In-situ Charakterisierung der Spitzen-Oberflächen-Wechselwirkung von Mikrotastern während Hochgeschwindigkeits-Oberflächenscans

Hochgeschwindigkeits-Oberflächenscans mit piezoresistiven Mikrotastern ermöglichen neue Anwendungen in der Industrie zur direkten Oberflächenmessung in Bearbeitungsmaschinen [1]. Dabei sind aus Anwendungssicht lange Mikrotaster von Vorteil, da diese relativ kleine Antastkräfte und einen großen linearen vertikalen Messbereich ermöglichen und sie zusätzlich rauen Umgebungsbedingungen durch ihre größere maximale Auslenkung bis zur Bruchgrenze besser standhalten. Untersuchungen zeigen jedoch, dass bei der Verwendung von 5 mm langen schlanken piezoresistiven Sensoren zur Messung von rauen Oberflächen mit hoher Geschwindigkeit in den Messsignalen Phänomene wie Resonanzoszillationen und auch Spitzenflug auftreten [2], welche die Messunsicherheit stark erhöhen.

Um die Spitzen-Oberflächenwechselwirkung während einer Oberflächenmessung mit Mikrotastern bei hohen Verfahrgeschwindigkeiten unter unterschiedlichsten Antastkräften zu untersuchen, wurden Topografiemessungen mit hoher Bandbreite durchgeführt. Dazu wurde ein Universalverstärker HBM QuantumX MX410B zum Auslesen des piezoresistiven Brückensignals mit Messraten bis zu 196 kSample/s verwendet.

Abbildung 1(a) zeigt typische Topographiemessergebnisse einer 1 µm-Stufe unter Verwendung eines 5 mm langen Mikrotasters mit unterschiedlichen Scangeschwindigkeiten. Die Spektralanalyse der piezoresistiven Auslenkungssignale bei einer Verfahrgeschwindigkeit von v_Sp = 15 mm/s in Abhängigkeit von der Messposition ist in Abbildung 1(b) dargestellt. Die dabei dominierenden Frequenzen (f₀‘, f₁‘) liegen bei 14,7 kHz und 45,7 kHz und damit sehr nahe an den theoretischen Resonanzfrequenzen 15,17 kHz und 45,9 kHz von Mikrotastern unter den jeweiligen Randbedingungen einer Einspannung und eines Festlagers an den Enden.

Durch Anwendung eines schmalbandigen FIR Bandstopp-Filters in Abb. 1(a) kann gezeigt werden, dass eine korrekte Rekonstruktion des Profils auch bei 15 mm/s möglich ist. Die verbleibende Welligkeit gegenüber einem langsamen Scan mit 1 mm/s ist auf die verwendeten Verschiebetische zurückzuführen.

Die experimentelle Untersuchung der dynamischen Wechselwirkung zwischen Spitze und Oberfläche während Hochgeschwindigkeits-Oberflächenscans, insbesondere der oberflächeninduzierten Schwingungen von Mikrotastern, wird dabei helfen, die aktive und passive Dämpfungsstrategie für diese Taster unter dem Aspekt der Anwendung für Hochgeschwindigkeitsmessungen mit hoher Genauigkeit weiterzuentwickeln.

Abb. 1(a) Typische gemessene Topografie einer 1 µm-Stufe unter Verwendung eines 5 mm-Mikrotasters mit unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten. Bei v_Sp = 15 mm/s treten starke Signaloszillationen auf.

Abb. 1(b) Spektrogramm zur Untersuchung der oberflächeninduzierten Oszillation des Mikrotasters bei v_Sp = 15 mm/s. Zu erkennen sind die dominierenden Frequenzen bei 14,7 und 45,7 kHz, angeregt durch die 1 µm Stufe bei 4,14 mm.

Literatur

[1] Brand, U.; Xu, M.; et al. Long Slender Piezo-Resistive Silicon Microprobes for Fast Measurements of Roughness and Mechanical Properties inside Micro-Holes with Diameters below 100 µm. Sensors 2019, 19, 1410.; doi.org/10.3390/s19061410

[2] Xu, M.; Li, Z.; Fahrbach, M.; Peiner, E.; Brand, U. Investigating the Trackability of Silicon Microprobes in High-Speed Surface Measurements. Sensors 2021, 21, 1557. doi.org/10.3390/s21051557