Nanopositioniertechnik: Eigenschaften, Vorteile, Anwendungen
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Nanopositioniertische und Scantische
Vom Piezoaktor zu Piezo-Nanopositionier- und Scansystemen
Das Herzstück der PI Piezo-Nanopositioniersysteme bildet der piezokeramische Aktor. Die Auslenkung von Piezoaktoren basiert auf molekularen Effekten im Festkörper und ist daher reibungsfrei. Dadurch können Bewegungen mit einer Positionsauflösung im Nanometer- oder gar Subnanometerbereich ausgeführt werden. Diese spezifischen Eigenschaften eines Piezoantriebs bilden zusammen mit einem gleichfalls reibungsfreien, hochsteifen Führungssystem und linearen Nanometrologiesensoren mit kürzester Ansprechzeit zu einem Nanopositioniersystem mit bester Performance.

Lange Lebensdauer - PICMA® Piezoaktoren
PI Nanopositioniersysteme werden von den prämiierten PICMA® Piezoaktoren angetrieben, den einzigen Aktoren mit vollkeramischer, eingebrannter Isolierschicht. Die PICMA® Technologie ist Ergebnis von Forschungen des PI Tochterunternehmens PI Ceramic, um die Lebensdauer und Performance in Nanopositionieraufgaben zu verbessern.

Flexureführungen – die mechanische Grundlage
Die Bewegung eines Flexuregelenkes beruht auf der elastischen Deformation eines Festkörpers. Dadurch treten weder Haft-, Roll- noch Gleitreibung auf. Die Flexureelemente zeigen hohe Steifigkeit, Belastbarkeit und sind dabei sehr unempfindlich gegen Schockbelastungen und Vibrationen. Flexure-Führungen sind wartungs- und verschleißfrei. Sie sind 100% vakuumkompatibel, arbeiten in einem weiten Temperaturbereich und benötigen keinerlei Schmierstoffe. Das Flexure-System kann darüber hinaus gleichzeitig als Wegübersetzung fungieren. Damit lassen sich sehr steife und genaue Nanopositioniersysteme mit Stellwegen bis in den Millimeterbereich verwirklichen.

Hohe Führungsgenauigkeit
Durch ein integriertes Flexure-Führungssystem wie es in den meisten PI Nanopositioniersystemen zur Anwendung kommt, kann eine Führungsgenauigkeit von wenigen Nanometern bzw. Microradian und eine hohe Ablaufebenheit erreicht werden. Dies stellt sicher, dass auch anspruchsvollste Positionieraufgaben unabhängig von der Bewegungsrichtung ausgeführt werden können, was den Durchsatz deutlich erhöht.

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.

CE & RoHS Konformität
Alle Standard Nanopositioniersysteme von PI erfüllen die CE und RoHS Vorgaben.



Nanometergenauigkeit: Die richtige Messtechnik

Genauigkeiten im Bereich weniger Nanometer und darunter erfordern ein Positionsmessverfahren im Versteller, das Bewegung in diesem Bereich auch erfassen kann. Die fünf wichtigsten Kenndaten für die Auswahl des geeigneten Verfahrens sind Linearität, Auflösung (Sensitivität), Stabilität, Bandbreite und nicht zuletzt die Kosten. Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die Fähigkeit, die Bewegung der Plattform direkt aufzunehmen, außerdem spielt die Unterscheidung zwischen Messungen mit und ohne Kontakt eine Rolle. Typischerweise werden drei verschiedene Typen von Sensoren in Nanopositionierern mit Piezoaktoren verwendet: kapazitive, Dehnmessstreifen und Linearencoder. Tabelle 1 enthält eine Gegenüberstellung ihrer spezifischen Eigenschaften. Wenn lange Stellwege von einem Millimeter und darüber erreicht werden sollen, ersetzt ein PiezoWalk® Antrieb den klassischen Piezoaktor. Dann wird zur Positionsrückmeldung ein spezielles optisches Lineal verwendet, mit Nanometerauflösung und hervorragender Linearität.

