Mikro-, Nano- und rechnergestützte Messtechnik (MNMT u. RMT)5 ECTS
(Prüfungsordnungsmodul: Vertiefungsmodul)

Lehrveranstaltungen:

• • Mikro- und Nanomesstechnik
    (Vorlesung mit Übung, Tino Hausotte, Mo, 16:15 - 17:45, 0.151-115)
  • Rechnergestützte Messtechnik
    (Vorlesung, Tino Hausotte, Di, 10:15 - 11:45, K1-119)

Empfohlene Voraussetzungen:

• Der Besuch der Grundlagen-Vorlesungen Grundlagen der Messtechnik (GMT) wird empfohlen.

Inhalt:

Mikro- und Nanomesstechnik [MNMT]

• Einführung: Nanotechnologie grundlegende Strategien • Aufgaben der Mikro- und Nanomesstechnik • Herausforderungen • Koordinatensystem, Oberflächen- und Koordinatenmessungen • Allgemeiner Aufbau eines Mikro- und Nanokoordinatenmessgerätes

• Positioniersysteme: Führungen: Aufgaben, Arten (Gleitführungen, aerostatischen und hydrostatische Führungen, Wälzführungen, Federgelenkführungen), mehrachsige Führungssysteme (Seriellkinematik und Parallelkinematik) • elektromagnetische Antriebe: Lorentzkraft, Reluktanzkraft, Transmissionen bzw. Übertragungselemente (kraft- und formgepaart, Zahn- und Reibstangen, Gewinde- und Kugelumlaufspindeln), Direktantriebe (Tachspulantriebe, kommutierte Antriebe, Reluktanzkraftantriebe) • piezoelektrische Antriebe: Piezoeffekt, Arten von Aktoren (Stapel-, Rohr-, Biege- und Scheraktoren), Hubaddition (Prinzipien der Trägheits- und Schreitantriebe) • Gewichtskraftkompensation (Notwendigkeit, Anforderungen, Beispiel mit mechanischen Federn und Getrieben)

• Längenmesssysteme: abbesches Komparatorprinzip, Abweichungen 1.- und 2.-Ordnung • Längenmessung mit Linearencodern, Abtastplatte (Gitter), Ermittlung der Bewegungsrichtung, Ausgangssignale und Demodulation, abbildende und interferentielle Ablesung, Durchlicht und Reflexion • Überlagerung von Wellen: destruktive und konstruktive Interferenz, Voraussetzung der Interferenz von Lichtwellen, Interferenz von Lichtwellen • Homodyn- und Heterodynprinzip, Interferenz am Michelson-Interferometer und Homodyninterferometer, Demodulation, Luftbrechzahl, Totstreckenkorrektur, Demodulationsabweichungen durch Quantisierung, Rauschen, Offset-, Amplituden- und Phasenabweichungen • kapazitive Längenmessung

• Metrologischer Rahmen: metrologischer Rahmen und Strukturrahmen (Anforderungen, Kriterien für Materialauswahl, Ausdehnungskompensation) • Werkstoffe für Metrologierrahmen: Metalle (Stahl, Invar), Naturstein, Polymerbeton und Keramiken (NEXCERA®), Glas (ULE) und Glaskeramiken (Zerodur®, Clearceram®-Z und Astrositall®) • mechanische Spannungen und Kriechen • Gerätekoordinatensystem (bei Geräten mit serieller Metrologie und Parallelmetrology)

• Optische Antastung im Fernfeld: allgemeine Einteilung von Antastverfahren, Antastwechselwirkung und Einflussgrößen • Messmikroskope, numerische Apertur, Auflösungsvermögen • Fokusvariation • Konfokale Mikroskopie, Laser-Rastermikroskop (Prinzip), chromatischer Weißlichtsensor (Prinzip) • Laser-Autofokusverfahren (Prinzip mit astigmatischer Linse und Foucault'sches Schneidenprinzip) • Interferenzmikroskopie (Michelson-, Mireau- und Linnikinterferometer, Auswertung für monochromatisches Licht) • Weißlichtinterferenzmikroskopie (Korrelogramm, Prinzip, Einhüllenden- und Phasenauswertung) • Eigenschaften optische Antastung im Fernfeld

• Elektrische Antastung (Tunnelstrom): Entwicklung der Tunnelstrommessung und Beschreibung des Stromsignals • 3-D-Antastung mit Tunnelstrom • 3-D-Richtungserkennung

