DE102020214102A1

DE102020214102A1 - Einrichtung zur Charakterisierung, zur Prüfung und/oder zum Testen eines Bauteils, insbesondere eines mikroelektromechanischen Systems, System, Verfahren

Info

Publication number: DE102020214102A1
Application number: DE102020214102.9A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Fischer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2021-09-23
Also published as: WO2021185516A1

Abstract

Es wird ein Einrichtung (1) zur Charakterisierung, zur Prüfung und/oder zum Testen eines Bauteils (10), insbesondere eines mikroelektromechanischen Systems, vorgeschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) einen Träger (2) und eine Erregereinrichtung (20) umfasst, wobei mithilfe der Erregereinrichtung (20) eine Scherwelle (30) auf dem Träger (2) erzeugbar ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Charakterisierung, zur Prüfung und/oder zum Testen eines Bauteils, insbesondere eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS).
MEMS Inertialsensoren, insbesondere Beschleunigungs- und/oder Drehratensensoren, haben eine Vielzahl von Anwendungen. Beispielsweise kommen derartige Sensoren in automobilen Anwendungen sowie Consumer Electronics Applikationen zum Einsatz. MEMS Sensoren kommen dabei häufig in Umgebungen zum Einsatz, in denen sie (Stör-)Beschleunigungen und Drehraten mit hohen Frequenzen und großen Beschleunigungsamplituden ausgesetzt sind. Aus Platz- und Kostengründen werden Sensoren mit immer geringerer Größe entwickelt. Solche Störbewegungen können insbesondere zu rein linearen Bewegungen, reinen Kippbewegungen oder Überlagerungen dieser beiden Bewegungsformen des Bauteils führen und in weiterer Folge zu massiven Störungen des Ausgangssignales des MEMS Sensors.
Für den Einsatz von mikroelektromechanischen Sensoren und deren Weiterentwicklung besteht daher die Notwendigkeit, die Bauteile bezüglich ihres Verhaltens unter Störeinflüssen zu testen und zu charakterisieren.
Aus dem Stand der Technik sind Vibrationsuntersuchungen zur Charakterisierung und Untersuchung von Bauteilen bekannt, bei denen ein MEMS Sensor auf einem linearen oder Rotations-Schwingerreger (Shaker) angeordnet wird. Nachteile dieser Schwingungserzeugung mittels Shakern sind, dass die Geräte aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichtes hinsichtlich der maximalen Frequenz limitiert sind und ebenfalls eine Reihe von Eigenmoden besitzen. Diese Eigenmoden führen dazu, dass nicht nur die gewünschte Bewegung des Shakerkopfes ausgeführt wird, sondern auch Quer- oder Rotationsanteile hinzukommen. Somit können Fehler und Ungenauigkeiten bei der Vibrationsmessung entstehen.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Charakterisierung, zur Prüfung und/oder zum Testen eines Bauteils, insbesondere eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), bereitzustellen, welche eine genaue und flexible Messung des Bauteils ermöglichen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Charakterisierung, zur Prüfung und/oder zum Testen eines Bauteils, insbesondere eines mikroelektromechanischen Systems, gemäß Anspruch 1 hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass mithilfe einer Scherwelle auf einem Träger eine präzise Charakterisierung eines Bauteils vorgenommen werden kann. Die Einrichtung umfasst hierfür eine Erregereinrichtung zur Erzeugung einer Scherwelle auf (bzw. in) dem Träger. Das Bauteil kann durch die Scherwelle mit einer Bewegung beaufschlagt werden. Es ist vorteilhafterweise möglich, dass das Bauteil (device under test - DUT), vorzugsweise während es der bzw. den Scherwellen ausgesetzt ist, elektrisch betrieben werden kann (das Bauteil ist hierfür insbesondere elektrisch kontaktiert und angeschlossen), wobei ein oder mehrere Ausgangssignale des Bauteils mithilfe einer Messeinrichtung beobachtet bzw. gemessen werden.
