Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt
Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Präzise Messung von Klebstoffspalten mittels abbildender Interferometrie

24.02.2023

Klebstoffe werden häufig zum Verbinden optischer Komponenten wie Spiegel oder Linsen in hochpräzisen Anwendungen verwendet. Da die Anforderungen an die zeitliche Stabilität dieser Verbindungen sehr hoch sind, stellt sich die Frage nach geeigneten Methoden, mit denen Änderungen der Klebespaltdicke im Sub-nm-Bereich gemessen werden können. Von besonderem Interesse ist hierbei die Tatsache, dass Klebestoffe effektiv Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen bzw. im Vakuum wieder abgeben, was zu einer Ausdehnung bzw. Schrumpfung führt. Auch hier ist die Temperatur ein wichtiger Parameter und es kann auch davon ausgegangen werden, dass sich Verbunde mit Klebstoff anders verhalten als ein alleinstehendes Klebeartefakt. Im Rahmen einer Industriekooperationen wurde eine Methode entwickelt, die geeignet ist, die Dicke von Klebespalten sehr genau über einen langen Zeitraum zu messen. Das Verfahren basiert auf der Idee, die absolute Länge einer Probe inklusive Klebespalt, ähnlich einem Endmaß, mittels abbildender Interferometrie zu messen. Im Gegensatz zur Endmaßmessung steht der Prüfling jedoch nicht in direktem Kontakt mit einer Endplatte, sondern wird mittels eines Klebers verbunden dessen Dicke ca. 0,1 mm beträgt.

Um eine möglichst genaue Messung von Dickenänderungen des Klebespalts zu ermöglichen, müssen Längenänderungen der Probe selbst möglichst geringgehalten werden. Daher wurde die Länge der herzustellenden Proben mit 10 mm relativ kurzgehalten und als Material ULE verwendet, das bei 20 °C einen sehr kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist. Um die Längen der Probesubstrate vor der Verklebung genau messen zu können, aber auch den entsprechenden Einfluss von Luftfeuchtigkeit und Temperatur untersuchen zu können, wurden die Prüfkörper so gefertigt, dass ihre Stirnflächen möglichst parallel und eben waren wie bei Endmaßen. Auf die Messflächen der Proben und Endplatten wurde eine dünne Aluminiumschicht aufgedampft. Abbildung 1 zeigt eine solche Anordnung eingebaut in das Präzisionsinterferometer der PTB [1].

Abb. 1:
Oben: Eine ULE-Probe eingebaut in das Präzisionsinterferometer der PTB.
Unten: Beispiel für eine resultierende Phasentopographie für die verwendete Wellenlänge 532 nm. Es wurden 9 Bereiche definiert, die zur Berechnung fraktioneller Interferenzordnungen verwendet werden, aus denen die Länge der Probe bestimmt wird.
Die Skala zeigt die jeweilige Interferenzordnung an (1 entspricht einer halben Wellenlänge).

Messungen ohne Klebung, also Messungen, bei denen die Probe durch Ansprengen direkt mit der Endplatte verbunden wurde, wurden im Präzisionsinterferometer durchgeführt, um mögliche Störeffekte zu erkennen und letztlich nachzuweisen, dass die später an Kleb-Proben gemessenen Längenänderungen tatsächlich auf das Verhalten des Klebespaltes zurückzuführen sind. Dazu gehörten zum einen wiederholte Messungen bei 20 °C im Vakuum über einen Zeitraum von etwa 4 Jahren. Andererseits wurden Messungen im Vakuum plus Wasserdampf [2] an Proben ohne Klebung durchgeführt.

Tatsächlich zeigten diese Messungen, bei denen auch die Temperatur variiert wurde, dass der Einfluss der Längenmessung auf die reine Probe deutlich innerhalb von 0,1 nm liegt. Somit sind alle gemessenen Längenänderungen der geklebten Proben auf eine Änderung der Klebespaltdicke zurückzuführen. Bei der Herstellung der Kleb-Proben war es wichtig, dass deren Frontfläche sehr gut parallel zur Endplatte verläuft. Zu diesem Zweck wurde ein spezieller Aufbau entwickelt, der ein Autokollimationsteleskop beinhaltet. Mehrere mit unterschiedlichen Klebstoffen präparierte Proben wurden über einen Zeitraum von mehr als 3 Jahren mit Hilfe des PTB-Präzisionsinterferometers untersucht. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für das Langzeitverhalten eines Klebespalts für den Klebstoff Scotch-Weld DP-460EG.

Abb. 2:
Verlauf der gemessenen Klebespaltdicke für den Klebstoff Scotch-Weld DP-460EG (Datenpunkte). Die grauen, blauen und grünen Kurven zeigen Anpassungsfunktionen innerhalb separater Intervalle an. Die farblich gekennzeichnete Fit-Residuen beziehen sich auf das jeweilige Fit-Intervall.
Vertikale rote Linien zeigen den Zeitpunkt der Installation der Probe im Präzisionsinterferometer an.

Ein wichtiges Ergebnis dieser Untersuchungen ist, dass das Schrumpfen von Klebefugen ein langwieriger Prozess ist. Gleiches gilt für das Quellen in Wasserdampf oder feuchter Luft. Interessanterweise lassen sich diese Prozesse durch sehr einfache empirische Anpassungsfunktionen mit wenigen effektiven Parametern sogar für lange Zeiträume sehr gut beschreiben.

 


Literatur:

[1] R. Schödel, Ultra high accuracy thermal expansion measurements with PTB’s Precision Interferometer, Meas. Sci. Technol. 19 (2008) 084003 doi: 10.1088/0957-0233/19/8/084003.
[2] R. Schödel, A. Walkov and A. Abou-Zeid, High accuracy determination of water vapor refractivity by length interferometry, Opt. Lett. 31, 1979-1981 (2006) doi: 10.1364/ol.31.001979.

Kontakt

Anschrift

Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig