WO2008125071A1 - Micromechanical sound emission measurement system - Google Patents

Abstract

The invention relates to a micromechanical measurement system (23) and a method for measuring sound emissions emitted by a solid body. In order to allow measurement of acoustic emission that is as cost effective as possible, a micromechanical measurement system (23) is proposed, comprising - a sound emission sensor (19) having at least a first micromechanically produced structure capable of vibrating having a first resonant frequency in the ultrasound range, - a first means for the derivation of at least one threshold value from a first sound emission (24) measured by the sound emission sensor (19), - a memory for storing the threshold value, and - a second means for comparing a second sound emission (25,26,27) measured by the sound emission sensor (19) to the threshold value.

Description

Beschreibungdescription

Mikromechanisches SchallemissionsmesssystemMicromechanical sound emission measuring system

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Messsystem und ein Verfahren zur Messung von Schallemissionen, die von einem Festkörper emittiert werden.The invention relates to a micromechanical measuring system and a method for measuring acoustic emissions emitted by a solid.

Unter dem Begriff Schallemission werden ein Signal verstanden, die durch Verspannungen eines Gitters in Festkörpern hervorgerufen werden können. Eine solche Schallemission wird auch häufig mit dem englischen Begriff "A- coustic Emission" bezeichnet und beschreibt folgendes Phänomen: Durch äußere Einflüsse können auf der Gitterebene Verspannungen im Material auftreten. Diese Materialverspannungen stellen eine Speicherung potentieller Energie dar. Überschreiten die Verspannungen eine gewisse Schwelle, so lösen sie sich und es kommt zu einer Umwandlung der potentiellen Energie in kinetische Energie. Die kinetische Energie setzt sich in Form von Stresswellen frei, die sich im Material ausbreiten. Da sich die Verspannungen im Material stoßartig entspannen, besitzen die Stresswellen ein breites Spektrum mit Frequenzanteilen bis in den Megahertzbereich.The term sound emission is understood to mean a signal that can be caused by distortions of a grating in solids. Such a sound emission is also frequently referred to by the English term "acoustic emission" and describes the following phenomenon: External influences can cause tension in the material on the lattice plane. These tensions of material represent a storage of potential energy. If the tensions exceed a certain threshold, they dissolve and a conversion of the potential energy into kinetic energy occurs. The kinetic energy releases itself in the form of stress waves, which spread in the material. Since the tension in the material relax abruptly, the stress waves have a broad spectrum with frequency components up to the megahertz range.

Quellen von derartigen Schallemissionen sind sehr vielgestaltig:Sources of such noise emissions are very diverse:

chemische Prozesse (Korrosion)chemical processes (corrosion)

Risswachstum (Delaminierung, Glasbruch, Schädigung von Beton)Crack growth (delamination, glass breakage, damage to concrete)

- mechanische Schädigungen (Lagerschäden, materialtrennende Bearbeitungsverfahren wie Bohren, Drehen, Fräsen) und- Mechanical damage (bearing damage, material-separating machining processes such as drilling, turning, milling) and

- Kavitation u.a.Cavitation and the like

können die Ursache von Acoustic Emission sein. Entsprechend der vielen Ursachen von Acoustic Emission ergeben sich verschiedenste Anwendungen für einen Sensor im industriellen Umfeld, der in der Lage ist, diese Schallemissionen zu detektieren. Acoustic Emission kann, wie oben beschrieben, einen Schädigungsprozess anzeigen. Daher ist diecan be the cause of Acoustic Emission. Due to the many causes of Acoustic Emission, a wide variety of applications for a sensor in an industrial environment, which is able to detect these sound emissions arise. Acoustic emission can, as described above, indicate a damage process. Therefore, the

Überwachung von Acoustic Emission eine sehr effiziente Methode, verschleißbehaftete Komponenten im industriellen Umfeld zu überwachen um Ausfallzeiten von Produktionsmitteln zu reduzieren. Durch Messen von Acoustic E- mission können Verschleiße und Defekte an Produktionsmitteln frühzeitig detektiert werden, da man anhand der Acoustic Emission den Schädigungsprozess direkt verfolgt und nicht erst seine Folgen indirekt auswertet. Hingegen ist für die Detektion bereits vorhandener, sich nicht mehr verändernder Schädigungen eine Analyse von Frequenzen im hörbaren Bereich einer Analyse von Schallemissionen vorzuziehen.Acoustic emission monitoring is a very efficient way to monitor components subject to wear in an industrial environment to reduce equipment downtime. By measuring Acoustic Emission, wear and defects of production equipment can be detected early on, since Acoustic Emission directly tracks the damage process and does not indirectly evaluate its consequences. On the other hand, an analysis of frequencies in the audible range of an analysis of acoustic emissions is preferable for the detection of already existing, no longer changing damage.

Zur Messung von Acoustic Emission werden piezoelektrische Spezialsensoren verwendet, die für den Ultraschallbereich ausgelegt sind. Eine mit einem solchen Spezial- sensor detektierte Schallemission wird von einem Vorverstärker verstärkt. Das verstärkte Signal wird anschließend ausgewertet, wobei entweder aus dem gemessenen und verstärkten Zeitsignal Kennwerte abgeleitet werden oder komplexe spektrale Algorithmen angewandt werden, um die relevanten Frequenzen zu extrahieren.To measure Acoustic Emission, special piezoelectric sensors are used, which are designed for the ultrasonic range. A sound emission detected with such a special sensor is amplified by a preamplifier. The amplified signal is then evaluated, either derived from the measured and amplified time signal characteristics or complex spectral algorithms are applied to extract the relevant frequencies.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst kostengünstige Messung von Acoustic Emission zu ermöglichen.Object of the present invention is to enable the most cost-effective measurement of acoustic emission.

Diese Aufgabe wird durch ein mikromechanisches Messsystem zur Messung von Schallemissionen gelöst mitThis object is achieved by a micromechanical measuring system for measuring acoustic emissions

einem Schallemissionssensor mit mindestens einer ersten mikromechanisch gefertigten schwingfähigen Struktur, die eine erste Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist, ersten Mitteln zur Ableitung mindestens eines Schwellwertes aus einer ersten mit dem Schallemissionssensor gemessenen Schallemission, einem Speicher zur Speicherung des Schwellwertes und zweiten Mitteln zum Vergleich einer zweiten, mit dem Schallemissionssensor gemessenen Schallemission mit dem Schwellwert.a sound emission sensor having at least one first micromechanically manufactured oscillatable Structure having a first resonance frequency in the ultrasonic range, first means for deriving at least one threshold value from a first sound emission measured by the acoustic emission sensor, a memory for storing the threshold value and second means for comparing a second sound emission measured with the acoustic emission sensor with the threshold value.

Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Überwachung von Schallemissionen gelöst mit folgenden Verfahrensschritten, die mit einem mikromechanischen Messsystem durchgeführt werden:Furthermore, the object is achieved by a method for monitoring sound emissions with the following method steps, which are carried out with a micromechanical measuring system:

Messen einer ersten Schallemissionen mit einem Schallemissionssensor mit mindestens einer ersten mikromechanisch gefertigten schwingfähigen Struktur, die eine erste Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist,Measuring a first sound emission with a sound emission sensor having at least one first micromechanically manufactured oscillatable structure having a first resonance frequency in the ultrasonic range,

Ableiten mindestens eines Schwellwertes aus der ersten mit dem Schallemissionssensor gemessenen Schallemission,Deriving at least one threshold value from the first sound emission measured by the acoustic emission sensor,

Speichern des Schwellwertes,Saving the threshold,

Messen einer zweiten Schwellemission mit dem Schallemissionssensor und vergleichen der zweiten Schallemission mit dem Grenzwert.Measuring a second threshold emission with the acoustic emission sensor and comparing the second acoustic emission with the limit value.

