Conference papers

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.

This work presents a new tiltmeter that utilises the principle of electromagnetic force compensation (EMFC) in order to increase its measurement range and measurement dynamics compared to an uncompensated pendulum tiltmeter. The development included investigations on the design of the pendulum mechanics, the position sensor and the actuators. With the chosen parameters a resolution of 1 μrad in a measurement range of 20 mrad can be achieved currently on a short-term timescale.

This paper describes a new method to measure the height of the centre of gravity of high-sensitive mass artefacts. A measuring device is presented and tested with mass samples of various shapes and densities. The results of the measurements are compared to the geometrical estimated heights of the centre of gravity and further developments of the new instrument are presented.

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine technische Umsetzung zur Bestimmung der Masse nach der neuen Definition des Internationalen Einheitensystems (SI) von 2019 beschrieben. Als Grundlage dient ein handelsüblicher Hochvakuum Prototyp Massekomparator der Firma Sartorius. Mit Massekomparatoren wurden Kilogramm Prototypen, wie das Urkilogram (ℜ), mit anderen Kilogramm Massenormalen direkt verglichen, um eine Kalibrierkette zu realisieren. Nach der Neudefinition des SI im Jahr 2019 ist das Kilogramm über die Planck-Konstante (h) definiert. Die hier vorgestellte Planck-Erweiterung soll es ermöglichen, durch technische Modifikationen und einigen Zusatzkomponenten, Hochvakuum-Massekomparatoren so umzubauen, dass sie Kilogramm Prototypen und Massenormale nach der neuen Definition kalibrieren können. Zusätzlich soll dadurch eine durchgehende Kalibrierung von Massenormalen im Bereich von 1 mg bis 1 kg nach dem E1-Standard der OIML R 111-1 (2004) ermöglicht werden. Gleichzeitig bleiben alle Funktionen der Massekomparatoren erhalten, wodurch es möglich ist Messungen nach der alten und der neuen Massendefinition miteinander zu vergleichen. Im Verlauf dieser Ausarbeitung wird das Funktionsprinzip der Planck-Erweiterung beschrieben. Weiterhin werden Messergebnisse aus ersten Testmessungen mit einer relativen Standardabweichung von 0,65 ppm gezeigt, analysiert und bewertet. Anhand der Erfahrungen mit der ersten Prototyp-Planck-Erweiterung werden Verbesserungsmöglichkeiten und zukünftige Arbeiten vorgeschlagen.

This work presents a novel approach for improving interferometer resolution with a relatively simple setup by combining the use of range-resolved interferometry and a high-finesse Fabry-Perot setup utilizing multiple reflections in the cavity to gradually increase the resolution. This approach could enable the measurement of small displacements with a potentially much higher resolution than current interferometry methods. A simple proof-of concept setup demonstrated the evaluation of up to four Fabry-Perot passes, while theoretically much higher sensitivity improvement factors should be possible.

The semiconductor industry is an unbelievable fast-growing field with an exponential growth in the space optimization. But also, other large industrial field are getting smaller in the structure size, for example the field of optics. On the other hand, the customer demands get more and more complex and individual. This leads to an enormous growth potential for micro- and nanofabrication with direct laser writing. Under this circumstance the idea for a micro- and nanostructuring possibility with high precision on large areas was born. A setup was developed to combine a nanopositioning and nanomeasuring machine (NMM-1) with an extremely high precision and a two-photon based illumination system to realize a high-precision direct laser writing system. Besides its high positioning resolution of 0.1 nm and its metrological traceability based on an interferometrical measurement setup, the NMM-1 offers a positioning range of 25 mm x 25 mm x 5 mm. The aim is to design a direct laser writing setup, which enables a trans-scale fabrication without any stitching or combination of different positioning systems necessary. In order to benefit from this high positional accuracy, studies have been made to investigated the two photon absoption process and reduce line widths. The presented research shows investigations, which were made with the developed laser writing setup, to invested illumination dose and the voxel position of the writing laser, in order to improve microstructuring and to reduce structure widths.

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.

At the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), the national metrology institute of Germany, the calibration facility for thermal imager, infrared calibrators, and radiation thermometers has been up-dated to improve the calibration service. An additional cesium-heatpipe blackbody was installed to close the temperature gap from 270 ˚C to 500 ˚C and a new sodium-heatpipe blackbody was taken into operation. In addition, the precision of the positioning of the devices under test was improved and the new blackbodies were characterized and tested. The calibration facility now marks the state-of-the-art in terms of achievable uncertainties and automatization.

The Planck-Balance is a compact version of a Kibble balance, allowing a direct measurement of mass by means of electromagnetic force compensation (EMFC). This means that the effects of deformation have to be considered. The vertical position adjustment of the coil, which is discussed in this article, can reduce many errors, such as errors due to deformations during weighing, which lead to a non-proportional correlation between the current in the compensation coil and the compensated mass. In our setup, these errors can be up to about 8 ppm in the maximum case. In addition, there are other problems such as higher order harmonics in the velocity mode, which can be reduced.

