Absolute distance measurements for in-situ interferometer characterisation using range-resolved interferometry. - In: Measurement science and technology, ISSN 1361-6501, Bd. 33 (2022), 12, 125024, S. 1-12
Range-resolved interferometry (RRI) allows the simultaneous demodulation of multiple interferometric signal sources and provides a tomographic view of all constituent interferometers that may be present in a setup. Through comparison with a reference distance of known length, absolute distance measurements can be performed. RRI is tailored to the use of laser frequency modulation through injection-current modulation of regular, monolithic laser diodes that are both cost-effective and highly coherent and therefore this approach promises broad applicability. In this paper, two methods for absolute distance measurement, one based on the direct evaluation of the signal peak positions and one based on the phase demodulation of an additional lock-in modulation signal, are experimentally demonstrated. Using an external verification displacement interferometer, both techniques are shown to achieve in-situ absolute distance measurements with systematic errors below over a 50 mm travel range. The aim of this paper is to establish the general suitability of RRI for absolute distance measurements and in-situ tomographic interferometer characterisation for precision engineering. In future, this approach could be used to diagnose interferometric setups for parasitic signal contributions, multiple reflections or to determine the dead path length for accurate environmental compensation, either for use during initial setup of, or for continuous operation alongside, a regular displacement measuring interferometer.
https://doi.org/10.1088/1361-6501/ac970a
Formation and characterization of three-dimensional tetrahedral MoS2 thin films by chemical vapor deposition. - In: Crystal growth & design, ISSN 1528-7505, Bd. 22 (2022), 9, S. 5229-5238
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.
https://doi.org/10.1021/acs.cgd.2c00333
Conference measurement uncertainty Erfurt 2021 :
Tagung Messunsicherheit Erfurt 2021. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 89 (2022), 10, S. 645-646
https://doi.org/10.1515/teme-2022-0088
Frequenzkamm-gekoppelte Metrologielaser für die interferometrische Längenmessung in Nanopositionier- und Nanomessmaschinen :
Comb-referenced metrology laser for interferometric length measurements in nanopositioning and nanomeasuring machines. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 89 (2022), 10, S. 687-703
In this article a new approach for the direct traceability of interferometric length measurements in nanopositioning- and measuring machines is presented. The concept is based on an optical frequency comb tied to a GPS disciplined oscillator. The frequency comb serves as a highly stable reference laser with traceable optical frequencies. By directly stabilizing the metrology lasers of a nanopositioning and -measuring machine to a single comb line a permanent link of the laser frequency to an atomic clock is created allowing direct traceability to the SI meter definition. The experimental conditions to provide traceability will be discussed. Furthermore, it is demonstrated how the long-term frequency stability of an individual comb line can be transferred onto the metrology lasers enhancing their stability by three orders of magnitude.
https://doi.org/10.1515/teme-2022-0013
Extensions for the design of a two photon based direct laser writer for large-area, high precision nanostructuring :
Erweiterungen zum Aufbau eines zwei Photonen basierten direkten Laserschreibers zur großflächigen, hochpäzisen Nanostrukturierung. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 89 (2022), S. S55-S60
Zur Realisierung extrem feiner Strukturen spielen direkte Laserschreibprozesse, basierend auf Zwei-Photonen-Absorptionsverfahren (2PA), eine zentrale Rolle in der Mikro- und Nanofabrikation. Dafür ist neben einem Lasersystem ein hochpräzises Positioniersystem notwendig. Meist basieren diese Positioniersysteme auf Prinzipien, die ohne zusätzliche Stiching-Verfahren nur kleine Positionierbereiche ermöglichen. Für piezoelektrische Tische sind zum Beispiel nur einige hundert Mikrometer möglich. Auf Galvanometer-Scannern basierten Systemen können sogar nur Positionierbereiche von wenigen zehn Mikrometern realisiert werden. Um ohne zusätzliche Stiching Verfahren größere Fertigungsbereiche mit hoher Präzision für Mikro- und Nanostrukturierung zu ermöglichen, wurde ein Aufbau aus einem Femtosekundenlaser für 2PA und einer Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NMM-1) entwickelt [3]. Die NMM-1 wurde an der TU Ilmenau zusammen mit der SIOS Meßtechnik GmbH entwickelt, mit einem Positioniervolumen von 25 mm × 25 mm × 5 mm und einer Positionierauflösung im Sub-Nanometerbereich. Dieser Aufbau wurde in den letzten Jahren weiter entwickelt und Strukturbreiten konnten reduziert werden [2]. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung einer funktionalen Einheit aus Femtosekundenlaser und NMM-1. Dies soll die Komplexität erhöhen und die Homogenität der geschriebenen Strukturen stark verbessern.
