Allgemein, Industrie

Schwingprüfung, Schocktest, Schwingungsuntersuchung

Auf Dauer zuverlässig
Charakterisieren thermo-mechanischer Eigenschaften von Sensoren mittels Laservibrometrie

Mikromechanische Sensoren haben in den letzten Jahren die Technik des Alltags erobert und werden zunehmend auch in sicherheitsrelevanten Bereichen, beispielsweise in der Automobiltechnik, eingesetzt. Die Langzeitzuverlässigkeit der Sensoren hat deshalb in allen Stufen der Sensorentwicklung und -Produktion einen herausragenden Stellenwert und wird mittels leistungsfähiger Messverfahren, wie Schwingprüfung und Schocktest kontrolliert.

Thermo-mechanische Sensoreigenschaften
Mikromechanische Sensoren besitzen je nach Aufgabenbereich ein unterschiedliches Layout aus wechselnden Aufbauten, Werkstoffen und Fügetechniken. All das bestimmt die thermo-mechanischen Eigenschaften und wirkt sich im spezifischen Verformungs- und Dehnungsverhalten bei thermischer und/oder statischer Belastung aus, aber auch im Schwingungsverhalten. Die Langzeitstabilität dieser Eigenschaften ist entscheidend für die Langzeitzuverlässigkeit der Sensoren.

Messverfahren
Die thermo-mechanischen Eigenschaften werden mit unterschiedlichen, berührungslos arbeitenden Methoden und Werkzeugen gemessen. Zur Messungen von Verformungen dienen ESPI-Methoden oder die Grauwertkorrelationsverfahren. Das Schwingungsverhalten mikromechanischer Sensoren lässt sich mit Hilfe der Laservibrometrie charakterisieren. AMITRONICS verwendet bei der Schwingungsuntersuchung ein Einpunkt-Vibrometer und ein Scanning-Vibrometer. Die laterale Auflösung dieser Vibrometer und damit die kleinste messbare Strukturgröße ist durch die Größe des Laserfokus von ca. 30 µm bestimmt. Das Scanning-Vibrometer eignet sich besonders gut zum thermo-mechanischen Charakterisieren elektronischer Baugruppen, weil es die Ergebnisse flächenhaft als animierte Schwingformen darstellt.

Grundlagen
Die Charakterisierung des dynamischen Verhaltens einer Baugruppe basiert auf der spektralen Lage signifikanter Eigenfrequenzen, den dazugehörigen Schwingformen und den gemessenen Amplituden. Ändern sich z.B. die Eigenschaften der Fügestellen infolge von Alterung, Ermüdung oder Umwelteinflüssen, so ändern sich oftmals auch die dynamischen Eigenschaften des Sensors, was sich dann im Schwingungsverhalten messen lässt. Werden schwingungsrelevante Strukturelemente „weicher”, so verschieben sich die Eigenfrequenzen zu tieferen Frequenzen hin. Erhöht sich die Steifigkeit, verlagern sich die Eigenfrequenzen zu höheren Werten hin. Rissbildungen und Brüche bewirken neben einer Frequenzabsenkung auch Änderungen in den Schwingformen, insbesondere im oberen Frequenzbereich.
Typischer Ablauf einer Charakterisierung
Zunächst wird ein geeigneter Messaufbau konzipiert. Die Anregung des Bauteils kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen: als Eigen- und als Fremderregung. Schaltsensoren beispielsweise, deren Arbeitsprinzip bereits auf einer Anregung basiert, benötigen keine Fremderregung. Bei Beschleunigungssensoren und anderen Sensoren erfolgt dagegen Fremdanregung mit piezo-keramischen Elementen.
Dieses folgt der Bauteilgeometrie und berücksichtigt schwingungsrelevante Steifigkeitssprünge.
Die Messergebnisse zeigen anhand von signifikanten Amplitudenüberhöhungen oder Eigenfrequenzkopplungen mögliche schwingungstechnische Schwachstellen
an.

Sensoreigenschaften und Langzeitzuverlässigkeit
Das Schwingungsverhalten eines intakten Sensors über einen breiten Frequenzbereich kann als Basiszustand definiert werden. Durch ein Monitoring des Schwingungsverhaltens und einem Vergleich mit dem Basiszustand lassen sich Änderungen in den Sensoreigenschaften bereits frühzeitig erkennen, ohne dass es bereits zur Funktionsbeeinträchtigung gekommen sein muss. Die Langzeitzuverlässigkeit von Sensoren lässt sich also durch ein geeignetes Monitoring des Sensors selbst, oder bestimmter lebensdauerrelevanter Baugruppen des Sensors, überwachen. Das Monitoring kann von außerhalb geschehen oder durch eine Überwachung der Eigenerregung, also der eigentlichen Sensorfunktion (beispielsweise Schaltfunktion).

Zusammenfassung
Mittels berührungslos arbeitender Laservibrometrie lässt sich anhand der spektralen Lage signifikanter Eigenfrequenzen, den dazugehörigen Schwingformen und Amplituden das thermo-mechanische Verhalten von Sensoren charakterisieren. Rissbildungen und Brüche bewirken neben einer Frequenzverschiebung auch Änderungen in den Schwingformen. Die Langzeitstabilität des thermo-mechanischen Verhaltens der Sensoren kann sowohl durch externe Messungen überwacht werden, als auch über ein Monitoring der Eigenerregung, beispielsweise bei Schaltfunktionen

Am Montag, April 7th, 2008 um 14:04 wurde dieser Artikel eingestellt. Kommentare verfolgen mittels RSS 2.0-Feed. Keine Kommentare und Pings erlaubt.

Die 5 neusten Artikel Die 5 beliebtesten Artikel