DE102017119551A1 - normal - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Normal (10) in Form eines mikro-elektromechanischen Systems mit (a) einem Referenz-Oberflächenelement (12), das (i) eine ebene Referenz-Oberfläche (O) und (ii) eine Ausnehmung (18) hat, (b) einem Schaft (14), (c) zumindest einer Feder (16), (d) wobei der Schaft (14) (i) quer zur Referenz-Oberfläche (O) bewegbar ist, (ii) eine ebene Stirnfläche (20) aufweist und (iii) in eine Null-Stellung bringbar ist, in der sich die Stirnfläche (20) entlang der Referenz-Oberfläche (O) erstreckt, (iv) wobei die zumindest eine Feder (16) einer Auslenkung (Δd) des Schafts (14) aus der Null-Stellung entgegenwirkt, und (e) einer Auslenkungserfassungsvorrichtung (28) zum Erfassen der Auslenkung (Δd).The invention relates to a normal (10) in the form of a microelectromechanical system comprising (a) a reference surface element (12) having (i) a planar reference surface (O) and (ii) a recess (18), (b) a shaft (14), (c) at least one spring (16), (d) wherein the shaft (14) (i) is movable transversely to the reference surface (O), (ii) a flat end face (20 ) and (iii) can be brought to a zero position, in which the end face (20) extends along the reference surface (O), (iv) wherein the at least one spring (16) of a deflection (.DELTA.d) of the shaft (14) counteracts from the zero position, and (e) a deflection detecting device (28) for detecting the deflection (Δd).

Description

Die Erfindung betrifft ein Normal. Ein Normal ist ein metrologischer Vergleichsgegenstand, der zur Kalibrierung anderer Messgeräte dient. Die Kalibrierung von Messgeräten für besonders kleine oder besonders große Größen ist dabei besonders herausfordernd. Beispielsweise ist die Kalibrierung von Mikroskopen, beispielsweise optischen Mikroskopen oder Rasterkraftmikroskopen, oft mit hoher Unsicherheit behaftet, da sehr kleine Kräfte oder Abstände gemessen werden müssen. Das führt zu vergleichsweise großen Messunsicherheiten.The invention relates to a normal. A normal is a metrological comparison object used to calibrate other gauges. The calibration of measuring instruments for particularly small or very large sizes is particularly challenging. For example, the calibration of microscopes, such as optical microscopes or atomic force microscopes, often with high uncertainty afflicted, since very small forces or distances must be measured. This leads to comparatively large measurement uncertainties.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kalibrierung von Mikroskopen zu verbessern.The invention has for its object to improve the calibration of microscopes.

Die Erfindung löst das Problem durch ein Normal in Form eines mikro-elektromechanischen Systems mit (a) einem Referenz-Oberflächenelement, das eine ebene Referenz-Oberfläche und eine Ausnehmung hat, (b) einen Schaft, (c) zumindest eine Feder, wobei (d) der Schaft quer zur Referenz-Oberfläche bewegbar ist, eine ebene Stirnfläche aufweist und in eine Null-Stellung bringbar ist, in der sich die Stirnfläche entlang der Referenz-Oberfläche erstreckt, wobei die zumindest eine Feder einer Auslenkung des Schafts aus der Null-Stellung entgegenwirkt, und (e) einer Auslenkungserfassungsvorrichtung zum Erfassen der Auslenkung.The invention solves the problem by a normal in the form of a micro-electro-mechanical system with (a) a reference surface element having a flat reference surface and a recess, (b) a shank, (c) at least one spring, d) the shank is movable transversely to the reference surface, has a flat end face and can be brought into a zero position, in which the end face extends along the reference surface, wherein the at least one spring deflects the shank out of the zero position. Counteracting position, and (e) a deflection detecting device for detecting the deflection.

Vorteilhaft an diesem Normal ist, dass es zur Kalibrierung von Rasterkraftmikroskopen verwandt werden kann. Dazu kann mit einem Kantilever des Rasterkraftmikroskops eine Kraft auf die Stirnfläche des Schafts ausgeübt werden, die sich dadurch quer zur Referenz-Oberfläche gegen die Kraft der Feder verschiebt. Die Auslenkung aus der Null-Stellung kann mit der Auslenkungserfassungsvorrichtung erfasst und basierend darauf die Kraft bestimmt werden. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Normal um ein Kraft-Transfernormal, das Kräfte bis in den pN-Bereich transferieren kann. Das Normal kann daher in diesem Fall auch als pN-Krafttransfernormal bezeichnet werden. Alternativ kann das Normal auch eine Verkörperung für eine Strecke sein. In diesem Fall wird die Stirnfläche, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eben ist, um einen vorgegebenen Soll-Weg bewegt und diese Bewegung mit einem Mikroskop verfolgt.An advantage of this standard is that it can be used for the calibration of atomic force microscopes. For this purpose, with a cantilever of the atomic force microscope, a force can be exerted on the end face of the shaft, which thereby shifts transversely to the reference surface against the force of the spring. The displacement from the zero position can be detected with the displacement sensing device and the force determined based thereon. In other words, the normal is a force-transfer standard that can transfer forces down to the pN range. The normal can therefore be referred to in this case as pN-Krafttransferormal. Alternatively, the normal may also be an embodiment of a route. In this case, the end face, which is plane according to a preferred embodiment, is moved by a predetermined desired path and traced this movement with a microscope.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Merkmal, dass der Schaft quer zur Referenz-Oberfläche bewegbar ist, insbesondere verstanden, dass dann, wenn eine Kraft, die senkrecht zur Referenz-Oberfläche verläuft, auf die Stirnfläche wirkt, sich der Schaft in eine Bewegungsrichtung bewegt, wobei die Bewegungsrichtung mit der Referenz-Fläche einen Winkel von 90° ± ε einschließt, wobei ε möglichst klein ist, beispielsweise höchstens 5° beträgt.In the context of the present description, the feature that the shank is movable transversely to the reference surface, in particular, means that when a force that is perpendicular to the reference surface acts on the end face, the shank moves in a direction of movement moves, wherein the direction of movement with the reference surface forms an angle of 90 ° ± ε, where ε is as small as possible, for example, at most 5 °.

Unter dem Merkmal, dass sich die Stirnfläche entlang der Referenz-Oberfläche erstreckt, wird insbesondere verstanden, dass die Referenz-Oberfläche in guter Näherung als Ebene beschrieben werden kann.By the feature that the end face extends along the reference surface, it is understood in particular that the reference surface can be described in good approximation as a plane.

Die Stirnfläche ist ebenfalls durch eine Ebene im mathematischen Sinne näherbar, wobei eine Abweichung ebenfalls höchstens 1 µm beträgt. Unter dem Merkmal, dass die Stirnfläche sich entlang der Referenz-Oberfläche erstreckt, wird insbesondere verstanden, dass ein Winkel zwischen den beiden Ebenen höchstens 15°, insbesondere 3°, beträgt. Ein minimal möglicher Abstand der beiden Ebenen beträgt beispielsweise höchstens 1 µm, insbesondere höchstens 100 nm.The end face is also approximated by a plane in the mathematical sense, wherein a deviation is also at most 1 micron. The feature that the end face extends along the reference surface is understood in particular to mean that an angle between the two planes is at most 15 °, in particular 3 °. A minimum possible distance between the two planes is for example at most 1 μm, in particular at most 100 nm.

Die Ausnehmung hat vorzugsweise eine Öffnungsspalte von zumindest 2 µm und/oder höchstens 500 µm. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass einerseits ein Kantilever hinreichend tief durch die Ausnehmung hindurchgreifen kann und andererseits die Referenz-Oberfläche und die Stirnfläche nur einen kleinen Winkel versetzt zueinander haben. Unter dem Innendurchmesser wird dabei insbesondere der Innenkreisdurchmesser verstanden, also der Durchmesser des gedachten Zylinders maximalen Durchmessers, der durch die Ausnehmung passt.The recess preferably has an opening gap of at least 2 μm and / or at most 500 μm. In this way it is ensured that on the one hand a cantilever can reach sufficiently deep through the recess and on the other hand, the reference surface and the end face offset only a small angle to each other. Under the inner diameter is understood in particular the inner circle diameter, ie the diameter of the imaginary cylinder of maximum diameter, which fits through the recess.

Vorzugsweise sind das Referenz-Oberflächenelement und der Schaft elektrisch miteinander verbunden, das heißt, dass sie stets das gleiche elektrostatische Potential haben. Das verhindert eine elektrostatische Kraft zwischen dem Referenz-Oberflächenelement und dem Kantilever eines zu kalibrierenden Rasterkraftmikroskops.Preferably, the reference surface element and the shaft are electrically connected to each other, that is, they always have the same electrostatic potential. This prevents electrostatic force between the reference surface element and the cantilever of an atomic force microscope to be calibrated.

Vorzugsweise sind das Referenz-Oberflächenelement und der Schaft aus dem gleichen Material gefertigt. Dann sind die Spitze-Oberfläche-Interaktionen eines Kantilevers an beiden Objekten gleich, sodass systematische Messfehler vermieden werden. Beispielsweise sind das Referent-Oberflächenelement und der Schaft aus Silizium gefertigt.Preferably, the reference surface element and the shaft are made of the same material. Then the peak-to-surface interactions of a cantilever on both objects are the same, thus avoiding systematic measurement errors. For example, the speaker surface element and the shaft are made of silicon.

Unter der Auslenkungserfassungsvorrichtung wird insbesondere eine Struktur verstanden, mittels der eine Auslenkung, also eine Veränderung der Position des Schafts relativ zu einer Ausgangs-Position, insbesondere zur Null-Stellung, bestimmbar ist. Insbesondere ist die Auslenkungserfassungsausrichtung so ausgebildet, dass durch Erfassen einer Messgröße auf eindeutige Weise die Auslenkung bestimmbar ist. Es kann sich bei dieser Messgröße um einen Weg handeln, das ist aber nicht notwendig. Insbesondere ist es möglich, dass die Auslenkung auf Basis eines elektrischen und/oder optischen Messgeräts erfassbar ist.The deflection detection device is understood in particular to mean a structure by means of which a deflection, that is to say a change in the position of the shaft relative to an initial position, in particular to the zero position, can be determined. In particular, the Auslenkungserfassungsausrichtung is designed so that by detecting a measured variable in a unique way, the deflection is determined. This measure may be one way, but it is not necessary. In particular, it is possible that the deflection is based on an electrical and / or optical measuring device can be detected.

Ein Normal umfasst stets einen zugehörigen Kalibrierschein, in dem die relevanten Größen, im vorliegenden Fall die Federkonstante/oder die Abhängigkeit der Auslenkung von einer Messgröße, die von der Auslenkungserfassungsvorrichtung abgreifbar ist, angegeben ist.A standard always comprises an associated calibration certificate in which the relevant variables, in the present case the spring constant / or the dependence of the deflection on a measured variable which can be tapped by the deflection detection device, are indicated.