Erfindungsgemäß kann eine sich aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten ausprägende Welle in einem Festkörper (dem Träger) ausgenutzt werden, um eine gezielte Vibration des Bauteils zu erreichen. Bei bekannten Materialeigenschaften des Trägers können Bewegungen bis zu sehr hohen Frequenzen und damit sehr geringen Wellenlängen reproduzierbar erzeugt werden. Somit können die Einsatzbedingungen von MEMS-Bauteilen (und insbesondere Störungen während der Applikation) besonders umfassend und kontrolliert nachgebildet werden, wodurch eine vorteilhafte Charakterisierung der Bauteile möglich wird.
In der Applikation sind MEMS Sensoren typischerweise einer Vielzahl unterschiedlicher linearer und/oder rotatorischer (Stör-)Bewegungen ausgesetzt. Derartige Störungen können beispielsweise durch schwingende Bauteile bedingt sein, die gemeinsam mit dem MEMS Sensor in dessen Nähe auf einem gemeinsamen Träger oder einer Leiterplatte angeordnet sind. Die Schwingungen solcher Bauteile können sich durch den Träger ausbreiten und so den MEMS Sensor stören.
Erfindungsgemäß können beim Testen oder Charakterisieren eines Bauteils mithilfe einer Erregereinrichtung gezielt Scherwellen auf einer Oberfläche eines Trägers erzeugt werden. Durch diese Scherwellen wird das Bauteil beschleunigt. Hierdurch wird eine vorteilhafte Charakterisierung bzw. Vermessung eines Ausgangssignals des Bauteils unter Störeinflüssen möglich.
Im Vergleich zu bekannten Vibrationsmessungen, bei denen ein Bauteil auf einem Shaker angeordnet wird, können erfindungsgemäß auch hohe Frequenzbereiche besonders vorteilhaft vermessen werden. Ferner kann erfindungsgemäß durch einen Verzicht auf einen Shaker eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erzielt werden, da nachteilige Einflüsse von Eigenmoden eines Shakers auf die Messungen vermieden werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann es sich bei einer Scherwelle um eine Transversalwelle, bzw. Quer- oder Schubwelle handeln.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Erregereinrichtung einen Piezo-Erreger umfasst oder als Piezo-Erreger ausgebildet ist, wobei die Erregereinrichtung bevorzugt in direktem oder indirektem Kontakt zu einer Oberfläche des Trägers angeordnet ist. Mithilfe eines Piezo-Erregers können Scherwellen mit vorgebbarer Frequenz auf dem Träger ausgebildet werden, wobei insbesondere auch hohe Frequenzen erreichbar sind. Der Piezo-Erreger ist hierfür vorzugsweise direkt (oder indirekt über ein Zwischenbauteil) mit dem Träger in Kontakt. Der Piezo-Erreger wird insbesondere elektrisch angeregt und schwingt orthogonal zur Oberfläche des Trägers bzw. zur Haupterstreckungsebene des Trögers. Durch die Schwingung des Piezo-Erregers breitet sich eine Scherwelle an der Oberfläche des Trägers aus. Es ist alternativ jedoch auch denkbar, eine Erregereinrichtung zu verwenden, welche keinen Piezo umfasst aber dennoch orthogonal zur Oberfläche des Trägers (also aus der Ebene heraus) schwingen kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Träger plattenförmig, bevorzugt als Leiterplatte, ausgebildet ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Erregereinrichtung, insbesondere der Piezo-Erreger, Schwingungen in einem Frequenzbereich bis 2,5 MHz oder in einem Frequenzbereich bis mindestens 2,5 MHz erzeugen kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die mithilfe der Erregereinrichtung erzeugte Scherwelle mit einer, insbesondere festen und/oder einstellbaren, Frequenz zwischen einschließlich 100 kHz und 1 Mhz erzeugbar ist, wobei eine Wellenlänge der Scherwelle bevorzugt im Bereich von einschließlich 20 mm bis 2 mm liegt. Die Frequenz kann insbesondere mithilfe einer Wahl eines entsprechenden Piezo-Erregers eingestellt werden. Die Scherwellen bilden sich in Abhängig von der (festen) Frequenz des Piezoerregers sowie den Materialeigenschaften des Trägers auf der Oberfläche des Trägers aus. Insbesondere hängen die Geschwindigkeit (vs) und Wellenlänge (A) der Scherwelle von den Materialeigenschaften ab. Bei typischen Materialeigenschaften des Trägers und Frequenzen, die im Bereich zwischen 100 kHz und 1 Mhz liegen, liegt die Wellenlängen im Bereich zwischen 20 mm und 2 mm und somit im Bereich von typischen Bauteilabmessungen.
