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Auf den Nanometer genau

Magnetisches Schweben: Perspektiven für hochpräzise Positioniersysteme
Auf den Nanometer genau

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Bei Inspektions- und Fertigungssystemen der Halbleiterindustrie sind heute mechanische Präzisionsführungen oder Luftlagertechnik mit magnetischen Linearmotoren Stand der Technik. Interessante Perspektiven erschließt jetzt ein neues elektromagnetisches Positioniersystem, bei dem der passive Läufer auf einem magnetischen Feld schwebt und durch dieses aktiv geführt wird.

Exklusiv in KEM Die Autoren: Dr. Rainer Gloess ist Leiter Advanced Mechatronics bei der Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG in Karlsruhe; Ellen-Christine Reiff ist Fachjournalistin beim Redaktionsbüro Stutensee

Ein bekanntes Beispiel für magnetische Schwebeantriebe liefern die sogenannten Magnetschwebebahnen. Dort werden Magnetfelder genutzt, um Lasten in einen Schwebezustand zu bringen. Ein wesentlicher Vorteil dieses Prinzips, das Techniker schon seit Beginn des 20. Jahrhunderts fasziniert, ist das Fehlen eines mechanischen Kontaktes im Antriebsstrang und in der Führung; es gibt folglich keine Reibung. Diese Reibungsfreiheit beim magnetischen Schweben bietet eine optimale Voraussetzung für eine hochgenaue Positionierung.
Es exisitieren jedoch noch weitere Vorteile: 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. Diese Eigenschaften sind beispielsweise in der automatisierten Halbleiterfertigung nützlich – etwa um einen Wafer zu bewegen, in sechs Freiheitsgraden nanometergenau auszurichten und dabei für die Bearbeitung präzise im Raum zu positionieren.
Aufwändige Lösungen stoßen an ihre Grenzen
Bisherige Positionierlösungen dagegen waren sehr aufwändig. Luftlager sind nur bedingt vakuumgeeignet, und die Druckluftversorgung muss zur Verfügung gestellt werden. Planare magnetische Führungen nutzen heute üblicherweise ein Array aus Spulen und Magneten im Stator und Läufer. Je nach Position des Läufers muss aber jede der Spulen sehr aufwändig individuell bestromt werden. Zudem ist die Integration eines hochauflösenden Messsystems, mit dem sich Schwebehöhe (z) und eine Verkippung des Läufers um die horizontalen Achsen (x, y) erfassen lassen, sehr schwierig.
Selbst aufwändige und teure 6D-Laserinterferometer benötigen dazu eine höchst ebene Referenzfläche in der Größe des X-y-Fahrbereiches. Die strukturelle Anordnung solcher sich gegenüberliegender Arrays aus Spulen und Magneten bietet jedoch keinen Freiraum für diese Referenzfläche im Inneren des Motors. Außen angeordnet, würde diese die nutzbare Auflagefläche für ein zu bewegendes Objekt stark einschränken. Ein hochauflösendes Messsystem für alle sechs Freiheitsgrade ist jedoch Voraussetzung für eine exakte Positionierung, wie sie beispielsweise die Waferbearbeitung erfordert. Wesentlich vielversprechender ist deshalb ein anderer Ansatz. Die Karlsruher Firma Physik Instrumente (PI) beweist das gerade:
Sechs planare Spulen und Halbach-Arrays
Der Spezialist für hochpräzise Positioniersysteme hat in Kooperation mit dem Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme (IMMS) und dem Fachbereich Mechatronik der Universität Ilmenau ein neues Positioniersystem entwickelt, das ebenfalls auf dem Prinzip des magnetischen Schwebens (Magnetic Levitation) basiert. Aufgrund seines einfachen Aufbaus bietet das System 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 Messsystem
Das Herz der Positionsregelung ist das im Stator integrierte hochauflösende Messsystem für die sechs Freiheitsgrade. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen, die etwa auf einem laserinterferometrischen Prinzip beruhen und Positionsdaten aus drei um den Läufer verteilten Lasersensoren gewinnen, ist der Sensorkopf des Mag6D dadurch wesentlich kompakter. Er besteht aus optischen und kapazitiven Sensorelementen und erfasst die Position des Läufers in allen sechs Freiheitsgraden. Der inkrementale optische 2D-Sensor besitzt eine Auflösung von 10 nm und kann Verdrehungen um die vertikale Achse bis zu +/- 0,25° aufnehmen.
Die äußerst ebene Referenzfläche für den optischen Sensor besteht aus einem Material mit geringer Wärmedehnung und trägt eine Rasterstruktur, die in den Koordinaten x-y-rz abgetastet werden kann. Sie dient ebenfalls als Messelektrode für die drei kapazitiven Sensorpaare zur Erfassung der Koordinaten z-rx-ry. Die Referenzfläche befindet sich mittig unterhalb des magnetisch schwebenden Läufers. Auch für das Messsystem benötigt der Läufer somit keine elektrischen Zuleitung.
Prototyp mit viel Potenzial
Der Prototyp hat aktuell einen Bewegungsbereich von 100 mm x 100 mm x 0,15 mm. 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 beispielsweise eine Kreisbahn mit 100 nm Durchmesser, liegt die maximale Abweichung von der Ideallinie bei nur wenigen Nanometern.
Der digitale Controller des elektromagnetischen Antriebs, basierend auf einem modularen System von PI, kann heute verschiedene Geometriefiles sowie Koordinatentransformationen verarbeiten. Er bietet damit eine optimale Basis für Skalierungen. Die Technologie wurde bereits einigen Herstellern im Umfeld der Halbleitertechnologie vorgestellt und stieß auf großes Interesse. In die Weiterentwicklung des elektromagnetischen Positioniersystems werden deshalb konkrete Anwendungsanforderungen einfließen. Auf die nächsten Entwicklungsschritte darf man folglich gespannt sein.
PI, Tel.: 0721 4846-0, E-Mail: info@pi.ws
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