• Rasterkraftmikroskope: prinzipielle Funktionsweise • Betriebsarten • Wechselwirkungen und Arbeitsweisen • Contact mode AFM • Tapping Mode AFM • LiftModes (MFM, EFM) • Torsional Resonance und Critical Dimension Atomic Force Microscopy • Methoden zur Messung der Cantilever-Auslenkung (Lichtzeigerprinzip, Faserinterferometer, Fokussensor, Interferometer, piezoresistiv)

• Optische Antastung im Nahfeld und Elektronenmikroskope: Nahfeld • Nahfeldsonden • Rasternahfeldmikroskope • Elektronenmikroskope

• Taktile Antastung: taktile Tastsysteme (Überblick und Anforderungen) • passive und aktive Tastsysteme (Prinzipien, Aufbau und Eigenschaften) • 1-D-Tastsysteme (Richtcharakteristik, Querempfindlichkeit) • Betragstastsysteme (Prinzip, Eigenschaften, Beispiel UMAP) • 2-D-Tastsysteme (Beispiel Fasertaster WFP) • 3-D-Tastsysteme (Anforderungen, Auswirkung Tastelementverkleinerung, Beispiel IBS-NPL Probe System)

• Mikro- und Nanokoordinatenmessgeräte: 3-D-Realisierung des Abbe-Komparatorprinzips • 3-D-Messbefehle (Arbeitsweisen bei Punktmessungen, Open-loop scans, Closed-loop scans, Dodge scans und Free-form scans)
  

Rechnergestützte Messtechnik [RMT]

• Grundlagen: Grundbegriffe (Messgröße, Messsignal, Informationsparameter, analoges und digitales Signal) • Prinzip eines Messgerätes, direkte und indirekte Messung • Klassifizierung von Signalen (Informationsparameter) • Fourierreihen und Fouriertransformation • Fourieranalyse • DFT und FFT (praktische Realisierung) • Aliasing und Shannon's-Abtasttheorem • Übertragungsverhalten (Antwortfunktionen, Frequenzgang, Übertragungsfunktion) • Laplace-Transformation, Z-Transformation und Wavelet-Transformation • Digitalisierungskette

• Verarbeitung und Übertragung analoger Signale: Operationsverstärker (idealer und realer, Rückkopplung) • Kenngrößen von Operationsverstärkern • Frequenzabhängige Verstärkung von Operationsverstärkern • Operationsverstärkertypen • Rückkopplung und Grundschaltungen • OPV mit differentiellen Ausgang • analoge Filter (Bode-Diagramm, Tiefpassfilter, Hochpassfilter, Bandpassfilter, Bandsperrfilter) • Messsignalübertragung (Einheitssignale) • Spannungs-Frequenz-Wandler • Galvanische Trennung und optische Übertragung • Modulatoren und Demodulatoren • Multiplexer und Demultiplexer • Abtast-Halte-Glied

• A/D- und D/A-Umsetzer: digitale und analoge Signale • Digitalisierungskette • A/D-Umsetzer (Nachlauf ADU, Wägeverfahren, Rampen-A/D-Umsetzer, Dual Slope-Verfahren, Charge-Balancing-A/D-Umsetzverfahren, Parallel-A/D-Umsetzer, Kaskaden-A/D-Umsetzverfahren, Pipeline-A/D-Umsetzer, Delta-Sigma-A/D-Umsetzer / 1-Bit- bis N-Bit-Umsetzer, Einsatzbereiche, Kennwerte, Abweichungen, Signal-Rausch-Verhältnis) • Digital-Analog-Umsetzungskette • D/A-Umsetzer (Direkt bzw. Parallelumsetzer, Wägeumsetzer, Zählverfahren, Delta-Sigma-Umsetzer / 1-Bit- bis N-Bit-Umsetzer)

• Verarbeitung digitaler Signale: digitale Codes • Schaltnetze (Kombinatorische Schaltungslogik) • Schaltalgebra und logische Grundverknüpfungen • Schaltwerke (Sequentielle Schaltnetze) • Speicherglieder (Flip-Flops, Sequentielle Grundschaltungen), Halbleiterspeicher • anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) • programmierbare logische Schaltung (PLDs) • Rechnerarten

