Piezo-Würfel für die 3D-Strukturierung

Piezo-Nanopositioniersysteme sind für hochpräzise Positionieraufgaben heute praktisch ohne Alternative: Sie erreichen Wiederholgenauigkeiten im Nanometerbereich bei Ansprechzeiten unterhalb einer Millisekunde, sind vakuumkompatibel und arbeiten in einem weiten Temperaturbereich. Dadurch erschließen sie sich immer wieder neue Einsatzbereiche. Typische Beispiele finden sich in der Halbleiterfertigung ebenso wie in der optischen Messtechnik, der Mikrobearbeitung oder der Photonik. Mit ihrer Hilfe lassen sich heute beispielsweise auch kleinste Polymer- und Proteinstrukturen herstellen. Mit den XYZ-Nanopositioniersystemen NanoCube P-611 hat die Karlsruher Firma PI Präzisionsstelltische im Programm, die ihre Leistungsfähigkeit immer wieder in neuen Anwendungsbereichen beweisen. Bei einer Kantenlänge von lediglich 44 mm eignen sie sich für Stellwege von bis zu 100 x 100 x 100 µm und sind einfach zu integrieren. Angetrieben durch Piezoaktoren erreichen sie Auflösungen bis 0,2 nm bei Ansprechzeiten im Millisekundenbereich. Das (ungeregelte) Grundmodell ist für hochauflösende Positionierungen vorgesehen, bei denen die absolute Position von untergeordneter Bedeutung ist oder deren Regelkreis extern geschlossen wird. Das ist z.B. bei Tracking- oder Faserpositonier-Anwendungen der Fall. Für Applikationen, die hohe Absolut- und Wiederholgenauigkeit erfordern, gibt es eine geregelte Version mit integrierten Positionssensoren. Beide Varianten nutzen vorgespannte Hochleistungs-Piezoaktoren, die in ein reibungs- und spielfreies Führungssystem mit FEM-optimierten Festkörpergelenken integriert sind. Da Aktoren, Führung und Sensoren verschleißfrei arbeiten, sind die Systeme sehr zuverlässig und langlebig. Dies haben sie bereits in zahlreichen Anwendungen beweisen, bei denen hohe Präzision gefordert ist. Ein Beispiel dafür findet sich bei der französischen Firma Teem Photonics, die den NanoCube P-611 in dem neuartigen Mikrofertigungssystem µFab3D einsetzt. Das System erzeugt dreidimensionale Mikrostrukturen und Objekte in lichtempfindlichen Materialien wie Polymeren, Proteinen oder Edelmetallen.

Die Funktionsweise des Mikrofertigungssystems basiert auf der so genannten „Zwei-Photonen-Absorption“, bei der mit einem gepulsten Laserstrahl eine hinreichend große Energiezufuhr im Fokus erzielt wird. Dadurch wird die Materialstruktur durch Polymerisation, Verkettung von Proteinen oder Ausfällen von Metallionen verändert. Zu den typischen Anwendungsbereichen gehören die Mikro-Fluidik, die Zellbiologie sowie die Herstellung photonischer Kristallstrukturen in der Mikrooptik.
Die Auflösung des Systems, also die Größe der Bearbeitungspunkte, die überall innerhalb des Objekts liegen können, beträgt 200 nm. Bearbeitet wird „on the fly“ bei einer Geschwindigkeit von 100 µm/s. Um ein homogens und qualitativ hochwertiges Ergebnis zu erreichen, muss der Laser die Bearbeitungspunkte präzise und mit einer konstanten Geschwindigkeit anfahren. Dafür liefert der NanoCube P-611 mit einem Stellweg von 100 x 100 x 100 µm die besten Voraussetzungen. Da die Größe des zu bearbeitenden Objekts derzeit lediglich durch die Verfahrwege des Piezosystems limitiert wird, soll zukünftig ein System mit größeren Hüben verwendet werden.