Darstellung links zeigt wie das DHM® die aus-der-Ebene Deformation an einem Oszillator misst, über einen Zyklus.
Die Zeitsequenz der 3D Topographien (= 4D Datenset) wird zur Kompensation der in-der-Ebene (XY) Bewegung benutzt. Dies ergibt ein Datenset, bei welchem der Oszillator zeitlich überlagert erscheint, wovon sich die aus-der-Ebene Bewegung einfach und in hoher Genauigkeit extrahieren lässt.
Die Darstellungen links zeigen die in-der-Ebene und die aus-der-Ebene (Z) Bewegung nach der Kompensation der in-der-Ebene Bewegung.
Sample by courtesy of LVMH
