Gesamtliste der Publikationen

Der Bedarf an hochpräziser Positionierung für die Anwendung der Nanofabrikation in makroskopischen Arbeitsbereichen nimmt stetig zu. Durch einen neuen Grad der Komplexität bei der mikro- und nanoelektronischen Fertigung sind extremste Anforderungen an die hochpräzise Nanopositionierung über Verfahrbereiche bis zu 100 mm und deren Kombination mit hocheffizienten Nanostrukturierungsverfahren erforderlich. Für die Erzeugung von Nanostrukturen haben sich in den letzten Jahrzehnten im Vergleich zur optischen Lithographie zahlreiche alternative Verfahren etabliert. Für höchstgenaue Nanostrukturierung und -Messung bieten spitzenbasierte Technologien einen deutlichen Vorteil im Gegensatz zu anderen Verfahren. Der gewöhnliche Bewegungsbereich von spitzenbasierten Systemen ist jedoch meist nur auf einige hundert µm² begrenzt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, die bisher kleinflächige Nanostrukturierung durch einen Fowler-Nordheim-Emissionsstrom auf Wafergrößen bis zu 4 Zoll auf Basis einer ultrapräzisen Nanopositionier- und Nanomessplattform zu übertragen. Durch die einzigartige Kombination aus planarer Nanopositioniertechnologie mit einem spitzen­ basierten System können die Bewegungsbereiche um einen Faktor 106-108 erweitert werden. Die Nutzung von aktiven Mikrocantilevern erlaubt einen beliebigen Wechsel zwischen Rasterkraftmikroskopie- und Rastersondenlithographiemodus. Nach der Charakterisierung und Optimierung der planaren Nanofabrikationsmaschine folgen gezielte und umfassende Untersuchungen des spitzenbasierten Systems, um beide Systeme optimal zusammenführen zu können. Anschließend werden diverse Experimente durch die Kombination der Systeme zur großflächigen Abtastung präsentiert, bei denen die Demonstration von makroskopischen AFM-Scans bis zu 100 mm im Fokus stehen. Daran schließen sich umfassende Untersuchungen zur Nanofabrikation über makroskopische Bereiche an. Hiermit gelang der Nachweis der erfolgreichen Synergie der beiden Technologien. Die Zusammenhänge der Reproduzierbarkeit, Präzision als auch des Spitzenverschleißes sind intensiv untersucht. Auch die Bearbeitungslänge und maximale Scangeschwindigkeiten werden analysiert und diskutiert. Zum Nachweis der Verwertbarkeit der erzeugten Nanostrukturen mit der NFM-100 ist ein möglicher Musterübertrag für die Anwendung weiterer Nanofabrikationsprozesse wie beispielsweise der Nanoprägelithographie erfolgreich demonstriert.

For two decades, the Technische Universität Ilmenau has been developing high precision Nanopositioning and Nanomeasuring machines (NPMMs). These have proven their potential for nanometer accurate measurements in large volumes up to 200mm x 200mm x 25mm with 5 axis operation in several fields. As these machines operate according to the highest standards of metrology, offer picometer resolution and nanometer uncertainty, the goal is to transfer their unique precision to fabrication and patterning. So far, the NPMMs have been equipped with laser-based as well as tip-based patterning tools, including one photon and two photon polymerization, nanoimprint, scanning probe lithography and combinations of these technologies. The goal is basic research on these technologies, to tackle the evident challenges and explore the concealed limits to estimate the potential for later use in an industrial scale. In this paper, the specifics and advantages of the NPMMs will be described as well as the micro- and nanofabrication tools that are currently worked on. Focus is on the parameters in measurement mode and the accomplished fabrication results.

Nano and micro coordinate measuring machines (CMMs) have been developed for the characterization of small dimensional features. They require a procedure which enables a traceable and precise characterization of probing spheres. In this contribution we explore the use of well characterized micro spheres as reference artifacts for the in-situ characterization of probing spheres along the probing sphere’s equator. The spheres are characterized using a strategy which is based on a set of tactile surface scans in conjunction with a stitching-algorithm. These micro spheres serve as a reference for the in-situ characterization of a tactile 3D micro probe on a nano measuring machine (NMM-1). Our investigations are based on a sample of eight spheres sourced from two different suppliers. Although the sample is small, we could already observe characteristics which seem to be typical for spheres of a certain type (i.e. nominal radius and material). The experiments indicate that micro spheres are a suitable reference artifact for tactile 3D micro probes. We were able to reproduce the measured mean radius of the probing sphere with a standard deviation of 31 nm using reference spheres whose nominal radius covers a range of 89 µm.

Diese Arbeit befasst sich mit der technischen Umsetzung zur Realisierung des Kilogramms nach der neuen Definition des Kilogramms von 2019. Im Stand der Technik wird die Geschichte des Kilogramms zurückverfolgt und es werden die wichtigsten Meilensteine der Wägetechnik vorgestellt. Anschließend werden verschiedene Ansätze zur Umsetzung der Realisierung des Kilogramms nach der neuen Definition aufgezeigt. Es werden die Grundlagen der hochpräzisen Massebestimmung einschließlich der Grenzen, Probleme und neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Wägetechnik dargestellt. Darüber hinaus werden die Grundlagen der absoluten Massebestimmung mit einer Planck-Waage nach der neuen Definition des Kilogramms dargestellt. Im weiteren Verlauf wird die Entwicklung einer Planck-Waage als Erweiterung eines handelsüblichen Hochvakuum-Massekomparators beschrieben. Dies ermöglicht die Bestimmung des Kilogramms nach der neuen Definition auf der Grundlage von Massekomparatoren, die mit langjähriger Erfahrung entwickelt und getestet wurden. Darüber hinaus können die Massekomparatoren weiterhin zur Aufrechterhaltung der Kalibrierkette nach der alten Definition des Kilogramms verwendet werden. Im Rahmen der Entwicklung dieser Planck-Erweiterung für Massekomparatoren wird die Entwicklung von Magnetsystemen eingehend diskutiert. Im weiteren Verlauf wird die allgemeine Funktionsweise des Systems vorgestellt und beschrieben und die Messmethodik erläutert. Die aus dem Hauptexperiment gewonnenen Messergebnisse werden im Rahmen einer detaillierten Datenanalyse vorgestellt und diskutiert. In der Schlussfolgerung werden die Ergebnisse diskutiert, bewertet und mögliche Verbesserungsvorschläge aufgezeigt und vorgestellt.

Die stetig voranschreitende Entwicklung im Bereich der Fertigung optischer und elektronischer Elemente auf Basis von Nanotechnologien führt seit Jahren zu einer steigenden Nachfrage nach hochpräzisen Nanomess- und Nanofabrikationsmaschinen (The International Roadmap For Devices And Systems, IEEE, 2020; C. Grant Willson and B. J. Roman, “The future of lithography: SEMATECH litho forum 2008,” ASC Nano , vol. 2, no. 7, pp. 1323-1328, 2008). Als technologisch besonders anspruchsvoll hat sich dabei die Fabrikation auf stark geneigten, gekrümmten, asphärischen und freigeformten Oberflächen herausgestellt (R. Schachtschneider, et al., “Interlaboratory comparison measurements of aspheres,” Meas. Sci. Technol. , vol. 29, no. 13pp, p. 055010, 2018). Aufbauend auf den zukunftsweisenden Entwicklungen der Nanopositionier- und Nanomessmaschine 1 (NMM-1) (G. Jäger, E. Manske, T. Hausotte, and J.-J. Büchner, “Nanomessmaschine zur abbefehlerfreien Koordinatenmessung,” tm - Tech. Mess. , vol. 67, nos. 7-8, pp. 319-323, 2000) und der Nanopositionier- und Nanomessmaschine 200 (NPMM-200) (E. Manske, G. Jäger, T. Hausotte, and F. Balzer, “Nanopositioning and Nanomeasuring Machine NPMM-200 - sub-nanometre resolution and highest accuracy in extended macroscopic working areas,” in Euspen’s 17th International Conference , 2017), wird an der Technischen Universität Ilmenau seit mehreren Jahren an Konzepten für NPMM mit erhöhtem Freiheitsgrad geforscht (F. Fern, “Metrologie in fünfachsigen Nanomess- und Nanopositioniermaschinen,” Ph.D. thesis, Technische Universität Ilmenau, 2020; R. Schienbein, “Grundlegende Untersuchungen zum konstruktiven Aufbau von Fünfachs-Nanopositionier- und Nanomessmaschinen,” Ph.D. thesis, Technische Universität Ilmenau, 2020). So besitzt der seit 2020 entwickelte Demonstrator NMM-5D (J. Leinweber, C. Meyer, R. Füßl, R. Theska, and E. Manske, “Ein neuartiges Konzept für 5D Nanopositionier-, Nanomess-, und Nanofabrikationsmaschinen,” tm - Tech. Mess. , vol. 37, nos. 1-10, 2022) neben dem kartesischen Verfahrbereich von 25mm × 25mm × 5mm zusätzlich ein Rotationsvermögen des Tools von 360˚ sowie ein Neigungsvermögen von 50˚. Imfolgenden Artikel wird davon ausgehend die mechanische und metrologische Charakterisierung der parallelkinematisch aktuierten Rotationserweiterung präsentiert. Hierbei konzentrieren sich durchgeführte Untersuchungen primär auf die kinematisch verursachten Abweichungen des Tool Center Point (TCP) sowie die Detektierung dieser Abweichungen mit einem interferometrischen In-situ -Referenzmesssystem. Darüber kann perspektivisch eine geregelte Kompensation der auftretenden TCP-Abweichungen erfolgen.

Compliant mechanisms are becoming increasingly important, especially in force measurement and weighing technology, due to their zero backlash, wear resistance, and zero friction. Their deformation under external forces can be analyzed well with analytical calculations and FEM simulations. Analytically, only mechanisms with symmetrical and longitudinally symmetrical hinges are described. This paper presents a method that allows transversally symmetric hinges to be described analytically. The model must be computed numerically due to the built neutral fiber and the nonlinearities in the used calculation method. The developed method is then compared with FEM calculations in a parameter study and considered to be validated. Finally, outlooks are formulated on how the created method can for instance be used to develop load cells for later calculations. Moreover, it is shown to what extent it is possible to implement this method for general calculations of compliant mechanisms.

The performance of tactile and optical surface sensors for nano and micro coordinate measuring machines is currently limited by the lack of precisely characterised micro spheres, since established strategies have mainly been developed for spheres in the range of millimetres or above. We have, therefore, recently focused our research efforts towards a novel strategy for the characterisation of spheres in the sub-millimetre range. It is based on a set of atomic force microscope (AFM) surface scans in conjunction with a stitching algorithm. To obtain an uncertainty statement, the uncertainty about the shape of the reference surface needs to be propagated via the shape of the AFM tip to the actual measurement object. However, the sampling process of an AFM is non-linear and the processing of AFM scans requires complex algorithms. We have, therefore, recently begun to model the characterisation of micro spheres through simulations. In this contribution, this model is extended by the influence of the tip and reference surface. The influence of the tip’s shape and reference surface is investigated through virtual and real experiments. The shape of the tip is varied by using tips with mean radii of 200 nm and 2 μm while sampling the same ruby sphere with a mean radius of 150 μm. In general, the simulation results imply that an uncertainty of less then 10 nm is achievable. However, an experimental validation of the model is still pending. The experimental investigations were limited by the lack of a suitable cleaning strategy for micro parts, which demonstrates the need for further investigations in this area. Although the characterisation of a full sphere has already been demonstrated, the investigations in this contribution are limited to equator measurements.

The article describes the possibilities of calibrating the force constant in an electromagnetic force compensation (EMFC) load cell using the electrostatic force compensation principle. The static and dynamic principles of calibration of the Kibble balance for the electrostatic force constant, as well as calibration by means of compensation of the electrostatic force by the electromagnetic force, are considered. The combination of the two compensation principles in the load cell allows the measurement of forces in the range of 20 pN to 2.2 mN and ensures traceability to national standards. The relative uncertainty in the measurement of forces of about 100 nN is estimated to be about 0.001.

Mass comparator weighing cells based on electromagnetic force compensation (EMFC) find application in the most demanding force and mass measurement applications. The centerpiece of these devices is a highly sensitive compliant mechanism with thin flexure hinges. The compliant mechanism forms the mechanical part of the mechatronic overall system. A novel mechanism based on an advanced adjustment concept has been developed, manufactured, and experimentally investigated. The adjustment is designed to further reduce the measurement uncertainty for mass comparisons by canceling out first-order error components. The focus is on the mechanical properties: stiffness, tilt sensitivity, and off-center load sensitivity. The elastic stiffness of the compliant mechanism is compensated by introducing a negative gravitational stiffness to enable the compensation of manufacturing deviations and to increase mass resolution.

This paper describes a technical implementation for the realization of the kilogram according to the new definition of the International System of Units (SI) of 2019. A commercially available high-vacuum prototype mass comparator from Sartorius serves as the basis. Mass comparators were used to directly compare kilogram prototypes, such as the International Prototype of the Kilogram (IPK or ℜ), with other kilogram prototypes to realize a calibration chain. Since the redefinition of the SI in 2019, the kilogram is defined by Planck's constant (ℎ). The Planck extension presented here is intended to make it possible, through technical modifications and some additional components, to convert high-vacuum mass comparators so that they can calibrate kilogram prototypes and mass standards according to the new definition. In addition, this should allow the continuous calibration of mass standards up to 1 kg in accordance with the E1 standard of OIML R 111-1 (2004). At the same time, all functions of the mass comparators are retained, which makes it possible to compare measurements according to the old and the new mass definition. During this elaboration, the functional principle of the Planck extension is described. Furthermore, measurement results from initial test measurements of 100 g with a relative standard deviation of 0.68 ppm are presented, analyzed, and evaluated. Based on the experience with the first prototype Planck extension, possible improvements and future work are proposed.

This investigation proposes a method for absolute surface determination in a coordinate measuring machine (CMM) with a planar extension of 200 x 200 mm² which is based on the measurement of two spatial gradient fields. The gradient field data was obtained by measuring a test mirror in two equidistant shifted positions along two orthogonal axes while the reference mirror stayed in a steady position. The comparison of experimental data measured in an area of 192 × 192 mm² showed a small root-mean-square deviation of 5.3 nm between the reconstruction result and a regular measurement result. For an a priori estimation of the influence of experimental error sources on the reconstruction deviation, simulations of the measurement process were carried out. Alongside determining the optimal measurement strategy, the focus was investigating positional and orientational deviations of the test surface caused by the shifting motions. While the translational deviations have a subordinate effect, the simulated results show that small orientation deviations around the motion axes cause high reconstruction deviations. To eliminate the motion-induced share of the gradient fields orientation a separation from the topography intrinsic share, which has to remain part of the data, is necessary. This is achieved by the combination of the high-precision design of the mechanical shifting stage and the implementation of an additional boundary condition in the data processing using a least square algorithm.

The increasing demand for micro- and nanofabrication and in parallel the increasing requirements on feature size and resolution is leading to an enormous growth in the field of multi-photon three-dimensional fabrication. To enable new and diverse investigations in this field and to enable high precision for nanofabrication on large areas, a high precision positioning system is combined with an ultra-short pulse laser system. The aim is a modular setup with constant adherence to the Abbe-comparator principle in order to achieve systematic improvements in the area of Direct Laser Writing. For a high-quality identification of the microstructures a measurement tool based on atomic force microscopy is used. To enable the fabrication of continuous micro- and nanostructures on large area, an extremely high positioning precision is used, where no further stitching methods are necessary. Therefore as base of the Direct Laser Writing system the nanopositioning and nanomeasuring machine (NMM-1) is used, which was developed at Technische Universität Ilmenau together with SIOS Meßtechnik GmbH, with a positioning volume of 25 mm × 25 mm × 5 mm and a positioning resolution in the sub-nanometer range. First investigations already confirmed that microfabrication with a Femtosecond Laser and the NMM-1 could be realized and showed the possibility of further developments in the field of Direct Laser Writing. Now the modular structure as a research platform is designed in such a way that the various extensions and measurement setups for large-scale investigations can always be implemented in a metrologically traceable manner. The presented work shows the development of a modular functional setup of an exposure system and NMM-1, which enables micro- and nanofabrication and an improvement in the structure size over large areas.

Die Einsatzmöglichkeiten von konventionellen Interferometersystemen sind oft aufgrund ihrer Baugröße eingeschränkt. Weiterhin stellen sie noch immer preisintensive, manuell gefertigte Präzisionsbaugruppen dar. Ihr Einsatz ist daher ökonomisch nur für Nischenanwendungen in der Hochtechnologie gerechtfertigt. Aus diesem Grund wird ein neues kompaktes Mikrointerferometer entwickelt, welches auf dem Michelson-Prinzip basiert. Die gesamte Baugröße dieses Mikrointerferometer beträgt 40 mm x 20 mm x 15 mm. Als Strahlteiler wird eine Strahlteilerplatte verwendet, der nicht auf beiden Seiten parallel ist, sondern einen Keilwinkel hat. Dadurch wird der Interferenzwinkel erzeugt. Außerdem sind beide Seiten mit Polarisationsbeschichtung und Entspiegelungsbeschichtung versehen. Zukünftig können die Beschichtungen auf eine große Platte vorbereitet werden und dann ist eine Massenfertigung für die Strahlteilerplatten möglich, sodass die Herstellungskosten dieser Strahlteilerplatten reduziert werden.

To solve the problem of temperature drift of thermocouples in accelerating rate calorimeter caused by long-term operation, an in-situ calibration method based on multiple fixed-points and Joule heat is proposed in this article. Firstly, the heat transfer model of the calorimeter is established, and the validity of the method is verified by numerical simulation. Secondly, a multiple fixed-points graphite calibrator and a cylindrical electronic resistance element are designed. Finally, the in-situ calibration is carried out. The calibration results show that the maximum permissible measurement error of the sample thermocouple after calibration is better than 0.220 ˚C and that the bias of consistency in-situ calibration method is smaller than 0.110 ˚C. In addition, a di-tert-butyl peroxide in toluene solution with a mass percent of 20% is selected as the experimental sample. The sample experiment results show that the kinetic and thermodynamic parameters are closer to the reference values after thermocouples calibration.

Differing from the conventional peak-to-peak method using two neighboring spectral peaks in the frequency-domain fringe spectrum of the spectral response of a Fabry-Perot etalon to a femtosecond laser, which contains N spectral peaks equally spaced with a spacing of the etalon free spectral range (FSR), the proposed method employs a pair of spectral peaks with a spacing of an integer multiple k (k ≫ 1) of FSR for measurement of the etalon cavity length d with a reduced measurement error. Under the constrain of the total N spectral peaks obtainable in the finite spectral range of the femtosecond laser, the optimized k is identified to be N/2 in consideration of an averaging operation using N - k samples of d to achieve the minimum measurement error. The feasibility of the proposed method is demonstrated by experimental results with an uncertainty analysis based on "Guides to the Expression of Uncertainty in Measurement".

This work describes the use of a compact fiber-interferometric sensor for velocity measurements for the Kibble balance method. Our fiber-interferometric sensor was compared within a Planck-balance setup with a commercial reference interferometer. Results show that the fiber-interferometric sensor is capable of high accuracy velocity measurement comparable with the reference interferometer. High performance and compactness of the sensor head allow it to be integrated into small-size systems, where the use of the conventional interferometer systems is limited or not possible.

Models are an inseparable part of Metrology. They make it possible to derive measurement results, including measurement uncertainties, from measurement data or output signals and knowledge about the measurement process. Models establish a functional relationship between the measurand and all relevant quantities on which the measurand depends. Models do not necessarily have to be derived from analytical-functional relationships; they are increasingly data-driven with cognitive capabilities. In general, they are used to design measurement systems, analyze measurement data, make inferences and predictions, and form the basis for evaluating measurement uncertainties.

The paper presents crucial design considerations for the actuators in a table-top Kibble balance, especially its influence on the uncertainty contribution by the voltage measurements. The resulting contribution is exemplary shown for the PB2 version of the Planck-Balance and constraints are discussed that limit the possibilities to optimize the geometric factor of the measurement actuator.

Temperature measurement at the surface of solids by means of contact thermometers has its own metrological characteristics, which are in contrast to characteristics of the measurement with immersed contact thermometers. They significantly influence the accuracy and the measurement uncertainty of the measured temperature and its deviations. Up to now, no national or international guideline exists which deals with the determination of the static and dynamic measurement deviations. Therefore, the guideline committee “VDI/VDE-GMA FA 4.62 Contact Thermometry” has developed the new VDI (Association of German Engineers) and VDE (Association for Electrical, Electronic and Information Technologies) guideline 3520 “Surface temperature measurement with contact thermometers”. It contains information about the most important properties of contact surface thermometers and error sources, and it presents typical measurement results for various applications. In addition, the parameters influencing the measurement result and test equipment for their determination are described, and concrete examples of thermometer data sheets are given.

Hysteresis response of epitaxially grown graphene nanoribbons devices on semi-insulating 4H-SiC in the armchair and zigzag directions is evaluated and studied. The influence of the orientation of fabrication and dimensions of graphene nanoribbons on the hysteresis effect reveals the metallic and semiconducting nature graphene nanoribbons. The hysteresis response of armchair based graphene nanoribbon side gate and top gated devices implies the influence of gate field electric strength and the contribution of surface traps, adsorbents, and initial defects on graphene as the primary sources of hysteresis. Additionally, passivation with AlOx and top gate modulation decreased the hysteresis and improved the current-voltage characteristics.

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.

In this paper, the combination of an advanced nanopositioning technique and a tip-based system, which can be used as an atomic force microscope (AFM) and especially for field emission scanning probe lithography (FESPL) is presented. This is possible through the use of active microcantilevers that allow easy switching between measurement and write modes. The combination of nanopositioning and nanomeasuring machines and tip-based systems overcomes the usual limitations of AFM technology and makes it possible to perform high-precision surface scanning and nanofabrication on wafer sizes up to 4 in. We specifically discuss the potential of nanofabrication via FESPL in combination with the nanofabrication machine (NFM-100). Results are presented, where nanofabrication is demonstrated in form of a spiral path over a total length of 1 mm and the potential of this technique in terms of accuracy is discussed. Furthermore, ten lines were written with a pitch of 100 nm and a linewidth below 40 nm was achieved, which is in principle possible over the entire range of motion.

In this paper, a miniaturized weighing cell that is based on a micro-electro-mechanical-system (MEMS) is discussed. The MEMS-based weighing cell is inspired by macroscopic electromagnetic force compensation (EMFC) weighing cells and one of the crucial system parameters, the stiffness, is analyzed. The system stiffness in the direction of motion is first analytically evaluated using a rigid body approach and then also numerically modeled using the finite element method for comparison purposes. First prototypes of MEMS-based weighing cells were successfully microfabricated and the occurring fabrication-based system characteristics were considered in the overall system evaluation. The stiffness of the MEMS-based weighing cells was experimentally determined by using a static approach based on force-displacement measurements. Considering the geometry parameters of the microfabricated weighing cells, the measured stiffness values fit to the calculated stiffness values with a deviation from -6.7 to 3.8% depending on the microsystem under test. Based on our results, we demonstrate that MEMS-based weighing cells can be successfully fabricated with the proposed process and in principle be used for high-precision force measurements in the future. Nevertheless, improved system designs and read-out strategies are still required.

