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Mikrotasterarrays zur parallelisierten Messung von Mikrostrukturen

Krah, Thomas

Mikrotechnisch hergestellte Produkte haben in einer Vielzahl von Feldern des täglichen Lebens Einzug gehalten. All diese Produkte müssen auf Maßhaltigkeit und ihre Funktion überprüft werden, um vorgegebene charakteristische Größen wie von Aktoren erzeugte Kräfte, Federraten und geometrische Abmessungen der Systeme und damit ihre einwandfreie Funktion zu garantieren. Üblicherweise werden Mikrosysteme in Zeilen und Spalten mit fester periodischer Anordnung auf einem gemeinsamen Substrat arrangiert und alle parallel, d.h. alle zur gleichen Zeit bearbeitet. Um nun eine große Anzahl an verschiedenen Geometrien und somit an Systemen bei einer Batchfertigung wirtschaftlich messen zu können, bietet sich eine parallelisierte taktile Messtechnik an. Hierbei könnten alle Vorteile taktil messender Systeme genutzt werden, ohne den Nachteil langer Messzeiten in Kauf nehmen zu müssen. In dieser Arbeit werden Tasterarrays beschrieben, mit deren Hilfe sich nicht nur Strukturabmessungen einzelner Systeme, sondern auch Formabweichungen eines in der Fertigung befindlichen Substrats und Kräfte und Verschiebungen in alle drei Raumrichtungen messen lassen. Die hier vorgestellten Tasterarrays bestehen aus Einzeltastern, die entsprechend dem Abstand der zu messenden Mikrosysteme in einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. An einem Tasterarray aus 3 x 3 Tastern werden die Herstellungsprozesse, die einzelnen Komponenten und die sich aus der parallelen Antastung ergebenden Besonderheiten des Sensorarrays näher untersucht. Für die Untersuchungen wurden Tasterarrays mit Siliziummembranen und Kunststoffmembranen angefertigt. Unabhängig vom verwendeten Membranmaterial wurden für die Arrays unterschiedliche elektrische Verschaltungen erstellt. Bei den Designs der Einzeltaster, die den Ausgangspunkt für die Entwicklung der Tasterarrays darstellten, dienen vier Wheatstone-Brücken zur Detektion einer Antastung. Bei ihnen werden alle Brücken einzeln mit Spannung versorgt, was sich allerdings als nicht praktikabel herausgestellt hat, da die hohe Anzahl an benötigten Kontakten schwer zu handhaben wäre. Um nun diese Zahl zu reduzieren und die Signalverarbeitung bzw. die Primärelektronik zu vereinfachen, wurde zunächst eine Verschaltung mit einer Reihenschaltung aller Brücken getestet und anschließend verschiedene zeilen- und spaltenweise Anordnungen der Leiterbahnen erstellt. Weiteres Augenmerk lag auf einer Anpassung der für das Antasten der zu messenden Objekte eingesetzten taktilen Elemente an die Bedürfnisse eines Tasterarrays. Kommerziell erhältliche taktile Elemente weisen bei ihren Abmessungen und der Positionierung der Tastkugel auf dem Taststiftschaft zu große Abweichungen auf. Im Rahmen dieser Arbeit wurden angepasste taktile Elemente aus Silizium, Keramik und Wolframkarbid angefertigt. Bei den taktilen Elementen aus Silizium konnte das eutektische Bonden als Verbindungstechnik angewendet werden, wodurch sich die beim üblicherweise verwendeten Kleben auftretenden Kriecheffekte gänzlich ausschließen ließen. Mit den sternund l-förmigen taktilen Elementen aus Wolframkarbid und deren reduziertem Tastkugeldurchmesser auf 40 μm ist es nun erstmals möglich, Strukturen wie Hinterschnitte, Einstiche im Inneren von Bohrungen oder Gräben, die sich zum Grund hin aufweiten, zu messen, die bisher in der Mikromesstechnik nicht zugänglich waren. Um nicht nur bei den geometrischen Abmessungen der taktilen Elemente geringe Abweichungen zu garantieren, wurden verschiedene Vorrichtungen zur parallelen Montage der Taststifte angefertigt, die deren exakte Ausrichtung erlauben. Zum Charakterisieren der Tasterarrays oder des Mikrokoordinatenmessgeräts, in dem die Arrays zum Einsatz kommen, oder zum Vergleich der Tasterarrays mit Messgeräten mit verschiedenen Messprinzipien werden diverse angefertigte Prüfkörper vorgestellt. Trotz Verbesserungsbedarfs bei der Ausrichtung der Tastkugeln zueinander steht nun ein taktiles Messverfahren zur wirtschaftlichen Messung von Mikrostrukturen zur Verfügung.

