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Aufbau eines Motion-Analyzers zur Charakterisierung von MEMS-Strukturen

Staab, Matthias (2007):
Aufbau eines Motion-Analyzers zur Charakterisierung von MEMS-Strukturen.
Technische Universität Darmstadt, [Diploma Thesis or Magisterarbeit]

Abstract

Zusammenfassung:

Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau eines Motion-Analyzers. Dabei handelt es sich um ein Messgerät zur Charakterisierung von mikromechanischen Strukturen im Waferverbund, analog zum Test integrierter Schaltkreise mit Wafer-Probern in der Mikroelektronik. Das hier entwickelte System ermöglicht die Analyse des statischen und dynamischen Verhaltens tiefenlithographisch hergestellter, elektrothermischer Mikroaktoren mit Hilfe einer hochauflösenden CCD-Kamera (2048 x 2048 Pixel). Für die Auslösung der Bildaufnahme wird auf den Einsatz einer Echtzeitumgebung verzichtet. Stattdessen wird die Triggerung der Kamera in einen externen Mikrocontroller implementiert. Die aktuelle Auslenkung des Aktors wird über seine relative Position im aufgenommenen Bild mittels Mustererkennung durch Kreuzkorrelation ermittelt. Die mittlere Streuung der Messpunkte liegt dabei bei etwa 200 nm. Für die statischen Messungen wird Dunkelfeldbeleuchtung mit einem eigens konstruierten LED-Ringlicht eingesetzt. Aus der auf diese Weise bestimmten Aktorkennlinie werden die auftretenden statischen Fehler extrahiert. Um auf eine teure Hochgeschwindigkeitskamera verzichten zu können, werden für die dynamischen Messungen zur Frequenzgang- oder Signalanalyse verschiedene Verfahren zur gezielten Unterabtastung mit 2 bis 255 Bildern pro Signalperiode untersucht. Letztlich realisiert ist ein Verfahren, das immer genau dann ein Bild macht, wenn die Kamera alle Daten an den PC übertragen hat, für die nächste Aufnahme bereit ist und das Signal an diesem Punkt noch nicht erfasst wurde. Dieses Vorgehen führt zwangsläufig dazu, dass die Bilder nicht mehr in der, dem eigentlichen Signal entsprechenden Reihenfolge, vorliegen. Daher müssen sie nach Abschluss der Messung auf dem Steuerrechner neu sortiert und entsprechend der Anregungsfrequenz zeitlich skaliert werden. Die möglichen Messfelder bewegen sich im Bereich von 2,4 x 2,4 bis 11,7 x 11,7 mm². Dabei können Aktoren mit Anregungsfrequenzen von 3,51 mHz bis 11,52 kHz vermessen werden.

Item Type: Diploma Thesis or Magisterarbeit
Erschienen: 2007
Creators: Staab, Matthias
Title: Aufbau eines Motion-Analyzers zur Charakterisierung von MEMS-Strukturen
Language: German
Abstract:

Zusammenfassung:

Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau eines Motion-Analyzers. Dabei handelt es sich um ein Messgerät zur Charakterisierung von mikromechanischen Strukturen im Waferverbund, analog zum Test integrierter Schaltkreise mit Wafer-Probern in der Mikroelektronik. Das hier entwickelte System ermöglicht die Analyse des statischen und dynamischen Verhaltens tiefenlithographisch hergestellter, elektrothermischer Mikroaktoren mit Hilfe einer hochauflösenden CCD-Kamera (2048 x 2048 Pixel). Für die Auslösung der Bildaufnahme wird auf den Einsatz einer Echtzeitumgebung verzichtet. Stattdessen wird die Triggerung der Kamera in einen externen Mikrocontroller implementiert. Die aktuelle Auslenkung des Aktors wird über seine relative Position im aufgenommenen Bild mittels Mustererkennung durch Kreuzkorrelation ermittelt. Die mittlere Streuung der Messpunkte liegt dabei bei etwa 200 nm. Für die statischen Messungen wird Dunkelfeldbeleuchtung mit einem eigens konstruierten LED-Ringlicht eingesetzt. Aus der auf diese Weise bestimmten Aktorkennlinie werden die auftretenden statischen Fehler extrahiert. Um auf eine teure Hochgeschwindigkeitskamera verzichten zu können, werden für die dynamischen Messungen zur Frequenzgang- oder Signalanalyse verschiedene Verfahren zur gezielten Unterabtastung mit 2 bis 255 Bildern pro Signalperiode untersucht. Letztlich realisiert ist ein Verfahren, das immer genau dann ein Bild macht, wenn die Kamera alle Daten an den PC übertragen hat, für die nächste Aufnahme bereit ist und das Signal an diesem Punkt noch nicht erfasst wurde. Dieses Vorgehen führt zwangsläufig dazu, dass die Bilder nicht mehr in der, dem eigentlichen Signal entsprechenden Reihenfolge, vorliegen. Daher müssen sie nach Abschluss der Messung auf dem Steuerrechner neu sortiert und entsprechend der Anregungsfrequenz zeitlich skaliert werden. Die möglichen Messfelder bewegen sich im Bereich von 2,4 x 2,4 bis 11,7 x 11,7 mm². Dabei können Aktoren mit Anregungsfrequenzen von 3,51 mHz bis 11,52 kHz vermessen werden.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Aktor elektrothermisch, Bildverarbeitung, CCD-Kamera, Dunkelfeldbeleuchtung, Koaxiales Auflicht, Messen mit LabView, Motion-Analyzer, Mustererkennung, NI Vision plug in fuer LABView, Steuerung mit LabView, Unterabtastung
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 31 Aug 2011 10:20
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1635

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 23-10-2006

Ende Datum: 08-05-2007

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

Identification Number: 17/24 EMKD 1635
Referees: Eicher, Dipl.-Ing. Dirk and Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich
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