Die Größen hängen wie folgt zusammen: $v s = \sqrt{\frac{G}{ρ}}$

wobei G das Schermodul und ρ die Dichte ist; $G = \frac{E}{2 (1 + ν)}$
wobei E das Elastizitätsmodul und v die Poissonzahl ist; $λ = \frac{v s}{f}$
wobei λ die Wellenlänge und f die Frequenz ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass eine Wellenlänge der Scherwelle und/oder eine Amplitude der Scherwelle mithilfe einer Messeinrichtung, umfassend insbesondere ein Laser-Doppler-Vibrometer, ermittelbar ist. Hierdurch kann eine besonders präzise Charakterisierung der Scherwelle erfolgen und somit vorteilhaft eingestellt werden, welcher Bewegung das zu testende Bauteil während der Prüfung unterliegt. Das Laser-Doppler-Vibrometer kann beispielsweise mindestens einen ersten und einen zweiten Laser umfassen. Der erste Laser kann auf eine Oberfläche der Erregereinrichtung bzw. des Piezo-Erregers gerichtet sein und der zweite Laser auf einen von der Erregereinrichtung beabstandeten Punkt bzw. Bereich auf der Oberfläche des Trägers. Somit kann die Auslenkung der Erregereinrichtung bzw. des Piezo-Erregers und die des Punktes bzw. Bereichs der Oberfläche des Trägers gemessen werden. Hierdurch kann die Wellenlänge und Amplitude der Scherwelle ermittelt werden. Es können ferner weitere Laser verwendet werden, die auf weitere Punkte oder Bereiche der Oberfläche des Trägers gerichtet sind. Die Messeinrichtung umfasst ferner bevorzugt eine Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung, beispielsweise einen Lasertreiber und/oder Computer.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen,

-- dass die Einrichtung zur Aufnahme eines weiteren Bauteils, bevorzugt mehrerer weiterer Bauteile, ausgebildet ist, und/oder
-- dass die Einrichtung zusätzlich zu der Erregereinrichtung eine weitere Erregereinrichtung, bevorzugt umfassend einen weiteren Piezo-Erreger umfasst, wobei mithilfe der weiteren Erregereinrichtung eine weitere Scherwelle erzeugbar ist. Hierdurch ist es denkbar, dass mehrere baugleiche oder unterschiedliche Bauteile gleichzeitig mithilfe der Einrichtung charakterisiert bzw. vermessen werden. Der Träger kann hierfür zur Aufnahme mehrerer Bauteile ausgebildet sein, die jeweils in direktem oder indirektem Kontakt zum Träger sind. Zusätzlich oder alternativ ist es denkbar, dass mithilfe von weiteren Erregereinrichtungen weitere Scherwellen erzeugt werden. Diese weiteren Scherwellen können die gleiche Frequenz wie die Scherwelle der Erregereinrichtung haben oder eine von der Scherwelle der Erregereinrichtung unterschiedliche Frequenz. Hierdurch können besonders effiziente und/oder komplexe Messvorgänge realisiert werden, da unterschiedliche Bewegungs- bzw. Störmuster für ein Bauteil gleichzeitig oder in schneller Abfolge realisiert werden können.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Bauteil bei einer Anordnung des Bauteils an einer ersten Position relativ zu der Erregereinrichtung - mithilfe der Scherwelle - mit einer zu einer Haupterstreckungsebene des Trägers orthogonalen Beschleunigung beaufschlagbar ist, wobei das Bauteil bei einer Anordnung des Bauteils an einer zweiten Position relativ zu der Erregereinrichtung - mithilfe der Scherwelle - mit einer Rotationsbewegung beaufschlagbar ist. Mithilfe der Erregereinrichtung kann eine stehende Welle auf der Oberfläche des Trägers erzeugt werden. Je nachdem an welcher Position das Bauteil auf der Oberfläche angeordnet ist, wird es bei der Messung einer unterschiedlichen Beschleunigung ausgesetzt. Derart kann mithilfe einer einzigen Einrichtung, ein Bauteil sowohl bezüglich linearer Beschleunigungen als auch Rotationsbeschleunigungen oder Kombinationen aus beidem vermessen