Keramische Antriebstechnologie: Nanopositioniersysteme in Theorie und Praxis

Die Größe oder anschaulicher ausgedrückt \’Kleinheit\‘ eines Nanometers (nm), also einem millionstel Millimeter, ist schwer nachvollziehbar. Analogien können hier weiterhelfen: So ist ein menschliches Haar etwa 70.000nm dick; die mittlere Wellenlänge des sichtbaren Lichts wird mit rund 550nm angegeben. In einem Stück Metall entspricht 1nm etwa einer Strecke von vier benachbarten Atomen. Dass dies nicht viel ist, leuchtet ein. Nichtsdestotrotz gibt es heute zahlreiche Bereiche, die eine solche, quasi \’atomgenaue\‘ Positionierung verlangen. Typische Beispiele reichen von der Halbleiterfertigung über Qualitätssicherung und optische Inspektion bis hin zur Biotechnologie. Hier werden immer häufiger Genauigkeiten sogar bis in den Sub-Nanometerbereich verlangt. Beispiele für Präzisionspositionierung: Halbleiterfertigung und Mikroskopie Solche hochpräzise Positionieraufgaben finden sich in der Halbleiterfertigung gleich mehrere, z.B. bei der Fertigung und bei der Qualitätssicherung. Moderne Lithografieprozesse (Bild 1) mit Strukturbreiten bis hinunter zu 25nm erhöhen die Bauteildichte bei integrierten elektronischen Schaltungen und steigern die Leistungsfähigkeit. Auch für die Positioniersysteme sind die entsprechenden Fertigungs- und Prüfprozesse eine Herausforderung. Sowohl bei der Waferausrichtung als auch beim Justieren der Maske und der abbildenden Systeme kommt es auf den Nanometer an. Dabei muss die Anlage oder einzelne Komponenten auch gegen Schwingungen isoliert sein – schließlich geht es ja um Nanometer – und hierfür ist Piezoaktorik praktisch ohne Alternative. Ein weiteres Anwendungsbeispiel für piezobasierte Nanopositioniersysteme liefert die konfokale Mikroskopie (Bild 2). Beim konfokalen Mikroskop wird Licht ausgeblendet, das nicht aus der Brennebene des Objektivs kommt. Nach dieser Methode arbeitet z.B. die Fluoreszenz-Mikroskopie. Neben der Messung der reinen Fluoreszenz-Intensität hat sich heute auch die Messung der Fluoreszenz-Lebensdauer als wichtiger Parameter etabliert. Sie eignet sich besonders für quantitative Messungen. Zusammen mit Kurzpuls-Lasern und Einzelphotonen-Detektoren ermöglicht diese spezielle Datenaufnahme eine extrem hohe Sensitivität und Zeitauflösung. Die Detektion einzelner Moleküle unter dem Zeitaspekt erfordert schnelle Scangeschwindigkeiten über die Probe und eine hohe Wiederholgenauigkeit, um Positionen bzw. Ereignisse zuverlässig wiederzufinden. Nanopositioniersysteme, die entweder die Probe oder das Objektiv entsprechend bewegen, sind hier nicht wegzudenken. Die hohe Positioniergenauigkeit piezobasierter Nanopositioniersysteme ist jedoch keineswegs selbstverständlich. Grundlage dafür ist immer das perfekte Zusammenspiel der einzelnen mechanischen und elektronischen Komponenten. Denn prinzipbedingt haben die eingesetzten Piezoaktoren einige Eigenschaften, die im Bereich der Nanopositionierung eigentlich unerwünscht sind. Diese sind der geringe Hub, typischerweise lediglich zwischen 10 und bis zu einigen 100µm, die nicht geradlinige Bewegung bzw. Auslenkung der Piezokeramik beim Anlegen einer Spannung (Bild 3) und der nicht lineare Zusammenhang zwischen Spannungsanstieg und Positionsänderung (Bild 4). Das ist zwar keineswegs bei allen Anwendungen, die sich die hohe Dynamik und den kompakten Bauraum der Piezokeramik zunutze machen, störend, jedoch ganz sicher im Bereich der Präzisionspositionierung. Will man Piezos für die Nanopositionierung nutzen, muss man also diese drei Probleme lösen. Festkörpergelenke: Größere Auslenkung bei hoher Bahntreue Die beiden ersten Punkte bekommt man mit Hilfe mechanischer Führungssysteme in den Griff. Durch Hebelmechanismen lässt sich die Auslenkung geraderichten und vervielfachen (Bild 5). Allerdings muss das Hebel- und Führungssystem extrem steif, reibungs- und spielfrei sein, um hohe Dynamik und Auflösung im Sub-Nanometerbereich erzielen zu können. Kugel- oder Rollenlager scheiden deshalb aus. Gut geeignet dagegen sind Festkörpergelenke, so genannte Flexures. Mit ihnen lassen sich auch mehrachsige Systeme mit extrem guter Geradeführung aufbauen. Bild 6 zeigt ein Parallelogramm-Flexure. Je nach Aufwand und Fertigungsgenauigkeit ermöglicht ein solcher Aufbau Führungsgenauigkeiten im Nanometerbereich und darunter. Allerdings bedingt die Drehbewegung des Parallelogramms einen geringen Höhenversatz, der in der Praxis bei ca. 0,1% der Stellbewegung liegt. Für Nanopositionieranwendungen, bei denen selbst dieser kleine Fehler nicht toleriert werden kann, hat PI Höhen- und Querversatz kompensierende Multilink-Flexureführungen entwickelt (Bild 7). Diese Führungssysteme ermöglichen eine Ablaufebenheit im Nanometer- bzw. Mikroradianbereich. Spannt man sie vor, lässt sich gleichzeitig die Dynamik steigern. Sensorik für eine präzise Positionierung Punkt 3, der nichtlineare