https://doi.org/10.1515/teme-2022-0058
A bottom-up approach for the radius and roundness measurement of micro spheres :
Ein Bottom-up Ansatz für die Radius- und Rundheitsmessung von Mikrokugeln. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 89 (2022), S. S101-S106
Die mangelnde Verfügbarkeit von präzise charakterisierten Kugeln im Submillimeterbereich schränkt derzeit die Leistungsfähigkeit von Mikro- und Nano-Koordinatenmessgeräten ein. Aus diesem Grund werden am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau neue Ansätze zur Messung solcher Kugeln untersucht und daraus entsprechende Messverfahren entwickelt. Ein vielversprechender Ansatz basiert dabei auf einer Reihe von Oberflächenscans im Zusammenhang mit einem Stitching-Algorithmus. Als Oberflächensensor kommt zur Zeit ein Atomkraftmikroskop (AFM) im Kontaktmodus zum Einsatz. Eine rückführbare Messung erfordert eine präzise Charakterisierung der AFM-Spitzenform und deren Unsicherheit, um diesen Einfluss zu korrigieren und die Unsicherheit fortzupflanzen sowie möglichen Verschleiß der AFM-Spitze während des Messvorgangs festzustellen. Diese Aspekte fanden bisher keine Beachtung. Ausgehend von dem publizierten Stand wurde deshalb die Messstrategie und der Auswertealgorithmus durch eine geeignete Strategie zur Korrektur des Spitzenformeinflusses sowie der Ermittlung der Spitzenform erweitert. Diese wurde experimentell durch den Einsatz unterschiedlicher AFM-Spitzen mit nominellen Radien von 100 nm bis 2 μm an einer 300 μm-Rubin-Kugel untersucht. Im Rahmen des Beitrags werden dazu erste Ergebnisse vorgestellt und diskutiert.
https://doi.org/10.1515/teme-2022-0073
Entwicklung eines neuartigen Magnetsystems für eine 1 kg-Planck-Waage :
Development of a novel magnet system for a 1 kg Planck balance. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 89 (2022), S. S31-S36
The following paper presents the development of a novel magnet system for use in a 1 kg Planck balance. For this purpose, several preliminary theoretical and experimental investigations were carried out and an optimized prototype magnetic system was modeled, designed and built based on the results. Initial measurements showed that the magnet system with an outer diameter of 104 mm and a height of 50 mm achieved a constant average value of 85.25 N A^-1 at a range of motion of ±0.6 mm.
https://doi.org/10.1515/teme-2022-0043
A novel concept for 5D nanopositioning, nanomeasuring and nanofabrication machines :
Ein neuartiges Konzept für 5D Nanopositionier-, Nanomess-, und Nanofabrikationsmaschinen. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 89 (2022), 9, S. 634-643
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.
https://doi.org/10.1515/teme-2022-0037
Measurement precision of a planar nanopositioning machine with a range of motion of Ø100 mm. - In: Applied Sciences, ISSN 2076-3417, Bd. 12 (2022), 15, 7843, S. 1-14
This work deals with various investigations into the accuracy of a newly developed planar nanopositioning machine. This machine, called Nanofabrication Machine 100 (NFM-100), has a positioning range of 100 mm in diameter. To determine the precision, various movement scenarios are performed with the machine table, and the trajectory deviation from the set trajectory is determined. In particular, the focus is on high velocities of up to 20 mm/s. Even at high speeds in the range of several millimetres per second, this machine can impress with its performance and only has a deviation in the nanometre range.
https://doi.org/10.3390/app12157843
Design of compliant mechanisms based on rigid-body mechanisms. - In: Romanian journal of technical sciences, ISSN 2601-5811, Bd. 67 (2022), 1, S. 61-78
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.