Leseprobe Digital Engineering Magazin 2010/08

58 Komponenten + Werkstoffe Präzisionspositionierung
PIEZOKERAMIKEN IN DER NANOSTELLTECHNIK
High-Tech für VON
DIPL.-PHYS. STEFFEN ARNOLD
Industrieanwendungen
Aktoren, die auf dem Piezoeffekt basieren, sind seit rund 35 Jahren kommerziell verfügbar und haben seitdem
die Welt der Präzisionspositionierung entscheidend geprägt. Während jedoch um 1970 ihre extremen
Genauigkeiten im Nanometer-Bereich noch eher exotischen Positionieranwendungen in der universitären
Forschung vorbehalten waren, hat die Nanostelltechnik seit Beginn des 21. Jahrhunderts ihren Weg in industrielle
Prozesse gefunden.
SONDERTEIL Komponenten + Werkstoffe
Typische Anwendungsbereiche für piezoelektrische
Materialien finden sich
in der Halbleiter- und Elektronikfertigung
ebenso wie in Metrologie, Mikroskopie
oder Biotechnologie.
Die Anforderungen industrieller Anwendungen
beschränken sich nicht nur
auf die Positioniergenauigkeit. Wichtige
Parameter sind auch die realisierbaren
Stellwege, hohe Geschwindigkeiten
zur Steigerung des Durchsatzes und die
Lebensdauer. In der Nanostelltechnik
werden deshalb heute Piezokeramiken
verwendet, die im Blick auf diese Anforderungen
optimiert sind. Auf diese Weise
können auf Piezokeramiken aufbauende
Aktoren dann im praktischen Einsatz all
ihre positiven Eigenschaften ausspielen:
Sie sind wartungsfrei, weil sie keine im
klassischen Sinn bewegten Teile haben.
Da die Bewegung auf kristallinen Festkörpereffekten
beruht, gibt es keine rotierenden
oder reibenden Mechaniken. Bei
Piezos, die in aktorischen Anwendungen
eingesetzt werden, überzeugen vor allem
die kurzen Ansprechzeiten von wenigen
Millisekunden und die hohe Auflösung.
Gleichzeitig sind große Beschleunigungen
von mehr als 10.000 g erreichbar und
Lasten bis zu mehreren Tonnen lassen
sich bewegen. Darüber hinaus können
Piezos auch in Sachen Energieverbrauch
punkten: Im statischen Betrieb benötigen
sie praktisch keine Energie, selbst wenn
schwere Lasten dauerhaft gehalten werden.
Das Verhalten ist etwa mit dem eines
Bild 1: Multilayer-Piezoaktoren von PI haben bei Langzeituntersuchungen mehrere Milliarden
Zyklen ohne messbare Veränderungen des Verhaltens durchlaufen. Foto: Physik Instrumente
elektrischen Kondensators vergleichbar.
Im statischen Zustand wird keine Wärme
erzeugt.
Vielseitige Piezoaktoren
Der Piezoeffekt natürlicher monokristalliner
Materialien wie Quarz, Turmalin und
Seignette-Salz ist allerdings recht gering.
Deshalb wurden polykristalline ferroelektrische
Materialien mit verbesserten Eigenschaften
entwickelt. In vielen Variationen
verfügbar und die am häufigsten verwendete
Keramik für Aktor- oder Sensoranwendungen
ist Blei-Zirkonat-Titanat (PZT).
PZT verhält sich besonders „polarisationsfreundlich“,
nimmt also piezoelektrische
Eigenschaften besonders gut an. Physik
Instrumente (PI) entwickelt und fertigt die
speziell für den jeweiligen Einsatzbereich
optimierten Piezokeramiken bei der Tochterfirma
PI Ceramic in Thüringen. Attraktiv
sind Multilayer-Aktoren, deren Dicke der
Keramik in den einzelnen Lagen lediglich
um 20 μm beträgt, da sie eine niedrige Ansteuerspannung
besitzen (Bild 1).
Multilayer-Aktoren der PI-Ceramic-eigenen
Entwicklung PICMA sind durch eine
vollkeramische Isolierschicht vor Luftfeuchtigkeit
und Ausfällen durch erhöhten
Leckstrom geschützt. Die PICMA-Aktoren
sind dadurch konventionellen polymerisolierten
Piezoaktoren in Zuverlässigkeit
und Lebensdauer weit überlegen, da sich
Kurzschlüsse zwischen den Elektroden effektiv
verhindern lassen; sie könnten den
Aktor irreparabel zerstören. Die PICMA-
8/2010