Profilscanner für Strukturen mit großem Aspektverhältnis

Der Profilscanner der PTB ermöglicht präzise und rückführbare Messungen an Mikrobauteilen mit steilen und tiefen Strukturen. Mikrokomponenten enthalten oft steile und gleichzeitig tiefe Strukturen, die für konventionelle Tastschnittgeräte, optische Mikroskope und Rasterkraftmikroskope nicht oder nur schwer zugänglich sind.

Neben geometrischen Abmessungen ist auch die Rauheit derartiger Oberflächen von großem Interesse. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hat nun einen taktilen Oberflächenscanner entwickelt, der rückführbare dimensionelle Messungen an und in Strukturen mit hohem Aspektverhältnis wie z.B. in Düsen ermöglicht. Zu sehen gibt es die Neuheit vom 8. bis 11. Mai auf der CONTROL 2012 in Stuttgart, Halle 1, Stand 1313.

Mikrobauteile, die bei geringer Breite sehr steile und tiefe Strukturen besitzen, finden sich beispielsweise in Dieseleinspritzdüsen oder Mikrooptiken. Für herkömmliche Messverfahren waren diese Strukturen bisher nicht zugänglich. Der neu entwickelte Profilscanner der PTB eröffnet auf diesem Gebiet neue Möglichkeiten. Seine Schlüssel¬komponente ist ein langer Siliziumbiegebalken mit integrierter Spitze und piezoresistiver Messbrücke zur Detektion der Auslenkung. Der feine Taster kann in Mikrolöcher oder -kanäle mit Durchmessern von nur 40 µm bis in Tiefen von bis zu 1,5 mm eintauchen. Bei weichen Oberflächen lässt sich die Antastkraft der Tastspitze bis auf Werte von 1 µN herunterregeln.

Der Messkopf des Gerätes enthält neben dem Mikrosensor drei senkrecht zueinander angeordnete Laserinterferometer mit 1 nm Auflösung zur Gewährleistung der direkten Rückführbarkeit der Messungen auf die SI-Einheit Meter. Die Messstrahlen der Inter-ferometer schneiden sich auf der Tastspitze des Sensors in einem Punkt, um nahezu abbe-fehlerfreie Messungen zu gewährleisten.

Der taktile Mikrosensor ist an einem 3D-Piezotisch befestigt und kann über einen Positionierbereich von 800 µm × 800 µm × 250 µm verfahren werden. Ein Vorteil des Mikrosensors liegt in seinem geringen Gewicht, das sehr hohe Verfahrgeschwindigkeiten und damit kurze Messzeiten erlaubt. In Experimenten an technischen Oberflächen wurden in der PTB Mikrosensoren mit Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 1 mm/s erfolgreich getestet. Dabei hat sich der Sensor auch als sehr robust erwiesen.

Die Mess- und Steuersoftware des Gerätes (LabWindowsTM) erlaubt eine einfache Bedienung des Gerätes. Der gesamte Oberflächenscanner bietet einen Grob¬positionierbereich von 12,5 mm × 12,5 mm x 12 mm, einen Rotationsbereich von 360 ° und die Möglichkeit, sehr große Messobjekte von bis zu 80 mm × 100 mm × 100 mm zu messen.

Der Sensor wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Halbleitertechnologie (IHT) der TU Braunschweig und dem Forschungs¬institut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH (CiS) in Erfurt entwickelt. Zur Verfügung stehen Sensoren verschiedener Längen (1,5 mm, 3 mm, 5 mm) und Breiten (30 µm, 100 µm, 200 µm) bei Spitzenhöhen von bis zu 70 µm und einem Rauschen von 4 nm in einer Bandbreite von 1 kHz.

if/ptb

Ansprechpartner:
Dr. Uwe Brand, Fachbereich 5.1 Oberflächenmesstechnik,
Tel. (0531) 592-5111, E-Mail: uwe.brand@ptb.de

Auf der CONTROL 2012:
Dr. Min Xu, Arbeitsgruppe 5.11 Nanokraftmesstechnik für taktile Sensoren,
Halle 1, Stand 1313, Standtelefon: (0151) 1613-2773, E-Mail: min.xu@ptb.de