Längen exakt messen


In der industriellen und wissenschaftlichen Metrologie wird auf die Spitze getrieben, was im Alltag millionenfach mit einfachsten Mitteln geschieht: die Vermessung von Körpern, Räumen oder Strecken. Das Prinzip dabei ist eigentlich dasselbe, die Anforderungen sind jedoch nicht zu vergleichen. Drei Beispiele zeigen, wie Längenmessgeräte und Messtaster von HEIDENHAIN mit Maßverkörperungen aus ZERODUR® Abmessungen hochgenau bis in den Pikometerbereich hinein bestimmen.

In der industriellen und wissenschaftlichen Metrologie wird auf die Spitze getrieben, was im Alltag millionenfach mit einfachsten Mitteln geschieht: die Vermessung von Körpern, Räumen oder Strecken. Das Prinzip dabei ist eigentlich dasselbe, die Anforderungen sind jedoch nicht zu vergleichen. Drei Beispiele zeigen, wie Längenmessgeräte und Messtaster von HEIDENHAIN mit Maßverkörperungen aus ZERODUR® Abmessungen hochgenau bis in den Pikometerbereich hinein bestimmen.
Die Herstellung von Chipstrukturen erfordert Genauigkeit im Nanometerbereich.
Die Herstellung von Chipstrukturen erfordert Genauigkeit im Nanometerbereich.

Wo auf der ... 

... einen Seite ein Papierstreifen oder Maßstab mit aufgedruckten Teilungsstrichen und Zahlen ausreicht, um zum Beispiel den Platz für die neu anzuschaffenden Möbel auszumessen, werden bei der Microchip-Herstellung – im wahrsten Sinne des Wortes – völlig andere Maßstäbe angelegt, um die Chipstrukturen zu erzeugen.

Das offene HEIDENHAIN-Längenmessgerät LIP 200 ermöglicht Messschritte von 31,25 pm. Das Messprinzip von HEIDENHAIN-Messgeräten basiert auf Maßverkörperungen, bei denen Strichgitter mit Strukturbreiten bis hinab zu einer Feinheit von nur einem Viertel Mikrometer
auf Trägermaterialien aufgebracht werden. Sie werden mittels unterschiedlicher Verfahren abgetastet – in den Genauigkeitsklassen, in denen ZERODUR® als Trägermaterial zum Einsatz kommt, in der Regel nach dem interferentiellen Messprinzip.
 

Strukturbreiten in Größenordnungen von einem Viertel Mikrometer

In den Größenordnungen von Mikro-, Nano- und Pikometern spielt die thermische Ausdehnung des Trägermaterials eine wesentliche Rolle. Bei Stahl mit einem Ausdehnungskoeffizienten von α=11,0 ppm/K bedeutet eine Erwärmung um nur 5 Kelvin über eine Messlänge von 1.000
Millimetern schon eine thermische Ausdehnung von 55,0 μm. Auch wenn das lediglich der Dicke eines menschlichen Haares entspricht: In der hochgenauen Welt der Chip-Herstellung stellen solche Abweichungen gewaltige Dimensionen dar.

Also müssen thermisch bedingte Einflüsse vermieden werden. Genau dafür verfügen hochgenaue HEIDENHAIN-Messgeräte über Maßstäbe aus einem Trägermaterial mit äußerst geringer thermischer Ausdehnung: ZERODUR®. Sie messen immer die wahren Längen und ermöglichen mit ihrer Messgenauigkeit immer feinere Chipstrukturen, die wiederum maßgeblich für die enormen Leistungssteigerungen in der Halbleitertechnik sind.
Das offene HEIDENHAIN-Längenmessgerät LIP 200 ermöglicht Messschritte von 31,25 pm.
Das offene HEIDENHAIN-Längenmessgerät LIP 200 ermöglicht Messschritte von 31,25 pm.

Maßverkörperungen auf Glaskeramik-trägern

Auch bei der Qualitätssicherung in der Fertigung spielen thermische Einflüsse eine wichtige Rolle. Um diese zu vermeiden, ist in vielen Fällen der eigens installierte Messraum die typische Lösung. Um dort optimale Bedingungen zu gewährleisten, muss allerdings ein erheblicher Aufwand betrieben werden: Ein separater Raum, spezielle Geräte und die notwendige Klimatisierung erfordern Platz, kostspielige Investitionen und hohe Betriebskosten. Einen weiteren Nachteil stellt der meist große räumliche Abstand zur Fertigung dar. Um fertigungsnah ohne thermische Einflüsse zu messen, stehen deshalb andere Lösungen zur Verfügung, zum Beispiel Messtaster wie der HEIDENHAIN-CERTO.
HEIDENHAIN-Messtaster nutzen Maßverkörperungen – mit absoluten oder inkrementalen Teilungen – auf Trägerkörpern aus Glas oder Glaskeramik. Diese Maßverkörperungen erlauben große Messwege und sind gegenüber Vibrations- und Schockbelastung unempfindlich. Änderungen des Luftdrucks und der Feuchtigkeit haben keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Maßverkörperung – wesentliche Voraussetzungen für die hohe Langzeitstabilität der HEIDENHAIN-Messtaster.

