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Nano- und Pikokräfte messen

Die präzise Messung von Kräften rund um den Nano-Newton-Bereich gewinnt in Forschung und Entwicklung zunehmend an Bedeutung. Daher hat die PTB für den Kraftbereich von 10 µN bis 1 pN den Prototyp einer Normalmesseinrichtung auf der Basis eines Scheibenpendels mit elektrostatischer Kraftkompensation entwickelt und in Betrieb genommen.

Blick in die Kammer der Prototyp-Nanokraftmesseinrichtung mit dem Mess- (links) und dem Referenzsystem (rechts). Beim linken Pendel sieht man die linke äußere Elektrode.

Durch den zunehmenden Einsatz von Kunststoff-Mikroteilen in der Industrie, die beim taktilen Messen mit zu großer Antastkraft leicht verkratzen, ergeben sich neue Anforderungen an die entsprechenden Messgeräte wie Tastschnittgeräte oder Rasterkraftmikroskope. Deren Tastkräfte müssen immer genauer und zuverlässiger eingestellt werden. Auch in anderen Bereichen der Forschung gibt es vergleichbare Anforderungen an die Kraftmessung bis hinunter zu einem Pikonewton: etwa in Biologie und Medizin bei der Untersuchung elastischer Eigenschaften einzelner Zellen, in der Chemie bei der Messung von Molekül-Bindungskräften oder in der Mikroelektronik bei der Bestimmung der Materialeigenschaften von Mikro- und Nano-elektromechanischen Systemen. Letztere halten zunehmend Einzug in Alltagsprodukte wie Handys, MP3-Player, PC-Peripherie und PKWs.

Um derartig kleine Kräfte zu messen, wurde in der PTB ein Prototypsystem entwickelt und erfolgreich erprobt. Sein Messprinzip beruht auf einem Scheibenpendel, das von der zu messenden Kraft ausgelenkt wird. Die Auslenkung wird elektrostatisch mit Hilfe vom äußeren Kondensatorelektroden kompensiert, gemessen wird die aufzuwendende Spannung. Zu dieser elektrostatischen Kraftkompensation kommt die elektrostatische Steifigkeitsreduktion: Indem die Eigensteifigkeit des Pendels von 0,13 N/m auf 0,007 N/m verringert wird, erhöht sich die Empfindlichkeit des Systems. Um störende seismische Schwingungen und thermische Driften zu kompensieren, ist neben dem eigentlichen Messsystem ein zweites, gleichartiges Referenzsystem angebracht.

Erste Messungen an Luft ergaben eine Standardabweichung von 160 pN bei einer Langzeitmessung über 3 Stunden mit einem Tiefpassfilter von 0,02 Hz. Als erste Kraftmessung an der Grenze der Empfindlichkeit des Prototypsystems wurde die Kraft bestimmt, die der Lichtdruck eines He-Ne-Lasers mit einer Leistung von 7 mW ausübt. Der gemessene Wert von 38 pN ist nur um 9 pN kleiner als die (aus Lichtleistung des Lasers und Reflexionsfaktor des Scheibenpendels) berechnete Kraft.

Die neue Anlage ergänzt die kürzlich in Betrieb genommene PTB-Kraftnormalmesseinrichtung zur rückführbaren Kalibrierung von Kräften im mN Bereich (PTB-news 08.2), die auf einem anderen Messprinzip basiert. Sie soll zukünftig noch für die Messung von pN-Kräften optimiert werden, wofür allerdings ihre Empfindlichkeit noch weiter verbessert werden muss. Theoretische Analysen lassen eine erreichbare Kraftauflösung von 1 pN erwarten. Die wesentliche Herausforderung besteht dabei in der Fertigung möglichst identischer Mess- und Referenzscheibenpendelsysteme mit möglichst idealen Oberflächen (Ebenheiten im Bereich von 100 nm). Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Kalibrierung von geeigneten Krafttransfernormalen, die dann in der Industrie zur Kalibrierung kleinster Kräfte eingesetzt werden können.

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