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Echtzeitkinematographie bei Mikroaktoren und Pulsed Force Mode in der Rasterkraftmikroskopie

01.04.1999 - (idw) Universität Ulm

Gigaschnelle Echtzeitkinematographie und supersanfte Präzisionsmessungen im Nanometerbereich
Die Universität Ulm auf der Hannover-Messe


Der Gemeinschaftsstand, auf dem baden-württembergische Universitäten zur Hannover Messe Industrie regelmäßig praxisrelevante Innovationen präsentieren, hat sich im Lauf der letzten Jahre als fester Bestandteil im Messeprogramm etabliert. Diesmal, vom 19. bis 24. April 1999, stellen auf dem Kollektivstand in Hannover neben der Universität Ulm die Fachhochschule Karlsruhe sowie die Universitäten Mannheim, Hohenheim und Stuttgart aus. Zwei Beiträge steuert die Ulmer Abteilung Meß-, Regel- und Mikrotechnik (Leiter Prof. Dr. Eberhard Hofer) bei. Außerdem präsentiert sich mit der Firma WiTec ein Team von Existenzgründern aus der Abteilung Experimentelle Physik (Leiter Prof. Dr. Othmar Marti).

Messungen an MEMS

"MEMS" sind micro electro mechanical systems. In den letzten Jahre wurden zahlreiche MEMS entwickelt, gedacht zur Verwendung als mechanische und Sensorkomponenten. Nur wenige aber erwiesen sich als markttauglich. Den Sprung zum preisgünstigen Massenprodukt schaffte bislang lediglich der Druckkopf des Tintenstrahldruckers. Bauteilchen, die größtenteils nicht einmal so groß sind wie der Fühler der Testapparatur, mit der man sie prüfen will, entziehen sich weitgehend den üblichen Verfahren der Charakterisierung und Qualitätskontrolle. Wie gut sie sich unter realen Einsatzbedingungen bewähren, kann auch der Experte nur ahnen - oder in Zeitlupe beobachten. Kinematographische Bildsequenzen erlauben die Verfolgung der dynamischen Prozesse mit bloßem Auge und liefern die Datengrundlage für mathematische Modellierungen beliebiger Anwendungssituationen. So können unter anderem Materialeigenschaften und die auf einen Mikroaktor einwirkenden Belastungsmomente sehr zuverlässig geschätzt und nachfolgend Design, Qualität und Lebensdauer der MEMS optimiert werden. Für periodische stationäre oder reproduzierbare transiente Prozesse verfährt man dabei nach dem Stroboskop-Prinzip, bei dem aus Einzelbildern der verschiedenen aufeinanderfolgenden Phasen des sich wiederholenden dynamischen Ablaufs eine pseudokinematographische Bildsequenz zusammengesetzt wird. Diese Technik versagt allerdings, wenn chaotische und nichtwiederholbare Prozesse analysiert werden sollen. Dann hilft nur Echtzeitkinematographie.

Prof. Hofers Team hat dafür eine Testapparatur gebaut, die mikrometerscharfe Aufnahmen mit einer Belichtungszeit von 10 Nanosekunden produziert. Die Kamera des Systems arbeitet mit mehreren Bildsensoren, deren jeder via Glasfaser mit einem Signalverstärker verbunden ist. Ein Strahlteiler innerhalb der Kamera sorgt dafür, daß das mikroskopische Bild des Objekts auf alle Sensoren gleichzeitig abgebildet wird. Diese Verstärker schalten bei einer angelegten Hochspanung durch: die Spannung oszilliert in regelmäßiger Folge zwischen den Kanälen 1 bis 8 - in der gigantischen Frequenz von (maximal) 100 Millionen Impulsen pro Sekunde, gleichbedeutend mit der effektiven Bildfrequenz. Eine spezielle, eigens entwickelte Lichtimpulsquelle, die innerhalb des Kameragehäuses angebracht ist, sorgt für optimale Ausstrahlung. Mit Hilfe dieser Filmtechnik haben die Ulmer Mikrotechniker wichtige Grundlagenerkenntnisse gewonnen. In Kooperation mit der Firma Telly GmbH, Elchingen, wird sie inzwischen erfolgreich bei der Entwicklung einer neuen Generation schneller Tintendrucker eingesetzt.

Sonde sanft

Beim Existenzgründerwettbewerb "Start Up" der Zeitschrift "stern", der Sparkassen und des Wirtschaftsberatungsunternehmens McKinsey 1997/98 belegten Dr. Joachim Koenen und seine Kompagnons Dr. Olaf Hollricher und Dr. Klaus Weishaupt mit ihrer WITec (Wissenschaftlich-technische Instrumente) GmbH, gegründet im August 1997, den dritten Platz in Baden-Württemberg. Supersanfte Präzisionsmessungen im Nanometerbereich sind ihre Spezialität. Zu ihren Kunden gehören Kraftfahrzeug- und Halbleiterhersteller ebenso wie die chemische und pharmazeutische Industrie.

Ein Spitzenprodukt werden die Jungunternehmer in Hannover vorführen: den Pulsed Force Mode, ein Ergänzungstool für Rasterkraftmikroskope, das die gleichzeitige Messung von Topographie, lokaler Adhäsion und lokaler Steifigkeit einer Probe erlaubt - nanometergenau und sanft wie ein Wattebausch. Dabei wird die Mikroskopspitze nicht wie im herkömmlichen Verfahren in kontinuierlichem Strich über die Probe gezogen, sondern tippt, über einen Federbalken bewegt, die Oberfläche punktweise ab. So lassen sich die beim Abrastern auftretenden Scherkräfte eliminieren, die, auch wenn sie nur einige Nano-Newton betragen, extrem empfindliche Oberflächen beschädigen und die Messung verfälschen können. Der Pulsed Force Mode, verwandt mit dem in der Experimentalphysik schon länger bekannten Tapping-Verfahren, bei dem die Tap-Kräfte allerdings nicht gezielt dosiert werden können, wurde in der Ulmer Abteilung Experimentelle Physik von Abteilungschef Prof. Dr. Othmar Marti und seiner Arbeitsgruppe entwickelt.

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