Kapazitive Sensoren von PI ermitteln nach kapazitivem Messprinzip den Abstand zwischen zwei Plattenelektroden, bzw. zwischen einer Platte und einer ebenen, leitenden Oberfläche. Diese Sensoren werden so in das Nanopositioniersystem integriert, dass keine Auswirkung auf Baugröße und Masse (Trägheit) zu erwarten sind. Kapazitive Sensoren erreichen die beste Auflösung, Stabilität und Bandbreite. Bei entsprechender Anordnung erfassen sie direkt die Bewegung der Plattform (direkte Metrologie) und arbeiten berührungslos. Mit kapazitiven Sensoren wird auch die beste Linearität (Genauigkeit) erreicht. Kapazitive Sensoren und die passende Messelektronik von PI arbeiten mit hochfrequenten Anregungssignalen, die einen besonders großen Bandbreitenbereich abdecken und driftfrei arbeiten (Stabilität unter einem Nanometer über mehrere Stunden, s. S. 3-17ff). Das PI-eigene Linearisierungssystem ILS verbessert die Linearität noch weiter. In digitalen Steuerelektroniken von PI ermöglichen Algorithmen mit Polynomen höherer Ordnung sowie zusätzlich die Methode der dynamischen, digitale Linearisierung (DDL) Positioniervorgänge mit einer Linearität bis 0,01% und darunter. Für höchste Ansprüche sind kapazitive Positionsmesssysteme das Mittel der Wahl.

Dehnmessstreifen-Sensoren (DMS) bestehen aus einer dünnen Metall- oder Halbleiterfolie, die auf der Piezokeramik oder - für verbesserte Präzision - auf dem Führungssystem eines Flexureverstellers aufgebracht ist. Diese Art der Positionsmessung erfolgt also mit Kontakt, und entspricht einer indirekten Wegmessung da die Position der bewegten Plattform aus einer Messung am Hebel, Führung oder Piezostapel abgeleitet wird. PI verwendet Vollbrückenschaltungen mit mehreren Dehnmessstreifen je Achse, um die thermische Stabilität zu verbessern. Außerdem ist die mechanische Ankopplung an die vollkeramische Oberfläche der PICMA® Aktoren stabiler als bei Polymerummantelung, wodurch das Ergebnis der Messungen mit Dehnmessstreifen verbessert wird.

LVDT Sensoren messen die magnetische Energie in einer Spule. Ein magnetischer Kern bewegt sich mit der Plattform in der feststehenden Spule, die am Grundkörper montiert ist. Dies bewirkt eine Änderung der Induktivität proportional zur Positionsänderung. LVDT Sensoren messen die Position direkt und berührungslos, Sie sind außerdem kostengünstig, arbeiten sehr stabil und liefern wiederholbare Ergebnisse, benötigen aber einen größeren Bauraum.


Sensortyp Empfindlich
-keit* (Auflösung)		 Linearität* Stabilität* / Wiederhol-barkeit Band-
breite*		 Mess-
verfahren		 Anregungs-
signal
Kapazitiv +++ +++ +++ +++ direkt / berührungs
-los		 AC
Dehnmess-streifen (DMS) ++ + + ++ Indirekt** (abgeleitet) / mit Berührung DC
LVDT + + ++ + direkt / berührungs
-los		 AC
Linear-encoder +++*** +++*** +++*** ++ direkt / berührungs
-los		 DC

*Die Einstufungen beziehen sich auf die Eigenschaften des Nanopositioniersystems. Die Angaben zu Auflösung, Linearität, Wiederholbarkeit im jeweiligen Datenblatt geben die Spezifikation des Gesamtsystems wieder, einschließlich Controller, Mechanik und Sensor. Die Überprüfung erfolgt mit externen Messmitteln (Zygo Interferometer). Die Angaben dürfen nicht mit den theoretischen Daten des Sensorsystems verwechselt werden.
** Dehnmessstreifen-Sensoren (Metallfolien, Halbleiter, piezoresistive Materialien) leiten die Positionsinformation aus ihrer Ausdehnung ab.
*** Für Stellwege über 1 mm.



