Gewichtskraftkompensation für eine Nanopositionier- und Nanomessmaschine. - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die stetige Verkleinerung von Mikrosystemen ist ein wichtiger Treiber für die Entwicklung moderner Technologien. Nanopositionier- und Nanomessmaschinen mit großem Verfahrbereich und höchster Genauigkeit spielen dabei eine wichtige Rolle. Diese Maschinen können nicht nur in der Präzisionsmesstechnik eingesetzt werden, sondern sind auch in der Fabrikation von Nanostrukturen von zentraler Bedeutung. An der TU Ilmenau wurde daher die Nanopositionier- und Nanomessmaschine NPMM-200 mit einem Messbereich von 200 mm × 200 mm × 25 mm und einer Auflösung von 20 pm entwickelt. Die Aktoren der z-Achse müssen die Schwerkraft permanent kompensieren, die dabei entstehende Abwärme stört das verwendeten Messsystem. Aus diesem Grund ist in der NPMM-200 eine passive Gewichtskraftkompensation (GKK) eingebaut. Da die Anpassung dieser an verschiedene Nutzlasten nur händisch in drei Antriebsachsen erfolgt, soll diese durch eine aktive GKK mit einem pneumatischen Aktor ersetzt werden. Diese Arbeit präsentiert die Implementierung dieser aktiven GKK. Zunächst wird ein Versuchsaufbau mit einem Präzisionsmesssystem und einer Tauchspule in Betrieb genommen. Anschließend wird die Regelung der GKK an dem Versuchsaufbau ausgelegt. Nachfolgend werden Funktionstests durchgeführt, die zeigen, dass die GKK eine Kraft von bis zu 133 N über den gesamten Verfahrbereich von 25 mm kompensieren kann, ohne einen störenden Einfluss auf die Positioniergenauigkeit der Nanopositionier- und Nanomessmaschine zu haben. Die GKK zeigt auch in der NPMM-200 das geforderte Verhalten.
Realisierung eines adaptiven Systems zur Anpassung eines Laserstrahls an eine geneigte Oberfläche durch ein senkrechtes Objektiv. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Beim direkten Laserschreiben wird ein UV-Laser auf ein mit Photoresist beschichtetes Substrat fokussiert. Im Vergleich zur traditionellen Maskenbelichtung bietet es eine größere Flexibilität und kann ein breites Spektrum unterschiedlicher Belichtungsanforderungen erfüllen. Eine wichtige Aufgabe hierbei die Belichtung von Substraten mit dreidimensionalen Oberflächen mit gleichbleibender hoher Qualität, also möglichst kleinen Strukturbreiten. Ziel dieser Studie ist Realisierung eines adaptiven Systems zur Anpassung eines Laserstrahls an eine geneigte Oberfläche durch ein senkrechtes Objektiv. Zunächst muss der Ablenkwinkel des zu messenden Objekts gemessen werden. Aus dem Ablenkwinkel wird der Zusammenhang zwischen Ablenkwinkel und Ausgleichswinkel modelliert. Dabei soll das einfallende Licht mit Hilfe adaptiven Spiegel immer senkrecht zur Oberfläche des Messobjekts zu stellen. Dadurch kann die Belichtung des Photoresist auf der Messobjekt verbessert werden. Um große Ablenkungen auf dem Detektor messen zu können, wurde ein Bessel-Strahl integriert. Dieser reagiert sehr empfindlich auf die Ablenkung, weil durch diesen konisch-zulaufende parallele Strahlen an der Probe reflektieren. Damit ist es möglich über ein adaptives Kompensationselement den Ablenkungswinkel zu kompensieren. Für die Auslegung und Optimierung des neuartigen Prinzips wurde die Software Zemax verwendet, Mittels Baukastenoptiken und -Optomechanik wurde ein Demonstrator aufgebaut. Der Neigungswinkelkompensation wird durch einen piezoelektrischen Kippspiegel umgesetzt. Erste qualitative Ergebnisse bestätigen die grundlegende Funktion des vorgeschlagenen Prinzips.
