Piezopedia - Fragen und Antworten

Allgemeine Fragen und Antworten zu Piezotechnologie und Produkten

Auflösung:

Im Katalog wird eine Auflösung von z.B. 2 nm angegeben. Wie kann man diese Auflösung überprüfen?

Auf Kundenwunsch und auf Grund der vorgegebenen Stellenzahl der Anzeige können einige unserer Verstärker (z.B. NV 40/1 CLE) nur zwei Stellen nach dem Komma ausgeben. Der Verstärker kann somit den Weg des Systems nur in 10 nm-Schritten anzeigen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Aktoren eine schlechtere Auflösung haben als im Katalog angegeben, sondern nur, dass diese nicht am Display sichtbar ist.

Um die genaue Auflösung zu überprüfen, muss der Monitorausgang genutzt werden. Über die MON-Spannung und die sensitivity (aus demKalibrierprotokoll) kann der genaue Weg und somit die Auflösung ermittelt werden.


Digitale Auflösung:

Ich habe einen digitalen Verstärker EVD50. Wie berechne ich die kleinste Schrittweite, falls ich den Aktor mit dem PC betreiben möchte?

Die minimale Schrittweite (Auflösung) ist abhängig vom Hub des Aktors sowie der Auflösung der Schnittstelle und kann berechnet werden, indem der Hub des Aktors durch die 20bit Auflösung der Schnittstelle (1.048.576) geteilt wird.

Im Fall eines PX 400, errechnet sich die Auflösung mit 400µm geteilt durch 1.048.576 und resultiert in einem Ergebnis von 0,4nm.


Gerätebezeichnung – Suffixe:

Wofür stehen die Suffixe, z.B. bei dem Verstärker “ENV 300 nanoX SG”?

EndungBeispielEndung steht für:geeignet für Aktoren…
Beispiel-Aktor
SGENV 300 SGstrain gauge… mit integriertem Dehnmessstreifen (DMS)PA 8/14 SG,
PU 40 SG,
MIPOS 250 SG
CAPENV 300 CAPcapacitive… mit integriertem kapazitivem SensorPZ 38 CAP, PXY
100 CAP, MIPOS
250 CAP
CLEENV 300 CLEclosed loop
extern
… externem kapazitivem oder DMS SensorPA 8/14 SG – extern
PZ 38 CAP – extern
nanoXENV 300 nanoXnanoX… der Serien nanoX, nanoSX, nanoSXY und PSH (mit bidirektionalem Antrieb)nanoX 200, nanoSX 400,
nanoSX 400, PSH 15/1
nanoMIPOS 400
nanoX SGENV 300 nanoX
SG
nanoX
strain gauge
… der Serien nanoX, nanoSX, nanoSXY und PSH mit integrierten Dehnmessstreifen (DMS)nanoX 400 SG,
PSH 35 SG
nanoX CAPENV 300 nanoX
CAP
nanoX
capacitive
… der Serien nanoX, nanoSX, nanoSXY und PSH mit integriertem kapazitiven SensornanoX 200 CAP,
nanoSXY 400 CAP,
nanoMIPOS 400 CAP
nanoX CLEENV 300 nanoX
CLE
nanoX
closed loop
extern
… der Serien nanoX, nanoSX, nanoSXY und PSH mit externem kapazitiven oder DMS SensornanoX 200 CAP-
extern

Hohe Frequenzen im geregelten Betrieb:

Können Aktoren, die mit Dehnmessstreifen ausgestattet sind, im geregelten Betrieb (closed loop) hohe Frequenzen erreichen?

Nein, die höchste Frequenz, die mit DMS-Aktoren im geregelten Betrieb erreicht werden kann, ist ca. 30Hz.
Die Bandbreite der Sensorverstärker beträgt zwar 5 kHz, allerdings benötigt die Regelelektronik Zeit um diese Signale zu verarbeiten und die Position des Aktors zu korrigieren.
Eine Frequenz von ca. 100 Hz kann erreicht werden wenn man die Regelung auf einzelne Parameter optimiert. Dies erfolgt durch piezosystem jena im Rahmen einer Spezial-Kalibrierung.


