Masterarbeiten, Diplomarbeiten

In vielen technischen Bereichen werden heutzutage Strukturen im Nanometerbereich gefertigt und genutzt. Zum überprüfen dieser Strukturen werden Messgeräte mit Messunsicherheiten im Nanometerbereich gefordert. Weiterhin bestehen immer höhere Anforderungen an den Messbereich solcher Messgeräte. Der Messbereich orientiert sich zum Beispiel an der Größe der gezogenen Silizium Einkristalle und der daraus gefertigten Wafer. Die Messunsicherheit dieser Messgeräte hängt von der regelmäßigen Kalibrierung und dem damit verbunden Anschluss an das nationale Längennormal ab. Hierzu werden in der Praxis die verschiedensten Formen von kalibrierten Transfernormalen genutzt. Zur Kalibrierung der z-Achse von Messgeräten können zum Beispiel Stufenhöhennormale genutzt werden. Um eine Kalibrierung über den gesamten Messbereich zu gewährleisten ist hier allerdings ein Satz von Normalen verschiedener Höhen erforderlich. - In der vorliegenden Diplomarbeit wurde solch ein Satz von Stufenhöhennormalen der Werte 5 mm, 4 mm, 3 mm, 2 mm und 1 mm gemessen. Hierzu kam die an der TU-Ilmenau entwickelte Nanomess- und Positioniermaschine mit einem Laserfokussensor als Antastsystem zum Einsatz. Weiterhin ist die Messunsicherheit der Stufenhöhenmessung nach dem in der Praxis anerkannten Verfahren des GUM ermittelt worden. Die Auswertung der Stufenhöhe erfolgte in Anlehnung an die DIN EN ISO 5436-1. - Im Vorfeld wurden hierzu einige Untersuchungen an der Nanomess- und Positioniermaschine durchgeführt. Zum Beispiel wurde die Korrekturfunktion der z-Messspiegelfläche überprüft und korrigiert. Es haben weiterhin Untersuchungen zu Temperaturänderungen innerhalb der Nanomessmaschine während des Betriebs stattgefunden. Die daraus ermittelten Werte wurden in das Messunsicherheitsbudget einbezogen. Die Untersuchungen wurden an der Nanomessmaschine der SIOS Messtechnik GmbH durchgeführt. - Es fanden weiterhin Vergleichsmessungen der Stufenhöhennormale an den Nanomessmaschinen im Ernst-Abbe-Zentrum und im Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien statt. Der Einfluss der Lage des Messobjekts auf der Messspiegeloberfläche und ein gezielter Abbeversatz des Antastsystems wurden ebenfalls untersucht.

Anforderungen und Potentiale der Wägetechnik entwickelten sich in den letzten Jahren ständig weiter. Das Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der Fakultät Maschinenbau an der TU-Ilmenau beschäftigte sich in den vergangenen Jahren intensiv mit der Untersuchung selbsttätiger Kontrollwaagen und den dabei eingesetzten Wägezellen. - Im Entstehungszeitraum dieser Anlagen, für industrielle Zwecke, gab es vorerst keine oder nur wenige Untersuchungen der vielfältigen Einflussparameter während dem kontinuierlichen Transport von Produkten durch die Hersteller. Diese Parameter wurden erstmals an der Technischen Universität Ilmenau zusammenhängend untersucht. Das Wissen und gewonnene Erfahrungen in diesem Bereich sollen in die studentische Ausbildung einfließen und praktisch vermittelt werden. - Zu diesem Zweck wurde das Einsatzspektrum einer bereits vorhandenen Kontrollwaage erweitert und in Form eines Praktikumsversuches für die studentische Ausbildung ausgebaut. - Mit dem Praktikum "Dynamische Wägetechnik - Industrielle Förderbandwaage" soll den Studenten ein Gefühl für derartige Geräte und Messtechnik vermittelt werden. - Anhand von definiert geänderten Parametern werden gravierende Probleme bei der Messwertaufnahme durch Beschleunigungsänderungen von Wägegut durch kontinuierlichen und schnellen Transport deutlich. - Vorbetrachtungen und Auswahl möglicher veränderbarer Parameter sowie die konstruktive Erfassung der Anlage erfolgten in einer zuvor angefertigten Studienarbeit. Notwendige Umbaumaßnahmen wurden derart konstruiert, dass durch die Zusammenfassung der Einzelteile in Baugruppen, ein Rückschluss auf den zu simulierenden Fehler möglich wird. - Weitere Aufgaben beinhalteten die Einbindung und Programmierung eines Mikrocontrollers zur Implementierung der Lichtschrankensignale in den Messsignalfluss sowie die Erstellung einer Benutzersoftware zur Einstellung der Waagenparameter und Steuerung des Messvorgangs. - In der schriftlichen Ausarbeitung werden nachvollziehbar notwendige Schritte für die konstruktiven und softwaretechnischen Umbaumaßnahmen beschrieben und Überlegungen dokumentiert.

