Dreidimensionale elektrische Antastung für die Mikro- und Nanokoordinatenmesstechnik - 3-D-Tunnelstromtaster
Final Report Abstract
In dem Forschungsvorhaben wurde das auf den elektrischen Nahfeldwechselwirkungen basierende Antastprinzip fortführend zur Richtungserkennung der Antastung untersucht. Das Antastsystem wurde hierfür um eine piezoelektrische 3-D-Aktorik erweitert und mit einer aktiven Sensorsteuereinheit ausgerüstet. Zur praktischen Umsetzung wurde das gesamte Sensorsystem in eine Nanopositionier- und Nanomessmaschine NMM-1 mit einer Positionierunsicherheit von < 0,1 nm mechanisch, elektrisch und softwareseitig integriert. Zur theoretischen Untersuchung des Messprinzips auf Basis der elektrischen Nahfeldwechselwirkungen wurde ein Simulationsmodell mit der Softwareumgebung MATLAB/Simulink entwickelt. Durch Variierung von Material, Rauheit und Form beim Messobjekt bei den experimentellen Untersuchungen und mit der Berücksichtigung der weiteren dynamischen Einflussfaktoren wurde das theoretische Modell angepasst und optimiert. Verschiedene Algorithmen zur Berechnung der Antastrichtung wurden erstellt und anhand praktischer Messaufgaben verifiziert. Bei den Untersuchungen (z. B. Einzelpunktantastung) ist ein vernünftiges Ergebnis mit der Methode der Suche nach Schwerpunkt, Sinus-Approximation und Fourier-Analyse zu erzielen. Für Echtzeitmessungen ist die Methode der Fourier-Analyse zu bevorzugen. Zur Bestimmung der lokalen Radiusabweichungen der Antastelemente wurde das Prinzip der Ermittlung von Kugeloberflächen mittels des Dreikugelverfahrens für den 3-D-Tunnelstromsensor untersucht. Die unbekannten lokalen Radiusabweichungen der Antastelemente in der Größenordnung von <1 µm lassen sich entsprechend der Untersuchungsergebnisse mit einer Genauigkeit von <2 nm ermitteln. Zur Übertragung der Erkenntnisse aus dem Projekt sollen in Folgearbeiten die Untersuchung der Anwendbarkeit des aufgezeigt Ansatzes mit einer stabilen und einstellbaren Schwingungsisolationssystem der NMM-1 durchgeführt werden.
Publications
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(2017) Development of a 3D Tunneling Current Probing System for Micro- and Nano-Coordinate Metrology. AMM (Applied Mechanics and Materials) 870 126–131
Sun, Zhong Yuan; Schuler, Alexander; Hausotte, Tino
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Development of a 3D tunneling current probing system for micro- and nano-coordinate metrology. In: 12th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments (ISMTII 2015), 22. – 25.09.2015, Taipei, Taiwan
Sun, Z., Schuler, A., Hausotte, T.
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Micro- and nanocoordinate measurements of micro-parts with 3-D tunnelling current probing. In: Journal of Sensors and Sensor Systems 4 (2015), S. 199-208
Schuler, A., Hausotte, T., Sun, Z.
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Update on a 3D probing system based on electrical near-field interaction for micro- and nano-coordinate metrology. In: Euspen Micro/Nano Manufacturing Workshop, 24. – 26.11.2015, Teddington, UK
Sun, Z., Schuler, A., Hausotte, T.
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Development of a 3D capable probing system based on electrical near-field interactions for micro- and nano-coordinate metrology. In: 18. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2016, 10.-11.05.2016, Nürnberg, Deutschland
Sun, Z., Hausotte, T.
