Prof. Dr. Eberhard Manske
Leiter des FG Fertigungs- und Präzisionsmesstechnik, Institutsleiter PMS
69-1250, -5050
Nachhaltigkeit
Mit 17 globalen Zielen deckt die Agenda 2030 eine Vielzahl von Themen ab. Handlungsfelder sind beispielsweise der verstärkte Einsatz für Frieden und Rechtsstaatlichkeit, die Bekämpfung von Korruption, aber auch hochwertige Bildung oder der Schutz unseres Klimas und unserer Ressourcen. An der TU Ilmenau wurde das Themenjahr 2023 „Nachhaltigkeit“ gestartet, an dem sich auch unser Institut mit Projekten beteiligt.
Jeder Produktionsschritt soll nachhaltig optimal ablaufen und die Ausschussquote minimiert werden. Genau hierfür ist eine präzise und zuverlässige Messtechnik erforderlich.
Folgende Forschungsthemen unseres Instituts fördern besonders eine nachhaltige Produktion:
Durch den stetigen Fortschritt im Bereich der Nanotechnologie mit immer kleineren Strukturen ist in den letzten Jahrzehnten der Bedarf entstanden, kleinste Strukturen zu erfassen, zu vermessen und zu manipulieren. Dafür stehen bereits seit den 1980ern hochauflösende Verfahren zur Verfügung (STM, AFM), die jedoch üblicherweise nur auf sehr kleinen Flächen angewendet werden können und die nur unter einem hohen Aufwand metrologisch rückführbare Messungen erlauben. Um auch große Messobjekte mit Nanometerauflösung vermessen zu können, wurde daher am IPMS die Nanomessmaschine NMM-1 entwickelt. Diese bietet einen bis dahin unerreichten Messbereich von 25 mm x 25 mm x 5 mm bei einer Auflösung von 0,1nm.
Besonderheit aller Nanomessmaschinen des IPMS ist die Anordnung der Miniaturinterferometern zur Längenmessung. Deren Messachsen schneiden sich virtuell im Berührungspunkt des Antastsensors mit dem Messobjekt, was in allen drei Koordinatenachsen eine abbefehlerfreie Messung gewährleistet.
Die NMM-1 kann für vielfältige Messaufgaben verwendet werden, dazu gehören beispielsweise
die Positionierung, Manipulation, Bearbeitung und Messung von Objekten der Mikroelektronik, der Mikromechanik, der Optik, der Molekularbiologie und der Mikrosystemtechnik
die Messung von Präzisionsteilen Membranen und Mikrolinsen
die Kalibrierung von Stufenhöhennormalen und Pitch-Standards
Literatur:
Jäger, G.; Manske, E.; Hausotte, T. & Büchner, H.-J.: Nanomessmaschine zur abbefehlerfreien Koordinatenmessung (Nano Measuring Machine for Zero Abbe Offset Coordinate-measuring) In: tm Technisches Messen Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik, 2000, 67, 319
Manske, E.; Theska, R. & Schott, W.: Nanopositionier-und Nanomessmaschinen-universelle skalenübergreifende Werkzeuge für die Mikro-Nano-Integration In: GMM-Fachbericht-Mikro-Nano-Integration, VDE VERLAG GmbH, 2010
Füßl, R., Manske,E.: Metrologie und Messunsicherheit von Nanopositionier-und Nanomessmaschinen In: Sensoren und Messsysteme 2010, VDE VERLAG GmbH, 2010
Jäger, G.; Manske, E.; Hausotte, T. & Büchner, H.-J.: The Metrological Basis and Operation of Nanopositioning and Nanomeasuring Machine NMM-1, Metrologische Grundlagen und Wirkungsweise der Nanopositionier-und Messmaschine NMM-1 In: tm-Technisches Messen Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik, 2009, 76, 227-234
Manske, E.; Hausotte, T.; Mastylo, R.; Machleidt, T.; Franke, K. & Jäger, G.: New applications of the nanopositioning and nanomeasuring machine by using advanced tactile and non-tactile probes
Im Gegensatz zu den kontinuierlichen He-Ne-Laserquellen handelt es sich bei einem optischen Frequenzkamm (OFC) um einen modengekoppelten Pulslaser, typischerweise auf Basis von Faserlasern, der auf eine hochstabile Referenz im optischen oder im Radiofrequenzbereich (z.B. Atomuhr oder Wasserstoff-Maser) stabilisiert werden kann. Die kommerzielle Verfügbarkeit der Frequenzkammtechnologie hat in den letzten Jahren neue Möglichkeiten bei der Rückführung der Wellenlänge auf die Meter-Definition eröffnet. Die Nutzung dieser Technologie ermöglicht nicht nur hochgenaue Frequenzmessungen über einen breiten Wellenlängenbereich sondern bietet auch das Potential einer direkten Ankopplung der Laserfrequenz an das Sekundennormal einer Atomuhr. Damit kann die Stabilität des Zeitgebers (z. B. Atomuhr über einen GPS disziplinierten Oszillator (GPSDO) mit einer relativen Frequenzstabilität im Bereich von 10-12 ) mittels des Frequenzkammes auf einen He-Ne-Gaslaser übertragen werden.
