Automatisierung der Messabläufe einer Nanometer-Koordinaten-Messmaschine mit rasterkraftmikroskopischer Antastung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hendrik Rothe
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 28525894

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projektes wurde eine stabile, kollisionsfreie Annäherung von Probe und AFM-Spitze im Nah- und Fernbereich realisiert. Die bei großflächigen AFM-Messungen auftretenden Artefakte konnten erkannt, klassifiziert und minimiert werden. Insbesondere wurde der Einfluss der Temperatur auf die Messunsicherheit der NCMM vermindert. Systematische Fehler der NCMM wurden im Rahmen einer Grundkalibrierung untersucht und quantifiziert. Es konnte eine Modell zur Beschreibung der nichtlinearen Verzerrungen der Messdaten durch die Spitzengeometrie erstellt werden. Die Charakterisierung der Messdynamik des AFMs zeigt, dass die Schwächen des vorhandenen Gerätedesigns nicht durch eine einfache Variation der Regelungsparameter gelöst werden können. Im Rahmen der Messstrategien ist besonders das Konzept für automatisierte Messungen mit Vorwissen hervorzuheben. Auf Basis der digitalen Bildverarbeitung wurde eine komplette Kette von Algorithmen zur automatisierten Steuerung der NCMM realisiert. Diese Methoden lassen sich leicht auf kommerzielle AFMs übertragen. Ebenso ist eine Übertragung auf Sensorsysteme mit ähnlichen Problemstellungen möglich. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Entwicklung von Messstrategien für die Charakterisierung von Nanofiltrationsmembranen, welche eine Voraussetzung für deren kommerzielle Weiterentwicklung und Anwendung ist. Die zukünftigen Tätigkeiten werden sich vor allem auf den Umbau der NCMM nach den im Projekt erarbeiteten Ansätzen konzentrieren. Zur Zeit wird der Umbau der NCMM zu einem Dual-Stage-System favorisiert. Die aus der Charakterisierung des AFMs gewonnenen Erfahrungen sowie die Versuche zur Implementierung eines modernen Reglerkonzepts auf Basis eines H∞-Reglers liefern wichtige Impulse für eine zukünftige Geräteentwicklung. Die Ansätze zur Modellierung von nichtlinearen Verzerrungen bei AFM-Messungen sind völlig neuartig und sollten unbedingt weiter verfolgt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A concept for automated nanoscale atomic force microscope (AFM) measurements using a-priori-knowledge. Measurement Science and Technology, 20:084026, 2009
  Recknagel, Christian und Hendrik Rothe
  
• Automated nanoscale AFM measurements using a-priori-knowledge. In: Scanning Microscopy, Proc. SPIE, Band 7378, Seite 73781A, 2009
  Recknagel, Christian und Hendrik Rothe
  
• Non-linear distortions caused by AFM-tip geometry and limitations of reconstruction on discrete data. In: SPIE Instrumentation, Metrology, and Standards for Nanomanufacturing III, Proc. SPIE, Band 7405, Seite 74050K, 2009
  Hahlweg, Cornelius und Hendrik Rothe
  
• Nonlinear distortion in atomic force microscopy (AFM) measurements. Measurement Science and Technology, 20:084018, 2009
  Hahlweg, Cornelius, Martin Gruhlke und Hendrik Rothe
  
• Spectral effects of AFM tip geometry. In: SPIE Instrumentation, Metrology, and Standards for Nanomanufacturing III, Proc. SPIE, Band 7405, Seite 74050I, 2009
  Hahlweg, Cornelius und Hendrik Rothe
  
• Automation of basic measurement tasks of the nanometer coordinate measuring machine. In: 55. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, Seiten 420–423. TU Ilmenau, 2010
  Recknagel, Christian und Hendrik Rothe