Hitesh Jayaprakash erhielt für seine Masterarbeit zum Thema „Calibration Concept of Force and Displacement sensors for Nanoindentation using Si-DMS“ den Silicon Science Award in der Kategorie Masterarbeit. Herr Jayaprakash studierte im Masterstudiengang „Scientific Instrumentation“ an der Ernst-Abbe-Hochschule Jena und hat im März 2021 seine Abschlussarbeit am CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH mit dem Prädikat „sehr gut“ abgeschlossen. Betreut wurde er dabei durch Prof. Dr.-Ing. Ronny Gerbach

In seiner Masterarbeit hat Herr Jayaprakash ein neuartiges Kalibrierkonzept für einen Sensor zur Durchführung von Nanoindentationsversuchen entwickelt, aufgebaut und umgesetzt. Die Nanoindentation ist eine Methode zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften wie Härte und Eindring- bzw. Elastizitätsmodul von Materialien und dünnen Schichten. Die bisher verfügbaren Geräte und Aufbauten basieren auf größeren und teuren Geräteaufbauten, die die Messung in einer abgeschlossenen Umgebung durchführen. Als Gerätehersteller sind hier unter anderem Bruker Corporation (ehemals Hysitron Inc.) oder In seiner Masterarbeit hat Herr Jayaprakash ein neuartiges Kalibrierkonzept für einen Sensor zur Durchführung von Nanoindentationsversuchen entwickelt, aufgebaut und umgesetzt. Die Nanoindentation ist eine Methode zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften wie Härte und Eindring- bzw. Elastizitätsmodul von Materialien und dünnen Schichten. Die bisher verfügbaren Geräte und Aufbauten basieren auf größeren und teuren Geräteaufbauten, die die Messung in einer abgeschlossenen Umgebung durchführen. Als Gerätehersteller sind hier unter anderem Bruker Corporation (ehemals Hysitron Inc.) oder Keysight Technologies (ehemals Agilent Technologies) zu nennen, die eine Wegauflösung <0,01 nm und eine Kraftauflösung von 50 nN bei Eindringversuchen ermöglichen.

Für verschiedene Anwendungen sind diese Auflösungen nicht erforderlich, so dass dafür kompakte Lösungen entwickelt wurden. Mögliche Anbieter hierfür sind die ASMEC GmbH und die Helmut-Fischer GmbH. Als alternativer Ansatz wurde am CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik ein universeller Sensor für die Nanoindentation entwickelt, der in unterschiedliche Mess- und Prüfgeräte eingesetzt werden kann. Dieser Sensor besteht aus auf einem kompakten mechanischen Aufbau, auf den Siliziumdehnmessstreifen für die Messung von Kräften und Wegen integriert wurden.

Für die Durchführung von Eindringversuchen mussten die eingesetzten Kraft- und Wegsensoren kalibriert werden. Herr Jayaprakash hat in der vorgeschlagenen Arbeit ein neues Konzept entworfen und in der interdisziplinär aufgestellten Masterarbeit umgesetzt. Zunächst hat er ein robustes Design aus dem vorhandeen Sensorkonzept entwickelt, dass aus einem Wegsensor zur Ermittlung der Eindringtiefe und zur Eliminierung von Winkelabweichungen sowie einem Kraftsensor zur Bestimmung der auf den Eindringkörper wirkenden Kraft während des Eindringvorgangs besteht. Hierfür hat er zur Verifizierung des Aufbaus das Sensorverhalten mittels der Finite-Elemente-Methode simuliert. Auf Basis der erzielten Ergebnisse wurde ein mechanischer Funktionskörper konventionell aus Aluminium gefertigt. Im nächsten Schritt hat Herr Jayaprakash einen Versuchsaufbau konstruiert und aufgebaut. Dieser Aufbau berücksichtigt das Abbesche Komperatorprinzip und ermöglicht eine richtungsabhängige Messung von Kraft mit und entstehender Verschiebung beim Eindringversuch mit hoher Auflösung. Für die Versuchsdurchführung, Messung von Kraft- und Verschiebung sowie für die Auswertung erstellte er ein Programm in LabVIEW, welches den Betrieb des Messplatzes in einem geschlossenen Regelkreis ermöglicht. Zur Erprobung der entwickelten Aufbauten und Methodik charakterisierte Herr Jayaprakash verschiedene Testproben und konnte eine Auflösung der Kraft von einem 1 mN und des Wegs von 20 nm in alle Raumrichtungen erzielen. Die von Herrn Jayaprakash erzielten Ergebnisse sind ein entscheidender Schritt in Richtung der Verwertung des Sensors für wissenschaftliche Folgeaktivitäten und für eine kommerzielle Anwendung des Konzepts für die Nanoindentation. Hierfür wurde am CiS Institut für Mikrosensorik ein öffentlich gefördertes Projekt gestartet, in dem neue Technologien für die Fertigung der für die Eindringversuche benötigten Indentorspitzen entwickelt werden, die auf nanokristallinem Diamantmaterial basieren und durch die hohe Härte eine verlängerte Lebensdauer ermöglichen. Weiterhin soll in einem ZIM-Projekt in Zusammenarbeit mit der Firma Schütz + Licht Prüftechnik GmbH das entwickelte Sensorkonzept in ein kommerzielles Prdukt überführt werden. Für diesen Schritt sind das von Herrn Jayaprakash entwickelte Kalibrierkonzept und die Messaufbauten essentielle Bestandteile, die für zukünftige Weiterentwicklungen benötigt werden.

Aufgrund seiner innerhalb des Studiums gezeigten Leistungen und seiner sehr guten Masterarbeit konnte Hitesh Jayaprakash eine kooperative Dissertation zwischen der mi2-Factory GmbH und der Ernst-Abbe-Hochschule Jena beginnen.

Prof. Ronny Gerbach, Marie Koch