Neue Perspektiven für hochpräzise Positioniersysteme

Magnetisches Schweben

Mit einem elektromagnetischen Positioniersystem, bei dem der passive Läufer auf einem magnetischen Feld schwebt, lassen sich Objekte mit bisher unerreichter Führungsgenauigkeit in der Ebene linear oder rotativ bewegen - reibungsfrei.

Neues Positioniersystem, das auf dem magnetischen Schweben (Magnetic Levitation) basiert: Die sechsachsige Bewegung wird über einen 6D-Sensor geregelt. Die Referenzfläche für die Sensorik befindet sich mittig unterhalb des magnetisch schwebenden Läufers. Auch für das Messsystem benötigt der Läufer keine elektrischen Zuleitung.

Bei Inspektions- und Fertigungssystemen der Halbleiterindustrie sind heute mechanische Präzisionsführungen oder Luftlagertechnik mit magnetischen Linearmotoren Stand der Technik. Bei steigenden Anforderungen an die Präzision bis hinunter zu einigen Nanometern sowie dann, wenn unter Vakuum oder in Stickstoffatmosphäre gearbeitet werden soll, stoßen solche Systeme an ihre Grenzen. Ähnliche Anforderungen gibt es auch im Life-Science- und Biotech-Sektor oder der Materialforschung, wo ebenfalls nanometergenau gearbeitet werden muss. Interessante Perspektiven für diese Bereiche erschließt jetzt ein neues elektromagnetisches Positioniersystem, bei dem der passive Läufer auf einem magnetischen Feld schwebt und durch dieses aktiv geführt wird. Objekte lassen sich auf diese Weise mit bisher unerreichter Führungsgenauigkeit in der Ebene linear beziehungsweise rotativ bewegen.

Ein bekanntes Beispiel für magnetische Schwebeantriebe liefern die sogenannten Magnetschwebebahnen. Hier werden Magnetfelder genutzt, um Lasten in einen Schwebezustand zu bringen. Ein Vorteil dieses Prinzips, das Techniker schon seit Beginn des 20. Jahrhunderts fasziniert, ist das Fehlen eines mechanischen Kontakts im Antriebsstrang und der Führung; es gibt folglich keine Reibung. Dies ist eine optimale Voraussetzung für eine hochgenaue Positionierung. Es gibt 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 etwa in der automatisierten Halbleiterfertigung nützlich, um einen Wafer zu bewegen, in sechs Freiheitsgraden nanometergenau auszurichten und dabei für die Bearbeitung präzise im Raum zu positionieren.

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Bisherige Positionierlösungen 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 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, schwierig. Selbst aufwändige und teure 6-D-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.

Der Läufer benötigt keine Elektrik

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 Physik Instrumente (PI), Spezialist für hochpräzise Positioniersysteme, hat in Kooperation mit dem Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme (IMMS) und dem Fachbereich Mechatronik der Universität Ilmenau ein Positioniersystem entwickelt, das ebenfalls auf dem Prinzip des magnetischen Schwebens (Magnetic Levitation) basiert. Aufgrund des 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 6-D-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 ermöglicht 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 Grad 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 beziehungsweise nur gering ausgebildet. Um eine hohe Temperaturstabilität des Arbeitsraumes zu gewährleisten, sind lediglich die Antriebsspulen im Stator von einem flachen sandwichartigen Kühlsystem umgeben, welches die Verlustwärme effizient abführt. Im Betrieb des Systems beträgt dadurch die Temperaturerhöhung an der Spulenoberseite weniger als ein Kelvin.

Im Stator integriertes Messsystem

Herz der Positionsregelung ist das im Stator integrierte hochauflösende Messsystem für die sechs Freiheitsgrade. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen, die zum Beispiel 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 2-D-Sensor besitzt eine Auflösung von zehn Nanometer und kann Verdrehungen um die vertikale Achse bis zu plus/minus 0,25 Grad aufnehmen. Die ebene Referenzfläche für den optischen Sensor besteht aus einem Material mit geringer Wärmedehnung; sie befindet sich mittig unterhalb des magnetisch schwebenden Läufers. Auch für das Messsystem benötigt der Läufer somit keine elektrische Zuleitung.

Die aktuelle Entwicklungsstudie PIMag 6D positioniert mit einer Auflösung von zehn Nanometer. Fährt das System zum Beispiel eine Kreisbahn mit 100 Nanometer 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 bereits heute verschiedene Geometriefiles sowie Koordinatentransformationen verarbeiten und bietet damit eine optimale Basis für Skalierungen. Die Technologie wurde bereits einigen Herstellern im Umfeld der Halbleitertechnologie vorgestellt und stieß auf großes Interesse.

pb

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