Kabel:

Welche Kabel werden verwendet?

piezosystem jena verwendet geschirmte Hochvoltkabel. Eine UL-Zertifizierung ist möglich. Für Anwendungen im Vakuum werden Teflon-Polyimid-Kabel eingesetzt, welche nicht ausgasen. Auf Anfrage sind ebenfalls Kaptonkabel erhältlich.


Kabel:

Welche Länge haben die Kabel?

Die Kabellänge für Aktoren ohne Messsystem (open loop) beträgt 1 m. Aktoren mit kapazitivem Messsystem werden mit 1,6 m, Systeme mit Dehnmessstreifen mit 1,2 m geliefert (closed loop-Systeme). Für Anwendungen im Vakuum ist die Kabellänge auf 0,6 m begrenzt, außerhalb beträgt sie 2 m. Sonderkabellängen sind auf Anfrage erhältlich.


Kalibrierung:

Was und wann ist die Durchführung der Kalibrierung?

Jedes geregelte System muss kalibriert werden. Dabei wird der Verfahrweg des Piezoantriebssystems auf den Spannungsbereich des Verstärkers eingestellt.
Die Kalibrierung wird mittels eines hochauflösenden Interferometers durchgeführt. Zu jedem kalibrierten System wird ein Kalibrierungsprotokoll mitgeliefert. Spezifiziert der Kunde keine Parameter (zusätzliche Masse, Schrittweite, Frequenz, Verfahrweg, etc.) führt piezosystem jena eine Standardkalibrierung durch.

piezosystem jena gibt ein Jahr Gewährleistung auf die Kalibrierung. Erfahrungswerte zeigen, dass die Kalibrierungen  über Jahre hinweg stabil bleiben. Sollte eine Neukalibrierung notwendig werden, führen wir diese gern durch.          

Alle Änderungen, die am System vorgenommen wurden (z.B. Modifizierung des Kabels, Temperaturunterschiede), wirken sich auf die Genauigkeit aus und können Änderungen der Messwerte, die im Protokoll aufgeführt werden, nach sich ziehen.


Lebensdauer und Ausfallsicherheit:

Welche Angaben können zur Lebensdauer und Ausfallsicherheit der Piezoaktoren gemacht werden?

für statische Anwendungen:

  • siehe Katalog (Piezoline, Kapitel 11) “Lifetime – reliability”

für dynamische Anwendungen:

  • siehe Katalog (Piezoline, Kapitel 11) “Lifetime – reliability”

Da die Parameter von Anwendung zu Anwendung stark variieren, ist die Ermittlung der Lebensdauer für dynamische Anwendungen mit einer allgemeingültigen Formel nicht möglich.

Viele Kunden setzen unsere Piezoaktoren seit Jahren in statischen, dynamischen und auch hochdynamischen Anwendungen ein, ohne Ausfälle zu verzeichnen, z.B.

AnwendungSysteme im Einsatz
Spezialmikroskopefür 15 years
Kamerasfür 10 years
Lithographiefür 10 years
Lasertechnologiefür 10 years
Printtechnologiefür 7 years
Rapid Prototypingfür 5 years
Mikroskopiefür 5 years
Wafer Inspektionfür 5 years

MIPOS Serie: Einfacher Objektivwechsel dank Lens Flex-Adadapter:

Was ist bei Vakuum-Anwendungen zu beachten?

Die neue MIPOS mit Lens Flex-Adadapter ermöglicht dadurch die Kombination von Objektiven und Mikroskopen, jeweils unterschiedlicher Hersteller. Durch ein speziell angepasstes Design entstehen keine zusätzlichen Kräfte beim Objektivwechsel. 