Das Ziel des Forschungsvorhabens „Metrobase“, gefördert durch die Carl-Zeiss-Stiftung, besteht deshalb in der Schaffung einer neuen metrologischen Basis, mit der die derzeitige Messunsicherheit der Laserinterferometer der Nanomessmaschinen um bis zu drei Größenordnungen verringert werden. Dies soll durch die Installation der Frequenzkamm-Technologie an der TU Ilmenau erreicht werden. Dabei soll eine direkte Ankopplung der Helium-Neon-Laser der NPMM-200 an den optischen Frequenzkamm realisiert und somit eine neue Qualität in der Rückführbarkeit der Längeneinheit erreicht werden. Die Verbindung aus Frequenzkamm-Technologie und Nanopositioniertechnik wird insgesamt zu einem höheren Niveau im Bereich der dimensionellen Messtechnik an der TU Ilmenau führen und neuartige Konzepte zur Kopplung von Frequenzkamm- und Nanomesstechnik erschließen.
Literatur:
S. Cundiff, T. Steven, J. Ye, Colloquium: Femtosecond optical frequency combs. Reviews of Modern Physics, 2003, 75. Jg., Nr. 1, S.
S. Schilt, et al: Noise properties of an optical frequency comb from a SESAM-mode-locked 1.5-μm solid-state laser stabilized to the 10− 13 level. Applied Physics B, 2012, 109. Jg., Nr. 3, S. 391-402.
P. Köchert, U. Blumröder, E. Manske: Ultrastable metrology laser at 633 nm using an optical frequency comb. In: Optical Micro-and Nanometrology VII. International Society for Optics and Photonics, 2018. S. 106780S.
Manske, E., et al: Progress of nanopositioning and nanomeasuring machines for cross-scale measurement with sub-nanometre precision. Measurement Science and Technology, 2020, 31. Jg., Nr. 8, S. 085005
Seit mehr als 40 Jahren wird am Institut Präzisionsmesstechnik unter maßgeblicher Leitung der Professoren G. Jäger und E. Manske an der Entwicklung fasergekoppelter Interferometer geforscht. Dabei erfolgt sowohl die Versorgung der Interferometer mit Laserlicht, als auch die Abtastung der Interferogramme mittels Glasfaser. Auf diese Weise wird nur eine minimale Leistung in die Messumgebung übertragen. Gleichzeitig gibt es nahezu keine Beeinträchtigung der Messung durch externe elektromagnetische Felder. Für eine faseroptische Abtastung der Interferogramme ist die Erzeugung von Interferenzstreifenmustern erforderlich. Dafür wird eine der sich überlagernden Wellenfronten im millirad Bereich geneigt. Technisch wird dies durch die spezielle geometrische Gestaltung der optischen Grenzflächen umgesetzt. Alternativ zur Faserabtastung ist eine hochauflösende Abtastung der Interferenzbilder unter Verwendung von Matrix- oder Zeilenkameras möglich. Durch algorithmische Auswertung sind damit Messwegauflösungen und Reproduzierbarkeiten im Bereich weniger Femtometer möglich. Derzeitige Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit der Entwicklung von Miniaturinterferometern die modular aufgebaut sind und bei denen die Funktionalität durch eine minimale Zahl optischer Bauteile erreicht wird. Dafür werden modernste Verfahren der optischen Bauteilherstellung genutzt.
ari
Seit der Neudefinition im Mai 2019 wird die Einheit der Masse, das Kilogramm auf die Planckkonstante zurückgeführt. In einem gemeinsamen Projekt des Instituts für Prozessmess- und Sensortechnik und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt wurde eine Waage entwickelt, die für Massebestimmungen gemäß der neuen Definition eingesetzt werden kann.
Die sogenannte Planck-Waage soll in einem Wägebereich von 1 mg bis 1 kg Unsicherheiten vergleichbar zu Gewichten der Klasse E1 nach OIML R111 erreichen. Durch ihren kompakten Aufbau und den im Vergleich zu herkömmlichen Kibblewaagen geringen Preis ist sie insbesondere für industrielle Anwendungen interessant.
Literatur
Rothleitner, C., Schleichert, J. et al., The Planck-Balance—using a fixed value of the Planck constant to calibrate E1/E2-weights, Measurement Science and Technology, vol. 29, no. 7, 2018, p. 074003.
C. Rothleitner, J. Schleichert, S. Vasilyan, N. Rogge, L. Günther, F. Hilbrunner, I. Rahneberg, D. Knopf, T. Fröhlich, F. Härtig. First Results Using the Planck-Balance. In 2018 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018), IEEE, 8-13 July 2018, DOI: 10.1109/CPEM.2018.8500904
Fröhlich, T., Rogge, N., Vasilyan, S., Rothleitner, C., Günther, L., Lin, S., Hilbrunner, F., Knopf, D., Härtig, F., & Marangoni, R. (2020). Neue Wege zur Kalibrierung von E2-Massenormalen und Darstellung von Kräften bis 10 N, tm - Technisches Messen, 87(4), 280-293. doi: https://doi.org/10.1515/teme-2019-0143
S. Lin, C. Rothleitner, N. Rogge, T. Fröhlich. Influences on amplitude estimation using three-parameter sine fitting algorithm in the velocity mode of the Planck-Balance. Acta IMEKO. September 2020, Volume 9, Number 3, 40-46. ISSN: 2221-870X. doi: dx.doi.org/10.21014/acta_imeko.v9i3.781
In einem gemeinsamen Projekt des Instituts für Prozessmess- und Sensortechnik und der Sartorius AG wurde ein 1 kg-Komparator für die Weitergabe der Masseneinheit entwickelt, womit eine bisher nicht erreichte Präzision - eine Standardabweichung von weniger als 50 ng im Vakuum - nachgewiesen werden konnte. Im „Avogadroprojekt“ zur Darstellung der Masseeinheit wird eine Silizium-Kugel an das Urkilogramm angeschlossen und damit die Avogadrokonstante bestimmt. Erstmals konnten mittels des hochgenauen 1kg-Prototypkomparators sowohl Kugeln als auch Zylinder wägetechnisch höchstpräzise vermessen werden. Seit der Neudefinition des Internationalen Einheitensystems (SI) im Jahr 2019 ist das Kilogramm durch die Planck-Konstante „h“ definiert.
Literatur
Schreiber, M., et al. “Quantification of free convection effects on 1 kg mass standards.” Metrologia, 2015, 52. Jg., Nr. 6, S. 835.
Fehling, T., Fröhlich T. Heydenbluth, D., “Design and Performance of the New Sartorius 1kg-Prototype Mass Comparator for High Precision Mass Determination and Research Applications.” In: Transverse Disciplines in Metrology: Proceedings of the 13th International Metrology Congress, 2007—Lille, France. London, UK: ISTE, 2009. S. 657-668.
Fehling, T., Fröhlich T. Heydenbluth, D., “Design and performance of the new Sartorius robot-system.” In: Proceedings of the 20th TC3, 3rd TC16 and 1st TC22 international conference cultivating metrological knowledge, IMEKO. 2007. S. 27-30.
Fröhlich, T., et al. “Vacuum transfer system for loading the Sartorius prototype mass comparator CCL1007.” In: Proceeding of IMEKO. 2010. S. 22-25.
