DE4209491A1 - Contactless measurement of static and dynamic deformation of micro-mechanical structures eg bridge or membrane - projecting laser line pattern perpendicular and at angles to surface and evaluating surface lines in real=time - Google Patents

Contactless measurement of static and dynamic deformation of micro-mechanical structures eg bridge or membrane - projecting laser line pattern perpendicular and at angles to surface and evaluating surface lines in real=time

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Abstract

The method involves directing (3) a linear pattern (2) towards the structure (1) which performs vibration motions among others. The illuminated lines are detected perpendicularly and at an angle to the surface during deformation. The corresp. measurement signals are fed into an evaluation unit (5,7,8) and evaluated in real time. The angle of incidence of the projected line pattern is a constant 45 deg. to the undeformed structure during the measurements. USE/ADVANTAGE - E.g. for measuring force, deformation and vibration frequencies of micro-mechanical elements. Enables entire deformation line and its dynamic variations to be measured in real time.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Meßtechnik in der Mikromechanik. Sie dient der Erfassung physikalischer Größen, wie z. B. Kraft, Verformung und Schwingungsfrequenzen an mikromechanischen Elementen und deren Umsetzung in entsprechende Signale. Einsatzgebiete sind die Mikromechanik bzw. Mikrosystemtechnik.The invention relates to the field of measurement technology in the Micromechanics. It is used to record physical quantities, such as B. force, deformation and vibration frequencies micromechanical elements and their implementation in corresponding Signals. Areas of application are micromechanics and Microsystem technology.

Zur Messung physikalischer Größen, wie z. B. Kraft, Be­ schleunigung, Druck, Temperatur und Schwingungsfrequenzen ist ein mikromechano-optoelektronischer Sensor (DD-PS 2 75 307) bekannt. Der Sensor besteht aus monolithischem Halbleiterma­ terial, das strahlungsemittierende und strahlungssensitive Bereiche aufweist. Die Strahlungs- und Empfangsebenen kor­ relieren miteinander. Ein Bereich des Halbleitermaterials, der als Biegeschwinger ausgebildet ist, bewegt sich senkrecht zu diesen Ebenen und moduliert dadurch die Intensität des übertragenen Strahlungsanteils. Die strahlungsemittierenden und strahlungssensitiven Bereiche sind mit der auf dem Sensor integrierten Ansteuer- und Auswerteelektronik verbunden. Der Nachteil dieses Sensors besteht insbesondere darin, daß bereits auf dem Chip Sende- und Empfangselektronik sowie Ansteuer- und Auswerteelektronik zu integrieren sind.For measuring physical quantities, such as. B. Kraft, Be acceleration, pressure, temperature and vibration frequencies a micromechano-optoelectronic sensor (DD-PS 2 75 307) known. The sensor consists of monolithic semiconductor ma material, the radiation-emitting and radiation-sensitive Areas. The radiation and reception levels kor relate to each other. An area of the semiconductor material that is designed as a bending vibrator, moves perpendicular to these levels and thereby modulates the intensity of the transmitted radiation portion. The radiation emitting and Radiation sensitive areas are with that on the sensor integrated control and evaluation electronics. The The disadvantage of this sensor is in particular that already on the chip transmitter and receiver electronics as well as control and Evaluation electronics are to be integrated.

Es ist ein Verfahren bzw. eine Anordnung zu schaffen, womit an verschiedenen planaren Mikrostrukturen (Zungen, Brücken und Membranen) unabhängig vom Werkstoff Verformungszustände bzw. Kräfte statisch und dynamisch gemessen werden können. Aufgrund der Werkstoffunabhängigkeit bieten sich optische Meßverfahren an.A method or an arrangement is to be created with which different planar microstructures (tongues, bridges and Membranes) regardless of the material Forces can be measured statically and dynamically. Because of The material independence offers optical measuring methods at.

