Neuartige Methode zur Bestimmung der Schwerpunkhöhe von Massenormalen :
Novel method for determining the center of gravity height of mass standards. - In: Sensors and Measuring Systems, (2022), S. 204-207
The most precise vacuum mass comparators have a resolution of 0.1 μg, operating at one kilogram [1]. The resolution represents a relative difference in weight of the artifacts of 1×10^(-10). Small deviations in the height of the center of gravity of the mass artifacts lead to a systematic error of the measurement results. For example a difference in the height of the center of gravity of 1 cm in Earth's gravitational field causes a relative systematic uncertainty contribution of 3.2×10^(-9). Therefore, it is important to know the artifacts' heights of the center of gravity. This paper introduces a novel approach to measure the height of the center of gravity of high-sensitive mass artifacts. The method allows to compare the mass of artifacts of unusual shape, inhomogeneous composition or hollow mass standards with uncertain internal geometry. For the determination, the mass artifacts are placed on three load cells, arranged at an angle of 120˚. The load cells are attached to the base, which stands on a high-precision tilt table [2]. The difference in force with variation of the inclination angles allows to calculate the height of the center of gravity of the artifacts. To verify the method, various mass standards of known geometry and composition are measured as described. In the end, the comparison between theoretically determined values and the measurement results shows a good agreement of the method.
https://ieeexplore.ieee.org/document/9861899
Hysteresis associated with intrinsic-oxide traps in gate-tunable tetrahedral CVD-MoS2 memristor. - In: IEEE 22nd International Conference on Nanotechnology (NANO), (2022), S. 527-530
We introduce back gated memristor based on CVD-grown 30-40 nm thick MoS2 channel. The device demonstrates bipolar behaviour and the measurements are consistent with the simulations performed within the intrinsic-oxide traps model. This confirms the theory that the source of hysteresis in thin-film MoS2 memristors is charge trapping on MoS2/SiO2 interface and the grain boundaries. The impact of back gate voltage bias, voltage sweep range and channel area on memristive effect was studied and quantified using hysteresis area. Hysteresis in bipolar memristors can be tuned by back gate voltage, which makes these devices promising for neuromorphic computing.
https://doi.org/10.1109/NANO54668.2022.9928717
Redundante Temperatursensorik für das Batterien-Monitoring. - In: EASS, (2022), S. 42-46
Der Einsatz redundanter Temperaturmesssysteme erlaubt es, die Betriebssicherheit von Sensorsystemen deutlich zu erhöhen. Solche Systeme bestehen aus mindestens zwei Sensoren gleicher oder unterschiedlicher Technologie bzw. Kennlinie. Der erste Fall wird als homogene, der letzte als diversitäre Redundanz bezeichnet. Insbesondere der Ausfall eines einzelnen Sensors kann auf diese Weise zuverlässig detektiert werden. Darüber hinaus kann bei Berücksichtigung einer eingeschränkten Zuverlässigkeit auch weiterhin ein Messwert ermittelt werden. Vor diesem Hintergrund besteht u. a. im Bereich der Automobilindustrie zunehmend Bedarf an selbstvalidierender Sensorik dieser Art.
Frequenzkamm-gekoppelte Metrologielaser für die interferometrische Längenmessung in Nanopositionier- und Nanomessmaschinen :
Comb-referenced metrology laser for interferometric length measurements in nanopositioning and nanomeasuring machines. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 89 (2022), 10, S. 687-703
In this article a new approach for the direct traceability of interferometric length measurements in nanopositioning- and measuring machines is presented. The concept is based on an optical frequency comb tied to a GPS disciplined oscillator. The frequency comb serves as a highly stable reference laser with traceable optical frequencies. By directly stabilizing the metrology lasers of a nanopositioning and -measuring machine to a single comb line a permanent link of the laser frequency to an atomic clock is created allowing direct traceability to the SI meter definition. The experimental conditions to provide traceability will be discussed. Furthermore, it is demonstrated how the long-term frequency stability of an individual comb line can be transferred onto the metrology lasers enhancing their stability by three orders of magnitude.