werden. So wird das Bauteil, wenn es an einem Wellenknoten der Scherwelle platziert ist, einer anderen Beschleunigung ausgesetzt, als wenn es an einem Wellenbauch der Scherwelle platziert. Insbesondere wird das Bauteil, wenn es an einem Wellenbauch der stehenden Scherwelle auf dem Träger angeordnet wird, mit einer linearen Bewegung beaufschlagt, während es, wenn es an einem Wellenknoten der stehenden Scherwelle auf dem Träger angeordnet ist, mit einer Rotationsbewegung beaufschlagt wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Einrichtung eine Mehrzahl von Erregereinrichtungen, bevorzugt jeweils umfassend einen Piezo-Erreger, aufweist, wobei die Mehrzahl von Erregereinrichtungen in Reihen und/oder Spalten angeordnet ist, wobei die Reihen und/oder Spalten bevorzugt parallel zur Haupterstreckungsebene des Trägers verlaufen. Die Erregereinrichtungen der Mehrzahl von Erregereinrichtungen sind dabei vorzugweise auf Gitterpunkten eines rechtwinkligen, bevorzugt quadratischen, Gitters angeordnet, das parallel zur Haupterstreckungsebene des Trägers verläuft. Die Anordnung der Mehrzahl von Erregereinrichtungen in Reihen und/oder Spalten ermöglicht eine phasen- und/oder frequenzgleiche sowie eine phasen- und/oder frequenzverschobene Ansteuerung einzelner Erregereinrichtungen und somit eine Vielzahl unterschiedlicher Untersuchungsmuster, wodurch eine besonders applikationsnahe Untersuchung der Bauteile durchführbar ist. Die Mehrzahl von Erregereinrichtungen sind besonders bevorzugt jeweils in direktem oder indirektem Kontakt zu der Oberfläche des Trägers angeordnet. Beispielsweise kann der indirekte Kontakt zwischen den Erregereinrichtungen und der Oberfläche des Trägers mithilfe von weiteren Strukturen und/oder Elementen ausgebildet sein. Es ist besonders vorteilhaft denkbar, dass durch phasengleiche oder phasenverschobene Ansteuerung einzelner Reihen oder Spalten (bzw. durch phasengleiche oder phasenverschobene Ansteuerung der Erregereinrichtungen einzelner Reihen oder Spalten):

-- eine Translationsbewegung aus der Ebene heraus, also vorzugsweise orthogonal zur Haupterstreckungsebene des Trägers, oder
-- eine Rotationsbewegung um eine oder beide Achsen in der Ebene, also vorzugsweise um eine oder zwei Achsen, die parallel zur Haupterstreckungsebene des Trägers verlaufen, erzeugt wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Einrichtung eine Koppelstruktur, insbesondere eine Koppelplatte umfasst, wobei die Koppelstruktur zwischen dem Träger und dem Bauteil angeordnet ist. Mithilfe der Koppelstruktur können durch die Scherwellen an der Oberfläche des Trägers erzeugte Bewegungen an das Bauteil (oder die mehreren Bauteile) weitergegeben werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Einrichtung einen Bauteilträger umfasst, wobei das Bauteil auf dem Bauteilträger angeordnet ist, wobei bevorzugt der Bauteilträger in direktem Kontakt mit der Koppelstruktur ist. Auf dem Bauteilträger können vorzugsweise mehrere Bauteile angeordnet werden. Somit ist eine gleichzeitige Charakterisierung und/oder ein gleichzeitiges Testen mehrerer Bauteile möglich.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Erregereinrichtungen der Mehrzahl von Erregereinrichtungen, insbesondere die Piezo-Erreger, jeweils Schwingungen in einem Frequenzbereich bis 2,5 MHz oder in einem Frequenzbereich bis mindestens 2,5 MHz erzeugen können.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein System, umfassend eine Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und das Bauteil. Bevorzugt kann das System ein weiteres Bauteil oder mehrere weitere Bauteile, insbesondere ein oder mehrere weitere mikroelektromechanische Systeme, umfassen.
