Logo PTB

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.