MEMS Mikrospiegel
Umfassende Charakterisierung von Modusformen
Die Mikrospiegel-Topographie wird über die MEMS Anregungsperiode für jede Modusform bei ihrer Resonanzfrequenz aufgenommen. Diese Vollbildmessungen erlauben dem MEMS Designer die präzise Charakterisierung des Mikrospiegels:
- Bewegungsamplitude, Geschwindigkeit, Beschleunigung, etc.
- Winkel Bestimmung
- Dynamische Oberflächen-Deformation
- Modusformen (Vibrations Amplituden- und Phasen-Mapping)
- Drehachse
Dynamische Deformation und optische Aberration von Mikrospiegeln
Messen der dynamischen Deformation bei allen Aufnahmewinkeln
Ein neues Level beim Messen der dynamischen Verbiegung des Mikrospiegels mit dem DHM® wurde an der SPIE Photonics Europe 2022 demonstriert. Glückwunsch an die DHM Anwender bei der Silicon Austria Labs GmbH !
DHM® eignet sich bestens, um die kontinuierliche dynamische Deformation eines 1.3 mm Durchmesser grossen, doppelachsigen Mikrospiegels mit Aufnahmewinkeln von ±3.9° für die langsame Achse und von ±5.4° für die schnelle Achse zu messen. Ein Goniometer unter dem Mikrospiegel modulierte den Winkel. In Kombination mit dem stroboskopischen Modul des DHM, zusammen mit seinen Vollbild-Aufnahmen, ermöglichte diese Kombination das Imaging der gesamten dynamischen Spiegeloberfläche bei jedem Winkel während dem Zyklus des Mikrospiegels.
Ihre Simulationen können effizient anhand von Experimentdaten validiert werden, um Ihr MEMS-Design zu verbessern.
Beschreibung:
- Anwender : Silicon Austria Labs GmbG, Austria
- Bauteil: Zweiachsen Mikrospiegel
- Instrument: DHM® R-2100
- Objektiv: 2.5x
Publikation:
Measuring angle-resolved dynamic deformation of micromirrors with digital stroboscopic holography
Pooja Thakkar, Clément Fleury, Markus Bainschab, Takashi Sasaki, Markus Zauner, Dominik Holzmann, Adrien Piot, and Jaka Pribošek in SPIE Photonics Europe 2022
A Comprehensive Characterization Procedure for Resonant MEMS Scanning Mirrors
Clement Fleury, Markus Bainschab,Gianluca Mendicino,Roberto Carminati,Pooja Thakkar,Dominik Holzmann,Sara Guerreiro and Adrien Piot (Silicon Austria Labs GmbH and STMicroelectronics) in XXXV EUROSENSORS Conference, Lecce, Italy, 10–13 September 2023
1. Bestimmung der Resonanzfrequenz
Die resonante Antwort des Mikrospiegels wird mit einem Frequenzsweep und Zuhilfenahme der Information des Intensitätsbildes bestimmt, wie gezeigt in Fig. 1. Denn je grösser die Amplitude der Spiegelbewegung, desto weniger Intensität wird in der Aufnahme gemessen. Eine einzige Messunge per Frequenz genügt um diejenige Frequenz zu bestimmen, bei welcher die Schwingungsamplitude ihr Maximum erreicht. Die Methode ist damit sehr schnell. Mehr dazu.
2. Bestimmung des maximalen Auslenkungswinkels
Auch der maximale Auslenkungswinkel wird über die Information der Bildintensität gemessen, wie gezeigt in Fig. 2. Der Spiegel wird mit seiner Resonanzfrequenz betrieben und das Goniometer tastet die Schräge oder Spitze des Spiegels automatisch ab. Wenn der Spiegel mit der maximalen Auslenkung schwingt, ist die Geschwindigkeit der Bewegung am geringsten. Deshalb ist der Goniometer Winkel, bei welcher das Intensitätsbild die grösste Amplitude zeigt, zugleich der grösste Auslenkungswinkel.