Ferner ist ein Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Charakterisierung, zur Prüfung und/oder zum Testen eines Bauteils, insbesondere eines mikroelektromechanischen Systems, mithilfe einer Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei mithilfe der Erregereinrichtung eine Scherwelle auf dem Träger erzeugt wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen das Bauteil mithilfe der Scherwelle beschleunigt wird, wobei bevorzugt ein weiteres oder mehrere weitere Bauteile mithilfe der Scherwelle beschleunigt werden, insbesondere derart, dass das Bauteil und das weitere oder die mehreren weiteren Bauteile gleichzeitig charakterisiert, geprüft und/oder getestet werden.
Für das System und das Verfahren können dabei die Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Charakterisierung, zur Prüfung und/oder zum Testen eines Bauteils oder im Zusammenhang mit einer Weiterbildung der Einrichtung beschrieben worden sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figurenliste
Es zeigen

1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematische Darstellung einer Scherwelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 eine schematische Darstellung von Bewegungen eines Bauteils gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
4, 5 und 6 jeweils schematische Draufsichten auf einen Träger gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
7 eine schematische Darstellung einer Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
8 eine schematische Darstellung eines Trägers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht,
9 eine schematische Darstellung einer Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist eine schematische Darstellung einer Einrichtung 1 zur Charakterisierung, zur Prüfung und/oder zum Testen eines Bauteils 10, insbesondere eines mikroelektromechanischen Systems wie beispielsweise einem Drehratensensor und/oder ein Beschleunigungssensor, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Einrichtung 1 umfasst einen Träger 2, der als Leiterplatte ausgebildet ist. Der Träger 2 erstreckt sich plattenförmig parallel zu einer Haupterstreckungsebene 100. Eine Oberfläche 3 des Trägers 2 verläuft parallel zur Haupterstreckungsebene 100. Auf der Oberfläche 3 ist eine Erregereinrichtung 20 angeordnet, die bevorzugt als Piezo-Erreger 21 ausgebildet ist. Der Piezo-Erreger 21 wird elektrisch angeregt und schwingt senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 des Trägers 2. Durch die Schwingung des Piezo-Erregers 21 wird eine Scherwelle 30 an der Oberfläche 3 des Trägers 2 erzeugt. Insbesondere kann mithilfe des Piezo-Erregers 21 eine stehende Scherwelle 30 erzeugt werden. Des Weiteren ist das zu messende Bauteil 10 auf der Oberfläche 3 angeordnet. Das Bauteil 10 ist während der Charakterisierung, der Prüfung und/oder des Tests elektrisch kontaktiert und wird elektrisch betrieben, sodass ein Ausgangssignal des Bauteils aufgezeichnet, gemessen und/oder analysiert werden kann. Durch die auf dem Träger 2 ausgebildete Scherwelle 30 wird das Bauteil mit einer insbesondere periodischen Beschleunigung beaufschlagt. Somit kann das elektrisches Ausgangssignal des Bauteils 10 unter Einwirkung der von der Scherwelle 30 induzierten Beschleunigungen bzw. Bewegungen vermessen und charakterisiert werden. Gleichzeitig kann mithilfe einer Messeinrichtung 40, z.B. mithilfe eines Laser-Doppler-Vibrometers 41, ermittelt werden, an welchen Stellen sich Wellentäler, Wellenberge und/oder Wellenknoten der Scherwelle 30 auf dem Träger 2 ausbilden. Auf diese Art kann ferner die Wellenlänge der sich ausprägenden Scherwelle 30 ermittelt werden und bestimmt werden, ob das zu untersuchende Bauteil 10 eine rein lineare, rein rotatorische oder eine überlagerte Bewegung ausführt. Ferner kann so eine Korrelation zum Ausgangssignal des Bauteils hergestellt werden. Eine Änderung der Vibrationsbelastung des Bauteils kann erreicht werden, indem das Bauteil 10 umplatziert wird, z.B. in dem es an eine andere Stelle gelötet wird, und/oder indem die Anregungsfrequenz der Erregereinrichtung 20 geändert wird. Bei bekannten Materialeigenschaften des Trägers 2 können Bewegungen bis zu sehr hohen Frequenzen und damit sehr geringen Wellenlängen reproduzierbar erzeugt werden und das Bauteil 10 somit beim Einfluss von Störungen, wie sie in der Applikation des Bauteils 10 auftreten, besonders umfangreich und anwendungsnah vermessen werden. Insbesondere hängen die Geschwindigkeit und Wellenlänge der Scherwelle 30 von den Materialeigenschaften des Trägers 2 ab. Bei typischen Materialeigenschaften des Trägers 2 und Schwingungsfrequenzen des Piezo-Erregers 21, die im Bereich zwischen 100 kHz und 1 Mhz liegen, liegt die Wellenlängen im Bereich zwischen 20 mm und 2 mm und somit im Bereich von typischen Bauteilabmessungen.