Nanotechnology is affecting almost all areas of life, from semiconductor industry to optics, medicine and agriculture. Classical methods for sensing, measuring and fabricating on the nanoscale are faced with new challenges: features are getting smaller and the variety of structures and materials is increasing. Thus, many new techniques are developed in this field. Research at the Technische Universität Ilmenau aims to support transferring these new technologies to industrial scale for future application. The focus is on tip- and laser-based processes together with devices for nanometer positioning.

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.

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.

The most precise vacuum mass comparators have a resolution of 0.1 μg, operating at one kilogram [1]. The resolution represents a relative difference in weight of the artifacts of 1×10^(-10). Small deviations in the height of the center of gravity of the mass artifacts lead to a systematic error of the measurement results. For example a difference in the height of the center of gravity of 1 cm in Earth's gravitational field causes a relative systematic uncertainty contribution of 3.2×10^(-9). Therefore, it is important to know the artifacts' heights of the center of gravity. This paper introduces a novel approach to measure the height of the center of gravity of high-sensitive mass artifacts. The method allows to compare the mass of artifacts of unusual shape, inhomogeneous composition or hollow mass standards with uncertain internal geometry. For the determination, the mass artifacts are placed on three load cells, arranged at an angle of 120˚. The load cells are attached to the base, which stands on a high-precision tilt table [2]. The difference in force with variation of the inclination angles allows to calculate the height of the center of gravity of the artifacts. To verify the method, various mass standards of known geometry and composition are measured as described. In the end, the comparison between theoretically determined values and the measurement results shows a good agreement of the method.

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.

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.

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.

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.

Two-photon-absorption (2PA) techniques enables the possibility to create extremely fine structures in photosensitive materials. For direct laser writing as micro- or nanofabrication a laser system can be combined with highly precise positioning systems. These are mostly limited by a few hundreds micrometer positioning range with applications based on piezoelectric stages or even just relatively few tens micrometer positioning range with applications based on galvanometer scanners. Although these techniques are precise, but stitching methods are required for larger fabrication areas. Therefore, a setup consisting of a femtosecond laser for 2PA and a nanopositioning and nanomeasuring machine (NMM-1) was developed for high precision laser writing on lager surfaces. Further developments of the system should enable a significant improvement in high-precision and stitching free direct laser writing. In order to combine the the femtosecond laser and the NMM-1 into a functional unit, to write complex structures with highest accuracy and homogeneity, further improvements like a beam expansion for a better use of the numerical aperture of the objective and a new femtosecond laser with a integrated power measurement are realized. This showed improvements in line width for nano strucuring. 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.

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.

Today, besides the ongoing progress in the reduction of feature sizes, the measuring and fabrication of freeform surfaces with nanometre uncertainty, e.g. for aspheric lenses or structures with high aspect ratios, are a challenging task. Usually, dealing with such objects is limited by the local tilt angle between the object surface and the tool axis. There are different approaches to perform such measurements. In this paper, an extension of the Nano Measuring Machine NMM-1 with two rotational axes is described. With the proposed setup, it is possible to orientate the tool-axis perpendicular to the sample in every position, allowing larger angles to be measured / structured and minimising the uncertainty of the process e.g. due to the tilt dependency of the tool. Various machine designs are investigated and finally a solution with one rotary and one goniometer stage is integrated, preserving the existing machine infrastructure and allowing the addressability of a full hemisphere without limiting the measuring volume. As the tool centre point maintains its position during tool rotation, the Abbe principle is still fulfilled in every angular orientation. Emphasis was put on the metrological traceability of the whole system, including linear and rotary axes as well the tool itself. This was achieved by using a reference hemisphere, compensating the trajectory errors of the rotational axes. For the developed arrangement, the measurement uncertainty was investigated and several strategies for an in-situ-calibration of the additional axes are described. Finally, nanofabrication on large slopes is demonstrated.

Eine Planck-Waage ist eine einfach bedienbare und vergleichsweise kostengünstige Umsetzung des Kalibrierprinzips einer Kibblewaage. Zu diesem Zweck besteht das Gesamtsystem möglichst aus kommerziell verfügbaren Komponenten wie z.B. einer Wägezelle nach dem Prinzp der elektromagnetischen Kraftkompenastion. Diese dient sowohl der Aufnahme des Masseprüflings im Wägemodus, als auch zur Führung im Bewegungsmodus. Da Abweichungen vom Idealverhalten bezüglich Kraft- und Momentenaufnahme sowie der Bewegungstrajektorie großen Einfluss auf das Messergebnis haben, müssen diese analysiert und im Messprozess berücksichtigt werde

