1. Thermografie
  2. Thermische Mikroantriebe für Nanotechnologien
Thermografie im Bereich der Forschung an MEMS-Mikroantrieben

Ther­mi­sche Mikro­an­triebe für Nano­tech­no­lo­gien

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) bieten eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten auf dem Gebiet der Nanotechnologie. Alltagsbeispiele sind die Lageerkennung von Mobiltelefonen sowie der Einsatz in Airbags, Digitalkameras oder Herzschrittmachern. Weitere Applikationen sind vor allem im Bereich miniaturisierter medizinischer Diagnostik zu finden. Wachsende Ansprüche an die Miniaturisierung betreffen gleichermaßen die dafür erforderlichen Systemlösungen als auch die zu entwickelnden Sensoren und Steuerelemente.

Mikro­me­chanik als Stütze zukünf­tiger Nano­tech­no­logie-Anwen­dungen

Die Professur Mikrosysteme und Medizintechnik der Technischen Universität Chemnitz beschäftigt sich mit Mikroantrieben auf MEMS-Basis, die als Steuerplattform für Untersuchungen an Nanokomponenten dienen sollen und nur wenige Mikrometer klein sind. Ähnlich wie bei konventionellen elektromechanischen Positioniertischen mit drei Freiheitsgraden soll auch im Mikromechanischen eine hochgenaue und horizontale bzw. vertikale Beweglichkeit von Bauteilen ermöglicht werden.

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InfraTec Lösung

Technische Universität Chemnitz
Professur Mikrosysteme und Medizintechnik

www.tu-chemnitz.de/etit/microsys/index.php

Dr. Sebastian Voigt

Thermografiesystem
ImageIR® 9300 Wärmebildkamera

ImageIR® 9300 und Ther­mo­grafie an minia­tu­ri­sierten Stell­trieben

Seit mehr als 20 Jahren verfügt die Professur über Erfahrung im Bereich elektrostatischer Aktoren. Bei den hier vorgestellten Steuerelementen sind diese jedoch ungeeignet, da die entsprechenden Untersuchungen von MEMS an Elektronen-mikroskopen durchgeführt werden, deren Felder sich störend auswirken würden.

Als Alternative kommen thermische Antriebe zum Einsatz, bei denen die elektrische Leistung über Erwärmung in Bewegung umgewandelt wird. An der Technischen Universität Chemnitz wurden bereits Prototypen entwickelt, die Bewegungen mit einer Genauigkeit von bis zu 2 µm und 0,3° ermöglichen.

Eine solche Präzision zu erreichen, erfordert eine genaue Analyse der Materialparameter an den verwendeten Aktoren. Wie bei thermischen Antrieben zu erwarten, ist der wichtigste Faktor eine möglichst genaue Messung der Komponententemperatur. Durch die sehr kleinen Abmessungen und mechanischen Besonderheiten dieser ungewöhnlichen Messobjekte sind die Anforderungen an die zum Einsatz kommende Thermografiekamera extrem hoch. Aufgrund der nur wenige Mikrometer großen Komponenten ist eine möglichst hochvergrößernde Infrarot-Mikroskopoptik erforderlich. Durch den großen Infrarotdetektor der ImageIR® 9300 mit (1.280 × 1.024) IR-Pixeln ist es zudem möglich, auch die Peripheriekomponenten um die Stelltriebe herum zu erfassen.

InfraTec Thermografie Anwenderbericht TU Chemnitz
Abb. 1: Thermografiebild eines MEMS-gesteuerten Aktors mit drei Freiheitsgraden und thermischen Antrieben

Beugungs­be­grenztes Auflö­sungs­ver­mögen

An der Technischen Universität Chemnitz kommt eine ImageIR® 9300 mit 8,0×-Mikroskopobjektiv zum Einsatz. Mit dem verwendeten Spektralbereich von (1,5 … 5,5) µm ist man hier am physikalischen Limit des Auflösungsvermögens angelangt. Die gewonnenen Messwerte ermöglichen dank experimenteller Emissionsgradbestimmungen einzelner Testmaterialien eine Ermittlung von Wärmeaustragskoeffizienten und weiterer Materialparameter. Die Auswertung erfolgt mit der IRBIS® 3 professional Thermografiesoftware. Zusätzlich wird ein Lock-In-Thermografie-Prüfplatz mit der InfraTec IRBIS® active zur Echtzeit-Aktivthermografie verwendet. Da man auf Silizium und Aluminium misst, sind die Emissivitätskoeffizienten hier sehr gering und bedürfen einer sorgfältigen Anwendung spezieller Korrekturmodelle, die in der verwendeten IRBIS®-Software hinterlegt sind.

InfraTec Thermografie Anwenderbericht TU Chemnitz
Abb. 2: Vergleich einer mikroskopischen Aufnahme mit einem hochaufgelösten Thermografiebild, das mit einer ImageIR® 9300 und 8×-Mikroskopobjektiv erstellt wurde.