Since the turn of the millennium, the development and commercial availability of optical frequency combs has led to a steadily increase of worldwide installed frequency combs and a growing interest in using them for industrial-related metrology applications. Especially, GPS-referenced frequency combs often serve as a "self-calibrating" length standard for laser wavelength calibration in many national metrology institutes with uncertainties better than u = 1 × 10^-11. In this contribution, the application of a He-Ne laser source permanently disciplined to a GPS-referenced frequency comb for the interferometric measurements in a nanopositioning machine with a measuring volume of 200 mm × 200 mm × 25 mm (NPMM-200) is discussed. For this purpose, the frequency stability of the GPS-referenced comb is characterized by heterodyning with a diode laser referenced to an ultrastable cavity. Based on this comparison, an uncertainty of u = 9.2 × 10^-12 (τ = 8 s, k = 2) for the GPS-referenced comb has been obtained. By stabilizing a tunable He-Ne source to a single comb line, the long-term frequency stability of the comb is transferred onto our gas lasers increasing their long-term stability by three orders of magnitude. Second, short-term fluctuations-related length measurement errors were reduced to a value that falls below the nominal resolving capabilities of our interferometers (ΔL/L = 2.9 × 10^-11). Both measures make the influence of frequency distortions on the interferometric length measurement within the NPMM-200 negligible. Furthermore, this approach establishes a permanent link of interferometric length measurements to an atomic clock.

We present a new method for traceable calibration of size and form error of microspheres, which was realised by stitching a series of atomic force microscopic (AFM) images measured at different orientations of microspheres using the metrological large range AFM of the PTB. The stitching algorithm is achieved using an iterative closest point point-to-plane algorithm. As the AFM tip geometry is one of the most significant error sources for the developed method, it was traceably calibrated to a line width standard (type IVPS100-PTB), whose feature geometry was calibrated with a traceable route to the lattice constant of crystal silicon. Measurement setup, scan strategy, and data evaluation processes have been detailed in the paper. Measurement results show high stability and robustness of the developed method. For instance, the standard deviation of four repeated measurements reaches 5 nm, indicating promising performance.

The aim of this work was to validate a novel methodology for high-resolution, repetitive measurements of mass dynamics of biological processes and structures in a closed plant-earth ecosystem consisting of Mammillaria vetula and microorganisms. To perform these experiments, the living system was materially welded into a newly developed Titanium Weighing Hollow Body (TWHB) with a laser. Three non-vital, also hermetically welded and high-vacuum suitable, externally identical TWHBs, filled with sand, served as controls. All TWHBs were equipped with a feedthrough and integrated light source. LEDs generated continuous light in all four bodies, which drove the photobiological processes in the vital test body and allowed long-term growth. Mass differences of the TWHBs were measured with a vacuum mass comparator at four points in time three months apart against two stainless steel mass standards. The expanded measurement uncertainty of the mass increase of the vital TWHB was calculated according to the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) in each of the three independent experiments. The mass gain of the vital over the three nonvital TWHBs over the total experimental period of 9 months was +18 μg with the expanded measurement uncertainty 30 μg. The resulting mass gain would have had to be > 48 μg to be considered statistically significant with a confidence level of 97.7%; time intervals over three and six months were also not significant. The study validates for the first time a methodology capable of measuring mass dynamics of living matter over time, when statistically sound conclusions with measurement uncertainties in the microgram range are required. This opens up a new level of precision mass measurements, which makes the methodology a candidate, e.g., for the verification of the principle of mass conservation in the life-sciences.

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.

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.

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.

A method to synthesize the three-dimensional arrangement of bulk tetrahedral MoS2 thin films by solid source chemical vapor deposition of MoO3 and S is presented. The developed synthesizing recipe uses a temperature ramping with a constant N2 gas flow in the deposition process to grow tetrahedral MoS2 thin film layers. The study analyses the time-dependent growth morphologies, and the results are combined and presented in a growth model. A combination of optical, electron, atomic force microscopy, Raman spectroscopy, and X-ray diffraction are used to study the morphological and structural features of the tetrahedral MoS2 thin layers. The grown MoS2 is c-axis oriented 2H-MoS2. Additionally, the synthesized material is further used to fabricate back-gated field-effect transistors (FETs). The fabricated FET devices on the tetrahedral MoS2 show on/off current ratios of 10^6 and mobility up to ∼56 cm^2 V^-1 s^-1 with an estimated carrier concentration of 4 × 10^16 cm-3 for VGS = 0 V.

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.

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.

In den vergangenen Jahren wurden an der TU-Ilmenau zahlreiche Entwicklungen im Bereich der Nanopositionier- und Nanomesstechnik realisiert. Insbesondere die NMM-1 [Gerd Jäger, Eberhard Manske, Tino Hausotte, Jans-Joachim Büchner, Nanomessmaschine zur abbefehlerfreien Koordinatenmessung, tm - Technisches Messen, 67(7-8), 2000] sowie die NPMM-200 [Eberhard Manske, Gerd Jäger, Tino Hausotte, Felix Balzer, Nanopositioning and Nanomeasuring Machine NPMM-200 - sub-nanometre resolution and highest accuracy in extended macroscopic working areas, euspen’s 17th International Conference, 2017] stellen ein Novum auf dem Gebiet der Koordinatenmesstechnik mit Nanometerpräzision unter Einhaltung des Abbe-Komparatorprinzips [Ernst Abbe, Messaparate für Physiker, Zeitschrift für Instrumentenkunde, 10:446-448, 1890] dar. Ausgehend von diesen Errungenschaften besteht ein nächster Schritt im Messen und Fabrizieren auf stark gekrümmten, asphärischen, oder freigeformten Oberflächen. Vor jenem Hintergrund wird im folgenden Artikel ein Konzept für ein zweiachsiges Rotationsmodul vorgestellt. Dieses dient als Erweiterung für die NMM-1 und ermöglicht über das kartesische Messvolumen von hinaus zusätzlich eine Rotation des Tools über 360 ˚ um die Hochachse sowie 60 ˚ Neigung. Die Umsetzung erfolgt über eine neuartige sphärische Parallelkinematik. Mit Hilfe eines interferometrischen In-Situ-Referenzmesssystems können die während der Rotationsbewegungen auftretenden translatorischen Positionsabweichungen detektiert werden. Erste Untersuchungen an einem Prototypenaufbau erbringen den Funktionsnachweis des Referenzmesssystems über den gesamten adressierbaren Winkelbereich.

The design of compliant mechanisms is a much more complicated task than their analysis. Consequently, there are many more methods available for the analysis of compliant mechanisms than for their synthesis. In this article, a contribution to the synthesis of compliant mechanisms is made by presenting a comparison of two different methods for their design. In both methods rigid-body systems are used as a basis for compliant mechanisms. Depending on the task of the compliant mechanism, one of these methods can be selected and applied. The deviations between the results of the used theory and measurement results as well as FEM results are less than 5.5 % for displacements and acting forces. Selected mechanisms for the realization of a straight-line motion of a point and for given relative motions are presented as examples.

A technical methodology of fabrication of hierarchically scaled multitude graphene nanogratings with varying pitches ranging from the micrometer down to sub 40 nm scale combined with sub 10 nm step heights on 4H and 6H semi-insulating SiC for length scale measurements is proposed. The nanogratings were fabricated using electron-beam lithography combined with dry etching of graphene, incorporating a standard semiconductor processing technology. A scientific evaluation of critical dimension, etching step heights, and surface characterization of graphene nanograting on both polytypes were compared and evaluated.

Die Orientierung im Messvolumen von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen mit großen Messbereichen (z.B. NPMM200 mit 200x200x25 mm Messbereich) ist speziell bei unbekannten Proben anspruchsvoll. Ein grobes Scannen mit AFM- oder Laserfokus-Sensoren (z.B. mit einem Pixelabstand von ca. 500 nm) ist extrem zeitaufwendig. Verwendet man zum Erstellen eines 3D-Übersichtsbildes Mikroskope und Kameras, kann in überschaubarer Zeit ein 3D-Abbild des Messobjektes erstellt werden. Durch eine Konvertierung in spezielle Datenformate ist eine nahezu verzögerungsfreie Navigation innerhalb der Grenzen des Messobjektes möglich. Die Herausforderungen und Probleme bei der Entwicklung derartiger Software bzgl. Rechnerarchitekturen, Datenspeicherung und Parallelisierung werden in dieser Abhandlung näher untersucht.

Micro and nano coordinate measuring machines (CMMs) require small and well characterized micro spheres as probing elements. However, established strategies and instruments have mostly been designed for and applied to the characterization of larger spheres in the range of millimetres or above. That is why we have recently focused our attention towards a novel strategy which is based on a set of atomic force microscope (AFM) surface scans in conjunction with a stitching algorithm. Initial experimental results are promising, but point to several influences which require further attention. We have, therefore, begun to model the measurement strategy and applied it on simulated spheres, in order to investigate and reduce some of these influences. The model is currently limited to effects which are related to the radius and form of the sphere. Other influences, like the AFM tip, are being ignored. In this paper, we introduce the essential parts of this model and apply it on spheres of different mean radii (60 µm, 100 µm and 150 µm) and of different qualities (Grade 3 and Grade 5). The investigations illustrate that the measurement object can have a significant influence on the measurement result and needs to be considered.

This paper describes the new adjustment concept of novel planar, monolithic, high-precision electromagnetic force compensation weighing cells. The concept allows the stiffness and the tilt sensitivity of the compliant mechanisms that are dependent on the nominal load on the weighing pan to be adjusted to an optimum. The new mechanism is set up and adjusted according to the developed mechanical model. For evaluation of the concept the system is tested on a high-precision tilt table and under high vacuum conditions in the environment of a commercially available mass comparator.

A multitude gratings design consists of gratings with different pitches ranging from the micrometre down to sub 40 nm scale combined with sub 10 nm step heights modulating the surface morphology for length scale measurements is proposed. The surface morphology modulation was performed using electron beam lithography incorporating a standard semiconductor processing technology. The critical dimension, edge roughness, step heights and line morphology in dependence on the grating pitch is studied.

Der Beitrag zeigt die Bedeutung neuer thermischer Messverfahren für den Fahrzeugentwicklungsprozess im Bereich des Thermomanagements von Elektrofahrzeugen. Die Messung der Wärmestromdichte mit geeigneten Sensoren kann einen wichtigen Beitrag in der zukünftigen thermischen Abstimmung liefern. Hierfür werden neue keramische Wärmestromsensoren entwickelt, deren Grundprinzip erläutert wird. Für diese Wärmestromsensoren wird zudem eine geeignete Kalibriereinrichtung konstruiert. Das Funktionsprinzip dieser Kalibriereinrichtung sowie die messtechnischen Herausforderungen werden ebenfalls betrachtet. Abschließend werden sowohl wichtige Einflussfaktoren als auch grundlegende Messunsicherheitsbeiträge für den Wärmestromsensor und die Kalibriereinrichtung vorgestellt.

In this paper we present the progress in development of a table-top version of the Kibble balance under the name Planck-Balance 2 (PB2). The PB2 is developed as a collaboration effort between the Technische Universität Ilmenau (TU Ilmenau) and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) aiming for automatized mass calibration of the set of weights in the range from 1 mg to 100 g within the required uncertainties as stated by OIML recommendation R111 for weights of E2 class. We describe the design and the operational performance of the PB2 system in detail, the results of rigorous investigations of the error sources and subsequent improvements made since the beginning of the project in early 2017, the measurement data with the corresponding relative uncertainties and the preliminarily obtained uncertainty budget.

Hochpräzise Wägesysteme nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK), wie Massekomparatoren, finden trotz Neudefinition der Einheit Kilogramm weiterhin Anwendung bei der Realisierung sowie Weitergabe einer praktischen Masseskale, indem sie metrologische Massevergleiche anhand des elektrischen Stromes als Zwischengröße ermöglichen. Gleichzeitig haben Quanteninterferometer auf Basis einer supraleitenden Hochgeschwindigkeitselektronik das Potential, kleinste Änderungen des magnetischen Flusses im Femtotesla-Bereich aufzulösen und eröffnen somit einen alternativen Ansatz zum Erfassen kleinster Stromdifferenzen. Die Kombination dieser bislang größtenteils nur für Fundamentalexperimente in der elektrischen Metrologie ausgenutzten quantenelektrischen Effekte mit Systemen der Präzisionskraftmessung ist eine neuartige Ausgangsbasis zur Verbesserung der Messgenauigkeit dieser Referenzsysteme. Insbesondere bietet die Anwendung eines quantenbasierten Analog-zu-Digital-Wandlers ein deutliches Potential zum Erschließen bisher unerreichter Genauigkeiten. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse erster experimenteller Arbeiten zum Nachweis des grundlegenden Funktionsprinzips präsentiert. Darüber hinaus erfolgt eine Abschätzung der Leistungsfähigkeit sowie des Entwicklungspotentials des vorgestellten quantenbasierten Stromsensors für hochpräzise EMK-Wägesysteme.

The article describes global approaches to control of the cantilever calibration device. The idea of the device consists in electromagnetic compensation of the influence of cantilever forces. The development of regulators is based on the simulation of mechanical processes when the cantilever is applied to the load cell with the principle of electromagnetic compensation; the identification of the processes is performed. In addition, in the course of the study, a comparison was made of PID controllers implemented on various actuator systems: an analog circuit, a current source, a dSPACE real-time system, a microcontroller. The purpose of developing and comparing regulators was to improve characteristics of the system: regulation time, overshoot, noise amplitude.

Zur rückführbaren Kraftmessung mit AFM-Cantilevern ist aufgrund von Fertigungstoleranzen eine individuelle Kalibrierung jedes einzelnen Cantilevers notwendig. An der TU-Ilmenau wurde ein Prüfstand entwickelt, welcher die Steifigkeit nach einem statisch experimentellen Verfahren bestimmt. Dabei wird der Cantilever um einen definierten Weg ausgelenkt und die dazu notwendige Kraft gemessen. Die Wegmessung erfolgt durch ein kommerzielles Differenzinterferometer und die Kraftmessung mithilfe einer neu entwickelten Wägezelle. In diesem Artikel wird die Funktion des Prüfstandes am Beispiel einer Kalibrierung beschrieben und ein Messunsicherheitsbudget aufgestellt. Die relative Messunsicherheit beträgt ca. 1,5 % bei einer maximalen Kalibrierkraft von <100 nN. Eine anschließende Untersuchung des Cantilevers ergab keine nachweisbaren Schäden an dessen Spitze.

Major modifications are made to the setup and signal processing of the method of in-situ measurement of the pitch of a diffraction grating based on the angles of diffraction of the diffracted optical frequency comb laser emanated from the grating. In the method, the improvement of the uncertainty of in-situ pitch measurement can be expected since every mode in the diffracted optical frequency comb laser can be utilized. Instead of employing a Fabry-Pérot etalon for the separation of the neighboring modes in the group of the diffracted laser beams, the weight-of-mass method is introduced in the method to detect the light wavelength in the Littrow configuration. An attempt is also made to reduce the influence of the non-uniform spectrum of the optical comb laser employed in the setup through normalization operation. In addition, an optical alignment technique with the employment of a retroreflector is introduced for the precise alignment of optical components in the setup. Furthermore, a mathematical model of the pitch measurement by the proposed method is established, and theoretical analysis on the uncertainty of pitch measurement is carried out based on the guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM).

This paper deals with a planar nanopositioning and -measuring machine, the so-called nanofabrication machine (NFM-100), in combination with a mounted atomic force microscope (AFM). This planar machine has a circular moving range of 100 mm. Due to the possibility of detecting structures in the nanometre range with an atomic force microscope and the large range of motion of the NFM-100, structures can be analysed with high resolution and precision over large areas by combining the two systems, which was not possible before. On the basis of a grating sample, line scans over lengths in the millimetre range are demonstrated on the one hand; on the other hand, the accuracy as well as various evaluation methods are discussed and analysed.

A surface profile measurement system was developed by combining a scanning electrostatic force microscope (SEFM) and a nano-measuring machine (NMM-1) and its characteristics were evaluated. SEFM is a type of scanning probe microscope (SPM) advocated in 2012. In SEFM, eliminating the trade-off between measurement accuracy, measurement speed, and stability has been a problem. As with other SPMs, the positioning accuracy of the probe and sample directly affects the measurement accuracy in SEFM. In this research, the SEFM principle was applied to the NMM-1, which is a high-precision positioning platform that achieves an uncertainty of smaller than 10 nm. In order to improve the force detection sensitivity, a probe polishing and assembling procedures was devised and, as a result, the quality factor of the sensor has been significantly improved. Furthermore, a method for optimizing scan parameters based on a theoretical model was proposed. The noise level of the measurement results was reduced by setting appropriate parameters, which agreed well with the theory. Profile measurements utilizing the developed measurement system were performed on line-and-space samples with an amplitude of 270 nm and a pitch of 10 [my]m. The results were compared with a conventional atomic force microscope as a reference. A surface measurement was performed on the sample, and a complete non-contact scan of a measurement range of 25 [my]m × 25 [my]m was demonstrated.

Temperatur-Blockkalibratoren werden sehr häufig in der Industrie und in Kalibrierlaboratorien bei Vergleichskalibrierungen von Berührungsthermometern als Temperiereinrichtungen eingesetzt. Hierbei erfolgt die Temperierung der Thermometer in einem metallischen Ausgleichsblock, dessen Temperatur mit einem internen Referenzthermometer bestimmt wird. Für die Erzielung kleiner Messunsicherheiten stellen dabei die Ausbildung eines homogenen Temperaturfeldes im Ausgleichsblock sowie die Ermittlung dieser Temperatur mit rückführbar kalibrierten Referenzthermometern die größten Herausforderungen dar. In dieser Dissertation wird ein neues Konzept eines Temperatur-Blockkalibrators im Temperaturbereich von 80 &ring;C bis 430 &ring;C vorgestellt. Abweichend zum Stand der Technik besitzt der neue Blockkalibrator eine Mehrzonenheizung und Wärmestromsensoren im Ausgleichsblock. Beides sorgt für die Verbesserung der Temperaturhomogenität. Außerdem ist eine kompakte Mehrfachfixpunktzelle für die rückführbare in situ Kalibrierung des internen Referenzthermometers enthalten. Das Konzept des Temperatur-Blockkalibrators sowie seine konstruktive Realisierung werden mittels probabilistischer Berechnungen numerischer FEM-Simulationen untersucht und mit Zielrichtung bester Temperaturhomogenität im Ausgleichsblock optimiert. Auf dieses Modell gestützt werden die Heizleistungen für die Mehrzonenheizung abgeschätzt und ein Abkühlungskonzept erarbeitet. Zudem wird aus dem FEM-Modell ein Systemmodell in Zustandsraumdarstellung des Temperatur-Blockkalibrators hergeleitet. Dieses kann z.B. für eine Reglerauslegung verwendet werden. Die internationale Temperaturskala von 1990 nutzt Phasenumwandlungstemperaturen hochreiner Stoffe für ihre Definition. Diese Temperaturen FP sind idealerweise konstant, sehr gut reproduzierbar und international anerkannt. Die kompakte Mehrfachfixpunktzelle enthält die Fixpunktmaterialien Indium ([theta]FP = 156,5985 &ring;C), Zinn ([theta]FP = 231,928 &ring;C) und Zink ([theta]FP = 419,527 &ring;C). Anhand dieser Fixpunkttemperaturen kann das interne Referenzthermometer des Temperatur-Blockkalibrators in situ rückführbar zur internationalen Temperaturskala kalibriert werden. Der Entwicklungsprozess der kompakten Mehrfachfixpunktzelle wird in dieser Arbeit ausführlich beschrieben. Ihre Geometrie wird nach thermischen und mechanischen Kriterien entworfen und auf Grundlage von probabilistischen Berechnungen mit FEM-Modellen optimiert. Ausgehend von einer Langzeitmessung wurden Unsicherheiten für die drei Fixpunkttemperaturen von kleiner als 60 mK (k = 2) bestimmt.

Although optical 3D topography measurement instruments are widespread, measured profiles suffer from systematic deviations occurring due to the wave characteristics of light. These deviations can be analyzed by numerical simulations. We present a 3D modeling of the image formation of confocal microscopes. For this, the light-surface interaction is simulated using two different rigorous methods, the finite element method and the rigorous coupled-wave analysis. The image formation in the confocal microscope is simulated using a Fourier optics approach. The model provides high accuracy and advantages with respect to the computational effort as a full 3D model is applied to 2D structures and the lateral scanning process of the confocal microscope is considered without repeating the time consuming rigorous simulation of the scattering process. The accuracy of the model is proved considering different deterministic surface structures, which usually cause strong systematic deviations in measurement results. Further, the influences of apodization and a finite pinhole size are demonstrated.

As standard concepts for precision positioning within a machine reach their limits with increasing measurement volumes, inverse concepts are a promising approach for addressing this problem. The inverse principle entails other limitations, as for high-precision positioning of a sensor head within a large measurement volume, three four-beam interferometers are required in order to measure all necessary translations and rotations of the sensor head and reconstruct the topography of the reference system consisting of fixed mirrors in the x-, y-, and z-directions. We present the principle of a passive heterodyne laser interferometer with consequently separated beam paths for the individual heterodyne frequencies. The beam path design is illustrated and described, as well as the design of the signal-processing and evaluation algorithm, which is implemented using a System-On-a-Chip with an integrated FPGA, CPU, and A/D converters. A streamlined bench-top optical assembly was set up and measurements were carried out to investigate the remaining non-linearities. Additionally, reference measurements with a commercial homodyne interferometer were executed.

The Fourier modal method (FMM) is certainly one of the most popular and general methods for the modeling of diffraction gratings. However, for non-lamellar gratings it is associated with a staircase approximation of the profile, leading to poor convergence rate for metallic gratings in TM polarization. One way to overcome this weakness of the FMM is the use of the fast Fourier factorization (FFF) first derived for the differential method. That approach relies on the definition of normal and tangential vectors to the profile. Instead, we introduce a coordinate system that matches laterally the profile and solve the covariant Maxwells equations in the new coordinate system, hence the name matched coordinate method (MCM). Comparison of efficiencies computed with MCM with other data from the literature validates the method.

Since the first realization of two-photon direct laser writing (DLW) in Maruo et al. (Opt Lett 22:132-134, 1997), the manufacturing using direct laser writing techniques spread out in many laboratories all over the world. Photosensitive materials with different material properties open a new field for micro- and nanofabrication. The achievable structuring resolution using this technique is reported to be sub-100 nm (Paz et al. in J. Laser Appl. 24:042004, 2012), while a smallest linewidth of 25 nm could be shown in Tan et al. (Appl Phys Lett 90:071106, 2007). In our approach, the combination of DLW with the nanopositioning and nanomeasuring machine NMM-1 offers an improvement of the technique from the engineering side regarding the ultra-precise positioning (Weidenfeller et al. in Adv Fabr Technol Micro/Nano Opt Photon XI 10544:105440E, 2018). One big benefit besides the high positioning resolution of 0.1 nm is offered by the positioning range of 25 mm × 25 mm × 5 mm (Jäger et al. in Technisches Messen 67:319-323, 2000; Manske et al. in Meas Sci Technol 18:520-527, 2007). Thus, a trans-scale fabrication without any stitching or combination of different positioning systems is necessary. The immense synergy between the highly precise positioning and the DLW is demonstrated by the realization of resist lines and trenches whose center-to-center distance undergoes the modified diffraction limit for two-photon processes. The precise positioning accuracy enables a defined distance between illuminated lines. Hence, with a comparable huge width of the trenches of 1.655 [my]m due to a low effective numerical aperture of 0.16, a resist line of 30 nm between two written trenches could be achieved. Although the interrelationships for achieving such narrow trenches have not yet been clarified, much smaller resist lines and trench widths are possible with this approach in the near future.

This paper deals with the controller design of a linear drive system with potential applications in picometer-scale positioning. The displacement is measured using a high-precision differential plane-mirror laser interferometer. However, this measured signal must be filtered for control purposes and performance validation. For tracing picometers, we adopt a model-based 2-DOF control architecture with a feedforward stage for model-following and a feedback stage for stabilization and compensation of constant disturbances. A straightforward way to deal with noise is to use a feedback controller based on estimated (and filtered) states, which can be generated by a Kalman-Bucy filter. The effectiveness of the presented control strategy is verified via real-time experimentation, where the overall control scheme allows positioning in the picometer level. Moreover, comparative tests in the frequency domain were conducted using the so-called PI-LQR feedback controller based on estimated states.