Die Erweiterung von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen (NPM-Maschinen) zu Fabrikationsmaschinen durch den Einsatz eines Femtosekundenlasers für die Umsetzung von direktem Laserschreiben mittels Zwei-Photonen-Absorption (2PA) ist ein vielversprechender Ansatz zur skalenübergreifenden metrologischen Fertigung im Bereich der lithografischen Techniken [23]. Dazu wurde zunächst ein Konzept zur Integration der Zwei-Photonen-Technologie in eine NPM-Maschine entwickelt und umgesetzt. Anschließend erfolgten eine Charakterisierung des Systems sowie gezielte Untersuchungen, um den Nachweis für die Synergie der beiden Techniken zu erbringen. Auf dieser Grundlage wurde ein neuer Ansatz zur Mikro- und Nanofabrikation mit hohem Durchsatz entwickelt und untersucht, welcher neue Möglichkeiten in der skalenübergreifenden, hochpräzisen Fertigung aufzeigt [5]. Dieser Mix-and-Match-Ansatz basiert auf einer Verbindung von 2PA-Laserschreiben mit Feldemissionslithografie zur Herstellung von Mastern für anschließende Nanoimprintlithografie. Nicht nur die Vorteile des großen Positionierbereichs der NMM-1 konnten herausgestellt werden, sondern auch die Vorteile, die sich durch die hochgenaue Positionierung ergeben. Eine systematische Reduzierung des Abstands zweier benachbarter Linien führte zu einer minimalen Stegbreite von unter 30 nm [15], was bei den kleinsten in der Literatur beschriebenen Distanzen zwischen zwei lasergeschriebenen Linien einzuordnen ist [3, 9, 19]. Die Center-to-Center-Distanz der Linien von etwa 1.695 [my]m bei einer numerischen Apertur von 0.16 und einer Wellenlänge von 801 nm beträgt nur etwa 56 % der für den Zweiphotonenprozess erweiterten Beugungsbegrenzung nach Rayleigh. Erstmalig konnte somit eine Stegbreite weit unterhalb der Beugungsbegrenzung mit herkömmlichem Zwei-Photonen-Laserschreiben in Positiv-Photolack realisiert werden.

This paper describes the experimental investigation of a new adjustment concept for planar monolithic high precision electromagnetic force compensated weighing cells. The concept allows to adjust the stiffness and the tilt sensitivity of the compliant mechanisms to an optimum. A new prototype mechanism is set up and adjusted according to the developed mechanical model. For evaluation of the concept, the system was tested on a high precision tilt table and under high vacuum conditions.

Carrier mobilities and concentrations were measured for different p- and n-type silicon materials in the temperature range 0.3-300 K. Simulations show that experimentally determined carrier mobilities are best described in this temperature range by Klaassen's model. Freeze-out reduces the carrier concentration with decreasing temperature. Freeze-out, however, depends on the dopant type and initial concentration. Semi-classical calculations are useful only for temperatures above 100 K. Otherwise quantum mechanical calculations are required.

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.

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.

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.

Standing wave interferometers (SWIs) show enormous potential for miniaturization because of their simple linear optical set-up, consisting only of a laser source, a measuring mirror and two standing wave sensors for obtaining quadrature signals. To reduce optical influences on the standing wave and avoid the need for an exact and long-term stable sensor-to-sensor distance, a single-sensor set-up was developed with a phase modulation by forced oscillation of the measuring mirror. When the correct modulation stroke is applied, the harmonics in the sensor signal can be used for obtaining quadrature signals for phase demodulation and direction discrimination.

Metrological stages such as the nano-positioning and nano-measurement machine (NPMM) can position single-digit nanometer accurately on centimeter working volumes. However, their measurement system requires a feedback to the arbitrary shaped specimen by another probe. The differential confocal microscopy (DCM) offers the possibility to have a sensitivity down to that single-digit nanometers but suffers from noise and aberration. Recently the principle of the LockIn filtering could be successfully adapted in DCM and therefore achieved a high SNR. Contrary to the there employed acoustically driven tunable GRIN lens (TAG lens) at the objective, we demonstrate a microelectromechanical system (MEMS), an AFM cantilever, as an ultrafast oscillating pinhole in front of the detector. Its first resonance at 96kHz makes it very competitive regarding acquisition speed, but the low oscillation amplitude lowers contrast. By principle inheriting the possibility to compensate a change in reflectivity, we present another advancement for the evaluation of the resulting differential signal to make it robust against sample induced systematic depth errors, e.g. a tilt-angle. This could be advantageous for DCM with static beam-paths, as well. Potentially, the highest improvement can be achieved in conjunction with the NPMMs highly accurate measurement interferometers, because the residual error for the depth of a specimen under the influence of varying aberration is kept below 20nm.