Die Mikromechanik bezeichnet einen Bereich der Mikro- technik, der sich mit mechanischen Strukturen im Mikrometerbereich befasst. Bei der mikromechanischen Fertigung werden häufig aus der Halbleiterprozesstechnik, insbesondere der Mikrochipfertigung bekannte Verfahren eingesetzt.Micromechanics refers to a field of microengineering that deals with micrometer-sized mechanical structures. In micromechanical manufacturing, known processes are frequently used from semiconductor process technology, in particular microchip production.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, das stoß- förmige Anregungen, wie sie beim Lösen von Materialverspannungen in Form von Schallemissionen bewirkt werden, ein breitbandiges Frequenzspektrum erzeugen, dass im Ultraschallbereich besonders gut zu detektieren ist. Unter Ultraschallbereich wird hier sowie im gesamten Dokument der Frequenzbereich zwischen 20 und 2000 kHz verstanden. Der Vorteil einer Detektion der Schallemissionen durch eine Messung im Ultraschallbereich besteht darin, dass ein störendes Hintergrundrauschen im Spektrum der Anregung bei derartig hohen Frequenzen bereits abgeklungen ist. Diese Störsignale können beispielsweise durch Strukturresonanzen des Messobjektes entstehen. Bei einer Messung im Ultraschallbereich werden daher ausschließlich die interessierenden Signale detektiert, die für das PhänomenThe invention is based on the knowledge that shock-shaped excitations, as they are caused when dissolving material stresses in the form of sound emissions, generate a broadband frequency spectrum that is particularly easy to detect in the ultrasonic range. By ultrasound is meant here and throughout the document the frequency range between 20 and 2000 kHz. The advantage of a detection of the sound emissions by a measurement in the ultrasonic range is that a disturbing background noise in the spectrum of the excitation at such high frequencies has already subsided. These interference signals can arise, for example, due to structural resonance of the measurement object. In a measurement in the ultrasonic range, therefore, only the signals of interest are detected, which are responsible for the phenomenon

Acoustic Emission verantwortlich sind und für eine Schädigung charakterisierend sein können. Dies ermöglicht eine vereinfachte Auswertung, da keine spektrale Unterscheidung von Messsignal und überlagertem Hintergrundrauschen notwendig ist. Erfindungsgemäß wird ein derartiger Schallemissionssensor für den Ultraschallbereich mikromechanisch gefertigt.Acoustic Emission and may be characteristic of damage. This allows a simplified evaluation, since no spectral distinction of measurement signal and superimposed background noise is necessary. According to the invention, such a sound emission sensor for the ultrasonic range is manufactured micromechanically.

Mikromechanisch gefertigte Schallemissionssensoren haben gegenüber piezoelektrischen Emissionen den Vorteil, dass die geometrischen Parameter der entsprechenden schwingfähigen Strukturen beispielsweise durch Bearbeitungsmethoden wie Lithographie mit sehr geringen Toleranzen realisiert werden können. Durch die Möglichkeit, diese Parameter in sehr engen Toleranzen festzulegen, kann auch die Resonanzfrequenz und die Bandbreite einer derartigen schwingfähigen Struktur äußerst exakt dimensioniert werden. Hierdurch können die mikromechanischen Sensoren folglich auch sehr leicht an eine konkrete Applikation angepasst werden.Micromechanically produced acoustic emission sensors have the advantage over piezoelectric emissions that the geometric parameters of the corresponding oscillatable structures can be realized, for example, by processing methods such as lithography with very narrow tolerances. The ability to set these parameters in very tight tolerances, the resonant frequency and the bandwidth of such a vibratory structure can be dimensioned extremely accurate. As a result, the micromechanical sensors can therefore also be adapted very easily to a specific application.

Die Größe mikromechanisch gefertigter Schwingstrukturen ist wesentlich geringer als die Größe handelsüblicher piezoelektrischer Sensoren. Damit wird ein hohes Maß an Integration möglich, wenn mehrere Schwingungsstrukturen auf einem Schallemissionssensor integriert werden sollen.The size of micromechanically manufactured oscillating structures is considerably smaller than the size of commercially available piezoelectric sensors. This allows a high degree of integration when multiple vibration structures to be integrated on a sound emission sensor.

Das mikromechanische Messsystem ist zur Messung von Schallemissionen geeignet, die sich von einem festen Körper ausbreiten. Damit kann das mikromechanische Messsystem zur Überwachung zahlreicher verschleißbehafteter Komponenten beispielsweise im Bereich der industriellen Automatisierungs- und Antriebstechnik verwendet werden. Als Beispiel sei hier ein Lager einer elektrischen Maschine genannt, welches durch selbst- oder fremderregte Stöße eine Schallwelle auslöst. Je nach Charakteristik einer solchen Schallemission, kann diese auf eine Zerstörung oder Schädigung des Lagers hinweisen. Selbstverständlich deutet nicht jede von einem Festkörper ausgestrahlte Schallemission auf eine Schädigung des entsprechenden Festkörpers sind. Um eine Schädigung erkennen zu können, umfasst das mikromechanische Messsystem daher Mittel, um eine gemessene Schallemission mit einem Schwellwert zu vergleichen. Anhand dieses Vergleiches kann eine Aussage darüber getroffen werden, ob die gemessene Schallemission auf eine Schädigung hindeutet oder nicht.The micromechanical measuring system is suitable for measuring sound emissions that propagate from a solid body. Thus, the micromechanical measuring system can be used for monitoring numerous components subject to wear, for example in the field of industrial automation and drive technology. An example of this is a bearing of an electric machine, which triggers a sound wave through self-excited or externally excited shocks. Depending on the characteristics of such a sound emission, this may indicate a destruction or damage to the camp. Of course, not every sound emission emitted by a solid indicates damage to the corresponding solid. In order to be able to detect damage, the micromechanical measuring system therefore comprises means for comparing a measured noise emission with a threshold value. Based on this comparison, a statement can be made as to whether the measured sound emission indicates damage or not.

Um einen solchen Schwellwert festzulegen, umfasst das mikromechanische Messsystem die ersten Mittel, mit denen der besagte Schwellwert anhand einer ersten Schallemission festgelegt wird. Bei einem Körperschall erzeugenden Prozess wird also die erste Schallemission als Referenz gemessen. Aus der Messung der ersten Schallemission wird ein Schwellwert abgeleitet, der von der zweiten Schallemission bzw. einen von der zweiten Schallemission abgeleiteten Wert nicht überschritten werden darf.In order to establish such a threshold value, the micromechanical measuring system comprises the first means with which the said threshold value is determined on the basis of a first sound emission. In a structure-borne sound generating process so the first sound emission is measured as a reference. From the measurement of the first acoustic emission, a threshold value is derived, which may not be exceeded by the second acoustic emission or a value derived from the second acoustic emission.

Welche Art der Schwellwert ist, hängt u.a. von dem zu überwachenden Prozess ab. Beispielsweise kann es sich bei dem Schwellwert um eine zeitabhängige Schwellwertkurve, einen zeitlichen Mittelwert, oder um den Wert ei- nes Kurzzeitintegrales der zweiten Schallemission handeln.The type of threshold depends, among other things, on the process to be monitored. For example, the threshold value may be a time-dependent threshold curve, a time average, or the value of a act short-term integral of the second acoustic emission.

Erfindungsgemäß wird also ein mikromechanisches Messsystem bereitgestellt, mit dem anhand einer ersten Schallemissionsmessung der "Normalzustand" eines körperschall- erzeugenden Prozesses ermittelt werden kann und bei weiteren Prozessdurchläufen eine Überwachung durch Vergleich weiterer Schallemissionen mit dem Referenzprozess durchgeführt werden kann.According to the invention, therefore, a micromechanical measuring system is provided with which the "normal state" of a structure-borne sound-producing process can be determined on the basis of a first acoustic emission measurement and monitoring can be carried out in further process cycles by comparing further sound emissions with the reference process.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die ersten Mittel zur Glättung des zeitlichen Verlaufs der ersten Schallemission über ein Zeitintervall eingerichtet . Durch eine Glättung des zeitlichen Verlaufs werden hochfrequentes Rauschen unterdrückt und damit eine Basis für eine Bestimmung des Schwellwertes geschaffen. Alternativ kann eine Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft sein, bei der die ersten Mittel zur Bildung einer Hüllkurve für den zeitlichen Verlauf der ersten Schallemission über ein Zeitintervall eingerichtet sind. Ob eine Hüllkurve oder eine Glättung des zeitlichen Verlaufs der ersten Schallemission geeigneter ist, den mindestens einen Schwellwert zu bestimmen, hängt von dem zu überwachenden Prozess bzw. der zu überwachenden Komponente ab.In an advantageous embodiment of the invention, the first means for smoothing the time course of the first acoustic emission are set up over a time interval. By smoothing the time course, high-frequency noise is suppressed, thus creating a basis for determining the threshold value. Alternatively, an embodiment of the invention may be advantageous in which the first means for forming an envelope for the time course of the first acoustic emission over a time interval are set up. Whether an envelope or a smoothing of the chronological progression of the first acoustic emission is more suitable for determining the at least one threshold depends on the process to be monitored or the component to be monitored.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die ersten Mittel zur Ableitung einer zeitabhängigen oberen Schwellwertkurve für das Zeitintervall eingerichtet, und die zweiten Mittel zur Detektion einer Ü- berschreitung der oberen Schwellwertkurve durch die zweite Schallemission oder durch einen zeitlichen Mittelwert der zweiten Schallemission innerhalb des Zeitintervalls eingerichtet. Wird eine solche Schwellwertkurve durch den zeitlichen Verlauf der Schallemission bzw. durch deren zeitlichen Mittelwert überschritten, so deutet dies beispielsweise auf eine Schädigung eines Pro- duktionsmittels oder eines zu bearbeitenden Werkstücks hin.In a further advantageous embodiment of the invention, the first means for deriving a time-dependent upper threshold curve for the time interval are set up, and the second means for detecting a Ü exceeded the upper threshold curve by the second acoustic emission or by a time average of the second acoustic emission within the time interval set , If such a threshold curve is exceeded by the temporal course of the acoustic emission or by its time average, this indicates, for example, damage to a product. duktionsmittels or a workpiece to be machined.