Unter dem Merkmal, dass das Normal in Form eines mikro-elektromechanischen Systems ausgebildet ist, wird insbesondere verstanden, dass das Referenz-Oberflächenelement, die Feder und der Schaft, sowie gegebenenfalls einen Antrieb für den Schaft, aus einem Substrat, insbesondere einem Silizium-Einkristall, herausgearbeitet, insbesondere herausgeätzt sind.The feature that the normal is embodied in the form of a microelectromechanical system is understood in particular to mean that the reference surface element, the spring and the shaft, and optionally a drive for the shaft, consist of a substrate, in particular a silicon monocrystal , worked out, and in particular etched out.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Normal einen Antrieb, der mit dem Schaft verbunden ist und mittels dem der Schaft quer zur Referenz-Oberfläche bewegbar ist. Wenn das Normal, wie gemäß seiner bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, ein Pikonewton -Krafttransfernormal ist, kann der Schaft auch als Kraftaufnehmer bezeichnet werden. Unter einem Pikonewton -Krafttransfernormal wird ein Krafttransfernormal, mit dem Kräfte im Bereich von Pikonewton kalibriert werden können, insbesondere mit einer Messunsicherheit von höchstens 10-4.According to a preferred embodiment, the normal has a drive, which is connected to the shaft and by means of which the shaft is movable transversely to the reference surface. When the normal, as provided in its preferred embodiment, is a Pikonewton force transfer standard, the stem may also be referred to as a force transducer. Under a Pikonewton force transfer standard is a force transfer standard, with which forces in the range of Pikonewton can be calibrated, in particular with a measurement uncertainty of at most 10 -4 .

Besonders bevorzugt ist der Antrieb ein elektrostatischer Kammantrieb und weist eine erste Kammelektrode und eine zweite Kammelektrode auf. Derartige Kammantriebe sind vereinfacht als mikro-elektromechanisches System (MEMS) herstellbar und erlauben zudem eine kapazitive Messung der Auslenkung.Particularly preferably, the drive is an electrostatic comb drive and has a first comb electrode and a second comb electrode. Such comb drives are simplified as a micro-electro-mechanical system (MEMS) produced and also allow a capacitive measurement of the deflection.

Günstig ist es, wenn das Normal eine Auswerteeinheit aufweist, die mit den Kammelektroden zum Bestimmen einer Kapazität der Kammelektroden relativ zueinander ausgebildet ist. Die Kammelektroden sind gegeneinander isoliert und bilden einen Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand der beiden Kammelektroden voneinander abhängt. Durch Messen der Kapazität der beiden Kammelektroden relativ zueinander kann daher der Abstand der beiden Kammelektroden voneinander und damit die Auslenkung bestimmt werden.It is favorable if the normal has an evaluation unit that is designed with the comb electrodes for determining a capacitance of the comb electrodes relative to one another. The comb electrodes are insulated from each other and form a capacitor whose capacitance depends on the distance between the two comb electrodes. By measuring the capacitance of the two comb electrodes relative to each other, therefore, the distance of the two comb electrodes from each other and thus the deflection can be determined.

Vorzugsweise besitzt der Schaft einen Kopf, in dem die Stirnfläche ausgebildet ist und der eine kegelstumpfförmige Mantelfläche hat, wobei die kegelstumpfförmige Mantelfläche einen Kopf-Kegelwinkel aufweist. Die Ausnehmung ist vorzugsweise ebenfalls kegelstumpfförmig und erweitert sich von der Referenz-Oberfläche weg und hat einen Ausnehmungs-Kegelwinkel, der dem Kopf-Kegelwinkel entspricht. Unter dem Merkmal, dass die beiden Kegelwinkel einander entsprechen, wird insbesondere verstanden, dass es zwar möglich, nicht aber notwendig ist, dass die beiden Kegelwinkel im mathematischen Sinne gleich sind. Vielmehr ist es möglich, dass beide voneinander so weit abweichen, dass die Funktion des Normals nicht beeinträchtigt ist. Beispielsweise beträgt eine Differenz zwischen den beiden Kegelwinkeln maximal 5°.Preferably, the shaft has a head in which the end face is formed and which has a frusto-conical lateral surface, wherein the frusto-conical lateral surface has a head cone angle. The recess is also preferably frusto-conical and widens away from the reference surface and has a recess taper angle corresponding to the head taper angle. By the feature that the two cone angles correspond to one another, it is understood in particular that although it is possible, but not necessary, that the two cone angles are the same mathematically. Rather, it is possible that both deviate from each other so far that the function of the normal is not impaired. For example, a difference between the two cone angles is a maximum of 5 °.

Günstig ist es, wenn die Auslenkungserfassungsvorrichtung ein Interferometer, insbesondere ein Fabry-Perot-Interferometer, umfasst, das einen ersten Spiegel, der mit dem Schaft verbunden ist, einen zweiten Spiegel und eine Lichtquelle aufweist. Vorzugsweise ist der erste Spiegel am Schaft als spiegelnde Fläche ausgebildet. Mit anderen Worten ist eine Fläche des Schafts so glatt ausgebildet, dass sie als Spiegel fungieren kann.It is favorable if the deflection detection device comprises an interferometer, in particular a Fabry-Perot interferometer, which has a first mirror, which is connected to the shaft, a second mirror and a light source. Preferably, the first mirror is formed on the shaft as a reflective surface. In other words, a surface of the shaft is made so smooth that it can act as a mirror.

Vorzugsweise ist der zweite Spiegel als spiegelnde Fläche einer Lichtleitfaser ausgebildet, wobei die Lichtleitfaser als Lichtquelle fungiert. In diesem Fall bilden die beiden Spiegel ein Fabry-Perot-Interferometer, das Interferenzmuster wird in die Lichtleitfaser eingekoppelt und beispielsweise von der Auswerteeinheit ausgewertet.Preferably, the second mirror is formed as a reflective surface of an optical fiber, wherein the optical fiber acts as a light source. In this case, the two mirrors form a Fabry-Perot interferometer, the interference pattern is coupled into the optical fiber and evaluated, for example, by the evaluation unit.

Vorzugsweise ist die Lichtquelle ausgebildet zum Abgeben von Licht einer Wellenlänge, wobei für einen Nullkraft-Abstand zwischen einer ersten Ausgleichsebene durch die Referenz-Oberfläche und einer zweiten Ausgleichsebene durch die Stirnfläche bei Abwesenheit einer externen Kraft auf den Schaft g = ( M 1 2 ) λ 4 + ε

Figure DE102017119551A1_0001
gilt. Dabei ist M eine natürliche Zahl und es gilt | ε | < 1 10 ( M 1 2 ) λ 4 .
Figure DE102017119551A1_0002
Preferably, the light source is configured to emit light of a wavelength, wherein for a zero-force distance between a first compensation plane through the reference surface and a second compensation plane through the face in the absence of an external force on the shaft G = ( M - 1 2 ) λ 4 + ε
Figure DE102017119551A1_0001
applies. Where M is a natural number and it applies | ε | < 1 10 ( M - 1 2 ) λ 4 ,
Figure DE102017119551A1_0002

Vorzugsweise umfasst die Lichtquelle einen Laser, der beim Betrieb Licht dieser Wellenlänge aussendet. Vorzugsweise handelt es sich um monochromatisches Licht.The light source preferably comprises a laser which emits light of this wavelength during operation. Preferably, it is monochromatic light.

Vorzugsweise hat die zumindest eine Feder eine Federkonstante bezüglich einer Auslenkung quer zur Referenz-Oberfläche von höchstens 1000 Newton pro Meter. Vorzugsweise ist die Federkonstante größer als 0,01 Newton pro Meter.Preferably, the at least one spring has a spring constant with respect to a deflection transversely to the reference surface of at most 1000 Newton per meter. Preferably, the spring constant is greater than 0.01 Newton per meter.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerteeinheit eingerichtet zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (i) Erfassen einer Auslenkung des Schafts, die von einer auf den Schaft wirkenden Kraft bedingt ist, und (ii) Berechnen der Kraft aus der Auslenkung. Die Auslenkung wird beispielsweise anhand einer Federkonstante oder anhand eines Kennfeldes, in dem die Beziehung zwischen der Auslenkung und der Kantilever-Kraft abgelegt ist, berechnet. Die Federkonstante und/oder das Kennfeld werden in Vorversuchen ermittelt. Dazu wird beispielsweise ein übergeordnetes Normal verwendet.According to a preferred embodiment, the evaluation unit is set up to carry out a method automatically with the steps: (i) detecting a deflection of the shaft, which is caused by a force acting on the shaft, and (ii) calculating the force from the deflection. The deflection is for example based on a spring constant or on the basis of a map in which the relationship between the deflection and the Cantilever force is stored, calculated. The spring constant and / or the map are determined in preliminary tests. For example, a parent normal is used for this.

Alternativ ist die Auswerteeinheit eingerichtet zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (i) Regeln einer Spannung, die zwischen den Kammelektroden anliegt, sodass die Auslenkung, die von einer auf die Stirnfläche wirkenden Kraft verursacht ist, kompensiert wird, (ii) Erfassen der zum Kompensieren notwendigen Kompensationsspannung und (iii) Berechnen der aufgebrachten Kraft aus der Kompensations-Spannung. Dazu ist in der Auswerteeinheit vorzugsweise ein Datensatz gespeichert, der die Abhängigkeit der Kraft von der Kompensations-Spannung kodiert.Alternatively, the evaluation unit is configured to automatically perform a method comprising the steps of: (i) controlling a voltage that is applied between the comb electrodes so that the deflection caused by a force acting on the end face is compensated, (ii) detecting the Compensation voltage required for compensation and (iii) Compute the applied force from the compensation voltage. For this purpose, a data record is preferably stored in the evaluation unit which codes the dependence of the force on the compensation voltage.

Erfindungsgemäß ist zudem ein Verfahren zum Kalibrieren eines Rasterkraftmikroskops mit den Schritten: (i) Ausüben einer Soll-Kraft mit einem Kantilever des Rasterkraftmikroskops auf eine Stirnfläche eines Schafts eines erfindungsgemäßen pN-Transfernormals, (ii) Messen einer Ist-Kraft mittels des pN-Krafttransfernormals und (iii) Kalibrieren des Rasterkraftmikroskops anhand der Ist-Kraft.According to the invention, there is also a method for calibrating an atomic force microscope comprising the steps of: (i) applying a desired force with a cantilever of the atomic force microscope to an end face of a shaft of a pN transfer standard according to the invention, (ii) measuring an actual force by means of the pN force transfer standard and (iii) calibrating the atomic force microscope using the actual force.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zudem ein solches, bei dem ein optisches Mikroskop kalibriert wird und das die Schritte. (i) Ermitteln einer ersten Ist-Position und einer zweiten Ist-Position der Stirnfläche eines erfindungsgemäßen Normals mittels des Normals; (ii) Ermitteln der zugehörigen ersten Mess-Position und der zweiten Mess-Position der Stirnfläche mittels des Mikroskops und Kalibrieren des Mikroskops anhand der Ist-Position; umfasst.An inventive method is also one in which an optical microscope is calibrated and the steps. (i) determining a first actual position and a second actual position of the end face of a normal according to the invention by means of the normal; (ii) determining the associated first measuring position and the second measuring position of the end face by means of the microscope and calibrating the microscope on the basis of the actual position; includes.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

  • 1 eine schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen Normals und
  • 2 eine Zeichnung eines erfindungsgemäßen Normals.
In the following the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows
  • 1 a schematic drawing of a Normals invention and
  • 2 a drawing of a standard invention.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Normal, das im vorliegenden Fall als pN-Krafttransfernormal ausgebildet ist und ein Referenz-Oberflächenelement 12 mit einer Referenz-Oberfläche O, einem Schaft 14 und zwei Federn 16.1, 16.2. Im Referenz-Oberflächenelement 12 ist eine Ausnehmung 18 eingebracht, die einen Innendurchmesser w, beispielsweise w = 6 µm, aufweist. 1 shows a standard according to the invention, which is formed in the present case as pN Krafttransfernormal and a reference surface element 12 with a reference surface O a shaft 14 and two springs 16.1 . 16.2 , In the reference UI element 12 is a recess 18 introduced, which has an inner diameter w , For example, w = 6 microns, has.