Optimierung der Wellenfront eines Laserstrahls für das Direktlaserschreiben durch einen deformierbaren Spiegel . - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Im Vergleich zur traditionellen Maskenbelichtung ist das Direktlaserschreiben flexibler für bestimmte Spezialaufgaben sowie effizienter und genauer. Bei dieser Technik belichtet ein UV-Laser das fotogeätzte Substrat, um das gewünschte Reliefprofil zu erzeugen. Eine wichtige Aufgabe ist die hochqualitative Belichtung von Substraten mit dreidimensionalen Oberflächen. Am Fachgebiet Fertigungs- und Präzisionsmesstechnik wird die Nanopositionier- und Nanomessmaschine eingesetzt, um sicherzustellen, dass sich der UV-Belichtugnslaser mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich über die Oberfläche bewegt. Da dies von der aktuellen Probenform abhängt, wird ein adaptives optisches System die Form des Lichtflecks zu verringern. Dazu soll ein deformierbarer Spiegels die Wellenfront auf Basis von der Messung eines Shack-Hartmann-Sensors anpassen. Aber dem am Fachgebiet verfügbaren deformierbaren Spiegel fehlt dazu eine passende Ansteuerung, um Wellenfrontaberrationen zu kompensieren. Daher wird in dieser Arbeit eine neue Ansteuerungsschaltung für den deformierbaren Spiegel Spiegel entwickelt. Der vom Detektor detektierten Neigungswinkel der Probe in eine Steuerspannung umwandelt, mit der der deformierbare Spiegel verformt und eine Korrektur der Neigungsfehler erreicht werden kann. Mit Hilfe eines Algorithmus wurde zunächst die Oberfläche des verformbaren Spiegels simuliert, um eine kontrollierbare Oberflächenform zu erhalten. Entsprechend dem Entwurf wird ein Schaltungssystem zur Ansteuerung des Verformungsspiegels aufgebaut.
Entwicklung eines taktilen monolithischen 3D-Sensors mit optoelektronischen Kraft-Weg-Messsystemen für die Koordinatenmesstechnik. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die vorliegende Arbeit diskutiert die Entwicklung eines 3D-Tasters mit hoher Erfassungsgenauigkeit, der in der Submikrometer-Koordinatenmesstechnik eingesetzt werden soll. Dies umfasst neben dem strukturellen Design und Validierungsexperimenten die Analyse der real ermittelten Messdaten. Hierbei wurden zur praktischen Realisierung des Tasters weitestgehend verfügbare mechanische sowie elektronische Standardkomponenten verwendet. Nach einer Recherche zu Abmessungen und messtechnischen Eigenschaften kommerzieller Taster werden die Gesamtabmessungen der Messstruktur definiert, gefolgt von der Konstruktion eines Funktionsmodells des 3D-Tasters. Die zentralen Messkomponenten dieses Tasters sind fünf photoelektronische Wegmesssysteme, bestehend aus Infrarot-LEDs, Schlitzblenden und Doppel-Photodioden. Diese Schlitzblenden wurden speziell für die zu realisierende Messanordnung entsprechend den Parametern und Abmessungen der LEDs und Doppel-Photodioden dimensioniert. Die Versuchsplattform wurde aufgebaut und justiert. Ebenfalls wurde ein mehrkanaliger Messverstärker aufgebaut, angeschlossen und kalibriert. Mit diesem Prototyp wurden Messungen an einem realen Werkstück realisiert. Hierzu wurden mehrere Experimente durchgeführt, bei denen die vom Taster erzeugten Messsignale von einem PC zeitlich synchron erfasst wurden. Die dabei gewonnenen Messdaten wurden statistisch aufbereitet und mit Hilfe von Liniendiagrammen sowie Spektrogrammen visualisiert. Dies hatte zum Ziel, die Struktur des entworfenen Tasters und die Nutzbarkeit photoelektrischer Wegmesssysteme in dieser Anwendung zu überprüfen. Auf der Grundlage des Entwurfsprozesses und der experimentellen Ergebnisse werden Verbesserungsideen und Optimierungslösungen vorgeschlagen, um Hinweise für die nachfolgende Forschung und Anwendung zu geben.