In manchen Fällen kann ein erfolgreicher Produktionspro- zess dadurch gekennzeichnet sein, dass bei der Durchführung dieses Prozesses eine Schallemission einen bestimmten unteren Grenzwert überschreitet. Insbesondere bei solchen Prozessen kann eine Ausführung der Erfindung vorteilhaft sein, bei der die ersten Mittel zur Ableitung einer zeitabhängigen unteren Schwellwertkurve für das Zeitintervall eingerichtet sind und die zweiten Mittel zur Detektion einer Unterschreitung der unteren Schwellwertkurve durch die zweite Schallemission oder durch den zeitlichen Mittelwert der zweiten Schallemission innerhalb des Zeitintervalls eingerichtet sind.In some cases, a successful production process may be characterized by a sound emission exceeding a certain lower limit in the implementation of this process. In particular, in such processes, an embodiment of the invention may be advantageous in which the first means for deriving a time-dependent lower threshold curve for the time interval are established and the second means for detecting an undershooting of the lower threshold curve by the second acoustic emission or by the time average of the second Noise emission are set up within the time interval.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die erste schwingfähige Struktur aus einem Wafer aus halbleitendem Material gefertigt. In der Halbleiterindustrie existiert eine Vielzahl technologischer Prozesse, die eine exakte Herstellung kleinster schwingfähiger Strukturen erlauben. Als Wafermaterial bietet sich hierbei aus Kostengründen Silizium an. Jedoch ist auch die Verwendung eines Substratmaterials aus Galiummarsenit oder Siliziumkarbid etc. denkbar.In an advantageous embodiment of the invention, the first oscillatable structure is made of a wafer of semiconducting material. In the semiconductor industry, there are a large number of technological processes that permit the exact production of the smallest vibratory structures. As a wafer material, this offers silicon for cost reasons. However, the use of a substrate material of Galiummarsenit or silicon carbide, etc. is also conceivable.

Silizium zeichnet sich neben der vergleichsweise günstigen Materialkosten auch durch seine sehr einfache Pro- zessierbarkeit aus. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist daher die erste schwingfähige Struktur mittels Siliziumbulkmechanik und/oder Siliziumoberflä- chenmikromechanik gefertigt. Bei der Siliziumbulkmechanik werden aus einem Siliziumwafer durch beidseitiges Ätzen freistehende mechanische Strukturen gewonnen. Die Siliziumoberflächenmikromechanik zeichnet aus, dass freistehende mechanische Strukturen durch mehrer Ätz- und Abscheidungsprozesse an der Waferoberflache erzeugt werden. Je nach Richtung des abgestrahlten Schalls kann es vorteilhaft sein, in einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung die erste schwingfähige Struktur senkrecht zur Waferebene schwingfähig auszuführen.In addition to the comparatively low material costs, silicon is also characterized by its very simple processability. In an advantageous embodiment of the invention, therefore, the first oscillatory structure is manufactured by means of silicon bulk mechanics and / or silicon surface micromechanics. In silicon bulb mechanics, freestanding mechanical structures are obtained from a silicon wafer by etching on both sides. Silicon surface micromachining records that freestanding mechanical structures are created by multiple etching and deposition processes on the wafer surface. Depending on the direction of the radiated sound, it may be advantageous, in an expedient embodiment of the invention, to execute the first oscillatable structure so that it can oscillate perpendicularly to the wafer plane.

Alternativ kann es in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig sein, die erste schwingfähige Struktur parallel zur Waferebene schwingfähig zu gestalten. Insbesondere mit Hilfe der Siliziumbulkmecha- nik und/oder Siliziumoberflächenmikromechanik ist die Schwingungsrichtung der ersten schwingfähigen Struktur mit sehr vielen Freiheitsgraden wählbar.Alternatively, in a further advantageous embodiment of the invention, it may be expedient to make the first oscillatable structure oscillatable parallel to the wafer plane. In particular with the aid of silicon bulb mechanics and / or silicon surface micromechanics, the direction of oscillation of the first oscillatable structure can be selected with many degrees of freedom.

Eine sehr einfache Detektion stoßförmiger Anregungen kann erzielt werden, wenn der Schallemissionssensor dritte Mittel zur Bestimmung der Schallemission auf Basis einer Messung der zeitabhängigen elektrischen Kapazität der ersten schwingfähigen Struktur in einem durch die Schallemission angeregten Zustand aufweist. Die erste schwingfähige Struktur lässt sich derart ausgestalten, dass sie einen Kondensator bildet, dessen Kapazität abhängig von der Auslenkung der Struktur ist. Der Zusammenhang zwischen der Kapazität der schwingfähigen Struktur und dessen Auslenkung lässt sich über die Geometrie der Struktur einstellen. Aus einer Messung der Kapazität der ersten schwingfähigen Struktur kann auf diese Art und Weise die Auslenkung der schwingfähigen Struktur bestimmt werden, um so wiederum Rückschlüsse auf die stoß- förmige Anregung zu ziehen. Eine entsprechende Elektronik, die eine derartige Auswertung leistet, lässt sich insbesondere bei einer mikromechanischen Implementierung des Schallemissionssensors auf einem Halbleiterchip sehr gut integrieren.A very simple detection of impulsive excitations can be achieved if the acoustic emission sensor has third means for determining the acoustic emission on the basis of a measurement of the time-dependent electrical capacitance of the first oscillatable structure in a state excited by the acoustic emission. The first vibratable structure may be configured to form a capacitor whose capacitance is dependent on the deflection of the structure. The relationship between the capacity of the vibratable structure and its deflection can be adjusted by the geometry of the structure. From a measurement of the capacitance of the first oscillatable structure, the deflection of the oscillatable structure can be determined in this way, in order in turn to draw conclusions about the pulsed excitation. A corresponding electronic system which performs such an evaluation can be integrated very well, particularly in the case of a micromechanical implementation of the acoustic emission sensor on a semiconductor chip.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schallemissionssensor mindestens eine zweite mikromechanisch gefertigte schwingungsfähige Struktur mit einer zweiten Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist. Unterscheidet sich die erste Resonanzfrequenz von der zweiten Resonanzfrequenz, so stehen für eine spätere Auswertung zwei Messfrequenzen im Ultraschallbereich zur Verfügung.A further advantageous embodiment of the invention is characterized in that the acoustic emission sensor has at least one second micromechanically manufactured having oscillatory structure with a second resonant frequency in the ultrasonic range. If the first resonance frequency differs from the second resonance frequency, two measurement frequencies in the ultrasonic range are available for later evaluation.

Hierbei ist es auch möglich, dass in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die erste schwingfähige Struktur einen ersten Messbereich aufweist, der sich mit einem zweiten Messbereich der zweiten schwingfähigen Struktur teilweise überlappt. Die Überlappung kann z.B. durch entsprechende Wahl der Güte der schwingfähigen Strukturen eingestellt werden. Besitzen erste und zweite schwingfähige Struktur eine relativ niedrige Güte, so kann eine Überlappung der Messbereiche auch dann erreicht werden, wenn erste und zweite Resonanzfrequenz relativ weit auseinander liegen. Auf diese Art und Weise ist es möglich, ein relativ großes Frequenzspektrum im Ultraschallbereich mit zwei schwingfähigen Strukturen abzudecken. Selbstverständlich ist auch denkbar und von der Erfindung umfasst, dass mehr als zwei schwingfähige Strukturen mit mehr als zwei Resonanzfrequenzen zur Messung stoßförmiger Anregung auf dem Schallemissionssensor implementiert werden. So kann ein ganzes Array mikromechanisch gefertigter schwingfähiger Strukturen auf nur einen einzigen Chip implementiert werden, um so ein möglichst großes Frequenzspektrum für die nachfolgende Auswertung zur Verfügung zu haben.In this case, it is also possible that, in a further advantageous embodiment of the invention, the first oscillatable structure has a first measuring range which partially overlaps with a second measuring range of the second oscillatable structure. The overlap may e.g. be adjusted by appropriate choice of the quality of the oscillatory structures. If the first and second oscillatable structures have a relatively low quality, an overlapping of the measuring ranges can be achieved even if the first and second resonant frequencies are relatively far apart. In this way it is possible to cover a relatively large frequency spectrum in the ultrasonic range with two oscillatory structures. Of course, it is also conceivable and encompassed by the invention that more than two oscillatable structures having more than two resonant frequencies for measuring pulsed excitation be implemented on the acoustic emission sensor. Thus, an entire array of micromechanically manufactured oscillatable structures can be implemented on a single chip in order to have as large a frequency spectrum as possible for the subsequent evaluation.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weisen die erste und die zweite mikromechanisch gefertigteIn a further advantageous embodiment of the invention, the first and the second micromechanically manufactured

Struktur unterschiedlich Schwingungsrichtungen auf.Structure different directions of vibration.

