HV- und UHV- Positioniersysteme

  • Vakuumklassen von 10-3 bis 10-10 hPa
  • Sorgfältige Auswahl von Komponenten und Materialien
  • Eigenentwickelte Antriebe wie Piezoaktoren und Piezomotoren, oder geeignete Elektromotoren
  • Sorgfältiges Design unter Berücksichtigung des Ausgasverhaltens
  • Sorgfältige Handhabung, adäquate Räumlichkeiten: Ausstattung zur Qualifizierung von Materialien, Komponenten und Endprodukten - auch in Kombination mit anderen schwierigen Umgebungen: unmagnetisch, Cryo, EUV
  • Langjährige Erfahrung

Klassifizierung von Vakuumverstellern bei PI

Um die erforderliche Vakuumklasse zu bestimmen, ist es notwendig, die Applikation möglichst gut zu kennen. Beispielsweise haben Kristallographie oder Optikbeschichtung unterschiedliche Anforderungen nicht nur in Bezug auf den Druckbereich, sondern auch auf die erlaubten Reststoffe innerhalb der Vakuumkammer.

 

Häufig ist der erreichte Partialdruck von Kohlenwasserstoffen entscheidend. Diese sind in Schmierstoffen und Kunststoffen enthalten, werden beim Abpumpen der Vakuumkammer freigesetzt und können Oberflächen kontaminieren. Insbesondere Laseranwendungen im UV-Bereich sind sehr sensibel, weil Kohlenwasserstoffe aufgespalten werden und sich an der Optik niederschlagen.

Weitere Modifikationen von UHV-geeigneten Produkten:

  • Extrem hohes Vakuum bis zu 10-11 hPa
  • Aufbau frei von Schmiermitteln
  • Geeignet für Betrieb in kryogener Umgebung bei -269 bis 40 °C
  • Geeignet für Betrieb in Magnetfelder Strahlungsresistenz (Partikel-, Röntgenstrahlung, EUV)

Hochvakuum (HV)

1 × 10-3 hPa bis 1 × 10-6 hPa  

 

Ultrahochvakuum (UHV)

1 × 10-7 hPa bis 1 × 10-9 hPa  

 

Einheiten

1 hPa = 1 mbar


Antriebstechniken für Vakuumumgebungen

Entscheidend für die Vakuumtauglichkeit eines Positioniersystems ist neben dem Antrieb die Auswahl geeigneter Materialien und zusätzlicher Komponenten. Piezoversteller verwenden Technologien, die grundsätzlich hervorragend für den Einsatz im Vakuum geeignet sind:

Piezoaktoren, kapazitive Positionssensoren und Flexure Festkörpergelenksführungen.

Sie benötigen außerdem keine Schmiermittel und Fette zum Betrieb.

Nanopositionierern sind ohne Polymeranteile hergestellt und haben daher besonders niedrige Ausgasraten. Sie können mit bis zu 150 °C ausgeheizt werden. PICMA Piezoaktoren eignen sich hervorragend für den Einsatz auch in sehr hohen Magnetfeldern. Piezopositioniersysteme können ohne ferromagnetische Materialien gefertigt werden.

Piezoaktoren zeigen Auslenkungen bis weit in den kryogenen Bereich. Sondermodelle von PICMA® Aktoren können bei bis zu -271 °C eingesetzt werden, allerdings mit deutlich reduziertem Stellweg.

Unabhängig vom Antriebsprinzip können alle >> Piezomotoren in Vakuumumgebung eingesetzt werden. Piezomotoren können auch in Magnetfeldern verwendet werden, denn sie erzeugen weder selbst Magnetfelder noch werden sie von diesen beeinflusst. Insbesondere wenn zusätzlich Strahlungsresistenz und Stellwege im Millimeterbereich gefordert, sind Piezomotoren der Antrieb der Wahl.

Motorisierte Versteller verwenden spezielle 2-Phasen-Schrittmotoren, die bis zu 10-9 hPa zuverlässig arbeiten. Ausheizbare Endschalter und geeignete Messsysteme ergänzen die Auswahl. Generell bieten Vakuumversteller geringere Geschwindigkeiten und eine geringere Betriebsdauer als Varianten für Raumluft.


