Piezoresistive Microcantilever-Tastsonde und Messsystem für die Kontakt-Resonanz-Profilometrie
Für die Qualitätssicherung industrieller Fertigung ist die Untersuchung der Oberfläche von Werkstücken essentiell. Hier sind optische Messgeräte weit verbreitet. Sie messen zerstörungsfrei und ermöglichen hohe Messgeschwindigkeiten, haben jedoch signifikante Defizite. Beispielsweise führen Flüssigkeitsfilme zu Messfehlern und abgeschattete Bereiche können nicht inspiziert werden. In diesen Aspekten sind taktile Messverfahren, die die Oberfläche mechanisch abtasten überlegen. Da taktile Verfahren typischerweise jedoch deutlich langsamer messen als optische, werden in dieser Arbeit neuartige Silizium-Cantileversensoren mit integrierter Messelektronik entwickelt, die speziell auf die Anforderungen der Qualitätssicherung optimiert sind. Die Grundlage der Entwicklungen stellen die Ergebnissen jahrzehntelanger Zusammenarbeit zwischen dem IHT und der PTB dar, im Rahmen derer verschiedene Sensorvarianten für spezialisierte Anwendungen entwickelt und in die industrielle Fertigung transferiert wurden. Ein Anwendungsbereich der bereits kommerzialisierten Sensoren ist die Messung von Form und Rautiefe in Düsenbohrungen mit Submillimeter Durchmesser. Es handelt sich also nicht um Sensoren für die Rasterkraftmikroskopie. In der Qualitätssicherung ist weiterhin das mechanische Verhalten der Oberfläche relevant, welches in dieser Arbeit mit dem Kontaktresonanz-Messverfahren untersucht wird. Hierbei wird der Sensor in Schwingung versetzt und seine Resonanzfrequenz verfolgt. Analysen der Frequenz ermöglichen anschließend Rückschlüsse auf die mechanischen Eigenschaften der Probe. Theoretische Analysen des Schwingungsverhaltens der kommerzialisierten Sensoren zeigen (materialabhängig) starke Resonanzfrequenzverschiebungen, sobald die Sensoren in Kontakt mit Proben gebracht werden. Dies wird in vorläufigen Messungen mit verschiedenen Polymer-Proben sowie mit mikrostrukturiertem Silizium bestätigt. Es zeigen sich jedoch Defizite bezüglich dem Verschleiß der Tastspitzen, der Neigung ungewollt durch Stöße in Schwingung versetzt zu werden und Querabhängigkeiten gegenüber Temperaturschwankungen. Zusätzlich mangelt es den kommerzialisierten Sensoren an integrierten Aktoren, weshalb für Kontaktresonanzmessungen auf externe Piezoaktoren zurückgegriffen werden muss. Um das Verhalten der Sensoren genauer zu untersuchen, wird ein angepasstes Messsystem entwickelt, aufgebaut charakterisiert und anschließend für vergleichende Messungen verschiedener Sensoren und Proben genutzt. Trotz systematischer Messfehler, wie Drift, sind reproduzierbare Messungen möglich, und Materialien mit Indentationsmodulen zwischen 3 GPa und 300 GPa können klar unterschieden werden. Verschleiß und ungewollte Schwingungen bleiben jedoch problematisch, weshalb einerseits verschleißfreie Diamant-Tastspitzen und andererseits viskoelastische Dämpfungsschichten auf dem Cantilever untersucht werden. Beide erfüllen für ihren jeweiligen Zweck und verhindern nicht die Durchführung von Kontaktresonanzmessungen. Allerdings werden ungewollte Schwingungen durch Diamant-Tastspitzen verstärkt. Nichtsdestotrotz werden sie für die neuste Generation der Sensoren verwendet. Diese integrieren, je nach Variante, entweder elektrothermische oder piezoelektrische Aktoren. Erste Prototypen-Sensoren mit elektrothermischen Aktoren verhalten sich vielversprechend, benötigen für Kontaktresonanzmessungen jedoch besondere Verfahren zur Reduktion von Störungen. Weitere Prototypen-Reihen sowie Tests der Sensoren mit integrierten Piezoaktoren stehen aus.
Quality assurance of industrial manufacturing requires to measure the shape of the surface of workpieces. Optical measuring devices are widely used for this purpose. They measure non-destructively and allow for high measurement speeds, but they have significant shortcomings. For example, liquid films can lead to measurement errors, and occluded areas cannot be inspected. In these aspects, tactile measurement methods that mechanically scan the surface are superior. However, tactile methods typically measure much slower than optical methods. In this work, novel silicon cantilever sensors with integrated measurement electronics are developed to fit the specific requirements of quality assurance. These developments are based on the results of a decades-long collaboration between IHT and PTB, during which various sensor variants were developed for specialized applications. Select variants were then transferred to industrial production. These commercialized sensors are designed to measure form and roughness in nozzles of sub-millimeter diameter. That is to say, these sensors are not intended for atomic force microscopy. Another important information for quality assurance is the mechanical behavior of the surface. In this work, mechanical properties are probed using contact resonance measurements, where the sensor is driven into resonant oscillation while it contacts the sample. Subsequent analysis of the resonant frequency provides insights into the mechanical properties of the sample. A theoretical model of the dynamic behavior of the commercialized sensors shows large (material-dependent) shifts in resonance frequency, which is confirmed in preliminary measurements with both various polymer samples and micro-structured silicon. However, deficits are observed regarding wear of the probing tips, undesired oscillations excited by impacts, and cross-dependencies between mechanical parameters and environmental temperature. Additionally, the commercialized sensors lack integrated actuators, which is why external chip piezo actuators are used for contact resonance measurements. To examine the behavior of the sensors more closely, a custom measurement system is developed, constructed, characterized, and subsequently used for comparative measurements of various sensors and samples. Despite systematic measurement errors, such as drift, reproducible measurements are possible, and materials with indentation moduli between 3 GPa and 300 GPa can be clearly distinguished. Wear and undesired oscillations, however, remain problematic, which is why wear-resistant diamond probing tips as well as viscoelastic damping layers on the cantilever are investigated. Both serve their respective purposes and do not prevent performing contact resonance measurements. However, mounting diamond probing tips on cantilevers amplifies undesired oscillations. Nevertheless, these tips are used for the latest generation of sensors, which integrate either electrothermal or piezoelectric actuators, depending on the variant. Initial prototype sensors with electrothermal actuators show promising behavior, however, to enable contact resonance measurements, they require to use special techniques that reduce disturbances. Fabrication of additional prototypes and characterization of sensors with integrated piezo actuators are pending.
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