A decrease of the temperature dependent coercive forces up to around 370 K is discovered in iron silicon alloys, both in quenched samples and in samples which were previously thermally treated to achieve the highest magnetic quality. Alloys of composition Fe-6 wt.% Si and Fe-3 wt.% Si are studied. This reduction in the coercive force is controlled by an increase in the mobility of the domain walls due to the increase in the dislocation's mobility enhanced by the movement of vacancies. It is worthwhile to mention that this reduction in coercive force is only present at these slightly elevated temperatures which are markedly smaller than the usual annealing temperatures for heat treatment of iron silicon alloys while it disappears again at room temperature. Neutron thermodiffraction, magnetic hysteresis loops tracer and mechanical spectroscopy are used as experimental techniques.

We investigate the free convection processes in the vicinity of a spherical 1 kg mass standard by two- and three-dimensional direct numerical simulations using a spectral element method. Our focus is on the determination and suppression of updraft forces in a high-precision mass comparator which are caused by temperature differences between mass standard and its environment in the millikelvin range - a source of systematic uncertainties in the high-precison mass determination. A two-dimensional model is presented first, which obtains a good agreement with previous laboratory measurements for the smaller temperature differences up to 15 mK. The influence of different boundary conditions and side lengths of the square domain is discussed for the mass standard positioned in the center of the chamber. The complexity is increased subsequently in configurations with additional built-ins for counter heating in form of planar plates or hemispherical shells above the mass standard. The latter ones lead to a full compensation of the updraft force. Three-dimensional simulations in a closed cubic chamber confirm the two-dimensional findings and additionally reveal complex secondary flow patterns in the vicinity of the mass standard. The reduction of the heat transfer due to the built-ins is also demonstrated by a comparison of the Nusselt numbers as a function of the Rayleigh number in the chosen parameter range. Our simulations suggest that such additional constructive measures can enhance the precision of the mass determination by suppression of free convection and related systematic uncertainties.

Drehmomentsensoren mit einem kleinen Messbereich bis zu 1 N&hahog;m sind Teil verschiedener Präzisionsgeräte, wie beispielsweise Roboter oder Werkzeuge für medizinische Operationen und Nanofabrikationsgeräte. Die Drehmomentsensoren benötigen häufig eine Kalibrierung, für die eine Rückführbarkeit nachgewiesen werden muss. Gemäß gesetzlichem Auftrag haben die nationalen metrologischen Institute die Aufgabe, die Drehmomenteinheiten zu realisieren und die geforderte Rückführbarkeit zu ermöglichen. Dieser Artikel zeigt, wie nach einem neuen Prinzip statische Drehmomente im Bereich von 1 mN&hahog;m bis 1 N&hahog;m erzeugt werden können. Ziel der laufenden Arbeiten war die Umsetzung dieser neuen Idee der Drehmomenterzeugung zur Schaffung einer neuen, präziseren Drehmoment-Normalmesseinrichtung. Die Leistungsfähigkeit der neuen Methode wurde mit der Erzeugung von statischen Drehmomenten nach dem Stand der Technik (PTB-Drehmoment-Normalmesseinrichtung) verglichen.

Macroscopic electromagnetic force compensation (EMFC) balances are well established but were not yet demonstrated within microsystems. Hence, in this paper, the concept and the design of a micro fabricated force compensation balance is presented. The implemented concentrated compliance mechanism in form of flexure hinges enables motion with high precision, which is combined with a force compensation mechanism. The concept of force compensation promises a high measurement range, which is expected to be up to 0.5 mN, while still enabling a high resolution of less than 8 nN. The developed dynamic model of the miniaturized balance is used for the design of a PID-controller strategy. Here, continuous and time-discrete controller approaches are compared. The time-discrete controller with realistic delay times, leads to an accuracy of the controller, which is better than the expected accuracy of the integrated capacitive position sensor.

Nanopositioning and nanomeasuring machines are 3D coordinate measuring systems with nanometer precision at measurement volumes in the cubic centimeter range. The coordinate base is formed by an interferometer system with a common mirror corner. The orthogonality deviations of the mirror corner require a coordinate transformation of the measuring axes. The uncertainty of the coordinate transformation must be taken into account in the overall measurement uncertainty budget. Starting from a complete transformation model, the result of model simplications on the transformation behaviour is analysed and discussed.

The paper presents some of the results of the static and dynamic force measurements at 100 nN to sub-10 [my]N ranges which are generated due the photon-momentum. The force sensor with resolution about 20 nN and operating in differential measurement mode is developed by two electromagnetic force compensation balances. In order to generate these calibration forces, CW lasers with different operational modes, power levels, and wavelengths are used. Multi-reflection configuration of the laser beam inside the macroscopic cavity with highly reflective mirrors are used to test and variate the total amount of the forces.

The Planck-Balance is a table-top version of a Kibble balance. In contrast to many other Kibble balances, the coil is moved sinusoidally and an ac rather than a dc signal is generated in the velocity mode. The three-parameter sine fitting algorithm is applied to estimate the amplitudes of the induced voltage and the coil motion, which are used to determine the force factor Bl of the voice coil of the electromagnetic force compensation balance. However, the three-parameter sine fitting algorithm is not robust against some perturbations, e.g. additive Gaussian white noise, quantization error, harmonic distortion, frequency error and time jitter. These effects have influences on the accuracy of the amplitude estimation. Based on numerical simulations and correlation analyses, the effects of these perturbations are determined. By optimizing measurement and data processing approach, the bias and standard deviation of the estimated amplitude can be effectively reduced, and thus the accuracy of the force factor Bl in the velocity mode can be improved.

The Planck-Balance 1 (PB1) has been developed in a collaboration between the Physikalisch- Technische Bundesanstalt and the Technische Universität Ilmenau. It is a small-size Kibble balance aimed to calibrate E1 mass standards for a mass range from 1 mg to 1 kg. This paper presents its principle and some preliminary investigations.

Gewinde sind Maschinenelemente mit vielseitiger Funktionalität. Sie werden zum Befestigen, Verbinden, Abdichten oder Zentrieren verwendet und in großen Stückzahlen hergestellt. Dabei steigen die Anforderungen an die Fertigung und Qualitätssicherung stetig an. Nach aktuellen Normen und Richtlinien erfolgt die Prüfung der Bestimmungsgrößen an Gewinden stichprobenartig in wenigen festgelegten Axialschnitten und Prüfebenen. Die komplex geformten und stark gekrümmten Werkstückoberflächen von Gewindeflanken werden deshalb hinsichtlich ihrer Funktionalität unzureichend bewertet. Das neuartige Messverfahren basiert auf einem dreidimensionalen mathematischen Modell zur Beschreibung der Gewindegeometrie. Die Aufnahme der Messpunkte als Ist-Punktewolke erfolgt durch eine flächenhafte Messstrategie auf konventionellen Koordinatenmessgeräten. Der anschließende ganzheitliche Auswertealgorithmus ermöglicht erstmals die Bestimmung aller relevanten Bestimmungsgrößen am Gewinde auf Basis eines einzigen Datensatzes. Des Weiteren liefert der neue Auswertealgorithmus erstmals ein Ergebnis für die lokalen Bestimmungsgrößen, welche zur Berechnung des Paarungsflankendurchmessers benötigt werden.

Zur rückführbaren Messung von Kräften im Bereich von Nanonewton werden typischerweise AFM Cantilever verwendet, deren Durchbiegung in guter Näherung proportional zur eingeleiteten Kraft ist. Die Proportionalitätskonstante zwischen den Größen wird durch die Steifigkeit des Cantilevers beschrieben. In dieser Arbeit wird die Konzeption, Entwickelung und Analyse eines Prüfstandes zur Vermessung der Steifigkeiten von Cantilevern beschrieben. Dazu wird der Cantilever an einem Halter befestigt und durch einen Piezoantrieb auf die Oberfläche eines Diamanttasters gedrückt. Die Auslenkung des Cantilevers wird durch ein Differenzinterferometer und die dafür notwendige Kraft mit einer neu entwickelten EMK-Wägezelle gemessen. Der Mechanismus der monolithischen Wägezelle ist durch die Verwendung eines einzelnen Drehgelenks sehr weich und ermöglicht dadurch eine hohe Kraftauflösung. Die Position des Wägebalkens wird durch ein weiteres Differenzinterferometer gemessen und mit einem PID-Regler zu Null geregelt. In zwei unabhängigen Verfahren wurde in guter Übereinstimmung die effektive Kraftkonstante der Wägezelle auf Bl = 25,9 mN/A bestimmt. Der Prüfstand wurde hinsichtlich seiner Eigenschaften untersucht und die Einflussgrößen auf die Messunsicherheit der Cantileversteifigkeit identifiziert. Die Kalibrierung eines weichen Cantilever ergab eine relative Messunsicherheit von 1,5 % (k = 2) bei einer Kalibrierkraft < 100 nN. Bei der anschließenden Untersuchung der Spitze waren keine Schäden festzustellen. Die Messung eines zweiten Cantilevers ergab eine gute Wiederholbarkeit der Kalibrierergebnisse. Außerdem wurden die durch diesen Prüfstand erzielten Ergebnisse mit den Resultaten eines an deren Prüfstandes verglichen und zeigten gute Übereinstimmung.

Das Messen kleiner Kräfte ist in vielen wissenschaftlichen Bereichen, wie beispielsweise der Physik oder Biologie, erforderlich. Bei Kräften im Bereich von Nanonewton werden typischerweise AFM-Cantilever als Kraftsensoren genutzt. Die Steifigkeit des Cantilevers muss bekannt sein um von der Durchbiegung auf die Kraft zu schließen. Aufgrund von Fertigungsabweichungen kommt es zu einer großen Streuung der Cantileversteifigkeit. Für eine präzise Kraftmessung muss daher jeder einzelne Cantilever kalibriert werden. Das derzeit genauste Kalibrierverfahren basiert darauf die Kraft-Weg-Kennlinie des Cantilevers statisch zu messen und ihren Anstieg zu bestimmen. In diesem Artikel wird ein neuartiger Prüfstand beschrieben welcher nach diesem Prinzip arbeitet. Ein Interferometer misst die Position und eine neuartige, eingelenkige Wägezelle die Kraft des Cantilevers. Die Wägezelle wurde in zwei unabhängigen Experimenten mit übereinstimmendem Ergebnis kalibriert. Abschließend werden die Messergebnisse einer Cantileverkalibrierung präsentiert.

Das Gewinde zählt heutzutage zu den am häufigsten eingesetzten Maschinenelementen. Der Grund dafür ist die universelle Anwendbarkeit als Befestigungs-, Verbindungs-, Bewegungs-, Dichtungs- oder Zentrierelement. Dabei stellt die Funktion häufig höchste Anforderungen an die Genauigkeit der Gewindegeometrie. Demzufolge wächst der Anspruch an die technologischen Lösungen zur Fertigung und Prüfung von geometrischen Merkmalen am Gewinde stetig. Gewinde werden gemäß aktueller Normen und Richtlinien bislang nur stichprobenartig an bestimmten Punkten und in ausgewählten Schnitten gemessen und ausgewertet. Die wendelförmige Geometrie lässt sich hinsichtlich ihrer Funktionalität daher nur unzureichend bewerten. Der Einsatz einer flächenhaften Messstrategie und einer ganzheitlichen Auswertemethode revolutioniert die konventionellen Vorgehensweisen und ermöglicht zudem erstmals eine funktionsorientierte Prüfung von Gewinden. Die Gewindemetrologie steht deshalb in ihrer fast hundertjährigen Entwicklungsgeschichte im Zuge der vierten industriellen Revolution vor einem Paradigmenwechsel. Um diesem Rechnung zu tragen, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung eines fortschrittlichen messtechnischen Verfahrens zur Rückführung von Bestimmungsgrößen am Gewinde mit den höchsten Anforderungen an die Messunsicherheit im Umfeld eines nationalen Metrologie Instituts, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Das Messverfahren zielt auf den Einsatz von flächenhaften Messstrategien und ganzheitlichen Auswertemethoden im Sinne der im Jahre 2015 aktualisierten Technologie-Roadmap Fertigungsmesstechnik 2020 ab. Die messtechnische Erfassung der Werkstückgestalt eines Gewindes erfolgt auf einem Koordinatenmessgerät, welches in den letzten Jahrzehnten Einzug in viele Messlaboratorien gefunden hat. Die ganzheitliche Auswertung basiert auf dem erfassten dreidimensionalen Messdatensatz und einem geometrisch-idealen Modell eines Gewindes. Die bestmögliche Einpassung des Modells in den Messdatensatz erfolgt mit einem im Rahmen dieser Arbeit implementierten Approximationsalgorithmus. Das Messergebnis liefert eine umfassende Angabe der Abweichungen in Maß-, Form- und Lage der Istgeometrie bezüglich der Nenngeometrie. Im praktischen Teil der Arbeit erfolgt anhand werkstückähnlicher Normale von Gewinden der PTB die Verifikation der metrologischen Lösungsansätze.

Die Mikro- und Nanofabrikation verspricht für die nächsten Jahre ein enormes Wachstumspotenzial, insbesondere auch im Bereich der laserbasierten Fertigung. Die hochauflösende Technik des Laserschreibens mittels Zwei-Photonen-Absorption (2PA) kann zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen mit minimalen Strukturbreiten von sub-100 nm verwendet werden. Mit der optischen Präzision gehen auch Forderungen an die Präzision der Mess- und Positioniersysteme einher, um den technischen Stand von zweiphotonenbasiertem Laserschreiben weiter voranzutreiben. Die an der TU Ilmenau entwickelten Nanopositionier- und Nanomessmaschinen (NPM-Maschinen) ermöglichen eine hochgenaue und metrologisch rückführbare Positionierung mit Positionierauflösungen von 0,1 nm und einer Wiederholbarkeit von unter von 1 nm. Dabei eröffnet der Positionierbereich von 25 mm × 25 mm × 5mm bzw. von 200 mm × 200 mm × 25 mm der NPM-Maschinen ganz neue Dimensionen der skalenübergreifenden Fabrikation, sodass mikro- und sub-mikrometergenaue Artefakte bei Bauteilen mit Millimeterabmessungen erzielt werden können. In der vorliegenden Arbeit wird die Erweiterung von NPM-Maschinen zu Fabrikationsmaschinen durch die Kombination mit 2PA-Laserschreiben thematisiert. Dazu wird zunächst ein Konzept zur Integration der Zwei-Photonen-Technologie in eine NPM-Maschine entwickelt und umgesetzt. Anschließend erfolgen eine Charakterisierung des Systems sowie gezielte Untersuchungen, um den Nachweis für die Synergie der beiden Techniken zu erbringen. Es konnten diverse erfolgreiche Experimente durchgeführt werden, sodass nach Untersuchungen zur Belichtungsdosis die Herstellung von großflächigen Justiermarken gezeigt wurde. Das Potential der genauen Positionierung wird durch bahnbrechende Ergebnisse zur Abstandsreduzierung zwischen zwei geschriebenen Linien, welche die Beugungsbegrenzung unterschreiten, demonstriert. Zudem zeigten erste Versuche zur dreidimensionalen Strukturierung von Hybridpolymeren das enorme Potential für zukünftige komplexe 3D-Anwendungen in einer bisher nicht möglichen Präzision. Im Fokus stand außerdem die Entwicklung und Untersuchung eines neuen Ansatzes zur Mikro- und Nanofabrikation mit hohem Durchsatz, der auf einer Verbindung von zweiphotonenbasiertem Laserschreiben mit Feldemissionslithographie zur Herstellung von Mastern für anschließende Nanoprägelithographie basiert.

Die vorliegende Arbeit stellt ein neuartiges Konzept für eine fünfachsige Nanomessmaschine zur Messung von Formabweichungen auf stark gekrümmten Asphären oder Freiform-Flächen vor. Bis zu einem Anstieg von bis zu 60&ring; der Messobjektoberfläche kann der Sensor orthogonal zu dieser ausgerichtet werden. Unter vollständiger Einhaltung des Abbe-Komparatorprinzips wird das Messobjekt translatorisch in einem Bereich von 25mm 25mm 5mm relativ zu dem um zwei Rotationsachsen drehbaren Sensor bewegt. Die Messachsen der translatorischen Positionsmessung schneiden sich im so genannten Abbe-Punkt. Dieser Abbe-Punkt ist gleichzeitig auch der Antastpunkt des Sensors und der konstante Momentanpol der beiden Rotationsachsen zur Sensorrotation, die sich rechtwinklig in dem Abbe-Punkt schneiden. Zur Bestimmung der zufälligen und systematischen Positionsabweichungen des Sensors in Folge seiner Rotation wird ein Referenzmesssystem vorgestellt. Dieses besteht aus drei fest mit dem Sensor verbundenen, kartesisch angeordneten Fabry-Pérot-Interferometern, die kontinuierlich den Abstand des Sensors zu der Innenfläche einer Referenzhemisphäre messen. Die Messstrahlen der Fabry-Pérot-Interferometer schneiden sich dabei virtuell im Abbe-Punkt. Um die Formabweichung dieser Referenzhemisphäre zu bestimmen, wird ein in-situ-Kalibrierverfahren beschrieben, das die Bestimmung der Formabweichung mit den im System vorhanden Sensoren im Einbauzustand erlaubt. Dazu wird der Sensor durch einen Kugelreflektor im Abbe-Punkt (Kugellinse n=2) ersetzt. Dessen Positionsabweichung wird während der Rotation gemessen und zur Bestimmung der Formabweichung der Referenzhemisphäre genutzt. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein Prototyp des vorgestellten Konzepts aufgebaut und die Funktion des Referenzmesssystems verifiziert. Über einen großen translatorischen Verschiebungsbereich von 80 [my]m, kann die Verschiebung des Antastpunktes mit Hilfe des Referenzmesssystems auf +-200nm erfasst werden. Eine Wiederholungsmessung zwischen zwei Stellungen des Rotationssystems zeigte, dass die Antastpunktposition mit einer maximalen Abweichung von 27nm bestimmt werden kann. Die ausführliche theoretische Messunsicherheitsbetrachtung auf Grundlage von sechs Untermodellen ergibt eine Messunsicherheit für die Bestimmung des Antastpunktes von maximal 18nm p = 68%.

Stetiger Fortschritt im Bereich der Digitalisierung und Informationsverarbeitung erfordern immer feinere optische und Halbleiterstrukturen. Diese sind nur durch immer hochauflösendere Fertigungsverfahren herstellbar. Damit steigt die Bedeutung hochpräziser Nanopositionier- und Nanomesstechnik. Sie wird einerseits für die Überprüfung hergestellter Strukturen, als auch für die eigentliche Fertigung benötigt. Zusätzlich benötigen komplexere Strukturen mehr Bauraum. Somit steigt der Bedarf an Nanopositionier- und Nanomessmaschinen mit großem Bewegungsbereich in Kombination mit höchstmöglicher Präzision. Mit Arbeitsbereichen von mehreren hundert Millimetern sowie Mess- und Positionierauflösungen im Nanometerbereich schließen sie die Lücke zwischen Koordinatenmessmaschinen und Rastersondenmikroskopen. Die Nanopositionier- und Nanomessmaschine 200 ist einer der fortschrittlichsten Vertreter. Ihr einzigartiger Aufbau ermöglicht kleinste Messunsicherheiten von unter 30 nm in einem Arbeitsbereich von 200 x 200 x 25 mm^3. Mess- und Fabrikationsaufgaben können sowohl bei Umgebungsdruck, als auch im technischen Vakuum erfolgen. Das dafür realisierte Antriebskonzept stellt besondere Aufgaben an die Steuer- und Regelungsalgorithmen. In der vorliegenden Arbeit werden neue Modelle der Antriebssysteme und bewegten Achsen entworfen und weiterentwickelt. Durch die spezielle Anordnung der Baugruppen für die vertikale Bewegung führen Rotationen zu erheblicher Wechselwirkung mit allen anderen Messachsen. Ein präzises Bewegungsmodell ermöglicht eine signifikante Verbesserung der Regelgüte. Daher wird das bisherige plattformbezogene Reibungsmodell durch ein führungsbezogenes ersetzt. Restfehler zwischen mathematischer Beschreibung und Messung können somit deutlich reduziert werden. Weiterhin wird das Modell um verschiedene Ansätze erweitert, die einen Einfluss der Kippwinkel berücksichtigen. Diese werden mit Messdaten abgeglichen und bewertet. Aufgrund auftretender Rastkräfte sind positionsabhängig hohe Antriebsströme in den planaren Antrieben erforderlich. Die vorhandenen Kühlsysteme können nicht hinreichend schnell auf die Änderungen der in Wärme umgesetzten Verlustleistung reagieren. Dadurch entstehende Temperaturschwankungen sind beim Betrieb in Vakuum grundsätzlich zu vermeiden. Aufbauend auf einer Kompensation der Rastkräfte wird eine Strategie entwickelt, um die Leistungsaufnahme auf einem möglichst niedrigen Niveau zu stabilisieren. Hierfür werden verschiedene Methoden vorgeschlagen und untersucht. Zur Vermeidung von Störkräften werden minimale Schwankungen der Leistungsaufnahme zugelassen, die so kurzfristig ausgeglichen werden, dass keine relevanten Temperaturschwankungen entstehen.

A Mix-and-Match lithography method for a high-resolution, high-precision and cost effective lithography tool using DLW and FE-SPL was developed and successfully realized. The pattern transfer from the photoresist to the silicon substrate is done by so-called "cryogenic etching". It means that the substrate is cooled down to cryogenic temperatures. In contrast to etching processes at standard room temperature, the cryogenic temperatures (below -100 &ring;C) enable a highly anisotropic etching process. The difference between etching at room temperature compared to cryogenic etching is carried out in this work. The advantages of the etching process are highlighted for the pattern transfer from Mix-and-Match-structured samples. Therefore, the used photoresist mr-P 1201LIL (microresist technologies GmbH) has been examined concerning its silicon-to-resist selectivity which could be determined to be 6:1 for the applied etching recipe. Using cryogenic etching, we are now able to transfer the Mix-and-Match-structured patterns into silicon with appreciable high selectivities. This opens a novel pathway for the manufacturing of quantum devices on large wafers. The paper discusses current research results based on the TU Ilmenau Nanopositioning and Nanomeasuring Machines (NPMM) including the novel application of nanofabrication. First, the basic setup and the resulting benefits of the NPMMs for measuring and fabrication in a working volume of up to 200 mm × 200 mm × 25 mm while abiding nanometer accuracy is described. This is in contradiction to state-of-the-art AFM scanners, which have a limited working range of appr. 100 [my]m × 100 [my]m. Next, the principle and the results of different nanofabrication technologies are shown. These include Scanning Probe Lithography (SPL), Direct Laser Writing (DLW) and UV-nanoimprint lithography (NIL). Last, efforts for further improving the feature placement accuracy of the NPMMs as well as attempts to combine several fabrication technologies to improve their throughput are touched on.

Progress in the field of thermoelectricity requires the further development of material science deep into the substance through the use of the achievements of applied and theoretical advances in nanotechnologies, including nanothermodynamics. This enables to expand the range of current thermodynamic forces, taking into account the forces inherent in nanostructured substances, and to increase the efficiency of attracting the concept of eddy thermoelectric currents in order to increase the accuracy of temperature measurement by thermoelectric sensors. The researches of materials of thermoelectric sensors have not only included not only the study of the stability of thermoelectric sensors, but their study by their methods of non-destructive acoustic control. This makes it possible to assess and develop the role of specific mechanisms for the formation of eddy thermoelectric currents in the drift of thermoelectric power.