Zusammenhang zwischen Spannungsanstieg und Positionsänderung, spielt bei vielen Anwendungen von Piezoaktoren keine Rolle. Darum kommen Schaltanwendungen, z.B. bei Einspritzventilen, gut ohne geschlossenen Regelkreis zurecht. Anders sieht das bei präzisen Positionieraufgaben aus. Hier müssen nichtlineare Eigenschaften wie Hysterese, Lastschwankungen und Drifteffekte durch den Vergleich des Referenzsignals (Sollposition) mit der vom Sensor gemessenen Position (Istwert) ausgeregelt werden. Zu diesem Zweck müssen in den Piezosystemen Positionssensoren integriert sein (Bild 8). Dabei ist es für eine optimale Genauigkeit wünschenswert, dass der Sensor direkt und berührungslos den bewegten Teil der Mechanik misst (Direktmetrologie). Die höchste Genauigkeit lässt sich dabei mit kapazitiven Sensoren erreichen. Das gilt auch für mehrachsige Systeme. Parallelkinematische Systeme (vgl. Kastentext) besitzen dabei Vorteile hinsichtlich Bauraum und Genauigkeit im Raum gegenüber gestapelten Achsen, weil alle Aktoren auf die zentrale bewegte Plattform wirken. Die Sensorik kann dann alle geregelten Freiheitsgrade gleichzeitig überwachen (Parallelmetrologie) und dadurch Führungsfehler in Echtzeit kompensieren. Die Vorteile sind deutlich bessere Bahntreue, Wiederholbarkeit und Ablaufebenheit. Die Ansteuerelektronik: analog oder digital Dazu muss die Regelelektronik die Sensorsignale entsprechend verarbeiten. Die Elektronik spielt jedoch noch aus einem anderen Grund eine Schlüsselrolle für die Leistungsfähigkeit piezobasierter Nanopositioniersysteme: Eine schnelle Änderung der Betriebsspannung bewirkt eine schnelle Positionsänderung. Ein Piezoaktor kann deshalb bei schlagartigem Anstieg der Steuerspannung seine nominale Auslenkung in wenigen Mikrosekunden erreichen. Voraussetzung dafür ist, dass die Spannungsquelle genügend Strom liefert, um seine Kapazität zu laden. Im statischen Betrieb, also beim Halten in einer bestimmten Position, ist zudem die Stabilität der Spannungsquelle entscheidend. Rauschen oder Drift gilt es so weit wie möglich zu vermeiden. Außerdem müssen die Signale der Sensoren entsprechend verarbeitet werden. Da die Anforderungen applikationsbedingt hinsichtlich Genauigkeit, Spitzenstrom, Dynamik und Linearität differieren, gibt es keine Universal-Ansteuerelektronik, die sich für alle Anwendungsbereiche gleich gut eignet. PI bietet deshalb eine große Auswahl digitaler und analoger Piezolinearverstärker und Piezocontroller an. Dabei haben digitale Controller gegenüber analogen Verstärkerelektroniken Vorteile, die vor allem bei hochpräzisen Positionieraufgaben zum Tragen kommen: Bei ihnen kann auf alle Bewegungsparameter durch Rechenalgorithmen gezielt Einfluss genommen werden. Dies dient der Steigerung der Präzision und den dynamischen Eigenschaften sowie des Bedienungskomforts. Außerdem erlauben digitale Controller die unmittelbare Änderung von Servoparametern, sobald sich z.B. die Last ändert. Schnelle Schnittstellen erlauben die Kommandierung der Systeme mit mehreren 10kHz und mindestens ebenso schnelle Regler stehen den in Echtzeit arbeitenden analogen Systemen in Sachen Geschwindigkeit kaum nach. Die durch die Eigenschaften der Piezoaktoren bedingte Nichtlinearität geregelter Systeme wird bei digitalen Controllern durch Berechnungen mit Polynomen höherer Ordnung auf Werte unter 0,001% reduziert, was bei einem Stellweg von 100µm einer Genauigkeit unter einem Nanometer entspricht. Die digitale dynamische Linearisierung (DDL) reduziert zusätzlich noch während der Bewegung die Abweichung von sich periodisch wiederholenden Bahnkurven. Dies ist relevant für Scanning Anwendungen, bei denen es darum geht, eine bestimmte Position zu identifizieren und präzise wieder anzufahren oder für Anwendungen, bei denen die Bahnkurve für Bearbeitungsschritte eingehalten werden muss. Ohne ein perfektes Zusammenspiel aller mechanischen und elektronischen Komponenten eines Nanopositioniersystems lassen sich solche Anforderungen nicht bewältigen. Kasten: Parallel- und Seriell-Kinematik im Vergleich In der Kinematik unterscheidet man prinzipiell zwischen seriellen und parallelen Systemen. Bei seriellen Kinematiken wirkt jeder Aktor auf eine eigene Stellplattform, ist also eindeutig einer Achse zugeordnet. Dadurch vereinfachen sich zwar der mechanische Aufbau und die Regelung. Da sich Führungsfehler bei den \’gestapelten\‘ Systemen jedoch addieren, ist die Genauigkeit aber geringer als bei den sogenannten Parallelsystemen. Im Gegensatz zur seriellen Kinematik wirken hier alle Aktoren unmittelbar auf die gleiche Plattform, was außer der größeren Genauigkeit noch weitere Vorteile bringt: z.B. geringere Massenträgheit und damit eine höhere Dynamik, gleiche Dynamik jeder Achse und einen deutlich kompakteren Aufbau. Die Steuerung solcher Systeme ist allerdings recht anspruchsvoll und erfordert vom Hersteller viel Erfahrung und Know-how.