Aus der DE-OS 39 40 518 ist ein Verfahren zum Auffinden der Position einer Werkstückoberfläche bekannt. Das Verfahren beinhaltet die Beleuchtung einer Werkstückoberfläche mit einem Lichtfleck, wobei sich während der Verschiebung des Werkstücks der Lichtfleck entlang der Werkstückoberfläche in Meßrichtung bewegt. Ein feldabtastender Detektor bestimmt ohne physikalische Berührung des Werkstücks die Beleuchtung in vielen kleinen Bereichen der Werkstückoberfläche und erzeugt die entsprechenden Testsignale. Für zwei bekannte Positionen einer Werkstückoberfläche wird ein Bezugssignal gespeichert und mit dem Testsignal kombiniert, woraus die Position der Werkstückoberfläche relativ zum Bezug anhand eines Meßsignals ermittelt wird. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht insbesondere darin, daß lediglich parallele Verschiebungen der Werkstückoberfläche gemessen werden können. Eine Verformung des Werkstücks kann mit diesem Verfahren nicht ermittelt werden, da hier eine Verschiebung des Lichtflecks nur in eine Positions­ änderung des Werkstücks umgerechnet werden kann.From DE-OS 39 40 518 a method for finding the Position of a workpiece surface known. The procedure involves illuminating a workpiece surface with a Light spot, taking place during the movement of the workpiece the light spot along the workpiece surface in the measuring direction emotional. A field scanning detector determines without physical Touching the workpiece the lighting in many small Areas of the workpiece surface and generates the corresponding Test signals. For two known positions one A reference signal is stored on the workpiece surface and with combined the test signal, from which the position of the Workpiece surface relative to the reference based on a measurement signal is determined. The disadvantage of this method is especially in that only parallel shifts in the Workpiece surface can be measured. A deformation of the The workpiece cannot be determined with this method because here a shift of the light spot only into one position change in the workpiece can be converted.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, womit stati­ sche und dynamische Verformungs- und Kraftmessungen an mikro­ mechanischen Strukturen berührungslos durchgeführt werden können. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den Ansprüchen 1 bis 17 dargelegten Merkmalen gelöst. The invention is based, a method and a task To create facility of the type mentioned, with which stati ce and dynamic deformation and force measurements on micro mechanical structures can be carried out without contact can. The object is achieved with the in the Claims 1 to 17 resolved features.  

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht insbesondere darin, daß bei Verwendung eines Linienrasters sofort die gesamte Biegelinie und ihre dynamische Veränderung in Echtzeit gemessen werden können.The advantage of this method is in particular that when using a line grid, the entire bending line immediately and their dynamic change can be measured in real time can.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeich­ nungen zeigenThe invention is based on an embodiment example are explained in more detail. In the associated drawing show

Fig. 1 Meßaufbau mit einem auf eine Einzellinie beschränkten Linienraster und einer zu untersuchenden Mikrozunge, Fig. 1 test setup with a limited to a single line raster line to be examined and a micro tongue,

Fig. 2 Auswanderung einer Lichtlinie bei Durchbiegung einer Mikrozunge, Fig. 2 emigration a line of light in the deflection of a micro tongue,

Fig. 3 Linienverlauf bei Torsion einer Mikrozunge, Fig. 3 curve in torsion of a micro tongue,

Fig. 4 Auswanderung einer Lichtlinie bei Durchbiegung einer Mikrobrücke, Fig. 4 emigration a line of light upon deflection of a micro-bridge,

Fig. 5 Linienverlauf bei Belastung einer Mikromembran. Fig. 5 line course when loading a micromembrane.

Mit dem mit einem Laserstrahl durchleuchteten Linienraster, der insbesondere auch aus einer einzelnen Linie bestehen kann, wird die zu untersuchende Struktur entsprechend Fig. 1 unter einem Einfallswinkel von 45° beleuchtet. Im unverformten Zustand der Struktur wird das von einer Fotodiodenzeile bzw. im statischen Zustand von einer Diodenmatrix aufgenommene Bild der beleuch­ teten Linien unversetzten Linien entsprechen, die gemäß der Strukturform in Bereichen unterbrochen sind. Wird die Struktur verformt, verändert sich die Lage der beleuchteten Linien in Bezug auf die Normalstellung der Struktur. Durch den Lichtein­ fallswinkel von 45° und einer senkrecht zur Strukturoberfläche erfolgenden Aufnahme entspricht die Auslenkung einer Linie genau der realen Auslenkung der Struktur an dieser Stelle in Richtung der optischen Achse des Aufnahmesystems, wobei jedoch eine Un­ schärfe entstehen kann, da die Scheimpflug′schen Bedingungen nicht erfüllt sind. Wird die Diodenzeile entsprechend den Scheimpflug′schen Bedingungen in der Meßbildebene schräg an­ geordnet, werden alle Meßpunkte scharf in die Bildebene ab­ gebildet. Die Verformung in Richtung der optischen Achse des Meßsystems ergibt sich dann aus dem durch 1.41 dividierten Wert des von der Diodenzeile (4) ermittelten Abstandes.The structure to be examined is illuminated according to FIG. 1 at an angle of incidence of 45 ° with the line screen illuminated with a laser beam, which can also consist in particular of a single line. In the undeformed state of the structure, the image of the illuminated lines taken by a photodiode line or in the static state by a diode matrix will correspond to non-offset lines which are interrupted in areas according to the structure shape. If the structure is deformed, the position of the illuminated lines changes in relation to the normal position of the structure. Due to the angle of incidence of 45 ° and a recording taking place perpendicular to the surface of the structure, the deflection of a line corresponds exactly to the actual deflection of the structure at this point in the direction of the optical axis of the recording system, although blurring can occur because the Scheimpflug conditions are not met. If the diode row is arranged obliquely in the measurement image plane according to Scheimpflug conditions, all measurement points are sharply formed in the image plane. The deformation in the direction of the optical axis of the measuring system then results from the value of the distance determined by the diode row ( 4 ) divided by 1.41.

