Fertigungsmesstechnik

Für die PTB wurden Mikro- und Nanosäulen aus kristallinem Silizium und Galliumnitrid als Referenzobjekte für die Nanometrologie hergestellt. Ziel ist es, Referenzobjekte für nanomechanische Messungen für Nanoindenter und Rasterkraftmikroskope (CR-FM) bereitzustellen. Erste Säulen mit zwei Durchmessern (0,5 µm und 0,7 µm) und fünf unterschiedlichen Höhen von 0,5 µm bis 11 µm wurden gefertigt und charakterisiert.

In Kooperation mit dem Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz wurde ein Mikro-Opto-Elektro-Mechanischer Sensor (MOEMS) mit integriertem abstimmbarem Fabry-Perot Resonator zur Messung kleiner Kräfte mit hoher Auflösung und großem Messbereich entwickelt. Hiermit ist es prinzipiell auch möglich, den Strahlungsdruck von Lasern zu bestimmen und so auf eine mechanische Größe rückzuführen. Erste Messungen des Strahlungsdruckes eines Halbleiterlasers ergaben eine Rauschlimitierung des Mikrokraftsensors von ~1 pN.

Methoden zur Manipulation und zur Bildung von Makro-, Mikro- und Nanoobjekten mit Hilfe von durch Laserstrahlung erzeugten, lichtinduzierten Kräften (z. B. Laser-Pinzetten) sind von großem Interesse. Dies ist bislang aber auf hauptsächlich dielektrische Partikel beschränkt. In diesem Bericht wird ein Experiment zum Nachweis einer theoretisch vorhergesagten lichtinduzierten Anziehungskraft zwischen zwei metallischen Platten mit einem Subwellenlängenspalt beschrieben.

Der Einfluss der Oberflächenrauheit auf die Bestimmung des Eindringmoduls und der Eindringhärte kristalliner Siliziumproben wurde untersucht. Dazu wurden in einer Kooperation mit dem Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA) der TU Braunschweig kristalline Siliziumproben unterschiedlicher Rauheit von Sa = 5 nm bis Sa = 54 nm durch reaktives Ionenätzen hergestellt und sowohl die Oberflächenrauheit der Proben als auch die mechanischen Eigenschaften aller Proben gemessen.

Die PTB hat sich in einem internationalen Vergleich von HfO₂ Schichten auf Silizium mit einem Röntgenreflektometer (XRR) beteiligt. Die erste Auswertung des Vergleichs zeigt, dass 1.) die Werte aus XRR-Messungen der verschiedenen Teilnehmer eine hervorragende Übereinstimmung zeigen, und dass, 2.) sich aus der sorgfältigen Analyse und Kombination der Ergebnisse verschiedener Methoden systematische Abweichungen bestimmen lassen, und sich somit eine Schichtdickenbestimmung mit Referenzcharakter erreichen lässt.

In der PTB wurde ein neues, hochauflösendes Rasterelektronenmikroskop in Betrieb genommen, welches für Forschungsaufgaben sowie unterschiedliche Dienstleistungen genutzt werden soll. Hierzu zählen die Rückführung der Größenverteilung von Nanopartikeln sowie die dimensionelle Messung von Nanostrukturen und Nanoschichten. Für Messungen in Transmission und Reflexion sowie zur Elementanalyse stehen verschiedene Detektoren zur Verfügung.

Im Rahmen des EMPIR Projektes 3DNano wurde eine neue Methode zur Charakterisierung der Form von AFM Spitzen entwickelt. Dazu wurde die Referenz-Probe IVPS100-PTB, die von der PTB zusammen mit Team Nanotec entwickelt und mittels TEM unter Nutzung des Si-Gitters kalibriert wurde, zur Charakterisierung der Spitze eingesetzt. Die Reproduzierbarkeit der Spitzenform erreicht bei 20 Messungen einen Wert von 0,4 nm.

Quantitative Untersuchungen zur Abnutzung von AFM Spitzen mit DLC Schutzüberzügen an Oberflächen aus Silizium, Niob, Aluminium und Stahl wurden mit dem Hochgeschwindigkeits-Metrologie-Rastersondenmikroskop durchgeführt. Die Rastergeschwindigkeit bzw. die Tastkräfte wurden im Bereich von bis zu 1 mm/s bzw. 40 nN variiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Spitzenform eher abrupt als progressiv ändert, wenn steile Seitenwände gemessen werden.