Seit der Entwicklung im Jahr 1986 ermöglicht das Rasterkraftmikroskop (AFM) den Blick in die Nanowelt. Das Funktionsprinzip des AFM basiert auf Detektion der interatomaren Wechselwirkung zwischen abzubildender Oberfläche und einer pyramidenförmigen Spitze mit einem Radius von wenigen Nanometern. Die Spitze ist am freien Ende eines Cantilevers angebracht. Die durch die Wechselwirkungskräfte verursachte Auslenkung des Cantilevers wird mit einem Lagedetektor erfasst. Im AFM wird die Antastspitze über die Messobjektoberfläche geführt und die Oberfläche wird währenddessen abgetastet, ähnlich wie bei einem Schallplattenspieler die Nadel des Tonabnehmers die Platte abtastet. Der Lagedetektor liefert dabei ein Signal, das mit der Topographie der Oberfläche zusammenhängt. Die zu jedem einzelnen Messpunkt erfassten Messwerte werden zu einem Bild zusammengesetzt. Von Beginn an dienten AFM für die bildliche Darstellung von Nanostrukturen. Der heutige technologische Fortschritt erfordert metrologisch exakte Objektvermessung mit Nanometergenauigkeit über große Messbereiche. Solche Messungen sind nur möglich, wenn die Mess- und Positioniersysteme gute messtechnische Eigenschaften aufweisen und auf nationale und internationale Normale rückführbar sind. Dies war der Ausgangspunkt zur Entwicklung eines laserinterferometrischen Rasterkraftmikroskops (LiAFM), welches als Antastsystem für die Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NPMM) NMM-1 dienen soll. Das Hauptmerkmal des LiAFM ist der kombinierte Lagedetektor für die Messung der Torsion, Biegung und Position des Cantilevers mit einem einzigen Messstrahl. Dieser kombinierte Lagedetektor schließt einen Lichtzeiger und ein Interferometer ein und wird im LiAFM als interferometrisches Sondenmesssystem bezeichnet. Das Laserinterferometer ermöglicht die Rückführbarkeit der Positionsmessung auf das Längennormal. Der Lichtzeiger zeichnet sich von anderen Lagedetektoren durch die gleichzeitige und getrennte Erfassung von Biegung und Torsion des Cantilevers aus. Die NMM-1 führt bei einer Messung die Scanbewegung durch, somit ist für das LiAFM ein x-y-Scanner nicht erforderlich. Um die Messdynamik und den Messbereich des LiAFM zu erhöhen ist ein piezoelektrischer z-Antrieb integriert. Während der Messungen wird eine interferometrische Positionsmessung sowie eine hochgenaue Regelung der Durchbiegung des Cantilevers (mittels z-Antriebes und Biegungssignals des Lichtzeigers) durchgeführt und die Kombination der Bewegungen von NMM-1-Tisch und z-Antrieb des LiAFM verwendet. Das LiAFM wurde erfolgreich aufgebaut, in die NMM-1 integriert und für zahlreiche Messaufgaben eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wird dieses neuartiges LiAFM, seine besonderen Merkmale, die Funktionsweise, der Aufbau, die messtechnischen Eigenschaften sowie die wichtigsten Messungen und deren Ergebnisse ausführlich dargestellt.

Atomic Force Microscopes are capable to provide non-destructive high resolution, CD-metrology and precise defect analysis. However, a conventional AFM has not enough throughput for today's large scale semiconductor manufacturing. The primary point remains the increase of the scanning area in case of large wafers, masks, displays or dies. Cantilever array-based AFMs are intended to increase the imaging throughput by parallelizing the work of many AFM probes that may be practiced by parallel AFM systems that are capable to operate autonomously. An active cantilever scheme makes it possible to sense electronically the deflection and individually to control the actuation of every cantilever in the array. Each cantilever in the array represents a self-sustaining AFM-hardware system for metrology and imaging. In that, the multiple parallel probes are forming many AFMs capable to work independently.

In der vorliegenden Dissertationsschrift werden drei neue interferometrische Messanwendungen in der Form- und Längenmesstechnik entwickelt und untersucht, die auf einer optischen Direktantastung technischer Oberflächen beruhen. Die angetasten Oberflächen unterscheiden sich in Form, Rauheit und Reflexionsgrad deutlich von ebenen Spiegeln, was eine Anpassung der antastenden Wellenfronten im Interferometer erfordert. Zu den betrachteten Anwendungen gehören eine interferenzoptische Rundheits- und Rundlaufmessung, eine interferenzoptische Durchmessermessung an Lehrringen und eine interferenzoptische Kavitätslängenmessung. Für die Realisierung der interferenzoptischen Anwendungen wurden vier technische Konzepte abgeleitet, miteinander kombiniert und in Technologiedemonstratoren umgesetzt. Das erste technische Konzept ermöglicht eine interferenzoptische Direktantastung gekrümmter Oberflächen durch die Anpassung der Wellenfronten im Messstrahl an die Oberflächenform. Dies wird durch die Einbindung einer adaptiven Optik erreicht. Das zweite Konzept sieht die Kopplung eines Laserinterferometers mit einem Weißlichtinterferometer vor, um eine absolute optische Längenmessungen mit hoher Präzision (Auflösung im Nanometerbereich) und einem großen Messbereich (mehrere hundert Millimeter) durchführen zu können. Das Weißlichtinterferometer wird gemäß dem dritten technischen Konzept mit kompakten, sehr langlebigen, lichtwellenleitergekoppelten LEDs betrieben, die ein breiteres optisches Spektrum aufweisen als Superlumineszenzdioden (SLD), aber auch eine geringere Lichtausgangsleistung. Um im Weißlichtinterferometer ausreichend Lichtleistung zur Erzeugung von Interferenzsignaturen zur Verfügung stellen zu können, werden Multimode-Lichtwellenleiter (MM-LWL) eingesetzt. Diese MM-LWL verursachen aufgrund von Speckle-Effekten einen kontrastmindernden Effekt im Weißlichtinterferometer, der sich auf die geeignete Einstellung der Interferenzstreifenbreite auswirkt. Dieser Effekt wurde untersucht und mathematisch modelliert, um die Interferometerkonstruktion zu optimieren. Das vierte technische Konzept beschreibt den Einsatz achromatisch polarisierender Optikelemente im Weißlichtinterferometer. Es werden die Eigenschaften dieser achromatischen Optiken und deren Vorteile für eine effiziente Strahlführung im Weißlichtinterferometer untersucht und beschrieben. Neben einem Funktionsnachweis der interferenzoptischen Durchmessermessung wurden für die interferenzoptische Rundheits- und Rundlaufmessung und die interferenzoptische Kavitätslängenmessung automatisierte Messprozesse umgesetzt, die anschließend messtechnisch charakterisiert werden konnten. Für Messergebnisse einer interferenzoptischen Rundheitsmessunge wird eine erweiterte Messunsicherheit von U = 50 nm (k = 2 u. P = 95 %) erreicht. Eine interferenzoptische Längenmessung an einer Kavität mit dem Nennmaß von l = 10 mm in der Nanopositionier- und Messmaschine NMM-1 garantiert Messergebnisse mit einer erweiterten Messunsicherheit von U = 5 nm (k = 2 u. P = 95 %).

Zur absoluten, hochauflösenden Winkelmessung reflektierender Oberflächen werden nach dem derzeitigen Stand der Technik Autokollimationsfernrohre eingesetzt. Die mit diesem Prinzip erreichbaren Eigenschaften in Bezug auf die Sensorgröße, Auflösung und Messunsicherheit sind für Anwendungen mit hohen Anforderungen nicht mehr ausreichend. Aus diesem Grund wurde ein neuartiges Verfahren zur absoluten Winkelmessung entwickelt. Es basiert auf einem Kösters-Prisma und optischer Interferometrie. Das Interferenzsignal wird über eine CMOS-Matrix erfasst und durch einen Algorithmus ausgewertet. Als Signal für die Winkellage dient die Neigung und Streifenbreite der Interferenzstreifen. Bei ersten messtechnischen Untersuchungen konnte mit diesem Verfahren bereits eine Auflösung von unter 5 nrad und ein Messbereich von mehr als 5 mrad erreicht werden. Im Rahmen dieses Beitrages wird das neue Sensorkonzept vorgestellt. Das beinhaltet den optischen Sensoraufbau, die Strategie zur Signalauswertung und erste messtechnische Untersuchungen.

The majority of nanopositioning and nanomeasuring machines (NPMMs) are based on three independent linear movements in a Cartesian coordinate system with a repeatability in the nanometer range. This in combination with the specific nature of sensors and tools limits the addressable part geometries. This article contributes to the enhancement of multiaxial machine structures by the implementation of rotational movements while keeping the precision untouched. A parameter based dynamic evaluation system with quantifiable technological parameters has been set up and employed to identify general solution concepts and adequate substructures. It further on contains data based on comprehensive design catalogues, uncertainty calculations and CAD-model based footprint analysis for specific setups. First evaluations show high potential for sample scanning mode variants considering linear movements of the object in combination with angular movements of the tool, considering a goniometer setup in specific. Based on this, positioning systems for the tool rotation of a NPMM were selected and the positioning properties of different arrangements were determined in test series using autocollimators. General properties of the influence of the arrangement were derived. The arrangement of the substructures which fulfils the previous given requirements is integrated into the NPMM and investigated for long-term stability using a retroreflector as a tool and various laser interferometers. The influence of the additional positioning systems on the existing structure of NPMMs are investigated and solutions for the optimization of the overall system with regard to reproducibility and long-term stability are developed. For this purpose, comprehensive FEA simulations are carried out and structural adjustments are derived via topology optimizations. After all, the knowledge gained is formed into general rules for the verification and optimization of design solutions for multiaxial nanopositioning machines.

Elektrische Entladungen, die bei schaltenden elektrischen Kontakten oder beim Ziehen einer Steckverbindung unter Spannung entstehen können, sind eine bedeutende Zündquelle in explosionsfähigen Atmosphären. Elektrische Komponenten in solchen Atmosphären entsprechen daher einem Zündschutzkonzept wie beispielsweise der Eigensicherheit "i". Hierbei werden durch definierte Begrenzung von elektrischen Parametern Zündungen verhindert. Das wird nach dem Stand der Technik mit dem IEC-Funkenprüfgerät getestet, indem mit der Energie der Testkomponente elektrische Entladungen in einem explosionsfähigen Gasgemisch erzeugt werden. Die komplexen Phänomene der auftretenden Entladungstypen sind jedoch bis heute noch nicht vollständig verstanden. Die Ergebnisse der Prüfgeräte streuen stark und können zu Wettbewerbsverzerrungen führen. Zum Erreichen reproduzierbarer Ergebnisse ist es daher notwendig, eine verbesserte alternative Prüfmethode zu entwickeln. Diese soll die für die Zündung relevante elektrische Entladung nachbilden. Das Ziel ist, die Zündgrenzwerte durch diese Prüfmethode möglichst einfach und reproduzierbar bestimmen zu können. Dies wird durch einen Lösungsansatz erreicht, der auf der Verwendung der Zündgrenzwerte basiert, wie sie sich im IEC-Funkenprüfgerät bei einer definierten Zündwahrscheinlichkeit unter Worst-Case-Bedingungen ergeben. Hierzu wird eine spezielle Kontaktvorrichtung verwendet, mit der diese Entladungen unter Worst-Case-Bedingungen gezielt erzeugt werden. Die Untersuchungen umfassen daher die Ermittlung der Worst-Case-Bedingungen und die Charakterisierung der Entladungen bei Öffnungsvorgängen in einem Wasserstoff-Luft-Gemisch mit Stromwerten kleiner als 60 mA und einer maximalen Spannung von 30 VDC. Dabei werden die Strom-Spannungs-Kennlinie, das optische Spektrum, eine Abschätzung der Temperatur und eine vereinfachte Bewertung der Zündfähigkeit über den Leistungsverlauf einschließlich der Abschätzung der Messunsicherheit dargestellt. Die Nachbildung orientiert sich an der Physik der Entladung, ermöglicht reproduzierbare Ergebnisse und kann in einem Prüfgerät oder einem Programm eingesetzt werden. Die Arbeit bildet eine erste Grundlage für eine alternative Prüfmethode zum bisherigen IEC-Funkenprüfgerät, deren Ergebnisse in die internationale Normung einfließen können.

This paper reports about enhanced compliant mechanisms with flexure hinge based on new analytic and/or FEM models that have been manufactured by state of the art wire EDM technology. Experimental proofs at test benches, equipped with ultra-precise interferometer based length and angular measurement systems, show first time the residual deviation to the intended path of motion with a resolution of nanometers/arc seconds. Theoretically determined and measured data are in good correlation. Repeatability limitations are rather more given by the residual noise of the overall test arrangement and mainly not by the mechanism itself.

By combining classic differential interference contrast (DIC) with the chromatic confocal principle, we show that phaseshifting calibration can be avoided in DIC by using spectral information induced by the investigated sample. The created spectral fringe can be further used to unwrap the phase. This unwrapping is limited by the spectral resolution of the spectrometer. Therefore, the depth-difference around a single measurement point can be determined instantaneously. To reconstruct the depth profile, the integration of a depth-gradient is necessary. By combining the depth information of the chromatic confocal carrier signal with the differential depth information of the carried DIC signal, the accumulation of measurement uncertainty can be reduced. To our best knowledge, the proposed chromatic confocal differential interference contrast (CCDIC) is a novel profile reconstruction principle. To verify the feasibility of the CCDIC, a prototype probe with an adjustable shear and phase has been developed. Preliminary experiments achieve sub-micrometer depth resolution. A current challenge requiring further work is the stable unwrapping of the phase-difference by spectral frequencies. Keywords: chromatic confocal, differential interference contrast, unwrapping, industrial metrology

To keep up with Moore's law in future, the critical dimensions of device features must further decrease in size. Thus, the nano-electronics and nano-optics manufacturing is based on the ongoing development of the lithography and encompasses also some unconventional methods. In this context, we use the Nanopositioning and Nanomeasuring Machine (NPMM) to generate features in resist layers by means of Direct Laser Writing (DLW),1 Field Emission Scanning Probe Lithography (FE-SPL)2 and Soft UV-Nanoimprint Lithography (Soft UV-NIL)3 with highest accuracy. The NPMM was collaboratively developed by TU Ilmenau and SIOS Meßtechnik GmbH.4 The tool provides a large positioning volume of 25 mm × 25 mm × 5 mm with a positioning resolution of 0.1 nm and a repeatability of less than 0.3 nm over the full range. Previously a single electron transistor (SET) working at room temperature generated by FE-SPL has been demonstrated.5 However, the throughput is limited because of the serial writing scheme making Tennant's law (At R5 ) valid.6 Here, At is the areal throughput and R the lithographic resolution. Thus, patterning of the whole NPMM positioning area by FE-SPL is very time consuming. In order to address this problem, different strategies and/or combinations are conceivable. In this work a so-called Mix-and-Match lithography is conducted. A fast generation of structures in the sub-micron range is possible by means of DLW. By this, features such as electrical wires, contact patches for bonding or labels are generated in resist. Subsequently, we use FE-SPL in order to define the actual nano-scaled features for quantum or single electron devices. In combination, DLW and FE-SPL are maskless lithography strategies, hence, offering completely novel opportunities for rapid nanoscale prototyping of largescale resist patterns. An explanation of this technique is given in a previous publication.7 Furthermore, after reactive ion etching, the sample can be used as template for Soft UV-NIL, thus resulting in a high-throughput process chain for future quantum and/or single electron devices.

Sub-5 nm lithography and metrology are the key technologies for more CMOS and beyond CMOS nanoelectronics. To keep up with scaling down of nanoelectronic components, novel instrumentation for nanometer precise placement, overlay alignment, and measurement are essential to enable fabrication of next generation nanoelectronic systems. In particular, scanning probe microscopy (SPM) based methods for surface modification and measurement are the emerging techniques for producing and testing of sub-5 nm features. In this article, the authors demonstrate nanoscale lithography and coordinate metrology technologies, both being based on SPM methodology. Scanning probes with a piezoresistive deflection read-out and an integrated deflection actuator, later on referred to as the active piezoresistive cantilevers, were used for lithography employing field emission patterning. They were also integrated with the so-called nanomeasuring machine (NPM) andused for surface imaging, which made it possible to measure the structure dimensions in the 25 × 25 × 5 mm^3 space with 0.1 nm resolution and great accuracy. The basic NPM concept relies on a unique arrangement, enabling the so-called Abbe error-free measurements in all axes over the total scan range. The combination of the active piezoresistive cantilevers and NPM technologies makes it possible to store the exact location on the investigated surface, which can be found again with an accuracy of less than 2.5 nm. This system is also predestinated for the critical dimension, quality, and overlay control.

In view of the increasing demands on precision optics, microelectronics and precision mechanics nanoscale structuring processes are of great interest. It is becoming more and more important to apply a large number of structures that are as small as possible to ever larger areas with high reliability and to increase the number of structures per area element (packing density). The straightness and uniformity of these structures, as well as the positioning accuracy during the fabrication of such narrow lines and points are at the center of the increase of the packing density. A further decisive role is played by the development of suitable sensors and tools for the production and measurement of these structures. The development and the combination of a new laser based probe for the measurement and a direct laser writing (DLW) tool for the creation of sub-micro structures forms the core of this topic. The new sensor is based on a confocal measuring principle. A fiber coupling is used to avoid thermal influences. At the same time, the fiber end itself serves as a confocal pinhole. For the process tool, comprehensive investigations of laser and resist parameters are necessary. The first results are shown. These two parts are investigated separately and combined at the end of the work. In order to achieve the necessary positioning accuracy, the tool is integrated into the Nanopositioning and Measurement Machine (NPMM).

Alternative lithography approaches, especially pattering technologies are in advance since several years. Every day new, more or less high localized, AFM-tip based structuring methods as well as new optical and e-beam methods become acquainted. Most of them are sequential single-point procedures. The local interaction reaches from 150 nm up to sub-10 nm. Especially tip based methods are developed on the basis of atomic force microscopes AFM. Therefore, the ranges, which can be structured, are only in the range of 2 [my]m x 2 [my]m up to 100 [my]m x 100 [my]m. In most cases it is not known or not verified if those new tip based techniques are suitable for larger ranges and areas. Even the stages and control algorithms of AFM's are not optimized for defined, high dynamic and as well high stable scanning trajectories in the nanometre respectively in the sub-nanometre level.

Ein Gerät, das für die Messung von Kraft- und Drehmomentvektoren eingesetzt wird und ein Kalibriersystem integriert, wird in dieser Arbeit beschrieben. Die Kräfte und Drehmomente werden auf die Messung von Position, Winkel, elektrischer Spannung, elektrischem Widerstand und Zeit zurückgeführt. Hinsichtlich fundamentaler Naturkonstanten können die Kräfte und Drehmomente auf die Planck Konstante h, die Lichtgeschwindigkeit c und die Frequenz des Hyperfeinübergangs von Caesium [Delta]v_Cs zurückgeführt werden. Das Messprinzip basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation und die Kalibrierung auf dem Kibble-Waagen Prinzip. Mehrere Schwierigkeiten und Einschränkungen von traditionellen Kalibrierverfahren für Mehrkomponenten-Kraft- und Drehmomentaufnehmer werden mit diesem System überwunden und neue Möglichkeiten werden vorgeschlagen, wie z.B. die automatische Inprozess-Kalibrierung. Mithilfe einer sorgfältigen Unsicherheitsanalyse wird die erreichbare Unsicherheit für die Kraft- und Drehmomentmessung ausgewertet und die Einschränkungen identifiziert, die durch die verschiedenen Komponenten des Systems verursacht werden. Ein Prototyp wird vorgestellt, der die Kraft- und Drehmomentmessung im Bereich vom 2.2 N und 0.11 N m mit einer relativen Standardmessunsicherheit von 44 ppm bzw. 460 ppm ermöglicht. Weiterhin wurde das System durch die Messung einer bekannten Kraft überprüft, die von einem kalibrierten Testgewicht erzeugt wird. Experimentelle Ergebnisse wurden durch die Anwendung von Mehrkomponentenaufnehmern in der Lorentzkraft-Anemometrie, Mikrobearbeitung und für die Identifikation von Kraft- und Drehmomentmesssystemen erzielt. Auf Verbesserungsmöglichkeiten für die weitere Reduzierung der Unsicherheit bei der Kraft- und Drehmomentmessung mit dem Gerät wird eingegangen.

High performance single nanometer lithography is an enabling technology for beyond CMOS devices. In this terms a novel mask- and development-less patterning scheme by using electric field, current controlled Scanning Probe Lithography (FE-SPL) in order to pattern structures on different samples was developed. This work aims to manufacture nanostructures into different resist by using FE-SPL, whereas plasma etching at cryogenic temperatures is applied for an efficient pattern transfer into the bottom Si substrate. The challenge for future quantum devices, generated by SPL and cryogenic etching, is finding a resist that is at most 10 nm in thickness and has a plasma durability high enough for pattern transfer into silicon. As a first step towards future quantum devices the silicon-to-resist selectivity of calixarene, AZ Barli, poly (3-hexylthiophen-2, 5-diyl) and polymethylmethacrylat for the anisotropic cryogenic dry etching process was estimated. A silicon-to-resist selectivity of about 4:1 for each of these resists was found. With these results, nano-scale, highly parallel double line features in silicon for future double patterning were generated.

Festkörpergelenke werden seit langem in verschiedensten Bereichen der Feinwerktechnik eingesetzt, besonders dort, wo erhöhte Anforderungen an die Präzision bestehen. Beispiele dafür sind Präzisionswaagen und Massekomparatoren, die bereits eine beeindruckende Leistungsfähigkeit erreicht haben. Dies ist nicht zuletzt auf die genaue Kenntnis der mechanischen Eigenschaften und deren Modellierung zurückzuführen. Dennoch ergeben viele in der Literatur verfügbare analytische Modellgleichungen zur Berechnung der Drehsteifigkeit der hier typischen, besonders dünnen Festkörpergelenke eine Abweichung von rund 10 % gegenüber dem 3D-Modell basierend auf der Finiten-Elemente-Methode. Dies wird anhand der genauen Betrachtung des Spannungszustandes im belasteten Gelenk aufgezeigt und ist ein relevanter Aspekt für die Entwicklung von Geräten für Präzisionsanwendungen und deren Justierung. Der Beitrag beleuchtet dieses Phänomen im Detail, zeigt Grenzen verschiedener Modellansätze in Abhängigkeit der Geometrie auf und bietet dem Leser einen Vorschlag zur präzisen Modellierung in einem großen Parameterraum an, die ohne eine aufwändige Finite-Elemente-Analyse auskommt.

The semiconductor industry has been done an incomparable progress during the last 60 years. With the ongoing reduction of the structure size by new fabrication techniques the nanomeasurement systems have also increased their performance [1]. Besides this development the measurement and fabrication of freeform surfaces, aspheric lenses or high aspect ratio structures are still highly challenging. There are different commercial and scientific approaches to measure on freeform surfaces [2, 3, 4, 5].

The measurement of freeform surfaces, aspheric lenses or the sidewall roughness of high aspect ratio structures are a current challenge in nanometrology. There are different publications and commercial products with approaches to perform a measurement of those quantities [1, 2, 3, 4]. Beside the nanomeasurement the nanofabrication on curved freeform surfaces is an upcoming trend. The measurement or the fabrication on a freeform surface is limited by the possible tilt angle between the tools working axis and the local surface normal. To achieve larger angles and a minimal measurement uncertainty the tool must be placed optimal to the local surface. According to those requirements, concepts are developed to increase the degree of freedom in positioning. The x-y-z translational positioning system of an nanomeasuring machine (NMM-1) with a working volume of 25×25×5mm^3 [5] will be extended by additional rotational movements. The rotation can be achieved by three basic principles of motion which are the rotation of the sample, of the tool or a combination of the tool and the sample rotation. In a first step the principles of motion are described by their bare geometrical properties and decoupled from real positioning systems. A constant instantaneous centre of motion in the sensor measurement point is determined as the optimal principle for a rotational system. This principle is further investigated and is made concrete by choosing a combination of kinematics [6]. A vectorial approach based on the GUM [7] is used to evaluate the influence of the axes error motion on the measurement result. The method and the results for a combination of a rotary table and a goniometer axis are described in detail.

