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Rauheitsmessungen in winzigen Düsen

Profilscanner für Rauheitsmessungen auf Oberflächen von Mikrobauteilen mit hohem Aspektverhältnis entwickelt

PTB-News 1.2015
07.04.2015
Besonders interessant für
  • Mikrodüsenhersteller
  • Messtechnikhersteller

Mithilfe eines von der PTB zusammen mit zwei Kooperationspartnern entwickelten Profilscanners konnten erstmals die inneren Oberflächen von kleinen Düsen mit Durchmessern im Mikrometerbereich und hohem Aspektverhältnis erfolgreich charakterisiert werden.

Oben: Der Profilscanner vor einer Düse mit einem Durchmesser von 800 μm. Die Düsenöffnung selbst ist nicht zu sehen. Der Silizium-Biegebalken ist 7,5 mm lang. Er besteht aus zwei 5 mm langen, zusammengeklebten Cantilevern.Unten: gemessene Topografie der Düse

Aufgrund ihrer Langzeit- und exzellenten Wiederholpräzision werden kleine Düsen in zahlreichen industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen für Gas- und Flüssigkeitsmengenmessungen verwendet, z. B. als Kalibriernormale. Bei diesen sogenannten „kritisch betriebenen Düsen“ (sonic nozzles) bleibt die Durchflussmenge ab einem bestimmten Mindestdifferenzdruck über die Düse konstant. Je kleiner die Durchflussmenge, umso kleiner muss der Durchmesser der betreffenden Düse sein. Mit kleineren Düsen hat aber die Topografie der inneren Oberfläche einen größeren Einfluss auf das Strömungsverhalten und die Durchflussmenge. Für Düsen mit Durchmessern unter 1,5 mm kommt es exemplarabhängig zu signifikanten Abweichungen von der oben genannten idealen Relation zwischen Differenzdruck über der Düse und dem Durchfluss, die in der Praxis sehr störend und deren Ursachen im Zusammenhang mit der inneren Topografie noch nicht verstanden sind. Allerdings ist die Messung der inneren Oberfläche derartiger kleiner Düsen mit traditionellen taktilen und optischen Messgeräten sehr schwierig.

Die PTB hat daher in Zusammenarbeit mit dem Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH in Erfurt und dem Institut für Halbleitertechnologie der TU Braunschweig einen Profilscanner für Rauheitsmessungen auf Oberflächen von Mikrobauteilen mit hohem Aspektverhältnis entwickelt. Schlüsselkomponente ist ein langer Silizium- Biegebalken mit integrierter Tastspitze und piezoresistiver Messbrücke zur Detektion der Auslenkung. Zur Verfügung stehen Silizium-Biegebalken mit Längen von 1,5 mm, 3 mm und 5 mm, bei Breiten von 30 μm, 100 μm und 200 μm und mit Spitzenhöhen von bis zu 70 μm. Der Sensor ist in einen Messkopf mit 800 μm × 800 μm × 250 μm Verfahrweg eingebaut. Integriert sind hier auch drei Laserinterferometer (Auflösung 1 nm), die virtuell den Ort der Tastspitze messen. Ein Grobpositioniersystem ermöglicht die genaue Positionierung von Proben. In zahlreichen Vergleichsmessungen von Stufenhöhen und von PTBRaunormalen konnte gezeigt werden, dass die Abweichungen für Messungen der Stufenhöhe sowie beim arithmetischen Mittelwert der Rauheit Ra innerhalb von ± 10 nm (2 σ) liegen.

Mithilfe des Profilscanners wurden verschiedene Düsen, hergestellt mittels verschiedener Methoden wie etwa Drehen oder Funkenerodieren, gemessen. Ihre Durchmesser variierten von 200 μm bis 800 μm, die Messtiefen von 1,5 mm bis 7 mm. Mit dem Profilscanner konnte erstmalig die innere Oberfläche dieser Düsen mit Durchmessern im Mikrometerbereich erfolgreich charakterisiert werden.

Dabei wurden Herstellungsfehler bei einigen Düsen entdeckt, die Streuungen in den zuvor durchgeführten Durchflussexperimenten erklären konnten. Dies bestätigt auch die Annahme, dass Form und Rauheit der inneren Oberflächen einen großen Einfluss auf die Durchflusseigenschaften der Düsen haben. Es wird erwartet, dass künftig durch die Messergebnisse des Profilscanners die Kalibrierunsicherheit und die Qualitätskontrolle dieser Düsen mit Durchmessern im Mikrometerbereich verbessert werden können.

Ansprechpartnerin

Min Xu
Fachbereich 5.1 Oberflächenmesstechnik
Telefon: (0531) 592-5147
E-Mail: min.xu(at)ptb.de


Wissenschaftliche Veröffentlichung

M. Xu, J. Kirchhoff, U. Brand: Development of a traceable profilometer for high-aspect-ratio microstructures metrology. Surf. Topogr.: Metrol. Prop. 2, 024002 (2014)