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Kleinste Oberflächensensoren mittels MEMS-Technik
Archiv | 07.05.2011 | Wie rau, wie eben, wie hart, wie verformbar? Exakte Oberflächenmesstechnik ist in vielen Bereichen der Forschung und Produktion von großer Bedeutung. Vor allem in der Mikrosystemtechnik und der Nanotechnologie müssen geometrische Maße und Oberflächeneigenschaften mit hoher Genauigkeit erfasst werden. Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben ein ganzes Portfolio an MEMS-basierten Oberflächenmessgeräten entwickelt, mit denen sich kleinste Weglängenänderungen und Kräfte auf einfache Weise messen lassen.
MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)
werden heutzutage millionenfach eingesetzt, zum Beispiel im
Automobilbau. Jetzt werden diese MEMS erstmals auch für
Ultrapräzisionssensorik genutzt.
Bei der Präzisionsfertigung kleiner Bauteile und der Kontrolle von
Produktionsabläufen können schon kleinste Abweichungen von den
zulässigen Werten zu Störungen, Funktionsausfall oder sogar Schädigungen
führen. Für eine bessere Qualitätssicherung hat die PTB rückführbare
Messtechniken für Oberflächenkenngrößen wie Härte, Schichtdicke und
Rauheit entwickelt. Zu den auf der Messe Sensor + Test 2011
präsentierten Verfahren gehören unter anderem:
Nanoindentor zur Härtemessung mikroskopisch dünner Schichten
Dieser MEMS-basierte Nanoindentor ermöglicht die gleichzeitige Messung
von Eindringtiefe und Eindringkraft. Ein nachfolgendes Abtasten des
Indentationseindrucks entfällt und spart Zeit. Aufgrund der Kompaktheit
und der Möglichkeit zur präzisen Massenfertigung ist auch ein Einsatz
einer großen Zahl von parallel angeordneten Sensoren möglich. Das Gerät
wird vor allem zur Bestimmung der elastisch-plastischen Eigenschaften
von ultradünnen Schichten mit einer Dicke zwischen 10 nm und 1 µm
eingesetzt, die in der Optik, in der Mikroelektronik oder bei der
Fertigung von Mikrosystemteilen eine wesentliche Rolle spielen. Ferner
sind auch Messungen an Zellmembranen möglich. Die wesentliche Komponente
der Krafterzeugung ist ein elektrostatischer Kammantriebsaktuator, der
die erforderliche Prüfkraft mit einer hohen Auflösung von 1 nN
realisiert. Gleichzeitig erlaubt das System hinsichtlich der
Eindringtiefe eine Auflösung im Subnanometerbereich. Das Verfahren
befindet sich bei der PTB im Einsatz, ein Patent wurde erteilt.
Mikro-SPM-Matrix
Rastersondenmikroskope (SPM = scanning probe microscopes) werden für
höchstauflösende Messungen an Mikro- und Nanostrukturen auf Oberflächen
eingesetzt. Vielfach rastert dabei nur eine einzige feine Spitze an
einem Cantilever die feinen Strukturen ab. Bei großen Oberflächen ist
das sehr zeitaufwendig. Die von der PTB entwickelte, MEMS-basierte
Methode schafft günstige Voraussetzungen für den Einsatz von parallel
arbeitenden Cantileverspitzen in einem Multi-SPM-Kopf, denn die
Mikro-SPM-Matrix kommt ohne Laserdioden als Strahlquelle und Photodioden
als optische Detektoren für die Detektion der Cantileverauslenkung aus.
Stattdessen wird für die Nachführungsmessung im SPM-Modus die mit MEMS
mögliche, kapazitive Messtechnik genutzt. Anwendungen der
Mikro-SPM-Matrix sind in unterschiedlichen Bereichen möglich, so z. B.
bei Messungen an technischen Oberflächen, um eine Vielzahl von
notwendigen Daten simultan, hochaufgelöst und in kürzerer Zeit als sonst
üblich zu erfassen.
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