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Mikro-, Nano- und rechnergestützte Messtechnik (MNMT u. RMT)5 ECTS (englische Bezeichnung: Micro, Nano and Computer-Aided Metrology)
(Prüfungsordnungsmodul: Mikro-, nano- und rechnergestützte Messtechnik)
Modulverantwortliche/r: Tino Hausotte Lehrende:
Tino Hausotte
Startsemester: |
SS 2015 | Dauer: |
1 Semester | Turnus: |
jährlich (SS) |
Präsenzzeit: |
60 Std. | Eigenstudium: |
90 Std. | Sprache: |
Deutsch |
Lehrveranstaltungen:
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Mikro- und Nanomesstechnik
(Vorlesung mit Übung, 2 SWS, Tino Hausotte, Di, 10:15 - 11:45, 0.154-115)
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Rechnergestützte Messtechnik
(Vorlesung, 2 SWS, Tino Hausotte, Mo, 16:15 - 17:45, H10)
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:
- Wissen
- Die Studierenden können einen Überblick zur Gerätetechnik der Mikro- und Nanomesstechnik sowie deren Funktionsweise und Einsatzgebiete wiedergeben.
Die Studierenden können Wissen zur rechnergestützten Messdatenerfassung, -auswertung, -analyse und –visualisierung als Grundlage für zielorientierte, effiziente Entwicklung und für kontinuierliche Produkt- und Prozessverbesserung abrufen
- Verstehen
- Die Studierenden können Konzepte zur Sensorintegration und Datenfusion beschreiben
- Evaluieren (Beurteilen)
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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:
Schlüsselwörter: FMT
www: http://www.fmt.tf.fau.de/lehre/lehrveranstaltungen.php
Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:
- Berufspädagogik Technik (Master of Education): 3-4. Semester
(Po-Vers. 2010 | Studienrichtung Metalltechnik (Masterprüfungen) | Wahlpflichtmodule Fachwissenschaft | Wahlpflichtmodule (Vertiefungsmodule) | Mikro-, nano- und rechnergestützte Messtechnik)
Dieses Modul ist daneben auch in den Studienfächern "Energietechnik (Master of Science)", "Maschinenbau (Bachelor of Science)", "Maschinenbau (Master of Science)", "Mechatronik (Bachelor of Science)", "Mechatronik (Master of Science)", "Medizintechnik (Master of Science)", "Wirtschaftsingenieurwesen (Master of Science)" verwendbar. Details
Studien-/Prüfungsleistungen:
Mikro-, nano- und rechnergestützte Messtechnik (Prüfungsnummer: 73151)
(englischer Titel: Micro, Nano and Computer-Aided Metrology)
- 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 2015, 1. Wdh.: WS 2015/2016
- Termin: 01.10.2015, 16:00 Uhr, Ort: Mensa-Süd
Termin: 31.03.2016, 14:00 Uhr, Ort: H 10 TechF
Termin: 20.07.2016, 09:00 Uhr, Ort: SR FMT
Termin: 27.03.2017, 09:00 Uhr, Ort: Lehrstuhl FMT, Nägelsbachstr. 25, 1.OG, Seminarraum
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