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
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.
Bild 2: Mikrokraftmesseinrichtung
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.
Kalibrierung von Nanokräften
Zur Erprobung eines neuen elektrostatischen Nanokraftmessprinzips basierend auf einem Scheibenpendel zwischen zwei äußeren Elektroden und interferometrischer Auslenkungsdetektion wurde eine Prototyp-Messeinrichtung aufgebaut und erste Messungen durchgeführt. Wesentliche Eigenschaften dieses Prinzips sind elektrostatische Steifigkeitsreduktion und die elektrostatische Auslenkungskompensation des Scheibenpendels. Die Steifigkeitsreduktion des Pendels ist für die Erzielung einer geringen Messunsicherheit unerlässlich.
Bild 3: Prototyp-Messeinrichtung zur Prüfung eines neuen elektrostatischen Nanokraftmessprinzips
1: Basisplatte,
2: Aluminiumscheibenpendel,
3, 4: äußere Aluminiumelektroden,
5: dünner Wolframdraht,
6: Rahmen an Basisplatte befestigt,
7, 8: elektrische Isolationsschicht,
9: Permanentmagnete,
10: Bronzeplatte (9 und 10 sind die Wirbelstrombremse),
11: Laserstrahl,
12: Linse
Auf 11 und 12: einwirkende Kraft: < 10-10 N (5 mW Laserleistung, HeNe-Laser l = 633 nm), Pendellänge ℓ = 0,2 m, Abstände zwischen den Kondensatorflächen d1 = d2 = 10-4 m
Der Messaufbau ist in Bild 3 skizziert. Die an zwei Wolframdrähten aufgehängte Al-Scheibe (2) der Masse 4 g befindet sich zwischen zwei Ringelektroden (3, 4).
In ersten Experimenten gelang durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Ringelektroden und der Scheibe eine Steifigkeitreduktion von 0,1 N/m auf 0,007 N/m.
Die Hauptstörgröße der neuen Nanokraftmesseinrichtung stellt das seismische Rauschen dar. Um diesen Einfluss zu reduzieren, wurden zwei identische Scheibenpendel verwendet, ein Messpendel und ein Referenzpendel. Das Referenzpendel dient der Messung und Elimination der seismischen Schwankungen und der thermischen Drift. Der gesamte Aufbau steht auf einem pneumatisch gedämpften optischen Tisch mit aktiver Neigungsstabilisierung. Als Stellelement der Regelung fungiert ein großes Pendel (m = 200 kg), das mit Hilfe einer Nanopositioniereinrichtung ausgelenkt werden kann. Ohne Neigungsstabilisierung beträgt die Schwankung des Tisches in Pendelrichtung 1× 10-6 rad/h, mit Neigungsstabilisierung reduziert sich dieser Wert auf 1× 10-8 rad/h. Dieser Wert ist für die Messung von Nanokräften ausreichend.
Eine erste Kraftmessung mit Steifigkeitsreduktion auf 0,007 N/m zur Ermittlung der Auflösung wurde durchgeführt. Bei einer Messdauer von 100 s war die Kraftauflösung < 0,1 nN. Damit ist ein erster Leistungsnachweis dieses Messprinzips erbracht.
Ein verbesserter Aufbau im Vakuum ist in Vorbereitung. Ziel ist die Kalibrierung von Kräften im Bereich ≤ 10 nN mit 0,1 pN Auflösung und einer relativen Unsicherheit von 10-3 bei 1nN.
© Physikalisch-Technische Bundesanstalt, letzte Änderung: 2012-09-12,
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