Material und Design

Die Anforderungen an ein vakuum-kompatibeles Material sind:

 

  • Keine Partikelemission
  • Kein Ausgasen
  • Ausheizbar und temperaturbeständig

Bevorzugte Materialien
Edelstahl, Aluminium, Titan, Bronze, FKM (z.B. Viton), Keramik, Saphir, PTFE (z. B. Teflon), PEEK, Polyimid (z. B. Kapton), Glaskeramik (z. B. Macor)

Als Materialien für die Vakuumversteller kommen Aluminiumlegierungen, Edelstahle oder Titan zum Einsatz. Die Oberflächenbehandlung ist auf die Vakuumklasse abgestimmt, z. B. wird die Oberfläche für höhere Vakuumklassen nicht beschichtet, sondern elektropoliert.

 

Für die Verwendung in HV und UHV werden spezielle Vakuumschmiermittel verwendet. Auf Wunsch kann das Schmiermittel bei der Auftragsvergabe definiert werden. Vakuum-Kabelisolierungen bestehen aus Materialien wie PTFE oder FEP (Teflon), auf Wunsch aus Polyimid (Kapton) oder PEEK. Der Einsatz von Kunststoffen und Klebstoffen wird so weit wie möglich reduziert.

Sorgfältiges Design für hochempfindliche Umgebung

Versteller, die speziell für den Betrieb in Vakuum entwickelt werden, müssen eine Reihe von Kriterien erfüllen. Vakuumkammern bieten eng begrenzten Platz, was ein kompaktes Design erfordert.

Lufteinschlüsse, z. B. unter Befestigungen, müssen vermieden werden, da sie das Herstellen eines stabilen Vakuums deutlich verzögern, oder gar unmöglich machen.

Sehr wichtig ist die Auswahl geeigneter Komponenten, vor allem der Antriebssysteme. Zu beachten ist vor allem die Wärmeentwicklung im Betrieb, denn im Vakuum kann die Wärme nur schlecht abgeführt werden. Zur Auswahl ist daher die Kenntnis von geplanten Arbeitszyklen hilfreich. Das Ausgasverhalten der gewählten Einzelteile kann vorab geprüft werden.

Montage und Prüfeinrichung

Vakuumversteller werden unter Reinraumbedingungen montiert. Alle Komponenten werden im Ultraschall gereinigt. Der Versand erfolgt in einer partikelfreien und antistatischen Verpackung. Auf Wunsch werden Ausgastests mit Aufnahme eines Massenspektrogramms zur Beurteilung der Restgaszusammensetzung durchgeführt.

 

  • Reinraumfertigung
  • Ultraschallreinigung
  • Vakuumkammern bis 10-10 hPa
  • Vermessung mit Massenspektrometer und auf Wunsch Auslieferung mit Messprotokoll

 

 


Anwendungen

Vakuumumgebungen finden sich in vielen sensiblen Hochtechnologie-Bereichen wie:

 

  • Halbleiterfertigung
  • Luft- und Raumfahrt
  • Forschung
  • Materialforschung
  • Beamline-Instrumentierung

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Produkte

Für eine Reihe von Verstellerserien bietet PI bereits HV- oder UHV-Versionen als Katalogprodukte an. Fast alle Versteller von PI können für den Einsatz in verschiedenen Vakuumklassen modifiziert werden. Design und Fertigung für Bereiche außerhalb dieser Grenzwerte werden auf Anfrage angeboten. Auch Komplettlösungen für mehrere Achsen sind möglich. Die Vakuumdurchführungen sind im Lieferumfang nicht enthalten und können bei Bedarf dazu bestellt werden. Wenn nicht anders vereinbart oder am einzelnen Produkt beschrieben beträgt die Ausheiztemperatur max. 80 °C.

