13.07.2011

Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Kleinste Oberflächensensoren mittels MEMS

Mikro- und Nanokraftsensoren auf der Sensor + Test 2011 in Nürnberg

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. Zu sehen sind die MEMS-basierten Oberflächenmessgeräte vom 7. bis 9. Juni auf der Nürnberger Messe Sensor + Test 2011 in Halle 12, Stand 376.

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.

Quelle: