Dynamik und Regelung von MEMS und NEMS
Kurzbeschreibung
Das Fachgebiet Mechatronik forscht im Bereich der „Scanning Probe Microscopy“ (SPM, auch Atomic Force Microscopy AFM), einem Verfahren zur Mikroskopie mit Auflösungen im Subnanometerbereich, [7]. Im Fokus steht eine Anordnung paralleler, schwingender Mikrobalken, ein sogenanntes Mikrobalken-Array (Cantilever Arrays), wie es in Abbildung 1 (a) skizziert ist. Forschungsziel ist es, einen Scanprozess mit Mikrobalken-Array bei gesteigerter Bildrate und Auflösung ohne Kontakt zwischen den Balken und der Probenoberfläche (Non-Contact Mode) zu realisieren. Basis hierfür ist ein umfassendes Verständnis zum nichtlinearen, gekoppelten Schwingungsverhalten von Mikrobalken-Arrays in Verbindung mit den zu untersuchenden Proben. Das Forschungsthema wird in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern bearbeitet.
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Stand der Forschung
Aufgrund der Komplexität des Systems im Scanprozess, ist das Systemverhalten der Mikrobalken eines Arrays aktuell weder gänzlich verstanden noch ist ein stabiler Prozess eines Arrays ohne Kontakt zwischen den Mikrobalken und der Probenoberfläche möglich. Die Nutzung von Arrays birgt jedoch eine deutliche Steigerung der zu untersuchenden Fläche und ermöglicht somit hohe Bildraten für großflächige Proben im mm Bereich.
Aktuell sind hauptsächlich SPM Systeme mit einem Mikrobalken kommerziell erhältlich, wogegen Mikrobalken-Arrays für SPM Gegenstand der Forschung und nicht kommerziell einsetzbar sind.
Ziel und Lösungsansatz
Ziel unserer Forschung ist die Regelung eines Arrays ohne Kontakt zwischen den einzelnen Balken und der Probe, bei gleichzeitiger Steigerung der örtlichen Auflösung. Dabei wird eine möglichst einfache Bedienung des SPM-Systems durch den Benutzer sowie eine einfache Ansteuerung des Arrays angestrebt.
Unser Lösungsansatz zum Erreichen dieses Ziels basiert auf einer Modellbildung des betrachteten Arrays (Abbildung 2), unter Berücksichtigung dessen spezifischen Eigenschaften (integrierte Sensorik und Aktorik, Kompositstruktur, veränderliche Querschnittsfläche). Das gewonnene Systemverständnis aus der Analyse der nichtlinearen, gekoppelten Dynamik des Arraysmodells und dessen experimentellen Validierung dient als Grundlage für die Beobachtung der Spitzenbewegung der einzelnen Mikrobalken, der gezielten Nutzung auftretender Nichtlinearitäten zur Auflösungssteigerung sowie der Auslegung einer Trajektorienplanung, welche dem entwickelten Regler überlagert ist. Die identifizierten Kopplungen innerhalb des Arrays werden im Rahmen der Vereinfachung der Ansteuerung genutzt.
Eine detaillierte Beschreibung des Modells und bisheriger analytischer und experimenteller Ergebnisse sind in den Veröffentlichungen auf den folgenden Seiten zu finden:FG Mechatronik, FG Mikro- und nanoelektronische Systeme, Dr. Gutschmidt und unter Publikationen.
Kooperationspartner
Erläuterungen
Abbildung 1 (a) zeigt einen prinzipiellen Ablauf zur SPM mit einem Array, mit den folgenden Punkten:
Dabei spielen verschiedene Bereiche zusammen. Zum einen muss die Probe in großen Bewegungsbereichen nanometergenau positioniert werden. Beispiel eines solchen Systems ist die Nanopositionier- und Messmaschine der TU Ilmenau. Das Fachgebiet Mechatronik arbeitet dabei im Bereich magnetischer Nanopositioniersysteme für große Bewegungsbereiche.
Um die Probe vermessen zu können, wird das Array von einer weiteren Positioniereinheit in einer scannenden Bewegung über die Oberfläche bewegt. Neben hohen Genauigkeitsanforderungen sind eine hohe Dynamik und Bandbreite nötig, um eine hohe Bildrate zu erreichen. Das Fachgebiet Mechatronik arbeitet in diesem Bereich an piezoelektrischen Positioniersystemen.
Darüber hinaus ist es wichtig, geeignete Trajektorien zu berechnen, welche ein Maximum an Scangeschwindigkeit erzielen. Dabei sind zum Einen die auftretenden Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen des Positionierers zur Scanbewegung zu minimieren. Zum anderen soll über eine gezielte Änderung der Scangeschwindigkeit die Bildqualität erhöht werden. Dabei werden z.B. Bereiche mit großen Topographieänderungen bei geringeren Geschwindigkeiten vermessen.
Zentrales Element des SPM Prozesses ist das Mirkobalken-Array. Abbildung 2 (a) zeigt ein solches Array, welches von der Gruppe um Prof. Rangelow an der TU Ilmenau hergestellt wurde [8]. Jeder Mikrobalken des Arrays verfügt über einen integrierten Sensor und Aktor und kann somit unabhängig geregelt werden. Die Struktur eines Mikrobalkens innerhalb eines Arrays ist in Abbildung 2 (b) gezeigt, mit thermischem Aktor (rot), piezoresistivem Sensor (grün) und leitfähiger Lithographiespitze (blau). Die Erregung des Mikrobalkens basiert auf dem Bimetalleffekt, wobei ein Wärmeeintrag durch den Aktor zu einer Auslenkung des Balkens führt, aufgrund des schichtweisen Balkenaufbaus aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Somit kann jeder Mikrobalken mit einem konstanten Aktorstrom statisch ausgelenkt, bei einem Wechselstrom in Schwingung versetzt werden. Die aus der Auslenkung des Balkens resultierende mechanische Spannung im Balken wird über die piezoresistiven Widerstände gemessen. Eine Vollbrückenanordnung auf jedem Balken dient dabei der Temperaturkompensation.
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Vorteil dieses Arraykonzepts gegenüber kommerziell erhältlichen Systemen (nur Einzelbalken) ist dessen einfache Herstellung und Skalierbarkeit, der Wegfall optischer Komponenten zur Auslenkungsmessung sowie die Möglichkeit einer individuellen Regelung der einzelnen Balken eines Arrays. Bei optischer Auslenkungsmessung müsste jeder Balken separat gemessen werden, welches hohe Anforderungen an die optische Ausrichtung mit sich bringt. Zusätzlich müssen die optischen Komponenten im Scanprozess bewegt werden.
Publikationen
2016
2015
2014
2012
2011
2010
Referenzen