Inertialsensorik

Thermo-mechanische Anregung von geschlossenen MEMS-Bauelementen

© Fraunhofer ENAS
Skizze eines Messaufbaus zur Ermittlung des Resonanzverhaltens von MEMS durch thermo-mechanische Anregung.

Neben den klassischen Möglichkeiten der mechanischen Anregung von Mikrostrukturen durch die inhärenten Transducer, durch spezielle Vibrations-Chucks oder durch elektrostatische Feldsonden, kommt die thermo-mechanische Anregung in Frage, um bei messtechnischen Analysen die Resonanzfrequenzen und die Gütefaktoren der Resonanzmodi zu bestimmen und daraus auf Fertigungstoleranzen zurück zu schließen. Licht oder infrarote Strahlung kann zum Eintragen der thermischen Leistung eingesetzt werden. Für den Einsatz bei verkappten Silizium-MEMS-Bauelementen bietet sich der Wellenlängenbereich im nahen Infrarot (NIR) an. In einer gerätetechnischen Lösung zum Waferlevel-Test von MEMS-Bauelementen muss die thermo-dynamische Anregung gleichzeitig mit der Detektion der Schwingung erfolgen. Dazu wird ein Anregungslaser gleichzeitig mit einem Messlaser als Bestandteil eines Laser-Doppler-Interferometers zusammen mit einer NIR-Kamera eingesetzt. Der Anregungsstrahl wird aus einem direkt modulierbaren Diodenlasermodul mittels optischer Faser auf einen Kollimator geleitet. Ein schwenkbarer breitbandiger Spiegel lenkt die kollimierte Strahlung in Richtung der Einkoppelstelle in das Messgerät um und gestattet gleichzeitig die Positionierung des Ortes der thermo-mechanischen Anregung innerhalb des zu testenden MEMS. Prinzip-Tests brachten Messergebnisse an den eingesetzten Proben hervor, die ein hinreichend gutes Signal/Rausch-Verhältnis im Bereich um die Resonanzfrequenzen herum zeigten. Die Resonanzfrequenzen und die Frequenzbandbreiten, anhand derer die Gütefaktoren bestimmt werden können, sind sicher zu bestimmen.

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Ergebnis einer Beispielmessung zur Ermittlung des Resonanzverhaltens.
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Foto eines Testaufbaus zur Evaluierung des Verfahrens.