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PICA Gestapelte piezoelektrische Aktoren

Stack, Power und Thru

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PICMA® Piezolinearaktoren

Multilayer-Piezoaktoren mit vollkeramischer Isolierung

PI Product Q-522 linear stages with Piezomotor
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Für besonders kompakte Baugrößen

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Sensoren

Nanometrologie in Nanopositioniersystemen

PI H-811
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H-811.D2 6-Achsen-Miniatur-Hexapod

Schnell, kompakt und höchst präzise

  • Stellwege bis 34 mm / 42°
  • Belastbarkeit bis 5 kg
  • Aktorauflösung 40 nm
  • Kleinste Schrittweite bis 0,1 µm
  • Wiederholgenauigkeit bis ±0,06 µm
  • Geschwindigkeit bis 10 mm/s
  • Vakuumkompatible Versionen erhältlich
PI H-824
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H-824 6-Achsen-Hexapod

Kompaktes Präzisions-Parallelkinematik-System

  • Belastbarkeit bis 10 kg, selbsthemmende Version
  • Stellwege bis 45 mm / 25°
  • Aktorauflösung bis 7 nm
  • Kleinste Schrittweite bis 0,3 µm
  • Wiederholgenauigkeit bis ±0,1 µm / ±2,5 µrad
  • Geschwindigkeit bis 25 mm/s
  • Vakuumkompatible Versionen erhältlich
  • Leistungsfähiger Controller mit Vektorsteuerung, virtueller Pivotpunkt
  • Umfangreiches Softwarepaket
PI M-062.PD
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M-060 • M-061 • M-062 Präzisionsdrehtisch

Unbegrenzt im Stellbereich

  • Unbegrenzter Stellbereich
  • Sehr hohe Auflösung
  • Höchstgeschwindigkeit 90°/s
  • Spielfrei vorgespannter Schneckenantrieb
  • ActiveDrive DC-Motor, Schrittmotor oder manueller Antrieb
  • Richtungserkennender Referenzschalter
PI M-227KVLA
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M-227KVLA Vakuumkompatibler Linearaktor

Hochauflösender DC-Mike-Linearaktor

  • Kompakte Bauform
  • Vakuumkompatibel bis 10-6 hPa
  • Nichtdrehendes Kopfstück
  • Geregelter DC-Motor
PI M-230
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M-230 Hochauflösender Linearaktor mit DC- oder Schrittmotor

Nichtdrehendes Kopfstück, Endschalter

  • Kleinste Schrittweite 0,05 µm
  • Stellwege 10 und 25 mm
  • Nichtdrehendes Kopfstück
  • Geschwindigkeit bis 1,2 mm/s
  • MTBF >20000 h
PI M-235.5DG
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M-235 Hochauflösender Linearaktor mit DC-Motor

Sehr dynamisch, hohe Kräfte bis 120 N

  • Stellwege 20 und 50 mm
  • Kleinste Schrittweite bis 0,1 µm
  • Direktantrieb ermöglicht hohe Geschwindigkeiten
  • Druck- / Zugbelastbarkeit bis 120 N
  • MTBF >10000 h
PI M-403.1PD
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M-403 Präzisions-Mikrostelltisch

Preiswert und flexibel durch viele Antriebs- und Stellwegvarianten

  • Preisgünstiges, kostenoptimiertes Design für präzise Positionierung
  • Stellwege von 25 mm bis 200 mm
  • Auflösung bis 0,018 µm
  • Kleinste Schrittweite bis 0,2 µm
  • Vorgespannte Präzisionsgewindespindel
  • Grundprofil aus entspanntem Aluminium für hohe Stabilität
  • Vakuumkompatible Versionen erhältlich
  • Höhere Lasten mit M-413 und M-414
PI M-404.42S
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M-404 Präzisions-Mikrostelltisch

Preiswert und flexibel durch viele Antriebs- und Stellwegvarianten

  • Preisgünstiges, kostenoptimiertes Design für präzise Positionierung
  • Stellwege von 25 mm bis 200 mm
  • Auflösung bis 0,012 µm
  • Kleinste Schrittweite bis 0,1 µm
  • Kugelumlaufspindel für hohe Geschwindigkeiten und Zyklenzahlen
  • Grundprofil aus entspanntem Aluminium für hohe Stabilität
  • Vakuumkompatible Versionen erhältlich
  • Höhere Lasten mit M-413 und M-414
PI M-413.2DG
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M-413 Hochlast-Präzisionsversteller