In 2 ist eine schematische Darstellung einer Scherwelle 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
In 3 ist eine schematische Darstellung von Bewegungen eines Bauteils 10 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei einer Anordnung des Bauteils 10 an einem Wellenbauch 200 der Scherwelle 30 wird das Bauteil 10 zumindest im Wesentlichen linear beschleunigt bzw. bewegt. Bei einer Anordnung des Bauteils 10 an einem Wellenknoten 201 der Scherwelle 30 wird das Bauteil 10 hingegen zumindest im Wesentlichen mit einer Rotationsbeschleunigung bzw. Rotationsbewegung beaufschlagt. Somit kann ein Bauteil 10 je nach Wahl der Position auf dem Träger 2 bezüglich unterschiedlicher Störbewegungen vermessen werden, insbesondere bezüglich translatorischer Vibration, rotatorischer Vibration oder einer Überlagung aus beidem. Ferner können beispielsweise mehrere Bauteile 10, 10', insbesondere baugleiche Bauteile 10, 10', gleichzeitig an verschiedenen Positionen auf dem Träger 2 angeordnet werden und somit parallel unter verschiedenen Störeinflüssen vermessen werden.
In 4 ist eine schematische Draufsicht auf einen Träger 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. In diesem Fall wird ein Bauteil 1 gleichzeitig mit mehreren weiteren Bauteilen 10' vermessen, die ebenfalls auf dem Träger 2 angeordnet sind. Die Bauteile 10, 10' können bevorzugt baugleich sein und beispielsweise im gleichen Abstand zur Erregereinrichtung 20, kreisförmig um die Erregereinrichtung 20, angeordnet sein. Somit können die Bauteile 10, 10' mithilfe der Erregereinrichtung 20 mit gleichen/ähnlichen Vibrationen beaufschlagt werden. Beispielsweise kann so die Einheitlichkeit von Bauteilen einer Baureihe überprüft werden.
In 5 ist eine schematische Draufsicht auf einen Träger 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. In diesem Fall sind zusätzlich zu der Erregereinrichtung 20, weitere Erregereinrichtungen 20', insbesondere weitere Piezo-Erreger 21', auf dem Träger 2 angeordnet. Die weiteren Erregereinrichtungen 20' können jeweils die gleiche oder eine andere Frequenz aufweisen als die Erregereinrichtung 20. Ein Bauteil 10 kann dadurch gleichzeitig oder zeitlich versetzt mit Schwingungen gleicher bzw. unterschiedlicher Frequenz und/oder Amplitude beaufschlagt werden.
In 6 ist eine schematische Draufsicht auf einen Träger 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. In diesem Fall wird ein Bauteil 10 gleichzeitig mit mehreren weiteren Bauteilen 10' vermessen, die ebenfalls auf dem Träger 2 angeordnet sind. Die Bauteile 10, 10' können beispielsweise baugleich sein. Die Bauteile 10, 10' sind mit unterschiedlichen Abständen zur Erregereinrichtung 20 auf dem Träger 2 angeordnet. Somit können beispielsweise Bauteile des gleichen Typs bei fester/gleicher Frequenz mit unterschiedlicher Bewegungsform beaufschlagt werden.
