DE4209491A1

DE4209491A1 - Verfahren und Einrichtung zur berührunglosen Messung der statischen und dynamischen Verformung von mikromechanischen Strukturen

Info

Publication number: DE4209491A1
Application number: DE19924209491
Authority: DE
Inventors: Siegmar Dr Hecht; Geb Zeitschel Kuschel
Original assignee: KUSCHEL GEB ZEITSCHEL TINA
Current assignee: KUSCHEL GEB ZEITSCHEL TINA
Priority date: 1992-03-24
Filing date: 1992-03-24
Publication date: 1993-09-30

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungs beispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeich nungen zeigen

Fig. 1 Meßaufbau mit einem auf eine Einzellinie beschränkten Linienraster und einer zu untersuchenden Mikrozunge,

Fig. 2 Auswanderung einer Lichtlinie bei Durchbiegung einer Mikrozunge,

Fig. 3 Linienverlauf bei Torsion einer Mikrozunge,

Fig. 4 Auswanderung einer Lichtlinie bei Durchbiegung einer Mikrobrücke,

Fig. 5 Linienverlauf bei Belastung einer Mikromembran.

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.

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.

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.

Claims

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.

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.

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.

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.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Auswerteeinheiten (5) bis (7) die dynamischen Meßwerte in Echtzeit auswerten.

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.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Lichtlinien eine Linienraster-Vorlage verwendet wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Strukturoberfläche durch den Linienraster projizierten Lichtlinien auch durch eine Einzellinie ersetzt werden können.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Einzellinie eine Linienoptik verwendet wird.

10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle mit Linienraster mindestens in einer Ebene justierbar angeordnet ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle ein Laserstrahl verwendet wird.

12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mikromechanische Element (1) in der Ebene seiner Grundfläche verschiebbar anzuordnen ist.

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.

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.

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.

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.

17. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodiodenzeilen, CCD-Zeilen und insbesondere für dynamische Messungen Avalanche-Fotodiodenzeilen sind.