Preiswert und flexibel durch viele Antriebs- und Stellwegvarianten für hohe Lasten

  • Sehr preisgünstige, stabile Varianten
  • Flexibles Baukastensystem M-403, M-404, M-413, M-414
  • Stellwege von 100 bis 300 mm
  • Auflösung bis 0,018 µm
  • Vorgespannte Präzisionsgewindespindel
  • Kleinste Schrittweite 0,2 µm
  • Grundprofil aus entspanntem Aluminium für hohe Stabilität
PI M-413.2DG
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M-414 Hochlast-Präzisionsversteller

Preiswert und flexibel durch viele Antriebs- und Stellwegvarianten für hohe Lasten

  • Verwendung von Präzisionskomponenten
  • Flexibles Baukastensystem M-403, M-404, M-413, M-414
  • Stellwege von 100 mm bis 300 mm
  • Auflösung bis 0,023 µm
  • Kugelumlaufspindel für hohe Geschwindigkeiten und Zyklenzahlen
  • Kleinste Schrittweite 0,1 µm
  • Grundprofil aus entspanntem Aluminium für hohe Stabilität
PI N-480.210C0
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N-480 PiezoMike Linearaktor

Mit kinematischem Spiegelhalter

  • Hohe Stabilität
  • Für Optiken mit 0,5", 1" oder 2" Durchmesser
  • Kompakte Bauform mit integriertem inkrementellem Encoder
  • Schrittweite 1 µrad
  • Lebensdauer > 1.000.000.000 Schritte
  • Vakuumkompatible Versionen bis 10-6 hPa erhältlich
PI N-603
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N-603 Positionsgeregelter Linearversteller

Nichtmagnetisch und vakuumtauglich

  • Stellweg 2 mm
  • Mit 7,4 mm äußerst flach für die serielle Montage
  • Mit Positionssensor für den geregelten Betrieb
  • Piezomotorischer Schreitantrieb
  • Für den Betrieb unter hohen magnetischen Feldern
PI P-915KVPZ
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P-915KVPZ Vakuumkompatibler Piezo-Z-Tisch

Präzision für hohe Lasten, mit großer Apertur

  • Stellweg 45 µm
  • Große freie Apertur 273 mm × 273 mm
  • Direktmetrologie mit kapazitiven Sensoren
  • Direktantrieb für höchste Steifigkeit und Dynamik
  • Vakuumkompatibel bis 10-6 hPa
  • Überlegene Lebensdauer dank PICMA® Piezoaktoren
PI SF-450 PS
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SF-450 PS SpaceFAB

  • Sechsachsiges Mikrorobotik-System
  • Kompaktes System mit flachem Profil
  • Stellwege, linear, 13 mm x 13 mm x 10 mm
  • Stellwege, rotatorisch, Rx, Ry, Rz 14° x 14° x 14°
  • Belastbarkeit bis zu 1 kg, mittig montiert
  • Benutzerdefinierter Pivotpunkt
  • Bedienerfreundliche Software
  • Verwendbar mit jeder modernen Programmiersprache
  • Mit Software, Controller und Verstärkern

Controller, Verstärker und andere elektronische Geräte

Die Regelelektronik ist grundsätzlich nicht geeignet, in der Vakuumkammer betrieben zu werden. Sie muss außerhalb der Vakuumkammer befestigt werden.

Downloads

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Catalog: PI miCos Vacuum Products

Englisch
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Katalog: PI Piezo Nano Positioning 2013/2014

Auf über 500 Seiten präsentiert der PI Gesamtkatalog Grundlagen und Technologie von Nanopositionierung, Piezosystemen und Mikropositionierung.
CAT130
pdf - 16 MB
pdf - 15 MB
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Whitepaper: Motion Control and Precision Positioning in Vacuum Environments

WP4005
Alle
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