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Wandler erfasst und erzeugt Pikokräfte

Er ist nur 2,0 mm lang, 1,8 mm breit und 50 µm dick – der Prototyp eines hochauflösenden Wandlers für kleine Kräfte, der in der PTB entwickelt und im Zentrum für Mikrotechnologien der Technischen Universität Chemnitz hergestellt wurde.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des hochauflösenden Kraftwandlers

Die Erzeugung und Abtastung kleiner Kräfte bis in den Pikonewton-Bereich wird auf verschiedenen Gebieten der Grundlagen- und angewandten Forschung benötigt. Für diese Bedürfnisse wurde ein Wandler auf Basis eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) entwickelt. Mit Hilfe mehrfach gefalteter Si-Federn wird seine Steifigkeit in der Abtastrichtung reduziert. Für die Kraftabtastung und Rückkopplung des Wandlers wird die ebene Verschiebung der Federn

hochauflösend kapazitiv gemessen. Der Kraftwandler zeichnet sich durch eine einfache Struktur, eine zuverlässige Rückkopplungsstrategie sowie einen integrierten elektrostatischen Kraftgenerator aus. Letzterer liefert die gewünschte Gleichgewichtskraft, um die potentielle Nichtlinearität bei der Kraftabtastung zu beseitigen.

Ein Prototyp des Pikokraftwandlers wurde in Si-Mikrotechnologie unter Verwendung von tiefem reaktivem Ionenätzen und Bondkontaktierung hergestellt. Er weist eine sehr geringe Steifigkeit in Abtastrichtung von 0,254 N/m und eine Auflösung bei Kraftrückkopplung von 50,8 pN (1 σ ) auf. Mit einem Paar elektrostatischer Kammaktuatoren kann der Prototyp eine maximale elektrostatische Kraft von 1,23 µN erzeugen.

Aufgrund der speziellen Form seines Antastelementes kann der Pikokraftwandler verschiedene Anwendungen finden, unter anderem als Piko-/Nanokraft-Transfernormal, bei der Kalibrierung von Sensoren für kleine Kräfte, bei der Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Mikro-/Nanowerkstoffen und bei der Untersuchung der lateralen Kraft von Rasterkraftmikroskopen.

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