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Schnelle Rauheitsmessungen

Hochgeschwindigkeitsmessungen mit piezoresistiven Silizium-Mikrotastern

PTB-News 2.2017
02.05.2017
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Messtechnikhersteller

Im Rahmen eines BMBF-Projektes wurden Hochgeschwindigkeitsmessungen mit piezoresistiven Mikrotastern erforscht. Dabei wurden Scangeschwindigkeiten von bis 15 mm/s erfolgreich erprobt. Ein wichtiger Aspekt war dabei die Abnutzung der Spitze.

Silizium-Mikrotastermessung eines Raunormals mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 15 mm/s im Vergleich zu einer herkömmlichen Tastschnittmessung mit den üblichen 0,1 mm/s.

Piezoresistive Silizium-Mikrotaster mit integrierter Tastspitze überbrücken die Lücke zwischen der Rasterkraftmikroskopie und der taktilen Profilometrie mit Tastschnittgeräten. Mit diesen Mikrotastern sind Rauheitsmessungen in Strukturen mit hohem Aspektverhältnis sowie Tiefen bis zu 5 mm und Breiten bis zu 50 μm möglich (siehe PTB-News 3.2014). Zudem erlauben solche Mikrotaster aufgrund der sehr geringen trägen Masse von nur 0,1 mg prinzipiell auch hohe Verfahr- und Messgeschwindigkeiten. Im Vergleich zur empfohlenen Antastkraft von 750 μN für Tastschnittgeräte beträgt die erforderliche Antastkraft, die ein Abheben des Tasters von der Oberfläche durch dynamische Kräfte während der Messung verhindert, bei den 5 mm langen Mikrotastern nur 28 μN. Im Rahmen eines BMBF-Projektes wurde diese Thematik genauer untersucht. Beispielsweise wurden Silizium-Mikrotastermessungen eines Raunormals mit herkömmlichen Tastschnittmessungen verglichen. Hierzu wurden Rauheitsmessungen bei hohen Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 15 mm/s mit bewusst hohen Antastkräften von 100 μN durchgeführt. Die erhaltenen Profile zeigen auch in den Details eine gute Übereinstimmung beider Verfahren.

Zusätzlich wurde die Abnutzung, also der Verschleiß der Spitze untersucht. Mit zunehmender Abnutzung kann die Spitze die Täler nicht mehr exakt ausmessen. Dies führt im gemessenen Profil zu Verfälschungen und zu falschen Rauheitskennwerten. Untersuchungen bei moderaten Verfahrgeschwindigkeiten bis 100 μm/s und sehr kleinen Antastkräften von 6 μN auf einem Raunormal zeigten, dass die Siliziumspitze kontinuierlich verschleißt und dadurch abflacht. Selbst nach 54 m Messstrecke lag aber der Radius dieser abgeflachten Spitzen unter einem μm und war damit immer noch kleiner als der Radius konventioneller Diamanttastspitzen (2 μm). Bei kleinen Antastkräften und moderaten Verfahrgeschwindigkeiten von weniger als 100 μm/s ist damit eine zuverlässige Abtastung und Vergleichbarkeit von Profilen und Kennwerten zu konventionellen Verfahren sichergestellt. Für die maximal mögliche Verfahrgeschwindigkeit dieser Mikrotaster von 15 mm/s nimmt der Verschleiß allerdings zu, sodass bereits nach 3 m Messstrecke ein Spitzenradius über 2 μm erreicht wird. Nach 300 m Verschleißstrecke erhöhte sich dieser Radius auf einen Wert von 3 μm. Für sehr hohe Abtastgeschwindigkeiten werden daher verschleißbeständigere Tastspitzen benötigt.

In einem weiteren BMBF-geförderten Projekt soll nun ein sogenanntes Spitzenprüfnormal zur genauen Bestimmung der Spitzenform untersucht werden. Dies ist erforderlich, um den Einfluss der Spitzenform aus dem gemessenen Profil durch morphologische Filterung entfernen zu können. Damit wären erstmals rückgeführte Mikroformmessungen mit piezoresistiven Mikrotastern möglich. Der Profilscanner der PTB mit seinen drei interferometrischen Messachsen bietet für solche Messungen ideale Voraussetzungen.

Ansprechpartner

Uwe Brand
Fachbereich 5.1
Oberflächenmesstechnik
Telefon: (0531) 592-5111
Opens window for sending emailuwe.brand(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

L. Doering, U. Brand, S. Bütefisch, T. Ahbe, T. Weimann, E. Peiner, T. Frank: High-speed microprobe for roughness measurements in high-aspect-ratio microstructures. Meas. Sci. Technol. 28, 034009 (2017)