Hierdurch können Schwindungen mit unterschiedlichenThis can cause shrinkage with different

Schwingungsrichtungen detektiert werden. Durch weitere Ausgestaltung der Erfindung ist es sogar möglich, mit einem Schallemissionssensor Schwingungsrichtungen in allen drei Raumdimensionen detektieren zu können. Bei einer derartigen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Schallemissionssensor eine dritte schwingfähige Struktur auf, deren Schwingungsrichtung im Wesentlichen orthogonal sowohl zu der Schwingungsrichtung der ersten als auch zu der Schwingungsrichtung der zweiten Struktur ist. Hierdurch wird durch die Schwingungsrichtungen der ersten, zweiten und dritten schwingfähigen Struktur ein kompletter dreidimensionaler Vektorraum aufgespannt. Dies ermöglicht die Detektion von stoßförmigen Anregungen aus allen drei Raumdimensionen .Vibration directions are detected. By further embodiment of the invention, it is even possible to be able to detect vibration directions in all three spatial dimensions with a sound emission sensor. In such an advantageous embodiment of the invention, the acoustic emission sensor has a third oscillatable structure whose oscillation direction is substantially orthogonal to both the oscillation direction of the first and to the oscillation direction of the second structure. As a result, a complete three-dimensional vector space is spanned by the vibration directions of the first, second and third oscillatable structures. This enables the detection of shock-shaped excitations from all three spatial dimensions.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die ersten und zweiten Mittel als die digitale Verarbeitungseinheit ausgeführt, und das Messsystem weist einen analogen Schaltkreis zur analogen Signalaufbereitung der mit dem Schallemissionssensor gemessenen Schallemissionen auf. Derartige analoge und digitale Schaltkreise können direkt in das mikromechanische Messsystem integriert werden. Denkbar ist hierbei eine Integration als sogenanntes System-on-Chip. Durch eine Integration der analogen und digitalen elektronischen Komponenten zusammen mit dem Schallemissionssensor in einem gemeinsamen Gehäuse erhält man ein sehr kompaktes Messsystem, dessen Verdrahtungsaufwand äußerst gering gehalten wird. Hierdurch werden auch parasitäre Effekte, die eine Messung verfälschen können, weitgehend vermieden.In a further advantageous embodiment of the invention, the first and second means are designed as the digital processing unit, and the measuring system has an analog circuit for analog signal conditioning of the sound emissions measured with the acoustic emission sensor. Such analog and digital circuits can be integrated directly into the micromechanical measuring system. Conceivable here is an integration as a so-called system-on-chip. By integrating the analog and digital electronic components together with the acoustic emission sensor in a common housing, a very compact measuring system is obtained, the wiring complexity of which is kept extremely low. As a result, parasitic effects that can falsify a measurement, largely avoided.

Eine Integration der Komponenten zur analogen und digitalen Signalverarbeitung innerhalb des mikromechanischen Messsystems ist mit Hilfe moderner halbleitertechnologischer Verfahren möglich. Beispielsweise können der Schallemissionssensor und die Elektronik auf einem gemeinsamen Substrat insbesondere monolithisch integriert werden. Hierbei können beispielsweise Verfahren wie die Siliziumbulkmechanik oder die Siliziumoberflächenmikro- mechanik Verwendung finden, wenn das besagte Substrat aus Silizium besteht. Alternativ ist auch eine nicht monolithische Integration möglich, bei der die analogen und digitalen Komponenten in Form einzelner Chips auf einem gemeinsamen Substrat aus Silizium oder Keramik zusammen mit dem Schallemissionssensor angeordnet werden. Zur Verbindung der einzelnen Chips untereinander und/oder mit dem Substrat kann z.B. die Drahtbondtechnik oder alternativ die sogenannte Flip-Chip-Technologie angewendet werden. Eine derartige System on Chip Ausführung kann im Allgemeinen eine höhere Zuverlässigkeit der Messsystems erzielt werden, als dies bei herkömmlichen verdrahteten Ausführungen gegeben ist.An integration of the components for analog and digital signal processing within the micromechanical measuring system is possible with the aid of modern semiconductor technology. For example, the sound emission sensor and the electronics can be integrated on a common substrate, in particular monolithically. Here, for example, methods such as Siliciumbulkmechanik or silicon surface micro-mechanics find use, if said substrate consists of silicon. Alternatively, a non-monolithic integration is possible in which the analog and digital components are arranged in the form of individual chips on a common substrate made of silicon or ceramic together with the acoustic emission sensor. To connect the individual chips to one another and / or to the substrate, it is possible, for example, to use the wire bonding technique or alternatively the so-called flip-chip technology. Such a system on chip design can generally achieve higher reliability of the measurement system than is the case with conventional wired designs.

Weiterhin ist eine Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, bei der das mikromechanische Messsystem eine weitere schwingfähige Struktur aufweist, die eine erste Resonanzfrequenz in einem für den Menschen hörbaren Frequenzbereich aufweist. Durch die Detektion von Schwingungen im hörbaren Bereich können Schäden, die mit einer Acoustic Emission Analyse nicht oder nur schlecht detek- tierbar sind, zusätzlich erkannt werden. Ein Beispiel stellt eine Unwucht an rotierenden Teilen dar. Bereits entstandene Schäden machen sich in der Regel durch Frequenzen im hörbaren Bereich bemerkbar, während eine noch fortschreitende Schädigung Frequenzen im Ultraschallbereich emittiert. Mit einem Messsystem gemäß der genannten Ausführungsform kann zwischen bereits entstandenen Schäden und fortschreitenden Schäden unterschieden werden.Furthermore, an embodiment of the invention is advantageous in which the micromechanical measuring system has a further oscillatable structure which has a first resonant frequency in a frequency range audible to humans. By detecting vibrations in the audible range, damage that is not or only badly detectable with an acoustic emission analysis can be additionally detected. An example is an imbalance of rotating parts. Damage already caused is usually noticeable by frequencies in the audible range, while progressive damage emits frequencies in the ultrasonic range. With a measuring system according to the mentioned embodiment, a distinction can be made between damage already incurred and progressive damage.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the figures.

Es zeigen: eine erste Schallemission, die mit einem mikromechanischen Messsystem gemäß einer Ausführung der Erfindung während eines Einlernvorganges gemessen wird, auf Basis der ersten Schallemission abgeleitete Schwellwertkurven, eine erstes Beispiel für eine zweite Schallemission, einen ersten mit dem mikromechanischen Messsystem durchgeführten Prüfvorgang, eine zweites Beispiel für eine zweite Schallemission, einen zweiten mit dem mikromechanischen Messsystem durchgeführten Prüfvorgang, eine drittes Beispiel für eine dritte Schallemission, einen dritten mit dem mikromechanischen Messsystem durchgeführten Prüfvorgang, einen Schallemissionssensor mit einer ersten, senkrecht zur Waferebene schwingfähigen Struktur, einen Schallemissionssensor mit einer zweiten, parallel zur Waferebene schwingfähigen Struktur, eine schematische Darstellung eines Schallemissionssensors mit einem Array schwingfähigen Strukturen mit verschiedenen Resonanzfrequenzen, einen Frequenzgang des Schallemissionssensors mit dem Array schwingfähiger Strukturen mit verschiedenen Resonanzfrequenzen, eine schematische Darstellung eines Schallemissionssensors mit einem Array verschiedener Strukturen mit verschiedenen Schwingungsrichtungen und ein Layout eines mikromechanisch gefertigten Schallemissionssensors, FIG 15 ein mikromechanisches Messsystem als hybrid aufgebautes System,Show it: a first acoustic emission, which is measured with a micromechanical measuring system according to an embodiment of the invention during a teach-in, derived based on the first acoustic emission threshold curves, a first example of a second acoustic emission, a first performed with the micromechanical measuring system testing, a second example of a second acoustic emission, a second test carried out with the micromechanical measuring system, a third example of a third acoustic emission, a third test carried out with the micromechanical measuring system, a noise emission sensor with a first structure that can oscillate perpendicular to the wafer plane, a sound emission sensor with a second, parallel to the wafer plane oscillatory structure, a schematic representation of a sound emission sensor with an array oscillatable structures with different resonance frequencies, a frequency response of Schallemissio nssensors with the array oscillating structures with different resonance frequencies, a schematic representation of a sound emission sensor with an array of different structures with different directions of vibration and a layout of a micromechanically manufactured acoustic emission sensor, FIG. 15 shows a micromechanical measuring system as a hybrid system, FIG.

FIG 16 ein mikromechanisches Messsystem als Leiterplattenstapel und16 shows a micromechanical measuring system as a printed circuit board stack and

FIG 17 ein mikromechanisches Messsystem in Star-Flex- Leiterplattentechnik.17 shows a micromechanical measuring system in Star-Flex printed circuit board technology.