Products fabricated on the basis of micro technology have found their way into many different areas of our everyday life. In order to be able to guarantee set characteristic measures as forces generated by actuators, spring rates as well as geometric quantities of the systems and thus their correct function, it is vital to check their dimensional accuracy and function. Usually, micro systems are assembled in rows and columns with a fixed periodic arrangement on a shared substrate. They are attended to in parallel processes, i.e. all simultaneously. The use of a parallelised tactile metrology offers the best prospects of meeting the requirements of measuring a large variety of geometries and hence systems generated in a batch production in a cost-effective way as it would facilitate the use of all advantages of systems that perform the measurements on a tactile basis without a necessary acceptance of long measuring periods. This dissertation specifies touch probe arrays with whom it is possible to measure not only the structural dimensions of single systems, but also shape deviations of a substrate under its fabrication as well as forces and displacements into all three spatial directions. The touch probe arrays presented here consist of single probes which have been assembled on a shared substrate according to the pitch of the microsystems to be measured. The fabrication processes, the separate components and the sensor array’s peculiarities resulting from probing in a parallel fashion are investigated in detail in a touch probe array with an arrangement of 3 x 3 probes. For the performance of these investigations, touch probe arrays with silicon membranes and membranes of synthetic materials were produced. Irrespective of the material in use for the membrane, different electric circuits were set up for the arrays. The designs of the single probes, which served as a starting point for the development of the touch probe arrays, comprised four Wheatstone-bridges for the detection of a possible probing. However, the fact that all bridges were supplied with voltage separately proved unviable since the large amount of contacts needed would pose a problem most difficult to solve. Thus, both a reduced number of required contacts and a simplified signal processing or rather a simplified signal conditioning circuitry are aimed at. For this purpose, a circuit in which all bridges were connected serially was created in a first step, and subsequently, different arrangements of the conductive paths in rows and columns were set up. Further attention is paid to adjusting the tactile elements used for probing the objects to be measured to the requirements of a touch probe array. Commercially available tactile elements deviate too much in their dimensions and in the positioning of the probe sphere on the stylus shaft. In the framework of the project leading to this dissertation tactile elements were produced of silicon, ceramic and tungsten carbide. Those tactile elements made of silicon allowed for the use of eutectic bonding as a joining technique, which meant a complete elimination of the creeping effects that usually emerge when using an adhesive to connect the joining parts. With star and l-shaped tactile elements of tungsten carbide and their probe sphere diameter reduced to 40 μm it is now for the first time possible to measure structures that hitherto have not been able to access in micro metrology, as e.g. undercuts, cut-ins on the inside of drillings or trenches that expand towards the bottom. Various jigs were produced for the parallel assembly of the styli and, as a consequence, for their exact location on the array, whereby it can be secured that not only with regard to the geometric dimensions of the tactile elements divergences can be kept small. Moreover, miscellaneous fabricated test specimens are presented which serve to characterise either the touch probe arrays or the micro-coordinate measuring machine in which the arrays are used, or to compare the touch probe arrays by means of measurement devices working on different measuring principles. Even if the orientation of the probe spheres continues to offer room for improvement, a tactile measurement method for a cost-effective assessment of micro structures is now at our disposal.

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Krah, T., 2011. Mikrotasterarrays zur parallelisierten Messung von Mikrostrukturen. Shaker, Aachen. https://doi.org/10.24355/dbbs.084-201901241251-0
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