Um eine höhere Meßgenauigkeit zu erzielen, werden die von der Strukturoberfläche reflektierten Lichtlinien ebenfalls von einer Diodenzeile (6) aufgenommen. Mit dieser Anordnung können bevor­ zugt dynamische Messungen durchgeführt werden. Sind der Abstand der Diodenzeile (6) zur Struktur sowie die Auftreffpunkte der Lichtlinien auf der Strukturoberfläche bekannt und ist die Diodenzeile (6) senkrecht zu den reflektierten Lichtlinien im unverformten Zustand der Struktur und senkrecht zur Vorzugs­ richtung der Lichtlinien ausgerichtet, kann mit Hilfe des durch die Diodenzeile (4) und der Auswerteeinheit (5) ermittelten Linienversatzes die exakte Verformung einer Struktur an einer bestimmten Stelle und daraus die auf die Struktur einwirkende Kraft ermittelt werden. In order to achieve a higher measuring accuracy, the light lines reflected from the structure surface are also picked up by a diode row ( 6 ). With this arrangement, dynamic measurements can be carried out before given. If the distance of the diode row ( 6 ) to the structure and the points of incidence of the light lines on the structure surface are known and the diode row ( 6 ) is oriented perpendicular to the reflected light lines in the undeformed state of the structure and perpendicular to the preferred direction of the light lines, can be done with the help of the diode row ( 4 ) and the evaluation unit ( 5 ) of the determined line offset determine the exact deformation of a structure at a specific point and from this the force acting on the structure can be determined.

Fig. 1 zeigt den Aufbau der Meßeinrichtung und die geometrischen Beziehungen. Die zu untersuchende Struktur ist hier als mikro­ mechanische Zunge dargestellt. Abgebildet ist eine einzelne Lichtlinie des Liniengitters, das in einem Winkel von 45° zur unverformten Strukturoberfläche auf diese projiziert wird. Die beleuchteten Linien werden während der Zeitdauer der Verformung einerseits senkrecht zur unverformten Strukturoberfläche aufge­ nommen, um den Linienversatz zu messen, andererseits parallel zur Lichteinfallsrichtung, um die Auslenkung der reflektierten Lichtlinien zu messen. In Auswertung beider Meßergebnisse können die statische und dynamische Verformung der Struktur und damit die auf sie einwirkenden Kräfte in Echtzeit ermittelt werden. Fig. 1 shows the structure of the measuring device and the geometric relationships. The structure to be examined is shown here as a micro-mechanical tongue. A single light line of the line grid is shown, which is projected onto the undeformed structure surface at an angle of 45 °. The illuminated lines are recorded perpendicular to the undeformed structure surface on the one hand during the period of the deformation in order to measure the line offset, and on the other hand parallel to the direction of light incidence in order to measure the deflection of the reflected light lines. In evaluating both measurement results, the static and dynamic deformation of the structure and thus the forces acting on it can be determined in real time.

Claims (17)

