Piezo-Nanopositioniersysteme im Vergleich mit traditionellen Mikropositioniertischen
Piezo-Nanopositioniersysteme mit reibungsfreien Flexure-Führungen sind Stellelementen mit konventionellen Führungssystemen (Kugellagern, Kreuzrollenlagern etc.) in Auflösung, Reproduzierbarkeit und Führungsgenauigkeit deutlich überlegen. Diese Mechaniken können auf Grund der prinzipbedingten Reibung nur Wiederholbarkeiten im Bereich von 0,1 µm erreichen, während Piezo-Nanopositioniersysteme von PI Wiederholbarkeiten im Sub-Nanometerbereich ermöglichen. Durch den Antrieb mit Piezoaktoren, die Beschleunigungen bis zu 100.000 m/s2 generieren, und die geringe bewegte Masse können sie außerdem noch höhere Scangeschwindigkeiten als linearmotorgetriebene Systeme erreichen. Flexure-Führungen sind wartungs- und verschleißfrei. Sie sind 100% vakuumkompatibel, arbeiten in einem weiten Temperaturbereich und benötigen weder Schmierstoffe noch Luft zum Betrieb.
Hohe Führungsgenauigkeit
Piezoelektrische Aktoren zeichnen sich durch unbegrenzte Positionsauflösung aus. Für Anwendungen, bei denen Führungsgenauigkeiten von wenigen Nanometern in einer oder mehreren Achsen entscheidend sind, kann der Piezoaktor in ein Flexure-Führungssystem integriert werden. Das Flexure-System kann darüber hinaus gleichzeitig als Wegübersetzung fungieren. Damit lassen sich sehr kompakte und genaue Nanopositioniersysteme aufbauen.
Paralellkinematik / Parallelmetrologie für höhere Bahngenauigkeit
Piezo-Positioniersysteme der höchsten Genauigkeitsklasse werden in Parallelkinematik aufgebaut, wobei alle Aktoren auf eine zentrale Plattform wirken. Vorteile gegenüber der Seriellkinematik sind u. a.: niedrigerer Schwerpunkt, geringere Bauhöhe und Massenträgheit sowie eine bessere achsenunabhängige Dynamik.
Direkt messende, kapazitive Sensoren, leiten die Position aus der elektrischen Kapazität zwischen Elektroden, die im festen Rahmen und der beweglichen Plattform integriert sind, ab. Die Position der Plattform ist proportional zur ermittelten Kapazität.
Von direkter Positionismessung (Direktmetrologie ) spricht man, wenn der komplette Antriebsstrang in die Messung einbezogen wird: Vom Aktor über Hebel und Führungen zur Stellplattform. Dies führt zu einer höheren Linearität und Phasentreue der Bewegung. Ausserdem spricht die Regelung schneller an und kann steifer eingestellt werden, da äussere Störgrössen vom Sensor sofort erkannt werden.
Für mehrachsige Anwendungen können kapazitive Sensoren als parallel messend angeordnet werden. Die Messungen erfolgen dabei relativ zu einem festen Bezugspunkt, dem Rahmen des Positioniersystems. Die Regelelektronik kann dadurch Übersprechen orthogonaler Achsen in Echtzeit kompensieren.
Warum Flexures?
Flexure-Führungen basieren auf elastischer Deformation von Festkörpern. Sie sind haft-, roll- und gleitreibungsfrei und zeichnen sich durch hohe Steifigkeit, Belastbarkeit und Unempfindlichkeit gegen Schockbelastungen und Vibrationen aus.
Die Mehrachsen-Führungssysteme, die in den meisten PI-Nanopositioniersystemen eingesetzt werden, ermöglichen bidirektionale Ablaufebenheiten und Führungsgenauigkeiten im Nanometer- bzw. Mikroradian-Bereich. Durch die hohe Präzision kann auch in den anspruchsvollsten Positionieranwendungen bidirektional gearbeitet werden.
Anwendungs-Beispiele
- Nanometrologie
- Photonik-Feinpositionierung
- Disk-Drive-Testsysteme
- Nanopositionierung
- Halbleiter-Testausrüstung
- Mikro-Lithographie
- Wafer-Stepper
- Masken-Feinpositionierung
- Präzisionsbearbeitung (Unrunddrehen, -bohren, -schleifen)
- Scanning-Interferometrie
- Oberflächenstruktur-Analyse
- Rastermikroskopie
- Autofokus-Systeme
- Biotechnologie
Gründe die für PI sprechen
- PI beschäftigt die erfahrensten Entwicklungs- und -Fertigungsteams für Nanopositioniersysteme
- Vielzahl von Standard- und Sondersystemen verfügbar
- Eigene Piezokeramikentwicklung und -Fertigung garantiert höheres Qualitätsniveau
- Einziger Hersteller von Piezoantrieben mit vollkeramischer Isolation
- Moderne Ausrüstung für Test, Simulation und Produktion
- Eigene Controllerentwicklung
- Spezielle Nanometrologie-Labors mit sechsfacher Isolation (2 x seismisch, 2 x thermisch, akustisch und aerodynamisch) für aussagekräftige Messungen mit Sub-Nanometer-Genauigkeit
- Eigene Entwicklung und Fertigung hochauflösender kapazitiver Sensoren (Sub-Nanometer-genau)
- Moderne digitale Regelalgorithmen zur dynamischen Piezolinearisierung erhöhen Bandbreite und Durchsatz
- ISO-9001 zertifiziert seit 1994
Nanopositionier-Lösungen von PI
- Standard-, OEM- und kundenspezifische Designs
- 1- bis 6-Achsensysteme
- Parallelkinematik und Parallelmetrologie für bessere Mehrachsengenauigkeit
- Geregelter Betrieb für höhere Linearität und Wiederholbarkeit
- Integrierte kapazitive Positionssensoren für Sub-Nanometer-Auflösung und Stabilität
- Optimierte Mechanik, Regelalgorithmen und Software für höhere Bandbreite
- Leistungsfähige Controller und Verstärker (digital, analog, modular, OEM, ...)
- Patentierte Feedforward-Techniken für schnelleres Einschwingen
- Dynamische digitale Linearisierung (DDL) zur Unterdrückung von Trackingfehlern
- FEM-computerberechnete, reibungsfreie Flexure-Führungen für Führungsgenauigkeiten im Nanometer- und Mikroradian-Bereich
- Invar-, Titan-, Stahl- und Aluminiumversionen für optimierte thermische Stabilität
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Nanopositioniersysteme der PIHera® Serie.
Piezo Nanopositioniertisch Animation
Komplexes Flexure-Mehrachsenführungssystem mit Roberts-Lenker verhindert Parallelogrammversatz.
Prinzip eines trägheitsminimierten, monolothischen Parallelkinematik-Nanopositioniersystems mit kapazitiven Sensoren in Parallemetrologie-Anordnung. Genauigkeit, Ansprechverhalten und Führungseigenschaften sind deutlich besser als bei Mehrachsensystemen serieller Kinematik (siehe Abschnitt "Tutorium").
Parallel-Kinematik XY, Theta-Z Nanopositioniertisch, Animation.
Flexure-Führungssysteme der höchsten Genauigkeitsklasse entstehen im Drahterodierverfahren.
Ansprechverhalten eines PI Nanopositioniersystems auf ein Rechtecksteuersignal. Sub-Nanometer-Auflösung, -Stabilität und die hervorragende bidirektionale Wiederholbarkeit sind deutlich zu sehen.
Ablaufebenheit eines Nanopositioniertisches mit aktiver Führung über einen Bereich von 100 x 100 µm. Die Ebenheit liegt bei ca. 1 Nanometer. |
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