Conference papers

In this contribution we present the concept of photon momentum enabled SI-traceably made small force generation and measurements below the conventionally accepted limits. The developed instrumentations, the measurement infrastructure and the obtained results demonstrate the advantages of this concept and further are extended to present the means of systematization of the force measurements covering the range below 10 μN to several tens of nN. The prospects to reduce the relative measurement uncertainties of small force and small weight measurements are discussed.

Thermometer zur Überwachung, Steuerung oder Regelung der Prozesstemperatur werden in der Verfahrenstechnik in verschiedensten Medien wie strömenden Gasen, verschiedenen Ölen, Wasser bis hin zu Heißdampf und auch in verschiedenen Temperaturbereichen eingesetzt. In Abhängigkeit von den Mediumsbedingungen verändern sich die Wärmeübergangskoeffizienten beim Wärmeaustausch zwischen Medium und Thermometer. Als Folge dessen sind sowohl die statisch-thermischen Messabweichungen als auch die dynamischen Kennwerte dieser Thermometer neben ihrem Aufbau auch von den Mediumsbedingungen abhängig. Um schnell auf Änderungen der Mediumstemperatur reagieren zu können, ist es wichtig, die dynamischen Eigenschaften von Thermometern im Vorfeld des Einsatzes abzuschätzen. Das kann durch numerische Berechnungen erfolgen, die jedoch zum Teil sehr aufwändig oder auch zu ungenau sein können, wenn Mediumseigenschaften, Strömungsbedingungen oder geometrische Details der Messstelle nicht genau bekannt sind. Deshalb ist es meist genauer, die dynamischen Eigenschaften experimentell unter bekannten Bedingungen zu bestimmen. Thermometer können sich in ihren Ausführungen sehr stark unterscheiden. Thermometer für Messungen in Gasen haben häufig freiliegende Sensoren, die mit einem Schaft fixiert sind. Für Messungen in Flüssigkeiten oder Schüttgütern werden geschlossene Bauformen mit innenliegenden Sensoren verwendet., die bei hohen mechanischen oder chemischen Belastungen zusätzlich in Schutzrohren eingebettet sein können.

Zwei-Photonen-Absorptionsverfahren (2PA) bieten die Möglichkeit, extrem feine Strukturen auf lichtempfindlichen Materialien zu erzeugen. Für das direkte Laserschreiben zur Mikro- oder Nanofabrikation werden Lasersysteme mit hochpräzisen Positioniersystemen kombiniert. Diese sind meist auf einen Positionierbereich von einigen hundert Mikrometern begrenzt bei Anwendungen basierend auf piezoelektrischen Tischen oder sogar nur relativ wenige zehn Mikrometer bei Anwendungen, die auf Galvanometerscannern basieren. Diese Techniken sind zwar präzise, aber für größere Fertigungsbereiche sind Stitching-Methoden erforderlich. Daher wurde ein Aufbau aus einem Femtosekundenlaser für 2PA und einem Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NMM-1) für das hochpräzise Laserschreiben auf größeren Oberflächen entwickelt. Die NMM-1 wurde an der TU Ilmenau zusammen mit der SIOS Meßtechnik GmbH entwickelt, mit einem mit einem Positioniervolumen von 25 mm × 25 mm × 5 mm und einer Positionierauflösung im Sub-Nanometerbereich. Weiterentwicklungen des Systems sollen deutliche Verbesserungen beim hochpräzisen und stitchingfreien Laserdirektschreiben zur großflächigen Nanostrukturierung ermöglichen.

Aufgrund aktueller Entwicklung in der Halbleitertechnologie steigen die Anforderungen hinsichtlich der Dynamik der Positionierung und des Messvolumens von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. Ein vielversprechender Ansatz zur Lösung dieses Problems stellen Maschinen auf Basis eines im Vergleich zum herkömmlichen moving-stage-Prinzip invertierten Konzepts dar, welches jedoch weitere Herausforderungen mit sich bringt. Für die hochpräzise Positionierung des Sensorkopfes im Messraum werden drei kompakte Vierstrahlinterferometer benötigt, um alle notwendigen Translationen und Rotationen des Messkopfs sowie die Topographie des Referenzsystems bestehend aus drei großflächigen Spiegeln zu rekonstruieren. Es wird ein Heterodyn-Laserinterferometer mit konsequent getrennten Strahlengängen für die einzelnen heterodynen Frequenzen vorgestellt. Neben einem Überblick über das Design des Strahlengangs und der Funktionsweise des Interferometers werden die auf einem System-On-a-Chip mit integriertem FPGA, CPU und A/D-Wandlern implementierten Signalverarbeitungs- und Auswertealgorithmen sowie mit dem System aufgenommene Messdaten präsentiert.