Profilscanner für Strukturen mit steilen Konturen
PTB präsentiert neuen taktilen Oberflächenscanner
Der Profilscanner der PTB ermöglicht präzise und rückführbare Messungen an Mikrobauteilen mit steilen und tiefen Strukturen.
Mikrokomponenten enthalten oft steile und gleichzeitig tiefe Strukturen, die für konventionelle Tastschnittgeräte, optische Mikroskope und Rasterkraftmikroskope nicht oder nur schwer zugänglich sind. Neben geometrischen Abmessungen ist auch die Rauheit derartiger Oberflächen von großem Interesse. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hat nun einen taktilen Oberflächenscanner entwickelt, der rückführbare dimensionelle Messungen an und in Strukturen mit hohem Aspektverhältnis wie z.B. in Düsen ermöglicht.
Mikrobauteile, die bei geringer Breite sehr steile und tiefe Strukturen besitzen, finden sich beispielsweise in Dieseleinspritzdüsen oder Mikrooptiken. Für herkömmliche Messverfahren waren diese Strukturen bisher nicht zugänglich. Der neu entwickelte Profilscanner der PTB eröffnet auf diesem Gebiet neue Möglichkeiten. Seine Schlüsselkomponente ist ein langer Siliziumbiegebalken mit integrierter Spitze und piezoresistiver Messbrücke zur Detektion der Auslenkung. Der feine Taster kann in Mikrolöcher oder -kanäle mit Durchmessern von nur 40 m bis in Tiefen von bis zu 1,5 mm eintauchen. Bei weichen Oberflächen lässt sich die Antastkraft der Tastspitze bis auf Werte von 1 N herunterregeln.
Der Messkopf des Gerätes enthält neben dem Mikrosensor drei senkrecht zueinander angeordnete Laserinterferometer mit 1 nm Auflösung zur Gewährleistung der direkten Rückführbarkeit der Messungen auf die SI-Einheit Meter. Die Messstrahlen der Interferometer schneiden sich auf der Tastspitze des Sensors in einem Punkt, um nahezu abbefehlerfreie Messungen zu gewährleisten.
Der taktile Mikrosensor ist an einem 3D-Piezotisch befestigt und kann über einen Positionierbereich von 800 m × 800 m × 250 m verfahren werden. Ein Vorteil des Mikrosensors liegt in seinem geringen Gewicht, das sehr hohe Verfahrgeschwindigkeiten und damit kurze Messzeiten erlaubt. In Experimenten an technischen Oberflächen wurden in der PTB Mikrosensoren mit Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 1 mm/s erfolgreich getestet. Dabei hat sich der Sensor auch als sehr robust erwiesen.
Die Mess- und Steuersoftware des Gerätes (LabWindowsTM) erlaubt eine einfache Bedienung des Gerätes. Der gesamte Oberflächenscanner bietet einen Grobpositionierbereich von 12,5 mm × 12,5 mm x 12 mm, einen Rotationsbereich von 360 Grad und die Möglichkeit, sehr große Messobjekte von bis zu 80 mm × 100 mm × 100 mm zu messen.
Der Sensor wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Halbleitertechnologie (IHT) der TU Braunschweig und dem Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH (CiS) in Erfurt entwickelt. Zur Verfügung stehen Sensoren verschiedener Längen (1,5 mm, 3 mm, 5 mm) und Breiten (30 m, 100 m, 200 m) bei Spitzenhöhen von bis zu 70 m und einem Rauschen von 4 nm in einer Bandbreite von 1 kHz.
