Zusammenfassung
Das Messen kleiner Kräfte ist in vielen wissenschaftlichen Bereichen, wie beispielsweise der Physik oder Biologie, erforderlich. Bei Kräften im Bereich von Nanonewton werden typischerweise AFM-Cantilever als Kraftsensoren genutzt. Die Steifigkeit des Cantilevers muss bekannt sein um von der Durchbiegung auf die Kraft zu schließen. Aufgrund von Fertigungsabweichungen kommt es zu einer großen Streuung der Cantileversteifigkeit. Für eine präzise Kraftmessung muss daher jeder einzelne Cantilever kalibriert werden. Das derzeit genauste Kalibrierverfahren basiert darauf die Kraft-Weg-Kennlinie des Cantilevers statisch zu messen und ihren Anstieg zu bestimmen. In diesem Artikel wird ein neuartiger Prüfstand beschrieben welcher nach diesem Prinzip arbeitet. Ein Interferometer misst die Position und eine neuartige, eingelenkige Wägezelle die Kraft des Cantilevers. Die Wägezelle wurde in zwei unabhängigen Experimenten mit übereinstimmendem Ergebnis kalibriert. Abschließend werden die Messergebnisse einer Cantileverkalibrierung präsentiert.
Abstract
The measurement of small forces is required in various fields of science such as biology or physics. A common way to measure forces in the range of nano newton is to utilize AFM-Cantilevers as force sensors. Therefore it is necessarry to know the stiffness of the cantilever. Due to the manufacturing tolerances, each cantilever needs an individual calibration. The state-of-the-art calibration method with the lowest uncertainty is to measure the force-displacement curve whose slope corresponds the stiffness of the cantilever. In this article a novel device is presented that works according to this method. It uses an interferometer to measure the cantilever displacement and a custom load cell to measure the force. The load cell was calibrated in two different ways which lead to similar results. Finally, the measurement of a soft cantilever’s stiffness is presentet to demonstrate the capabilities of the device.
Funding source: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Award Identifier / Grant number: FR 2779/8-1
Funding statement: Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Projekts Neuartige Small Cantilever FR 2779/8-1 sowie dem Graduiertenkollegs GRK 2182 der Technischen Universität Ilmenau, Deutschland.
Über die Autoren
Research scientist at the Institute of Process Measurement and Sensor Technology, Technische Universität Ilmenau.
Research and Development Engineer at SIOS Meßtechnik GmbH, Ilmenau.
Director of the Institute of Process Measurementand Sensor Technology and Chair of the Department Process Measurement Technology, Technische Universität Ilmenau.
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