Borys, M., et al. “Design and performance of the new Sartorius 1 kg vacuum mass comparator at PTB.” In: XVIII Imeko World Congress, Rio de Janeiro, Brazil. 2006.
TU Ilmenau
In Thermometer integrierte miniaturisierte Fixpunktzellen ermöglichen erstmalig eine direkte In-situ Kalibrierung von Thermometern mit direktem Anschluss an die ITS-90 im Prozess. Durch die Forschung auf diesem Gebiet in den letzten 20 Jahren wurde ein deutlicher Schritt zu praktikableren und industriell verwendbareren Fixpunktkalibrierungen gemacht. Deutschlandweit ist das Institut Prozessmess- und Sensortechnik die einzige Forschungsinstitution mit umfassendem Know-how auf diesem Gebiet, welches die Basis des Konzepts darstellt. Gemeinsam mit einem industriellen Partner wurde diese Kompetenz daraufhin erweitert, dass eine kontinuierliche Einpunktkalibrierung eines Thermometers direkt im Prozess mit Hilfe eines in das Thermometer integrierten Referenzmaterials, dessen Curie-Temperatur TC = 118 °C die Referenztemperatur der Kalibrierung bereitstellt, erfolgt.
Literatur:
BERNHARD, F.; BOGUHN, D.; AUGUSTIN, S.; MAMMEN, H.; DONIN, A.: Einsatzerfahrungen mit selbstkalibrierenden Thermoelementen im Kraftwerkseinsatz. In: Temperatur 2003. Berlin: VdI-Verlag, 2003, S. 259–266
BERNHARD, F.; AUGUSTIN, S.; MAMMEN, H.: Application of Self-Calibrating Thermometers with Miniture Fixed-Point Cells in a Temperature Range from 300 °C to 650 °C. In: TEMPMEKO 2004. Dubrovnik, 2004
SCHALLES, M.; VRDOLJAK, P.: Kalibrierung von Thermometern in situ im Prozess. In: Sensoren und Messsysteme / Fachtagung Sensoren und Messsysteme 19. 2018 Nürnberg. - Berlin : VDE Verlag GmbH, 2018, Seite 219-222
TU Ilmenau
Die thermische Modellierung ist bei nahezu allen Forschungsarbeiten im Bereich der Thermometrie, aber auch der Entwicklung von Präzisionsmessgeräten, bei denen die Temperatur eine Störgröße der Messung darstellt, wichtig. Analytische wie auch FEM-Lösungsverfahren werden sowohl bei statischen und dynamischen thermischen aber auch gekoppelten Berechnungen eingesetzt.
Die simulierten Systeme werden hinsichtlich der statischen und dynamischen thermischen Eigenschaften optimiert. Dafür werden Parameter aus der Geometrie und der Stoffeigenschaften gebildet, die mittels stochastische Berechnungen variiert werden. Simulierte Ergebnisse werden anhand von Messungen mit Hilfe der unterschiedlichen Prüfeinrichtungen validiert. Die Benutzung stochastischer Methoden, unter anderem der Monte Carlo Methode, kommt später zur Berechnung von Messunsicherheiten zum Einsatz.
Literatur:
MARIN, S.; FROEHLICH, T.: Ansatz zur Bestimmung der Unsicherheit und Prognosefähigkeit eines FEM-Simulationsmodells einer kleinen Mehrfachfixpunktzelle für Kalibrierung von Berührungsthermometern. In: Technisches Messen. Bd. 85, 2018, 1, Seite 86-94
WEIS, H. S.; AUGUSTIN, S.: Simulation of thermal behavior in high-precision measurement instruments. In: International Journal of Thermophysics 29 (2008), Nr. 3, S. 1184–1192
FRÖHLICH, T.: Temperaturkompensation von Präzisionsmeßgeräten, Technische Universität Ilmenau, Habilitation, 2006
AUGUSTIN, S.; BERNHARD, F.: Numerical calculation of static and dynamic parameters of industrial temperature sensors. In: Measurement / International Measurement Confederation. Elsevier Science, Bd. 17, 1996, 4, Seite 217-228
