Logo PTB
Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Nanokraftmesstechnik für taktile Sensoren

Arbeitsgruppe 5.11

Kalibrierung von Mikrokräften

Zur Kalibrierung der Biegesteifigkeit von Mikrokraftsensoren bzw. Mikrokraftnormalen wurde eine Mikrokraftmesseinrichtung basierend auf einer Kompensationswaage (Sartorius SC2: Messbereich 20 mN, 1 nN Auflösung, 2,5 nN Reproduzierbarkeit, 9 nN Linearitätsabweichung, 0,1µN Unsicherheit) und einem Präzisionslinearversteller (PIFOC: 80 µm Verfahrweg, 1 nm Auflösung) entwickelt.

Bild 1: Prinzip der Kraftmesseinrichtung auf Basis einer Kompensationswaage
Bild 2: Mikrokraftmesseinrichtung
Bild 1: Prinzip der Kraftmesseinrichtung auf Basis einer Kompensationswaage
Bild 2: Mikrokraftmesseinrichtung

 

Verfügt das zu kalibrierende Normal über eine eigene Antastspitze wird diese zur Antastung der Waagschale verwendet. Gleichzeitig werden die Auslenkung z des Normals und die dazu benötigte Kraft F gemessen. Die Position der Waagschale bleibt bei der verwendeten Kompensationswaage während der Kalibrierung konstant, d. h. die Verschiebung des Normals z entspricht der Auslenkung des zu kalibrierenden Normals. Die Biegesteifigkeit k berechnet sich als Quotient der Kraft F und Auslenkung z.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Kraftmesseinrichtung ist ihre Rückführung auf die SI-Einheiten mit Hilfe von Massenormalen. Die erreichbaren Unsicherheiten von Massenormalen sind gerade für kleine Massen unzureichend. Eine typische Messunsicherheit für eine Masse von 1 mg beträgt 20 µg. Die dieser Masse entsprechende Gravitationskraft ist daher mit einer Unsicherheit von 200 nN behaftet.