Eine genaue Bewegungskontrolle in Nanomaßstäben
Piezoelektrische Aktuatoren sind gut geeignet, um manuelle Positionierungselemente und motorisierte Systeme zu ersetzen. Ihre vergleichsweise einfache Kontrolle sowie die hohe Positionierungsauflösung machen sie tauglich, um Mikroroboter und miniaturisierte Mikropositionierungssysteme anzutreiben. Während die Größe dieser Systeme abnahm, wurden für die piezoelektrischen Aktuatoren neue Konzepte erforderlich, wodurch in kleinen Mengen produziert werden kann und vor allem reproduzierbare Parameter entstehen. Im Rahmen des MICRON-Projekts wurde eine neue Verfahrensweise geplant, bei der durch eine einfache Elektrodenstrukturierung mehrere Aktuatoren monolithisch auf einem einzigen piezoelektrischen Keramiksubstrat integriert werden können. Der monolithische Ansatz bringt gegenüber den häufig bei inertbetriebenen Systemen verwendeten individuell angebrachten Sensoren mehrere Vorzüge mit sich. Das piezoelektrische Substrat braucht nicht bearbeitet oder geformt zu werden, was Probleme bei der Montage verhindern und letztlich die Produktionskosten senken hilft. Die Modellierung des Monolithischen Piezoaktuators (MPA) mittels analytischer und numerischer Instrumente gestattete eine Tiefenuntersuchung seiner geometrischen Konfiguration. Diese Modelle belegen, dass die Resonanzfrequenzen sehr hoch sind, wodurch bei hohen Geschwindigkeiten gefahren und für mit diesem Aktuator aufgebaute Systeme eine ausgezeichnete Dynamik erzielt werden kann. Insgesamt kann der MPA durch die innovative Elektrodenverteilung eine Bewegung von Zentimetern mit einer Genauigkeit von Nanometern steuern. Der an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne entwickelte MPA ist ein kompakter und einfach konfigurierter Piezoaktuator, den man in komplexere Systeme integrieren kann. Die potenziellen Anwendungen sind zahlreich, vor allem wird dieser Aktuator auf einfache Art maßgefertigt. Neben der Positionierung von Geräten für die optische und elektrische Mikroskopie und die mikroinvasive Chirurgie erfordert die Miniaturisierung von Fertigungsprozessen und industrieller Montage von Microengineering-Produkten solche kostengünstigen Steuerinstrumente bei gleichzeitig hohen Leistungen. Darüber hinaus untersuchte man die Bearbeitungsverfahren, um Prototypen mit einer hohen Zuverlässigkeit zu erhalten. Hauptsächlich arbeitete man mit dem Laserschneiden, wandte aber auch weitere Verfahrensweisen wie das chemische Ätzen für die Elektrodenstruktur an, was eine potenzielle Lösung für zukünftige Entwicklungen darstellt. Die Forschergruppe des Laboratoire de systèmes robotiques sucht in der Industrie nach Partnern, die den Monolithischen Piezoaktuator in ihre Produkte aufnehmen möchten.
