Zuverlässig, präzise und intelligent – Piezosysteme der nahen Zukunft

Physik Instrumente (PI) ist Vorreiter bei der Piezotechnologie, dank eigner Produktion der Piezokeramiken und viel Potential in der Forschung. Sensorik und Regelungstechnik gewinnen in den nächsten Jahren weiter an Bedeutung. Die Grundlage der Technologie ist ein Effekt, der schon im 19. Jahrhundert beschrieben wurde und über die Jahrzehnte optimiert wurde.

Von Elektrizität und Bewegung

acques und Pierre Curie entdeckten 1880 den Piezoeffekt. Sie erkannten, dass Druck in verschiedenen Kristallen wie Quarz und Turmalin elektrische Ladung erzeugt. Mehr zum Piezoeffekt auf Youtube

Die Entdeckung der Brüder gewann in der Industrie an Bedeutung, als Wissenschaftler entdeckten, dass Bariumtitanat-Keramik durch Anlegen eines elektrischen Feldes piezoelektrische Eigenschaften in nutzbaren Größenordnungen annimmt. 
Das bedeutet: In piezoelektrischen Materialien bewirkt eine Druckeinwirkung, dass Ladungen an den Oberflächen entstehen. Dieser direkte piezoelektrische Effekt, auch Generator- oder Sensoreffekt genannt, wandelt mechanische in elektrische Energie um.
Umgekehrt bewirkt in diesen Materialien der inverse piezoelektrische Effekt eine Längenänderung beim Anlegen einer elektrischen Spannung. Dieser Aktoreffekt wandelt elektrische in mechanische Energie um. Dieses Prinzip macht sich Physik Instrumente zu Nutze und positioniert damit nanometergenau.

Spannungsregelung reicht nicht aus

Die Herausforderung: Der Piezoeffekt muss regelungstechnisch gesteuert werden, um ihn gezielt zu nutzen, deshalb vertraut die Halbleiterindustrie auf Piezosysteme, die mit Sensorik, Controller und Software ausgestattet sind. Mit Wiederholgenauigkeiten im Bereich einzelner Nanometer werden Piezosysteme im Nanoimprint-Verfahren zur Strukturierung von Wafern für Prototypen und kleine Stückzahlen alternativ zu lithografischen Verfahren eingesetzt. Eine andere Anwendung: In der 3D-Laserlithografie setzen die Anwender auf Piezoscantische, um eine präzise Bewegung des zu belichtenden Materials zu erreichen.

„Heute werden rund 90 % der Smartphones …"

"… auf der Welt auch dank unserer Piezotechnologie für die Halbleiterindustrie gefertigt. Wir sind mit der Branche gewachsen und mittlerweile in vielen Anwendungen vertreten. Der Maschinenbau benötigte in den 80er Jahren keine Nanometer-Auflösung von uns – die Halbleiterindustrie schon. Die Strukturen in der Produktion wurden immer kleiner und die Industrie verlangte damals Piezoaktoren und Systeme“, erklärt Dr. Harry Marth, Entwicklungsleiter für Innovationen in der Piezotechnologie bei Physik Instrumente.

„Wir wissen, wie sich Piezokeramiken über die Jahrzehnte verhalten, wie sich Inhaltsstoffe verändern. Das ist ein Datenschatz den wir haben, mit dem wir Modelle abbilden können. Wettbewerber müssen am Markt zukaufen. Die Piezokeramik ist für die großen Industriekeramikhersteller nur eine Nische“, erklärt Marth seinen Wettbewerbsvorteil. Sind chinesische Unternehmen Konkurrenten? „Piezo ist nicht gleich Piezo. Feuerzeuge oder Lautsprecher funktionieren auch mit Piezomaterialien aus China. Unsere Anwendungen sind Industrieanwendungen mit höchster Präzision. Klar, Plagiate finden auch wir, aber unsere Hauptwettbewerber kommen aus den USA und Japan“, berichtet Marth, der sich seit über 35 Jahren mit der Technologie beschäftigt. 

Ein Lohn: Der SEMI Technology Innovation Showcase Award – und die Kunden fordern noch mehr: In der Halbleiterindustrie sind Stillstände in der Produktion ausgeschlossen. Die Unternehmen wechseln Komponenten sicherheitshalber früher, um Stillstände zu vermeiden. „Das ist ökonomisch nicht sinnvoll“, meint Marth.

Die Digitalisierung des Piezo

Deshalb wollen die Forscher die Piezokeramik und das Piezosystem digitalisieren, intelligent machen. „Für jeden Piezo gibt es bald eine eigene IP-Adresse“, scherzt Dr. Mathias Bach, Bereichsleiter für Piezosysteme bei Physik Instrumente. 

Nur ein Scherz? Seine Aussage hat einen wahren Kern: „Das Piezosystem reagiert auf Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Luftdruck. Wir wollen diese Umwelteinflüsse aufzeichnen und analysieren, um Lebensdauermodelle zu entwickeln oder sogar Fernwartungen durchzuführen. Wir brauchen eine Wetterstation am Piezo ohne ein Labor, um die Technologie drum herum zu bauen, denn unser Vorteil ist auch der kleine Bauraum“, berichtet Dr. Bach.

Ein Aktor an der Spindel

Und auch der Maschinenbau zeigt jetzt Interesse an der Technologie. Vor allem in den Werkzeugen sehen Kunden im Bereich Schneiden und Schleifen Anwendungen für Piezosysteme. Das Werkzeug steht im Fokus: Beispiel: Eine Spindel, die rotiert und vibriert; das verspricht Vorteile für den Anwender, denn die beim Erodieren entstehenden Partikel setzen sich nicht in der Bohrung ab und müssen nicht wieder erodiert werden. Bei einer Sack-Bohrung von 0,2 mm Durchmesser in einem 1,0 mm starken VA-Material reduzierte sich im Test auf einer Senkerodiermaschine EA12 von Mitsubishi Electric die Bearbeitungszeit von 200 auf knapp 80 Sekunden. 

Für die Vibrationen sorgt ein Piezoaktor, der in der Spindel verbaut wurde.
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„Oder bei Kippspiegelanwendungen mit Lasern –  spezielle Piezosysteme halten auch nach einem Not-Aus problemlos die Position – anders als traditionelle Antriebs- und Positioniersysteme“, erklärt Bach. „Selbsthemmend eben“, ergänzt der Physiker. 

Es bedarf aber noch Überzeugungsarbeit bei den Maschinenbauern, denn eine Keramik ist empfindlicher als bekannte Antriebssysteme. Aber die Ergebnisse aus der Halbleiterindustrie sind gute Referenzen