SPEKTRA entwickelt Erreger für Schwingungstests bis Megahertz Frequenzen
Zum Testen und Charakterisieren von Sensoren, die auf MEMS-Technologien basieren, werden von Sensorherstellern und deren Kunden immer hochfrequentere mechanische Erreger benötigt, die sowohl translatorische als auch rotatorische Schwingungen erzeugen können. Waren vor 10 Jahren noch Frequenzen zwischen 20 kHz und 50 kHz ausreichend, wird mittlerweile bereits mit Frequenzen von einigen 100 kHz getestet – und die Anforderungen für die nahe Zukunft gehen in den Megahertz-Bereich.
Das Thema Anregen und Testen von MEMS-Sensoren mit vibrationsartigen Schwingungen hat SPEKTRA seit Gründung der Firma beschäftigt. Mit der raschen Entwicklung von MEMS-Sensoren sind die Anforderungen an die Tests in den letzten Jahren immer mehr gestiegen. Dies gilt insbesondere für Tests, bei denen die Immunität der MEMS bezüglich externen Vibrationsquellen getestet werden soll. Die Einsatzbereiche dieser Sensoren sind vielfältig. So werden sie zum Beispiel in Mobiltelefonen auf immer dichter gepackten Leiterplatten montiert und befinden sich dadurch oft in unmittelbarer Nähe von Vibrationsstörquellen wie z. B. DC-DC-Wandlern oder Fingerabdrucksensoren, die auf Ultraschallanregung beruhen. Für die Tests dieser Sensoren werden daher Erreger für immer hochfrequentere translatorische als auch rotatorische Schwingungen (Kippschwingung) benötigt.
"Uns wurde bewusst, dass durch die Entwicklung der MEMS-Sensoren die Anforderungen an Tests immer höher und anspruchsvoller werden würden. "
Schon in 2008 erreichte SPEKTRA eine erste Anfrage mit höheren Anforderungen. Ein Hersteller von Drehratesensoren, die in einem Autosteuergerät verbaut werden, hatte beim Testen festgestellt, dass hochfrequente Anregungen wie durch kurze Stöße oder Steinschläge zu einem unerwarteten Signal des Drehratesensors führten. Der Hersteller wollte die Störanfälligkeit der MEMS-Sensoren mittels Vibrationstests im Frequenzbereich größer 20 kHz prüfen, der damals noch als sehr hoch angesehen wurde. Diese Herausforderung lösten wir bei SPEKTRA zuerst mit unserem Kalibrier-Schwingungserreger SE-09, welcher für einen Betrieb bis 50 kHz ausgelegt ist. „Er funktionierte damals recht gut für die Tests, für die er vorgesehen war. Doch es war noch „gebastelt““, erzählt SPEKTRA Produkt-Spezialist Michael Mende in seinem Vortrag bei den Fachpressetagen 2021.
"Uns wurde damals bewusst, dass durch die Entwicklung der MEMS-Sensoren und Applikationen die Anforderungen an Tests und entsprechenden Erreger immer höher und anspruchsvoller werden würden. Daher haben sich unsere Entwickler auf den Weg gemacht und spezielle Schwingungserreger für diese besonderen Anwendungen entwickelt."
In 2012 kam der SE-11 mit seinem speziellen Schwingkopf auf dem Markt. Es handelt sich hier allerdings immer noch um einen klassischen elektrodynamischen Erreger, der für den Frequenzbereich bis 50 kHz ausgelegt ist, jedoch eine bessere Montage der Prüflinge in verschiedenen Orientierungen zur Schwingungsachse erlaubt. Doch die Anforderungen sind weiter gestiegen hin zu höheren Frequenzen – 100 kHz bis sogar 200 kHz.
Diese Frequenzen konnten durch den Schwingungserreger SE-16 erreicht werden, der eine kompaktere Version des SE-11 ist und durch die geringeren bewegten Massen die Resonanzfrequenzen des Schwingkopfes in einen höheren Frequenzbereich verschiebt. Als weitere Herausforderung kam bei der Entwicklung des SE-16 die Frage nach einem passenden Referenzsensor hinzu, mit dem die Schwingung des Schwingkopfes im Betrieb gemessen werden kann und dessen Signal ggf. für eine Regelung genutzt werden kann. Während beim SE-11 noch ein passender Beschleunigungssensor gefunden werden konnte, lässt der SE-16 nur noch den Einsatz eines Laservibrometers als Referenzsensor zu.
Steigende Anforderungen und die Entstehung des Megahertz-Erregers
Doch bei 200 kHz war nicht Schluss. Als eine Kundenanfrage im Jahr 2018 Tests bis 400 kHz forderte, war schnell klar, dass dies mit dem SE-16 nur noch mit eingeschränkten Leistungsparametern und einigen Tricks möglich sein würde. Neben einem speziellen Leistungsverstärker war nun eine optimierte Verarbeitung des Laservibrometersignals erforderlich, da die maximal mögliche Schwinggeschwindigkeit des SE-16 in diesem Bereich mit der Frequenz sinkt und das Signal-Rausch-Verhältnis des verfügbaren Laservibrometers mit steigender Frequenz immer schlechter wurde.
„Damals dachten wir schon, dass mit den 400 kHz eine Grenze für die kontrollierte Anregung mechanischer Schwingungen für MEMS-Tests erreicht ist“, so Michael Mende. Doch die Kundenanfragen gingen weiter – über die 400 kHz hinaus bis hin zur Anregung im Megahertz-Bereich. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat SPEKTRA Pionierarbeit geleistet und einen piezoelektrischen Schwingungserreger neu entwickelt, der eine kontrollierte Anregung von MEMS-Sensoren oder anderen kleinen Bauteilen bis zu einem Frequenzbereich von 2 MHz mit translatorischer und erstmals auch rotatorischer Anregung ermöglicht. Für die translatorische Anregung gab es in der Vergangenheit bereits piezoelektrische Schwingungserreger, die aber aufgrund ausgeprägter Eigenmoden in vielen Frequenzbereichen keine gut kontrollierbare Schwingung bei derart hohen Frequenzen mehr zuließen. Mit Hilfe einer Segmentierung des Erregers konnten wir unerwünschte Eigenmoden weitgehend unterdrücken. Darüber hinaus können mit diesem Erreger durch unterschiedliche Ansteuerung der Segmente erstmals auch Kippschwingungen in diesem Frequenzbereich erzeugt werden, die sich für MEMS-Tests einsetzen lassen.
Die Anregungsformen konnten mit Hilfe der 3D-Scanningvibrometrie vermessen werden und es wurde ein Ansatz für ein softwaregesteuertes Schwingregelsystem gefunden, das die Schwingungsformen und -amplituden bei den sehr hohen Frequenzen gezielt einregeln kann.
Fazit:
Mit diesem Schwingungserreger wird ein innovativer neuer Ansatz für eine gezielte und gut kontrollierbare Anregung von Schwingungen angeboten, der mechanische Tests mikro-elektrisch-mechanischer Sensoren in eine neue Dimension hebt.
Haben Sie weitere Fragen zu unseren Lösungen zur Charakterisierung von MEMS-Sensoren oder zum Megahertz-Erreger? Kontaktieren Sie uns.