Die Verwendung  austauschbarer Adapter  in den Größen von  W0.8 x 1/3 “bis zu M32 x 0.75 erlaubt den schnellen und einfachen Objektivwechsel. Somit sind die  Systeme uneingeschränkt kompatibel zu den meisten Standardstativen und inversen Stativen.  Sie können mit Objektiven von bis zu 40mm Durchmesser eingesetzt werden. Die MIPOS wird dabei im Objektivrevolver fixiert.  Lens Flex-Adapter sind sowohl einzeln als auch im Set von sechs Gewinde Adaptern für die einfache  Kombination verschiedener Mikroskope und Objektive erhältlich.

Die Serie MIPOS wurde speziell für die hochgenaue Positionierung von Mikroskopobjektiven entwickelt. Je nach Version decken MIPOS Positionierungssysteme einen Stellbereich von  20 µm bis 500 µm ab. Durch die sehr hohe Genauigkeit und Auflösung eignet sich die MIPOS perfekt zum Upgrade eines bereits bestehenden Mikroskopsystems.

Produkt Highlights:

  • Maximaler Hub von bis zu 500 µm
  • Erhältliche Adaptergrößen : W0.8×1/36” (RMS), M25x0.75, M26x0.75, M26x1/36”, M27x0.75, M32x0.75
  • Parfocal Spacer Ringe für Rohrverlängerung
  • Kompatibel zu Standard- und inversen Mikroskopen

Pinbelegung:

Wie ist die Pinbelegung für die Aktoren von piezosystem jena?

Eine Übersicht zu den Pinbelegungen finden Sie unter Downloads.


Resonanzfrequenz:

Kann man den Piezoaktor bei der angegebenen Resonanzfrequenz betreiben?

  1. Prinzipiell empfehlen wir, den Piezoantrieb mit max. 80 % der Resonanzfrequenz zu betreiben. Höhere Arbeitsfrequenzen können den Piezoaktor zerstören. Ausnahme ist, wenn mit deutlich unter 10 % des Hubes betrieben wird. Dann kann im Bereich oder über der Resonanzfrequenz betrieben werden.
  2. Die in den Datenblättern angegebene Resonanzfrequenz ist oft die ohne zusätzliche Masse. Jede zusätzliche Masse verringert die Resonanzfrequenz.
  3. Beim dynamischen Betrieb von Piezoantrieben werden sehr schnell hohe Ströme benötigt, je höher die gewünschte Arbeitsfrequenz, desto höher der benötigte Strom. Da der Strom nicht unendlich gesteigert werden kann, begrenzt manchmal der Strom die mögliche Arbeitsfrequenz.

RoHS-Richtlinie:

Erfüllt piezosystem jena die RoHS-Richtlinie?

Alle von piezosystem jena angebotenen Produkte erfüllen die Anforderungen der EG-Richtlinie 2011/65/EU.

Sie können die Erklärung unter Downloads abrufen.


Softstart:

Ist die Softstart-Funktion abschaltbar?

Ja, bei Bedarf kann die Softstartfunktion deaktiviert werden. Dies ist beispielsweise sinnvoll bei Anwendungen, welche täglich gestartet werden, oder wenn ein Vollhub des Piezoaktors zu Kollisionen führen kann.

Das Abschalten der Initialisierung erfolgt per Software oder durch Umsetzen des entsprechenden Jumpers. Bitte informieren Sie uns bei der Bestellung über Ihre Anforderungen.


Softstart:

Wozu braucht man die Softstart-Funktion?

Der inverse piezoelektrische Effekt ist ein Festkörpereffekt, der darauf beruht, dass sich elektrisch polarisierte Elementarzellen abhängig vom angelegten elektrischen Feld ausrichten. Aufgrund längerer Lagerung können Depolarisationsvorgänge auftreten. Damit verbunden sinkt die Durchbruchfeldstärke der Multilayer der Piezokeramik.