Im Rahmen des EMPIR Projektes “NanoMag“ wurde das metrologische Large-Range- SPM (Met. LR-SPM), das über ein Rastervolumen von 25 mm x 25 mm x 5 mm verfügt, für Untersuchungen an magnetischen Strukturen eingesetzt. Mit diesem großen Messbereich, der sich vom Nanometer- bis in den Makrobereich erstreckt, hat die Gerät das Potential, als Bindeglied zwischen verschiedenen Messgeräten für Magnetfelder mit unterschiedlichen räumlichen Auflösungsvermögen zu dienen. 

Für die Charakterisierung der Form von Tastspitzen von Tastschnittgeräten wurde in der in der PTB ein "Tastspitzenprüfnormal" entwickelt und hergestellt. Das Kalibriernormal aus Silizium enthält 10 x 28 rechteckförmige Rillen mit einer Breite von 0,3 µm bis 3,0 µm in einer Abstufung von 0,1 µm. Aufgrund der relativ scharfen Kanten (Kantenradien R < 50 nm) lässt sich die Spitzenbreite der Tastspitze in unterschiedlichen Höhen (Einsinktiefe) messen, und damit die Spitzenform abbilden.

Der Spatial Angle Autocollimator Calibrator (SAAC) der PTB erweitert die Kalibrierung von Autokollimatoren vom ebenen auf räumliche Winkel bis zu 2500×2500 arcsec² und Abstände bis zu 1,8 m mit einer Standard-Messunsicherheit von 7,5·10^-3 arcsec. Er basiert auf einer kartesischen Anordnung des Kalibriergegenstands und zweier Referenzautokollimatoren, welche auf einen Reflektorkubus gerichtet sind.

In der PTB wurde ein evolventisches Mikroinnenverzahnungsnormal entwickelt, das jeweils acht Zahnlücken der Module 1 mm, 0,5 mm, 0,2 mm, und 0,1 mm verkörpert. Zwei Prüfkörper (Hartmetall- und Titanversion für Computertomographie) wurden zusammen mit dem Wissenschaftlichen Gerätebau der PTB konstruiert und gefertigt. Die taktile Kalibrierung auf einem Mikrokoordinatenmessgerät ergab Messunsicherheiten für Profil- und Flankenlinienabweichungen von 0,4 µm bis 0,7 µm.

Das vollständige Rosettenverfahren ist ein in der Verzahnungsmesstechnik etabliertes Selbstkalibrierverfahren, das die Teilungsabweichungen des Prüfkörpers von denen des Messgerätes trennt. Für ein Zahnrad mit n Zähnen benötigt es allerdings einen Messaufwand von 2n² Messungen. Ein neu entwickeltes verkürztes Verfahren kommt mit deutlich weniger Messungen (ab etwa 10n) aus, ohne dabei signifikant größere Messunsicherheiten aufzuweisen. Dies konnte im Rahmen eines Ringvergleichs verifiziert werden.

Im Februar dieses Jahres fand die feierliche Einweihung des Kompetenzzentrums „WIND“ (CCW) statt. Im neu errichteten Euler-Bau I wurde u.a. ein Groß-Koordinatenmessgerät mit einem Messvolumen von 5 m x 4 m x 2 m integriert. Seitdem werden Forschungsaufgaben im Themenfeld „geometrische Messtechnik“ des vom BMWi geförderten Projektes bearbeitet, die die Verbesserung der Messtechnik in der Industrie für große Getriebebauteile von Windenergieanlagen zum Ziel haben.

Im EMPIR-Projekt MetAMMI wurden verschiedene Prozesse für die additive Fertigung von medizinischen Implantaten beurteilt. Hierzu wurden in der PTB die Geometrien komplexer medizinischer Implantate bestehend aus verschiedenen Materialien (Kunststoff, Metall und Keramik) evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Geometrieabweichungen, die Porosität des Materials und die Oberflächenqualität stark abhängig vom verwendeten additiven Fertigungsprozess sind.

Das neue Messgerät „KOLD“ dient zur Rückführung von Außen- und Innendurchmessern sowie der Form von Kugeln, Ringen, Zylindern und Endmaßbrücken im Bereich der Koordinatenmesstechnik. KOLD ist ein interferometrischer Pseudo-Abbe Komparator, bestehend aus zwei Formmessgeräten mit gemeinsamem Drehtisch, der die Bestimmung von Form und Maß in einer Aufspannung erlaubt.

