Nanometergenaue Positionierung für High-Tech-Anwendungen

Am 05.11.2025 haben die SIOS Meßtechnik GmbH und das IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS GmbH) im Auftakttreffen am IMMS Ilmenau die Arbeiten für das einjährige Verbundvorhaben „Motion Controller für die Nano-Positionier-Plattform NPS6D100“ (MC_NPS) aufgenommen. Im Projekt wird eine spezielle Steuerung von SIOS auf ein am IMMS entwickeltes nanometergenaues Positioniersystem mit großem Bewegungsbereich adaptiert. Ziel ist es, durch diese Kombination ein marktreifes High-Tech-Produkt für neue Anwendungen zu erschließen. Diese reichen von der Halbleiter- und Optikindustrie über das Eich- und Kalibrierwesen zu Medizin, Luft- und Raumfahrttechnik bis hin zu den Zukunftsmärkten Photonik und Quantentechnologie.

Viele Industriebereiche brauchen immer präzisere Maschinen, mit denen kleinste Strukturen und Objekte hochgenau vermessen und bearbeitet werden können, meist um technische Produkte immer weiter zu miniaturisieren. Viele solcher Objekte sind einige Millimeter- bis Zentimeter groß. Oberflächenmerkmale und Funktionselemente messen oft aber nur wenige Mikro- oder Nanometer. In der Produktion müssen sie bis auf wenige Nanometer genau positioniert werden, das heißt auf etwa ein Millionstel ihrer Größe. Doch nicht nur die Präzision der Antriebe soll immer besser werden, auch deren Arbeitsbereich ermöglicht mehr Anwendungen und nicht zuletzt mehr Wirtschaftlichkeit, je größer er bei gleicher Positioniergenauigkeit werden kann.

Genau diese Anforderungen adressiert das IMMS mit seiner Forschung und definiert damit den aktuellen Stand der Technik weltweit mit: Es hat das Nanopositioniersystem NPS6D100 entwickelt, das bis zu zwei Kilogramm schwere Objekte in einem Bewegungsbereich von 100 Millimetern Durchmesser und 10 Millimetern Höhe mit einer Auflösung von unter 2 Nanometern und mit 6 geregelten Freiheitsgraden positioniert. Übersetzt in alltäglichere Dimensionen wäre das vergleichbar mit einem Hubschrauber, der im Umkreis von 100 Kilometern seine Ladung bis auf unter 2 Millimeter genau absetzen kann. 

Um dieses System für flexibel betreibbare Industrieanwendungen und somit für eine Vermarktung zu erschließen, ist noch eine Anbindung an die dort übliche Hardware und Software zur Steuerung notwendig. Die Steuerungs-Hardware hat dabei die aufwendigen Regelungsalgorithmen in Echtzeit abzuarbeiten. Die Software muss eine intuitive Bedienung und eine flexible Einbindung von unterschiedlichen Anwendungen erlauben. All das lässt sich mit kommerziell verfügbaren Standard-Achscontrollern nicht erreichen. 

Für solche Anforderungen hat SIOS bereits eine industriell etablierte und ausgereifte Hardware und Software zur Steuerung seiner Nanopositionier- und Nanomessmaschine NMM-1. Mit dem NMM-1-System ist SIOS weltweit Marktführer. Für den Antrieb des IMMS ist diese Steuerung allerdings nicht direkt nutzbar, da sie für eine andere Antriebsarchitektur ausgelegt ist.  

Im Projekt MC_NPS werden SIOS und IMMS an einer markttauglichen Lösung arbeiten, die den neuerforschten Antrieb des IMMS mit der industrieerprobten Steuerung von SIOS vereint. Das anvisierte Ergebnis ist ein System, das nicht nur einen deutlich größeren Arbeitsbereich als das aktuell führende Produkt von SIOS abdeckt, sondern auch modular konfigurierbar ist und so mit verschiedenen Antastsystemen wie Fokussensor, Atomkraftmikroskop oder Mikrotaster in unterschiedlichen Anwendungen arbeiten kann. 

Um dieses Ziel zu erreichen, wird SIOS das Projekt koordinieren und den auf einem speziellen digitalen Signal-Prozessor basierenden Motion-Controller seiner NMM-1-Maschine für den IMMS-Antrieb NPS6D100 adaptieren und erweitern. Seitens des IMMS werden die entwickelten Steuer- und Regelalgorithmen seines NPS6D100-Antriebs, die die Positionierung auf Nanometer-Level ermöglichen, passend zur SIOS-Steuerung neu strukturiert und schließlich auf diese portiert.

Gelingt diese Verschmelzung aus Ultrapräzisions-Positioniersystem, effizienter und kostengünstiger Controller-Hardware sowie State-of-the-Art-Messsystemen, so öffnet das den Weg in eine Vermarktung des NPS6D100 als ein weiteres Nanopositioniersystem „Made in Thüringen“, das weltweit Maßstäbe setzt.