FIG 1 und 2 zeigen einen Einlernvorgang, der mit einem mikromechanischen Messsystem gemäß einer Ausführung der Erfindung durchgeführt wird. Für die Figuren 1 bis 8 wird ein Anwendungsfall des mikromechanischen Messsystems zugrunde gelegt, bei dem beispielhaft Krimpverbindungen von Metallkappen auf Keramikisolatoren geprüft werden. Bei einem solchen Vorgang ist die Stärke, mit der gekrimpt wird, für das Ergebnis von entscheidender Bedeutung. Wird zu stark gekrimpt, bricht die Keramik. Hingegen hält bei zu schwacher Krimpung die Verbindung nicht. Die Stärke der Krimpung kann durch eine Messung der bei der Krimpung entstehenden Acoustic Emission bestimmt werden. Bei einer normalen Krimpung entsteht nur ein leichter Acoustic Emission Pegel, während eine zu starke Kraft bei der Krimpung zu einem Brechen der Keramik führt, welches wiederum einen deutlich erhöhten A- coustic Emission Pegel zur Folge hat.1 and 2 show a teach-in process, which is carried out with a micromechanical measuring system according to an embodiment of the invention. FIGS. 1 to 8 are based on an application of the micromechanical measuring system in which, for example, crimp connections of metal caps to ceramic insulators are tested. In such a process, the amount of crimping is crucial to the result. If too much crimping, the ceramic breaks. On the other hand, if the crimping is too weak, the connection will not last. The strength of the crimp can be determined by measuring the acoustic emission generated during crimping. With a normal crimping, only a slight acoustic emission level is created, whereas an excessive crimping force leads to breakage of the ceramic, which in turn results in a significantly increased acoustic emission level.

Um mit dem mikromechanischen Messsystem eine derartige Krimpungsüberwachung durchführen zu können, muss das System zunächst, wie in FIG 1 und 2 gezeigt, eingelernt werden. Hierbei wird dem mikromechanischen Messsystem gelehrt, wie der Amplitudenverlauf der Acoustic Emission während einer "normalen" Krimpung verläuft. Es wird also eine Referenzkrimpung durchgeführt, bei der eine erste Schallemission 24 entsteht. Der dargestellte Pegelverlauf der ersten Schallemission 24 wird in einem Speicher des mikromechanischen Messsystems abgelegt. Anschließend wird eine Glättung der gemessenen Schallemissionskurve durchgeführt, wie in FIG 2 erkennbar ist. Basierend auf diesem geglätteten Material wird eine obere Schwellkurve 28 und eine untere Schwellkurve 32 definiert. Diese beiden Schwellkurven 28, 32 legen für nachfolgende Krimpvorgänge einen Grenzbereich fest, in dem die bei weiteren Prüfungen entstehenden Schallemissionen liegen müssen, um von dem mikromechanischen Messsystemen als "gut" bewertet zu werden.In order to be able to perform such a crimp monitoring with the micromechanical measuring system, the system must first be taught in, as shown in FIGS. 1 and 2. Here, the micromechanical measuring system is taught how the amplitude pattern of the acoustic emission during a "normal" crimping runs. Thus, a reference crimping is performed in which a first acoustic emission 24 is formed. The illustrated level profile of the first acoustic emission 24 is stored in a memory of the micromechanical measuring system. Subsequently, a smoothing of the measured acoustic emission curve is carried out, as can be seen in FIG. Based on this smoothed material becomes an upper threshold curve 28 and a lower threshold curve 32 defined. These two threshold curves 28, 32 define a limit range for subsequent crimping operations, in which the sound emissions resulting from further tests must be in order to be rated as "good" by the micromechanical measuring systems.

FIG 3 und 4 zeigen einen ersten mit dem mikromechanischen Messsystem durchgeführten Prüfvorgang, der durchgeführt wird, nachdem das besagte System wie in FIG 1 und 2 dargestellt eingelernt wurde. Während des PrüfVorgangs wird eine zweite Schallemission 25 mit Hilfe der schwingfähigen Struktur des mikromechanischen Messsystems gemessen. Von der zweiten Schallemission 25 wird zunächst eine Glättung in Form einer gleitenden Mittelwertbildung 29 durchgeführt. Es zeigt sich, dass dieser Mittelwert 29 innerhalb des durch die untere und obere Schwellkurve 28, 32 definierten Bereiches liegt und somit der Krimpvorgang als gut befunden wird.FIGS. 3 and 4 show a first test procedure carried out with the micromechanical measuring system, which is carried out after the said system has been taught in, as shown in FIGS. 1 and 2. During the test procedure, a second sound emission 25 is measured by means of the oscillatory structure of the micromechanical measuring system. Of the second sound emission 25, first a smoothing in the form of a sliding average value 29 is performed. It turns out that this mean value 29 is within the range defined by the lower and upper threshold curves 28, 32 and thus the crimping process is found to be good.

FIG 5 und 6 zeigen einen zweiten mit dem mikromechanischen Messsystem durchgeführten Prüfvorgang, bei dem die detektierte zweite Schallemission 26 einen zu niedrigen Amplitudenverlauf innerhalb des untersuchten Zeitintervalls aufweist. Auch hier wird der gemessene Schallemissionsverlauf 26 geglättet, so dass eine Mittelwertkurve 30 vorliegt. Es zeigt sich, dass der Mittelwert 30 sich unterhalb des von der unteren und oberen Schwellkurve 28, 32 definierten Korridors befindet, und daher die bei der Krimpung aufgebrachte Kraft als zu niedrig zu bewerten ist.FIGS. 5 and 6 show a second test procedure performed with the micromechanical measuring system, in which the detected second acoustic emission 26 has a too low amplitude characteristic within the examined time interval. Again, the measured acoustic emission curve 26 is smoothed, so that an average curve 30 is present. It can be seen that the mean 30 is below the corridor defined by the lower and upper threshold curves 28, 32, and therefore the force applied at crimping is considered to be too low.

FIG 6 und 7 zeigen einen dritten mit dem mikromechanischen Messsystem durchgeführten Prüfvorgang, bei dem wiederum eine weitere zweite Schallemissionskurve 27 aufgenommen wird. Auch von dieser Schallemissionskurve 27 wird der Mittelwert 31 gebildet und mit der unteren und oberen Schwellkurve 32, 28 verglichen. In diesem Fall liegt der Mittelwert 31 oberhalb des von der unteren und oberen Schwellkurve 28, 32 aufgespannten Korridors, was auf eine Zerstörung der Keramik durch zu starke Krimpung hindeutet. Entsprechend kann das mikromechanische Messsystem mit einer Warnvorrichtung ausgestattet werden, welches eine derartige Zerstörung der Keramik anzeigt .6 and 7 show a third test procedure carried out with the micromechanical measuring system, in which, in turn, a further second sound emission curve 27 is recorded. Also of this acoustic emission curve 27, the average value 31 is formed and compared with the lower and upper threshold curve 32, 28. In this Case, the average value 31 is above the corridor spanned by the lower and upper threshold curve 28, 32, which indicates destruction of the ceramic due to excessive crimping. Accordingly, the micromechanical measuring system can be equipped with a warning device, which indicates such destruction of the ceramic.

FIG 9 zeigt einen Schallemissionssensor mit einer ersten, senkrecht zur Waferebene schwingfähigen Struktur. Mittels in der Halbleitertechnik üblicher Lithographie und Ätzschritte ist aus einem ersten Wafer ein erster Chip 3 mit einer seismischen Masse 1 produziert worden, die durch Federelemente 2 beweglich gelagert ist. Dieser erste Chip 3 ist mit Hilfe von Silicon Fusion Bonding mit einem zweiten Chip 4, der auf einem zweiten Wafer gefertigt wurde, verbunden worden. Das Silicon Fusion Bonding ermöglicht es, den ersten Chip 3 und den zweiten Chip 4 zunächst auf separaten Wafern zu prozessieren und diese anschließend miteinander zu Bonden, so dass eine feste Bondverbindung 5 zwischen den beiden Halbleiterchips 3,4 entsteht. Der zweite Chip 4 ist z.B. über eine Lötverbindung auf einen Schaltungsträger 6 montiert.FIG. 9 shows a noise emission sensor with a first structure, which can be oscillated perpendicularly to the wafer plane. By means of lithography and etching steps customary in semiconductor technology, a first chip 3 having a seismic mass 1 has been produced from a first wafer and is movably supported by spring elements 2. This first chip 3 has been connected by means of silicon fusion bonding to a second chip 4 which has been produced on a second wafer. The silicon fusion bonding makes it possible to first process the first chip 3 and the second chip 4 on separate wafers and subsequently to bond them together so that a firm bond 5 is formed between the two semiconductor chips 3, 4. The second chip 4 is e.g. mounted on a circuit board 6 via a solder joint.