Paralles oder Serielles Design
Prinzipiell gibt es zwei unterschiedliche Möglichkeiten, einen Versteller für mehrere Bewegungsachsen zu konstruieren: Mittels paralleler oder serieller Kinematik. Seriellkinematische Systeme, ob verschachtelt oder gestapelt, sind einfacher im Aufbau und meist kostengünstiger zu fertigen, weisen aber gegenüber parallelkinematischen Systemen einige Einschränkungen auf. Ein serielles Mehrachsen-System weist jedem Aktor und jedem Sensor genau eine Bewegungsrichtung zu. Die Verstellerachsen tragen jeweils die aufmontierte nächste Achse, wodurch sich die Positionierfehler immer weiter addieren. In einem parallelkinematischen Mehrachs-System hingegen wirken alle Aktoren direkt auf dieselbe bewegte Plattform, wodurch die Gesamtgröße sich deutlich reduziert. Außerdem ist die Trägheit geringer, und Fehler durch geschleppte Kabel können eliminiert werden. Dadurch ist es möglich, für die X- und Y-Achse dasselbe dynamische Verhalten zu erreichen. Eine höhere Dynamik, und höhere Scanningraten, verbesserte Führungsgenauigkeit, Wiederholbarkeit und Stabilität sind die Folge.

Direkte Parallelmetrologie: Mehrachsmessungen gegen eine feste Referenz
Ein Verstellerdesign mit Parallelkinematik ermöglicht die Verwendung von direkter Parallelmetrologie, die Vermessung aller Freiheitsgrade gegen eine einzige feste Referenz. Die klaren Vorteile bei den Leistungseigenschaften rechtfertigen die aufwändige Qualifikation.

Von Parallelmetrologie spricht man, wenn ein Sensor die Gesamtheit der Bewegungen in einer bestimmten Achse erfasst, und nicht nur die eines einzigen Antriebs. Der komplette Antriebsstrang wird in die Messung einbezogen: Vom Aktor über Hebel und Führungen zur Stellplattform. Ein ungewolltes Übersprechen der Bewegung in eine andere Achse z.B. durch äußere Krafteinwirkung kann so detektiert und in Echtzeit aktiv ausgeregelt werden. Diese so genannte Aktive Führung ermöglicht eine hohe Bahntreue im Nanometerbereich, auch bei dynamischem Betrieb.

Digitale und Analoge Steuerelektronik
PI hat weltweit das größte Angebot an digitalen und analogen Piezolinearverstärkern und Piezoservocontrollern.

Die Steuerelektronik hat eine Schlüsselrolle für die optimale Nutzung von Nanopositioniertischen, Kippspiegeln und Piezoaktoren. Besonders rauscharme und dabei sehr stabil arbeitende Linearverstärker und Servocontroller sind eine wesentliche Voraussetzung, denn piezoelektrische Aktoren reagieren bereits auf kleinste Änderungen in der Steuerspannung mit einer Auslenkung.

Industrielle Anwendungen erfordern maximalen Durchsatz in kürzester Zeit, hier helfen digitale Regelalgorithmen von PI, die Linearität zu erhöhen und Einschwingzeiten sowie Phasenversatz zu minmieren. Dynamische Hochleistungsaufgaben profitieren von den einzigartigen Hochleistungsverstärkern (bis 2000 W) mit Energierückgewinnung.

Die digitalen Regelelektroniken von PI haben verschiedene Vorteile gegenüber analogen: Koordinatentransformation, Linearitätskompensation in Echtzeit und Eliminierung diverser Driftanteile. Außerdem erlauben digitale Controller die unmittelbare Änderung von Servoparametern sobald sich z.B. die Last ändert. Allerdings sind nicht alle Digitalelektroniken gleich - in der Praxis ist es wichtig, das digitale Konzept gut zudurchdenken und alle Komponenten aufeinander abzustimmen. Sonst kann es sein, dass z.B. das Rauschen sogar verstärkt wird, während die positiven Eigenschaften eines gut eingestellten analogen Systems nicht erreicht werden, wie z.B. schnelle Einschwingzeiten, Stabilität und zuverlässiger Betrieb, oder auch die Kompatibilität mit hochentwickelten Feed-Forward Regelungen.

