Transiente MEMS Analysen
Anders als Systeme, die die Auslenkung einer Oberfläche mit einem einzelnen Punkt messen, arbeitet das DHM® mit einer einzigartigen nicht-scannenden Technik. In einem „Schuss“ nimmt es die gesamte sich im Bildfeld befindliche Oberfläche als 3D Topographie in Megapixel Auflösung als Zeitsequenz auf. Ja, jede einzelne Messung nimmt immer die gesamte sich im Bildfeld befindende Messfläche auf, mit einer Million Datenpunkten. Diese Fülle an Datenpunkten zeigt sehr direkt und umfassend die MEMS Antwort auf jedes Anregungssignal, in einmaliger Detailtreue.
Zur Illustration dazu ein Beispiel einer cMUT Membrane mit ihrer transienten Antwort auf ein Burst-Anregungssignal. Zeit- und Frequenzbereichsanalyse sind dargestellt. Solche Analysen lassen sich problemlos auch auf Arrays von cMUT und pMUT Membranen anwenden, ebenso auf Trägheitssensoren, optische und mechanische Schalter, MEMS Mikrofone, und mehr.
Zeitbereichsmessungen
Die Elektronik der stroboskopischen Einheit steuert die Topographieaufnahmen entlang der Anregungswelle überaus präzise. Sie erlaubt Zeitsequenzen mit einem Total von 32’768 3D Messungen über eine Bandbreite von bis zu 200 MHz aufzunehmen.
Das DHM erlaubt bei der Zeitbereich-Zeitsequenz-Messung eines cMUT als Antwort auf eine Burstanregung folgende quantitativen Aussagen:
- 3D Oberflächentopographie vs. Zeit (Fig 1)
- Animierter Profilschnitt, an irgendeinem Ort in der Aufnahme. Im Falle der Fig 1 liefert er detaillierte Information über die Deformation der Membrane.
- Absolute vertikale Position (Auslenkung) eines jeden Punkts auf der Sampleoberfläche (Fig 2)
Anregungs-Wellenform Spezifikationen – Transienten
Lyncée’s stroboskopische Einheit erlaubt dem Anwender jede beliebige Anregungs-Wellenform mit einer Auflösung von 215 Punkten zu definieren. Die Elektronik generiert die gewünschte Anregungsform und synchronisiert die 3D Topographiemessungen in hoher Präzision mit ihr (detaillierte Spezifikationen).
Somit sind nicht nur „einfache“ Anregungsformen wie Sinus, Quadrat, Dreieck, Trapezoid oder Sägezahn möglich, sondern, neben weiteren, auch Impulse und Bursts. Letztere erlauben die genaue Untersuchung von Transienten-Vorgängen wie Dämpfung.
Anmerkung: Das DHM liefert absolute Messungen, sowohl in der Vertikalen wie auch in der Ebene. Im Gegensatz zu Doppler-Vibrometern wird die vertikale Auslenkung über die Phase des Lichts und nicht über die Integration einer Geschwindigkeitsmessung über die Zeit ermittelt, was potentielle Messabweichungen ausschliesst.
Frequenzbereichsanalyse
Die oben beschriebenen Zeitbereichsmessungen können mit einer Diskreten Fourier Transformation (DFT) Analyse in den Frequenzbereich transformiert werden. Die Anzahl Spektralfächer (oder Kanäle) ist gleich wie die Gesamtzahl der Samples (bis zu 32’768), was umfassende Vibrationsmodi-Analysen erlaubt.
Dies zeigen Fig 3 und 4. Die Zeitantwort der Position (der Bewegung) der Membranoberfläche an einem bestimmten Punkt (Fig 3) wird in den Frequenzbereich (Fig 4) transformiert. Die Analysen deuten auf das Vorhandensein von zwei Modi hin in der Antwortkurve bei 4 MHz (rot) und 6.5 MHz (grün) als Antwort auf das doppelte Burst-Anregungssignal von 5 MHz (blau). Das Vorhandensein von zwei Modi erklärt sich aus dem asymmetrischen Konzept dieses cMUT Bauteils.
Die Modalanalyse der Antwort eines cMUT Bauteils auf ein Burst-Anregungsignal mit dem DHM erlaubt folgende Aussagen:
- Fourier Analyse der Auslenkung jedes beliebigen Punkts oder Fläche auf der Sampleoberfläche (Fig 4).
- Vibrations-Amplitudenmapping, welches die Amplitudenantwort des cMUT über die gesamte Aufnahmefläche für jeden DFT Frequenzfächer darstellt. Vier davon sind in Fig 5 dargestellt. Ähnlich funktioniert auch das Vibrations-Phasenmapping.
CMUT Anwendungsbeispiel:
- Courtesy von: Philips
- System: DHM R2100
- Modus: Stroboskopisch, Burst-Anregung. Wellenform: 2 Sinusperioden mit einer Frequenz von 5 MHz wiederholt mit 20 kHz.
- Gemessen in: Flüssigkeit
Publikationen
- Courtesy von: Philips
- System: DHM R2100
- Modus: Stroboskopisch, Burst-Anregung. Wellenform: 2 Sinusperioden mit einer Frequenz von 5 MHz wiederholt mit 20 kHz.
- Gemessen in: Flüssigkeit
„Characterization of cMUT by Dynamic Holography Microscopy,“ 2009 IEEE International Ultrasonics Symposium, Rome, 2009, pp. 2205-2208, doi: 10.1109/ULTSYM.2009.5441729, N. Sénégond, et. al.
“3D topography time-sequence immersed measurement of MUT response to burst excitation” C. van Heesch et. al.. 14th International Workshop on Micromachined Ultrasonic Transducers MUT 2015