Ein schlagartiges Anlegen von hoher Spannung kann einen Kurzschluss innerhalb des Piezoaktuators verursachen. Um dies zu vermeiden, wird mit dem automatischen Ausführen der Softstartfunktion die Piezokeramik repolarisiert bzw. refresht.


Softstart:

Was bedeutet Softstart?

Softstart ist ein Verfahren zur Initialisierung des Systems, welches aus einem Piezoaktuator und einem Verstärker besteht. Nach dem Einschalten des Verstärkers durchfährt dieser seinen gesamten Spannungsbereich einmal. Dabei bewegt sich der Piezoaktuator von der minimalen (Nulllage) bis zur maximalen Position und wieder zurück.

Bei Aktoren der Serien nanoX, nanoSX, nanoSXY und nanoMIPOS sowie bei einigen Spiegelkippsystemen erfolgt die Bewegung von der Mittenposition zur maximalen- und zur Nulllage. Dieser Zyklus dauert ca. 3 Sekunden. Danach ist das System betriebsbereit.


Spezialkalibrierung:

Was ist eine Spezialkalibrierung?

Eine Spezialkalibrierung kann erforderlich oder wünschenswert sein.

– Ist erforderlich, wenn sich in der Anwendung gravierende Unterschiede zu den Bedingungen der Standard-Kalibrierung ergeben, z. B.:

  1. Andere als “normale” Bewegungsrichtung – z. B. Nutzung der MIPOS horizontal
  2. Änderung der unteren Regelreserve (Standard ca. 10 % vom ungeregelten Hub)
  3. Änderung der oberen Regelreserve (Standard ca. 10 % vom ungeregelten Hub)
  4. Andere Masse, Masse mit dynamisch ungünstiger Form (lange Hebel), nichtzentrische Belastung

– Ist wünschenswert, um System mit einer ganz bestimmten Ansteuerung schneller einzustellen

Wird das System z. B. immer mit einer bestimmten Sinus-Frequenz angesteuert, funktioniert zwar die Standard-Kalibrierung.Eine Einstellung der PID-Werte des Reglers auf dieses spezielle Ansteuerregime wird jedoch ein schnelleres Arbeiten ermöglichen.

Änderungen an der Reglereinstellung für analoge Verstärker können nur von piezosystem jena vorgenommen werden.
Änderungen an der Reglereinstellung für digitale Verstärker (EVD 50 CL, 30DV50) kann der Kunde selbst vornehmen. Bitte sehen Sie dazu auch die Vorteile der ASC-Funktion.


Spiegel befestigen:

Wie werden die Spiegel auf die Kopfplatte des Spiegelkippsystems PSH befestigt? Wird dafür eine zusätzliche Verbindung benötigt?

In den meisten Fällen werden die Spiegel durch den Kunden selbst auf dem Spiegelkippsystem befestigt. Größtenteils werden diese auf die PSH geklebt. Für das System PSH 4/1 besteht außerdem die Möglichkeit einen Spiegelhalter zu verwenden.


Standardkalibrierung:

Was ist eine Standardkalibrierung?

Alle geregelten Systeme (Positioniersysteme mit Wegsensor) werden kalibriert. Die Kalibrierung erfolgt in 3 Schritten:

  1. Festlegen des Nullpunktes der geregelten MON-Spannung auf 0 V (bei etwa 10 % des ungeregelten Hubes).
  2. Einstellen der Verstärkung der geregelten MON-Spannung und Abgleich auf 10 V bei maximalen geregelten Hub (bei etwa 90 % des ungeregelten Hubes).
  3. Einstellen der PID-Anteile des Reglers auf schnellstmögliche Antwort des Aktors mit geringstem möglichen Überschwingen und schnellst möglichem Abklingen der Schwingung.
  • Betreiben des Aktors in Standard-Bewegungsrichtung
  • Dazu wird der dynamisch ungünstigste Fall unterstellt – Sprung auf maximalen Hub
  • In Abhängigkeit vom Design und dem Hub werden bestimmte Massen verwendet (z. B. MIPOS bis 100 µm – 135 g; MIPOS > 100 µm – 160 g; Piezoantrieb bis 100 µm – 50 g; Piezoantrieb 101-200 µm – 100 g; Piezoantrieb > 200 µm – 150 g)

Da es sich um den dynamischen “worst case” handelt, sollte diese Einstellung alle möglichen Fälle abdecken; kann jedoch im speziellen Anwendungsfall zu langsam sein. Deshalb bietet piezosystem jena Spezialkalibrierungen an.


