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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Bestimmung der Federkonstanten von AFM-Cantilevern mit einem MEMS-Nanokraftaktor

22.12.2009


Die genaue Bestimmung der Federkonstante eines Cantilevers ist für viele AFM-Anwendungen (AFM: atomic force microscope) wichtig, angefangen von der Kraftspektroskopie in der Nanobiotechnologie bis zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Nanomaterialien, biologischen Strukturen und organischen Molekülen. Aufgrund der oftmals beobachteten größeren Schwankungen im Herstellungsprozess insbesondere für die Dicke des Cantilevers ist die direkte Herangehensweise für die Bestimmung der Federkonstante von AFM-Cantilevern, d. h. die Beziehung zwischen der Auslenkung des Cantilevers und der aufgebrachten Kraft zu messen, für präzise Charakterisierungen immer zu bevorzugen. Hierfür ist ein genauer Wandler mit hoher Auflösung und großem Messbereich wünschenswert. Zu diesem Zweck wurde ein MEMS-basierter (MEMS: mikroelektromechanisches System) Nanokraftaktor zur Kalibrierung der Biegesteifigkeit von AFM-Cantilevern entwickelt, der auf dem Prinzip eines elektrostatischen lateralen Kammantriebs beruht und eine Prüfkraft bis zu 1 mN mit einer Kraftauflösung von nN erzeugen kann (Bild 1).

Ein Steuer- und Messsystem wurde entworfen, um den beweglichen Teil des Aktors zu steuern und um seine Verschiebung zu erfassen. Letzteres ist mit Auflösungen im Sub-Nanometerbereich möglich [1]. Die rückführbare Kalibrierung der Steifigkeit des MEMS-Aktors erfolgt mit einer Nanokraft-Kalibriereinrichtung, die auf einer hochauflösenden Kompensationswaage beruht [2]. Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass die Stabilität der Selbstkalibrierung der Aktorsteifigkeit besser als 3,7x10-3 N/m (1σ) über eine Stunde ist.

Zwei Arten von Cantilevern, ein contact mode Cantilever (PPPZEILR-50, NanosensorsTM, nominale Federkonstante 1.6 N/m, spezifizierter Bereich: 0,6 – 3,9 N/m) und ein non-contact mode Cantilever (SSS-NCLR-20, NanosensorsTM, nominale Federkonstante 48 N/m, spezifizierter Bereich: 21 – 98 N/m) wurden mit dem neu entwickelten Kraftaktor kalibriert (Bild 2). In Bild 2a, b sind die gemessenen Verschiebungen von MEMS (Sensor Output) und Cantilever (Interferometer) über der angelegten Spannung (V² µ Kraft) aufgetragen. Bei kleinen Abständen kommt es zu Kontakt zwischen Cantilever und MEMS-Aktor, wenn der Kraftgradient größer als die jeweilige Steifigkeit ist. Aus dem Bereich der Kurve nach dem „jump in contact“ kann die Steifigkeit bestimmt werden. Für die hier kalibrierten Cantilever wurden Biegesteifigkeiten von (1,425 ± 0,014) N/m (Bild 2a) bzw. (46,10 ± 0,20) N/m (Bild 2b) bestimmt.

Die experimentellen Ergebnisse bestätigen, dass der Kraftaktor zur Kalibrierung verschiedener AFM-Cantilever, wie contact mode oder non-contact mode Cantilever mit Biegesteifigkeiten im Bereich von 0,01 N/m bis zu etwa 100 N/m eingesetzt werden kann. Für Cantilever mit einer Steifigkeit von mehr als 0,1 N/m ist die Kalibrierunsicherheit besser als 5 %. Außerdem zeichnet sich das Kalibrierverfahren dank des großen Verschiebungs- und Kraftbereichs des Aktors (jeweils bis zu 8 µm und 1 mN) durch eine einfache Handhabung aus, so dass es für verschiedene Typen von AFM eingesetzt werden kann.

 

Bild 1: Prototyp des Nanokraftaktors mit PCB-Board (Größenvergleich mit einem Streichholzkopf)


Bild 2: Kalibrierergebnisse für verschiedene AFM-Cantilever.
Ergebnis für kCantilever < kAktor (links)    Typisches Ergebnis für kCantilever > kAktor  
(rechts)


Reference:

[1]  S. Gao, Z. K. Zhang, Y. Wu, K. Herrman, “Development of a multifunctional microelectromechanical nano-force actuator for calibration of the spring constant of an AFM cantilever”, Proceedings of Euspen, 2009, pp. 267-270

[2]  Doering L, Peiner E, Behrens I and Brand U 2003 “Calibration of micro force setting standards using a new nano force calibration device”, Proc. MST (Micro system technologies MST), 2003, pp.492-494.

 

Kontakt: Gao Sai, AG 5.12 , e-mail: sai.gao(at)ptb.de

 

 

 

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