In 7 ist eine schematische Darstellung einer Einrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Einrichtung 1 umfasst den Träger 2, auf dessen Oberfläche 3 eine Erregereinrichtung 20, insbesondere ein Piezo-Erreger 21, angeordnet ist. Ferner ist auf dem Träger das zu vermessende Bauteil 10 angeordnet. Zur Vermessung einer mithilfe der Erregereinrichtung 20 erzeugten Scherwelle 30 ist eine Messeinrichtung 40 vorgesehen. Die Messeinrichtung 40 umfasst ein Laser-Doppler-Vibrometer 41. Das Laser-Doppler-Vibrometer 41 umfasst einen ersten und einen zweiten Laser 42, 43. Der erste Laser 42 ist auf eine Oberfläche des Piezo-Erregers 21 gerichtet und der zweite Laser 43 auf einen vom Piezo-Erreger beabstandeten Punkt bzw. Bereich auf der Oberfläche 3 des Trägers 2. Somit kann die Auslenkung des Piezo-Erregers 21 und die des Punktes bzw. Bereichs der Oberfläche 3 des Trägers 2, auf die der zweiter Laser 43 gerichtet ist, gemessen werden. Hierdurch kann die Wellenlänge und Amplitude der Scherwelle 30 ermittelt werden. Ferner kann somit die Position von Wellentälern, Wellenbergen und/oder Wellenknoten der Scherwelle 30 ermittelt werden, die sich auf der Oberfläche 3 ausgebildet haben. Auf diese Art kann bestimmt werden, ob das zu untersuchende Bauteil 10 mit einer rein linearen, rein rotatorischen oder einer überlagerten Bewegung beaufschlagt wird. Außerdem kann eine Korrelation zum Ausgangssignal des Bauteils 10 hergestellt werden. Das Laser-Doppler-Vibrometer 41 kann ferner weitere Laser umfassen, die auf weitere Punkte oder Bereiche der Oberfläche 3 des Trägers 2 gerichtet sind. Die Messeinrichtung 40 umfasst ferner eine Steuer und/oder Auswerteeinrichtung 44, beispielsweise einen Lasertreiber und/oder Computer.
In 8 ist eine schematische Darstellung eines Trägers 2 für eine Einrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Träger 2 ist in einer Aufsicht auf seine Oberfläche 3 dargestellt. Eine Mehrzahl von Erregereinrichtungen 20, 20' sind an dem Träger 2 angeordnet und/oder von diesem umfasst. Die Erregereinrichtungen 20, 20' sind vorzugsweise jeweils als Piezo-Erreger 21, 21' ausgebildet. Die Mehrzahl von Erregereinrichtungen 20, 20' ist gemäß einer quadratischen Gitterstruktur in Zeilen 300, 300', 300" und Spalten 301, 301', 301'' an dem Träger 2 angeordnet, wobei die Erregereinrichtungen 20, 20' jeweils an Gitterpunkten der gedachten Gitterstruktur platziert sind.
In 9 ist eine schematische Darstellung einer Einrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Einrichtung 1 umfasst die in 8 gezeigte Anordnung aus dem Träger 2 und der Mehrzahl von Erregereinrichtungen 20, 20'. Durch phasengleiche oder phasenverschobene Ansteuerung einzelner Reihen 300, 300', 300" und/oder Spalten 301, 301', 301" der Mehrzahl von Erregereinrichtungen 20, 20' wird eine Translation aus der Ebene heraus (bzw. aus der Haupterstreckungsebene 100 heraus) oder eine Rotation um eine oder beide Achsen in der Ebene (bzw. eine oder zwei Achsen, die parallel zur Haupterstreckungsebene 100 verlaufen) erzeugt. Es ist besonders vorteilhaft, einen oder mehrere Bauteilträger 51, welche die zu untersuchenden Bauteile 10, 10' enthalten, auf dem Träger 2, welcher die Mehrzahl von Erregereinrichtungen 20, 20' umfasst, oder auf einer geeigneten Koppelstruktur 50, insbesondere einer Koppelplatte, zu platzieren. Auf diese Art können Vibrationen besonders vorteilhaft eingekoppelt werden und geeignete Untersuchungen der Bauteile 10, 10' durchgeführt werden. Durch eine Drehung des Bauteils 10 oder der Bauteile 10, 10' um eine orthogonal auf dem Trägers 2 stehende Achse und/oder durch eine Drehung des Bauteilträgers 51 gemeinsam mit dem oder den Bauteilen 10, 10' um eine orthogonal auf dem Trägers 2 stehende Achse - sowie durch geeignete Montage der Bauteile 10, 10' oder des Bauteilträgers 51 auf dem Träger 2 oder der Koppelplatte - können rotatorische Anregungen um beliebige in-plane Richtungen bezogen auf die Kanten des Bauteils 10, 10' und/oder des Bauteilträgers 51 erreicht werden. Hierdurch ist eine besonders effiziente und umfassende Prüfung von Bauteilen 10, 10', insbesondere MEMS, möglich.

Claims

Einrichtung (1) zur Charakterisierung, zur Prüfung und/oder zum Testen eines Bauteils (10), insbesondere eines mikroelektromechanischen Systems, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) einen Träger (2) und eine Erregereinrichtung (20) umfasst, wobei mithilfe der Erregereinrichtung (20) eine Scherwelle (30) auf dem Träger (2) erzeugbar ist.
Einrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregereinrichtung (20) einen Piezo-Erreger (21) umfasst oder als Piezo-Erreger (21) ausgebildet ist, wobei die Erregereinrichtung (20) bevorzugt in direktem oder indirektem Kontakt zu einer Oberfläche (3) des Trägers (2) angeordnet ist.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) plattenförmig, bevorzugt als Leiterplatte, ausgebildet ist.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mithilfe der Erregereinrichtung (20) erzeugte Scherwelle (30) mit einer, insbesondere festen und/oder einstellbaren, Frequenz zwischen einschließlich 100 kHz und 1 Mhz erzeugbar ist, wobei eine Wellenlänge der Scherwelle (30) bevorzugt im Bereich von einschließlich 20 mm bis 2 mm liegt.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wellenlänge der Scherwelle (30) und/oder eine Amplitude der Scherwelle (30) mithilfe einer Messeinrichtung (40), umfassend insbesondere ein Laser-Doppler-Vibrometer (41), ermittelbar ist.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, -- dass die Einrichtung zur Aufnahme eines weiteren Bauteils (10'), bevorzugt mehrerer weiterer Bauteile (10'), ausgebildet ist, und/oder -- dass die Einrichtung (1) zusätzlich zu der Erregereinrichtung (20) eine weitere Erregereinrichtung (20'), bevorzugt umfassend einen weiteren Piezo-Erreger (21') umfasst, wobei mithilfe der weiteren Erregereinrichtung (20') eine weitere Scherwelle erzeugbar ist.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) bei einer Anordnung des Bauteils (10) an einer ersten Position relativ zu der Erregereinrichtung (20) - mithilfe der Scherwelle (30) - mit einer zu einer Haupterstreckungsebene (100) des Trägers (2) orthogonalen Beschleunigung beaufschlagbar ist, wobei das Bauteil (10) bei einer Anordnung des Bauteils (10) an einer zweiten Position relativ zu der Erregereinrichtung (20) - mithilfe der Scherwelle - mit einer Rotationsbewegung beaufschlagbar ist.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) eine Mehrzahl von Erregereinrichtungen (20, 20'), bevorzugt jeweils umfassend einen Piezo-Erreger (21, 21'), aufweist, wobei die Mehrzahl von Erregereinrichtungen (20, 20') in Reihen (300, 300', 300") und/oder Spalten (301, 301', 301") angeordnet ist, wobei die Reihen (300, 300', 300") und/oder Spalten (301, 301', 301") bevorzugt parallel zur Haupterstreckungsebene (100) des Trägers (2) verlaufen.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) eine Koppelstruktur (50), insbesondere eine Koppelplatte, umfasst, wobei die Koppelstruktur (50) zwischen dem Träger (2) und dem Bauteil (10) angeordnet ist.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) einen Bauteilträger (51) umfasst, wobei das Bauteil (10) auf dem Bauteilträger (51) angeordnet ist, wobei bevorzugt der Bauteilträger (51) in direktem Kontakt mit der Koppelstruktur (50) ist.
System, umfassend eine Einrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und das Bauteil (10).
Verfahren zur Charakterisierung, zur Prüfung und/oder zum Testen eines Bauteils (10), insbesondere eines mikroelektromechanischen Systems, mithilfe einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei mithilfe der Erregereinrichtung (20) eine Scherwelle (30) auf dem Träger (2) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) mithilfe der Scherwelle (30) beschleunigt wird, wobei bevorzugt ein weiteres oder mehrere weitere Bauteile (10') mithilfe der Scherwelle (30) beschleunigt werden, insbesondere derart, dass das Bauteil (10) und das weitere oder die mehreren weiteren Bauteile (10') gleichzeitig charakterisiert, geprüft und/oder getestet werden.