01.10.2019

Schrittmotorsteuerung für Sondenmikroskop

Genauigkeit auf subatomarer Ebene
Bis ins kleinste Detail

Oberflächenrauigkeiten von einem Atomdurchmesser zu messen, ist mit Atomic Force Microscopy (AFM) möglich. Die Feinarbeit der Systeme will jedoch mit hoher Präzision und Schnelligkeit gesteuert werden. Daher kommt eine hochauflösende Schrittmotorsteuerung zum Einsatz. Sie ist nicht nur schnell und präzise, sondern sorgt auch noch für viel Flexiblität.


Hochauflösende Schrittmotorsteuerung LStep Express von Lang
Bild: Lang GmbH & Co. KG

Die Produktpalette des Unternehmens Nanosurf umfasst kompakte Atomic Force Microscope (AFM) und Scanning Tunneling Microscope (STM), moderne Rasterkraftmikroskop-Systeme für wissenschaftliche Anwendungen sowie individuelle Lösungen für spezifische Anforderungen. Die Produkte sind auf Modularität sowie einfache Handhabung ausgelegt. Anwender aus Industrie sowie Forschung und Lehre finden sich rund um den Globus. Auch an Bord der 2007 zum Mars entsandten NASA-Raumsonde Phoenix befand sich ein solch spezifisch entwickeltes AFM. Es hat dabei geholfen, nach Leben auf dem roten Planten zu suchen. Die Funktionsweise eines AFMs lässt sich mit der eines Schallplattenspielers vergleichen: Wie die Nadel auf einer Schallplatte tastet eine Sonde die Oberfläche einer Probe ab und sammelt dabei Informationen über deren Beschaffenheit. Dabei nutzt die Rastersondenmikroskopie atomare Wechselwirkungen zwischen Sonde und Probe und ermöglicht so Auflösungen bis in den subatomaren Bereich. LStep Express fließt bei Nanosurf im Bereich kundenspezifische Messmaschinen und Standard-Messmaschinen für den Einsatz hochgenauer Oberflächenmessungen mit AFM ein. Damit wird die Untersuchung besonders großer Proben mit hoher Präzision unterstützt.

Schnelligkeit, Präzision und Flexibilität

Um die anspruchsvollen Systeme von Nanosurf zu steuern, bedarf es sehr hoher Präzision, aber auch großer Flexibilität. Die zunächst eingesetzte Lösung hatte sich als unzuverlässig und der Funktionsumfang als zu eingeschränkt für die zunehmend komplexen Anforderungen erwiesen. Aus diesem Grund hat Nanosurf die (Schrittmotor-)steuerungen verschiedener Anbieter evaluiert und sich für LStep Express von Lang entschieden. Ausschlaggebend für die Entscheidung war neben der Flexibilität auch die Möglichkeit, verschiedene Motortypen und Kombinationen mit ein und derselben Steuerung durch Konfigurationsänderungen zu bedienen.

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Unterschiedliche Anwendungen

Die Firma Lang vertreibt seit fast 40 Jahren Schrittmotorsteuerungen für die Feinpositionierung. Die Technik fließt auch in die heutigen LStep-Steuerungen ein - als Grundlage für sehr präzise und gleichzeitig dynamische Positionieraufgaben. Die Steuerung ermöglicht es, verschiedene Motortypen wie Schritt-, Servo-, Linear- sowie DC-Servomotoren einfach anzusteuern und verschiedene Anwendungen mit wenig Aufwand zu realisieren. Sie bietet einen breiten Funktionsumfang in einem kompakten Gerät. Der dynamische Mikroschrittbetrieb ermöglicht sehr schnelle Positioniervorgänge mit hoher Genauigkeit. Im Servobetrieb ist eine anwenderfreundliche, automatische Reglerauslegung anhand weniger Parameter möglich. Bis zu vier Achsen können mit LStep Express angetrieben werden und es sind für alle Achsen Motorströme von 0,2 bis 20A möglich. Durch einen umfangreichen Befehlssatz lassen sich ganz unterschiedliche Anwendungen realisieren.

Praxiseinsatz und Vorteile

Die Lösung wurde von Nanosurf eigenständig implementiert. Sie hat grundsätzlich sofort funktioniert, gelegentlich wurden für Nanosurf neue Funktionen vom Team nicht von Beginn an richtig eingesetzt. Der Lang-Support hat solche Problemstellungen dann zeitnah und unkompliziert gelöst. LStep Express wird derzeit bei Nanosurf im Bereich kundenspezifische Messmaschinen und Standard-Messmaschinen für hochgenaue Oberflächenmessungen mittels AFM eingesetzt. So findet die Steuerung z.B. für ein von Nanosurf entwickeltes hochpräzises System zur rasterkraftmikroskopischen Untersuchung von besonders großen Proben Anwendung. Die Angestellten außerhalb der Entwicklung nutzen die Lang-Lösung als einfache Turnkey-Solution. Als große Vorteile werden dabei die kompakte Schrittmotor-, Servomotor- und Linearmotorsteuerung mit Wegmesssensor-Auswertung, TTL-I/Os, Nothalt-Eingang und eine gute API zur Integration in C++ Software genannt. Der breite Funktionsumfang der Steuerung ermöglicht es trotz steigender Anforderungen, stets die gleiche Lösung anzuwenden.

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Zukunftsausblick

Nanosurf kauft derzeit jährlich etwa fünf Steuerungen - Tendenz steigend. Das Unternehmen plant, weiterhin kundenspezifisch entwickelte Systeme, aber auch Standardlösungen mit LStep Express-Controllern anzusteuern.

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