Taktile Sensoren für Anwendungen in der Mikro- und Nanotechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Neuartige Fertigungsmethoden wie z. B. mechanische Mikrobearbeitung oder LIGA-Verfahren erlauben die Herstellung von kleinen, komplexen dreidimensionalen Strukturen. Um diese Strukturen messen zu können, d. h. den Vergleich zwischen der gewünschten und der tatsächlichen Geometrie anstellen zu können, werden entsprechende Messsysteme benötigt. Ein vielversprechender Ansatz zur Lösung dieser messtechnischen Probleme sind 3D-Mikrotaster mit Tastkugeldurchmessern kleiner gleich 300 μm und Antastkräften kleiner 1 mN. Ein solcher Mikrotaster besitzt eine Kugel, meist aus Rubin, als Antastelement, mit dem das Messobjekt berührt wird. Die Tastkugel ist an einem dünnen Taststift befestigt der die Antastkugel mit dem Verformungskörper verbindet, welcher eine der Auslenkung des Taststiftes proportionale Messkraft aufbringt. Sensoren detektieren dabei die Position der Antastkugel. Im Rahmen des Projektes wurden 3D-Mikrotaster auf Basis von Silizium-Membranen (Dicke ca. 25 µm) mit diffundierten piezoresistiven Sensoren gefertigt. Durch eine Analyse der Prozessschritte und experimentelle Untersuchungen konnten diese optimiert und damit die Eigenschaften der Sensormembran verbessert werden. Die messtechnischen Eigenschaften der Mikrotaster wurden untersucht und auf dieser Grundlage Modifikationen sowohl im Membrandesign als auch bei weiteren zur Messung notwendigen Komponenten, z. B. dem Sensorkopf und dem Brückenverstärker, vorgenommen. Weiterhin wurde ein Demonstrator für ein hochauflösendes Kraft-Weg-Messsystem entwickelt und aufgebaut, um die Mikrotaster hinsichtlich ihres Verhaltens bei Messkräften kleiner 1 mN charakterisieren zu können. Das kleinste Verhältnis der Steifigkeiten für horizontale und vertikale Antastung, H:V = 1:2,3 ± 0,7 (Taststiftlänge = 5 mm), wurde für eine Kreuzmembran mit fünf Bossen erzielt. Die höchste Empfindlichkeit für vertikale Antastung wurde für eine L-förmige Kreuzmembran (12,28 ± 0,09 mV/V/mN), die höchste Empfindlichkeit für horizontale Antastung (Taststiftlänge 5 mm) für eine Kreuzmembran mit einem Boss (11,29 ± 0,29 mV/V/mN) erreicht. Die kleinsten messbaren Kräfte und Auslenkungen betrugen 9 µN und 1,4 nm. Für Einzelpunkt-Messungen konnten mit einer Kreuzmembran mit einem Boss Reproduzierbarkeiten von 1,2 nm erzielt werden. Koordinatenmessgeräte sind wesentlicher Bestandteil der Qualitätssicherung der Fertigungsprozesse auch in der Mikrosystemtechnik. Die im Rahmen des Vorhabens entwickelten und charakterisierten 3D-Mikrotaster bieten Möglichkeiten zur Lösung bisher nur unzureichend gelöster messtechnischer Probleme, insbesondere bei der taktilen Messung von kleinen, komplexen, dreidimensionalen Strukturen mit Auflösungen und Unsicherheiten im Nanometerbereich. Daher kommt diesen Systemen ein hohes Verwertungspotential zu. Im Hinblick auf eine wirtschaftliche Verwertung sind folgende weiterführende Arbeiten von Bedeutung: • Sensorempfindlichkeit: Die Sensorempfindlichkeit wird signifikant von den Materialeigenschaften des Membranmaterials, insbesondere des E-Moduls, sowie von der Dehnungsempfindlichkeit (k-Faktor) der piezoresistiven Widerstände beeinflusst. Es ist daher sinnvoll, neue Materialkombinationen mit höherem Verhältnis von Dehnungsempfindlichkeit zu E-Modul zu untersuchen. • Taststiftgeometrie: Für Bauelemente, bei denen die zu messenden geometrischen Merkmale nicht in einer Richtung erreichbar sind, sind angepasste Taststiftgeometrien zu fertigen, z. B. L-förmige und Sterntaster. • Wirtschaftliche Herstellung: Geeignete Technologien zur wirtschaftlichen Herstellung von Mikrotastern mit komplexen Taststiftgeometrien sind zu identifizieren. Eine vielversprechende Technologie ist das Mikrospritzgießen, bei der funktionsbeeinflussende Parameter wie Steifigkeit, Dämpfung oder Dichte durch die Auswahl des Kunststoffes sowie des Füllmaterials eingestellt werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2007). Piezoresistive effect in DLC films and silicon. NSTI Nanotechnology Conference and Trade Show, Santa Clara, California, USA, May 20-24, Vol. 3, pp. 17-20
A. Tibrewala, A. Phataralaoha, E. Peiner, R. Bandorf, S. Büttgenbach
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(2008). 3D force sensor for coordinate measuring machine. 34th International Conference on Micro and Nano Engineering, Athens, Greece, Sept 15-18, 6A- 1115
A. Tibrewala, A. Phataralaoha, S. Büttgenbach
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(2008). Analysis of full and cross-shaped boss membranes with piezoresistors in transversal strain configuration. J. Micromech. Microeng., 18, 055001
A. Tibrewala, A. Phataralaoha, S. Büttgenbach
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(2008). Investigations of the metrological characteristics of 3D micro probes on the basis of structured silicon-membranes. International Conference on Precision Measurement, Ilmenau, Germany, pp. 111-112
N. Hofmann, A. Dunkel, G. Jäger, A. Tibrewala, A. Phataralaoha, S. Büttgenbach
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(2008). Simulation, fabrication and characterization of a 3D piezoresistive force sensor. Sensors and Actuators A, 147, pp. 430-435
A. Tibrewala, A. Phataralaoha, S. Büttgenbach
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(2009). Characterisation of the metrological properties of 3-D microprobes. 9th International Conference and Exhibition on Laser Metrology, Machine Tool, CMM and Robotic Performance - LAMDAMAP, pp. 243-252
N. Hofmann, A. Tibrewala, F.G. Balzer, T. Hausotte, E. Manske, G. Jäger, S. Büttgenbach
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(2009). Development of 3D force sensors for nanopositioning and nanomeasuring machine. Sensor 9, pp. 3228-3239
A. Tibrewala, N. Hofmann, A. Phataralaoha, G. Jäger, S. Büttgenbach
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(2009). Development, fabrication and characterization of a 3D tactile sensor. J. Micromech. Microeng., 19, 125005
A. Tibrewala, A. Phataralaoha, S. Büttgenbach
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(2009). Multi axial force sensor for coordinate measuring machine. Mikrosystemtechnik-Kongress, 12-14 October 2009, Berlin, Germany, P1.9
A. Tibrewala, A. Phataralaoha, S. Büttgenbach