Die Federn 16.i (i = 1, ..., N, wobei N die Zahl der Federn ist) halten den Schaft 14 so, dass er in eine Bewegungsrichtung R geführt von den Federn 16.i gelagert ist. Die Bewegungsrichtung R verläuft quer zur Referenz-Oberfläche O. Im vorliegenden Fall ist der Winkel zwischen der Referenz-Oberfläche O und der Bewegungsrichtung R 90°.The feathers 16.i (i = 1, ..., N, where N is the number of springs) hold the shaft 14 so that he moves in one direction R led by the springs 16.i is stored. The direction of movement R runs transversely to the reference surface O , In the present case, the angle between the reference surface O and the direction of movement R 90 °.

Der Schaft 14 besitzt eine ebene Stirnfläche 20, die quer zur Bewegungsrichtung R und damit parallel zur Referenz-Oberfläche O verläuft. Unter „parallel“ wird in diesem Fall verstanden, dass es zwar möglich, nicht aber notwendig ist, dass die Referenz-Oberfläche O und Stirnfläche 20 im streng mathematischen Sinne parallel zueinander verlaufen. Eine kleine Abweichung von beispielsweise maximal 5° ist möglich.The shaft 14 has a flat face 20 , which are transverse to the direction of movement R and thus parallel to the reference surface O runs. Under "parallel" is understood in this case that while it is possible, but not necessary, that the reference surface O and face 20 in a strictly mathematical sense parallel to each other. A small deviation of, for example, a maximum of 5 ° is possible.

Der Schaft 14 besitzt einen Kopf 22, der eine kegelstumpfförmige Mantelfläche 24 hat. Die Fläche bildet mit der Bewegungsrichtung R, die gleichzeitig eine Längsachse L des Schafts 14 darstellt, einen Kopf-Kegelwinkel α22 . Die Ausnehmung 18 ist ebenfalls kegelstumpfförmig berandet und besitzt eine Kegelfläche 26, die einen Ausnehmungskegelwinkel α18 mit der Referenz-Oberfläche O bildet. Der Kopf-Kegelwinkel α22 entspricht dem Ausnehmungs-Kegelwinkel α18 . Insbesondere weichen beide um höchstens 5° voneinander ab.The shaft 14 has a head 22 , which has a frustoconical surface 24 Has. The surface forms with the direction of movement R , which simultaneously has a longitudinal axis L of the shaft 14 represents a head cone angle α 22 , The recess 18 is also frustoconically bounded and has a conical surface 26 that have a recess cone angle α 18 with the reference surface O forms. The head cone angle α 22 corresponds to the recess cone angle α 18 , In particular, both deviate from each other by at most 5 °.

Das Normal 10 besitzt eine Auslenkungserfassungsvorrichtung 28, die im vorliegenden Fall einen Kammantrieb 30 umfasst. Der elektrostatische Kammantrieb 30 besitzt eine erste Kammelektrode 32 und eine zweite Kammelektrode 34, die zueinander beweglich angeordnet und gegeneinander elektrisch isoliert sind, sodass durch Beaufschlagen der Kammelektroden 32, 34 eine elektrostatische Anziehungs- oder Abstoßungskraft zwischen den beiden Kammelektroden 32, 34 erzeugbar ist. Die Kammelektroden 32, 34 sind mit einer schematisch eingezeichneten Auswerteeinheit 36 verbunden, mittels der eine Kapazität C der beiden Kammelektroden 32, 34 zueinander messbar ist. Aus dieser Kapazität kann auf eindeutige Weise ein Abstand d zwischen den Kammelektroden 32, 34 berechnet werden.The normal 10 has a displacement detection device 28 , in the present case a comb drive 30 includes. The electrostatic comb drive 30 has a first comb electrode 32 and a second comb electrode 34 , Which are arranged to be movable relative to each other and electrically isolated from each other, so by applying the comb electrodes 32 . 34 an electrostatic attraction or repulsion force between the two comb electrodes 32 . 34 can be generated. The comb electrodes 32 . 34 are with a schematically drawn evaluation 36 connected by means of a capacity C the two comb electrodes 32 . 34 is measurable to each other. From this capacity can be clearly a distance d between the comb electrodes 32 . 34 be calculated.

Alternativ oder zusätzlich kann die Auslenkungserfassungsvorrichtung 28 ein Interferometer 38 aufweisen, das im vorliegenden Fall als Fabry-Perot-Interferometer ausgebildet ist. Dieses besitzt einen ersten Spiegel 40, der durch eine verspiegelte Seitenfläche des Schafts 14 gebildet ist. Das Interferometer 38 besitzt zudem einen zweiten Spiegel 42, der durch eine verspiegelte Oberfläche einer Lichtleitfaser 44 gebildet ist. Die Lichtleitfaser 44 stellt eine Lichtquelle dar und ist mit einem Laser 46 verbunden. Dieser Laser gibt Licht, vorzugsweise monochromatisches Licht, einer Wellenlänge λ ab, wobei unter dieser Wellenlänge die Vakuumwellenlänge gemeint ist. Je nach Abstand d38 kommt es zur konstruktiven oder destruktiven Interferenz einer stehenden Welle zwischen den Spiegeln 40, 42. Das entsprechende Interferenzmuster wird in die Lichtleitfaser 44 eingekoppelt und von einem Sensor 48 erfasst, der mit der Auswerteeinheit 36 verbunden ist.Alternatively or additionally, the deflection detection device 28 an interferometer 38 have, which is formed in the present case as a Fabry-Perot interferometer. This has a first mirror 40 passing through a mirrored side surface of the shaft 14 is formed. The interferometer 38 also has a second mirror 42 passing through a mirrored surface of an optical fiber 44 is formed. The optical fiber 44 represents a light source and is with a laser 46 connected. This laser gives light, preferably monochromatic light, of a wavelength λ at which wavelength the vacuum wavelength is meant. Depending on the distance 38 there is constructive or destructive interference of a standing wave between the mirrors 40 . 42 , The corresponding interference pattern is in the optical fiber 44 coupled and from a sensor 48 recorded with the evaluation unit 36 connected is.