• Bussysteme: Bussysteme (Master, Slave, Arbiter, Routing, Repeater) • Arbitrierung • Topologien (physikalische und logische Topologie, Kennwerte, Punkt-zu-Punkt-Topologie, vermaschtes Netz, Stern-Topologie, Ring-Topologie, Bus-Topologie, Baum-Topologie, Zell-Topologie) • Übertragungsmedien (Mehrdrahtleitung, Koaxialkabel, Lichtwellenleiter) • ISO-OSI-Referenzmodell • Physikalische Schnittstellenstandards (RS-232C, RS-422, RS-485) • Feldbussysteme, GPIB (IEC-625-Bus), Messgerätebusse

• USB Universal Serial Bus: Struktur des Busses • Verbindung der Geräte, Transceiver, Geschwingigkeitserkennung, Signalkodierung • Übertragungsarten (Control-Transfer, Bulk-Transfer, Isochrone-Transfer, Interrupt-Transfer, Datenübertragung mit Paketen) • Frames und Mikroframes, Geschwindigkeiten, Geschwindigkeitsumsetzung mit Hub • Deskriptoren und Software • Layer Entwicklungstools • Compliance Test • USB 3.0

• Digitale Filter: analoge Filter • Eigenschaften und Charakterisierung von digitalen Filtern • Implementierung von digitalen Filtern • digitale Filter (IIR-Filter und FIR-Filter) und Formen • Messwert-Dezimierer, Digitaler Mittelwertfilter, Gaußfilter • Fensterfunktion • Realisierung mit Matlab

• Messdatenauswertung: zufällige und systematische Messabweichungen, Kalibrierung • Kennlinienabweichungen und Methoden zu deren Ermittlung • Korrelationsanalyse und Regressionsanalyse • Kennlinienkorrektur • Approximation, Interpolation, Extrapolation • Arten der Kennlinienkorrektur • Messunsicherheit und deren Bestimmung • Vorgehensweise zur Ermittlung der Unsicherheit

• Schaltungs- und Leiterplattenentwurf: Leiterplatten • Leiterplattenmaterial • Leiterplattenarten • Durchkontaktierungen • Leiterplattenentwurf und -entflechtung • Software • Leiterplattenherstellung

Lernziele und Kompetenzen:

Lernziele

• Überblick zur Gerätetechnik der Mikro- und Nanomesstechnik sowie deren Funktionsweise und Einsatzgebiete

• Wissen zu rechnergestützter Messdatenerfassung, -auswertung, -analyse und -visualisierung als Grundlage für zielorientierte, effiziente Entw. und für kontinuierliche Produkt- und Prozessverbesserung
  

Kompetenzen

• Bewertung und Auswahl von Messverfahren zur Erfassung dimensioneller Größen an Mikro- und Nanostrukturen

• Bewertung und Auswahl rechnergestützter Werkzeuge für die Mess-datenerfassung, -auswertung, -analyse und -visualisierung, Verstehen von Konzepten zur Sensor-Integration und Datenfusion
  

Literatur:

• Bhushan, B. (Ed.): Springer Handbook of Nanotechnology, Springer Verlag, ISBN-13: 978-3642025242

• Hausotte, T.: Nanopositionier- und Nanomessmaschinen, Pro BUSI-NESS, 2011, ISBN-13: 978-3-86805-948-9

• Lerch, R.: Elektrische Messtechnik. Analoge, digitale und computer-gestützte Verfahren. Berlin, Heidelberg: Springer, 4. Auflage, 2007

• Hoffmann, J.: Handbuch der Messtechnik. München: Hanser, 2012

Organisatorisches:

• Unterlagen zur Lehrveranstaltung werden auf der Lernplattform StudOn (www.studon.uni-erlangen.de) bereitgestellt. Das Passwort wird in der ersten Vorlesung bekannt gegeben.

Weitere Informationen:

Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:

1. Maschinenbau (Master of Science): 1. Semester
   (Po-Vers. 2013 | Studienrichtung International Production Engineering and Management | Masterprüfung | Vertiefungsmodul)

Studien-/Prüfungsleistungen:

Mikro-, nano- und rechnergestützte Messtechnik (Prüfungsnummer: 73151)

Prüfungsleistung, Klausur, Dauer (in Minuten): 120, benotet

Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %

weitere Erläuterungen:
Prüfungstermine, eine allgemeine Regel der Prüfungstagvergabe und Termine der Klausureinsicht finden Sie auf StudOn: Prüfungstermine und Termine der Klausureinsicht

Erstablegung: SS 2014, 1. Wdh.: WS 2014/2015

1. Prüfer:

Tino Hausotte