Die Vorzugsrichtung der dargestellten schwingfähigen Struktur liegt in diesem Fall senkrecht zur Waferebene. Man spricht hierbei auch von einer Out-of-Plane Anordnung. Bei einer Anregung senkrecht zur Waferebene wird die seismische Masse 1 relativ zu dem zweiten Wafer 4 bewegt .The preferred direction of the illustrated oscillatable structure is in this case perpendicular to the wafer plane. This is also called an out-of-plane arrangement. When excited perpendicular to the wafer plane, the seismic mass 1 is moved relative to the second wafer 4.

Die auf dem ersten und zweiten Chip gefertigten Teilstrukturen bilden eine elektrische Kapazität, deren Wert abhängig von der Auslenkung der seismischen Masse 1 gegenüber dem zweiten Chip 4 ist. Diese Kapazitätsänderung kann z.B. dadurch gemessen werden, dass auf dem ersten und zweiten Chip 3,4 metallisierte Kontakte 7 aufgebracht sind, die über Bonddrähte 8 mit dem Schaltungsträger 6 kontaktiert werden. Auf dem Schaltungsträger 6 befindet sich schließlich eine Verstärkerschaltung, mit der die durch die dynamischen Kapazitätsänderungen erzeugten Umladeströme verstärkt werden können. Weiterhin ist auf dem Schaltungsträger β eine Auswerteschaltung vorgesehen, mit der die stoßförmigen Anregungen, die den dargestellten Schallemissionssensor zum Schwingen anregen, auf Basis der gemessenen Umladeströme bestimmt werden können.The partial structures fabricated on the first and second chip form an electrical capacitance whose value is dependent on the deflection of the seismic mass 1 relative to the second chip 4. This change in capacitance can be measured, for example, by applying metallized contacts 7 on the first and second chip, which are contacted to the circuit carrier 6 via bonding wires 8. On the circuit carrier. 6 Finally, there is an amplifier circuit with which the Umladeströme generated by the dynamic capacitance changes can be amplified. Furthermore, an evaluation circuit is provided on the circuit carrier β, with which the pulse-shaped excitations, which excite the illustrated acoustic emission sensor for oscillating, can be determined on the basis of the measured charge-reversal currents.

Der Messbereich des dargestellten Schallemissionssensors liegt im Ultraschallbereich. Um dies zu gewährleisten, ist die Resonanzfreguenz der schwingungsfähigen Struktur auf den Ultraschallbereich dimensioniert worden. Eine Dimensionierung der Resonanzfrequenz kann beispielsweise durch entsprechende Gestaltung des Federelementes 2 und durch Wahl der seismischen Masse 1 erreicht werden. Je schwerer die seismische Masse 1 ist, desto niedriger ist die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Struktur.The measuring range of the illustrated acoustic emission sensor is in the ultrasonic range. To ensure this, the resonant frequency of the oscillatory structure has been dimensioned to the ultrasonic range. A dimensioning of the resonance frequency can be achieved for example by appropriate design of the spring element 2 and by selecting the seismic mass 1. The heavier the seismic mass 1, the lower the resonant frequency of the oscillatory structure.

FIG 10 zeigt einen Schallemissionssensor mit einer zweiten parallel zur Waferebene schwingfähigen Struktur. Der dargestellte Schallemissionssensor ist ebenfalls aus zwei Siliziumwafern mit Hilfe der Siliziumbulkmechanik bzw. der Siliziumoberflächenmikromechanik gefertigt worden und dient der Bestimmung stoßförmiger Anregungen im Ultraschallbereich. Hierzu ist zunächst in einem ersten Wafer eine Grube 9 geätzt worden. Anschließend wurde ein zweiter Wafer durch Silicon Fusion Bonding auf den ersten Wafer aufgebondet und auf die gewünschte Strukturhöhe abgedünnt . Im darauf folgenden Prozessschritt wurde der zweite Wafer mittels Trockenätzen (DRIE) partiell komplett durchgeätzt, so dass oberhalb der Grube 9 eine frei bewegliche seismische Masse 1 entsteht. Die Vorzugsrichtung für die Schwingung einer derartigen schwingfähigen Struktur ist parallel zur Waferebene. Eine solche Anordnung wird auch als In-Plane Anordnung bezeichnet . FIG 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Schallemissionssensors mit einem Array schwingfähiger Strukturen 11...18 mit verschiedenen Resonanzfrequenzen, wobei sämtliche Resonanzfrequenzen im Ultraschallbereich liegen. U.a. sind die jeweiligen seismischen Massen 1 der einzelnen schwingfähigen Strukturen 11...18 des Arrays schematisch dargestellt. Sämtliche schwingfähige Strukturen 11...18 sind auf einem einzelnen Siliziumchip realisiert. Durch die Wahl der seismischen Massen 1 kann die Resonanzfrequenz jeder einzelnen schwingfähigen Struktur eingestellt werden. Hierbei weist eine erste schwingfähige Struktur 11 die größte seismische Masse 1 auf und hat somit die niedrigste Resonanzfrequenz. Insgesamt weist die Struktur acht seismische Massen 1 auf, wobei die seismischen Massen von der ersten schwingfähigen Struktur 11 über eine zweite und dritte schwingfähige Struktur 12, 13 bis hin zu einer achten schwingfähigen Struktur 18 kontinuierlich abnehmen. Größere seismische Massen 1 sind hierbei durch größere Rechtecke, kleinere seismische Massen 1 durch kleinere Rechtecke dargestellt. Die Resonanzfrequenzen der einzelnen schwingfähigen Strukturen 11...18 des Arrays sind gestuft angeordnet, um einen kompletten Frequenzbereich im Ultraschallbereich abdecken zu können. Beispielsweise decken die dargestellten acht schwingfähigen Strukturen 11...18 des Arrays einen Frequenzbereich zwischen 30 und 100 kHz ab, wobei sich die einzelnen Resonanzfrequenzen um jeweils 10 kHz voneinander unterscheiden.FIG. 10 shows a noise emission sensor with a second structure which can be oscillated parallel to the wafer plane. The illustrated acoustic emission sensor has likewise been produced from two silicon wafers with the aid of silicon bulk mechanics or silicon surface micromechanics and serves to determine impulsive excitations in the ultrasonic range. For this purpose, first a pit 9 has been etched in a first wafer. Subsequently, a second wafer was bonded by silicon fusion bonding on the first wafer and thinned to the desired structural height. In the following process step, the second wafer was partially completely etched by dry etching (DRIE), so that a freely movable seismic mass 1 is formed above the pit 9. The preferred direction for the vibration of such a vibratory structure is parallel to the wafer plane. Such an arrangement is also referred to as in-plane arrangement. FIG. 11 shows a schematic illustration of a sound emission sensor with an array of oscillatable structures 11... 18 having different resonance frequencies, wherein all resonant frequencies lie in the ultrasonic range. For example, the respective seismic masses 1 of the individual oscillatable structures 11... 18 of the array are shown schematically. All oscillatable structures 11 ... 18 are realized on a single silicon chip. By selecting the seismic masses 1, the resonant frequency of each individual oscillatory structure can be adjusted. In this case, a first oscillatable structure 11 has the largest seismic mass 1 and thus has the lowest resonance frequency. Overall, the structure has eight seismic masses 1, wherein the seismic masses continuously decrease from the first oscillatable structure 11 via a second and third oscillatable structure 12, 13 up to an eighth oscillatable structure 18. Larger seismic masses 1 are represented here by larger rectangles, smaller seismic masses 1 by smaller rectangles. The resonance frequencies of the individual oscillatable structures 11... 18 of the array are arranged in a stepped manner in order to be able to cover a complete frequency range in the ultrasonic range. By way of example, the illustrated eight oscillatable structures 11... 18 of the array cover a frequency range between 30 and 100 kHz, the individual resonant frequencies differing by 10 kHz each.