Die Definition und Variation von Eingangsparametern eines Modells erlaubt nach einer Stichprobenberechnung die Auswertung von verteilten Ausgangsparametern. Sie werden als Reproduzierbarkeit dieser Berechnung angesehen. Für ein thermisches FEM-Modell einer kleinen Mehrfachfixpunktzelle für die Kalibrierung von Berührungsthermometern wird nach dieser Prozedur und nach einem Vergleich (Validierung) mit der Reproduzierbarkeit experimentell ermittelter Ergebnisse mittels einer Validierungsmetrik ein Vertrauensintervall berechnet, in dem Prognosen mit dem Modell an einer nicht validierten Stelle durchgeführt werden könnten. Dieser Ansatz wird in diesem Beitrag vorgestellt.

Der vorliegende Beitrag stellt die besonderen Merkmale, die Funktionsweise, den Aufbau, die messtechnischen Eigenschaften sowie wichtige Applikationsmessungen des interferometrischen Rasterkraftmikroskops dar. Das interferometrische Rasterkraftmikroskop dient als Antastsystem in der Nanopositionier- und Nanomessmaschine NMM-1. Sein Hauptmerkmal ist der Lagedetektor - das kombinierte Sondenmesssystem, das die gleichzeitige Erfassung der Torsion, Biegung und Position des Cantilevers mittels Lichtzeiger und Interferometer ermöglicht. Es wird das Prinzip der gleichzeitigen Erfassung von Position und Winkellage der Sonde mittels eines Interferometers und eines Lichtzeigers erläutert, die optische Anordnung vorgestellt und anschließend die durchgeführte Dimensionierung des Lagedetektors diskutiert. Außerdem widmet sich dieser Beitrag neben den messtechnischen Eigenschaften des interferometrischen Rasterkraftmikroskops auch der Kalibrierung des Antastsystems und insbesondere der Unsicherheitsanalyse einer Beispielmessung.

Direct Laser Writing techniques like two-photon-polymerization or UV-lithography have become common tools for the micro- and nanofabrication of precise devices like photonic crystals. A decrease in the size of structures of special devices requires a significant better resolution of the laser beam system that can be determined by using different photoinitiators or a second depletion laser for STED-lithography. However, besides the optical limits for the resolution of the laser system due to diffraction effects, the positioning systems for the laser beam or the sample stage lead to further imprecisenesses. To benefit from the high resolution techniques for the structuring process, the need for highly accurate positioning systems has dramatically grown during the last years. A combination of lithographic techniques with a nanopositioning and nanomeasuring machine NMM-1, developed at the TU Ilmenau, enables high precision structuring capability in an extended range. The large positioning volume of 25mm x 25mm x 5mm with a resolution in the sub-nanometer range is a good condition for ultra precision manufacturing with large area 3D-Laser-Lithography. Advantages and disadvantages as well as further developments of the NMM-1 system will be discussed related to current developments in the laser beam and nanopositioning system optimization. Part of the further development is an analysis of the implementability of additional ultra precise rotational systems in the NMM-1 for the unlimited addressability perpendicular to the surface of a hemisphere as key strategy for multiaxial nanopositioning and nanofabrication systems.

Local Lorentz force velocimetry (local LFV) is a contactless velocity measurement technique for liquid metals. Due to the relative movement between an electrically conductive fluid and a static applied magnetic field, eddy currents and a flow-braking Lorentz force are generated inside the metal melt. This force is proportional to the flow rate or to the local velocity, depending on the volume subset of the flow spanned by the magnetic field. By using small-size magnets, a localized magnetic field distribution is achieved allowing a local velocity assessment in the region adjacent to the wall. In the present study, we describe a numerical model of our experiments at a continuous caster model where the working fluid is GaInSn in eutectic composition. Our main goal is to demonstrate that this electromagnetic technique can be applied to measure vorticity distributions, i.e. to resolve velocity gradients as well. Our results show that by using a cross-shaped magnet system, the magnitude of the torque perpendicular to the surface of the mold significantly increases improving its measurement in a liquid metal flow. According to our numerical model, this torque correlates with the vorticity of the velocity in this direction. Before validating our numerical predictions, an electromagnetic dry calibration of the measurement system composed of a multicomponent force and torque sensor and a cross-shaped magnet was done using a rotating disk made of aluminum. The sensor is able to measure simultaneously all three components of force and torque, respectively. This calibration step cannot be avoided and it is used for an accurate definition of the center of the magnet with respect to the sensor's coordinate system for torque measurements. Finally, we present the results of the experiments at the mini-LIMMCAST facility showing a good agreement with the numerical model.

Tiltmeters with nanorad resolution in a large measurement range of ±9 mrad (±0.5&ring;) and a very good linearity have been developed at the Technische Universität Ilmenau in the recent years. The working principle bases on the measurement of tilt-dependent lateral forces, which act on a hanging force-compensated weigh cell (precision balance). The disadvantage is the relatively complex design of the weigh cell mechanics, the large dead weight and the high manufacturing costs. - For that reason a simplified tiltmeter was developed. It only consists of two components: a monolithic pendulum mechanics and an optical position sensor. State of the art pendulum tiltmeters contain several components that are linked by screwed, clamped or glued connections. This can limit the long-term-, temperature- or humidity stability of the tiltmeter. - The position sensor achieves a standard deviation of ˜50 pm at a measuring frequency of 10 Hz. The length of the pendulum amounts to 0.1 m, its mass is ˜62 g. With this combination, the theoretical standard deviation of the tilt measurement should result to ˜0.6 nrad at 10 Hz measuring frequency and was approved by measurements. The measurement range of the new monolithic tiltmeter amounts ˜±2 mrad.

The aspects of design and operation of information measuring subsystem of Cyber-Physical System of coke and chemical plant are considered. This subsystem of mass parameters definition, based on industrial internet, provides coded remote access aiming at the execution of both weighing and verification metrological operations by using an embedded multivalued mass measure. To ensure the quality and reproducibility of Cyber-Physical System a remote access on the basis of TCP/IP protocol to balances was studied and developed. Installation was equipped with the standard built-in mass measure that enabled to perform in-place operations of metrological checking, verification, calibration etc. not interrupting the production cycle.

Optical profilers are mature instruments used in research and industry to study surface topography features. Although the corresponding standards are based on simple step height measurements, in practical applications these instruments are often used to study the fidelity of surface topography. In this context it is well-known that in certain situations a surface profile obtained by an optical profiler will differ from the real profile. With respect to practical applications such deviations often occur in the vicinity of steep walls and in cases of high aspect ratio. In this contribution we compare the transfer characteristics of different 3D optical profiler principles, namely white-light interferometry, focus sensing, and confocal microscopy. Experimental results demonstrate that the transfer characteristics do not only depend on the parameters of the optical measurement system (e. g. wavelength and coherence of light, numerical aperture, evaluated signal feature, polarization) but also on the properties of the measuring object such as step height, aspect ratio, material properties and homogeneity, rounding and steepness of the edges, surface roughness. As a result, typical artefacts such as batwings occur for certain parameter combinations, particularly at certain height-to-wavelength ratio (HWR) values. Understanding of the mechanisms behind these phenomena enables to reduce them by an appropriate parameter adaption. However, it is not only the edge artefacts, but also the position of an edge that may be changed due to the properties of the measuring object. In order to investigate the relevant effects theoretically, several models are introduced. These are based on either an extension of Richards-Wolf modeling or rigorous coupled wave analysis (RCWA). Although these models explain the experimental effects quite well they suffer from different limitations, so that a quantitative correspondence of theoretical modeling and experimental results is hard to achieve. Nevertheless, these models are used to study the characteristics of the measured signals occurring at edges of different step height compared to signals occurring at plateaus. Moreover, a special calibration sample with continuous step height variation was developed to reduce the impact of unknown sample properties. We analyzed the signals in both, the spatial and the spatial frequency domain, and found systematic signal changes that will be discussed. As a consequence, these simulations will help to interpret measurement results appropriately and to improve them by proper parameter settings and calibration and finally to increase the edge detection accuracy.

Eine praktische Durchführung, realisiert mit kommerzieller Software, zur Ermittlung der Unsicherheit einer numerischen thermischen Simulation mit FEM wird in diesem Beitrag vorgestellt. Hintergrund davon ist die Prognosefähigkeit dieses FEM-Modells anhand seiner Validierung mit Messungen unter Berücksichtigung ihrer Reproduzierbarkeiten zu Berechnen und daraus die Güte oder Wahrscheinlichkeit der Übereinstimmung von Mess- und Simulationsergebnissen unter Berücksichtigung ihrer Unsicherheiten in drei unterschiedlichen Szenarien zu finden, mit unbekannten Messergebnissen, mit bekannten Messergebnissen und nicht vollständig bekannten Randbedingungen und mit bekannte sowohl Messergebnissen als auch Randbedingungen. Der Vergleich der Ergebnisse wird mit einer Erweiterung der Area-Metrik Methode gemacht.

Das Ziel der vorgestellten Arbeiten ist die Entwicklung eines temperatur- und langzeitstabilen, einfach zu handhabenden und zu niedrigen Kosten herstellbaren Tiltmeters mit der Auflösung von 1 nrad. Neigungsmessungen mit Nanorad Auflösung sind in der Geophysik weit verbreitet. Sie sind aber auch in anderen Bereichen von Wissenschaft und Technik wie der hochpräzisen Kraftmess- und Wägetechnik von Bedeutung. In den vergangen Jahren wurden an der TU Ilmenau Tiltmeter mit Nanorad Auflösung entwickelt. Diese Tiltmeter basierten auf der Messung von neigungsbedingten Querkräften, die auf hängend gelagerte Präzisionswägezellen wirken. Der Vorteil dieses Messprinzips sind der sehr große Messbereich von ± 9 mrad (± 0,5&ring;) und die sehr gute Linearität. Der Nachteil ist die vergleichsweise große Komplexität der Mechanik, das hohe Eigengewicht und die hohen Herstellkosten. Aus diesem Grund wurde ein vereinfachtes Tiltmeter entwickelt, welches nur aus zwei Bauteilen besteht: einer monolithischen Pendelmechanik und einem optischen Wegsensor. Die monolithische Pendelmechanik ist durch ein Festkörpergelenk realisiert. Das Kerbgelenk besitzt eine minimale Dicke von 50 [my]m womit sich eine Drehfedersteifigkeit des Gelenks von ct = 7 &hahog; 10-3 Nm/rad ergibt. Mit dem optischen Wegsensor wird eine Standardabweichung der Wegmessung von ˜ 50 pm bei einer Messfrequenz von 10 Hz erreicht. Die Pendellänge beträgt 0,1 m, die Masse des Pendels ˜ 60 g. Damit kann eine theoretische Standardabweichung der Neigungsmessung von ˜ 0,6 nrad bei 10 Hz Messfrequenz erreicht werden. Durch die natürlich vorhandenen Neigungen und Querbeschleunigungen ist diese Standardabweichung mit dem Tiltmeter nicht erreichbar. Am Aufstellort an der TU Ilmenau wurde eine Standardabweichung bei 0,1 s Integrationszeit von ca. 11 nrad erreicht. Diese konnte bei Integrationszeiten von > 30 s auf < 1,5 nrad reduziert werden. Der Messbereich des neuen monolithischen Tiltmeters beträgt ˜ ± 2 mrad. Weitere Messungen, insbesondere der Langzeitstabilität sind geplant und werden unter anderem in Moxa durchgeführt werden.

In den vergangen Jahren wurden an der TU Ilmenau Referenzneigungsmesssysteme (Tiltmeter) mit Nanorad Auflösung, einem sehr großen Messbereich von ± 9 mrad (± 0,5&ring;) und sehr guter Linearität entwickelt. Diese Referenztiltmeter basieren auf der Messung von Neigungsbedingten Querkräften, die auf hängend gelagerten Präzisionswägezellen wirken. Deren Nachteil ist die vergleichsweise große Komplexität der Mechanik, das hohe Eigengewicht und die hohen Herstellkosten. Aus diesem Grund wurde ein vereinfachtes Tiltmeter entwickelt, welches nur aus zwei Bauteilen besteht: einer monolithischen Pendelmechanik und einem optischen Wegsensor. Mit dem Wegsensor wird eine Standardabweichung der Wegmessung von ˜ 50 pm bei einer Messfrequenz von 10 Hz erreicht. Die Pendellänge beträgt 0,1 m, die Masse des Pendels ˜ 60 g. Damit kann eine theoretische Standardabweichung der Neigungsmessung von ˜ 0,6 nrad bei 10 Hz Messfrequenz erreicht werden. Der Messbereich des neuen monolithischen Tiltmeters beträgt ˜ ± 2 mrad.

In der vorliegenden Arbeit wird der Aufbau eines Prüfstandes zum Vergleich von Rohranlegetemperaturfühlern im Messbereich von 100 &ring;C bis 150 &ring;C näher beschrieben und durch Messungen zur Kurz- und Langzeitstabilität sowie den Umgebungseinflüssen charakterisiert. Weiterhin erfolgt der Vergleich von 3 ausgewählten kommerziellen Rohranlegefühlern.

Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit den Auswirkungen auf den Wärmeableitfehler eines Widerstandsthermometers beim Variieren der Eintauchtiefe in ein zu messendes Medium und der Füllhöhe einer Wärmeleitpaste im Schutzrohr. Dabei werden zudem unterschiedliche Bauformen von Widerstandsthermometern in Bezug auf ihren Wärmeableitfehler bei niedrigen Eintauchtiefen verglichen und Messergebnisse mit theoretischen Modellen sowie FEM-Simulation verglichen. Es zeigt sich, dass Füllhöhe und Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitpaste je nach Aufgabenstellung gewählt werden sollten. Gerade bei niedrigen Eintauchtiefen ist eine Anpassung der Füllhöhe an Sensorhöhe und Eintauchtiefe notwendig. Es kristallisiert sich zudem heraus, dass für eine genaue Vorhersage des Wärmeableitfehlers die FEM-Simulation der Modellrechnung überlegen ist. Auch wird die Bedeutung einer guten thermischen Kopplung des Sensors an das Medium und einer thermischen Entkopplung des Sensors von der anders temperierten Umgebung deutlich.

An der TU Ilmenau wurde ein Prototyp eines neuartigen Positionier- und Kraftmesssystems entwickelt, welches die rückführbare Kalibrierung der Federkonstanten (Kraft-Weg-Kennlinie) von Mikrokraftsensoren, Tastern oder AFM Cantilevern auf Basis einer Kraft und einer Wegmessung erlaubt. Aufgrund der integrierten interferometrischen Auslenkungsmessung der Cantilever, sind die mit der Messeinrichtung erreichten Messunsicherheiten mit < 2 % geringer als bisher im Stand der Technik beschrieben. Gemeinsame Vergleichsmessungen mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben dies bestätigt. In Kooperation mit der PTB, die langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Cantileverkalibrierung besitzt, wurde die Messeinrichtung weiter optimiert. Dabei wurde der weiteren Reduzierung von Unsicherheitsbeiträgen der Wegmessung besondere Beachtung geschenkt. Des Weiteren erfolgten Optimierungen, die es möglich machen, ein noch breiteres Spektrum an Sensoren kalibrieren zu können.

Die Laser- und Weißlichtinterferometrie kommt in der Mikro- und Nanomesstechnik zumeist bei der Erfassung von Topologien, Längen- oder Höhenmaßen zur Anwendung. Zur Reduzierung der Messunsicherheiten müssen jedoch auch kleinste Winkelabweichungen erfasst werden, die bei einer Messung als systematischer Fehler in das Messergebnis eingehen. In der Praxis wird für die Erfassung oder Ausregelung der Winkellagen von bewegten Objekten zumeist das Autokollimationsprinzip verwendet, da es kontaktlos arbeitet. Eine Alternative dazu stellt die Kombination aus Kösters-Interferometer und divergent abstrahlender Weißlichtquelle dar. Eine Verkippung des für Referenz- und Messstrahl gemeinsamen Spiegels führt zu einer Drehung der Weißlicht-Interferenzstreifen, deren Drehwinkel mit einer Kamera erfasst und über eine Bildverarbeitung ausgewertet wird. Am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau wurde der optische Effekt der Streifendrehung und seine abhängigen Parameter mit Hinblick auf die praktische Anwendung in der 3D-Mikro- und Nanomesstechnik untersucht und charakterisiert.

Mit der vorliegenden Arbeit wurde eine umfassende Untersuchung der Bestimmungsgröße Paarungsflankendurchmesser durchgeführt. Dabei wurden für den Flankendurchmesser, den Flankendurchmesserzylinder, den Flankendurchmesserkegel, den einfachen Flankendurchmesser, den Paarungsflankendurchmesser und weitere wichtige Bestimmungsgrößen neue Definitionen erarbeitet. Diese Definitionen ermöglichen erstmals die eindeutige geometrische Beschreibung und Erfassung wirklicher Gewinde im Bereich der Gewindeflanken. Alle Einflussgrößen auf den Paarungsflankendurchmesser wurden systematisch und umfassend beschrieben und analysiert. In die Betrachtungen wurden dabei nahezu alle Gewinde eingeschlossen, die auf einem Ausgangsdreieck des Gewindeprofils beruhen. Neben der ausführlichen Vermittlung der komplexen Zusammenhänge ermöglichen die aufgestellten Gleichungen die näherungsweise Berechnung des Paarungsflankendurchmessers. Die grundsätzliche Eignung dieser Betrachtungen zur hinreichend genauen Analyse und Beurteilung wirklicher Gewinde wurde anhand von Versuchen zur Bestimmung von Paarungsausgleichsbeträgen untersucht und bestätigt. Die Bestimmungsgröße Paarungsflankendurchmesser berücksichtigt die Einflüsse aller geometrischen Merkmale im Bereich der Gewindeflanken eines wirklichen Gewindes auf dessen Paarungsfähigkeit. Der Paarungsflankendurchmesser und der Paarungsausgleichsbetrag beeinflussen ein Gewinde jedoch auch hinsichtlich dessen weiterer Funktionen wie Befestigen, Bewegen, Zentrieren oder Dichten. Beide Bestimmungsgrößen sind somit bereits bei der Spezifikation, der anschließenden Fertigung und letztlich auch bei der Prüfung des Gewindes zu berücksichtigen. Die in der vorliegenden Arbeit enthaltenen Betrachtungen bilden eine entscheidende Grundlage für die sinnvolle und funktionsgerechte Tolerierung aller betreffenden Bestimmungsgrößen des Gewindes unter Berücksichtigung des Paarungsausgleichsbetrages und des Paarungsflankendurchmessers. Bei der Fertigung von Gewinden ermöglichen sie außerdem die zielgerichtete messtechnische Überwachung der Einflussgrößen auf den Paarungsflankendurchmesser und damit die entsprechende Gestaltung und Steuerung des Fertigungsprozesses. Ferner bilden die in der vorliegenden Arbeit enthaltenen Betrachtungen eine entscheidende Grundlage für die weitere Entwicklung bestehender oder neuer Verfahren zur Messung von Gewinden. Dies betrifft insbesondere die Verfahren, die eine ganzheitliche Erfassung des Gewindes als dreidimensionales Objekt gewährleisten. Unter der Voraussetzung einer entsprechend vollständigen messtechnischen Erfassung des Gewindes ist dabei auch die direkte Bestimmung des Paarungsflankendurchmessers, also dessen Messung möglich.

The accuracy of force measurement systems is predominantly influenced by its stiffness towards deflection. Monolithic mechanical systems in precision weighing technology rely on ultrathin flexure hinges. Further stiffness reduction by a decrease of the minimum hinge thickness is unfavourable. Consequently, the present concept relies on compensation rather than a reduction of the stiffness. Based on precise adjustments, the system state is altered towards an astatic state. Hereby, the overall stiffness and the tilt sensitivity is reduced. These properties have been determined as major contributions to the measurement error. The results of the theoretical investigations form a basis for future experiments and a further improvement of load cells.

Im Rahmen dieser Dissertation wird ein Modell vorgestellt, mit dem eine Vorhersage über den Materialabtrag bei der Padpolitur von Oberflächen möglich ist. Es ermöglicht die Vorhersage des Materialabtrags auf Basis physikalischer Parameter. Die Berechnung ist für beliebige Oberflächengeometrien ausgelegt und liefert ortsabhängige Abtragsfunktionen. Das Modell beinhaltet die Geometrie des Werkstücks, d.h. die dadurch verursachte Änderung der Abtragsfunktion ist integraler Teil der Simulation. Dies stellt eine wesentliche Verbesserung zu kommerziell erhältlichen Poliermaschinen dar, die teilweise mit festen Abtragsfunktionen arbeiten. Zu den berücksichtigten variablen Parametern zählen der lokale Verlauf der Werkstückoberfläche, die Geometrie des Werkzeugs, die Drehzahlen von Werkzeug und Werkstück sowie die Kraft auf das Werkzeug. Der Vergleich realer Polituren mit den Ergebnissen der Simulation liefert eine hohe Übereinstimmung mit Abweichungen im Bereich von 10% und darunter. Die starke Positionsabhängigkeit von Form und Größe der Abtragsspuren in der Rundtischpolitur zeigt sich gleichermaßen in der Simulation als auch der realen Politur. Das Modell bildet die Positionsabhängigkeit des Abtrags bei Verwendung von Offsetwerkzeugen ab. Die Wirksamkeit eines theoretisch hergeleiteten Vorschubprofils zur Beseitigung dieser Eigenheit von Offsetwerkzeugen zeigt die Simulation ebenso. Die in der Literatur genannte Abhängigkeit des Preston-Koeffizienten von der Relativgeschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück wird experimentell nachvollzogen und ein Verfahren zur Bestimmung des Reibungskoeffizienten während des Polierprozesses vorgestellt. Die so gemessenen Werte stimmen gut mit den in der Literatur angegebenen Werten überein.

A small multiple fixed-point cell (SMFPC) was designed to be used as in situ calibration reference of the internal temperature sensor of a dry block calibrator, which would allow its traceable calibration to the International Temperature Scale of 1990 (ITS-90) in the operating range of the block calibrator from 70 &ring;C to 430 &ring;C. The ITS-90 knows in this temperature range, three fixed-point materials (FPM) indium, tin and zinc, with their respective fixed-point temperatures ([theta]FP), In ([theta]FP = 156.5985 &ring;C), Sn ([theta]FP = 231.928 &ring;C) and Zn ([theta]FP = 419.527 &ring;C). All of these FPM are contained in the SMFPC in a separate chamber, respectively. This paper shows the result of temperature measurements carried out in the cell within a period of 16 months. The test setup used here has thermal properties similar to the dry block calibrator. The aim was to verify the metrological properties and functionality of the SMFPC for the proposed application.