 

Das gemessene Positionsrauschen eines Längenmessgeräts LIP 200 liegt bei einer maximalen Verfahrgeschwindigkeit von 1,5 m/s bei nur 0,1 nm.
Das gemessene Positionsrauschen eines Längenmessgeräts LIP 200 liegt bei einer maximalen Verfahrgeschwindigkeit von 1,5 m/s bei nur 0,1 nm.
Darüber hinaus weisen HEIDENHAIN-Messtaster ein definiertes thermisches Verhalten auf. Da Temperaturschwankungen während der Messung zu Veränderungen des Messzirkels führen können, verwendet HEIDENHAIN zum Beispiel bei den HEIDENHAIN-CERTO-Messtastern für die im Messzirkel beteiligten Komponenten spezielle Materialien mit niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten – wie ZERODUR®. Durch diesen thermisch invarianten Aufbau lässt sich die hohe Messgenauigkeit über einen relativ großen Temper-aturbereich gewährleisten. Die Maßverkörperung aus ZERODUR® hat zwischen 0 °C und 50 °C, also dem in Fertigungsbereichen relevanten Temperaturbereich, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von annähernd 0 ppm/K. Somit hat die Umgebungstemperatur in der Fertigung praktisch keinen Einfluss auf die Ausdehnung der Maßverkörperung und damit auch nicht auf die Genauigkeit des Messtasters.
Messtaster HEIDENHAIN-CERTO CT 6001: höchste Genauigkeit im Temperaturbereich von 19 °C bis 21 °C durch thermisch invarianten Aufbau.
Messtaster HEIDENHAIN-CERTO CT 6001: höchste Genauigkeit im Temperaturbereich von 19 °C bis 21 °C durch thermisch invarianten Aufbau.
Mit 0,1 μm Genauigkeit und 0,03 μm Wiederhol-genauigkeit ermöglicht der HEIDENHAIN-CERTO Mess-taster die genaueste Messung über einen Weg von 60 mm, die am Messtastermarkt verfügbar ist. Zusammen mit der Auswerte-Elektronik ND 287 sind Messungen mit einer Genauigkeit von ±0,05 μm erreichbar. Das Istmaß eines Prüflings wird immer mit der gleichen Güte erfasst. Diese hohe Wiederholgenauigkeit ist besonders wichtig bei Vergleichsmessungen.
 

Thermische Ausdehnung anschaulich gemacht

Die Längenmessgeräte vom Typ LIDA bietet HEIDENHAIN für unterschiedliche Anwendungen in verschiedenen Genauigkeitsklassen mit Maßverkörperungen auf der Basis von Stahl, Glas und ZERODUR® Glaskeramik an. Um zu zeigen, wie die verschiedenen Maßverkörperungen
auf Temperaturschwankungen reagieren, hat HEIDENHAIN eine Vorführeinheit für Fachmessen entwickelt. Darin sind Maßstäbe aus den drei genannten Materialien parallel zueinander installiert und einseitig an derselben Position fest verankert. Auf den verschiedenen Maßstäben sitzen drei identische Abtastköpfe, die nach einer Nullreferenzierung auf eine beliebige Position verfahren werden können. Die erreichte Position der drei Abtastköpfe wird auf einem Monitor angezeigt und im weiteren Verlauf auch nicht mehr verändert.
HEIDENHAIN bietet LIDA-Längenmessgeräte für verschiedene Anwendungen in mehreren Genauigkeitsklassen mit Maßstäben aus Stahl, Glas oder ZERODUR® Glaskeramik an.
HEIDENHAIN bietet LIDA-Längenmessgeräte für verschiedene Anwendungen in mehreren Genauigkeitsklassen mit Maßstäben aus Stahl, Glas oder ZERODUR® Glaskeramik an.
Nun wird die Grundplatte, auf der die Maßstäbe montiert sind, aufgeheizt. Wegen ihrer einseitigen Fixierung dehnen sich die Maßstäbe in Richtung des losen Lagers aus. Sie bewegen sich sozusagen unter den in ihrer Position verharrenden Abtastköpfen hinweg. Die aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zu erwartenden Abweichungen werden entsprechend von den Abtastköpfen erkannt und auf dem Monitor angezeigt. Die Messwerte zeigen eindeutig die unterschiedlichen thermisch bedingten Abweichungen.

Temperaturfühler auf der Oberseite der Maßstäbe messen zudem, wie die Erwärmung der Grundplatte die Maßstäbe durchdringt. Die Temperaturfühler stellen die Erwärmung nur mit einer deutlichen Zeitverzögerung gegenüber der tatsächlich beginnenden Ausdehnung der Maßstäbe fest. Eine Kompensation der Ausdehnung auf der Grundlage einer Temperaturmessung wäre somit nicht ausreichend.

Der Vorteil von ZERODUR® besteht allerdings nicht nur darin, dass es sich praktisch nicht ausdehnt. Wesentlich ist auch, dass der Ausdehnungskoeffizient bekannt und eindeutig definiert ist. Bei Stählen beispielsweise kann der α-Wert erheblich schwanken. Um ihre thermische Ausdehnung zu kompensieren, müsste deshalb für jeden einzelnen Maßstab der tatsächliche thermische Ausdehnungskoeffizient bestimmt werden – ein nicht praktikabler Aufwand. Deshalb bieten ausschließlich Maßverkörperungen aus ZERODUR® die Sicherheit, bei jeder Temperatur die wahren Dimensionen zu messen.
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Wussten Sie schon, dass ...

... der Meter 1983 als „die Länge der Strecke, die das Licht im Vakuum während der Dauer von 1/299.792.458 Sekunde zurücklegt“ festgelegt wurde? Er ist damit durch die konstante Lichtgeschwindigkeit und die exakte Messung von einer Sekunde definiert. Die Messungen werden mit Atomuhren durchgeführt und durch die Strahlungs-frequenz der Energieübertragung im Caesiumatom bestimmt. Daher sind Längen- und Zeitmessungen eng miteinander verknüpft. Bis ins 19. Jahrhundert, bevor physikalische Größen zugrunde gelegt wurden, definierte man Längen anhand menschlicher Körpermaße wie Elle, Fuß und Schritt.

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