Although the field of optical lithography is highly investigated and numerous improvements are made, structure sizes smaller than 20 nm can only be achieved by considerable effort when using conventional technology. To cover the upcoming tasks in future lithography, enormous exertion is put into the development of alternative fabrication technologies in particular for micro- and nanotechnologies that are capable of measuring and patterning at the atomic scale in growing operating areas of several hundred square millimetres. Many new technologies resulted in this process, and are promising to overcome the current limitations^1, 2, but most of them are demonstrated in small areas of several square micrometers only, using state-of-the-art piezo stages or the like. At the Technische Universitat Ilmenau, the NanoFabrication Machine 100 (NFM-100) was developed, which serves as an important experimental platform for basic research in the field of scale-spanning AFM tip-based and laser-based nanomeasuring and nanofabrication for simultaneous subnanometre measuring and structuring on surfaces up to Ø100 mm. This machine can be equipped with several probing systems like AFM, laser focus probes and 3D-micro probes as well as tools for different nanofabrication technologies like tip-based technologies, optical technologies and mechanical two-dimensional technologies in a large working range with subnanometre reproducibility and uncertainty. In this paper, the specifics and advantages of the NFM-100 will be described as well as nanofabrication technologies that are currently worked on e.g. advanced scanning proximal probe lithography based on Fowler-Nordheim-electron-field emission, direct laser writing and UV-nanoimprint lithography.

Further improvements in high precision mass comparison are a recent issue in the dissemination chain of the mass standard. One of the most precise methods of mass comparison is achieved by the use of high precision electromagnetic force compensated (EMFC) weighing cells as part of mass comparators. The mechanics of EMFC weighing cells are based on compliant mechanisms with concentrated compliances in form of flexure hinges. Total mechanical stiffness and tilt sensitivity are limiting factors with regard to the resolution of EMFC weighing cells. In order to optimize their performance, the stiffness and the tilt sensitivity of the systems need to be minimized. Due to manufacturing restrictions and robustness requirements, a further reduction of the thickness of the pivots is not desirable. In this paper, an alternative to reduce stiffness and tilt sensitivity by adding trim weights in combination with an astasizing adjustment is presented. Based on the results of the investigations, a new planar monolithic mechanism for an EMFC weighing cell is designed, providing the possibility to adjust trim masses. The new mechanism is set up and adjusted according to the developed mechanical model. A parameter combination for a total stiffness slightly above zero and a tilt sensitivity close to zero is found. For the evaluation of the adjustment success and the vacuum compatibility, the system is tested under high vacuum conditions.

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.

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.

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.

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).

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.

In the context of measurement technology, optical methods have a number of unique features. These features include in particular the non-contact and high speed interaction with the object under test, the largely free scalability of the dimension of the probing tool, the high resolution of the data, the diversity of information channels in the light field, and the flexible adaptability of the comparative standard - the wavelength. On the other hand the user is confronted with a number of serious challenges. Two of the biggest challenges that currently attract high attention in both the technical as well as life sciences, relate to exceeding the physical limits of resolution and to improve the precision of the measurement. Therefore optical measurement methods are subject to constant improvement. The characteristics that give rise to improve the performance of the systems are obviously dependent on the purpose of the measurement and the object under test. But there are also general features that can be used to assess the performance of a measurement system. Here we refer to the spatial and temporal resolution, the area related resolution, the precision and trueness of the results, the robustness, the degree of automation, the process capability and the ability to work as close as possible to the process. In this contribution we describe the current challenges for measurement systems. Based on this we discuss general and application dependent features for the assessment of modern optical measurement systems. Afterwards, we describe measures to assess and to improve their performance. Finally, we show an advanced optical measurement system where several of these features were considered with regard to ensuring a high performance.

Für elektrische Entladungen, die bei niedrigen Spannungen von 20-40V und Strömen von 40-100mA nach der Öffnung eines elektrischen Kontaktes in explosiven Atmosphären auftreten, wurden erste spektroskopische Untersuchungen hinsichtlich der dabei entstehenden Temperatur durchgeführt. Diese Metalldampf-Entladungen, die ähnlich dem "kurzen Bogen" (short arc) sind, werden im international standardisierten Funkenprüfgerät gemäß IEC 60079-11 erzeugt, um die Eignung elektrischer Komponenten in explosionsgeschützten Bereichen zu beurteilen. - Die Temperatur ist bei diesen komplexen Zündvorgängen, die im Funkenprüfgerät auftreten, ein Schlüsselparameter. Einerseits ist die Temperatur der Kontaktmaterialien für die Beurteilung der zwingend erforderlichen Vorprozesse vor der Hauptentladung relevant, andererseits kann die Wirkung der Entladung durch die Elektronen-, Ionen und Gastemperatur charakterisiert werden. Dieser Artikel beschreibt den aktuellen Stand zur Temperaturmessung dieser elektrischen Entladungen, einschließlich der Herausforderungen, die dem genaueren Verständnis dieser Entladungsvorgänge und des thermochemischen Zündprozesses dienen sollen. Für Entladungen mit 30V und 100mA unter den genannten Rahmenbedingungen wurden Anregungstemperaturen im Bereich von 3500-5000K gemessen und berechnet.