Steckerausführungen:

Welche Stecker werden verwendet?

Spannung

  • LEMO 0S.302 für ungeregelte und geregelte (Dehnmessstreifen) interne Messsignal-Verstärker
  • LEMO 0S.302 für geregelte externe und interne kapazitive Messsignal-Verstärker
  • ODU L-Serie 3pin für alle nanoX-basierten Piezos
  • D-Sub 15 digitale Ausführung

Sensor

  • LEMO 0S.304 für interne, mit Dehnmessstreifen ausgestattete Messsignal-Verstärker
  • LEMO 0S.650 für interne, mit kapazitivem Messsystem ausgestattete Messsignal-Verstärker
  • ODU L-Serie 4pin für externe Messsignal-Verstärker (entweder Dehnmessstreifen oder kapazitives System)
  • D-Sub 15 digitale Ausführung

System-Konfiguration:

Welche Angaben werden benötigt, um für Sie das richtige System zu finden?

Unser Vertriebsteam unterstützt Sie gern bei der Auswahl des richtigen Systems. Dabei spielt häufig der geplante Einsatz eine wichtige Rolle.

Mit folgenden Daten helfen Sie bei der Vorausauswahl des Aktors:

  • Hub
  • benötigte Kraft (bei welchem Hub?)
  • Bewegungsrichtung – horinzontal/vertikal
  • Anzahl der Achsen Masse Masseverteilung (gern mit Skizze / Foto)
  • benötigte Auflösung, Wiederholbarkeit und Nichtlinearität
  • Wird eine bestimmt Positionsstabilität gefordert?
  • Welche Dynamik wird gefordert?
    • statische Anwendung: Wie lange soll der Aktor in einer Position bleiben?
    • dynamische Anwendung: Wird eine schnelle Sprungantwort benötigt?
  • Welche typischen Schrittweiten sind erforderlich?
  • Oszillation – Sinus, Rechteck, Dreieck?
  • Welche Umgebungsbedingungen liegen vor? (Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Vakuum/Tieftemperatur)
  • Welche Kräfte wirken auf den Piezo? (seitliche Kräfte / Bewegung des Piezos z.B. auf einem Lineartisch)

Temperaturbereich:

Was ist der richtige Temperaturbereich für den Einsatz piezoelektrischer Aktoren?

Die von piezosystem jena eingesetzten piezoelektrischen Keramiken haben eine Curietemperatur von ungefähr 150°C. Die volle Wirkung des piezoelektrischen Effektes kann bis zu nur 80°C garantiert werden. Höhere Temperaturen können eine Verringerung des Polarisationseffektes verursachen, beschädigen aber normalerweise nicht die Keramik.

Der piezoelektrische Effekt arbeitet bis zu fast 4 Kelvin. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Wirkung auf fast 10% des Effektes abfällt, der bei Zimmertemperatur erreicht wird. Die Keramiken von piezosystem jena sind für eine Temperatur von -20°C bis zu 80°C spezifiziert. Alle Systeme werden bei einer Raumtemperatur von 22°C kalibriert. Änderungen der Temperatur beeinflussen die Genauigkeit des Systems.

Bitte fragen Sie uns, falls Sie das System in anderen Temperaturbereichen einsetzen wollen (z.B. Ultrahochvakuum).

Bitte beachten Sie, dass der Temperatureffekt für das Material um die Keramik herum (z.B. Edelstahlgehäuse) wichtiger sein kann, als für die Keramik selbst.


