PIMag® 6D Magnetisches Schweben in sechs Freiheitsgraden

Reibungsfrei und auf den Nanometer genau

Bei Inspektions- und Fertigungssystemen der Halbleiterindustrie sind heute mechanische Präzisionsführungen oder Luftlagertechnik mit magnetischen Linearmotoren Stand der Technik.

Bei steigenden Anforderungen an die Präzision bis hinunter zu einigen Nanometern und wenn unter Vakuum oder in Stickstoffatmosphäre gearbeitet werden soll, stoßen solche Systeme jedoch an ihre Grenzen.


Eigenschaften des PIMag® 6D

Der PIMag® 6D ist ein elektromagnetisches Positioniersystem, bei dem der passive Läufer auf einem magnetischen Feld schwebt und durch dieses aktiv geführt wird. Objekte lassen sich auf diese Weise mit bisher unerreichter Führungsgenauigkeit in der Ebene linear bzw. rotativ bewegen.

Ein wesentlicher Vorteil dieses Prinzips ist das Fehlen eines mechanischen Kontaktes im Antriebsstrang und der Führung; es gibt folglich keine Reibung. Weil es keine Reibung gibt, entsteht auch kein Abrieb, der den Arbeitsraum verunreinigen könnte. Außerdem sind weder Luft noch Fett als Schmiermittel notwendig; dadurch können magnetisch geführte Systeme gut im Vakuum oder unter Stickstoffatmosphäre arbeiten.


Funktionsprinzip: Sechs planare Spulen und Halbach-Arrays

Das Positioniersystem PIMag® 6D wurde gemeinsam mit dem Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme und dem Fachbereich Mechatronik der Universität Ilmenau entwickelt. Aufgrund seines einfachen Aufbaus bietet es gegenüber den bekannten Lösungsansätzen gleich eine ganze Reihe an Vorzügen:

Der Läufer schwebt auf einem magnetischen Feld, das lediglich durch sechs planare Spulen im Stator erzeugt wird und sich aktiv über einen 6D-Sensor regeln lässt. Der Läufer selbst ist passiv, kommt also ohne elektrische Zuleitungen aus. Dies erhöht die Bewegungsfreiheit und es gibt keine bewegten Kabel, die die schnelle, großflächige und präzise Bewegung des Läufers beeinflussen.

Die Anordnung der Magnete im passiven Läufer nach dem Halbach-Prinzip erlaubt höhere Nutzlasten, minimiert die zum Tragen des Läufers notwendige Energie der aktiven Spulen im Stator und senkt die thermische Belastung.

Die Halbach-Arrays setzen sich aus Segmenten von Permanentmagneten zusammen, deren Magnetisierungsrichtung gegeneinander jeweils um 90° in Richtung der Längsachse des Arrays gekippt ist. Auf der einen Seite rücken die Feldlinien dadurch näher zusammen, was eine Erhöhung der magnetischen Flussdichte bewirkt. Auf der gegenüberliegenden Seite liegen die Feldlinien weniger eng als im ungestörten Magneten, daher wird das Feld schon in geringem Abstand abgeschwächt, bzw. nur sehr gering ausgebildet.

Um eine hohe Temperaturstabilität des Arbeitsraumes zu gewährleisten, sind lediglich die Antriebsspulen im Stator von einem sehr flachen sandwichartigen Kühlsystem umgeben, welches die Verlustwärme effizient abführt. Im Betrieb des Systems beträgt dadurch die Temperaturerhöhung an der Spulenoberseite weniger als 1 K.


Im Stator integriertes 6D-Messsystem

Das „Herz“ der Positionsregelung ist das im Stator integrierte hochauflösende Messsystem für die sechs Freiheitsgrade.
Der kompakte Sensorkopf des PIMag® 6D besteht aus optischen und kapazitiven Sensorelementen und erfasst die Position des Läufers in allen sechs Freiheitsgraden.

Der inkrementelle optische 2D-Sensor besitzt eine Auflösung von 10 nm und kann Verdrehungen um die vertikale Achse bis zu ±0,25° aufnehmen. Auch für das Messsystem benötigt der Läufer keine elektrische Zuleitung.


Nanometer Präzision: Spezifikationen

Der Prototyp hat aktuell einen Bewegungsbereich von 100 × 100 × 0,15 mm³. Bahnbewegungen können bei einer Beschleunigung von bis zu 2 m/s2 und einer Geschwindigkeit von derzeit bis zu 100 mm/s mit Nanometerpräzision durchgeführt werden.

Bei der Positionierung auf einen Punkt wird zurzeit in den translatorischen Achsen eine Standardabweichung von <6 nm und in den Kippachsen von <250 nrad erreicht. Die aktuelle, schon recht fortgeschrittene Entwicklungsstudie PIMag® 6D positioniert mit einer Auflösung von 10 nm. Fährt das System z. B. eine Kreisbahn mit 100 nm Durchmesser, liegt die maximale Abweichung von der Ideallinie bei nur wenigen Nanometern.

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