Numerische Berechnung der statischen und dynamischen Eigenschaften eines Oberflächenthermometers. - Ilmenau. - 68 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
In dieser Arbeit werden die experimentelle Methode und die Finite-Elemente-Methode (FEM) verwendet, um die statische Messabweichung und das dynamische Verhalten eines Oberflächenthermometers zu untersuchen. Der Unterschied zwischen den experimentellen und numerischen Ergebnissen wird analysiert und mögliche Optimierungspläne des Thermometers werden diskutiert.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die Anforderungen für Winkelmessungen entwickeln sich stetig weiter. Gerade in Anwendungsfeldern wie der Geodäsie oder der Wägemesstechnik werden Messgeräte benötigt, die auch besonders kleine Winkel im μrad bis hin zum nrad Bereich auflösen können. Um Messgeräte dieser Art kalibrieren zu können wird ein Aufbau benötigt, der Winkel dieser Größenordnung auflösen kann und diese rückführbar macht um als Referenz zu dienen. Deshalb wurde im Rahmen dieser Masterarbeit das Konzept eines zweiachsigen Hochpräzisions-Kipptisch um ein integriertes Messsystem erweitert. Dazu wurden zunächst Anforderungen an die messtechnischen Aspekte, wie Auflösung und Messunsicherheit, und die konstruktiven Aspekte, wie Abmaße, Masse und Tragfähigkeitdefiniert. Anschließend dazu wurde Recherche zu alternativen Prüfeinrichtungen betrieben, die diese Anforderungen erfüllen. Da es keine geeigneten kommerziell erhältlichen Alternativen gab wurde das bestehende Konzept des Kipptisch weiterentwickelt um diese Anforderungen zu erfüllen. Dazu wurde zunächst ein Messprinzip erstellt, welches in das bestehende Konzept integriert werden konnte. Basieren sollte dieses Messprinzip auf Laserinterferometrie. Für das Messprinzip und die anderen funktionsrelevanten Komponenten wurden anschließend Variationen mit verschiedenen Vor- und Nachteilen erstellt bzw. definiert. Aus diesen Variationen wurde auf Basis von messtechnischen, physikalischen und wirtschaftlichen Aspekten jeweils die beste Lösung gewählt. Der daraus resultierende Aufbau wurde konstruiert und die Vorgehensweise für die Justage der Ausgangslage wurde definiert. Da der Aufbau nicht fertiggestellt werden konnte wurde zumindest die theoretische Messunsicherheit bestimmt. Diese besteht aus den Einflüssen der Interferometermessungen, den Abmaßen des Aufbaus, vorwiegend den Abständen der Messpunkte zueinander und dem Fehler der Auslenkung der bei der Justage definiert wird. Abschließend erfolgten Messungen zur Bestimmung der Kennwerte der verbauten Lineartische. Im Vordergrund stand dabei die Positioniergenauigkeit während der Relativ- und Absolutfahrt und dem Homing des Lineartisch.
Messaufbau zur Bestimmung mechanischer Verformung ultrapraziser Planoptiken. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
In den letzten Jahren wurden mit der schnellen Entwicklung der Präzisionsfertigungsindustrie, wie der Halbleiterindustrie, die Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit immer höher. Das Institut für Prozessmesstechnik und Sensorik der TU Ilmenau startete daher eine Untersuchungsreihe mit dem Fizeau-Interferometer. Mit dem Fizeau-Interferometer kann die Formabweichung eines optischen Bauteils (Spiegel, Linse etc.) hochpräzise erfasst werden. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, müssen alle systematischen Fehler korrigiert werden, einschließlich des Positionsfehlers der Referenzspiegel, des Herstellungsfehlers und des Verbiegens aufgrund seiner eigenen Schwerkraft. Diese Faktoren wirken sich direkt auf die Genauigkeit der Messergebnisse aus, sodass systematische Fehler gut kalibriert werden müssen. Und in den letzten Jahren hat die Forschung zur Kalibrierung der systematischen Fehler der Oberflächentopographiemessung auch langfristige Fortschritte gemacht, es wurden Absolut tests mit Fizeau-Interferometer durchgeführt, wie der traditionelle Drei-Platten-Test und der Multi-Rotations Drei-Platten-Test. Um die Beschränkung des traditionellen Drei-Platten-Tests auf den Schwerkraftgradienten zu kompensieren, wird inzwischen eine weitere absolute test zum Kalibrieren der Referenzspiegel in vertikaler Richtung