Messen im Subnanometerbereich

Anwendungsgebiete für die Nanoindentierung sind die Härtebestimmung an dünnen Schichten oder die Bestimmung von Materialeigenschaften wie Elastizität, Steifigkeit, plastischer Verformbarkeit oder Bruchfestigkeit bei kleinen Objekten und Mikrosystemen, etwa in der Biotechnologie. Dazu wird eine Testspitze mit einer kleinen Kraft auf eine Probe aufgebracht und der Eindringweg der Spitze gemessen. Aus diesen Messwerten lässt sich dann die Kontaktfläche errechnen und daraus wiederum die Materialeigenschaft ermitteln. Wie fast überall, wo höchste Präzision bei Wegmessung und Positionierung gefordert ist, spielen auch bei der Nanoindentierung hochauflösende kapazitive Sensoren und piezobasierte Nanopositioniersysteme eine zentrale Rolle.

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Ein flexibles System zur Nanoindentierung stammt von der Firma Micro Materials mit Stammsitz im englischen Wrexham. Der NanoTest wird als aussagekräftiges Testsystem weltweit in unterschiedlichen Bereichen genutzt – in Forschung und Entwicklung sowie auch in der Produktion und beim Test von Fertigprodukten. Je nach Anwendungsfall lässt sich die Methode der Krafterzeugung und die Geometrie der Testspitze, dem so genannten Indentation-Tip, variieren.

So ist eine langsame Krafterhöhung in einem bestimmten Zeitfenster, die quasistatische Indentierung, ebenso realisierbar wie ein Nano Impact genannter dynamischer Test, bei dem die Spitze beschleunigt auf die Oberfläche aufschlägt und dort eine große Menge an Energie freisetzt. Die Beanspruchbarkeit von Materialien wird ermittelt, indem die Oberfläche langsam an der Spitze entlang bewegt wird und mit konstanter oder zunehmender Andruckkraft ein Kratzer erzeugt wird. Gleichzeitig lassen sich Reibeigenschaften der Oberfläche bestimmen. Für die Krafterzeugung wird ein elektromagnetischer Aktor benutzt. Der Test ist für viele unterschiedliche Materialien geeignet, da die Testspitze je nach Betriebsart mit Kräften zwischen 30 Nanonewton und 500 Mikronewton arbeiten kann und sich Eindringtiefen zwischen 0,1 Nanometer und 50 Mikrometer messen lassen. Diese Aufgabe übernehmen hochauflösende kapazitive Sensoren von der Firma Physik Instrumente in Karlsruhe. Sie messen die Eindringtiefe der Spitze über der Zeit. Im statischen Betrieb wird gleichzeitig der Spulenstrom und damit die Kraft gemessen, was die Darstellung eines Kraft/Weg-Diagramms ermöglicht. Im dynamischen Betrieb wird die Kraft aus der wirkenden Beschleunigung auf den Loading Head ermittelt.

Kapazitive Positionssensoren

Die kapazitiven Sensoren arbeiten mit Auflösungen bis in den Sub-Nanometerbereich, liefern absolute Messwerte und messen die Eindringtiefe berührungslos. Dadurch arbeiten sie verschleiß- und hysteresefrei und beeinflussen nicht die eigentliche Anwendung. Der kapazitiven Messtechnik liegt ein einfaches physikalisches Prinzip zu Grunde: Zwischen den Platten eines Kondensators entsteht beim Anlegen einer Spannung ein homogenes elektrisches Feld. Eine Abstandsänderung der beiden Platten beziehungsweise Flächen ist dem Ausgangssignal an der Messelektronik proportional. Prinzipiell stehen kapazitive Positionssensoren in zwei unterschiedlichen Grundbauformen zur Verfügung – als Ein- oder Zwei-Elektrodensysteme. Beim NanoTest sind Sensoren mit nur einer Elektrode eingesetzt; als zweite Elektrode dient eine leitende Platte hinter der Testspitze. Voraussetzung für die Proportionalität ist allerdings, dass das elektrische Feld zwischen den Elektroden wirklich homogen ist. Um dies zu erreichen und verfälschende Randeffekte auszuschließen, ist bei den kapazitiven PISeca Sensoren die eigentliche Messfläche mit einem aktiven Schutzring umgeben, der dasselbe elektrische Potenzial hat wie die Sensorfläche. Dieser Aufbau sorgt für eine optimale Abschirmung vor störenden elektrischen Feldern von außen und eine genau definierte Abgrenzung der Messfläche. So wird ein homogenes elektrisches Feld erzeugt, woraus eine sehr hohe Linearität der Messwerte folgt. Typische Linearitätswerte liegen unter 0,01 Prozent des nominalen Messbereichs.

Nanopositioniersystem

Für die zum Scannen notwendigen Bewegungen in X- und Y-Achse sorgt ein piezobasiertes Nanopositioniersystem. Sein 200 mal 200 Mikrometer großer Scan-Bereich ermöglicht genaue Aussagen über die Beschaffenheit der Kontaktfläche und ihrer Umgebung. Die Positioniergenauigkeit unterhalb von drei Nanometern ermöglicht eine hohe Ortsauflösung für den Scan. Zum einen werden so kritische Belastungen genau einer bestimmten Position zugeordnet, was wiederum Schlüsse auf die lokalen Materialeigenschaften zulässt, zum anderen können kleinste Proben anhand vieler Messpunkte auf engstem Raum untersucht werden. Die treibende Kraft des beim NanoTest eingesetzten Nanopositioniersystems sind Piezoaktoren. Sie wandeln elektrische Spannung direkt in mechanische Auslenkung und umgekehrt. Dabei können typischerweise Stellwege von einigen hundert Mikrometern und hoher Dynamik mit Frequenzen bis zu mehreren hundert Hertz erreicht werden. Da die Bewegung, die auf Verschiebungen innerhalb der molekularen Struktur beruht, reibungsfrei ist, lassen sich Bewegungen bis in den Bereich einzelner Nanometer auflösen.

Die Bahngenauigkeiten während des Scans werden durch eine aktive Führung – wiederum durch kapazitive Sensoren – noch verbessert. Die dafür notwendige Steuerung übernimmt ein digitaler Controller. Auch er stammt aus dem PI-Programm und ist speziell auf die mehrachsigen parallelkinematischen Piezo-Nanopositioniersysteme abgestimmt. pb