Nanopositioniersysteme von PI enthalten einen ID-Chip für den Betrieb mit Digitalcontrollern, der systemspezifische Daten und Messinformationen an die Steuereinheit übermittelt, wodurch die Mechaniken oder Controller einfach ausgetauscht werden können, ohne dass eine Neuvermessung des Systems erforderlich wird.

Alle PI Steuerelektroniken, sowohl digitale als auch analoge, verfügen über einen oder mehrere einstellbare Notchfilter. Controller mit Notchfilter können für höhere Bandbreiten eingestellt werden, da Randeffekte durch systemimmanente Resonanzen unterdrückt werden, bevor sie die Systemstabilität beeinträchtigen können. Die optionale Mach™ InputShaping® Funktionalität optimiert das Einschwingverhalten auch für die anspruchsvollsten Applikationen.

Unterstützte digitale Schnittstellen
PI Controller verfügen über schnelle TCP/IP, USB und RS-232 Interfaces (Details im jeweiligen Datenblatt). Die Bewegungskommandos werden direkt in SI-Einheiten eingegeben (z. B. Mikrometer und Mikroradian), was Programmierung und Bedienung deutlich vereinfacht. Zusätzlich können die Parameter für die Regelung, Tiefpass- und Notchfilter einfach angepasst und in einem nichtflüchtigen Speicher erfasst werden.

Optional bietet eine Parallelschnittstelle (PIO) die Möglichkeit, den Kommandoparser zu umgehen und bis zu 20000 Positionen pro Sekunde zu lesen oder zu schreiben. Mit schnellen PCI Schnittstellen erreicht man so Datentransferraten bis zu 1 MHz.

Bandbreite der Schnittstelle und Timing
Piezogetriebene Versteller führen innerhalb von Milli- oder gar Mikrosekunden eine kommandierte Bewegung aus.

Infolgedessen besitzt die Synchronisation von Bewegungen mit anderen Ereignissen einen hohen Einfluss in der Automatisierung, wie zum Beispiel in der Mikroskopie oder der Bildgebung. USB-Schnittstellen sind beispielsweise daraufhin ausgelegt, große Datenpakete möglichst schnell zu übertragen, das Timing spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Bei Hochgeschwindigkeits-Tracking oder -Scanning Aufgaben ist die Übertragung kurzer Befehle ohne Verzögerung wichtiger als die Übertragung großer Datenmengen.

Verschiedene Faktoren beeinflussen das Verhalten digitaler Schnittstellen: Das Timing des Betriebssystems auf der Host-Seite, das Übertragungsprotokoll, die Bandbreite der Schnittstelle und die Verarbeitungszeit des Interfaces für Befehle auf der Controllerseite. Parallelschnittstellen erfordern kein Kommandoparsing und bieten das beste Verhältnis von Durchsatz und Timing.

Darüber hinaus ist die Bandbreite des Positioniersystems von Belang. Langsamere Systeme mit einer Resonanzfrequenz von z.B. 100 Hz profitieren weniger von einer schnellen Datenübertragung als schnelle Scanner.

Analoge Ein- und Ausgänge
Optional erhältliche Analogeingänge können beliebig konfiguriert werden: Wahlweise als Steuereingang, wobei die angelegte Spannung die Sollposition vorgibt, oder als externer Sensorwert, z.B. für ein Autofokus Signal.

Optionale Analogausgänge steuern externe Linearverstärker oder dienen als Sensorsignaloder Spannungsmonitor.

Die einzelnen Datenblätter geben Auskunft über die Verfügbarkeit und den Spannungsbereich der analogen Ein- und Ausgänge. Üblicherweise beträgt der Spannungsbereich ±10 V.



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
Nanopositioniersysteme der PIHera® Serie.
Piezo Nanopositioniertisch Animation



Komplexes Flexure-Mehrachsenführungssystem für grosse Stellwege (10mm) 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").


PI Controller verfügen über eine Reihe verschiedener Schnittstellen und erlauben damit eine sehr flexible Ansteuerung: Aktuelle Ethernet (TCP/IP) und USB Anbindung, für Industriekunden das unempfindliche RS-232 Protokoll

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.