Sowohl in Kalibrierlaboratorien als auch im industriellen Umfeld werden häufig Blockkalibratoren für die Kalibrierung von Berührungsthermometern eingesetzt. Durch ihre kompakte Bauform, das geringe Gewicht und den Betrieb ohne zusätzliche Betriebsflüssigkeiten sind sie insbesondere auch für den mobilen Einsatz geeignet. Bedingt durch die Bauart dieser Geräte sind die Kalibrierunsicherheiten bei ihrer Verwendung höher als bspw. bei der Verwendung von Badthermostaten. Daher wurde in dieser Arbeit ein Konzept entwickelt, welches zwei der Haupteinflüsse auf die Kalibrierunsicherheit verringert. Dieses Konzept wurde an einem Experimentalaufbau eines Blockkalibrators im Arbeitstemperaturbereich von 70 &ring;C bis 430 &ring;C validiert. Das Temperaturprofil im Ausgleichsblock des Blockkalibrators in axialer Richtung wurde durch den Einsatz einer Mehrzonenheizung homogenisiert. Zur Regelung der Heizleistungen der Zonen werden Signale von Wärmestromsensoren verwendet, um so die Wärmeströme und damit die Temperaturgradienten in axialer Richtung zu minimieren. Hierbei konnten Temperaturdifferenzen kleiner ±55 mK auf einer Länge von 72 mm erreicht werden. Um das interne Referenzthermometer des Blockkalibrators in-situ kalibrieren zu können, wurde eine Mehrfachfixpunktzelle in den Blockkalibrator integriert. Diese enthält die Fixpunktmaterialien Indium, Zinn und Zink. Die Fixpunkttemperaturen konnten mittels eines automatischen, modellbasierten Auswerteverfahrens mit einer Reproduzierbarkeit (2-fache Standardabweichung der Stichprobe) von 17 mK (Indium), 21 mK (Zinn) und 41 mK (Zink) bestimmt werden. Für die Darstellung der Temperatur im Blockkalibrator ergibt sich eine erweiterte Unsicherheit von 130 mK (k = 2) bei 430 &ring;C. In dieser Arbeit werden die Entwicklung des Blockkalibrators, das Funktionsprinzip und der mechanische Aufbau erläutert. Es werden zwei Bauformen von Wärmestromsensoren verglichen sowie eine Kalibriermöglichkeit für diese Sensoren dargestellt. Auf Basis von experimentellen Daten und Modellbetrachtungen wird ein Regelungskonzept entwickelt und durch Messungen hinsichtlich des dynamischen Verhaltens und der Regelabweichungen bewertet. Das Konzept des Blockkalibrators wird mittels Messungen des Temperaturprofils und Bestimmung der Fixpunkttemperaturen der Mehrfachfixpunktzelle validiert und hinsichtlich der erreichbaren kombinierten Standardunsicherheit bewertet.

The Lorentz force velocimetry (LFV) is a highly feasible contactless method for measuring flow rate in a pipe or in a channel. This method has been established for liquid metal flows but also for weakly conducting electrolytes where the Lorentz force amplitudes are typically six orders smaller than the ones from liquid metal flows. Due to an increased resolution of the Lorentz force measurements which was the main focus of research in the last years, now it is possible to investigate the influence of the flow profile on the amplitude of the Lorentz force. Even if there is a semi-theoretical approach an experimental validation is still outstanding. Therefore we have tested symmetric and asymmetric flow profiles to test the LFV for weakly conducting fluids for typical industrial flows. Salt water has been used as a test electrolyte with constant values of the electrical conductivity from 0.035 to 20 S m-1 and of the flow velocity in a range of 0.5-3 m s-1. We confirmed by extensive measurements that LFV is a suitable method for flow measurements even for different flow profiles within 5% measurement uncertainty. For a wide range of applications in research and industry the LFV should be not sensitive to various flow profiles.

Die Lorentzkraftanemometrie ist ein berührungsloses Verfahren zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit elektrisch leitfähiger Fluide. Sie basiert auf der Wirkung der Lorentzkraft, die vom leitfähigen Fluid beim Durchströmen eines von außen angelegten Magnetfeldes entsteht. Die Stärke der Lorentzkraft ist linear proportional zur Fließgeschwindigkeit und Leitfähigkeit sowie quadratisch proportional zur magnetischen Feldstärke. Die Arbeit konzentriert sich hauptsächlich auf die Entwicklung geeigneter Kraftmesssysteme zur hochauflösenden Erfassung der in horizontaler Richtung wirkenden Lorentzkraft, in einem Messbereich von etwa 1 [my]N. Die zur Erzeugung des Magnetfeldes benötigten Permanentmagneten sind beweglich mittels einer Aufhängung am Messsystem (1 kg schwer) angebracht. Durch sie wirkt eine nicht zu vermeidende Kraftkomponente von ca. 10 N in vertikaler Richtung. Ein besonderer Fokus dieser Arbeit liegt auf der Erhöhung der relativen Auflösung der Kraftmessung, d. h. dem Quotienten der kleinsten in horizontaler Richtung auflösbaren Kraftkomponente und der Totlast (Aufhängung mit Magnetanordnung) -std(F_L)/F-g. Zunächst werden umfangreiche Messungen mit bestehenden Kraftmesssystemen vorgenommen. Die äußeren Störeinflüsse (z. B. thermische Drift und Vibrationen) wurden untersucht und ihre Auswirkungen auf Messergebnisse identifiziert. Darauf basierend wird ein Konzept vorgestellt, um diese Störeinflüsse mithilfe von Differenzmessungen zu reduzieren und damit die relative Auflösung zu erhöhen. Anschließend wird ein neues Verfahren zur Messung der Lorentzkräfte auf Grundlage der elektromagnetischen Kraftkompensation präsentiert. Eine allgemeine theoretische Beschreibung und Analyse für die vorgeschlagene Methode auf Basis der verwendeten Messsysteme erfolgt mithilfe eines analytischen Modells. Die Funktionsfähigkeit für alle drei neu entwickelten Kraftmesssysteme wurden vorgestellt. Neue experimentelle Untersuchungen dieser Arbeit an zwei verschiedenen Salzwasserkanälen zeigen die signifikanten Verbesserungen bei der Bestimmung der F_ L. Im Vergleich zu den vorherigen Systemen konnte eine Erhöhung der Auflösung der Kraftmessung von 1 [my]N auf 20 nN erreicht werden, mit einem Verbesserungsfaktor 50. Dies erlaubt rechnerisch die Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden mit einer um 2 Größenordnungen geringeren elektrischen Leitfähigkeit, bis zu 0,059 S/m. Praktische Messungen mit Flüssigkeiten mit einer Leitfähigkeit von 0,005 S/m bis 0,059 S/m werden präsentiert und die unerwarteten neuen Ergebnisse diskutiert.

In Forschung und Industrie kommt der Kraft- und Drehmomentmesstechnik eine wichtige Bedeutung zu, welche sich in zahlreichen Anwendungen wiederspiegelt. Unter anderem basieren moderne Verfahren im Bereich der Strömungsmesstechnik und der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung auf der rückführbaren Messung aller Komponenten der vektoriellen Größen Kraft und Drehmoment. Diese Verfahren stellen besondere Anforderungen hinsichtlich der Auflösung und des Messbereichs, sodass die Entwicklung von speziellen Mehrkomponentenmesssystemen sowie deren messtechnische Charakterisierung erforderlich sind. Im Folgenden wird zunächst ein bestehender Mehrkomponentensensor für jeweils drei Kraft- und Drehmomentkomponenten hinsichtlich seiner messtechnischen Eigenschaften untersucht. Für rückführbare Messungen ist eine Kalibrierung aller Kraft- und Drehmomentkomponenten des Sensors erforderlich, wofür ein Kalibriersystem entwickelt und aufgebaut wird. Basierend auf verschiedenen Verfahren zur Kalibrierung von Mehrkomponentensensoren werden die Kalibriermatrix, die Sensorkennwerte und Unsicherheitsbeiträge der Kalibrierfaktoren ermittelt. Anschließend wird ein Aufbau zur Untersuchung der dynamischen Eigenschaften entwickelt und zur Bestimmung der Frequenzgänge der Messachsen des Sensors eingesetzt. Anschließend wird eine Systemidentifikation und Ermittlung der dynamischen Systemparameter vorgenommen, auf der Verfahren zur Kompensation dynamischer Messabweichungen aufbauen. Basierend auf den Erkenntnissen vorheriger Untersuchungen und den Anforderungen der Anwendungen wird ein schwebender Sechskomponentensensor nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraft- und Drehmomentkompensation entwickelt, aufgebaut und untersucht. Zur mathematischen Beschreibung des statischen und dynamischen Verhaltens wird ein Modell aufgestellt, welches zum Reglerentwurf eingesetzt wird. Das Modell liefert im relevanten Frequenzbereich eine gute Übereinstimmung mit dem gemessenen Systemverhalten. Anschließend werden Mehrkomponentenmessungen zur Bestimmung des Strömungsfeldes einer Flüssigmetallströmung sowie in einer Anwendung der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung durchgeführt.

Um den Anforderungen an die Miniaturisierung von Messsystemen Rechnung zu tragen, wurde an der TU Ilmenau ein neuartiges Interferometer auf Grundlage von optischen stehenden Wellen entwickelt. Das Interferometerprinzip erlaubt einen einfachen, linearen und kompakten Interferometeraufbau. Die für das zu Grunde liegende Prinzip erforderlichen dünnen, transparenten Photodioden können durch den Einsatz von Standard-Halbleitertechnologien unkompliziert in großen Stückzahlen hergestellt werden. Im Folgenden werden das Funktionsprinzip des Interferometers, die Herstellung der Photodioden sowie die durchgeführten messtechnischen Untersuchungen dargelegt.

Lorentz force velocimetry is a non-invasive velocity measurement technique for electrical conductive liquids like molten steel. In this technique, the metal flow interacts with a static magnetic field generating eddy currents which, in turn, produce flow-braking Lorentz forces within the fluid. These forces are proportional to the electrical conductivity and to the velocity of the melt. Due to Newton's third law, a counter force of the same magnitude acts on the source of the applied static magnetic field which is in our case a permanent magnet. In this paper we will present a new multicomponent sensor for the local Lorentz force flowmeter (L2F2) which is able to measure simultaneously all three components of the force as well as all three components of the torque. Therefore, this new sensor is capable of accessing all three velocity components at the same time in the region near the wall. In order to demonstrate the potential of this new sensor, it is used to identify the 3-dimensional velocity field near the wide face of the mold of a continuous caster model available at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. As model melt, the eutectic alloy GaInSn is used.

The paper presents methods for nonlinear surface profile reconstruction from the white light interferogram based on Hilbert transform. The accuracy of these methods was analyzed on the example of a spherical surface reconstruction. The method investigation included surface and interferogram synthesis based on the mathematical model and estimation the profile reconstruction error. The method of estimating the instantaneous phase of the interferogram showed the greatest accuracy.

Das 58. Ilmenauer Wissenschaftliche Kolloquium, das vom 8. bis 12. September 2014 stattfand, stand unter dem Motto Shaping the Future by Engineering. Das Ilmenauer Wissenschaftliche Kolloquium (IWK) hat eine mehr als 50-jährige Tradition und ist damit eine der dienstältesten ingenieurwissenschaftlichen Konferenzen Deutschlands. Die drei Hauptthemen der Konferenz "Precision Engineering and Precision Measurement Technology", "Mechatronics, Biomechatronics and Mechanism Technology" und "SystemsTechnology" spiegeln die Forschungsschwerpunkte und -strategien der Technischen Universität Ilmenau und besonders der Fakultät für Maschinenbau wider, die im Jahr 2014 Ausrichter des IWK war. Dieses Schwerpunktheft enthält 7 ausgewählte Artikel, die aus Konferenzvorträgen in den durch das Institut für Prozessmess- und Sensortechnik organisierten Konferenzreihen Nanopositioning and Nanomeasuring Machines und Measurement and Sensor Technology entstanden sind.

The problem, discussed in this work, is the optimization of the silica gel temperature control. For fast temperature changes of the silica gel, a high density packed bed of silica gel would be necessary. But this would slow down the moisture transport in the silica gel bed due to the much faster transport in air, than on surfaces or in solid bodies. To predict the behavior of the humidity control system, simulations were performed to preselect promising silica gel bed geometries. In Simulation of the moisture transport the nonlinear sorption isotherms of the silica gel had to be taken into account, to represent the influence of dew point itself on the dynamics of changes in dew point temperature. The contribution deals with influences on the static and the dynamic performance of the humidity control system such as heater geometry, silica gel grain size and the microporous structure of the silica gel. Furthermore the characteristics of the test system have to be considered, to build up a model describing a humidity control system.

In Forschung und Industrie kommt der Kraft- und Drehmomentmesstechnik eine wichtige Bedeutung zu [1, 2]. In vielen Anwendungen müssen Betrag, Richtung und zeitlicher Verlauf der zu messenden Vektoren von Kraft und Drehmoment erfasst werden, sodass der Einsatz von Mehrkomponentensensoren erforderlich ist. Trotz ihrer weiten Verbreitung in Forschung und Industrie gibt es keine offiziellen Kalibriervorschriften [3] und Verfahren zur Ermittlung der Messunsicherheit für Mehrkomponentenmessungen von Kraft und Drehmoment. In vielen Bereichen werden zudem statisch kalibrierte Mehrkomponentensensoren für die Erfassung dynamischer Messgrößen eingesetzt [4], wodurch es im Bereich der Eigenfrequenz des Sensors und oberhalb davon zu erheblichen Messabweichungen kommt. Im Folgenden wird am Beispiel eines Sechskomponentensensors für Kraft und Drehmoment zunächst die statische Kalibrierung und ein Verfahren zur Messunsicherheitsanalyse für Mehrkomponenten Kraft-/Drehmomentmessungen im statischen Bereich vorgestellt und nachfolgend auf die dynamische Kalibrierung eingegangen. Basierend auf dem dynamischen Modell des Sensors werden Ansätze zur dynamischen Kalibrierung und Ermittlung der dynamischen Messunsicherheit diskutiert.

A novel photodiode for application in a standing-wave interferometer was developed. The operation principle is based on the optical standing wave whose stationary intensity profile can be detected by a photosensor which - for this purpose - has to be transparent and thinner than the optical wavelength. The working principle and basic design requirements of the developed sensor are described, and the results of measurements inside and outside the standing wave are discussed.

Der Einsatz von elektromagnetisch kraftkompensierten Waagen (EMKW) in der dynamischen Wägetechnik vereint die Forderung nach hohen Auflösungen bei guter Reproduzierbarkeit mit der nach möglichst geringen Messzeiten. Um diesen ambitionierten Zielen gerecht werden zu können, bedarf es EMKW, welche in ihren Komponenten und deren Zusammenspiel hinsichtlich ihrer dynamischen Eigenschaften optimiert sind. Diese Optimierung kann experimentell oder auf numerischem Wege erfolgen, wobei letztere Variante den großen Vorteil birgt, dass die zeitaufwändige und teure Fertigung von Prototypen entfällt. In dieser Arbeit werden zwei Herangehensweisen zur Modellerstellung für die Optimierung einer dynamischen EMKW vorgestellt: Auf Basis der Modellierung der Mechanik mittels eines Starrkörpermodells sowie mittels eines FEM-Modells. Diese mechanischen Modelle werden mit Modellen für die übrigen Komponenten in Form von Kennlinien und Übertragungsfunktionen zu je einem Gesamtmodell verknüpft, welches das komplexe Verhalten des mechatronischen Systems EMKW sowohl im offenen als auch im geschlossenen Regelkreis sehr gut abbildet. Um die Fertigung von Prototypen umgehen zu können, lag besonderes Augenmerk darauf, das Verhalten sämtlicher Komponenten anhand von Simulationen beschreiben zu können. Hierfür wurden insbesondere Methoden zur Abbildung höherer Schwingungsformen in Starrkörpermodellen durch gezieltes Einbringen von Zusatzgelenken und Federsteifigkeiten, sowie die Modellierung der Systemdämpfung durch Wirbelströme untersucht. Darüber hinaus konnte eine allgemeine Faustregel zur geeigneten Wahl der Schrittweitensteuerung ermittelt und erprobt werden. Die entstandenen Modelle sind leicht handhabbar, universell und auf verschiedene Bauformen von EMKW anwendbar. Zur Validierung der Modelle wurden Simulationsergebnisse mit charakteristischen Messwerten verglichen. Um diese zu generieren kamen zwei speziell hierfür konzipierte Lastwechslereinrichtungen mit pneumatisch bzw. elektromagnetisch wirkendem Prinzip zum Einsatz. Mit letzterem wurde darüber hinaus gezeigt, dass auf Grund der mechanischen Eigenschaften einer EMKW eine Systemidentifikation an zwei Eingängen (Hebel und Waagschale) sinnvoll und empfehlenswert ist. Auf Basis der erzielten Erkenntnisse erfolgte die Dimensionierung eines Digitalreglers, mit dem eine signifikante Verbesserung der Performance erzielt wurde.

The main problems of conventional dry block calibrators are axial temperature gradients and calibration results which are strongly influenced by the geometry and the thermal properties of the thermometers under test.To overcome these disadvantages, a new dry block calibrator with improved homogeneity of the inner temperature fieldwas developed for temperatures in the range from room temperature up to 600 &ring;C. The inner part of the dry block calibrator is a cylindrical normalization block which is divided into three parts in the axial direction. Between these parts, heat flux sensors are placed to measure the heat flux in the axial direction inside the normalization block. Each part is attached to a separate tube-shaped heating zone of which the heating power can be controlled in a way that the axial heat flux measured by means of the heat flux sensors is zero. Additionally, an internal reference thermometer is used to control the absolute value of the temperature inside the normalization block. To minimize the radial heat flux, an adiabatic shield is constructed which is composed of a secondary heating zone that encloses the whole assembly. For rapid changes of the set point from high to low temperatures, the design contains an additional ventilation system to cool the normalization block. The present paper shows the operating principle as well as the results of the design process, in which numerical simulations based on the finite element method were used to evaluate and optimize the design of the dry block calibrator. The final optimized design can be used to build a prototype of the dry block calibrator.

The requirements on the precision lengths and precision load measurement rise due to the rapid technical development, in particular of nanotechnologies and precision optics. According to the roadmap "Dimensional metrology for micro- and nanotechnology" of the European National Metrology Institutes (iMERA)2 in the next few years "traceable 2D (3D) metrology at (sub)-nm accuracy over several 100 mm range" will be required.

This paper discusses the flow rate measurement of poorly conducting fluids (such as electrolytes) using Lorentz force velocimetry (short: LFV). The Lorentz force caused by the moving electrolytes is in the range of micronewton. This tiny Lorentz force is determined using a high resolution force measurement systems based on electromagnetic force compensated (short: EMC) load cells. In this paper the force measurement system, the principle of LFV and the environmental influences on this kind of force measurement system are described.

This paper gives a summary of the authors research work in the field of information processing systems in the measurement domain. The realization of a prototype for the information processing system in the dynamic weighing technology presented here is based on the self-developed concept of the 3W-Model. The high-performance embedded system used for the implementation is based on an FPGA. Along with an overview of the state-of-the-art for the FPGA-based embedded system and the application-specific development, a case study is presented, with focus on specific requirements in the measurement domain. Special attention is paid to ability for official calibration and the metrologic reliability. a current research topic in the dynamic weighing technology is introduced and a concept of a prototypical solution for an information processing system is discussed highlighting these special requirements.

Die Nanotechnologie dringt immer stärker in viele Bereiche unseres Alltagsleben vor, zumal immer mehr Anwendungsmöglichkeiten von Nanostrukturen erforscht werden. So bieten Nanostrukturen eine hohe Funktionalität auf kleinstem Raum, die sie unter anderem auch für Anwendungen in den Lebenswissenschaften interessant machen. Neueste Entwicklungen haben gezeigt, dass insbesondere optische Nanostrukturen ein großes Potential für die bioanalytische Messtechnik besitzen (z.B. Erkennung von Krankheitserregern in Pflanzen). An diesem Punkt setzen die Untersuchungen für die in dieser Arbeit entwickelte Hybridnanostruktur an. Diese neuartige Nanostruktur, bestehend aus nichtplasmonischen Chrom-Nanoholes und plasmonischen Edelnanopartikeln, stellt eine interessante Plattform sowohl für die Biochiptechnologie als auch für die biologische Sensorik dar. Ein Kernpunkt dieser Arbeit sind daher Untersuchungen zur Herstellung dieser Hybridnanostruktur mittels geführter Selbstorganisation. Dabei werden verschiedene Varianten betrachtet, die von einer Assemblierung mittels eintrocknenden Tropfens bis zur DNA-geführten Immobilisierung reichen. Von besonderer Bedeutung ist die Untersuchung des Einflusses verschiedener selbstorganisierender Monolagen wie zum Beispiel Monolagen aus Dodecyl-Phosphatsäure. Die Ergebnisse der Immobilisierungsversuche werden mittels Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert und anhand dessen beurteilt. Ein weiteres zentrales Element der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der optischen Eigenschaften der einzelnen Nanostrukturen sowie deren Änderung nach der Assemblierung der entwickelten Hybridnanostruktur. Die optische Charakterisierung erfolgt mittels mikrospektroskopischer Messungen an einzelnen Nanoholes und automatisierter Bildauswertung von Kameradaten. Anhand dieser umfangreichen Messungen können verschiedene Einflussparameter wie Größe und Material der Nanopartikel untersucht und die optischen Eigenschaften der Hybridnanostruktur statistisch bewertet werden. Zusätzlich konnte mit dem Aufbau eines bildgebenden Spektrometers gezeigt werden, dass die Verbindung einer hohen spektralen Auflösung eines Spektrometers mit dem hohen Datendurchsatz der Bildauswerteverfahren möglich ist und dass sich das bildgebende Spektrometer für die Messung optischer Nanostrukturen bestens eignet. Es konnte mittels unterschiedlicher Modellsubstanzen gezeigt werden, dass sich die Hybridnanostruktur als bioanalytische Testplattform eignet. Abschließend konnte anhand von biologisch relevanten Testsystemen gezeigt werden, dass diese Plattform sehr gut zur Detektion von Molekülerkennungsreaktionen (z.B. DNA) in der Bioanalytik geeignet ist.

The specialty of the metrological SPM-head is the combined deflection detection system for simultaneous acquisition of bending, torsion and position of the cantilever with one measuring beam. The deflection system comprises a beam deflection and an interferometer in such a way that measurements of the cantilever displacement are traceable to the SI unit metre. Integrated into a NPM machine scans with a Resolution of 0.1 nm over a range of 25 mm × 25 mm are possible.

This paper presents an improved experimental setup for the contactless flow rate measurement in a weakly electrically conducting fluid on the base of Lorentz force velocimetry (LFV) and discusses the measurement results. The new setup embodies major improvements over the setup reported inWegfraß et al. (Appl Phys Lett 100:194103, 2012). This measurement setup consists of a newly designed fluid channel with well defined flow profiles - a plug profile at the inlet and quasi parabolic profile at the outlet of the test section. Another improvement is the force measurement system which is based on electromagnetic force compensation (EMC). Furthermore an optimized Halbach array is used as a magnet system. The results of our measurements confirm the feasibility of LFV in a model fluid (salt water) with conductivities less than 10 Sm-1 and demonstrate that the optimized magnet system increases the measurement signal. The used force measurement system had to be particularly calibrated for this purpose, so that in combination with the new magnet system design a three times higher signal resolution for the fluid velocity under laboratory conditions was achieved.

Die Regelung und Überwachung technischer Verbrennungsprozesse erfordert die Verwendung von hoch-dynamischen und äußerst zuverlässigen Temperaturfühlern bei Einsatztemperaturen von ca. 1000&ring;C und Gasgeschwindigkeiten von über 100 m/s. Dabei sind Temperatursprünge mit Änderungsgeschwindigkeiten von bis zu 1000 K/s und örtliche Gradienten von ca. 500 K/mm anzutreffen. Zum Zwecke der (Weiter)-Entwicklung solcher Sensoren ist es notwendig, entsprechende Prototypen unter annähernd realen Bedingungen hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens und ihrer Zuverlässigkeit zu untersuchen. Bisher verfügbare Versuchsstände können diese Bedingungen in ihrer Gesamtheit nicht abbilden. Im Rahmen einer Master-Arbeit wurde ein Prüfstand entwickelt, mit dem die Untersuchung von Temperaturfühlern unter den genannten Bedingungen und bezüglich der angesprochenen Gesichtspunkte realisiert werden kann.

