Piezo- und Hybridantriebe Trends in der Mikropositionierung

Beim Positionieren, etwa in der Chipfertigung, Leiterplattenproduktion oder Oberflächeninspektion, geht der Trend zu Genauigkeiten bis in den Sub-nm-Bereich bei Stellwegen bis einige 100 mm. Weder klassische Motor-Spindel-Antriebe noch übliche Piezosysteme leisten dies, wohl aber Piezoschritt-Linearantriebe und so genannte Hybrid-Lösungen.

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Physik Instrumente (PI) SE & Co. KG

Ob Halbleiterfertigung oder optische Inspektion, der Trend in der Positionierung geht zu höheren Genauigkeiten bis in den Sub-nm-Bereich bei Stellwegen bis zu einigen hundert Millimetern. Weder klassische Motor-Spindel-Antriebe, noch übliche Piezosysteme leisten dies. In enger Zusammenarbeit mit Anwendern aus unterschiedlichen Branchen konnte die in Karlsruhe ansässige Firma Physik Instrumente (PI) diese positioniertechnische Lücke schließen. Linearantriebe nach dem Piezoschritt-Prinzip (PiezoWalk), Piezo-Ultraschall-Linearantriebe und so genannte Hybrid-Systeme aus mechanischen Linearverstellern mit integriertem Piezosystem sorgen heute dafür, dass Anwender aus den unterschiedlichsten Bereichen auch dann eine „maßgeschneiderte“ Antriebslösung finden, wenn die Applikation extreme Auflösungen bei gleichzeitig großen Stellwegen verlangt.

Zur Mikropositionierung rechnet man grundsätzlich Bewegungen mit Auflösungen von weniger als 1 µm bei Stellwegen von einigen mm bis zu mehreren 10 mm. Klassisch werden hierfür Antriebe mit Elektromotoren und Spindeln eingesetzt. Mit Piezoelementen, die sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung sehr präzise verformen, lassen sich Bewegungen mit Genauigkeiten von unter 1 nm (0,001 µm) erzeugen; die Wege bei dieser so genannten Nanopositionierung sind jedoch auf etwa 1 mm begrenzt.

Es gibt unterschiedliche piezobasierte Antriebskonzepte

Der Einsatz traditioneller Motor-Spindel-Kombinationen, die diese erforderlichen Stellwege bieten, und bisher üblicher Piezosysteme, die die notwendige Genauigkeit liefern, war bisweilen eine kompromissbehaftete Lösung. Denn komplizierte Hilfskonstruktionen mehrerer Positioniersysteme mit komplexer separater Ansteuerlogik und aufwändigen Regelalgorithmen waren die Folge. Das hat sich mittlerweile geändert. PiezoWalk-Linearantriebe, Piezo-Ultraschall-Linearantriebe und so genannte Hybridsysteme erlauben nun in unterschiedlichsten Bereichen eine optimierte Antriebslösung, wann immer die Applikation Mikroauflösungen bei gleichzeitig großen Stellwegen verlangt.

Den genannten Antriebsprinzipien ist eine hohe Steifigkeit eigen. Außerdem wird bei Stillstand stromlos eine hohe Haltekraft erreicht (Selbsthemmung). Dabei haben die drei piezobasierten Antriebskonzepte, die auf unterschiedlichen Grundprinzipien basieren, recht klar abgegrenzte Einsatzbereiche.

Piezo-Ultraschallantriebe für Handhabung und Automation

Piezo-Ultraschall-Linearantriebe, bei denen eine hochfrequente Oszillation der Piezokeramik die Vorschubkraft gegen eine Reibschiene erzeugt, gehören mit Auflösungen von 50 bis 100 nm (0,1 µm) in die Klasse der Mikropositioniersysteme. In vielen Anwendungen sind diese PILine-Antriebe eine interessante Alternative für die klassischen Elektromotor-Spindelkombinationen – vor allem aufgrund ihrer flachen, kompakten Bauform. Typische Einsatzbeispiele liefern Handhabung, Automation und Metrologie, die von der Kompaktheit sowie den hohen Geschwindigkeiten profitieren.

Die patentierten Ultraschallmotoren wirken direkt ohne Zwischenelemente wie Spindeln oder Getriebe und sind umkehrspielfrei. Der Antrieb besteht aus einem Stator, der den piezokeramischen Oszillator enthält und einem als Reibschiene bezeichneten Läufer, der direkt am bewegten Teil eines Schlittens befestigt wird. Da weder Getriebe noch Rutschkupplungen benötigt werden, sind das Resultat leichte, wartungsfreie Antriebe, die sich für hohe Verfahrgeschwindigkeiten bis etwa 600 mm/s und Beschleunigungen bis 15 g eignen. Die typischen Verstellwege liegen zwischen 18 und 100 mm.

Positionierlösung in dreierlei Integrationsstufen

Weil es diese Antriebe zudem in verschiedenen Integrationsstufen gibt, lassen sie sich gut an die jeweilige Applikation anpassen. Der RodDrive mit 7 N Kraft benötigt beispielsweise ein Einbauvolumen von nur 35 mm x 42 mm x 8 mm (ohne Reibschiene). Die miniaturisierte OEM-Version der Antriebe bietet mit 3,2 mm Stellweg bei 9 mm Länge ideale Voraussetzungen für mobile Lösungen, auch aufgrund der geringen Stromaufnahme von 150 mW.

Die entsprechenden Treiberelektroniken konvertieren PWM-Signale oder analoge Eingangssignale in eine hochfrequente Spannung, die den Piezomotor zu Schwingungen anregt und somit die Bewegung ermöglicht. Auch sie gibt es in verschiedenen Integrationsstufen, angefangen von OEM-Platinen über Treiber-Boards im Gehäuse bis hin zum kompakten Controller.

