Development of a pico-force MEMS-indenter for measuring the mechanical properties of compliant materials

Zur Schließung der metrologischen Lücke zwischen Nanoindentationsgeräten und nanomechanischen Rasterkraftmikroskopen (AFM) zur quantitativen Charakterisierung der oberflächennahen mechanischen Eigenschaften von Nanomaterialien wurde ein MEMS-basierter Picokraft-Indenterkopf entwickelt. Der MEMS-Messkopf verfügt über einen integrierten Halter für Tastspitzen, mit dem verschiedene kommerziell erhältliche AFM-Spitzen als Eindringkörper zur Materialprüfung genutzt werden können.

Im Rahmen einer Masterarbeit wurde ein Versuchsaufbau entwickelt, um diesen MEMS Picokraft-Indenterkopf zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von weichen Materialien zu testen. In diesem Aufbau wird ein dreidimensionaler Piezotisch mit einem Messbereich von 75 µm (x) x 75 µm (y) x 5 µm (z) zur Feinpositionierung der Proben und passiven Eindringprüfung eingesetzt. Zur Beschleunigung der quasi-statischen Eindringprüfungen, insbesondere zur schnellen Erfassung der dreidimensionalen mechanischen Eigenschaften weicher Materialien, wurde ein Messverfahren mit partiellen Multi-Entlastungen implementiert.

Abbildung 1(a) zeigt als Beispiel eine kolloidale AFM-Spitze mit einem Kugeldurchmesser von 15 µm, die im MEMS-Halter für nanomechanische Messungen eingeklemmt ist. Mit dieser Spitze kann eine maximale Eindringtiefe von bis zu 10 µm erreicht werden. Abbildung 1(b) zeigt eine typische Eindringkurve einer PDMS-Probe, die vom Institut für Mikrotechnik der Technischen Universität Braunschweig hergestellt wurde. Bei der Messung wurden 16 Teilentlastungen durchgeführt. Die Analyse der Messdaten zeigt, dass der Messaufbau bei einer Datenerfassungsrate von 10 Hz ein Grundrauschen von 0,2 nN aufweist. Außerdem können mit diesem Aufbau erstmals zuverlässige Elastizitätsmodul-Messungen weicher Materialien bis hinunter auf 100 kPa durchgeführt werden.

Damit zukünftig noch weichere Biomaterialien mit Elastizitätsmodulen von bis zu 100 Pa gemessen werden können, ist geplant, die Kraftauflösung des MEMS-Messkopfes und den vertikalen Verschiebungsbereich des Nanopositioniertisches zu erhöhen.

Abb. 1: Bestimmung der mechanischen Eigenschaften mit dem MEMS Picokraft-Indenter.

Literatur

[1] Z Li, S Gao, U Brand, K Hiller and H Wolff 2020 A MEMS nanoindenter with an integrated AFM cantilever gripper for nanomechanical characterization of compliant materials Nanotechnology 31 305502