Quantum-based sensors for detection and discretization of currents in EMFC weighing systems :
Quantenbasierte Sensorik zur Erfassung und Diskretisierung von Strömen für EMK-Wägesysteme. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 88 (2021), 12, S. 764-772
Hochpräzise Wägesysteme nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK), wie Massekomparatoren, finden trotz Neudefinition der Einheit Kilogramm weiterhin Anwendung bei der Realisierung sowie Weitergabe einer praktischen Masseskale, indem sie metrologische Massevergleiche anhand des elektrischen Stromes als Zwischengröße ermöglichen. Gleichzeitig haben Quanteninterferometer auf Basis einer supraleitenden Hochgeschwindigkeitselektronik das Potential, kleinste Änderungen des magnetischen Flusses im Femtotesla-Bereich aufzulösen und eröffnen somit einen alternativen Ansatz zum Erfassen kleinster Stromdifferenzen. Die Kombination dieser bislang größtenteils nur für Fundamentalexperimente in der elektrischen Metrologie ausgenutzten quantenelektrischen Effekte mit Systemen der Präzisionskraftmessung ist eine neuartige Ausgangsbasis zur Verbesserung der Messgenauigkeit dieser Referenzsysteme. Insbesondere bietet die Anwendung eines quantenbasierten Analog-zu-Digital-Wandlers ein deutliches Potential zum Erschließen bisher unerreichter Genauigkeiten. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse erster experimenteller Arbeiten zum Nachweis des grundlegenden Funktionsprinzips präsentiert. Darüber hinaus erfolgt eine Abschätzung der Leistungsfähigkeit sowie des Entwicklungspotentials des vorgestellten quantenbasierten Stromsensors für hochpräzise EMK-Wägesysteme.
https://doi.org/10.1515/teme-2021-0089
Naučnye issledovanija na osnove modelirovanija s celьju raspoznavanija sily putem monitoringa a deformacionnogo sostojanija gibkogo mechanizma :
Model-based investigations of force detection by monitoring the deformation state of a compliant mechanism. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2021), No. 3(84), Seite 51-62
A strong, long-lasting pressure on the human skin whose effect is increased by shear forces can lead to the development of a pressure ulcer (decubitus). In order to minimize the risk of pressure ulcers developing, critical forces acting between the body and a sitting or lying surface should be detected and eliminated in time. One possibility for detecting critical forces is the actuation of tactile switches. In this article, miniature tactile switches are integrated into a compliant mechanism using the example of a MATF1 mattress spring made by Hartmann Kunststofftechnik GmbH & Co. KG. For this purpose, the deformation behavior of the spring is analyzed by means of non-linear analytical and finite elements method (FEM) calculations and the required tactile switches parameters as well as suitable locations for their placement are determined. A functional model is then built and examined.
Implementation options of control systems for a cantilever calibration device. - In: Proceedings of 2021 IV International Conference on Control in Technical Systems (CTS), (2021), S. 3-6
The article describes global approaches to control of the cantilever calibration device. The idea of the device consists in electromagnetic compensation of the influence of cantilever forces. The development of regulators is based on the simulation of mechanical processes when the cantilever is applied to the load cell with the principle of electromagnetic compensation; the identification of the processes is performed. In addition, in the course of the study, a comparison was made of PID controllers implemented on various actuator systems: an analog circuit, a current source, a dSPACE real-time system, a microcontroller. The purpose of developing and comparing regulators was to improve characteristics of the system: regulation time, overshoot, noise amplitude.
https://doi.org/10.1109/CTS53513.2021.9562880
Traceable 5D-nanofabrication with nano positioning and nano measuring machines. - In: Proceedings of the 21st International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2021), S. 333-336
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.
On the development of five-axes nanopositioning machines for measurement and fabrication purposes based on Cartesian systems. - In: Proceedings of the 21st International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2021), S. 213-216
Utilization of a commercial EMFC system as component in a Kibble balance :
Nutzung eines kommerziellen EMK-Systems als Bestandteil einer Kibble-Waage. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 88 (2021), S. S8-S13
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
https://doi.org/10.1515/teme-2021-0053
Stiffness calibration of AFM cantilevers :
Steifigkeitsmessungen von AFM-Cantilevern. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 88 (2021), S. S3-S7
Zur rückführbaren Kraftmessung mit AFM-Cantilevern ist aufgrund von Fertigungstoleranzen eine individuelle Kalibrierung jedes einzelnen Cantilevers notwendig. An der TU-Ilmenau wurde ein Prüfstand entwickelt, welcher die Steifigkeit nach einem statisch experimentellen Verfahren bestimmt. Dabei wird der Cantilever um einen definierten Weg ausgelenkt und die dazu notwendige Kraft gemessen. Die Wegmessung erfolgt durch ein kommerzielles Differenzinterferometer und die Kraftmessung mithilfe einer neu entwickelten Wägezelle. In diesem Artikel wird die Funktion des Prüfstandes am Beispiel einer Kalibrierung beschrieben und ein Messunsicherheitsbudget aufgestellt. Die relative Messunsicherheit beträgt ca. 1,5 % bei einer maximalen Kalibrierkraft von <100 nN. Eine anschließende Untersuchung des Cantilevers ergab keine nachweisbaren Schäden an dessen Spitze.
https://doi.org/10.1515/teme-2021-0046
Two-photon direct laser writing with metrologically traceable positioning :
Direktes Laserschreiben auf Basis von Zwei-Photonen-Absorption mit metrologisch rückführbarer Positionierung. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 88 (2021), S. S22-S27
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.
https://doi.org/10.1515/teme-2021-0052
Topography analysis in the NPMM-200. - In: SMSI 2021, (2021), S. 266-267
https://doi.org/10.5162/SMSI2021/D6.1
Monte-Carlo analysis of challenges and limitations of dispersion-based optical thermometry. - In: SMSI 2021, (2021), S. 203-204
https://doi.org/10.5162/SMSI2021/C4.4