Tiltmeters with nanorad resolution in a large measurement range of ±9 mrad (±0.5˚) 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.

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 Beitrag beschreibt die Entwicklung eines Tiltmeters zur hochpräzisen Neigungsmessung. Die Auflösung liegt bei < 1 nrad wobei der Messbereich ±2 mrad beträgt. Mit einem Tiltmeter wird der Winkel zwischen dem Vektor der Erdbeschleunigung (Lotrichtung) und dem Normalenvektor der zu messenden Ebene bestimmt (Neigungsmessung). Neigungsmessungen mit Nanorad Auflösung sind unter anderem im Bereich der Geophysik, Geodäsie und der Präzisions-Kraftmess- und Wägetechnik von Bedeutung. Im Stand der Technik sind verschieden Prinzipe zur Neigungsmessung beschrieben. Die bekanntesten verwenden mechanische Pendel, Gasblasen oder Flüssigkeitshorizonte als Neigungsreferenz. Hochauflösende miniaturisierte Pendel-Tiltmeter mit kapazitiver Wegmessung werden von der Firma Lippmann Geophysikalische Messgeräte (LGM) produziert und erreichen Auflösungen von 1 nrad in Messbereichen von 0,5 - 2 mrad. Ein Nachteil ist, dass diese aus vergleichsweise vielen Bauteilen mit entsprechend vielen Klemm-, Klebe- und Schraubverbindungen bestehen. 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. Die damit theoretisch erreichbare Standardabweichung der Neigungsmessung von ˜ 0,6 nrad bei 10 Hz Bandbreite wurde in Messungen mit dem neuen Tiltmeter nachgewiesen. Der Messbereich des neuen monolithischen Tiltmeters beträgt ˜ ± 2 mrad. Durch die monolithische Bauweise wird eine sehr hohe Langzeitstabilität sowie eine reproduzierbare und einfache Fertigung und Justage angestrebt.

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.

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.

To reduce uncertainty of calibrations of contact thermometers using dry block calibrators, a concept was developed at Institute for Process Measurement and Sensor Technology of Technische Universität Ilmenau. This concept uses a multi-zone heating, heat flux sensors and a multiple fixed-point cell. The paper shows the concept and its validation on the basis of a dry block calibrator with a working temperature range of 70 &ring;C to 430 &ring;C. The experimental results show a stability of ±4mK for the reference temperature and axial temperature differences in the normalization block less than ±55mK.

The main objective of the paper is to propose a new possible design process for controllers in electromagnetic force compensated balances (EMFC). Controllers used in EMFC balances demand a high precision of the measured and generated electrical quantities. Regarding to the achievable uncertainty in static measurements, EMFC balances are state of the art, but in future applications the importance of dynamic applications will probably increase. Therefore the controlled system should possess a high measurement bandwidth to reduce the measurement time in dynamic applications. A design process will be presented, which is strongly focused on the disturbance transfer function of the control loop. Based on the consideration of these additional system characteristics in the controller design process, the measurement time of the balance is reduced significantly compared to conventional PID controllers.

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.

The article deals with the modeling of tubular polymer optical fibers. These occur in the patented optical electrical conductor combination system as light-conducting wrapping of an electrical cord and serve as a novel tool for the detection of arc faults. The wrapping represents a tubular step index waveguide consisting of 3 polymer layers an inner and an outer cladding as well as a light guiding core layer. To optimize the properties of the fiber, in particular the layer thicknesses, the influence of damping mechanisms caused by bending, core-cladding surface roughness and volume scattering losses are investigated and put into a model which is simple and flexible to parameterize. In doing so, the most difficult part turns out to be the modeling of survace-scattering at the core-cladding interface. In this paper the developed model is described and corresponding results are shown using the example of a silicone-FEP material combination.

Bei der Messung mit Berührungsthermometern treten statische und dynamische thermische Messabweichungen auf. Der Wert und der zeitliche Verlauf dieser Abweichungen werden u.a. beeinflusst durch Wärmetransportvorgänge im Thermometer sowie des Thermometers mit der Umgebung und dem zu messenden Medium. Zusätzlich wirken sich die Abweichungen durch Einflussgrößen auf die primäre Abbildungsgröße der Temperatur (z.B. Widerstand, Thermospannung) und weitere Störgrößen in der Messkette auf den Messwert aus. Während die Messunsicherheit bei der Bestimmung der statisch-thermischen Messabweichung immer eine große Rolle gespielt hat, wird sie bei der Ermittlung der dynamischen Kennwerte kaum betrachtet. Im Beitrag werden die Einflussfaktoren, die sich auf die dynamischen Kennwerte der Berührungsthermometer auswirken, am Beispiel eines Widerstandsthermometers näher beleuchtet.

