Kalibrierung der Biegesteifigkeit von AFM-Cantilevern mit MEMS-Referenzfederaktoren

Im Rahmen des EU-Verbundprojektes (EMRP) MechProNO wurde eine rückführbare Methode zur Kalibrierung der Biegesteifigkeit von AFM Cantilevern basierend auf Mikro-Elektro-Mechanischen Systemen (MEMS) entwickelt [1]. Mit Hilfe der federnd gelagerten MEMS-Aktoren werden die AFM-Cantileverspitzen angehoben und wieder abgesenkt. Die Biegesteifigkeit der AFM-Cantilever ergibt sich aus dem Verhältnis der Steigungen (Bild 1) der vom MEMS gemessenen Kraft-Auslenkungskurven vor (Parameter k1 im Bild 1) und nach Kontakt (Parameter k2 im Bild 1) von MEMS und AFM-Spitze und der Steifigkeit des MEMS-Aktors. Die MEMS-Steifigkeit wurde mit Hilfe der Mikrokraftmesseinrichtung der PTB, die aus einer kapazitiven Nanopositioniereinrichtung und einer kalibrierten und sehr präzisen Kompensationswaage (Sartorius SE2) besteht [2], bestimmt.


Bild 1: Gemessene Auslenkungs-Kraft-Kurve während der Kalibrierung der Biegesteifigkeit eines AFM-Cantilevers k_cantilever mit der MEMS-Biegesteifigkeitsmesseinrichtung (k₁, k₂: Steigungen, k_MEMS: Steifigkeit MEMS)

Zur Überprüfung dieser neuen Kalibriermethode wurden Vergleichsmessungen mit kommerziell erhältlichen, kalibrierten AFM-Cantilevern durchgeführt. Drei Arten von AFM-Cantilevern wurden hierfür von der Nanoworld Services GmbH zur Verfügung gestellt. NanoWorld verwendet zur Kalibrierung eine verbesserte “Thermal Noise“-Methode [3] und gibt für die gemessenen Steifigkeiten eine relative Unsicherheit von 10% an [4].

Tabelle 1: Biegesteifigkeiten von AFM-Cantilevern gemessen mit dem PTB MEMS-Verfahren, der PTB Mikrokraftmesseinrichtung und der verbesserten thermischen Rauschmethode von Nanoworld 

Die Biegesteifigkeit dieser AFM-Cantilever wurde mit der neuen MEMS basierten aktiven Referenzfedermethode gemessen. Stichprobenartig wurden darüber hinaus zwei Cantilever mit der Mikrokraftmesseinrichtung der PTB kalibriert. Die Messunsicherheit der neuen MEMS-Methode beträgt 7%, die der Mikrokraftmesseinrichtung nur 4%.

Alle Kalibrierergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Abweichung der mit der neuen MEMS-Messeinrichtung bestimmten Steifigkeiten von den mit der Mikrokraftmesseinrichtung bestimmten Werten ist kleiner 4%. Aber auch die mittlere Abweichung der NanoWorld Werte beträgt nur +6,9% und bestätigt damit die von NanoWorld angegebene Messunsicherheit.

Mit der neuen MEMS-Biegesteifigkeits-Messeinrichtung sind zukünftig einfachere Kalibrierungen der Biegesteifigkeit k von AFM-Cantilevern in einem Bereich von 0,05 N/m < k < 100 N/m mit einer Unsicherheit von 7% möglich.

Literatur
[1] S. Gao, Z. Zhang, Y. Wu, und K. Herrmann, „Towards quantitative determination of the spring constant of a scanning force microscope cantilever with a microelectromechanical nano-force actuator“, Meas. Sci. Technol. 21 (2010) 015103
[2] M.-S. Kim, J. R. Pratt, U. Brand, und C. W. Jones, „Report on the first international comparison of small force facilities: a pilot study at the micronewton level“, Metrologia 49 (2012) 70.
[3] W. Engl und T. Sulzbach, „Force constant determination of AFM cantilevers with calibrated thermal tune method“, gehalten auf der EUSPEN european society for precision engineering & nanotechnology, Stockholm, 2012, 292 – 296.
[4] NANOSENSORSTM, „Special Developments List – Quick Overview of Possible Customized Solutions“. [Online]. Verfügbar unter: www.nanosensors.com/pdf/SpecialDevelopmentsList.pdf. [Zugegriffen: 25-Juni-2015].