Wenn das Normal 10 ein Interferometer aufweist, ist es günstig, wenn der Kammantrieb 30 lediglich als Antrieb zum Bewegen des Schafts 14 verwendet wird, nicht aber zum Erfassen einer Position des Schafts 14, da die Messgenauigkeit des Interferometers 38 in der Regel deutlich größer ist.If the normal 10 having an interferometer, it is convenient if the comb drive 30 merely as a drive for moving the shaft 14 is used, but not for detecting a position of the shaft 14 because the measurement accuracy of the interferometer 38 usually much larger.

Die Stirnfläche 20 hat von der Referenz-Oberfläche O Nullkraft-Abstand g, der von der Auswerteeinheit aus dem Abstand d errechnet wird. Dazu wird ein Korrekturwert zum Abstand d hinzuaddiert oder abgezogen. Der Nullkraft-Abstand wird vorzugsweise so gewählt, dass g = ( M 1 2 ) λ 4 + ε

Figure DE102017119551A1_0003
gilt, wobei M eine natürliche Zahl (M = {1, 2, ...}) ist. In der Regel ist M kleiner als 10.The face 20 has from the reference surface O Zero-force distance G from the evaluation unit from the distance d is calculated. For this purpose, a correction value to the distance d added or subtracted. The zero force distance is preferably chosen so that G = ( M - 1 2 ) λ 4 + ε
Figure DE102017119551A1_0003
where M is a natural number (M = {1, 2, ...}). As a rule, M is less than 10.

Eine Federkonstante k für alle Federn 16.i gemeinsam beträgt beispielsweise k = 0,05 N/m. Zwischen einer auf die Stirnfläche 20 aufgebrachten Kraft F20 und einer Änderung Δd des Abstands d besteht damit die Beziehung F20 = kΔd.A spring constant k for all feathers 16.i together, for example, k = 0.05 N / m. Between one on the face 20 applied force F 20 and a change .DELTA.d of the distance d Thus, the relationship F 20 = kΔd.

2 zeigt einen maßstabgerechten Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Normals 10. Es ist zu erkennen, dass das Normal 10 vier Feder 16.1, 16.2, 16.3, 16.4 aufweist, die allesamt mäanderförmig ausgebildet sind, um eine besonders kleine Federkonstante k zu erreichen. Der Schaft 14 weist ein Zellenstruktur 50 auf, um eine möglichst geringe Masse zu erreichen. Die in 2 gezeigten Komponenten des Normals 10 sind lithographisch aus einem Silizium-Einkristall herausgeätzt. Das Normal 10 ist daher ein mikro-elektromechanisches System (MEMS). 2 shows a scale cutout of a standard according to the invention 10 , It can be seen that the normal 10 four spring 16.1 . 16.2 . 16.3 . 16.4 All of which are meander-shaped, to a particularly small spring constant k to reach. The shaft 14 has a cell structure 50 on to achieve the lowest possible mass. In the 2 shown components of the standard 10 are etched lithographically from a silicon single crystal. The normal 10 is therefore a micro-electro-mechanical system (MEMS).

Zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Normal 10 in ein Rasterkraftmikroskop eingebracht. Mit einem Kantilever 52 (1) kann zunächst die Referenz-Oberfläche O abgetastet werden. Die Referenz-Oberfläche O kann damit gleichzeitig als Oberflächennormal dienen. Zum Kalibrieren der Kraftmessung des Rasterkraftmikroskops wird der Kantilever 52 so positioniert, dass seine Spitzen auf die Stirnfläche 20 gedrückt und so die Kraft F20 ausgeübt wird.For carrying out a method according to the invention becomes the normal 10 introduced into an atomic force microscope. With a cantilever 52 ( 1 ) may be the reference surface first O be scanned. The reference surface O can thus simultaneously serve as a surface normal. To calibrate the force measurement of the atomic force microscope is the cantilever 52 positioned so that its tips on the face 20 pressed and so the force F 20 is exercised.

Die Auslenkungsverfassungsrichtung 28, im vorliegenden Fall in Form des Fabry-Perot-Interferometers 38 misst beständig den Abstand d. Die Auswerteeinheit 36 ist so ausgebildet, dass sie eine Spannung U zwischen die beiden Kammelektroden 32, 34 anlegt, wobei die Spannung U so gewählt ist, dass die entstehende elektrostatische Kraft Fel der Kraft F20 entspricht. In anderen Worten wird die Spannung U so geregelt, dass die Verschiebung Δd des Schafts 14 null ist.The deflection constitution direction 28 , in the present case in the form of the Fabry-Perot interferometer 38 constantly measures the distance d , The evaluation unit 36 is designed to be a tension U between the two comb electrodes 32 . 34 applies, the voltage U so chosen is that the resulting electrostatic force F el the power F 20 equivalent. In other words, the tension becomes U so regulated that the shift .DELTA.d of the shaft 14 is zero.

