Atomgenau mit Piezoeffekt

Linearmotoren - Halbleiterfertigung, optische Produktion und Inspektion oder Biotechnologie fordern hochgenaue Positionierungen im Nano- und Subnanometerbereich. Klassische Motor-Spindel-Systeme können dies kaum mehr leisten. Moderne Piezoantriebe aber schon.

09. Oktober 2006

Die so genannten Piezoelemente lassen sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung in Längs- oder Querrichtung sehr präzise verformen. Die Wege ­beschränkten sich jedoch bisher auf einige Mikrometer. Mit einem neuen technischen Ansatz können sich Piezoantriebe nun, zumindest theoretisch, beliebig weit bewegen und das bei ihrer typischen Auflösung im Subnanobereich. Die Idee dazu hatten Ingenieure der in Karlsruhe ansässigen Firma Physik Instrumente. Die neuartigen Linear­antriebe bieten so theoretisch unbegrenzte Stellwege bei Auflösungen von deutlich besser als 1 nm (0,001 µm). Bei den neuen Antrieben wurden Längs- und Scherpiezos, also Piezoaktoren mit unterschiedlichen Bewegungseigenschaften miteinander kombiniert. Entsprechend angesteuert, lassen sich damit dann sowohl Klemm- als auch Schubbewegungen realisieren. Symmetrisch einander gegenüber sind am Läufer zwei vorgespannte Antriebsmodule angeordnet, die jeweils aus vier Stapeln mit Längs- und Scherpiezos bestehen. Die Stapel halten und bewegen den Läufer gemeinsam, dabei arbeiten immer zwei Stapel pro Modul synchron. Im Prinzip entspricht dieses Bewegungsmuster der Schrittmechanik beim Gehen: »Fuß« anheben, nach vorne bringen, absetzen, nach hinten bewegen. Als nächstes wird »umgeklemmt«, die beiden anderen Piezo-Stapel sind an der Reihe und werden angehoben. Der ganze Bewegungsablauf wiederholt sich. Durch das Umklemmen kommt es bei diesem Ablauf zu kurzzeitigen Unterbrechungen der Bewegung, die immer aus zwei Halbschritten besteht. Das lässt sich jedoch vermeiden, wenn die Klemmung eines Stapelpaares bereits während der Scherbewegung des anderen gelöst bzw. gesetzt wird. Für die Praxis bedeutet das, dass die Last über den gesamten Weg mit konstanter Geschwindigkeit verfahren wird. Außerdem lässt sich die Position aktiv nachregeln. Dadurch kann man auch Schwingungen kompensieren. Die dabei mögliche Auflösung ist theoretisch unendlich, sie wird lediglich begrenzt durch die Steifigkeit des Systems, die Präzision der angelegten Spannung bzw. den verwendeten Weg-Sensor. Die heute üblichen kapazitiven Sensoren erlauben Korrekturen bis in den Picometerbereich. 50 Picometer (0,05 nm) - das entspricht dem halben Durchmesser eines Wasserstoffatoms.

E.-C. Reiff und D. Homburg

Erschienen in Ausgabe: 07/2006