Tieftemperatur-Anwendungen:

Was ist bei Tieftemperatur-Anwendungen zu beachten?

Der Piezoeffekt selbst nimmt zu tiefen Temperaturen mit ca. 0,4% pro Kelvin ab. Im Bereich normaler Raumtemperatur kann dies vernachlässigt werden. Im Bereich tiefer Temperaturen (unterhalb 77 K) kann mit 20-30% des Hubes bei Raumtemperatur gerechnet werden.
Unter dieser Einschränkung des verringerten Hubes sind Piezoaktoren grundsätzlich auch bei tiefsten Temperaturen (4 K) einsetzbar. Besonderes Augenmerk muss auf die zusätzlich verwendeten Materialien verwendet werden (z.B. Isolationsmaterialien mit ausreichender Elastizität).

Alle Systeme, die in der Vakuumausführung bestellt werden, sind auch für den Einsatz in kryogener Umgebung geeignet.


Ungeregelter Betrieb: 100% Hub – geregelter Betrieb 80% Hub:

Warum erreiche ich im closed-loop-Betrieb nur 80 % des Verfahrweges vom open-loop-Betrieb?

Werden Piezoaktoren mit einem Messsystem in einem geschlossenen Regelkreis verwendet, so steht nicht mehr der volle Bewegungshub zur Verfügung.
Um die angegebenen Grenzwerte des Nullpunktes und der maximalen Bewegung in der angegebenen Regelzeit zu erreichen, benötigt die Regelung eine gewisse Spannungsreserve. Die Verringerung der Bewegung liegt bei ca. 20 % des maximalen Wertes.


Unterscheidung CAP – SG

Welche Unterschiede bestehen bei den closed loop Versionen zwischen kapazitivem Sensor / Messsystem und Dehnungsmessstreifen DMS ?

Piezosysteme mit kapazitiven Sensoren als Feedback System, besitzen grundsätzlich die bessere Auflösung (Sensorauflösung 1nm), Nichtlinearität (typ. 0.05%) sowie eine bessere Wiederholbarkeit. CAP-Systeme sind die erste Wahl bei Anwendungen, bei denen z.B. eine gute Langzeitstabilität nötig ist. Kapazitive Sensoren sind in der Regel zwischen Festpunkt und Abtrieb im Aktoraufbau angeordnet, erfassen somit den gesamten mechanischen Aufbau und können daher hochgenau die Position regeln.

Dehnungsmesstreifen erreichen Auflösungen bis 35nm. Ein Vorteil ist die kleine Bauform sowie die hohe Bandbreite bis zu 5kHz. Für Anwendungen mit Auflösungen oberhalb 35nm sind sie eine gute Alternative. Nachteil ist die lokale Anordnung der Messbrücken (z.B. nur auf dem Piezostack bei nicht übersetzen Systemen, oder auf einem Teil der Gelenke bei Systemen mit mechanischen Übersetzung). Hierbei werden nicht alle Drifteffekte lokalisiert, sodass eine sehr hohe Langzeitstabilität nicht gegeben ist.

Fazit:

CAP – Vorteile

  • hohe Messgenauigkeit, optimal für langzeitstabile Applikationen
  • sehr gute Werte hinsichtlich Nichtlinearität, Wiederholbarkeit und Auflösung
  • Achsübersprechen z.B. bei XY Systemen wird ausgeregelt

CAP-Nachteile

  • meist größere Bauform der Piezoaktoren
  • Bandbreite max. 1kHz (für Großteil der Anwendungen durchaus ausreichend)
  • hoher Preis

DMS-Vorteile

  • sehr kleine Bauform
  • große Bandbreite bis 5kHz
  • preiswerter als CAP

DMS-Nachteile

  • keine hohe Langzeitstabilität
  • kleinste Auflösung max. 35nm
  • Achsübersprechen bei XYZ Systemen nicht ausgeregelt

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