Aus der angelegten Spannung U berechnet dann die Auswerteeinheit 36 die Kraft F20 . Alternativ wird keine Spannung U oder eine konstante Spannung U angelegt und die Auslenkung Δd, insbesondere mittels des Interferometers 38, gemessen. Aus der Auslenkung und der Federkonstante k wird dann die Kraft F20 berechnet.From the applied voltage U then calculates the evaluation unit 36 the power F 20 , Alternatively, no voltage U or a constant voltage U applied and the deflection .DELTA.d , in particular by means of the interferometer 38 , measured. From the deflection and the spring constant k then becomes the force F 20 calculated.

Alternativ wird das Normal 10 in einem optischen Mikroskop eingebracht und auf die Stirnfläche 20 fokussiert. Danach wird mittels des Kammantriebs 30 eine Verschiebung Δd eingestellt und mittels der Auslenkungserfassungsvorrichtung 28, insbesondere des Interferometers 38, vermessen. Der vom optischen Mikroskop aufgenommene entsprechende Messwert wird mit dem vom Normal 10 gemessenen Messwert verglichen und auf diese Weise das optische Mikroskop kalibriert.Alternatively, the normal 10 placed in an optical microscope and on the end face 20 focused. Thereafter, by means of the comb drive 30 a shift .DELTA.d set and by means of the deflection detection device 28 , in particular the interferometer 38 , measured. The corresponding measured value recorded by the optical microscope is compared with that of the normal 10 measured value and calibrated in this way, the optical microscope.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Normalnormal
1212
Referenz-OberflächenelementReference surface element
1414
Schaftshaft
1616
Federfeather
1818
Ausnehmung recess
2020
Stirnflächeface
2222
Kopfhead
2424
Mantelflächelateral surface
2626
Kegelflächeconical surface
2828
Auslenkungserfassungsvorrichtung Auslenkungserfassungsvorrichtung
3030
Antrieb, KammantriebDrive, comb drive
3232
erste Kammelektrodefirst comb electrode
3434
zweite Kammelektrodesecond comb electrode
3636
Auswerteeinheitevaluation
3838
Interferometer interferometer
4040
erster Spiegelfirst mirror
4242
zweiter Spiegelsecond mirror
4444
Lichtquelle, LichtleitfaserLight source, optical fiber
4646
Laserlaser
4848
Sensor sensor
5050
Zellenstrukturcell structure
5252
Kantilever cantilever
CC
Kapazitätcapacity
dd
Abstanddistance
F20 F 20
Kraftforce
gG
Nullkraft-AbstandZero-force distance
ii
Laufindex running Index
kk
Federkonstantespring constant
LL
Längsachselongitudinal axis
MM
natürliche Zahlnatural number
NN
Zahl der FedernNumber of feathers
OO
Referenz-Oberfläche Reference surface
RR
Bewegungsrichtungmovement direction
ww
Innendurchmesser Inner diameter
α18 α 18
Ausnehmungs-KegelwinkelRecessing cone angle
α22 α 22
Kopf-KegelwinkelHead Cone angle
λλ
Wellenlänge wavelength
Δd.DELTA.d
Auslenkungdeflection
UU
Spannungtension
Fel F el
elektrostatische Kraftelectrostatic force

Claims (11)