https://doi.org/10.1515/teme-2022-0013
Extensions for the design of a two photon based direct laser writer for large-area, high precision nanostructuring :
Erweiterungen zum Aufbau eines zwei Photonen basierten direkten Laserschreibers zur großflächigen, hochpäzisen Nanostrukturierung. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 89 (2022), S. S55-S60
Zur Realisierung extrem feiner Strukturen spielen direkte Laserschreibprozesse, basierend auf Zwei-Photonen-Absorptionsverfahren (2PA), eine zentrale Rolle in der Mikro- und Nanofabrikation. Dafür ist neben einem Lasersystem ein hochpräzises Positioniersystem notwendig. Meist basieren diese Positioniersysteme auf Prinzipien, die ohne zusätzliche Stiching-Verfahren nur kleine Positionierbereiche ermöglichen. Für piezoelektrische Tische sind zum Beispiel nur einige hundert Mikrometer möglich. Auf Galvanometer-Scannern basierten Systemen können sogar nur Positionierbereiche von wenigen zehn Mikrometern realisiert werden. Um ohne zusätzliche Stiching Verfahren größere Fertigungsbereiche mit hoher Präzision für Mikro- und Nanostrukturierung zu ermöglichen, wurde ein Aufbau aus einem Femtosekundenlaser für 2PA und einer Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NMM-1) entwickelt [3]. Die NMM-1 wurde an der TU Ilmenau zusammen mit der SIOS Meßtechnik GmbH entwickelt, mit einem Positioniervolumen von 25 mm × 25 mm × 5 mm und einer Positionierauflösung im Sub-Nanometerbereich. Dieser Aufbau wurde in den letzten Jahren weiter entwickelt und Strukturbreiten konnten reduziert werden [2]. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung einer funktionalen Einheit aus Femtosekundenlaser und NMM-1. Dies soll die Komplexität erhöhen und die Homogenität der geschriebenen Strukturen stark verbessern.
https://doi.org/10.1515/teme-2022-0058
A bottom-up approach for the radius and roundness measurement of micro spheres :
Ein Bottom-up Ansatz für die Radius- und Rundheitsmessung von Mikrokugeln. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 89 (2022), S. S101-S106
Die mangelnde Verfügbarkeit von präzise charakterisierten Kugeln im Submillimeterbereich schränkt derzeit die Leistungsfähigkeit von Mikro- und Nano-Koordinatenmessgeräten ein. Aus diesem Grund werden am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau neue Ansätze zur Messung solcher Kugeln untersucht und daraus entsprechende Messverfahren entwickelt. Ein vielversprechender Ansatz basiert dabei auf einer Reihe von Oberflächenscans im Zusammenhang mit einem Stitching-Algorithmus. Als Oberflächensensor kommt zur Zeit ein Atomkraftmikroskop (AFM) im Kontaktmodus zum Einsatz. Eine rückführbare Messung erfordert eine präzise Charakterisierung der AFM-Spitzenform und deren Unsicherheit, um diesen Einfluss zu korrigieren und die Unsicherheit fortzupflanzen sowie möglichen Verschleiß der AFM-Spitze während des Messvorgangs festzustellen. Diese Aspekte fanden bisher keine Beachtung. Ausgehend von dem publizierten Stand wurde deshalb die Messstrategie und der Auswertealgorithmus durch eine geeignete Strategie zur Korrektur des Spitzenformeinflusses sowie der Ermittlung der Spitzenform erweitert. Diese wurde experimentell durch den Einsatz unterschiedlicher AFM-Spitzen mit nominellen Radien von 100 nm bis 2 μm an einer 300 μm-Rubin-Kugel untersucht. Im Rahmen des Beitrags werden dazu erste Ergebnisse vorgestellt und diskutiert.
https://doi.org/10.1515/teme-2022-0073
Entwicklung eines neuartigen Magnetsystems für eine 1 kg-Planck-Waage :
Development of a novel magnet system for a 1 kg Planck balance. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 89 (2022), S. S31-S36
The following paper presents the development of a novel magnet system for use in a 1 kg Planck balance. For this purpose, several preliminary theoretical and experimental investigations were carried out and an optimized prototype magnetic system was modeled, designed and built based on the results. Initial measurements showed that the magnet system with an outer diameter of 104 mm and a height of 50 mm achieved a constant average value of 85.25 N A^-1 at a range of motion of ±0.6 mm.
https://doi.org/10.1515/teme-2022-0043
Ultrastable, traceable optical frequencies for length metrology in long-range nanopositioning and nanomeasuring machines. - In: Proceedings of the 22nd International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2022), S. 381-384
Investigations on the tracking control and performance of a long stroke vertical nanopositioning drive. - In: Proceedings of the 22nd International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2022), S. 233-236
First prototype of a positioning device with subatomic resolution. - In: Proceedings of the 22nd International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2022), S. 97-100
In the forthgoing work on a device that enables subatomic resolved highly reproducible positioning, a first prototype is here presented. The entire positioning system including the actuator, sensor and guiding mechanism, is realized as a micro-electro-mechanical system (MEMS) on chip level, based on silicon-on-insulator (SOI) technology. A modular printed circuit board acts as the mechanical as well as the electrical contacting interface for the silicon chip. First variants of a linear positioning system comprising axisymmetric double parallel crank structure are investigated. Pivot joints as flexure hinges with concentrated compliance are deployed. These hinges show minimal rotational axis displacement for small angles of deflection, thus ensuring smallest deviations to a straight-line path of the linear guiding mechanism. An electrostatic comb actuator transmits forces contactless to minimize over constraints. A measuring bridge in differential mode utilizes the same comb structures to measure the table position based on the capacitance change. Estimating the position resolution, limited by the resolution of the capacitive sensor, a measurable step width below 50 pm can be expected. In further steps, the device will be a platform to be equipped with a lattice-scale-based position measurement system according to achieve an even higher resolution and reproducibility.