FIG 12 zeigt den Frequenzgang des Schallemissionssensors mit dem Array schwingfähiger Strukturen 11...18 mit verschiedenen Resonanzfrequenzen, der in FIG 11 dargestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Güte dieser einzelnen schwingfähigen Strukturen des Arrays derart gewählt worden, dass sich ihre jeweiligen Frequenzbereiche überlappen. Auf diese Art und Weise kann ein Frequenzfenster im Ultraschallbereich nahezu kontinuierlich erfasst werden. FIG 13 zeigt eine schematische Darstellung eines Schallemissionssensors mit einem Array schwingfähiger Strukturen mit verschiedenen Schwingungsrichtungen. Beispielhaft sind hier nur zwei schwingfähige Strukturen aufgezeigt, wobei die Vorzugsrichtungen der beiden schwingfähigen Strukturen orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Mit einer derartigen Anordnung lassen sich stoß- förmige Anregungen detektieren, wobei eine Auflösung bezüglich zweier Raumdimensionen erzielt werden kann. Um schließlich auch die dritte Raumdimension abbilden zu können, ließe sich das hier dargestellte Schwingungsmesssystem durch eine weitere schwingfähige Struktur ergänzen, deren Vorzugsrichtung orthogonal zu der Schwingungsrichtung beider hier dargestellten schwingungsfähigen Strukturen ausgerichtet ist.FIG. 12 shows the frequency response of the acoustic emission sensor with the array of oscillatable structures 11... 18 with different resonance frequencies, which is shown in FIG. In this embodiment, the quality of these individual oscillatable structures of the array has been chosen such that their respective frequency ranges overlap. In this way, a frequency window in the ultrasonic range can be detected almost continuously. FIG. 13 shows a schematic representation of a sound emission sensor with an array of oscillatable structures with different vibration directions. By way of example, only two oscillatable structures are shown here, the preferred directions of the two oscillatable structures being oriented orthogonally to one another. With such an arrangement, it is possible to detect jerky excitations, wherein a resolution with respect to two spatial dimensions can be achieved. In order finally to be able to image the third spatial dimension, the vibration measuring system shown here could be supplemented by a further oscillatable structure whose preferred direction is aligned orthogonal to the direction of vibration of both oscillatory structures shown here.

FIG 14 zeigt ein Layout eines mikromechanisch gefertigten Schallemissionssensors. Es handelt sich hierbei um einen In-Plane-Schwinger, d.h. die Vorzugsrichtung der schwingfähigen Strukturen ist parallel zur Waferebene ausgerichtet. In diesem Fall umfasst der Schallemissionssensor eine kammartig ausgeführte seismische Masse 1, die an zwei Seiten zumindest teilweise in ebenfalls kammartig ausgeführte Messelektronen 10 eingreift. Die seismische Masse 1 ist an vier Federelementen 2 aufgehängt. Die Resonanzfrequenz des dargestellten Schallemissionssensors im Ultraschallbereich wird über die Lange der Federelemente 2 und das Gewicht der seismischen Masse 1 eingestellt. Auch hier erfolgt die Signalgewinnung durch Auswertung der Kapazitätsänderung zwischen der seismischen Masse 1 und den Messelektronen. Die Abmessung einer solchen schwingfähigen Struktur liegt bei etwa 500 x 500 Mikrometer.FIG. 14 shows a layout of a micromechanically produced acoustic emission sensor. This is an in-plane oscillator, i. the preferred direction of the oscillatable structures is aligned parallel to the wafer plane. In this case, the acoustic emission sensor comprises a comb-like running seismic mass 1, which engages on two sides at least partially in measuring electrons 10, which are also comb-like. The seismic mass 1 is suspended on four spring elements 2. The resonance frequency of the illustrated acoustic emission sensor in the ultrasonic range is adjusted over the length of the spring elements 2 and the weight of the seismic mass 1. Again, the signal is obtained by evaluating the capacitance change between the seismic mass 1 and the measuring electrons. The dimension of such a vibratable structure is about 500 x 500 microns.

FIG 15 zeigt ein mikromechanisches Messsystem 23 als hybrid aufgebautes System. Das Messsystem 23 umfasst einen Schallemissionssensor 19, der einer der zuvor be- schriebenen Ausführungsformen entspricht und hier nur schematisch dargestellt ist. Weiterhin weist das mikromechanische Messsystem 23 eine analoge Signalverarbeitung 20 und eine digitale Signalverarbeitung 21 auf. Alle drei genannten Komponenten 19, 20, 21 sind auf einem gemeinsamen Substrat 22, welches aus Silizium, Keramik oder Leitplattenmaterial (FR 4) bestehen kann, aufgebracht. Auf dem Substrat 22 befinden sich Kupferbahnen, mit denen der Schallemissionssensor 19 und die analoge Signalverarbeitung 20 über Bonddrähte 8 verbunden ist. Der analogen Signalverarbeitung 20, die zur Verstärkung und Filterung des vom Schallemissionssensor 19 erfassten Signals vorgesehen ist, ist schließlich noch die digitale Signalverarbeitung 21 nachgeschaltet. Eine oder mehrere zur digitalen Signalverarbeitung vorgesehene Chips sind mit Hilfe der sogenannten Flip-Chip Bonding Technologie auf das Substrat 22 aufgebracht. Die Chips der digitalen Signalverarbeitung 21 sind dabei mit ihrer e- lektrisch aktiven Seite über sogenannte Bumps 29 mit dem als Schaltungsträger dienenden Substrat 22 verbunden. Die Flip-Chip Bonding Technologie stellt eine elegante Alternative zur Drahtbondtechnologie dar, da sich mit ihr eine noch kompaktere Bauweise realisieren lässt und im Allgemeinen auch eine höhere Zuverlässigkeit und geringere Störanfälligkeit erreicht werden kann.FIG. 15 shows a micromechanical measuring system 23 as a hybrid system. The measuring system 23 comprises a sound emission sensor 19, which is one of the previously written embodiments corresponds and is shown here only schematically. Furthermore, the micromechanical measuring system 23 has an analog signal processor 20 and a digital signal processor 21. All three components 19, 20, 21 are on a common substrate 22, which may consist of silicon, ceramic or Leitplattenmaterial (FR 4) applied. On the substrate 22 are copper tracks, with which the acoustic emission sensor 19 and the analog signal processing 20 is connected via bonding wires 8. The analog signal processing 20, which is provided for amplifying and filtering the signal detected by the acoustic emission sensor 19, is finally followed by the digital signal processing 21. One or more chips provided for digital signal processing are applied to the substrate 22 by means of the so-called flip-chip bonding technology. The chips of the digital signal processing 21 are connected with their electrically active side via so-called bumps 29 to the substrate 22 serving as the circuit carrier. The flip-chip bonding technology is an elegant alternative to wire bonding technology, as it allows an even more compact design to be realized and in general, a higher reliability and lower susceptibility can be achieved.

Das dargestellte mikrosystemtechnische Messsystem kann schließlich in einem in der Mikroelektronik üblichen IC- Gehäuse gehaust werden.The illustrated microsystem measuring system can finally be housed in an IC housing customary in microelectronics.

Das dargestellte mikromechanische Messsystem stellt nur eine beispielhafte Ausführungsform für ein Schallemissi- onsmesssystem dar, welches eine integrierte Signalverarbeitung aufweist. Mikromechanische Schallaufnehmer, analoge Signalverarbeitung 20 und digitale Signalverarbeitung 21 können sowohl als diskrete Bauelemente auf diskreten Siliziumchips realisiert werden und anschließend mit Hilfe einer geeigneten Bondtechnik miteinander e- lektrisch verbunden werden als auch monolithisch auf einen einzigen Chip integriert werden.The micromechanical measuring system shown represents only one exemplary embodiment of a sound emission measuring system which has integrated signal processing. Micromechanical sound sensors, analog signal processing 20 and digital signal processing 21 can both be realized as discrete components on discrete silicon chips and then connected to one another by means of a suitable bonding technique. be connected electrically as well as monolithically integrated on a single chip.

FIG 16 zeigt ein mikromechanisches Messsystem 23 als Leiterplattenstapel. Hierbei werden ein Schallemissionssensor 19, eine analoge Signalverarbeitung 20 und eine digitale Signalverarbeitung 21 auf einzelnen Trägern implementiert, wobei die Träger zur Reduzierung des Bauvolumens übereinander gestapelt werden. Als Basismaterial für den Stapelaufbau sind Leiterplattenmaterial (FR4) oder Keramik einsetzbar.16 shows a micromechanical measuring system 23 as a printed circuit board stack. Here, a sound emission sensor 19, an analog signal processing 20 and a digital signal processing 21 are implemented on individual carriers, wherein the carriers are stacked on each other to reduce the volume. As a base material for the stack construction board material (FR4) or ceramic can be used.

FIG 17 zeigt ein mikromechanisches Messsystem 23 in Star-Flex Leiterplattentechnik. Hierbei sind ein Schallemissionssensor 19, eine analoge Signalverarbeitung 20 und eine digitale Signalverarbeitung 21 ebenfalls zur Reduzierung des Gesamtbauvolumens auf übereinander gestapelten Trägern implementiert, wobei die Star-Flex Leiterplattentechnik Anwendung findet. Die Verbindung zwischen den einzelnen funktionellen Schichten geschieht hier über flexible Leiterplatten im Gegensatz zu FIG 16, wo die Verbindung der einzelnen funktionalen Schichten über einen starren Rahmen realisiert wurde. FIG. 17 shows a micromechanical measuring system 23 in Star-Flex printed circuit board technology. Here, a sound emission sensor 19, an analog signal processor 20 and a digital signal processor 21 are also implemented to reduce the overall build volume on stacked carriers using Star-Flex printed circuit board technology. The connection between the individual functional layers is done here via flexible printed circuit boards in contrast to FIG 16, where the connection of the individual functional layers has been realized via a rigid frame.

