In dieser Dissertation wird die Entwicklung einer modifizierten und verbesserten Version eines Kraft-Weg-Messsystems auf Basis der elektromechanischen Waage vorgestellt, mit der Möglichkeit, die gemessenen Kräfte im Bereich von 50 nN bis 1 mN künftig auf die elektrischen SI-Einheiten zurückzuführen. Die Hauptmessmethode der Vorgängerversion des Systems war das elektromagnetische Prinzip der Kraftkompensation (EMFC) unter Verwendung der statischen und dynamischen Methoden der Kraftkonstantenkalibrierung. In dieser Studie wurde durch den Austausch des elektromagnetischen Aktuators und die Integration eines automatischen Lade-/Entladesystems eines bekannten Kalibriergewichts auf der Waage zur statischen Kalibrierung der elektromagnetischen Kraftkonstante im Vakuum die Unsicherheit des Absolutwerts der Kraftkonstante um den Faktor 1,5 reduziert. Außerdem wurde ein elektrostatischer Aktuator in Form eines Dreiplatten-Differentialkondensators in das System integriert, wodurch die dynamische Kalibrierung der elektromagnetischen Kraftkonstante deutlich verbessert werden konnte. Über und unter der Waage, die die elektrisch geerdete bewegliche Platte darstellt, wurden zwei flache Plattenelektroden mechanisch befestigt. Dieser Aktuator wurde mit vier verschiedenen Methoden kalibriert, von denen drei statisch (Kompensation eines Referenzgewichts, Messung eines Kapazitätsgradienten, Kompensation einer elektromagnetischen Referenzkraft) und eine dynamisch (Messung eines induzierten Stroms) sind. Die Ergebnisse umfangreicher Messungen aller Methoden zeigen eine gute Übereinstimmung untereinander und mit den analytisch berechneten Werten. Im Rahmen der Studie wurden verschiedene Konzepte, Regelungssysteme und Regelungen implementiert und schließlich teilweise zur Regelung der Mess- und Kalibrierprozesse angepasst. Insbesondere wurden alle analogen, hybriden analog-digitalen und nur digitalen PID-Regler getestet, in das System integriert und die Ergebnisse verglichen. Basierend auf den Testergebnissen wurde ein Mikrocontroller für den Dauereinsatz ausgewählt, der den Zeitaufwand für die Kalibrierung deutlich reduzierte und die Systemleistung verbesserte. Das System wurde verwendet, um die Steifigkeit verschiedener Cantilever und MEMS auf der Grundlage der Kraft-Weg-Kurvenmessungen zu messen. Ein sehr weicher Cantilever mit einer Steifigkeit von weniger als 15 mN/m wurde nach dem Kompensationsprinzip elektromagnetischer und elektrostatischer Kräfte gemessen, die gesamte relative Unsicherheit der gemessenen Steifigkeit betrug 1,32 % bzw. 1,68 % (k = 2). Dies bestätigte die Möglichkeit, den elektromagnetischen Aktor durch einen elektrostatischen zu ersetzen, um Kräfte im Bereich von 50 nN bis 1 μN zu messen.
This dissertation presents the development of a modified and improved version of a force-displacement measurement device based on electromechanical balance, with the possibility in the future to trace the measured forces ranging from 50 nN to 1 mN to the SI electrical units. The main measurement method of the previous version of the system was the electromagnetic principle of force compensation (EMFC) using the static and dynamic methods of force constant calibration. In this study, the replacement of the electromagnetic actuator and the integration of an automatic loading/unloading system of the known weight artifact on the balance for static calibration of the electromagnetic force constant in vacuum reduced the uncertainty of the absolute value of the force constant by 1.5 times. An electro-static actuator in the form of a three-plate differential capacitor was also included in the system, which made it possible to significantly improve the dynamic calibration of the electromagnetic force constant. Two flat plate electrodes were mechanically fixed above and below the balance, which is representing the electrically grounded movable plate. This actuator was calibrated by four different methods, three of which are static (compensation of a reference weight, measurement of a capacitance gradient, compensation of a reference electromagnetic force) and one dynamic (measurement of an induced current). The results of extensive measurement obtained from all methods show good agreement between each other and analytically calculated values. As part of the study, various concepts, control systems and controllers were implemented and finally some of them were adapted to guide the measurement and calibration processes. Particularly, all analog, hybrid analog-and-digital, and only digital PID-controllers were tested, integrated to the system and results were compared. Based on the test results, a microcontroller was chosen for permanent use, which significantly reduced the time required for calibration and improved system performance. The system was used to measure the stiffness of various cantilevers and MEMS based on the force-displacement curve measurements. A very soft cantilever with a stiffness less than 15 mN/m was measured by the compensation principle of electromagnetic and electrostatic forces, the total relative uncertainty of the measured stiffness was 1.32 % and 1.68 %, respectively (k = 2). This confirmed the possibility of replacing the electromagnetic actuator with an electrostatic one for measuring forces in the range from 50 nN to 1 μN.
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