Die Bestimmung der aufgabenspezifischen Messunsicherheit ist von großer Bedeutung in der industriellen Qualitätssicherung. Zu diesem Zweck hat die PTB gemeinsam mit Koordinatenmessgeräteherstellern und Anwendern das virtuelle Koordinatenmessgerät (VCMM) entwickelt, in einer umfassenden Überarbeitung der Modelle und Routinen an die moderne Messtechnik angepasst. Dies wurde nun in umfangreichen Vergleichsmessungen getestet.

Für Messungen mit Koordinatenmessgeräten werden durch die Industrie immer kleinere Messunsicherheiten gefordert. Einer der Haupteinflüsse auf die Messunsicherheit sind Führungsabweichungen. Im Rahmen eines MNPQ-Projektes wurde nun ein hochgenaues Koordinatenmessgerät um ein mehrstrahliges Interferometer erweitert, das die Führungsabweichungen der Linearbewegung während einer Messung erfasst und die Messwerte online korrigiert.

Koordinatenmessgeräte (KMG) sind überwiegend mit taktil messenden 3D-Sensoren ausgestattet. Entwicklungen der Gerätehersteller erlauben es zunehmend, alternativ auch optisch messende Sensoren an KMG zu verwenden. Mit der Beschaffung von zwei optisch messenden Abstandssensoren konnte jetzt die an KMG adaptierte Sensorik untersucht werden. Die gewonnene Erkenntnis aus taktilen und optischen Vergleichen ermöglicht die gezielte Auswahl der Sensorik für eine Messaufgabe.

Längenmessungen mit höchster Genauigkeit erfordern extrem stabile äußere Bedingungen. Messinstrumente wie die Geodätische Basis der PTB detektieren minutenlang Erschütterungen, wenn Züge einige hundert Meter entfernt vorbeifahren. Solche Störungen wurden im Oktober 2017 bei Probemessungen untersucht. Güterzuge führten zu massiven Beeinträchtigungen, während Störungen durch Personenzüge auf einem vertretbaren Niveau zu sein schienen. Über die Messungen wurde in zahlreichen Medien berichtet.

Die interferometrische Kalibrierung von Endmaßen zwischen 200 mm und 1000 mm Länge war bisher nur im speziell dafür ausgelegten „Kösters-Interferometer“ möglich. Bedingt durch die große Nachfrage entstand für diese Dienstleistung eine Wartezeit von bis zu einem halben Jahr. Durch die Inbetriebnahme eines neu ausgerüsteten zweiten Messplatzes können Messungen ab sofort parallel durchgeführt werden, so dass auch langwierige Kalibrierungen zur thermischen Ausdehnung von Endmaßen zu keiner vollständigen Blockade führen.

Kommerzielle Distanzmessgeräte werden mit Reichweiten von über 100 m angeboten. Sie werden bei Anwendungen im Handwerk oder im amtlichen Messwesen häufig eingesetzt. Das Eichamt Zwickau hat in Kooperation mit der PTB eine geeignete, witterungsunabhängige und teilautomatisierte Prüfstrecke mit einer Länge von bis zu 150 m aufgebaut, auf der diese Geräte in Zukunft gemäß DIN ISO 16331-1 geprüft werden können. An der Ausarbeitung dieser Norm war die PTB maßgeblich beteiligt.

Gegenstand der Konstruktion ist ein 4-achsiger Solarmodulmessplatz, der ein voll funktionsfähiges, automatisiertes und in allen Messmöglichkeiten identisches Modell im Maßstab 1:8 eines geplanten Großgerätes darstellt. Das Modell dient dazu, Mess- und Steuerungsprogramme zu entwickeln und diese mit Minisolarmodulen mit Kantenlänge von bis zu 30 cm erproben zu können. 

In der PTB wird zurzeit eine Technologie entwickelt, Dünnschichtsensoren unmittelbar in additiv gefertigte Werkstück zu integrieren. Ziel ist es hierbei, z.B. Temperatursensoren an interessanten Stellen in Wärmetauschern zu applizieren. Ebenso können Dehnungssensoren, ggf. mehrlagig, in mechanisch belasteten Strukturen integriert werden.