Einrichtung und Methodiken zur Messung von Mikro- und Nanokräften im Bereich kleiner als 10-5 N mit einer Auflösung von 10-12 N
Final Report Abstract
Eine neuartige Nanokraftmesseinrichtung für horizontale Kräfte kleiner als 10-5 N wurde entwickelt und metrologisch untersucht. Das umgesetzte Messprinzip basiert auf einer Pendelscheibe mit elektrostatischer Steifigkeitsreduzierung und elektrostatischer Kraftkompensation. Zur Reduzierung der thermischen Drift sowie des seismischen Rauschens besteht die neue Einrichtung aus zwei identischen Messkanälen. Beide Kanäle basieren auf einer leitenden Pendelscheibe, die zwischen zwei Platten aufgehängt ist. Diese bilden jeweils zusammen zwei Plattenkondensatoren. Zwischen den parallelen Platten und der Pendelscheibe wird eine Gleichspannung angelegt, mit deren Hilfe man die Steifigkeit im Bereich von 10-1 N/m bis hinunter zu 10-3 N/m einstellen kann. Auf jeder der parallelen Platten sind vier Ringsegmente angeordnet, die jeweils als kapazitiver Sensor für die präzise, parallele Ausrichtung der Platten relativ zur Pendelscheibe benutzt werden können. Spektrale Methoden zur Bestimmung der Pendellänge und der Plattenabstände der Nanokraftmesseinrichtung, ein neuartiger Algorithmus für digitale Signale zur optimalen Stabilisierung der Pendelposition und Regelkreise, bestehend aus interferometrischer Messung der Auslenkung und elektrostatischer Kompensierung wurden aufgebaut. Die Differenz zwischen den Kompensationsspannungen des Messscheibenpendels und des Referenzscheibenpendels wird verwendet, um die anliegende Kraft zu bestimmen. In ersten Messungen an Luft über einen Zeitraum von 40 h ist für jedes Scheibenpendel ein Rauschpegel von σ < 3 pN (σ: Standardabweichung, Tiefpassfilter 10-2 Hz) ermittelt worden. Die Messeinrichtung ist auf einem optischen Tisch mit einer neuartigen, selbst entwickelten aktiven Neigungsstabilisierung aufgebaut. Die Standardabweichung der Neigung des Tisches mit Neigungsstabilisierung war in einem Zeitraum von 40 h kleiner als 10-8 rad und damit um einen Faktor Tausend kleiner als ohne Stabilisierung. Erste Kraftmessungen zur Messung der erreichten Auflösung ohne einwirkende äußere Kraft bei Kompensation der seismischen Schwankungen durch das Referenzpendel ergaben eine Kraftauflösung von < 42 pN für Mittelungszeiten von 50 s. Langzeitmessungen über 3 h ergaben eine dreifach schlechtere Auflösung von 160 pN. Die Gleichheit der benutzten Mess- und Referenzpendel, Temperaturgradienten und thermische Driften zeigen hier einen wesentlichen Einfluss. Weitere Untersuchungen und Entwicklungen zur Reduzierung der Auflösung sollen folgen. Eine weitere Herausforderung stellt in diesem Zusammenhang auch die Fertigung identischer Mess- und Referenzpendelsysteme dar. Mit der Messeinrichtung gelang nach erster Optimierung die Messung des Lichtdrucks eines 7 mW HeNe-Lasers roter Strahlung. Die gemessene mittlere Kraft von 19 pN war in guter Übereinstimmung mit der aufgrund der Laserleistung berechneten Kraft von 23 pN. Die erzielte Auflösung von 42 pN lässt sich durch zwei Maßnahmen weiter steigern. Zum Einen durch den Einsatz eines thermisch stabilen Tiltmeters für die Neigungsregelung und darüber hinaus durch die präzise Justierung der Interferometer auf das Zentrum der Pendelscheiben. Zur Zeit greift die zu messende Kraft direkt am Scheibenpendel an. Eine präzise Zentrierung ist so nur schwer möglich. Zukünftig soll der Kraftangriff über eine Stößelstange im Zentrum des Messpendels erfolgen. Mit verbesserter Auflösung sollen mit dem HeNe-Laser Kraftmessungen bei unterschiedlichen Drücken im Vakuum durchgeführt werden und die Eigenschaften dieses Kraft-Generators bestimmt werden. Neben der Realisierung und Messung kleinster Kräfte gilt es, den Transfer kleinster Kräfte mittels Silicium-Cantilevern, MEMS oder modifizierten BOSS-Membranen wissenschaftlich zu untersuchen.
Publications
- Nesterov, V 2007 Facility and methods for the measurement of micro and nano forces in the range below 10-5 N with a resolution of 10-12 N (development concept) Meas. Sei. Technol. 18, 360-366
- Nesterov, V; Frumin, L; Pelyushenko, A; Brand, U: A novel system and novel methods for the active tilt stabilisation of an optical table. Proc. Euspen 2007, vof.2, pp.101-104
- Nesterov, V; Pelyushenko, A; Kart, A; Brand, U: A novel test facility and methods for the measurement of micro- and nano-forces. Proc. Euspen 2007, vol.1, 345- 248
