Nanosensor misst gleichzeitig Kraft und Weg

04.04.2013: Mit der Bedeutung der Nanotechnologie wächst auch der Bedarf an genauen Messungen kleiner Kräfte. Ein in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickelter Nanokraftsensor bietet hier mehrere Vorteile: Durch die geschickte Anordnung verschiedener Bauelemente ist er gleichzeitig Aktor und darin integrierter Sensor. So kann er kleinste Kräfte bis in den nN-Bereich hinein messen und parallel dazu Auslenkungen bis in den nm-Bereich erfassen. Weil er lithografisch relativ einfach hergestellt werden kann, lässt er sich kostengünstig produzieren.

Kleine Kräfte müssen beispielsweise gemessen werden, wenn es gilt, die Materialeigenschaften von biologischen Gewebeproben in der Medizin oder von neuen funktionalen Oberflächen beispielsweise für Konsumerprodukte zu erforschen. In diesen neuen Feldern von Forschung und Entwicklung kann der neue Sensor aus der PTB eingesetzt werden – aber auch zur Qualitätskontrolle der zunehmend in der Industrie eingesetzten Kunststoff-Mikroteile. Alle diese Oberflächen müssen durch taktile Verfahren dimensionell vermessen werden. Um das Messergebnis nicht zu verfälschen, sollten dabei die Antastkräfte möglichst klein sein. Eine Möglichkeit, Kräfte im Nanonewton-Bereich zerstörungsfrei, hochgenau und rückführbar zu messen, bieten Rasterkraftmikroskope. Dazu ist allerdings die genaue Kenntnis der Biegesteifigkeit der verwendeten Cantilever erforderlich. Sie lässt sich mit dem neuen Sensor aus der PTB sehr genau bestimmen. Darüber hinaus bietet der Sensor überall dort besondere Vorteile, wo es erforderlich ist, Kräfte und Wege gleichzeitig zu messen, etwa wenn parallel zur Eindringkraft auch die Eindringtiefe gemessen werden muss.

Die Entwicklung der PTB basiert auf einem mikroelektromechanischen System (MEMS), das aufgrund des lithografischen Herstellungsverfahrens einfach in großer Stückzahl hergestellt werden kann. Die zu messende Kraft wird über einen Schaft, an dem die Messspitze befestigt ist, auf ein kapazitives Messsystem übertragen. Mäanderförmige Federn, die am Substrat befestigt sind, halten diesen Schaft. Durch ihre spezielle Form wird eine kleine Federkonstante erreicht, sodass bei einer gegebenen zu messenden Kraft ein großer Weg zurückgelegt wird. Dadurch können kleine Kräfte bis zu 1 nN in einer linearen Dynamik bis zu 500 µN gemessen werden. Mit einem integrierten Faserinterferometer wird eine In-line-Kalibrierung der Schaftauslenkung ermöglicht.

Die Kombination der unterschiedlichen Sensoren in einem Messinstrument macht das Gerät zu einem Nanokraftaktor und gleichzeitig -sensor mit hoher Genauigkeit und gleichzeitig höchster Auflösung von Kraft und Weg. Die gleichzeitige Detektion von Kraft und Weg ermöglicht auch noch weitere, neue Anwendungen in Forschung und Entwicklung. Ein Funktionsmuster ist derzeit in der PTB im Einsatz. Aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des Nanokraftsensors soll zusammen mit der Industrie ein marktgängiges Produkt entwickelt werden.