Multilayer-Piezoaktoren PICMA

Wasser-Stopp

Keramische Isolierung schützt Piezoaktoren
Keramisch isolierte Hochleistungs-Piezoaktoren: langlebig auch unter erschwerten Einsatzbedingungen.
Piezoaktoren wandeln elektrische Energie direkt in mechanische und umgekehrt. Dabei können typischerweise Stellwege bis zu etwa einem Millimeter bei Auflösungen bis hinunter in den Nanometerbereich und hoher Dynamik mit Frequenzen bis zu mehreren tausend Hertz erreicht werden.

Da die Bewegung auf kristallinen Effekten beruht, gibt es keine rotierenden oder reibenden Teile; Piezoaktoren sind dadurch wartungs- und verschleißfrei. Allerdings können je nach Einsatzbereich Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Betriebsspannung ihre Zuverlässigkeit und Lebensdauer erheblich beeinträchtigen. Doch es gibt Abhilfe: optimierte Materialien und Herstellungsverfahren, ein entsprechender Aufbau sowie die Wahl der geeigneten Isolierung.

Piezoaktoren sind einsatzbedingt oft hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Typisches Beispiel: Positionieraufgaben in der Halbleiterfertigung. Hier arbeitet man üblicherweise mit hoher (konstanter) Offset-Spannung, um zum Beispiel Wafer während Lithografie und Inspektion stabil in Position zu halten. Dabei werden die Reinräume künstlich befeuchtet, um elektrostatischen Überschlägen vorzubeugen. Spezifikationen von 65 Prozent relativer Feuchte sind daher keine Seltenheit. Eine weitere Ursache für erhöhte Umgebungsfeuchte sind Kühlflüssigkeiten in Maschinenbauanwendungen. Auf stabilen Betrieb kommt es aber auch in zahlreichen weiteren Anwendungsbereichen an, beispielsweise bei der Weißlicht-Interferometrie, die häufig bei Inspektionsaufgaben genutzt wird, etwa in der LCD-Produktion oder bei hochgenauen Oberflächeninspektionen in anderen Fertigungsbereichen.

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Luftfeuchtigkeit schadet

Unter solchen Einsatzbedingungen wirkt sich Luftfeuchtigkeit häufig negativ auf die eingesetzte Piezoaktorik aus. Die Lebenserwartung konventioneller, polymerisolierter Piezoaktoren kann dramatisch sinken, da es keine Polymerumhüllung gibt, die wirklich feuchtigkeitsdicht ist. Durch die hohen elektrischen Gleichfelder im Innern des Aktors werden Wassermoleküle angezogen. Eindringende Feuchtigkeit und das anliegende elektrische Feld bedingen dann im Bauelement chemische Reaktionen, die bei höheren Temperaturen noch beschleunigt werden. Die Folge sind zunächst erhöhte Leckströme und schließlich ein dielektrischer Durchschlag beziehungsweise ein Kurzschluss zwischen den Elektroden, der den Aktor dann irreparabel zerstören kann.

PI Ceramic, ein Tochterunternehmen der Karlsruher Firma Physik Instrumente (PI), verzichtet deshalb bei den Multilayer Piezoaktoren der PICMA-Serie auf die sonst übliche Polymerisolierung. Wichtigster Schutz dieser Aktoren vor eindringender Feuchtigkeit ist stattdessen der monolithische Aufbau mit vollkeramischer Isolierschicht, die das Eindringen von Wassermolekülen wirksam verhindert. Messungen zum Leckstrom belegen dies. Während polymerisolierte Piezoaktoren bereits nach wenigen Stunden erhöhte Leckströme zeigen, bleibt bei keramischer Isolation der Isolationswiderstand langfristig stabil. Das überzeugt auch die Anwender. Dr. Karl Spanner, Geschäftsführer bei Physik Instrumente (PI), meint dazu: „Früher verwendeten wir polymerummantelte, zugekaufte Piezoaktoren. Seit wir PICMA-Aktoren in unseren Nanopositioniersystemen einsetzen, gibt es keine Probleme mit der Zuverlässigkeit. Wir konnten die Lebensdauer unserer Systeme um den Faktor zehn erhöhen, haben industrietaugliche Produkte und keine Reklamationen.“

Zuverlässigkeit ist belegt

Piezoaktoren werden in Positionieranwendungen üblicherweise mit konstanter Spannung betrieben, um die erreichte Position über längere Zeit zu halten. Um die zu erwartende Lebensdauer zu ermitteln, müssen also die Einflussfaktoren Temperatur, relative Luftfeuchte und angelegte Spannung berücksichtigt werden. Die geringen Ausfallraten machen es praktisch unmöglich, die Lebensdauer von PICMA-Aktoren bei realen Einsatzbedingungen experimentell zu ermitteln. Zur Abschätzung der Lebensdauer dienen daher beschleunigte Lebensdauer-Prüfungen mit einer erhöhten relativen Luftfeuchtigkeit. Daraus resultiert dann die Angabe der mittleren Lebensdauer im realen Einsatz. Besonders hoch ist dabei der Einfluss der angelegten Spannung. Bei 80 Volt beispielsweise ist die zu erwartende Lebensdauer zehnmal so hoch wie bei 100 Volt. Auch in puncto Betriebsspannung haben die PICMA-Aktoren damit die Nase vorn, denn im Gegensatz zu den meisten handelsüblichen Ausführungen erreichen sie bereits bei Betriebsspannungen deutlich unter 150 Volt ihre Nennauslenkung. Diese Eigenschaft wird durch die Verwendung besonders dünner Keramikschichten erreicht.

Stabil im Dauerbetrieb

Multilayer-Piezoaktoren werden häufig auch in hochdynamischen Anwendungen eingesetzt, etwa in Ventilen, Pumpen oder Ultraschallwandlern. Hier müssen sie zyklischen Beanspruchungen mit einem schnellen Wechselfeld standhalten und dabei hohe Ansteuerspannungen von typischerweise mehr als 50 Volt (bei einer Frequenz von 100 Hertz oder mehr) verkraften. Im dynamischen Betrieb erwärmt sich die Piezokeramik, was die Einflüsse durch die Luftfeuchtigkeit reduziert. Die Lebensdauer der Piezos wird hier in höherem Maß von dynamischen Kräften und wechselnden mechanischen Spannungszuständen beeinflusst. Um die Lebensdauer von Piezoaktoren im dynamischen Betrieb zu erhöhen, muss man deshalb die Risswahrscheinlichkeit reduzieren. Hier setzt die PICMA-Technik an, denn das patentierte Slot-Design minimiert die Dehnungsbelastung. Die seitlichen Schlitze verhindern eine Überhöhung der mechanischen Zugspannungen im Stapel und wirken so der Bildung unkontrollierter Risse entgegen. Außerdem sorgt der ebenfalls patentierte mäanderförmige Aufbau der äußeren Elektroden für einen stabilen elektrischen Kontakt aller Innenelektroden selbst bei extremen dynamischen Belastungen. pb

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