Verbesserte Steifigkeitsmessungen von Cantileversensoren mit neuer Messkammer

In der PTB ist ein Messaufbau aufgebaut worden, mit dem Cantilever unter verbesserten Umgebungsbedingungen kalibriert werden können. Kernstück der Kalibriereinrichtung ist eine Kombination aus einer kommerziellen Ultrapräzisionswaage mit 2 Nanonewton Auflösung und eine Nanopositioniereinrichtung mit 1 Nanometer Auflösung (PIFOC). Hier werden z.B. so genannte Cantileversensoren (s. Abb. 1) kalibriert, indem deren Kraft – Weg – Kennlinien aufgenommen werden. Unter normalen Arbeitsumgebungen schwankt der Anzeigewert der feinen Waage scheinbar stochastisch. Ursachen sind neben seismischen und akustischen Schwingungen auch durch Schwankungen des Luftdrucks, der Temperatur und der Luftfeuchte bedingt.

Abbildung 1: Messprinzip der Nanokraftmesseinrichtung

Um diese Umwelteinflüsse zu minimieren, wurde eine neue Messkammer für die Mikrokraftkalibriereinrichtung konstruiert und gebaut. In dieser neuen Versuchsumgebung können die beiden wesentlichen Einflussgrößen Druck und Luftfeuchte in weiten Bereichen mit hoher Präzision eingestellt und geregelt werden. Beim Luftdruck ist eine Stabilisierung im Bereich von 950 bis 1050 hPa innerhalb von ± 0,01 hPa möglich. Die Luftfeuchtigkeit kann im Bereich von 5 % bis 80 % relative Feuchte sogar auf ± 0,02 % eingestellt werden. Die Lufttemperatur im Innern wird passiv durch das Vorhandensein einer relativ großen Wassermasse (30 Liter) stabilisiert. Typische Temperaturdriften sind < 10 mK/h und damit hinreichend klein.

Erstmalig konnte hiermit separat der Einfluss der Luftfeuchte auf die Anzeige der Waage ermittelt werden. Bei einem stabilisierten Luftdruck von 1025 hPa, annähernd konstanter Temperatur und einem aufgelegten 1,009 mg Gewichtsstück wurde die anfängliche Luftfeuchtigkeit von 40 % über einen Zeitraum von 4 Tagen schrittweise jeweils um 5 % reduziert (s. Abb. 2).

Abbildung 2: Anzeige der Waage in Abhängigkeit von der relativen Feuchte bei konstantem Luftdruck von (1025 +/- 0,01) hPa

Die Auswertung der Messungen ergibt eine Empfindlichkeit der Waagenanzeige von 3,6 µg / % relativer Luftfeuchtigkeit. Die Abweichung der Waagenanzeige, die zu Beginn der Untersuchungen tariert wurde, vom Kalibrierwert des Massenormals (1,009 ± 0,020) mg betrug bei 40 % relativer Luftfeuchtigkeit nur 3 µg.

Mit der realisierten Kammer mit einstellbaren Parametern für Luftdruck und Luftfeuchte konnte erstmals die direkte Abhängigkeit zwischen Waageanzeige und Luftfeuchte aufgezeigt werden. Dies stellt für weitergehende Untersuchungen im angestrebten Nanonewtonbereich und für Kalibrierungen eine ausgezeichnete Basis dar.