Claims

Patentansprüche claims

1. Mikromechanisches Messsystem (23) zur Messung von Schallemissionen mit1. Micromechanical measuring system (23) for measuring sound emissions with

- einem Schallemissionssensor (19) mit mindestens einer ersten mikromechanisch gefertigten schwingfähigen Struktur, die eine erste Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist,a sound emission sensor (19) having at least one first micromechanically manufactured oscillatable structure which has a first resonant frequency in the ultrasonic range,

- ersten Mitteln zur Ableitung mindestens eines Schwellwertes aus einer ersten mit dem Schallemissionssensor- First means for deriving at least one threshold value from a first with the acoustic emission sensor

(19) gemessenen Schallemission (24),(19) measured sound emission (24),

- einem Speicher zur Speicherung des Schwellwertes und zweiten Mitteln zum Vergleich einer zweiten mit dem Schallemissionssensor (19) gemessenen Schallemission (25,26,27) mit dem Schwellwert.- A memory for storing the threshold value and second means for comparing a second with the acoustic emission sensor (19) measured sound emission (25,26,27) with the threshold value.

2. Mikromechanisches Messsystem (23) nach Anspruch 1, wobei die ersten Mittel zur Glättung des zeitlichen Verlaufes der ersten Schallemission (24) über ein Zeitintervall eingerichtet sind.2. Micromechanical measuring system (23) according to claim 1, wherein the first means for smoothing the time course of the first acoustic emission (24) are set up over a time interval.

3. Mikromechanisches Messsystem (23) nach Anspruch 1, wobei die ersten Mittel zur Bildung einer Hüllkurve für den zeitlichen Verlauf der ersten Schallemission (24) über ein Zeitintervall eingerichtet sind.3. A micromechanical measuring system (23) according to claim 1, wherein the first means for forming an envelope for the time course of the first acoustic emission (24) are set up over a time interval.

4. Mikromechanisches Messsystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei die ersten Mittel zur Ableitung einer zeitabhängigen oberen Schwellwertkurve (28) für das Zeitintervall eingerichtet sind, und die zweiten Mittel zur Detektion einer Überschreitung der oberen Schwellwertkurve (28) durch die zweite Schallemission (25,26,27) oder durch einen zeitlichen Mittelwert (29,30,31) der zweiten Schallemission (25,26,27) innerhalb des Zeitintervalls eingerichtet sind.4. A micromechanical measuring system according to claim 2 or 3, wherein the first means for deriving a time-dependent upper threshold curve (28) are arranged for the time interval, and the second means for detecting an exceeding of the upper threshold curve (28) by the second acoustic emission (25, 26, 27) or by a time average (29, 30, 31) of the second sound emission (25, 26, 27) within the time interval.

5. Mikromechanisches Messsystem nach Anspruch 4, wobei die ersten Mittel zur Ableitung einer zeitabhängigen unteren Schwellwertkurve (32) für das Zeitintervall eingerichtet sind, und die zweiten Mittel zur Detektion einer Unterschreitung der unteren Schwellwertkurve (32) durch die zweite Schallemission (25,26,27) oder durch den zeitlichen Mittelwert (29,30,31) der zweiten Schallemission (25,26,27) innerhalb des Zeitintervalls eingerichtet sind.5. Micromechanical measuring system according to claim 4, wherein the first means are arranged for deriving a time-dependent lower threshold curve (32) for the time interval, and the second means for detecting a lower threshold curve (32) is detected by the second acoustic emission (25, 26, 27) or by the time average ( 29, 30, 31) of the second sound emission (25, 26, 27) are set up within the time interval.

6. Mikromechanisches Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste schwingfähige Struktur aus einem Wafer aus halbleitendem Material gefertigt ist.6. Micromechanical measuring system according to one of the preceding claims, wherein the first oscillatable structure is made of a wafer of semiconducting material.

7. Mikromechanisches Messsystem nach Anspruch 6, wobei die erste schwingfähige Struktur mittels Silizium- Bulk-Mechanik und/oder Silizium-Oberfächen-Mikromechanik gefertigt ist.7. The micromechanical measuring system according to claim 6, wherein the first oscillatable structure is produced by means of silicon-bulk mechanics and / or silicon-surface micromechanics.

8. Mikromechanisches Messsystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei die erste schwingfähige Struktur senkrecht zur Wa- ferebene schwingfähig ist.8. A micromechanical measuring system according to claim 6 or 7, wherein the first oscillatable structure is vibratable perpendicular to the wafer plane.

9. Mikromechanisches Messsystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei die erste schwingfähige Struktur parallel zur Wa- ferebene schwingfähig ist.9. micromechanical measuring system according to claim 6 or 7, wherein the first oscillatory structure is vibratable parallel to the Wafer level.

10. Mikromechanisches Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schallemissionssensor (19) dritte Mittel zur Bestimmung der Schallemission auf Basis einer Messung der zeitabhängigen elektrischen Kapazität der ersten schwingfähigen Struktur in einem durch die Schallemission angeregten Zustand aufweist.10. Micromechanical measuring system according to one of the preceding claims, wherein the acoustic emission sensor (19) has third means for determining the acoustic emission based on a measurement of the time-dependent electrical capacitance of the first oscillatory structure in an excited by the acoustic emission state.

11.Mikromechanisches Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schallemissionssensor (19) mindestens eine zweite mikromechanisch gefertigte schwingfähige Struktur mit einer zweiten Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist .11.Mikromechanisches measuring system according to any one of the preceding claims, wherein the acoustic emission sensor (19) has at least one second micromechanically manufactured oscillatable structure with a second resonant frequency in the ultrasonic range.

12. Mikromechanisches Messsystem nach Anspruch 11, wobei die erste schwingfähige Struktur einen ersten Messbereich aufweist, der sich mit einem zweiten Messbereich der zweiten schwingfähigen Struktur teilweise ü- berlappt .12. The micromechanical measuring system according to claim 11, wherein the first oscillatable structure has a first measuring range, which partially overlaps with a second measuring range of the second oscillatable structure.

13. Mikromechanisches Messsystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei die erste und die zweite mikromechanisch gefertigte Struktur unterschiedlich Schwingungsrichtungen aufweisen.13. A micromechanical measuring system according to claim 11 or 12, wherein the first and the second micromechanically fabricated structure have different directions of vibration.

14. Mikromechanisches Messsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Schallemissionssensor (19) eine dritte schwingfähige Struktur aufweist, deren Schwingungsrichtung im Wesentlichen orthogonal sowohl zu der Schwingungsrichtung der ersten als auch zu der Schwingungsrichtung der zweiten Struktur ist.14. The micromechanical measuring system according to claim 11, wherein the acoustic emission sensor comprises a third oscillatable structure whose oscillation direction is substantially orthogonal to both the oscillation direction of the first and the oscillation direction of the second structure.

15. Mikromechanisches Messsystem (23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Mittel als digitale Verarbeitungseinheit ausgeführt sind und das Messsystem einen analogen Schaltkreis zur analogen Signalaufbereitung der mit dem Schallemissionssensor (19) gemessenen Schallemissionen aufweist.15. A micromechanical measuring system (23) according to any one of the preceding claims, wherein the first and second means are designed as a digital processing unit and the measuring system has an analog circuit for analog signal conditioning of the sound emissions measured by the acoustic emission sensor (19).

16. Mikromechanisches Messsystem (23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer weiteren schwingfähigen Struktur, die eine erste Resonanzfrequenz in einem für den Menschen hörbaren Frequenzbereich aufweist. 16. Micromechanical measuring system (23) according to one of the preceding claims with a further oscillatable structure having a first resonant frequency in a frequency range audible to humans.

17. Verfahren zur Überwachung von Schallemissionen mit folgenden Verfahrensschritten, die mit einem mikromechanischen Messsystem durchgeführt werden:17. A method for monitoring sound emissions with the following method steps, which are carried out with a micromechanical measuring system:

- Messen einer ersten Schallemission (24) mit einem Schallemissionssensor (19) mit mindestens einer ersten mikromechanisch gefertigten schwingfähigen Struktur, die eine erste Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist,Measuring a first acoustic emission (24) with a sound emission sensor (19) having at least one first micromechanically produced oscillatable structure which has a first resonance frequency in the ultrasonic range,

- Ableiten mindestens eines Schwellwertes aus der ersten mit dem Schallemissionssensor (19) gemessenen Schallemission [2A) ,Deriving at least one threshold value from the first sound emission [2A] measured with the acoustic emission sensor (19),

Speichern des Schwellwertes,Saving the threshold,

- Messen einer zweiten Schallemission (25,26,27) mit dem Schallemissionssensor (19) undMeasuring a second sound emission (25, 26, 27) with the sound emission sensor (19) and

- Vergleichen der zweiten Schallemission (25,26,27) mit dem Grenzwert. - Comparing the second sound emission (25,26,27) with the limit.