In der Präzisionsmesstechnik steht allgemein die Anforderung der schnellen Messung im Konflikt mit einem sehr hohen Auflösungsvermögen und einer sehr kleinen Messunsicherheit. Insbesondere eichfähige Messsysteme fordern die Einhaltung der entsprechenden Regularien, wie beispielsweise das Eichgesetz und die Richtlinien der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Derartige messtechnische Systeme benötigen für ihre Funktionen eine komplexe und hochleistungsfähige Informationsverarbeitung, die zertifiziert werden muss. Bei der systematischen Entwicklung von Messgeräten wird ein Nachweis benötigt, dass die geforderte Messunsicherheit des jeweiligen Verfahrens gewährleistet werden kann. Für diese Zwecke wird in dem vorliegenden Beitrag eine zusätzliche und spezielle Anforderung an die metrologische Sicherheit formuliert. Die entwickelten Funktionen zur Unterstützung der metrologischen Sicherheit und die zusätzlichen Maßnahmen zur Manipulationssicherheit sollen die Eichfähigkeit sowie die Einhaltung der Standards, Vorschriften und Richtlinien bereits in den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses sicherstellen.

The progress of our tiltmeter, which bases on force compensating weigh cells (EMFC) is discussed in this paper. Currently a resolution of ˜ 1 nrad at a range of ± 9 mrad, a linearity of < 0.25*10-3 and a cross error of the axes of < ± 22 ppm is achieved. Long term measurements of earth tide related tilts demonstrate the ability to resolve tilts with very small frequencies (1 - 2 d-1). Prospectively it will be applied to measure and control tilting of measurement basements and tables.

This paper discusses the determination of spring constants of AFM-cantilevers using a force displacement measurement device based on electromagnetic force compensated (EMFC) load cells. The EMFC load cell was modified to utilize it as a combined displacement and force measurement device enabling the possibility to determine the spring constant of AFM-cantilevers with one sensor without the need of an additional displacement setting stage. The paper focuses on the determination of spring constants and the determination of the measurement uncertainty, which is down to 2.75 %.

Multi-Component Force-/Torque Transducers are used in applications where the direction of the force- and torque vectors as well as their magnitude are unknown and time-dependent such as robotics, flow measurement or nondestructive testing. In contrast to the measurement task the calibration of those Sensors is only done statically in most cases. When the measurands are getting closer to the sensors resonance frequency, the usage of static calibration factors leads to deviations in the measurement. A dynamic calibration can be used to identify the frequency responses of the sensor and is the basis for designing an appropriate filter that compensates these deviations. In this paper the dynamic properties of a multi-component force-/torque transducer are investigated using a calibration system based on a voice-coil actuator which allows the application of force with different waveforms. The results of the measurements are compared with results of FEM calculations and results of a static calibration and a compensation filter is designed.

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.

Zur Charakterisierung optischer und taktiler Asphären-Messgeräte sind Oberflächen notwendig, deren Formen weitestgehend bekannt sind. Dazu werden zum einen Normale mit typischen asphärischen Oberflächenanteilen verwendet. Zur Charakterisierung wichtiger Eigenschaften der Messgeräte werden Normale mit zusätzlichen Formanteilen benötigt.

Im Gegensatz zu relativ messenden interferenzoptischen Messverfahren (z.B. Planspiegelinterferometer), bietet die Weißlichtinterferometrie den Vorteil, absolute Strecken in einem optischen System messen zu können. Die zu messenden Strecken werden durch sich gegenüberstehende Spiegelelemente realisiert, welche sich innerhalb eines sogenannten Tandeminterferometers befinden. Dieses wird aus zwei sequentiell angeordneten Michelson-Interferometern aufgebaut. Während zunächst ein Gangunterschied zwischen zwei Wellenfronten eines aufgeteilten Lichtstrahls erzeugt wird, so kompensiert ein zweites Interferometersegment diesen Gangunterschied wieder. Das Resultat ist die Erzeugung einer Signatur, die sich ortsgebunden digital erfassen und auswerten lässt. Auf diese Weise können Ortsmarken für die absolute Längenmessung definiert werden. Um die Intensitätsverluste im Interferometer zu minimieren, wurde am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der Aufbau eines Tandeminterferometers mit breitbandig-polarisationsoptischen Bauelementen realisiert und untersucht. Die gesteigerte optische Effizienz im Interferometeraufbau erleichtert die Auswahl einer geeigneten Weißlichtquelle.

An interferometer-based metrological scanning probe microscope (SPM) is successfully integrated into our nanopositioning and nanomeasuring machine (NPM machine) for high-precision measurements with nanometre uncertainty over a range of 25 mm × 25 mm × 5 mm. Both devices were developed at the Institute of Process Measurement and Sensor Technology of Ilmenau University of Technology, Germany. Outstanding results were achieved for different measurement tasks. With the NPM machine, truly long-range and long-term measurements are possible. Due to the tip wear, an automatic SPM cantilever replacement is preferable. Such a tip replacement is also required for the integration of multifunctional nanoanalytics. For example, for Kelvin probe force microscopy (KPFM), the measurement of topography and surface potential with different SPM tips is necessary. For this purpose, an electromagnetic tip changer was designed. The tip changer comprises three SPM probes. In order to retrieve the previous tip positions, additional fiducial marks were developed. The repeatability of relocation is less than 10 nm. The automatic tip changer and fiducial marks are integrated into a sample holder. The tip changer in combination with fiducial marks allows scanning distances three times longer (with the same type of SPM probes) and multifunctional nanoanalytics (with different SPM probes with special properties). Sample KPFM measurements are demonstrated. The developed tip changer, including special fiducial marks, improves the performance and functionality of the NPM machine crucially.

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.

The metrological validation of high precision 3D-measurement instruments demands an effective modeling of the systems. Vectorial descriptions of the measuring circuits are very suitable for analyzing the capability and for modeling uncertainty budgets. To keep the measurement uncertainty in the lower nanometer range, it is necessary to use error reduced metrological design structures. This means, short measurement circuits, separated from the stage system and avoiding Abbe errors. In high precision Nanopositioning and Nanomeasuring Machines (NPMM) these requirements are fulfilled [1]. This paper shows the structures and the application of vectorial metrological modeling for multiaxis precision measuring systems.

Temperature sensors used in emission systems of combustion engines must register enormous temperature differences within the shortest periods of time. This serves to protect the engine parts with respect to their temperature stability and to govern the energy efficient functioning of the engine. Numerical calculations according to the Finite Elements Method are used to estimate static-thermal measurement errors and dynamic characteristics primarily concerning medium specificity and construction of the temperature sensors. Prediction models are used to correct the dynamic behaviour and to predict the medium temperature faster accurately.

This paper discusses the traceable determination of mechanical parameters of monolithic binocular shaped dual beam spring elements that are applied as force transducers and load cells in the mass and force metrology. Thereby it mainly deals with the measurement fo the specific values creeping, reversibility, reproducibility, zero error and interpolation error which are defined in applicable regulations such as the EN ISO 376 standard or the OIML recommendation R 60. Our determination of those parameters is based on an interferometric deformation measurement of a loaded binocular shaped dual beam spring element which is made of the common aluminium alloy AW 2024. Generally there is no restriction on the spring element material. The parameters mentioned above are derived from the measured interferometer signal according to the END ISO 376 standard and are thus traceable to the wavelength of light. The used measurement setup is introduced, measurements of the mentioned parameters are presented and their uncertainty is depicted. It is proved that the setup is suitable to classify dual beam spring elements according to the highest accuracy Class 00 of ENd ISO 376.

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.

This publication deals with the practical challenge of describing impurity-related temperature deviations using the Sum of Individual Estimates approach (SIE). For this, the SIE is applied to miniaturised fixed-point cells (MFPC) filled with high-purity zinc. This includes comparative analyses by glow discharge mass spectroscopy (GD-MS) as well as mass spectroscopy with inductive coupled plasma (ICP-MS) to quantize the impurity concentrations in zinc. Furthermore, the element-specific, concentration-dependent temperature deviations are presented for the fixed-point material zinc. For this, binary phase diagrams, thermal calculations as well as experimental data were analysed to extract the according sensitivity coefficients. Beside this, results from SIE analyses of MFPCs are presented and their uncertainties are compared. In this connection, practical limits of SIE methods are also identified and discussed.

In mass and force metrology the measurement of deformations of characteristically shaped bodies, so called deformation bodies, is a common principle to determine forces. Thereto the proportionality of the acting force F and the generated deformation v or strain e is used (e.g. in strain gage based transducers). The resulting strain and deformation is inversely proportional to the Young's modulus of the deformation body. However, the Young's modulus and thus the strain and the deflection are not constant. It is mainly dependent on the loading time and the temperature. - This paper discusses the usability of monolithic binocular shaped deformation bodies for a high precision determination of the effect of delayed elasticity v(t) at a constant load. Besides this the determination of the Young's modulus E0 and its temperature coefficient E0(T) is depicted. - Our determination of those parameters is based on an interferometric deformation measurement. Therefore one side of the deformation body is firmly clamped in a fixture. To the other side a defined and constant load F is applied to generate the spontaneous deformation v0. Due to the effect of delayed elasticity the spontaneous deformation v0 is followed by a time dependent deformation at a constant load v(t). The vertical force F is generated loading a defined mass m. Hence, the determined parameters are metrologically traceable to the wavelength of the light and the mass. In our experiments the resolution of v is 0.1 nm. The relative resolution v(t)/v0 is depending on the stiffness of the applied deformation body and is typically in the range of 1.10-6. - Based on different designs the influence of the fixture and the force application system is discussed. In the final realization no influence of the setup on the v(t) curves can be observed. An excellent suitability of binocular shaped deformation bodies and the chosen measurement setup for a high precision determination of the delayed elasticity is shown based on v(t)-measurements of a monolithic deformation body made of aluminum. Furthermore a determination of the spontaneous deflection v0 of a silicon deformation body is compared to a numerical computed deformation to prove the suitability of the setup for the Young's modulus determination.