Normal (10) in Form eines mikro-elektromechanischen Systems mit (a) einem Referenz-Oberflächenelement (12), das (i) eine ebene Referenz-Oberfläche (O) und (ii) eine Ausnehmung (18) hat, (b) einem Schaft (14), (c) zumindest einer Feder (16), (d) wobei der Schaft (14) (i) quer zur Referenz-Oberfläche (O) bewegbar ist, (ii) eine ebene Stirnfläche (20) aufweist und (iii) in eine Null-Stellung bringbar ist, in der sich die Stirnfläche (20) entlang der Referenz-Oberfläche (O) erstreckt, (iv) wobei die zumindest eine Feder (16) einer Auslenkung (Δd) des Schafts (14) aus der Null-Stellung entgegenwirkt, und (e) einer Auslenkungserfassungsvorrichtung (28) zum Erfassen der Auslenkung (Δd).Normal (10) in the form of a micro-electro-mechanical system with (a) a reference surface element (12), the (i) a flat reference surface (O) and (ii) has a recess (18), (b) a shaft (14), (c) at least one spring (16), (d) wherein the shaft (14) (i) is movable transversely to the reference surface (O), (ii) has a flat end face (20) and (iii) can be brought to a zero position, in which the end face (20) extends along the reference surface (O), (iv) wherein the at least one spring (16) counteracts a deflection (Δd) of the shaft (14) from the zero position, and (e) a deflection detecting device (28) for detecting the deflection (Δd). Normal (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Antrieb (30), - der mit dem Schaft (14) verbunden ist und - mittels dem der Schaft (14) quer zur Referenz-Oberfläche (O) bewegbar ist. - wobei der Antrieb ein elektrostatischer Kammantrieb (30) ist und eine erste Kammelektrode (32) und eine zweite Kammelektrode (34) aufweist.Normal (10) to Claim 1 characterized by a drive (30) connected to the shaft (14) and by means of which the shaft (14) is movable transversely to the reference surface (O). - The drive is an electrostatic comb drive (30) and a first comb electrode (32) and a second comb electrode (34). Normal (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (a) der Schaft (14) einen Kopf (22), - an dem die Stirnfläche (20) ausgebildet ist und - der eine kegelstumpfförmige Mantelfläche (24) hat, besitzt, - wobei die kegelstumpfförmige Mantelfläche (24) einen Kopf-Kegelwinkel (α22) aufweist, und dass (b) die Ausnehmung (18) - kegelstumpfförmig ist, - sich von der Referenz-Oberfläche (O) weg erweitert und - einen Ausnehmungs-Kegelwinkel (α18) hat, der dem Kopf-Kegelwinkel (α22) entspricht.The normal (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that (a) the shaft (14) has a head (22) on which the end face (20) is formed and which has a frusto-conical peripheral surface (24) - wherein the frusto-conical lateral surface (24) has a head taper angle (α 22 ), and that (b) the recess (18) is frusto-conical, - widens away from the reference surface (O) and - has a recess Cone angle (α 18 ), which corresponds to the head cone angle (α 22 ). Normal (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf-Kegelwinkel (α22) 30° ± 5° beträgt.Normal (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the head cone angle (α 22 ) is 30 ° ± 5 °. Normal (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkungserfassungsvorrichtung (28) ein Interferometer (38), insbesondere ein Fabry-Perot-Interferometer, umfasst, das - einen ersten Spiegel (40), der mit dem Schaft (14) verbunden ist, - einen zweiten Spiegel (42) und - eine Lichtquelle (44) aufweist.The normal (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection detection device (28) comprises an interferometer (38), in particular a Fabry-Perot interferometer, comprising - a first mirror (40) connected to the shaft (14 ), - a second mirror (42) and - a light source (44). Normal (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Lichtquelle (44) zum Abgeben von Licht einer Wellenlänge (λ) ausgebildet ist und (b) für einen Nullkraft-Abstand (g) zwischen einer ersten Ausgleichsebene durch die Referenz-Oberfläche (O) und einer zweiten Ausgleichsebene durch die Stirnfläche (20) bei Abwesenheit einer externen Kraft (F20) auf den Schaft (14) g = ( M 1 2 ) λ 4 + ε
Figure DE102017119551A1_0004
gilt, wobei M eine natürliche Zahl ist und | ε | < 1 10 ( M 1 2 ) λ 4
Figure DE102017119551A1_0005
gilt.
Normal (10) to Claim 5 characterized in that (a) said light source (44) is adapted to emit light of a wavelength (λ) and (b) for a zero force distance (g) between a first level of balance by said reference surface (O) and a second level of balance by the end face (20) in the absence of an external force (F 20 ) on the shaft (14) G = ( M - 1 2 ) λ 4 + ε
Figure DE102017119551A1_0004
where M is a natural number and | ε | < 1 10 ( M - 1 2 ) λ 4
Figure DE102017119551A1_0005
applies.
Normal (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Feder (16) eine Federkonstante (k) bezüglich einer Auslenkung (Δd) quer zur Referenz-Oberfläche (O) von höchstens 1 Millinewton pro Mikrometer hat.Normal (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one spring (16) has a spring constant (k) with respect to a deflection (Δd) transverse to the reference surface (O) of at most 1 millinewtons per micrometer. Normal (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit (36), die eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (i) Erfassen einer Auslenkung (Δd) des Schafts (14), die von einer auf den Schaft (14) wirkenden Kraft (F20) bedingt ist, und (ii) Berechnen der Kraft (F20) aus der Auslenkung (Δd).A normal (10) according to any one of the preceding claims, characterized by an evaluation unit (36) arranged to automatically perform a method comprising the steps of: (i) detecting a deflection (Δd) of the shaft (14) from one to the other Shaft (14) acting force (F 20 ) is conditional, and (ii) calculating the force (F 20 ) from the deflection (.DELTA.d). Normal (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit (36), die eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (i) Regeln einer Spannung (U), die zwischen den Kammelektroden (32, 34) anliegt, so dass die Auslenkung (Δd), die von einer auf die Stirnfläche (20) wirkenden Kraft (F20) verursacht ist, kompensiert wird, (ii) Erfassen der zum Kompensieren notwendigen Kompensations-Spannung und (iii) Berechnen der aufgebrachten Kraft (F20) aus der Kompensations-Spannung.Normal (10) after one of Claims 1 to 7 characterized by an evaluation unit (36) arranged to automatically perform a method comprising the steps of: (i) controlling a voltage (U) applied between the comb electrodes (32, 34) such that the deflection (Δd), which is caused by a force acting on the end face (20) (F 20 ) is compensated, (ii) detecting the compensation voltage necessary for compensation, and (iii) calculating the applied force (F 20 ) from the compensation voltage. Verfahren zum Kalibrieren eines Rasterkraftmikroskops mit den Schritten: (i) Ausüben einer Soll-Kraft mit einem Kantilever (52) des Rasterkraftmikroskops auf eine Stirnfläche (20) eines Schafts (14) eines Normals (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, (ii) Messen einer Ist-Kraft mit dem Normal (10) in Form eines Pikonewton-Krafttransfernormals und (iii) Kalibrieren des Rasterkraftmikroskops anhand der Ist-Kraft.Method for calibrating an atomic force microscope, comprising the steps of: (i) applying a desired force with a cantilever (52) of the atomic force microscope to an end face (20) of a shaft (14) of a standard (10) according to one of Claims 1 to 7 , (ii) measuring an actual force with the normal (10) in the form of a Pikonewton force transfer standard and (iii) calibrating the atomic force microscope using the actual force. Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Mikroskops mit den Schritten: (i) Ermitteln einer ersten Ist-Position und einer zweiten Ist-Position der Stirnfläche (20) eines Normals (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, (ii) Ermitteln der ersten Mess-Position und der zweiten Mess-Position der Stirnfläche (20) mittels des Mikroskops und (iii) Kalibrieren des Mikroskops anhand der Ist-Positionen.Method for calibrating an optical microscope, comprising the steps of: (i) determining a first actual position and a second actual position of the end face (20) of a standard (10) according to one of Claims 1 to 7 , (ii) determining the first measuring position and the second measuring position of the end face (20) by means of the microscope and (iii) calibrating the microscope on the basis of the actual positions.
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