eingeführt. Darüber hinaus wird, um die Messung an großflächige Topographie anzupassen und die Vorteile hoher Präzision beizubehalten, eine neue Messung durch Verbinden von Interferogrammen mit kleinen Aperturen und die dazugehörige Software entwickelt Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Messaufbaus zur Bestimmung der mechanischen Verformung von ultrapräzisen Planoptiken. Dieser Messaufbau basiert auf dem Fizeau-Interferometer, um einen Drehmechanismus zu entwickeln, der es ermöglicht, die Kombination aus Umlenkspiegel (MUX), Referenzspiegel und Testspiegel um die optische Achse des Interferometers im Bereich von 0˚ bis 180˚ zu drehen. Diese Kombination macht für jedes Experiment drei Stopps bei 0˚, 90˚ und 180˚ und führt dann drei Messungen durch. Die experimentellen Daten werden erhalten, und dann kann die Verformung des Referenzspiegels aufgrund seiner eigenen Schwerkraft kalibriert werden. Dies erfordert von der Auslegung des Messaufbaus eine hohe Zuverlässigkeit und Stabilität. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist es, die beste Kombination aus Testspiegel und Fundament herauszufinden. Und verifiziert auch den Rückschluss, ob die Verformung der Testplatte vor und nach dem Umklappen um 180˚ gleich ist. Die Testspiegel in der Simulation werden mit Klebstoff auf dem Fundament befestigt, so dass sie leicht durch die Vorrichtung fixiert werden können. Diese Arbeit simuliert eine Vielzahl von Faktoren, die die Topographie der Testoberfläche beeinflussen, wie z. B. die Materialien der Testfläche, des Fundaments und des Klebers, die Höhe des Fundaments, die Form und Höhe der Kleberschicht. Nach Vergleich der Daten durch Simulation ist BK7-Glas das beste Material für die Testspiegel und das Fundament. Die Verwendung eines prismatischen Fundaments mit einer Höhe zwischen 100 und 120 mm erzielt die besten Daten, aber der begrenzte Platz des Messsystems und die Kosten werden berücksichtigt, ein 40 mm hohes Fundament ist die bessere Wahl. Bei Kleberstoff hat das Material einen sehr geringen Einfluss auf die Versuchsergebnisse, aber die Höhe der Kleberschicht hat einen großen Einfluss, und 0,5 mm ist eine ideale Höhe. Dann kann nach dem Vergleich der Verformungsdaten davon ausgegangen werden, dass die Verformung der Testspiegel vor und nach dem Umklappen um 180˚ unter Schwerkraft gleich ist. Diese Arbeit ergänzt die Kalibrierung der systematischen Fehler von Referenzspiegeln. Es bietet in Zukunft die Möglichkeit einer genaueren Messung der Oberflächentopografie.
Analyse und Optimierung der Justage von Mikrosphären für die Nanoskopie an einem axial-refokussierenden Objektiv. - Ilmenau. - 54 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Aufgrund der Beugungsgrenze der Lichtmikroskopie ist die Auflösung von Abbildungssystemen auf die Größenordnung einer halben Wellenlänge begrenzt. In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene optische, hochauflösende mikroskopische Bildgebungsverfahren vorgeschlagen und entwickelt. Die Platzierung von Mikrokugeln auf der Probenoberfläche, die unter Weißlichtbeleuchtung die Beugungsgrenze durchbrechen können und einfach und kostengünstig zu betreiben sind, bietet beispielsweise eine einfache und unkomplizierte Möglichkeit, biologische Proben und Nanostrukturen in Echtzeit superaufgelöst abzubilden. In dieser Masterarbeit wird versucht, eine neue Mikrokugel-gestützte Mikroskopiemethode anzuwenden. Der Gesamtaufbau und die Funktion können einfach so verstanden werden, dass dem Mikroskop eine weitere Lupe hinzugefügt wird, und die Mikrokugeln sind diese Lupe. Die Mikrokugel ist durch van-der-Waals-Kräfte und elektrostatische Kräfte an der Spitze des Mikrokantilevers befestigt, und der Abstand zwischen der Mikrokugel und dem Objektiv kann durch modellbasierte Steuerung des piezoelektrischen Aktors fein justiert werden. Automatisierung und Präzision des Aspirationsprozesses von Mikrokugeln mit Hilfe von Code und Kontrollsoftware. Durch die Kombination des Cantilevers mit der Mikrokugel werden Beschädigungen und Verunreinigungen der Probe wirksam vermieden, und durch die Relativbewegung zwischen der Mikrokugel und der Probe kann ein größerer Beobachtungsbereich erzielt werden.
