Met het belang van de nanotechnologie groeit ook de behoefte aan nauwkeurig meten van kleine krachten. Een nanosensor voor kracht, ontwikkeld bij de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) biedt hierbij meerdere voordelen: door slimme opstelling van verschillende componenten is het tegelijkertijd actuator en geïntegreerde sensor. Het kan de kleinste krachten tot in het nm-gebied aan. Omdat het lithografisch relatief eenvoudig geproduceerd kan worden, is het ook goedkoop.
Kleine krachten moeten worden gemeten als het gaat om materiaaleigenschappen van biologische weefselproducten in de medische wereld of bij nieuwe functionele oppervlakken voor consumentenproducten. In deze gebieden van onderzoek en ontwikkeling kan de nieuwe sensor van het PTB worden gebruikt. Ook voor de kwaliteitscontrole van de steeds meer in de industrie gebruikte kunststof microdelen kan het worden ingezet.
Al deze oppervlakken moeten door gevoelige processen dimensionaal worden gemeten. Om geen verkeerd meetresultaat te krijgen, moeten de tasterkrachten zo klein mogelijk zijn. Een rasterkrachtenmicroscoop biedt de mogelijkheid om krachten in het nano Newton (nN) gebied op een niet destructieve, zeer nauwkeurige en representatieve manier te meten.
Opname van de sensor met een rasterelektronenmikroscoop (foto: PTB)
Nauwkeurige kennis van de buigstijfheid van de gebruikte hefbomen is daarbij noodzakelijk. Deze kan met de nieuwe sensor van de PTB nauwkeurig worden vastgesteld. Bovendien biedt de sensor voordelen op die plaatsen, waar het belangrijk is om tegelijkertijd kracht en afstand te meten, bijvoorbeeld als parallel aan de penetratiekracht ook de diepte moet worden vastgesteld.
MEMS
De ontwikkeling van de PTB is gebaseerd op een micro-elektromechanisch systeem (MEMS), dat door het lithografisch productieproces gemakkelijk in grote aantallen kan worden vervaardigd. De te meten kracht wordt met behulp van een stift, waaraan een meetpunt is bevestigd, overgebracht op een capacitief meetsysteem. Meandervormige veren, die bevestigd zijn aan het substraat, houden de stift vast.
Door hun speciale vorm wordt een kleine veerconstante bereikt, zodat bij een bepaalde te meten kracht een grote afstand wordt afgelegd. Daardoor kunnen krachten tot 1 nN in lineaire dynamica worden gemeten tot 500 µN. Met een geïntegreerde interferometer wordt een kalibrering in-line van de meetstift mogelijk.
Vooruitzichten
De combinatie van verschillende sensoren in één meetinstrument zorgt, dat het apparaat kan worden gezien als een nanokrachtactuator en tegelijkertijd sensor met een hoge nauwkeurigheid en de hoogste resolutie van kracht en weg. Deze gelijktijdige detectie van kracht en weg maakt nog meer nieuwe toepassingen mogelijk in onderzoek en ontwikkeling.
Op dit moment is bij PTB een functioneel model in gebruik. Door de veelzijdigheid van de nanokrachtsensor moet samen met de industrie een product worden ontwikkeld voor de markt.
