Genaue, präzise und SI-rückführbare Messungen der mechanischen Steifigkeit mikroelektromechanischer Systeme mit Kräften im Bereich von pN bis mN

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Valeriya Cherkasova
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 550790367

Sensorische MEMS haben wesentlich zu Fortschritten in der Nanotechnologie, den Materialwissenschaften, der Elektronik und der biomedizinischen Technik beigetragen. Sie unterscheiden sich in der Art des Funktionsprinzips, der Konstruktion und dem Verwendungszweck, haben jedoch eine gemeinsame Eigenschaft – die mechanische Steifigkeit, die im Beispiel einer der einfachsten Strukturen, einer Cantilever, kann aufgrund von Fertigungstoleranzen zwischen 1 % und 30 % des numerisch berechneten Werts vom tatsächlichen realen Wert abweichen. Dies führt proportional zu einer hohen Messunsicherheit und erfordert daher eine äußerst genaue Kalibrierung. Zu den primären Mikrokraft-Kalibrierstandards gehören direkte Massewirkung mithilfe von Massestandards, elektromagnetische und elektrostatische Kompensationen sowie Photonenimpuls Kraft-Methoden. Jede Methode hat Vor- und Nachteile, z. B. beträgt bei der Massewirkung-Methode der kleinste zertifizierte Massestandard 1 mg (ca. 9.8 μN). Die besten Ergebnisse für die Kalibrierung von MEMS im Bereich von pN bis mN können durch eine Kombination von Methoden erzielt werden, die ursprünglich in unserem Institut eingeführt und umfassend erforscht wurde. Grundlage des Projekts ist ein zuvor entwickeltes Kraft-Weg-Messgerät, das elektromagnetische und elektrostatische Kompensationsprinzipien kombiniert und so eine lückenlose Messkette ermöglicht, die auf SI-Einheiten rückführbar ist. Da der Kraftbereich des MEMS je nach Typ variiert, wird eine adaptive Kalibrierungsmethode entwickelt, die je nach Eigenschaften der Probe die optimalsten Kompensationsmittel nutzt. Besonderes Augenmerk wird auf die Beurteilung des Einflusses von Umgebungsbedingungen wie Vakuum, Luft und trockenem Gas auf die Messgenauigkeit gelegt. Beispielsweise zielen Experimente zur Veränderung der Messumgebung auf eine eingehende Untersuchung und Erstellung einer Theorie des Verhaltens des Oberflächenpotentials ab, das aufgrund des geräteeigenen elektrischen Potentials mit der vorhandenen Elektronik nicht gemessen werden kann und nicht berücksichtigt wird im Unsicherheitsbudget in früheren messtechnischen Studien. Zu den Zielen des Vorschlags gehört die Untersuchung der Machbarkeit, eine relative Unsicherheit von 0.1 % für Kraftmessungen unter 300 nN und 0.2 % für die Kalibrierung von Steifigkeitswerten unter 0.1 N/m zu erreichen, sowie die Untersuchung des Beitrags von Anziehungs- und Abstoßungseffekten, die im Moment des Kontakts auftreten der kalibrierten Probe mit dem Gerät. Im Rahmen eines mit der PTB konzipierten und geplanten Quervergleichs werden standardisierte Messprotokolle erstellt und die vergleichenden Analysen durchgeführt. Ziel des Projekts ist es, zuverlässige und nachvollziehbare Methoden für kleine Kraft- und Steifigkeitsmessungen zu entwickeln. Diese Initiative fördert messtechnische Standards, gemeinsame Forschungsbemühungen und erhöht die Glaubwürdigkeit von Kraft-Weg-Messungen in wissenschaftlichen und industriellen Bereichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen