Entwicklung und Untersuchung eines MEMS-basierten Mikro-SPM-Kopfarrays mit austauschbaren Cantilevern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ein neuartiges MEMS-basiertes Mikro-SPM-Kopfarray wird vorgeschlagen, das (1) auf der Basis eines lateralen elektrostatischen Kammantriebsaktors realisiert ist, (2) Kommerzielle Rastersondenmikroskop (SPM)-Spitzen verwendet und deshalb (3) solche Eigenschaften wie großer Verschiebungsbereich bei hoher Auflösung, kleine Abmessungen, niedrige Leistungsaufnahme und geringe Kosten aufweist. Zwei Versionen von Mikro-SPM-Kopfarrays – Grundversion und vollständige Version – wurden entworfen und simuliert. Die Grundversion ist als Differentialstruktur entworfen, um den Bewegungsbereich bei einer festen Antriebsspannung zu vergrößern. Kommerzielle AFM-Spitzen können an das Ende des Hauptschafts des Mikro-SPM-Kopfs angeklebt werden. Bei der vollständigen Version ist ein flexibler Cantileverspanner integriert, um SPM-Cantilever ein- und ausspannen zu können. Eine Spaltreduktionstechnik wird eingesetzt, um die Abmessungen und die Masse der Struktur zu reduzieren. Verschiedene Varianten von Mikro-SPM-Kopfarrays wurden mit der Bonding-DRIE-Technologie hergestellt. Mechanische Eigenschaften, wie die Steifigkeit und die Eigenfrequenzen der Mikro-SPM-Köpfe wurden untersucht. Die ebene Verschiebung der Grundversion des Mikro-SPM-Kopfs wurde mit einem Laserinterferometer kalibriert. Das Ergebnis ist eine recht gute Linearität von 3×10^-3 des MEMS-Aktors für eine Auslenkung von ± 8 µm. Vorläufige Topografiemessungen mit einem Mikro-SPM-Kopf erwiesen die Machbarkeit eines Scankopf-Arrays für großskalige Topografiemessungen. Zur Steigerung der Auflösung und Genauigkeit wurde ein rückführbarer Mikro-SPM-Kopf mit faserinterferometrischer Anzeige bei niedriger Kohärenz für die Oberflächen-Nanometrologie realisiert. Vorläufige experimentelle Ergebnisse belegen, dass eine subnanometrische Genauigkeit mit einem Prototyp des vorgeschlagenen Mikro-SPM-Kopfs erreichbar ist. Das Mikro-SPM-Kopfarray ist dafür geeignet, auf einem Großbereichs-SPM eingesetzt zu werden. Der komplette Mikro-SPM-Kopf kann tatsächlich auch als gewöhnliches SPM oder sogar als Profilometer benutzt werden und somit helfen, und die Kosten zu reduzieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “A micro-SPM head for large-scale topography measurement”, Proc. of SPIE 2010, vol. 7718, 77181L-1-9
S. Gao, Z. Li, K. Herrmann
- “Development of a micro-SPM head array with exchangeable cantilevers”, Proc. of Euspen 2010, 249-253
S. Gao, Z. Li, K. Herrmann
- „A comb-drive scanning-head array for fast scanning measurements“, Proc. of SPIE 2011 vol. 8066, 806626-1-8
S. Gao, H. Wolff, K. Herrmann, et. al.
- „Lateral comb-drive MEMS structure for micromeasuring probe application“, Proc. of SPIE 2011, vol. 8191, pp. 81911H-1-7
F. Sun, S. Gao, X. Fu; U. Brand; K. Herrmann
- „Rastersonden-Antriebseinheit“ Patentschrift DE 10 2009 010 096 B4, angemeldet 24.02.2009, erteilt 13.01.2011
S. Gao, Z. Li, K. Herrmann
- “A micro-SPM head array with exchangeable cantilevers” Proc. of SPIE 2012, vol. 8430, pp. 84301E-1-8
S. Gao, H. Wolff, et. al.
- “A micro-SPM with integrated interferometric fiber optic displacement sensor”, Proc. of Euspen 2012, v180-83
S. Gao, H. Wolff, Z. Li, et. al.