Zur Erzeugung definierter Luftfeuchten kann die Luft in zwei getrennten Luftkreisläufen be- und entfeuchtet und die Feuchte über das Mischungsverhältnis der beiden Luftmengen eingestellt werden. Zum Befeuchten wird dazu Wasser verdampft. Zum Entfeuchten wird dagegen die Luft mit einem Trockenmittel (Sorbens) oder Kühler in Kontakt gebracht, die der Luft Feuchtigkeit entziehen. Im Gegensatz dazu, wird bei dem neuartigen Präzisionshygrostaten die zu konditionierende Luft dauerhaft mit einem Trockenmittel wie z.B. Silica-Gel in Kontakt gebracht. Änderungen der Luftfeuchte werden dann nicht mehr durch Vermischung von Luftmengen verschiedener Feuchte erzeugt, sondern durch die Temperierung des Trockenmittels. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Gleichgewichtsbeladung des Sorbens von der Sorbenstemperatur abhängt. Da sich die Luft in einem von der Umwelt abgeschlossenen Volumen befindet, führen Beladungsänderungen im Sorbens zu Änderungen der Luftfeuchte. Durch eine Messung der Sorbenstemperatur, kann diese mit dem hier vorgestellten System derart geregelt werden, dass die Taupunkttemperatur in einem Bereich von -20 1/2 &ring;C bis 25 1/2 &ring;C kurzfristig nur um ±65 1/2 mK schwankt. Die Lage des Mittelpunktes dieses Taupunkttemperaturbereiches kann zudem mittels Vorkonditionierung des Silica-Gels in den gewünschten Bereich verschoben werden. Somit ist es möglich, die Taupunkttemperatur über einen Bereich von 45 1/2 K kontinuierlich einzustellen, ohne dass das Trockenmittel ausgetauscht oder Wasser zur Befeuchtung nachgefüllt werden muss. Zur Kalibrierung von Feuchtsensoren, muss der Hygrostat mit einem Referenzsensor, wie einem Tauspiegel verbunden werden. Nach dessen Referenzsignal kann dann die Taupunkttemperatur auf einen festgelegten Sollwert geregelt werden.

Die erreichbaren Parameter von Fertigungsprozessen beim Einsatz von Präzisionswerkzeugmaschinen und Koordinatenmessgeräten in der mechanischen Fertigung sind an die mit diesen Geräten erreichten Positionier- und Messunsicherheiten gebunden. Um diese zu gewährleisten, sind regelmäßige Überprüfungen notwendig. Weiterhin beruht die für Präzisionsanwendungen erforderliche Berücksichtigung systematischer Abweichungen in der Maschinensteuerung auf der Erfassung der vorliegenden Abweichungen. Da die räumliche Positionierung bei Präzisionswerkzeugmaschinen und Koordinatenmessgeräten typischerweise durch drei in Richtung der Raumachsen angeordnete, aufeinander aufbauende Linearführungen realisiert wird, folgt die Gesamtabweichung aus den Abweichungen der Führungen und ihrer Relativlage. Zur Charakterisierung der Führungen müssen jeweils drei translatorische (lineare Position sowie horizontale und vertikale Geradheit) und drei rotatorische (Nick-, Gier und Rollwinkel) Abweichungen erfasst werden. Dies geschieht nach gegenwärtigem Stand der Technik durch die sequentielle Erfassung der Einzelabweichungen, wozu bevorzugt optische Verfahren zum Einsatz kommen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungen optischer Messsysteme zur simultanen Erfassung sämtlicher Abweichungen einer linear geführten Bewegung in fluchtender Messanordnung. Ziel ist hierbei die zur Abnahme bzw. Überprüfung von Präzisionswerkzeugmaschinen und Koordinatenmessgeräten erforderliche Messzeit und die Messabweichungen zu verringern. Dabei soll auch den steigenden Anforderungen an den Messbereich für Präzisionsanwendungen Rechnung getragen werden. Die untersuchten Lösungsansätze lassen sich in die zwei Gruppen interferometrische und optoelektronische Verfahren gliedern. Die Möglichkeiten zur interferometrischen Erfassung aller rotatorischen und translatorischen Abweichungen einer Linearführung werden vorgestellt und die erreichbaren Systemparameter sowie die auftretenden Messunsicherheiten werden anhand von Messungen diskutiert. In gleicher Weise werden die Möglichkeiten zur Messung der horizontalen und vertikalen Geradheit und des Rollwinkels auf Basis von optoelektronischen Positionssensoren behandelt. Aufbauend auf den Ergebnissen der Einzeluntersuchungen wurde ein Messsystem zur simultanen Erfassung aller sechs translatorischen und rotatorischen Abweichungen einer Linearführung in fluchtender Messanordnung entwickelt. Die Messung von linearer Position, Nick- und Gierwinkel erfolgt dabei interferometrisch, während die Geradheitsabweichungen und der Rollwinkel mit optoelektronischen Positionssensoren erfasst werden. Das System bietet dabei die Möglichkeit mit aktivem oder passivem, kabellosem Reflektor zu messen. Darüber hinaus können alle Abweichungen auch in vier sequentiell durchgeführten Messungen interferometrisch bestimmt werden. Zur Umsetzung sich bei der Mehrkomponentenmessung bietender Möglichkeiten zur Korrektur systematischer Messabweichungen wird ein Schema der Messdatenverarbeitung angegeben.

Fixpunktthermometer wurden für den Einsatz in konventionellen Kraftwerken entwickelt und erfolgreich erprobt. Bei dezentraler Energieerzeugung sind zumeist kleinere Rohrdurchmesser (40 - 100 mm) für den jeweiligen Wärmeträgertransport üblich. Die Verwendung von Fixpunkt-Thermometern (mit Miniaturfixpunkttiegeln von mindestens 25 mm Länge) in solchen Rohrleitungen ist mit inakzeptabel großen Strömungsverlusten oder, bei zu geringer, Eintauchtiefe, mit einer Verfälschung der Thermoelement-Temperatur verbunden.

This paper descusses a novel nanopositioning system which is based on an electromagnetic force compensated (EMC) balance. In addition to the positioning the actuating force can also be measured. This enables the measurement of force displacement curves of springs tith a wide variety of spring constants. The measurement renge of the spring constants is up to 10(10) N/m with a maximum resolution of about 0.01 N/m. Compared to other principes for measuring the spring constant the introduced method is more sophisticated. Both force as well as the displacement can be measured traceable and simultaneously.

In this paper, a method for deriving significant parameters for the description of the dynamic behaviour of electromagnetic force compensated loadcells (EMC) from its impedance-frequency-response is presented. With these parameters, the dynamical behaviouf of a load-cell can be depicted and classified near its main resonance frequency, or by going the inverse way the load-cell can be designed based ont he favored parameters to fulfill the desired criteria concerning the dynamical behaviour. This method is based on the estimation of parameters describing the behaviour of electrodynamic speakers, called Thiele-Small-Parameters, which is state of the art for designing loudspeakers. It will be demonstrated that the controller design for the EMC load-cell can be based on the derived parameters.

In micro and nanotechnology, the metrological demands are increasing. The structures to be measured are becoming more complex with smaller structure widths, increasingly larger surface regions, and thousands of inspection features. In order to solve the problems, it has become desirable and even necessary to combine multi-sensor technology with high precision nanopositioning and nanomeasuring technology. The Nanopositioning and Nanomeasuring Machine NMM-1 with a measuring range of 25 mm x 25 mm x 5 mm and sub-nanometer resolution allows the application of several optical, tactile and atomic force probes. The combination of several sensor technologies in multi-sensor approach for application with the NMM-1 is demonstrated.

This publication deals with the practical challenge of describing the impurity influence on the fixed-point temperature of zinc. For this, the sum of individual estimate (SIE) approach is applied to miniaturized fixed-point cells (MFPC) filled with high-purity zinc that can be used in industrial applications. This includes comparative analyses by glow discharge mass spectroscopy as well as mass spectroscopy with inductive coupled plasma to quantify the impurity concentrations in zinc. Furthermore, the element-specific and concentration-dependent temperature deviations are presented for the fixed-point material zinc. For this, binary phase diagrams as well as thermal calculations and experimental data were analysed to extract the relevant sensitivity coefficients. Besides, results from SIE analyses of MFPCs are presented and their uncertainties are compared. On this basis, practical limits of the SIE method are identified and discussed.

Ein Nanosensorsystem auf Basis eines berührungslosen optischen Antastsensors (Basissensors), das durch eine hohe Auflösung und geringe Messunsicherheit ausgezeichnet wird, ist das Thema vorliegender Dissertation. Dieses Nanosensorsystem ist vor allem auf Messanwendungen in der Nanopositionier- und Nanomessmaschine abgestimmt. Als Basissensor für das Nanosensorsystem wurde ein neuartiger Fokussensor entwickelt. Das Funktionsprinzip dieses Sensors beruht auf die Fokusmessmethode, die für die DVD- bzw. CD-Player-Technik entwickelt wurde. Die Anbindung beider mechanischen Antastprinzipien in das Nanosensorsystem wird jeweils mittels des entwickelten Fokussensors (Basissensors) erreicht. Dabei wird die Auslenkung der antastenden Messspitze (Cantilever bzw. Stylus) direkt berührungslos mit fokussiertem Laserstrahl des Fokussensors aufgenommen. Der große Vorteil des entwickelten Nanosensorsystems besteht in dessen Modularität und Vielseitigkeit. Auf der Grundlage eines Basissensors werden optische und mechanische Antastmethoden und somit unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen Messobjekt und Sensor vereint. Die Dissertation legt die Entwicklung und umfassende Untersuchungen des Nanosensorsystems in Kombination mit einem Digitalkameramikroskop dar. Der Schwerpunkt bildet dabei detaillierte Erläuterung des Aufbaus und Betrachtung wichtiger messtechnischen Eigenschaften des Fokussensors als Basissensors. Es werden die taktilen Sensoren des aufgebauten Nanosensorsystems vorgestellt: der Fokus-Stylus-Sensor und der Fokus-AFM-Sensor. Hierbei werden konstruktive und messtechnische Eigenschaften dieser Sensoren detailliert behandelt und verglichen. Zahlreiche praktische Anwendungen und Messergebnisse werden präsentiert.

The Nanopositioning and Nanomeasuring Machine (NMM-1) developed at the Ilmenau University of Technology is equipped with three homodyne plane-mirror miniature interferometers for the measurement of the displacement of a movable corner mirror. The object being measured is placed on the corner mirror, which is positioned by a three-axis drive system. The uncertainty of interferometric length measurements is dependent on several factors. Starting with an improved equation for calculating length, this paper describes a part of the determination of the measurement uncertainty for a displacement measurement using two positions of the measuring mirror. The new approach separates the correlated influencing factors for three positions of the measuring mirror: for the position where the interferometer counter is reset to zero and the other two positions of two measured points. Additionally, the work takes into account the influence of the dead path length and its determination.

Die Prinzipien, die Grundlagen und die Arbeitsweise von Zweifrequenz- und Einfrequenz-Interferometern werden beschrieben. Auf der Grundlage einer messtechnischen Analyse werden die Vorteile aber auch die Grenzen der laserinterferometrischen Messverfahren dargestellt. Die Ermittlung des kleinsten auflösbaren Weginkrements erlaubt die Berechnung der Auflösung von Interferometern. Neben den Abbé-Fehlern werden weitere Einflüsse aufgeführt, welche sich auf die Messunsicherheit interferometrischer Längenmessungen auswirken. Eine 3D-Abbéfehlerfreie Anordnung wird am Beispiel einer Nanopositionier- und Nanomessmaschine erläutert. Diese Maschine wurde in Zusammenarbeit zwischen dem Institut Prozessmess- und Sensortechnik und der SIOS Meßtechnik GmbH entwickelt.

The paper describes traceable nanometrology based on a nanopositioning machine with integrated nanoprobes. The operation of a high-precision long range three-dimensional nanopositioning and nanomeasuring machine (NPM-Machine) having a resolution of 0,1 nm over the positioning and measuring range of 25 mm x 25 mm x 5 mm is explained. An Abbe offset-free design of three miniature plan mirror interferometers and applying a new concept for compensating systematic errors resulting from mechanical guide systems provide very small uncertainties of measurement. The NPM-Machine has been developed by the Institute of Process Measurement and Sensor Technology of the Technische Universität Ilmenau and manufactured by the SIOS Messtechnik GmbH Ilmenau. The machines are operating successfully in several German and foreign research institutes including the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Germany. The integration of several, optical and tactile probe systems and nanotools makes the NPM-Machine suitable for various tasks, such as large-area scanning probe microscopy, mask and wafer inspection, nanostructuring, biotechnology and genetic engineering as well as measuring mechanical precision workpieces, precision treatment and for engineering new material. Various developed probe systems have been integrated into the NPM-Machine. The measurement results of a focus sensor, metrological AFM, white light sensor and tactile stylus probes are presented. Single beam-, double beam- and triple beam interferometers built in the NPM-Machine for six degrees of freedom measurements are described.

The most important principles, the basis and operation of heterodyne and homodyne interferometers are discussed. Their benefits and limitations are covered based on a metrological analysis. The resolution of interferometers can be determined by calculating the smallest resolvable distance increment. Also, it is shown here how the Abbe comparator principle can be fulfilled in all three measuring dimensions by using interferometers. Other factors in addition to the Abbe errors are discussed which affect the measurement uncertainty of interferometric length measurements.

Zur Bestimmung von Phasenumwandlungstemperaturen Tph aus gemessenen Plateauverläufen können unterschiedliche mathematische Methoden angewendet werden. Abhängig von der zum Einsatz kommenden Methode und dem zeitlichen Verlauf der Phasenumwandlung ergeben sich hierbei unterschiedliche systematische Abweichungen und Reproduzierbarkeiten der ermittelten Temperaturen Tph. Da dies insbesondere bei der Auswertung von Phasenumwandlungen in kleinen Fixpunktzellen deutlich wird, wurden Schmelz- und Erstarrungsvorgänge von Zink unterschiedlicher Reinheit in miniaturisierten Fixpunktzellen aufgezeichnet. Ihre zeitlichen Temperaturverläufe wurden mit fünf unterschiedlichen Auswertemethoden analysiert, was einen Vergleich der Methoden anhand der errechneten scheinbaren Phasenumwandlungstemperaturen ermöglicht.

In dieser Arbeit wird ein neues Interferometerkonzept dargestellt, das auf der Grundlage einer optischen stehenden Welle beruht. Die stehende Welle wird mit einem neuartigen teilweise transparenten Photodetektor abgetastet. Der Photodetektor ist als pin-Photodiode konzipiert und mit Transparent Conductive Oxide (TCO) kontaktiert. Zwei transparente Photodiode werden technologisch zu einem Transparenten Phasenselektiven Photodetektor (TPSD) integriert. Die Photodioden werden auf der optischen Achse der stehenden Welle longitudinal angeordnet und erzeugen zwei Sinus- und Cosinus-Signale für die Vorwärts- Rückwärts-Zählung der Intensitätsmaxima und -minima der stehenden Welle.Die Schichtdickenkonzeption der transparenten Photodioden berücksichtigt Maßnahmen zur Reduzierung der Reflexion des Detektors. Bereits kleine Abweichungen der Parameter Schichtdicke und Brechzahl beeinträchtigen die optischen Eigenschaften der Photodiode. Um die Reflexionsvermögen des TPSDs unempfindlich gegenüber den Schichtdickenabweichungen zu machen, wurde mittels eines numerischen Verfahrens die optimalen Schichtdicken bestimmt, die zu einem breiten Reflexionsminimum führen. Bei den experimentellen Untersuchungen wurden die Signalform der Photoströme, die Grenzfrequenz und der Interpolationsfehler des Stehende-Wellen-Interferometers ermittelt. Die Grenzfrequenz beträgt ca. 100 kHz und könnte aber durch die Verringerung der Sensorfläche erhöht werden. Der ermittelte Interpolationsfehler ist ca. ± 15 nm. Eine Steigerung der Genauigkeit kann durch die weitere Verminderung der Reflexion erreicht werden.Die Vorteile eines Stehende-Wellen-Interferometers bestehen im einfachen und kompakten Aufbau sowie in der Nutzung moderner Halbleitertechnologie zur Massenproduktion der transparenten Detektoren.

Konventionelle Wägezellen (WZ) mit Dehnungsmessstreifen (DMS) erreichen maximal 6.000 Teilungsschritte für eichfähige Anwendungen. Damit sind sie auf Einsatzbereiche geringer bis mittlerer Präzision beschränkt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Sensor, basierend auf der Technologie der DMS-WZ, für den Einsatzbereich hoher Präzision entwickelt und untersucht. Der Sensor besteht aus einem einkristallinen Silizium-Federkörper (Si-FK) mit Dünnschicht-DMS. Da sich einkristallines Si bei Belastung ideal elastisch verformt, sind Zeitabhängigkeiten und Hysterese des Si-FKs vernachlässigbar gering. Die Applikation der DMS mittels Dünnschichtverfahren führt zu einer direkten Verbindung zwischen FK und DMS. Aus diesem Grund sind die Zeitabhängigkeiten während der Dehnungsübertragung vom FK zum DMS im Vergleich zu konventionellen Klebeverfahren erheblich reduziert und die Reproduzierbarkeit der Dehnungsmessung ist deutlich erhöht. Die mechanischen Eigenschaften der Si-FK werden neben der Geometrie maßgeblich von der Orientierung des anisotropen Si im FK bestimmt. Numerische Berechnungen mit der Finiten Elemente Methode führten zu einer für Si optimierten FK-Geometrie und zeigten die Einflüsse verschiedener Orientierungen des Si. Weiterhin wurde eine geeignete Einspannung des FKs entwickelt, die einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Dehnungsverhalten im Bereich der DMS aufweist. Zur Erforschung des last- und zeitabhängigen Verhaltens der Si-WZ, wurden fünf Si-WZ gleicher Geometrie hergestellt und experimentell untersucht. Die Untersuchungen erfolgten im Temperaturbereich von -10&ring;C bis 40&ring;C. Das Zeitverhalten des Messsignals der Si-WZ nach Lastwechseln unter konstanten Randbedingungen wurde im Vergleich zu konventionellen DMS-WZ deutlich verbessert. Die relative Änderung des Messsignals innerhalb der ersten zehn Minuten betrug nur 2 10-5 für Si-WZ. Zehn Minuten nach den Lastwechseln waren keine weiteren Zeitabhängigkeiten feststellbar. Die Kennlinien der Si-WZ zeigten im Vergleich zu konventionellen DMS-WZ um mehr als eine Größenordnung verbesserte Eigenschaften bezüglich Hysterese, Nullpunktsverhalten und Reproduzierbarkeit der Messwerte. Die Nichtlinearität war vergleichbar mit derer konventioneller DMS-WZ und muss beim Einsatz der Si-WZ in Bereichen mit hohen Anforderungen an die Präzision kompensiert werden. Zur Bewertung des Einsatzbereiches der Si-WZ, wurden die Messdaten bezüglich Nichtlinearität und Temperaturverhalten digital kompensiert und in Anlehnung an die internationale OIML-Empfehlung R60, zur Prüfung von WZ für eichpflichtige Anwendungen, ausgewertet. Die anhand der Kriech- und Richtigkeitsprüfung bewerteten Si-WZ erreichten mehr als 30.000 Teilungsschritte für eichfähige Anwendungen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Si-WZ mit Dünnschicht-DMS unter Anwendung digitaler Kompensationsverfahren für den Einsatzbereich hoher Präzision in der Wäge- und Kraftmesstechnik bestens geeignet sind.

A new triple-fixed-point blackbody for the calibration of radiation thermometers at fixed-point temperatures in the range of 232-660 &ayn;C was developed at the Ilmenau University of Technology. The fixed-point temperatures Tfp were measured by means of a transfer radiation thermometer and an uncertainty budget for Tfp was established, whose components differ from typical uncertainty budgets of single-fixed-point blackbodies.

This work concerns the modelling and experimental verification of the highly nonlinear friction behavior in positioning on the nanometer scale. The main goal of this work is to adjust and identify a simple dynamic friction model which allows a model-based estimation of the friction force in combination with the system inertia against displacement. Experiments in the pre-sliding and sliding friction regimes are conducted on an experimental setup. A hybrid two-stage parameter estimation algorithm is used to fit the model parameters based on the experimental data. Finally, the identified friction model is utilized as a model-based feedforward controller combined with a classical feedback controller to compensate the nonlinear friction force and reduce tracking errors.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung der Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung in der dynamischen Wägetechnik. Alle Betrachtungen beziehen sich auf einen Typ der dynamischen Waagen, die Kontrollwaage. Die dargelegten Verfahren sind für jeden anderen Waagentyp anwendbar, der für die dynamischen Messungen eingesetzt wird. Die erforderlichen messtechnischen Parameter der Kontrollwaagen anhand der Klassifizierung nach der internationalen metrologischen Empfehlungen OIML R51 und unter Berücksichtigung der Anforderungen der Fertigpackungsverordnung wurden berechnet. Im Störspektrum einer Kontrollwaage spielen harmonische Komponenten eine dominierende Rolle. Ein Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den Untersuchungen dieser Art der Störsignale. Es wurde der Einfluss der Abtastrate auf das Spektrum und die Standardabweichung des Quantisierungsfehlers bei der Signaldigitalisierung erläutert, ein Verfahren zur Ermittlung der tatsächlichen Größe der Aliasingfrequenzen beschrieben, die Änderung der Standardabweichung einer mit einem Mittelwertbildner gefilterten harmonischen Schwingung in Abhängigkeit von der Filterordnung untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt im Entwurf der digitalen Filter, die als kaskadierte Mittelwertbildner verwirklicht werden. Diese Filterart zeichnet sich durch eine Reihe der Vorteile aus. Dazu gehören eine einfache Realisierbarkeit, die Möglichkeit zur schnellen Umstellung der Gruppenlaufzeit und die leichte Anpassung an die Signalform. Alle diese Eigenschaften entsprechen den Anforderungen an die digitale Signalverarbeitung in der dynamischen Wägetechnik. Es wurden Algorithmen zum Entwurf der angepassten Filterung auf Basis der kaskadierten Mittelwertbildnerstrukturen sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich vorgestellt und verglichen. Im praktischen Teil wurde die Umsetzung eines der Verfahren in einer realen Waage gezeigt. Zur Triggerung der Zeitpunkte des Messanfangs und des Messendes werden Lichtschranken eingesetzt, die am Anfang und am Ende des Wägebandes angebracht sind. In der vorliegenden Arbeit wurde eine modifizierte Variante der Lichtschrankenanordnung beschrieben, die die Möglichkeit vorsieht, die Gruppenlaufzeit des eingesetzten Filters an die verfügbare Messzeit anzupassen. Praktische Umsetzung des Prinzips wurde gezeigt. Ein weiterer Ansatz, der in der Verwendung zu diesem Zweck digitaler Differenzierer besteht, wurde herausgearbeitet.

In this paper, a way to modularize complex finite-element models is described. The modularization is done with temperature fields that appear in high-precision measurement instruments. There, the temperature negatively impacts the achievable uncertainty of measurement. To correct for this uncertainty, the temperature must be known at every point. This cannot be achieved just by measuring temperatures at specific locations. Therefore, a numerical treatment is necessary. As the system of interest is very complex, modularization is unavoidable to obtain good numerical results.

Continuously increasing demands on nanopositioning and nanomeasuring (NPM) machines require a detailed analysis of and a decrease in measurement uncertainty. Initial studies have been done in the field of length and angle measurement. The analysis resulted in updated assemblies, which were investigated further. Significant improvements in mechanical stability, drift behaviour and temperature dependence were produced. To minimize the undesired heat production by the non-self-locking vertical linear drive systems, an improved weight force compensation arrangement adaptable to different object masses was developed and tested. Also, the system's natural frequencies were analysed. A modified structure with increased stiffness of the vertical drive system was designed to improve the NPM's dynamic behaviour.