Hohe Auflösung bei konstanter Geschwindigkeit

Soll mit hoher Auflösung linear und bei konstanten Geschwindigkeiten positioniert werden, stehen Hybrid-Nanopositioniersysteme zur Verfügung. Sie bestehen aus sehr präzisen mechanischen Linearverstellern mit integriertem Piezosystem und einer gemeinsamen Ansteuerung. Durch die direkte Integration von Piezoaktoren in Stelltische werden große Stellwege bis zu mehreren 100 mm mit Auflösungen von wenigen nm (abhängig vom Positionssensor typisch 2 nm und <0,1 nm) und Verstellgeschwindigkeiten bis über 100 mm/s möglich. Beide Antriebssysteme werden dabei gemeinsam und kontinuierlich über denselben hochauflösenden Sensor geregelt.

Über den gesamten Stellweg betragen die Wiederholgenauigkeiten dadurch etwa 10 nm, bei Einschwingzeiten von wenigen ms. Diese Eigenschaften der Hybrid-Systeme sind etwa in Anwendungen gefordert, in denen z.B. die Position genau erfasst und später wieder angefahren werden muss. Oder wenn eine externe Positionsvorgabe exakt zu erreichen ist, beispielsweise in der Oberflächeninspektion, aber auch in der Mikroskopie und der Lasertechnik. In der Weißlichtinterferometrie kann zur Messung der einzelnen Höhenprofile statt vieler kleiner Schritte (Step-and-Settle) auch eine konstante Rampe mit zeitlich aufgelöster Messung gefahren werden. Dabei kommt es auf eine extrem konstante Verfahrgeschwindigkeit an, um jede Messungen präzise einer Höhe zuordnen zu können. Dies ist mit gestapelten Mikro- und Nanopositioniersystemen nicht möglich, allerdings mit Hybridsystemen, weil bei diesen während des Verfahrens kontinuierlich die Position geregelt wird.

Die Hybrid-Nanopositioniersysteme sind heute in zwei Mikrostelltischen serienmäßig eingebaut. In einem Hochlast-Präzisionsversteller, der Lasten bis zu 20 kg über Distanzen bis 7 mm auch in vertikaler Richtung auf wenige Nanometer genau positioniert, und in einem Mikrostelltisch, der speziell für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt ist. Er verfährt Lasten bis 20 kg mit bis zu 125 mm/s. Der maximale Verstellweg beträgt 100 mm, die kleinste Schrittweite ist 8 nm. Durch höher auflösende optische Encoder sind entsprechend höhere Genauigkeiten möglich.

Hohe Last, großer Stellweg und Auflösung besser als 0,001 µm

Speziell im Hinblick auf große Stellwege und hoher Dynamik auch bei schweren Lasten bei gleichzeitig extremen Auflösungen von besser als 1 nm (0,001 µm) wurden die patentierten PiezoWalk-Linearantriebe entwickelt, bei denen Piezoaktoren mit unterschiedlichen Bewegungseigenschaften miteinander kombiniert sind. Das Haupteinsatzgebiet dieser Antriebe ist die Halbleiterfertigung.

Entsprechend angesteuert lässt sich damit atomgenaues Positionieren über große Stellwege und (nach Erreichen der Position) eine aktive Schwingungsdämpfung realisieren. Der maximale Verfahrweg dieser Nanopositioniersysteme ist dadurch nicht vom stationären Antrieb selbst, sondern lediglich vom bewegten Gegenstück abhängig und damit theoretisch unbegrenzt.

Mehrachsige Systeme und ungewöhnliche Anwendungen

Zwar entwickeln die Antriebe dabei keine hohen Verfahrgeschwindigkeiten, aber dafür beachtliche Kräfte: Die aktive Stellkraft liegt bei maximal 400 N und die passive Haltekraft bei 600 N. Außerdem lassen sich mit den präzisen Antriebslösungen auch komplexe, mehrachsige Systeme realisieren, wie beispielsweise sechsachsige Hexapoden. Auch ungewöhnliche Einsätze der Linearantriebe sind problemlos möglich, etwa im Hochvakuum, bei stärksten Magnetfeldern oder in Helium-Atmosphäre.

Mit den drei vorgestellten Antriebskonzepten lassen sich damit für zahlreiche Applikationen maßgeschneiderte Positionierlösungen realisieren, die den applikationsspezifischen Anforderungen an Stellweg, Geschwindigkeit, Genauigkeit und benötigte Kraft Rechnung tragen. Die Entwicklung bei piezobasierten Antrieben ist damit jedoch keineswegs abgeschlossen. Weitere Antriebskonzepte sind in Entwicklung.

Vorteile und Eigenschaften von Piezoantrieben

Piezoelektrische Materialien werden eingesetzt, um elektrische Energie direkt in mechanische umzuwandeln und umgekehrt. Für die Nanopositionierung von großer Bedeutung ist die präzise Bewegung, die entsteht, wenn eine elektrische Spannung an ein piezoelektrisches Material angelegt wird. Piezoaktoren können Bewegungen im Sub-nm-Bereich mit hoher Geschwindigkeit durchführen. Beschleunigungen von mehr als 10.000 g sind möglich. Die Bewegung beruht auf kristallinen Festkörpereffekten. Es gibt keine rotierenden oder reibenden Teile. Piezoaktoren können große Lasten bis zu mehreren t bewegen. Sie wirken elektrisch wie kapazitive Lasten und benötigen im statischen Betrieb praktisch keine Leistung. Obendrein sind sie wartungs- und verschleißfrei, weil sie keine bewegten Teile im üblichen Sinne haben.

*Steffen Arnold ist Leiter Markt und Produkte bei Physik Instrumente, Karlsruhe.

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