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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Multifunktionale MEMS-Picoindenter Messplattform für Energy-Harvesting Anwendungen

12.07.2023

Energy-Harvesting, die Gewinnung von elektrischer Energie aus der Umgebung, ermöglicht den Betrieb dezentraler Geräte ohne Batterien oder Anbindung ans Stromnetz. Die Versorgung entlegener Gebiete ist damit genauso möglich wie die Unterstützung städtischer Stromnetze durch die Versorgung mit dezentral gewonnener, erneuerbarer Energie.

Die Steigerung der Effizienz, d. h. die gewonnene Energiemenge pro Fläche solcher Geräte ist dabei ein zentrales Forschungsthema. Nanostrukturierte Oberflächen wie zum Beispiel Nanodrähte können die aktive Fläche vergrößern und stellen somit einen vielversprechenden Ansatz zur Verbesserung der Effizienz dar, führen aber gleichzeitig zu Herausforderungen für die großtechnische Produktion, Qualitätssicherung und Charakterisierung solcher Strukturen.

Um dabei zu helfen diese Herausforderung zu meistern und Einblicke in den Produktionsprozess bzw. den Einfluss von einzelnen Parametern auf den Herstellungsprozess zu gewinnen, wurde in der PTB im Rahmen des zurzeit laufenden EMPIR Projektes 19ENG05 NanoWires eine multifunktionale Messplattform mit einem mikroelektromechanischen System (MEMS) als zentrales Sensorelement entwickelt. Die Zielsetzung ist dabei die Messung von topographischen, nanomechanischen und elektrischen Parametern solcher Strukturen mit hohem Messdurchsatz.

Abbildung 1 zeigt das entwickelte Messgerät bestehend aus einer Basispositioniervorrichtung eines kommerziellen Härtemessgerätes, welche durch einen schnellen 3-achsigen Piezotisch zur Durchführung des Oberflächenscans ergänzt wurde. Ein selbst entwickelter MEMS-Messkopf mit ebenfalls selbst aufgebauter kapazitiver Ausleseelektronik erlaubt durch eine innovative Klemmhalterung für AFM-Cantilever am MEMS den Einsatz einer Vielzahl kommerziell erhältlicher AFM-Messspitzen in Verbindung mit der herausragenden Linearität und einachsigen Bewegungsführung des MEMS. Damit ist das Messsystem in besonderer Weise für nanomechanische Messungen geeignet und kann mittels leitfähiger Spitzen auch nanoelektrische Untersuchungen durchführen. Durch ein modulares Softwareframework (vgl. Abb. 2a) können Systemkomponenten flexibel getauscht oder hinzugefügt werden. Dadurch wird die Anpassung des Systems an die Messaufgabe erleichtert. Erste Messungen (vgl. Abb. 2b) zeigen, dass das Gerät in der Lage ist, projektrelevante Strukturen zu scannen.

Fotografie des entwickelten MEMS-Picoindenter Messgerätes, dominiert durch die Basispositioniereinrichtung eines kommerziellen Härtemessgerätes, ergänzt mit Piezotisch und MEMS Messkopf. Detailansichts-Fotografie des MEMS-Picoindenter-Messkopfes und Piezo Scanners.
Abb. 1: a) Das entwickelte Messgerät mit b) Detailansicht des MEMS-Messkopfes

Schaubild der nachrichtenbasierten Kommunikation im Baum von Aktoren, adressiert anhand deren Bezeichnung und ihrer Position im Baum. Grafische Darstellung der Scandaten eines Mikropillars, welche deutlich die Struktur des Pillars zeigt.
Abb. 2: a) Modulare nachrichtenbasierte Software-Architektur und b) Scan einer Mikrosäule

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