Bestimmung der Nulllastbiegung von Mikrokraftnormalen auf der Basis von langen Silizium-Biegebalken

Tastschnittgeräte, einschließlich Rastersondenmikroskope mit großem Messbereich, werden in Industrie und Wissenschaft häufig zur Charakterisierung technischer Oberflächen im Mikro- und Nanobereich eingesetzt. Es ist bekannt, dass die systematische Messabweichung, die Messunsicherheit und der Spitzenverschleiß bei taktilen Oberflächenmessungen stark von der angewandten Antastkraft beeinflusst werden. Die Reduzierung der Messunsicherheit von Tastschnittgeräten erfordert daher die quantitative Charakterisierung der Antastkraft verschiedener taktiler Sensoren. Aufgrund der hervorragenden mechanischen Eigenschaften werden seit langem auf Silizium-Biegebalken basierende Mikrokraftnormale für die Antastkraftmessung eingesetzt. Allerdings wird die Messunsicherheit insbesondere bei der Messung kleiner Antastkräfte hauptsächlich durch die unbekannte Nulllastbiegung der Biegebalken bestimmt, die durch Oberflächenspannungen während der Mikrofabrikation verursacht wird.

Ein Fizeau-Interferometer für Topographiemessungen ebener Werkstücke [1] wurde nun zur Messung der 3D-Topographie der Silizium-Mikrokraftnormale verwendet. Der Messfelddurchmesser dieses im Fachbereich 4.2 entwickelten Interferometers beträgt ca. 10 mm, die laterale Auflösung 17 µm und die Messunsicherheit λ/20.

Abbildung 1(a) zeigt die gemessene Topographie des Mikrokraftnormals FC30 21-4 [2] mit einer Biegebalken-Dicke von 30 µm. Die auf dem Cantilever bei y = 0 mm und die auf dem angrenzenden Substrat bei y = 0,8 mm gemessenen Linienprofile sind in Abbildung 1 (b) dargestellt. Die daraus bestimmte Nulllastbiegung dieses Mikrokraftnormals beträgt (1,03 ± 0,04) µm.

   
Abbildung 1: Topografiemessung eines Silizium-Mikrokraftnormals mit einem Fizeau-Interferometer
(a) Topografie eines Mikrokraftnormals; (b) Vergleich zweier Linienprofile, die auf dem Biegebalken parallel zur Rahmenkante gemessen wurden. Da das Interferometer nicht in der Lage ist, diskontinuierliche Oberflächen zu messen, können die Profile der stufenförmigen Markierungen E und S nicht genau wiedergegeben werden.

Messungen an vier Mikrokraftnormalen mit der gleichen Nennsteifigkeit zeigen, dass die Nulllastbiegung des Biegebalkens eine beträchtliche Streuung von bis zu 20 % aufweisen kann [2]. Daraus lässt sich schließen, dass dieses schnelle Messverfahren wirksam dazu beitragen kann, die Messunsicherheit von Mikrokraftnormalen zu verbessern.

Literatur

[1] Ehret, G.; Spichtinger, J.; Stavridis, M.; Schulz, M. Setup of a new form measurement system for flat and slightly curved optics with diameters up to 1.5 metres. In Proceedings of the Seventh European Seminar on Precision Optics Manufacturing, Teisnach, Germany, 30 March–1 April 2020; Volume 11478.

[2] Frühauf, J.; Gärtner, E.; Li, Z.; Doering, L.; Spichtinger, J.; Ehret, G. Silicon Cantilever for Micro/Nanoforce and Stiffness Calibration. Sensors 2022, 22, 6253. doi.org/10.3390/s22166253