Zur Demonstration messtechnischer Eigenschaften eines Pyrometers bei statischen und dynamischen Messungen wurde eine PC-gesteuerte Messanordnung mit einem kommerziellen Schwarzen Strahler, einem vertikal angeordneten Flächenstrahler und einer Linearführung mit verstellbarer Pyrometeraufnahme aufgebaut. - Nach der Ermittlung des Messfelddiagramms mit Hilfe des Schwarzen Strahlers und einer Irisblende wird der Flächenstrahler bei optimalem Arbeitsabstand vermessen. Unter Nutzung eines Strahlerpunktes mit bekannter Temperatur werden die Emissionsgrade von neun speziellen Oberflächenbeschichtungen ermittelt. - Mit Hilfe der Linearführung kann das Pyrometer den Flächenstrahler mit verschiedenen Geschwindigkeiten scannen. Die Auswirkungen unterschiedlicher Kombinationen von Geschwindigkeit und Pyrometer-Einstellzeit auf das Scannergebnis sind experimentell nachvollziehbar.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Grundlagen kompakter nanoskaliger Kalibriersysteme. Solche Systeme dienen der flexiblen statischen und dynamischen Kalibrierung von Längenmesssystemen, wie sie beispielsweise in Form von Rastersondenmikroskopen, Längenmesstastern und Tastschnittgeräten eingesetzt werden. Das hier vorgestellte Prinzip eines Kalibriersystems basiert, im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, auf einem höhenvariablen Normal, das zusätzlich die Kalibrierung dynamischer Parameter gestattet. Es soll anstatt der herkömmlichen Normale eingesetzt werden und besteht im wesentlichen aus einer Positioniereinheit, mit der eine vom Prüfling angetastete Platte positioniert wird sowie einem Längenmesssystem, mit dem die Positionierungen rückführbar gemessen werden können. Die Dissertation geht zunächst auf die Anforderungen an ein solches Normal ein und beschreibt den Prototypen eines entsprechenden Kalibriersystems. Er verwendet ein neuartiges streifenzählendes Homodyninterferometer zur gleichzeitigen Längen- und Winkelmessung mit herausragenden Auflösungen und geringen Messunsicherheiten. Weitere wesentliche Komponenten sind die Hardware- und Softwaresignalverarbeitung sowie die Benutzeroberfläche unter MATLAB. Mittels des im Rahmen der Arbeit aufgebauten Prototyps wurden Kalibrierungen eines Rastersondenmikroskops und eines induktiven Längenmesstasters durchgeführt. Es konnten dabei statische und dynamische Parameter bestimmt werden. Während die zunächst eingesetzte Positioniereinheit Abmessungen von 50 mm x 60 mm x 50 mm aufweist, erfüllt eine zweite mit Abmessungen von 50 mm x 50 mm x 25 mm alle Anforderungen an ein flexibles nanoskaliges Kalibriersystem. Das Kalibriersystem erreicht bei Kurzzeitmessungen Messunsicherheiten von u_c=3,4 nm bzw. u_c=0,81 nm und eignet sich als Ersatz und Ergänzung herkömmlicher körperlicher Normale für zahlreiche Kalibrieraufgaben der Nanomesstechnik.

A new traceable method has been developed and investigated to experimentally determine the total amount of measuring deviations arising through the capture and demodulation of plane-mirror interferometer signals. The basic principle for such an analysis is the precise specification of length variations. However, either a measuring system of excellent accuracy or accurately defined movements within a stable platform are required. A common measuring motion can be achieved through the displacement of a reflecting wedge plate, which creates a constant step-down. The interferometer to be analyzed is used to determine the change in the wedge plate's thickness, which is caused by lateral movements controlled by another interferometer. The wedge's sampled surfaces demand high planarity as the change of thickness acts as the material measure. These conditions can be achieved by using the Nanopositioning and Nanomeasuring Machine in conjunction with a 0.5-degree tilted mirror placed on it. The interferometer to be analyzed is aligned with this mirror. To provide the highest possible linearity for lateral motion, the only measuring points are in nearly error-free lambda/2 steps of the interferometer. The NPM machine's already small deviations in positioning will only affect the evaluation of measuring errors of the reduced interferometer by a factor of about one-hundredth. This is one of the main advantages of the method. The interferometer to be analyzed - like the entire measuring setup - features a compact assembly and high mechanical and thermal stability. The measured deviations in linearity provide excellent verification of the prospected error influences.

Selbstkalibrierende Thermoelemente mit integrierten, miniaturisierten Fixpunktzellen ermöglichen die Messung der Heißdampftemperatur in Kraftwerken mit einer Unsicherheit <1 K. Im Bereich von 520 &ayn;C bis 610 &ayn;C kommen hierbei die binären eutektischen Aluminiumlegierungen Al87Si, Al75Pd und Al67Cu als Phasenumwandlungsmaterialien zum Einsatz. Solche selbstkalibrierende Thermoelemente wurden über einen Zeitraum von mehreren Monaten in konventionellen Kraftwerken erfolgreich einem Praxistest unterzogen. Dabei konnte eine Kalibrierunsicherheit am Fixpunkt von ±0,1 K bestätigt werden.

Eine Entwicklungsrichtung zur Reduzierung der Meßunsicherheit von Präzisionsmeßgeräten ist die Minimierung von Querempfindlichkeiten der Meßgeräte auf Störgrößen. Zu den Störgrößen zählen alle auf ein Meßgerät wirkenden Einflüsse außer der eigentlichen Meßgröße. Eine wesentliche Rolle spielen die drei Klimagrößen Temperatur, Luftfeuchte und Luftdruck. Stand der Technik ist, daß ein Großteil der heutigen Präzisionsmeßgeräte über eine weitgehende Störgrößenunterdrückung verfügt. Besonders das Gebiet der Reduzierung der Feuchteabhängigkeit bietet jedoch noch erhebliches Potential zur weiteren Verringerung der Meßunsicherheit. Die vorliegende Arbeit stellt eine systematische Vorgehensweise zur Erzielung eines feuchteunabhängigen Meßgerätes vor. Ausgehend von den Ursachen der Feuchteabhängigkeit werden Methoden zur Reduzierung der Feuchteabhängigkeit abgeleitet. Diese Methoden lassen sich in zwei Kategorien einteilen: 1. Minimierung des für die Feuchteabhängigkeit verantwortlichen Feuchtetransportes. 2. Kompensation der Feuchteabhängigkeit auf der Basis mathematischer Methoden. Der Feuchtetransport läßt sich durch die Konstanthaltung der relativen Feuchte im Meßgerät, z.B. durch Feuchtepufferung, fast vollständig unterbinden. Weiterhin kann das Eindringen von Feuchtigkeit in Bauteile durch konstruktive Maßnahmen wie Kapselung, Versiegelung und Abdichtung reduziert werden. Unter einer Vielzahl von Varianten zur Modellierung des Verhaltens von Systemen sind sogenannte Polynommodelle zur mathematischen Feuchtekompensation besonders gut geeignet. Durch diese Modelle ist es möglich, die statische und die dynamische Feuchteabhängigkeit gemeinsam zu beschreiben. Wesentlichen Einfluß auf die Güte einer mathematischen Kompensation hat neben der Modellstruktur auch die Darstellungsvariante der Feuchte (relative Feuchte, absolute Feuchte, Dampfdruck, Taupunkttemperatur und ähnliche). Zur Ermittlung der Feuchteabhängigkeit von Präzisionsmeßgeräten sind experimentelle Untersuchungen erforderlich. Da zwischen Temperatur- und Feuchteabhängigkeit Wechselwirkungen bestehen, müssen die zeitlichen Verläufe von Lufttemperatur und Luftfeuchte orthogonal sein. Nur unter dieser Voraussetzung können aus den Experimenten statistisch gesicherte Aussagen zur Temperatur-und Feuchteabhängigkeit getroffen werden.

An the Institute of Process Measurement and Sensor Technology of Technische Universität Ilmenau, a three-dimensional nanopositioning and nanomeasuring machine (NPM-Machine) has been developed. The Abbe offset-free design provides extra-ordinary accuracy. In the entire positioning and measuring range of 25 mm x 25 mm x 5 mm the interferometric length measurement system reaches a resolution of 0,1 nm and an uncertainty of 5 - 10 nm. The article gives basic information on this nanopositioning and measuring machine, explains its mode of operation and represents measurement results.

Lasergestützte Messverfahren bestimmen seit mehreren Jahren den Stand der Technik. Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Präzisionsdruckmessung bis 6 MPa Überdruck. Aus der Kombination eines hoch auflösenden und metrologisch ausgereiften Kompaktinterferometers mit Verformungskörpern aus Aluminiumoxidkeramik in Form einer Bourdonfeder resultieren geringste Unsicherheiten der Druckmessung. Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung und Untersuchung geeigneter Verformungskörper, welche die Eingangsgröße Druck mit hoher Genauigkeit auf eine vom Interferometer gemessene Verschiebung abbilden. Es wird eine Herstellungstechnologie zur reproduzierbaren Fertigung der komplexen Verformungskörper aus Aluminiumoxidkeramik vorgestellt. Mit Hilfe der entwickelten Berechnungsverfahren und der präzisen Erfassung der geometrischen Größen erfolgt die Dimensionierung und Nachrechnung der Verformungskörper hinsichtlich ihrer Kennlinien und des Bruchdruckes. Vorraussetzung für die messtechnische Untersuchung der interferenzoptischen Drucksensoren sind Messplätze höchster Genauigkeit. In den realisierten Messplatzvarianten werden von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig kalibrierte Kolbenmanometer für flüssige und gasförmige Druckmedien eingesetzt. Ein an die Besonderheiten der Präzisionsdruckmessung angepasstes Messregime erlaubt die effektive, einheitliche und problemorientierte Untersuchung der Drucksensoren. Untersuchungsschwerpunkte sind die Bestimmung der Wiederholpräzision, Langzeitstabilität, Linearität, Hysterese und Lageempfindlichkeit. Der Einfluss von Umgebungstemperaturänderungen ist ein weiterer entscheidender Aspekt. Aus den messtechnischen Untersuchungen geht hervor, dass hauptsächlich der Umgebungstemperatureinfluss, die nichtlineare Kennlinie und die Hysterese die erzielbare Messunsicherheit interferenzoptischer Drucksensoren begrenzen. Es wird gezeigt, dass die beobachtete Hysterese vordergründig auf thermodynamische Zustandsänderungen des Druckmediums zurückzuführen ist. An einem Drucksensor wird nachgewiesen, dass durch die rechentechnische Korrektion von Einfluss- und Störgrößen relative Messabweichungen von weniger als 5.10-5 erreicht werden.

The Sartorius Susceptometer allows one to determine the magnetization and the magnetic susceptibility of weights as recommended in the Draft revision of International Recommendation OIML R 111. It is commercial available with a readability of the mass comparator of 1 [my]g and 10 [my]g. The technical details and the application range are given. A new method for specifying the necessary shape and size dependent geometric correction factors is discussed.

Rastersondenmikroskope, zu denen unter anderem Rastertunnelmikroskope (STM) und Rasterkraftmikroskope (AFM) gezahlt werden, werden an vielen Stellen in der Material- und Oberflachenforschung, der Halbleitertechnologie sowie der Biotechnologie angewendet. Sie sind zudem denkbare Werkzeuge der Nanotechnologien, so beispielsweise der Nanolithographie. Zudem konnen sie der Manipulation von Atomen und zur Nanometrologie dienen. Kommerzielle AFM bestehen unter anderem aus einem Laser, Photoempfanger, Regler, Piezoantriebssystem sowie einem Tastsystem. Dabei kommt den Piezoelementen des Antriebssystems besondere Bedeutung zu. Die von Piezoelementen bekannten Nachteile, wie Nichtlinearitat, Hysterese, Alterung, thermische Drift, Kriechen und Ubersprechen, konnen durchaus 20% der Messabweichungen bei Vorwartssteuerung verursachen. Daher sollten AFM, Metrologiestandards entsprechend, zur Reduzierung der Mesunsicherheit regelmasig ruckfuhrbar kalibriert werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand in der Entwicklung eines ruckfuhrbaren Rasterkraftmikroskops (Traceable Atomic Force Microscope, TAFM) zum Einsatz als staatliches Normal zur ruckfuhrbaren Vermessung von Normalen im Nanometer-Bereich fur die taiwanesische Industrie. Das TAFM wurde als Kombination eines kommerziellen AFM, zwei Laserinterferometern, einer aktiv geregelten dreiachsigen Prazisionsfuhrung, einem Metrologierahmen aus Super-Invar, einer Schwingungsdampfung sowie einer temperaturgeregelten Umhausung konzipiert und aufgebaut. Zur Reduzierung des Abbe-Offsets wurden die Interferometer derart angeordnet, dass sich ihre virtuell verlangerten Messstrahlen im Antastpunkt des Cantilevers und damit direkt auf der Probenoberflache im Messpunkt schneiden. Eine einwandfreie Referenzbewegung des Systems wurde durch die eingesetzten Prazisionsfuhrungen sichergestellt, wahrend die direkte Ruckfuhrbarkeit auf die Definition der Langeneinheit ?Meter" durch den Einsatz von zwei Laser-Interferometern erreicht wurde. Die ermittelte erweiterte Messunsicherheit des TAFM fur die laterale Messung einer Lange von 292 nm betrugt bei einer statistischen Sicherheit von 95% unter Berucksichtigung von 29 Freiheitsgraden 2,5 nm. Da die ermittelte erweiterte Messunsicherheit fur laterale Langenmessungen noch nicht zufriedenstellend und die Ruckfuhrbarkeit in Richtung der Z-Achse nicht gewahrleistet ist, soll das TAFM verbessert werden, um perspektivisch eine Messunsicherheit von 0,5 nm in allen drei Messachsen zu erreichen. Dieses Ziel kann zunachst durch den Einbau eines weiteren Laserinterferometers zur Kalibrierung des Messystems der Z-Achse erreicht werden. Zusatzlich sollte die Umhausung statt auf einem Tisch auf dem schwingungsarmeren Boden platziert werden, was das Rauschen der Interferometer auf weniger als 5 nm reduzieren sollte. Ein verstarkter Metrologierahmen, die Verlagerung der Referenzspiegel vom AFM auf die Prazisionsfuhrung und verkurzte Messkreise, die Konstruktion aller Teile aus dem gleichen Material, ein symmetrischer mechanischer Aufbau und der Einsatz einer aktiven Temperaturregelung mit einer Temperaturstabilitat von 20¡Ó0.1 ØXC sind weitere wichtige Schritte.

Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Bearbeitungstolerenzen in der Fertigungstechnik und an die Miniaturisierung von industriellen Bauteilen gewinnt die Nanometrologie in der Fertigungsmesstechnik zunehmend an Bedeutung. Daher spielen präzise Messgeräte und -sensoren zur genauen Charaterisierung und Überprüfung der Produkte eine entscheidene Rolle. Für die eindimensionale Längenprüfung haben hochgenaue Messtaster, bzw. Nanomesstaster, die eine Auflösung im Nanometerbereich besitzen und eine Genauigkeit von weniger als 100 nm erreichen, große Bedeutung. Dazu gehören sowohl nach dem elektronischen als auch nach dem optischen Messprinzip arbeitende Messtaster, wie induktive, inkremental-optische oder interferenzoptische. Zur Gewährleistung der Genauigkeit und der Rückführbarkeit auf die Definition des Meters sind die Kalibrierung und Überprüfung der Nanomesstester unentbehrlich. Bereits existierende Prüfverfahren oder -maschinen haben diverse Nachteile. Einige erlauben nur einen manuellen Prüfvorgang, der sehr zeitaufwendig ist, wie z.B. mit hochgenauen Parallelendmaßen als Maßverkörperung. Andere weisen trotz hoher Genauigkeit nur Prüfbereiche im Mikrometerbereich auf oder besitzen in großen Prüfbereichen von einigen Millimetern nur eine Prüfunsicherheit von mehr als 100 nm. Um die Prüfung mit hoher Auflösung und gleichzeitig großem Messbereich zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit auf der Grundlage eines am Institut PMS entwickelten Kalibriergerätes für Wegsensoren ein Präzisionsprüfgerät für Nanomesstaster aufgebaut, das mit 1,24 nm Auflösung, einem Prüfbereich bis 20 mm (60 mm) und einer Messunsicherheit von ca. ±10 nm die Anforderungen an hohe Auflösung im Nanometerbereich und den gleichzeitig großen Messbereich im Millimeterbereich erfüllen kann. - Das Präzisionsprüfgerät ist mit einem Planspiegelinterferometer ausgerüstet. Als neuer Ansatz zur Vermeidung des Abbe-Fehlers wird mit Hilfe von Piezotranslatoren eine kontinuierliche Winkelregelung des Messkörpers verwirklicht. Damit wird während des Prüfvorganges eine Verkippung des Messkörpers von < 0,2" erreicht und der mögliche Abbe-Fehler minimiert. Die Positionierung des Messkörpers erfolgt durch ein Antriebsystem, das sich aus Kugelführungen, einer Feingewindespindel und einem DC-Motor zusammensetzt. Zur Automatisierung des Prüfvorganges ist ein nach dem Messprinzip der Richtlinie VDI/VDE 2617 arbeitendes Messprogramm entworfen worden, mit dem ein Messtaster in elf Messpunkten und fünf Wiederholungen in weniger als 30 Minuten geprüft werden kann. - Theoretische und experimentelle Untersuchungen zeigen, dass das Präzisionsprüfgerät eine Prüfunsicherheit von ca. ±10 nm im Messbereich von 18 mm aufweist, was einer relativen Messunsicherheit von ca. ±5&hahog;10-7 entspricht.Mit der geringen Prüfunsicherheit, der Minimierung des Abbe-Fehlers und der kurzen Prüfzeit kann das Gerät als ein universelles und leistungsfähiges Präzisionsprüfgerät bezeichnet werden, das für die genauen Prüfungen von beliebigen Präzisionsmesstastern und anderen eindimensionalen Wegsensoren einsatzfähig ist.

Mit Miniatur-Fixpunktzellen lassen sich Phasenumwandlungstemperaturen von Reinststoffen als Temperatur-Fixpunkte nutzen. Elektrische Berührungsthermometer, in die Miniaturzellen in geeigneter Weise integriert wurden, sind vergleichsweise einfach, nahezu beliebig oft und unter Einsatzbedingungen (in situ) an der bekannten Fixpunkttemperatur rekalibrierbar. Praktisch realisiert wurde dieses Prinzip bislang nur unter Laborbedingungen. Im Rahmen der Arbeit werden wesentliche Ergebnisse von Untersuchungen vorgestellt, die das Ziel haben, thermisch optimierte Miniatur-Fixpunktzellen mit verbesserten messtechnischen Eigenschaften zu entwerfen. Ziel ist es, Miniatur-Fixpunktzellen in industrieübliche und -taugliche elektrische Berührungsthermometer mit Außendurchmessern von [größer gleich] 6 mm zu integrieren und auf diese Weise deren periodische in-situ-Selbstkalibrierung zu ermöglichen. Aufbauend auf grundlegenden Betrachtungen zur Thermodynamik von Phasenumwandlungen in Reinstmetallen und Legierungen werden Auswahlkriterien für Fixpunkt- und Tiegelmaterialien abgeleitet. Wesentlicher Schwerpunkt ist die Frage der Realisierung eines thermischen Gleichgewichts zwischen einem Temperatursensor und dem Phasenumwandlungsmaterial innerhalb der Miniaturzelle auch bei sich vergleichsweise schnell ändernden äußeren Temperaturen und inhomogenen Temperaturfeldern. Bekannte Bauformen von Miniaturfixpunkt-Thermometern sowie gebräuchliche Methodiken bei Kalibrierungen in Standard-Fixpunktzellen werden diesbezüglich analysiert. Ein hinreichendes thermisches Gleichgewicht zwischen Temperatursensor und Fixpunktmaterial lässt sich herstellen, indem das lokale Temperaturfeld im Bereich der Miniaturzelle weitgehend homogenisiert wird. Dies kann temporär unter Ausnutzung der hohen Temperaturkonstanz des Phasenumwandlungsmaterials während eines Schmelz- oder Erstarrungsprozesses geschehen. Anhand von Modellierungen und numerischen Simulationen von Thermoelementen mit integrierter Miniatur-Fixpunktzelle werden die Veränderungen der Temperaturverteilungen innerhalb des Thermometers sowie die davon abhängigen Ausbreitungen der Fest/flüssig-Phasengrenzen während einer Phasenumwandlung in Abhängigkeit verschiedener Einflussgrößen untersucht. Die detaillierten Modellrechnungen ermöglichen die Ableitung von Richtlinien und Kriterien für die konstruktive Gestaltung der Miniatur-Fixpunktzellen und ihre Integration in Thermometer. Zudem dienen sie zur Verifizierung eines einfachen Auswerteverfahrens zur Bestimmung der Phasenumwandlungstemperaturen aus den gemessenen Plateaus. Experimentelle Untersuchungen bestätigten die Ergebnisse der Simulationen. Langzeitmessungen im Labor und unter industriellen Einsatzbedingungen lieferten den Nachweis der hinreichenden thermischen und mechanischen Stabilität der Miniaturfixpunkt-Thermometer. Mit einigen binären eutektischen und monotektischen Legierungen sind Untersuchungen bezüglich ihrer Eignung als Phasenumwandlungsmaterialien in Miniatur-Fixpunktzellen durchgeführt worden. Insbesondere die Gleichgewichtstemperaturen ihrer Schmelzvorgänge erwiesen sich dabei als hinreichend reproduzierbar und als Temperatur-Fixpunkte nutzbar. Thermometer mit integrierten Miniatur-Fixpunktzellen lassen sich wie bisher in Kalibrierlaboratorien für Vergleichskalibrierungen einsetzen. Die erreichten Verbesserungen ihrer messtechnischen Eigenschaften sowie die hohen Langzeitstabilitäten der Miniatur-Fixpunktzellen machen es darüber hinaus möglich, auch industrielle Temperaturmessstellen mit Miniaturfixpunkt-Thermometern auszustatten. Am Beispiel der Temperaturmessung in Heißdampfleitungen von Wärmekraftwerken wird gezeigt, dass sich durch den Einsatz selbstkalibrierender Miniaturfixpunkt-Thermoelemente nachweisbare Verringerungen der Temperaturmessunsicherheiten von bislang etwa 3...5 K auf unter 1 K erreichen lassen.

Am Institut für Prozeßmeß- und Sensortechnik wird eine Nanomeßmaschine für die Dreikoordinatenmessung mit einem Meßbereich von 25mm x 25mm x 5mm und einer Auflösung von 1,3nm entwickelt. Sie schließt mit ihrer Auflösung und ihrem Meßbereich eine Gerätelücke in der Koordinatenmeßtechnik. Drei Miniaturplanspiegelinterferometer, ein Antastsensor und zwei Winkelsensoren werden so angeordnet, daß in allen drei Koordinatenachsen abbefehlerfreie Messungen möglich sind. Anwendungsgebiet der neuen Nanomeßmaschine ist die Präzisionsvermessung von Kleinteilen und Mikrostrukturen.

Es wird ein Verfahren beschrieben, das die Bestimmung des Verhältnisses der zeitkonstanten aus dem zeitlichen Verlauf der Differenz zweier Sprungantworten ermöglicht.

The application of thermocouples with integrated miniature fixed Points can improve reliability and accuracy of industrial temperature measurements. One of ist Basic requirements is a sufficient long-term stability when used in thermal processing with temperatures above the fixed-Point. This will be possible only by a careful choice of materials and design. After giving an Analysis of the Problems, first results of thermocouples with improved temperature and time behavior will be presented.

We consider the approximation of the characteristics of thermocouples by polynomials of given degree on the largest possible range such that an apriori given error for the temperature is not violated. The used mathematical methods belongs to the field of semi-infinite optimization and the approach can be interpreted as a kind of reverse Chebyshev approximation (see also Preprint M08/94 from 22-6-94 of the Institute of Mathematics of TU Ilmenau).