1. Verfahren zur berührungslosen Messung der Verformung mikro­ mechanischer, planarer Strukturen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Linienraster (2) von einer Strahlungsquelle (3) aus auf die zu untersuchende Mikrostruktur (1), die i.a. Schwingbewegungen ausführt, gerichtet ist und die beleuchteten Linien während der Zeitdauer der Verformung der Struktur sowohl senkrecht als auch schräg zur Strukturoberfläche aufgenommen werden und die Meß­ signale den Auswerteeinheiten (5), (7) und (8) zugeführt und unter Echtzeitbedingungen ausgewertet werden.1. A method for non-contact measurement of the deformation of micro-mechanical, planar structures, characterized in that a line grid (2) from a radiation source ( 3 ) is directed towards the microstructure to be examined ( 1 ), which generally carries out oscillating movements, and the illuminated lines during the period of deformation of the structure are recorded both perpendicularly and obliquely to the structure surface and the measurement signals are fed to the evaluation units ( 5 ), ( 7 ) and ( 8 ) and evaluated under real-time conditions. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel des auf die Strukturoberfläche projizierten Linienrasters während der Messung konstant 45° zur unverformten Oberfläche der Mikrostruktur (1) ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the angle of incidence of the line grid projected onto the structure surface is constant 45 ° to the undeformed surface of the microstructure ( 1 ) during the measurement. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur exakten Ermittlung der Linienlage eine Mittelwertberechnung über die von den Sensorelementen empfangene Liniendicke in den Auswerteeinheiten (5) bzw. (7) erfolgt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that for the exact determination of the line position, an average is calculated over the line thickness received by the sensor elements in the evaluation units ( 5 ) or ( 7 ). 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gerät (4) zur Aufnahme der Linienform senk­ recht zur unverformten Strukturoberfläche angeordnet ist.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the device ( 4 ) for receiving the line shape is arranged perpendicular to the undeformed structural surface. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteeinheiten (5) bis (7) die dynamischen Meßwerte in Echtzeit auswerten.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the evaluation units ( 5 ) to ( 7 ) evaluate the dynamic measured values in real time. 6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den An­ sprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus einer Strahlungsquelle (3) mit Linienraster und aus mindestens zwei Geräten (4) und (6) zur Aufnahme der entstehenden Linien­ formen bzw. der reflektierten Linien und zwei Anordnungen (5) und (7) zu ihrer Auswertung besteht.6. Device for performing the method according to claims 1 to 5, characterized in that the arrangement from a radiation source ( 3 ) with a line grid and at least two devices ( 4 ) and ( 6 ) for receiving the resulting lines or form reflected lines and two arrangements ( 5 ) and ( 7 ) for their evaluation. 7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Lichtlinien eine Linienraster-Vorlage verwendet wird.7. Device according to claim 1, characterized in that for Generating the light lines uses a line grid template becomes. 8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Strukturoberfläche durch den Linienraster projizierten Lichtlinien auch durch eine Einzellinie ersetzt werden können.8. Device according to claim 1, characterized in that the projected onto the structure surface through the line grid Light lines can also be replaced by a single line. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Einzellinie eine Linienoptik verwendet wird.9. Device according to claim 8, characterized in that for Generating the single line line optics is used. 10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle mit Linienraster mindestens in einer Ebene justierbar angeordnet ist.10. The device according to claim 6, characterized in that the Radiation source with line grid at least in one plane is arranged adjustable. 11. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle ein Laserstrahl verwendet wird. 11. The device according to claim 6, characterized in that as Radiation source a laser beam is used.   12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mikromechanische Element (1) in der Ebene seiner Grundfläche verschiebbar anzuordnen ist.12. The device according to claim 1, characterized in that the micromechanical element ( 1 ) is to be arranged displaceably in the plane of its base. 13. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmegerät (4) aus einer Diodenzeile besteht, die um 90° zur Vorzugsrichtung der auf die Strukturoberfläche (1) projizierten Lichtlinien (2) gedreht liegt und dessen Bildebene parallel zur unverformten Strukturoberfläche liegt.13. The device according to claim 1, characterized in that the recording device ( 4 ) consists of a diode row which is rotated by 90 ° to the preferred direction of the light lines ( 2 ) projected onto the structure surface ( 1 ) and whose image plane is parallel to the undeformed structure surface. 14. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmegerät (4) zur Messung der Torsion der mikromechanischen Strukturen aus zwei zueinander parallelen und zu den auf die Strukturoberfläche projizierten Lichtlinien senkrecht liegenden Diodenzeilen besteht, die aber in einer Bildebene angeordnet sind, wobei die Bildebene parallel zur unbelasteten Probe liegt.14. The device according to claim 1, characterized in that the recording device ( 4 ) for measuring the torsion of the micromechanical structures consists of two mutually parallel and perpendicular to the light lines projected on the structure lines perpendicular diode rows, but which are arranged in an image plane, the Image plane is parallel to the unloaded sample. 15. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmegerät (4) zur Membran-Vermessung aus einer Matrixanord­ nung der Fotodioden besteht, wobei die Bildebene parallel zur unbelasteten Probe liegt.15. The device according to claim 1, characterized in that the recording device ( 4 ) for membrane measurement consists of a Matrixanord voltage of the photodiodes, the image plane lying parallel to the unloaded sample. 16. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmegerät (6) zur Aufnahme der reflektierten Linien senk­ recht zur Vorzugsrichtung der auf die Strukturoberfläche proji­ zierten Lichtlinien und parallel zu deren Einfallsrichtung an­ geordnet ist.16. The device according to claim 6, characterized in that the recording device ( 6 ) for receiving the reflected lines perpendicular to the preferred direction of the projected onto the structure surface lines of light and parallel to their direction of incidence is arranged. 17. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodiodenzeilen, CCD-Zeilen und insbesondere für dynamische Messungen Avalanche-Fotodiodenzeilen sind.17. The device according to claim 1, characterized in that the Photo diode lines, CCD lines and especially for dynamic ones Measurements are avalanche photodiode arrays.
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