Entwicklung eines Prüfstandes zur rückführbaren Kalibrierung von Cantilevern

Dannberg, Oliver GND

Zur rückführbaren Messung von Kräften im Bereich von Nanonewton werden typischerweise AFM Cantilever verwendet, deren Durchbiegung in guter Näherung proportional zur eingeleiteten Kraft ist. Die Proportionalitätskonstante zwischen den Größen wird durch die Steifigkeit des Cantilevers beschrieben. In dieser Arbeit wird die Konzeption, Entwickelung und Analyse eines Prüfstandes zur Vermessung der Steifigkeiten von Cantilevern beschrieben. Dazu wird der Cantilever an einem Halter befestigt und durch einen Piezoantrieb auf die Oberfläche eines Diamanttasters gedrückt. Die Auslenkung des Cantilevers wird durch ein Differenzinterferometer und die dafür notwendige Kraft mit einer neu entwickelten EMK-Wägezelle gemessen. Der Mechanismus der monolithischen Wägezelle ist durch die Verwendung eines einzelnen Drehgelenks sehr weich und ermöglicht dadurch eine hohe Kraftauflösung. Die Position des Wägebalkens wird durch ein weiteres Differenzinterferometer gemessen und mit einem PID-Regler zu Null geregelt. In zwei unabhängigen Verfahren wurde in guter Übereinstimmung die effektive Kraftkonstante der Wägezelle auf Bl = 25,9 mN/A bestimmt. Der Prüfstand wurde hinsichtlich seiner Eigenschaften untersucht und die Einflussgrößen auf die Messunsicherheit der Cantileversteifigkeit identifiziert. Die Kalibrierung eines weichen Cantilever ergab eine relative Messunsicherheit von 1,5 % (k = 2) bei einer Kalibrierkraft < 100 nN. Bei der anschließenden Untersuchung der Spitze waren keine Schäden festzustellen. Die Messung eines zweiten Cantilevers ergab eine gute Wiederholbarkeit der Kalibrierergebnisse. Außerdem wurden die durch diesen Prüfstand erzielten Ergebnisse mit den Resultaten eines an deren Prüfstandes verglichen und zeigten gute Übereinstimmung.

Traceable measurements of forces in the range of Nanonewtons are typically done with AFM cantilevers. As a good approximation, the cantilever deflection is proportional to the applied force. This thesis describes the development of a calibration device that measures the stiffness of cantilevers by pushing them on a diamond surface. The cantilever is moved by a piezo stage while an interferometer measures its position. A novel load cell measures the force that is applied to the diamond according to the electromagnetic force compensating principle. Its single pivot design results in a soft mechanism that deflects under the load of the cantilever force. The deflection of the load cell is measured by another interferometer with a sub nanometer resolution. During the force measurement, the current through the coil is controlled by a PID controller. The effective force constant of the load cell has been measured in two independent ways with a good agreement. In several experiments, the metrological properties of the device were determined as well as the contribution factors to the uncertainty of the cantilever stiffness. A calibration of a small cantilever resulted in relative uncertainty of 1,5 % (k = 2) with a calibration force of < 100 nN. The imaging of the cantilever with a SEM microscope showed that the tip was not damaged. A second cantilever was calibrated multiple times and showed a good repeatability. The determined stiffness shows a good agreement with the results of a similar calibration device.

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