Nanopositioning and Nanomeasuring Machines are devices used for coodinate measurement and object manipulation in cm-ranges with nanometer precision. To decelerate a value for the position- or measurement uncertainty a 3D metrological model is necessary. The structure of such models depends on the arrangement of the machine parts in the measurement circles. The paper describes several model structures in vectorial form.

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.

With growing requirements to achieve an ever better precision in the metal-working industry, novel high-precision measuring techniques need to be developed. Especially in the automobile industry, for example ring gauges presenting a roundness deviation of < 0.1 mm are required. Thus, measuring uncertainties in the 10 nm-range are highly desirable when producing such ring gauges. The measuring set-up has to meet highest metrological demands, and error sources have to be minimized or even avoided. In addition, measuring and testing shall be carried out at an ever higher speed.

A new triple-fixed-point blackbody containing the fixed-point materials aluminum (freezing point 660.323&ayn;C), zinc (FP 419.527&ayn;C), and tin (FP 231.928&ayn;C) in one device has been developed at the Ilmenau University of Technology. It enables calibration of a radiation thermometer with direct reference to the ITS-90 at three fixed points after a single adjustment of the calibration object. The setup significantly reduces the technical effort and the time for the calibration procedure. Measurements of the phase-transition temperature and the time-dependent blackbody temperature made with a transfer radiation thermometer, the Linearpyrometer LP5 of the IKE Stuttgart, are presented in the article.

An der TU Ilmenau wurden in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe "Angewandte Thermometrie" der PTB numerische Berechnungen zur Optimierung der Bauformen von Fixpunktzellen unterschiedlicher Größe durchgeführt. Diese Zellen werden eingesetzt, um den Einfluss von Verunreinigungen auf die Phasengleichgewichtstemperaturen von Reinstmetallen gezielt zu untersuchen. Es wurden Miniaturfixpunktzellen entwickelt, die zur Bestimmung der Phasengleichgewichtstemperaturen mit Mantelwiderstandsthermometern geeignet sind. Erste Modelle zur Optimierung der an der PTB verwendeten Fixpunktzellen wurden erstellt und überprüft.

Using integrated miniature fixed-point cells, a measuring uncertainty of < 1 K can be reached under operating conditions in the superheated steam range of power plants by a periodic recalibration of the thermocouples, with operating times of > 20000 h and also in other applications. The fixed-point materials used for a temperature range from 300 &ring;C to 650 &ring;C are technically pure metals and binary alloys.

Mit integrierten Miniaturfixpunktzellen kann durch Rekalibrierung von Thermoelementen unter Betriebsbedingungen eine Messunsicherheit < 1K im Heißdampfbereich (500-650&ayn;C) von Kraftwerken bei Einsatzzeiten > 20.000h erreicht werden. Als Fixpunktmaterialien werden Reinstmetalle und binäre Legierungen verwendet. Aufbau und Wirkungsweise des Messsystems sowie Einsatzerfahrungen in verschiedenen Kraftwerken werden vorgestellt.

Die Temperaturen von Festkörperoberflächen werden häufig mit Hilfe von Antast-Oberflächentemperatur-fühlern (kurz Taster) und zugehörigen Auswertegeräten ermittelt. Vorteile dieser berührenden Messmethode sind einfache Anwendbarkeit, schnelle Gewinnung von Messwerten ohne aufwendige Messstellenpräparation und geringe Kosten. Entscheidender Nachteil der Tastermessung ist die in der Messanordnung begründete thermische Belastung der Kontaktstelle Oberfläche-Taster und die Wärmeableitung über den Taster an die Umgebung. Das messtechnische Ziel, den Tastersensor mit der zu messenden Temperatur der ungestörten Oberfläche in Übereinstimmung zu bringen, ist zwar prinzipiell möglich, aber in der Regel nicht gegeben.

The paper is concerned with beam waveguide-couled miniaturized Interferometers used for precision distance measurement. Those Interferometers are manufactured by appling conventional optics technologies. An error analysis shows the possibilities and Limits of laser interferometric measuring methods. There are explained the structure, operating mode and fields of application of three different laser interferometric precision measuring instruments.

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 optiization and the approach can be interpreted as a kind of reverse Chebyshev approxiamtion (see also Preprint M08/94 from 22-6-94 of the Institute of Mathematics of TU Ilmenau)