Parameterbestimmung aus mechanischen Schwinungsdaten

Das Ziel der Analyse ist die Ermittlung von Strukturparametern, Dimensionen und Materialeigenschaften von NEMS/MEMS-Komponenten. Angewendet wird diese zur Erkennung von Schädigungen (Risse, Delamination) und Ermittlung mechanischer Spannungen sowie von Veränderungen der Materialeigenschaften durch die Benutzung (Schadensanalyse) oder aufgrund künstlicher Alterung (Lebensdaueruntersuchungen).

Die Untersuchungsmethode lässt sich in zwei Schritte unterteilen.
Schritt 1 - Vorbereitung: Finite-Elemente-Modellierung oder durch analytische Formeln beschreibbare Modelle werden eingesetzt, um den Zusammenhang zwischen Resonanzfrequenzen und Schwingmoden einerseits und den gesuchten Parametern andererseits numerisch zu bestimmen. Aus diesen Ergebnissen wird ein Gleichungssystem von Potenzreihen in den gesuchten Parametern entwickelt.
Schritt 2 - Durchführung: Das Resonanzverhalten der zu untersuchenden NEMS/MEMS wird berührungslos mittels optischer Vibrometrie gemessen, wobei die Strukturen gezielt zu Schwingungen angeregt werden (z. B. durch elektrostatische Kräfte). Aus den gemessenen Frequenzgängen werden die Resonanzfrequenzen extrahiert und die jeweilige Ordnung der zugehörigen Schwingmoden ermittelt, um daraus letztendlich durch numerische Optimierung anhand der oben genannten Gleichungen die gesuchten Parameter zu bestimmen.

Zu erwartende Ergebnisse sind Abmessungen (Längen, Breiten, Dicke) von NEMS/MEMS-Strukturen als Bestandteil von Komponenten (Membranen, Biegebalken, Torsionsfedern, feste Strukturen), Materialparameter (E-Modul) und die Zugspannung.

Equipment und Software:

• Vorbereitung: Software zur Analyse mittels Finite Elemente Methode (z. B. ANSYS), allgemeine Mathematik-Software
• Durchführung: Lased-Doppler-Vibrometer (MSA 400, Polytec), Software MEMSPar

Beispiele:

• Ermittlung der Breite und der Zugspannung von Torsionsfedern von MEMS-Scannern
• Ermittlung der Membrandicke von Drucksensoren

Das Ziel der Untersuchung ist die Ermittlung der elektrischen Parameter passiver und aktiver Bauelemente und Blöcke oder von Komponenten auf Waferlevel. Angewendet wird diese zur Identifikation der Veränderung von der elektrischen Parametern durch Einflüsse aus der Anwendung (Schadensanalyse) oder aufgrund von künstlicher Alterung (Lebensdaueruntersuchungen).

Nach einer Problemanalyse werden die Zielparameter definiert und geeignete Mess-Setups sowie Testpläne zusammengestellt, um die Zielparameter bestenfalls als primäre Messdaten ermitteln zu können. Dabei werden gegebenenfalls künstliche Belastungen (z.B. Temperatur, Temperaturwechsel, Feuchte, Vibration, mechanische Schocks) einbezogen. Während der Belastungssituation können die elektrischen Parameter simultan oder zu definierten Zeitpunkten aufgezeichnet werden.

Das zu erwartende Ergebnis ist der Einfluss unterschiedlicher Lasten auf die elektrischen Parameter von Bauelementen und Modulen.

Equipment und Software:

• Spannungsquellen und Source-Meter
• Funktionsgeneratoren
• Oszilloskope
• RLC-Impedanzanalysator
• Vector-Netzwerkanalysatoren (ZVA 50, ZVR, Rohde&Schwarz),
• Signalgeneratoren (FSL 18, SMC 100, SMF 100, Rohde&Schwarz)
• Spektrumanalysatoren (FSL 18, Rohde&Schwarz)
• HF Leistungsverstärker (SW 18, Prana)

Beispiele:

• Degradation von Kondensatoren hinsichtlich Kapazität und Isolationsfestigkeit durch deren Betrieb in hoher Luftfeuchte
• Fehler in PCB-basierten Modulen durch thermomechanische Degradation

Das Ziel der Messung ist die Ermittlung der HF-Parameter von passiven und aktiven Bauelementen und Blöcken auch auf Waferlevel. Angewendet wird sie zur Identifikation der Veränderung von HF-Parametern durch Einflüsse aus der Anwendung (Schadensanalyse) oder aufgrund von künstlicher Alterung (Lebensdaueruntersuchungen).

Bei der Untersuchungsmethode wird ein Vektor-Netzwerkanalysator gegebenenfalls zusammen mit Frequenzkonvertern bzw. ein Frequenzgenerator und Leistungsmessgeräte (Spektrumanalysator) werden eingesetzt, um die Streuparameter bzw. die Übertragungseigenschaften im entsprechenden Frequenzbereich zu messen. Die erforderliche Kalibrierung der Messkette erfolgt durch Kalibriersubstrate im Falle von GSG-Probes (auch GS-Probes) oder durch Kalibriernormale für K-Stecker Die HF-Parameter werden direkt als primäre Messdaten der Messgeräte verwendet oder durch Extraktion aus den Streuparametern ermittelt.

Zu erwartende Ergebnisse der Messung sind Streuparameter, Übertragungseigenschaften (Amplitudengang, Phasengang), Nichtlinearitätsparameter wie Compression Point und IIP3, Dämpfung und Verstärkung und komplexe Impedanz.

Equipment und Software:

• Vector-Netzwerkanalysatoren (ZVA 50, ZVR, Rohde&Schwarz),
• Signalgeneratoren (FSL 18, SMC 100, SMF 100, Rohde&Schwarz)
• Frequenzkonverter (SMZ 75, SMZ 110, ZVAZ 75, ZVAZ 110, Rohde&Schwarz)
• Spektrumanalysatoren (FSL 18, Rohde&Schwarz)
• HF Leistungsverstärker (SW 18, Prana)

Beispiele:

• Komplexe Impedanz von Kondensatoren, Spulen und Widerständen
• Einfügedämpfung von Leistungsteilern und Schaltern
• Verstärkung von Verstärker-Modulen
• IIP3 aktiver Komponenten und passiver Komponenten bis zu IIP3 = 60 dBm