Identifikation von geeigneten Reibmodellen für die modellbasierte Regelung einer Nanopositionier- und Nanomessmaschine. - Ilmenau. - 50 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Ziel der Arbeit ist es, die Auswirkungen der Reibung auf die vertikale Achse der Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NPMM) zu kompensieren. Dazu werden die Reibungsphänomene des Systems beobachtet und analysiert, ein Reibmodell identifiziert, eine Vorsteuerung mit einem Reibmodell in das System eingebaut und der Störgrößenbeobachter des Systems verbessert. Aufgrund der Komplexität der Regelungsphänomene der vertikalen Achse wird die Auswirkung ihres Oberflächenbildes auf das statische und dynamische Verhalten des Systems beobachtet und analysiert. Die Identifikation durch Parameterisolation wird untersucht, einschließlich der Anschlagposition, Ausgleichsposition zwischen Gewichtkraft und Federkraft und Zusammenhang zwischen Motorstrom und Position, um das Streckenverhalten zu beobachten. Dann die Identifikation durch Gesamtmodellregression erfolgt im Allgemeinen in zwei Schritten, zunächst die Identifikation der Grundparameter des Systems 2. Ordnung und dann die Identifikation des Reibmodells. Die Identifizierte Reibmodell wird in eine Vorsteuerung Term implementiert. Die Wirksamkeit der Vorsteuerung und des Störungsbeobachters wird anhand eines Regelungssystems überprüft, das auf einem PI-Zustandsregler, einer Vorsteuerung mit Reibmodell und einem Störgrößenbeobachter basiert. Die Leistung wird an zwei Trajektorien überprüft: Sinus Bewegung mit einer Amplitude von 0,1 mm und einer Frequenz von 0,5 Hz, lineare Bewegung mit Abstand 1 mm, und max. Geschwindigkeit 0,1 mm/s. Dabei ergeben sich verbleibende Abweichungen für sinusförmige Bewegung von 47,80nm und für lineare Bewegung von 7,58nm. Die maximalen Abweichungen befinden sich für die sinusförmige Bewegung von 157,98 nm sowie für die lineare Bewegung von 48,20 nm.
Untersuchung und Optimierung der Ecklastproblematik von Hochlastkomparatorwaagen. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Optimierung des Fehlers auf Grund von außermittiger Belastung an einem Entwicklungsmuster der Edelstahl-Brückenwaage, welche als Hochlastkomparatorwaage eingesetzt werden soll. Zu diesem Zweck werden messtechnische Untersuchungen durchgeführt, um das Ecklastverhalten der Waage zu erfassen. Ebenfalls werden Messungen zur Wiederholbarkeit der Waage durchgeführt, da durch die Reduzierung des Ecklastfehlers (Fehler aufgrund von außermittiger Belastung) das übergeordnete Ziel der Verbesserung der Wiederholbarkeit der Waage erreicht werden soll. Basierend auf einer FEM-Analyse der Edelstahl-Brückenwaage wird ein schematisches Ecklastmodell erstellt, in dem Ecklasteinflüsse und Ecklasteffekte dargestellt werden. Mit den Erkenntnissen aus diesem Ecklastmodell werden mehrere Maßnahmen zur Reduzierung des Ecklastfehlers ausgearbeitet und hinsichtlich ihrer Eignung für diesen Anwendungsfall bewertet. Schlussendlich werden zwei dieser Maßnahmen umgesetzt und wiederum messtechnisch auf ihre Performance geprüft.