Ergeb­nisse

Die vorgestellten Ergebnisse veranschaulichen die thermischen Prozesse innerhalb der MEMS-Strukturen sehr deutlich. Dennoch bleiben Details, die zu klären sind:

  • Die Arbeit an der Neugestaltung der Aktoren, um thermisches Übersprechen der Komponenten zu reduzieren.

  • Die Suche nach einer Messmethode für die ganzheitliche Bewegungserfassung, die auf einer automatisierten Bildauswertung der Thermografiebilder basiert.

Ebenfalls im Blick hat man den Versuch einer Quantifizierung der thermoelastischen Dämpfung in den MEMS-Federn bei Anregungsfrequenzen bis ca. 10 kHz. Bei diesen Untersuchungen wird auch die hochpräzise Triggerschnittstelle der ImageIR® 9300 gefordert, um mit Hilfe der Aktivthermografie schnell und präzise folgen zu können. An diesem Punkt wird die Fähigkeit der Lock-In-Thermografie, kleinste Temperaturdifferenzen darstellen zu können, verstärkt zum Tragen kommen.

Gerade auf dem Gebiet der miniaturisierten medizinischen Diagnostik und Analytik werden zukünftige Anwendungen noch stärker auf nanotechnologische Komponenten zurückgreifen. Durch die vorgestellten Untersuchungen und den Einsatz der ImageIR® 9300 gewinnt man Einblicke in das Verhalten dafür erforderlicher MEMS-Bauteile, um deren Entwicklung voranzubringen.

InfraTec Thermografie Anwenderbericht TU Chemnitz
Abb. 4: Temperaturprofil zu Abb. 3, mit relativen Temperaturwerten
InfraTec Thermografie Anwenderbericht TU Chemnitz
Abb. 3: Detailaufnahme eines der verwendeten MEMS-Antriebselemente (relative Temperaturwerte)

Vorteile der Ther­mo­grafie-Lösung in dieser Anwen­dung

InfraTec Glossar Module

Modu­larer Kame­ra­aufbau für Ihre Flexi­bi­lität

Durch den modularen Aufbau der Kameraserie ImageIR® kann die Kamera an alle Anforderungen des Anwenders angepasst werden. In jede Richtung wird so ein kundenspezifisches Thermografiesystem realisiert. Auch im Nachgang kann die ImageIR® bei geänderten Messanforderungen nach- oder umgerüstet werden. Auf diese Weise ist eine maximale Investitionssicherheit gewährleistet.

InfraTec Thermografie - Thermische Auflösung

Ther­mi­sche Auflö­sung – Unter­schiede von nur wenigen Milli­kelvin bestimmen

Zur Erkennung geringer Temperaturänderungen bieten Wärmebildkameras von InfraTec thermische Auflösungen bis < 15 mK im Echtzeitbetrieb. Durch das Verfahren der Lock-In-Thermografie lässt sich dieses Auflösungsvermögen weiter deutlich erhöhen. Dafür werden Prüfobjekte periodisch angeregt und zerstörungsfrei auf Fehler und Unregelmäßigkeiten hin untersucht.

Inte­griertes Trigger- / Prozess­in­ter­face und Schnitt­stellen – Wärme­bild­ka­mera und externe Geräte digital steuern

Das interne Triggerinterface garantiert eine hochpräzise, wiederholgenaue Triggerung. Jeweils zwei konfigurierbare digitale Ein- und Ausgänge dienen zum Steuern der Kamera oder zur Erzeugung von digitalen Steuersignalen für externe Geräte. Auf diese Art und Weise lassen sich beispielsweise der Betrieb einer Leiterplatte und der Takt einer Messung synchron aufeinander abstimmen.

Die Auswahl verschiedener Kameraschnittstellen erlaubt das Verarbeiten analoger Daten, wie z. B. der Spannung direkt durch die Kamera und damit das Einfügen dieser Informationen in die thermografischen Bilddaten. In den Auswertungen mit der Software können relevante Größen einbezogen werden, was das Ziehen von Rückschlüssen auf die Ursachen von Temperaturänderungen erleichtert.

InfraTec Thermografie - Geometrische Auflösung

Geome­tri­sche Auflö­sung – Effi­zient komplexe Baugruppen analy­sieren

Wärmebildkameras von InfraTec mit gekühlten und ungekühlten Detektoren verfügen über native Auflösungen von bis zu (1.920 × 1.536) IR-Pixeln. Räumlich hochaufgelöste Thermogramme stellen sicher, dass Komponenten und Baugruppen bis ins kleinste Detail abgebildet sind und dadurch Fehler sicher erkannt und präzise lokalisiert werden können.

Rele­vante Bran­chen und Anwen­dungs­ge­biete

Thermografie in der Elektronik

Elek­tronik & Elek­tro­in­dus­trie

Messen Sie die Temperaturverteilung kleinster elektronischer Komponenten mit einer Wärmebildkamera.

Microthermografie

Mikro­ther­mo­grafie

Die Mikrothermografie ermöglicht die thermische Analyse kleinster Strukturen im µm-Bereich und somit eine detaillierte Darstellung der Temperaturverteilung auf komplexen elektronischen Baugruppen.

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