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Messeinrichtung für kleinste Kräfte

Die zunehmende Miniaturisierung in der Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie erfordert von der dimensionellen Messtechnik rückführbare Antastkräfte im mN-Bereich und darunter. Eine in der PTB aufgebaute Mikrokraftmesseinrichtung für den Bereich von 1 mN bis 5 N ermöglicht über eine modifizierte Kompensationswaage den Anschluss an die Masseskala.

In der Messeinrichtung dienen eine piezoelektrische Feinverstellung zur Erzeugung und eine modifizierte elektrodynamische Kompensationswaage zur Rückführung der Kraft. Der zu untersuchende Kraftaufnehmer wird zwischen Waage und Feinverstelleinrichtung positioniert. Durch Variation des piezoelektrisch erzeugten Verschiebeweges können unterschiedliche Lastverläufe generiert werden, wobei das Kraftaufnehmersignal mit dem kalibrierten Waagensignal verglichen wird.

Um möglichst den gesamten piezoelektrisch zur Verfügung stehenden Verschiebeweg von 100 µm zur Krafterzeugung zu nutzen, sind an der Waage verschiedene Modifikationen vorgenommen worden, die die lastabhängige Absenkung der Antastposition minimieren. Auf Grund der endlichen Steifigkeit des Hebelmechanismus in der Waage verbleibt bei einer eingeleiteten Kraft von 5 N eine interferometrisch bestimmte geringe Absenkung von etwa 4,5 µm.

Der Messbetrieb erfolgt kraftgeregelt auf das Signal eines zu prüfenden Kraftaufnehmers. Die Linearitätsabweichungen zwischen den Aufnehmerwerten und den mit der Messeinrichtung erzeugten und gemessenen Kraftwerten liegen innerhalb von ± 5 Digitalisierungsschritten des Aufnehmerverstärkers. Mögliche Wechselwirkungseinflüsse zwischen Aufnehmer und Messeinrichtung werden mit Hilfe eines integrierten Rotationstisches – durch Rotation um seine eigene Kraftachse – erfasst und über Mittelwertbildung berücksichtigt. Die relativen Messabweichungen zu den Kalibrierungen der Aufnehmer in der 200-N-Kraft-Normalmesseinrichtung der PTB im Messbereich von 1 N bis 5 N liegen unterhalb von 5 · 10–4.

Der modulare Aufbau der Messeinrichtung ermöglicht durch den Einsatz präziserer Laborkompensationswaagen die Erweiterung auch in den µN-Kraftbereich.

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