3. Justieren der Mikrospiegel Phasenshift Antwort bei Resonanzfrequenz
Die Phasendifferenz zwischen dem Anregungssignal und dem Antwortsignal wird mit Scannen des Offset des Antwortsignals ermittelt, wenn das Goniometer beim Maximum der Spiegelauslenkung ist, wie gezeigt in Fig. 3. Die Grösse des Phasenshifts ermittelt sich aus der Mitte des DHM Intensitätsprofils vs. der Phasen-Offset Funktion, wie gezeigt rechts im Bild.
4. Spiegel Charakterisierung über den gesamten Auslenkungsbereich
Das motorisierte Goniometer richtet das Mikrobauteil betreffend Schräglage und Spitze anhand der Parameter aus den vorangegangenen Schritten aus. Die reflektive Spiegelfläche wird über den gesamten Auslenkungsbereich gemessen, in rechtwinkliger Lage zur optischen Achse des DHM®’s, gezeigt in Fig 4.
Diese Messung kann interpretiert werden als dynamische Oberflächendeformation, Vibrationsdarstellung, und die optischen Aberrationen können untersucht werden, gezeigt im nächsten Abschnitt.
Optische Aberrations Charakterisierung
Dynamisches Messen der Spiegel Deformationen ermöglicht auch das Abschätzen der optischen Aberration in jeder Phase der Spiegelschwingung. Als Beispiel: beim maximalen Scanwinkel des Spiegels wird Dreiblatt für die schnelle Achse sichtbar, und gleichzeitig bei der langsamen Achse Dreiblatt und Komma.
In diesem Beispiel zeigt die langsame Achse eine dynamische Deformation von 250 nm, was konkret 8% weniger Kontrast bedeutet, verglichen mit der Beugungsgrenze derselben Apertur. Die beobachtete Hysteresis dieser Achse, bei der die dynamische Deformation für das Auf- und Ab 45 nm ist, steht bloss für einen Kontrastverlust von 0.6%. Die schnelle Achse hingegen, mit einer dynamischen Deformation von 1600 nm, führt zu einem Kontrastabfall von 96%! Im Modus „Schnelle-Achse“ fällt die Bildqualität mit zunehmendem Winkel.
„I am very much impressed by the DHM, on how we can use the laser trigger pulses down to 7.5ns and record the high resolution- surface topographies of a high-speed scanning micromirrors. We received support from Yves on improving our measurements, to deal with high velocity at zero crossing of mirror. Also, I am grateful for his immediate responses and contribution to paper reviewing within a short notice period.“
Pooja thakkar, Junior Scientist, Photonic Systems, Silicon Austria Labs
„Besides having good enough resolution in all 4 dimensions to image such a small and mechanical deformation, the key aspect of stroboscopic holography for high deflection MEMS mirror is to explore the parameter window space first (full field) contrary to a scanning technique – i.e LDV – that would do it frequency first. This enables easy and precise measurement, and a straightforward processing scheme.“
Clement Fleury, Senior Researcher, Photonic Systems, Silicon Austria Labs
„Experimental characterization of dynamic deformation at larger optical scan angles has for long time remained underexplored. Digital holographic microscopy offers superior lateral, axial and temporal resolution, allowing us to study peculiar effects in angle resolved membrane dynamics. Lyncée Tec offers you the right tool for the job.“
Dr. Jaka Pribošek, Senior Scientist, Photonic Systems, Silicon Austria Labs
Resonante Frequenzganganalyse mit dem DHM auf drei verschiedene Arten
1. Phasen- & Intensitäts-Frequenzscan mit hoher zeitlicher Auflösung
Frequenzscan mit hoher zeitlicher Auflösung zur Bestimmung der Resonanz ist die Methode, die die genauste und umfassendste Information liefert. Sie liefert präzise Daten für die in- und aus-der-Ebene lineare und nichtlineare Resonanzen über den gesamten Frequenzbereich von statisch bis 25 MHz, mit einer Präzision von 0.1 Hz, und mit interferometrischer Auflösung. Es ist eine ideale Methode für die Resonanz-Charakterisierung. Sie kann als Ergänzung zu den beiden anderen Methoden angewandt werden, welche sonst schneller zum Ergebnis führen können. Wenn man allerdings die Fülle an erhaltener Information betrachtet, ist die Analysezeit sehr kompetitiv.