In Industrie und Forschung werden zunehmend interferometrische Messverfahren eingesetzt. Dabei dient die Wellenlänge des verwendeten Lasers als Maßverkörperung. Die Wellenlänge ist jedoch abhängig von Brechzahländerungen des umgebenden Mediums. Solche Änderungen werden beispielsweise durch Luftverwirbelungen verursacht. Diese können über eine Messung der Brechzahl kompensiert werden. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Luftverwirbelungen auf die Messfehler interferometrischer Messungen. Dazu werden Messungen unter Laborbedingungen mit Messungen verglichen, bei denen die Einflüsse von Luftfluktuationen durch Abschirmungen vermindert werden. Zusätzlich wird die Wirksamkeit verschiedener Abschirmungen durch das gezielte Einbringen von Turbulenzen untersucht. Die entstehenden Brechzahländerungen werden mit Hilfe eines Refraktometers erfasst. Im Vergleich mit Parameterverfahren, bei denen die Brechzahl aus Umweltdaten, wie Lufttemperatur, Luftdruck und Luftfeuchte, berechnet wird, zeigt die Brechzahlbestimmung auf Basis interferometrischer Messungen größere Genauigkeit. Es wird nachgewiesen, dass die Abschirmung der Messstrecke gegenüber Verwirbelungen zu einer signifikanten Reduktion der Messfehler führt. So verringerten sich z.B. bei vollständiger Abschirmung die auftretenden Brechzahländerungen um ca. 75%.

In der Halbleiterelektronik allgemein und in der Sensortechnik der Fahrzeugelektrik im Speziellen werden in zahlreichen Anwendungen Keramiksubstrate verwendet, auf welchem sich funktionale und elektrische Aufbauten wie mikromechanische Sensorelemente, Kondensatoren, Leiterbahnen etc. befinden. Aufgrund der Verbindung von mechanischen und elektrischen Bestandteile spricht in diesem Zusammenhang von Keramikhybriden. Vorschädigungen des Substratmaterials wie z.B. Risse können durch die im Einsatz auftretende Belastungen zum Ausfall der Elektronik führen. Daraus ergibt sich der Bedarf einer Rissprüfung von Keramikhybriden. Dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf einer Prüfeinrichtung, welche für den Einsatz in den Fertigungslinien der Robert Bosch Fahrzeugelektrik Eisenach GmbH geeignet ist. Mit Hilfe des entstandenen Prototyps soll für die im Niederdrucksensor DS-S2 verbauten Dickschichthybride eine 100%- Prüfung auf Risse im Keramiksubstrat realisiert werden. Die Arbeit beinhaltet eine kurze Einleitung zur Thematik, eine Konkretisierung der Aufgabenstellung sowie die Beschreibung des mechatronischen Systementwurfs, inklusive der Auswahl der Systemkomponenten, der Konstruktion der Vorrichtung und der Programmierung des automatischen Prüfablaufs. Abschließend wird der aufgebaute Prototyp anhand von Funktionstests bewertet.

Mit den ständig wachsenden Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit im Maschinenbau ist eine Verschärfung der Qualitätskontrollen verbunden. Die Grundlagen einer hohen Fertigungsgenauigkeit sind die Verwendung präziser Werkzeugmaschinen sowie die Kontrolle der Reproduzierbarkeit der Fertigung durch Messungen am fertigen Werkstück. - Die Fertigungsgenauigkeit bei Werkzeugmaschinen ist, wie auch die Messunsicherheit bei Dreikoordinatenmessgeräten, von der geometrischen Genauigkeit ihrer Komponenten abhängig (z.B. Geradheit der Führungsbahnen). Daher ist es erforderlich, diese geometrische Genauigkeit durch Messungen aller sechs Freiheiten zu prüfen und zu kontrollieren. - Die Messung der Z-Längenkoordinate, der Rotation um die Y-Achse (Gierwinkel) und der Rotation um die X-Achse (Nickwinkel) kann mittels eines interferometrischen Messsystems erfolgen. - Zur Bestimmung der Rotation um die Z-Achse (Rollwinkel) und des lateralen Versatzes in X- und Y-Richtung kann ein Lateralversatz- und Rollwinkelsensor verwendet werden, der auf laseroptischen Messungen mit positionsempfindlichen Strahllagedetektoren beruht. - Ausgehend von einem bereits existierenden Lateralversatz- und Rollwinkelsensor sollen im Rahmen dieser Arbeit Untersuchungen zur Reproduzierbarkeit und zur Auflösung dieses Messsystems, sowie Untersuchungen zum Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Lateralversatz- und Rollwinkelmessung vorgestellt werden. Weiterhin wird auf Grundlage dieser Untersuchungen ein weiterentwickelter Lateralversatz- und Rollwinkelsensor vorgestellt.