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MEMS-Pikoindenter mit austauschbarem AFM-Cantilever als Indenter für Mikro- und Nanomaterialien

27.02.2017

Im Rahmen des EMPIR-Projektes "Metrologie für die längenskalierte Entwicklung von Werkstoffen" (Strength-ABLE) wurde ein MEMS-Picoindenter entwickelt, der die messtechnische Lücke zwischen Nanoindentationsgeräten und rasterkraftmikroskopbasierten nanomechanischen Messsystemen überbrücken soll. Der MEMS-Picoindenter verwendet einen bidirektionalen elektrostatischen Kammantrieb (s. Abb. 1) für die Kraft- und Wegmessung mit einer Auflösung von 9 nN bzw. 0,2 nm. Die Steifigkeit und die Resonanzfrequenz des MEMS-Picoindenters betragen 45 N/m bzw. 3,3 kHz. Mit diesen Sensoren sind daher nicht nur quasi-statische, sondern auch dynamische Materialprüfungen möglich.

Eines der herausragenden Merkmale dieses neu gestalteten Picoindenters ist ein Halter zur Befestigung von AFM-Cantilevern als Indenter (s. Abb. 2). Er ermöglicht die Verwendung von handelsüblichen AFM-Sonden als Indenter für Nanomaterialuntersuchungen.

Abb. 1 Schema des MEMS-Picoindenters mit
austauschbaren AFM Cantilevern als Indenter
Abb. 2 Prototyp eines MEMS-Picoindenters


Die MEMS-Picoindenter werden am Zentrum für Mikrotechnologien der Technischen Universität Chemnitz mit Hilfe von Silizium Mikrotechnologie hergestellt [1]. Der passive Greifer, der zum Greifen eines AFM-Cantilevers ausgelegt ist, ist in Abb. 2 dargestellt.

Mit der Mikrokraftmesseinrichtung der PTB [1] wurde die Aufhängesteifigkeit des MEMS-Picoindenters, die den verfügbaren Kraftbereich bestimmt, gemessen. Ein konischer Diamanttaststift mit einem Spitzenradius von 5 µm wurde verwendet, um die Steifigkeit des MEMS-Schaftes zu messen (s. Abb. 3a). Eine typische Kalibrierkurve ist in Abb. 3b dargestellt. Sie zeigt, dass die Nichtlinearität des MEMS-Picoindenters über den Kraftbereich von 300 µN kleiner als 5⋅10-4 ist.

(a) Antastung des MEMS-Picoindenters mit
einem Taststiftes mit 5 µm Radius
(b) Typische gemessene Kraft-Auslenkungs-
kurve (Steigung = Steifigkeit)

Abb. 3 Steifigkeitsmessung eines MEMS-Picoindenters mit der Mikrokraftmesseinrichtung der PTB

Für das Einsetzen der AFM-Cantilever in den MEMS-Picoindenter wurde eine Montageplattform speziell für Mikro-Cantilever entwickelt. Sie besteht aus einem Mikroskop mit großem Arbeitsabstand zur optischen Steuerung des Montagevorgangs. Zur Befestigung des AFM-Cantilevers am MEMS-Picoindenter wird ein sechsachsiges Mikropositioniersystem verwendet. Zunächst wird mit diesem System der Cantilever in die Klemmhalterung gefahren, anschließend fixieren zwei Klemmzylinder die Klemmhalterung und der Cantilever wird vom Träger-Chip gebrochen (s. Video 1 ).

Ist die AFM-Indenterspitze verschlissen, kann sie ausgetauscht werden. Dazu wird ein Träger-Chip ohne Cantilever mit einem Klebetropfen versehen und in Kontakt mit dem geklemmten AFM-Cantilever gebracht. Nachdem der Kleber ausgehärtet ist, kann mit Hilfe des Träger-Chips der Cantilever aus der Klemmhalterung entfernt werden (s. Video 2 ).

Video 1 Montage eines AFM-Cantilevers als
Indenter in einen MEMS-Picoindenter
Video 2 Demontage eines Cantilever-
Indenters vom MEMS Picoindenter

Der MEMS-Picoindenter mit geklemmter AFM-Diamantspitze soll jetzt zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften dünner Schichten mittels der Nanoindentationstechnik nach ISO 14577 eingesetzt werden.


Literatur


[1] U. Brand, S. Gao, Lutz Doering, Zhi Li, Min Xu, Sebastian Buetefisch, Erwin Peiner, Joachim Fruehauf, Karla Hiller, „Smart sensors and calibration standards for high precision metrology“, 2015, Proc. SPIE 9517, 95170V–95170V–10.
[2] Uwe Brand, Sai Gao, Wolfgang Engl, Thomas Sulzbach, Stefan W Stahl, Lukas F Milles, Vladimir Nesterov and Zhi Li: "Comparing AFM cantilever stiffness measured using the thermal vibration and the improved thermal vibration methods with that of an SI traceable method based on MEMS", Meas. Sci. Technol. 28 (2017) 034010 (12pp)