Diese Information ist ein echtes Bedürfnis für die dynamische MEMS Analyse, wenn die Geometrie komplex mit z.B. Opferlöcher, die Bewegung ebenso und dazu noch Schräglage des Bauteils vorhanden sind. Oder wenn es um statistische Analysen mit Hilfe eines Gitters an einer grösseren Anzahl Bauteile geht. Die Datenanalyse liefert schnell und direkt die Auslenkungsamplitude für jedes Pixel in der Aufnahme, Bode Diagrammanalyse und Resonanz-Qualitätsfaktor-Bestimmung an jedem Punkt innerhalb des Bildfeldes.
Dank der beim DHM® einzigartigen optischen Konfiguration mit der grossen Anzahl verfügbarer Objektive ist auch Messen im Vakuum durch ein Glasfenster möglich.
Published in SPIE Photonic West 2013.
2. Frequenzscan über die Intensität
Diese zweite Methode basiert auf einem Frequenzscan über eine Sinuswelle – ähnlich wie bei der ersten Methode. Aber nur die Intensität in der Aufnahme wird berücksichtigt. Ausserdem wird die Laserpulsdauer (Belichtungszeit) gleichgesetzt mit einer Anregungsperiode des MEMS Bauteils. Dies ermöglicht ein schneller Scan über eine grosse Frequenzbreite zur schnellen Bestimmung linearer und nicht-linearer Resonanzen und ihrer relativen Amplitude.
Frequenzscan mit Intensitätsanalyse eignet sich für das schnelle Messen linearer und nicht-linearer Resonanzen für Bauteile mit grösserer Vertikalbewegung, typischerweise mit einer Amplitude >100 nm. Im Gegensatz zu den anderen beiden Methoden, welche die in- wie auch die aus-der-Ebene Bewegung extrahieren, wird hier nur die aus-der-Ebene Bewegung ausgenutzt. Und liefert so schnell Information über den gesamten Frequenzbereich bis 25 MHz mit wählbarer Auflösung, max. 0.1 Hz.
3. Fourier-Transformation der Systemreaktion
Die Fourier Analyse ist effizient und breit angewandt, aber weniger empfindlich, da die Anregungsenergie in ein sehr breitbandiges Spektrum von Frequenzen geht. Sie ermöglichtIt die Bestimmung von linearen in- und aus-der-Ebene Resonanzen über grosse Frequenzbereiche in vernünfitiger Zeit, ohne Frequenzscan. Die Auflösung der Frequenz ist nicht so hoch wie bei den anderen beiden Methoden, aus praktischen Gründen ist sie auf etwa 100 Hz limitiert. Was eine Einschränkung bei hochauflösender Resonanzerkennung sein kann. Die Topographie wird mit interferometrischer Auflösung gemesseen. Ihre Verwendung bei der Bestimmung von nicht-linearer Resonanz ist generell nicht möglich.
Ein quadratisches Anregungssignal von 250 Hz, generiert vom stroboskopischen Modul, bewegt den Spiegel. Dieses Signal enthält eine Fülle von Anregungsfrequenzen, unter anderem die Resonanzfrequenz des Spiegels. Die Antwort des Mikrosspiegels wiederum wird im Takt der stroboskopischen Synchronisation gesampelt. Diese Antwortzeit zeigt sich im Diagramm links. Die Schwingungen entsprechen der Signatur der Resonanzfrequenz. Was mit der Fouriertransformation im rechten Diagramm bestätigt wird: die Spitze der Resonanz liegt bei 18 kHz.
