Von Pumpen und Ventilen bis hin zum mehrachsigen Positioniersystem

Wie profitiert die Laborautomation von Piezoantrieben?

Ein wichtiger Bereich bei der Laborautomation ist die präzise Zuführung von Substanzen, z.B. mit Mikromembranpumpen. „Treibende Kraft“ ist eine scheibenförmige Piezokeramik. Bild: thinXXS Microtechnology AG

Laborautomation ist ein recht spezielles Gebiet der Automatisierungstechnik. Sie befasst sich mit der Automatisierung von Laborprozessen in der Chemie, Bio-, Pharma- und Lebensmitteltechnologie sowie der Medizin, mit dem Ziel durch die Automatisierung die Reproduzierbarkeit der Prozesse zu verbessern sowie Zeit und Kosten zu sparen. Dabei haben die zweifelsohne recht unterschiedlichen Sparten eine entscheidende Gemeinsamkeit: Sie sind auf schnelle und präzise Antriebssysteme angewiesen. Je nach Anwendung müssen diese dann auch noch möglichst kompakt bauen oder selbst unter starken magnetischen Feldern, niedrigen Temperaturen und Vakuum zuverlässig arbeiten. Mit piezoelektrischen Antrieben, Scannern und Positioniersystemen sind Anwender hier auf der sicheren Seite, angefangen von Pump- und Dosieraufgaben über Probenmanipulation bis hin zum vollautomatisierten Screening.

Ein wichtiger Bereich bei der Laborautomation ist die präzise Zuführung von Substanzen. Kleiner Bauraum, hohe Präzision und Dynamik sowie geringe Anschaffungs- und Unterhaltskosten machen piezoelektrische Antriebe bei Mikropumpen und Nanoliterdosierung unersetzlich. Das gilt für piezokeramische Scheiben zur Erzeugung schneller Schwingungen ebenso wie für Aktoren mit hoher Beschleunigung bei Hüben von 10 bis 1000 µm oder Piezomotoren für schnelle Bewegungen über mehrere Millimeter. Die Firma Physik Instrumente bietet hierfür eine umfangreiche Produktpalette an.

Präzises Pumpen und Dosieren bei hohen Förderraten

Bild 2: Mikrodosierventile funktionieren ähnlich wie Pumpen, die erforderlichen Kräfte sind allerdings höher. (Foto: PI)

Mikrodosierventile funktionieren ähnlich wie Pumpen, die erforderlichen Kräfte sind allerdings höher.
Bild: PI

Ein typisches Anwendungsbeispiel für piezokeramische Aktoren sind Mikro-Membranpumpen. Sie funktionieren ähnlich wie Kolbenpumpen, allerdings ist bei ihnen das zu fördernde Medium durch eine Membran vom Antrieb getrennt. Beeinträchtigungen der gepumpten Medien durch den Antrieb und umgekehrt sind dadurch ausgeschlossen. Als Antriebssystem bieten sich bei den miniaturisierten Varianten dieses Pumpentyps hochdynamische Piezoelemente in Scheibenform an, die direkt auf einer Metallscheibe appliziert werden. Auch bei Gegendruck lassen sich so hohe Förderraten realisieren, indem die Schaltfrequenzen oder die Amplitude der Piezoauslenkung über eine entsprechende Regelung variiert werden.

Mikrodosierventile funktionieren ähnlich wie Pumpen, die erforderlichen Kräfte sind allerdings höher. Die hier üblichen Dosierfrequenzen im Kilohertzbereich sind häufig nur mit Piezoaktorik realisierbar. Je nach Baugröße arbeiten in den Mikrodosierventilen unterschiedliche Piezokomponenten. So werden kleine Piezoröhrchen für Drop-on-Demand-Verfahren wie in Tintenstrahldruckern eingesetzt. Miniaturisierte Ventile für Dosieraufgaben im Nanoliter-Bereich werden z.B. mit Piezoscheiben realisiert, die man auch bei Lab-on-a-Chip-Anwendungen verwendet. Bei Ventilen, bei denen größere Hübe erforderlich sind, kann man mit Piezoaktoren arbeiten, die hebelübersetzt sind. Sie eignen sich für längere Stellwege und damit auch für Applikationen, bei denen – abhängig von den Materialeigenschaften – bestimmte Tropfengrößen erreicht werden müssen.

Bild 3: Die PipeJet-Technologie setzt beim Dosieren auf eine piezogetriebene Direktverdrängung. (Foto: Biofluidix)

Die PipeJet-Technologie setzt beim Dosieren auf eine piezogetriebene Direktverdrängung.
Bild: Biofluidix

Besonders interessant in diesem Zusammenhang ist das piezogetriebene Direktverdrängerverfahren der PipeJetTM-Dispenser, das sich in zwei entscheidenden Punkten von den meisten üblichen Piezo-Dosierverfahren unterscheidet: Die Fluidleitung besteht nicht aus Glas- oder Stahlkapillaren, sondern aus einem elastischen Polymerschlauch mit definiertem Innendurchmesser, der nicht fest mit dem Piezoaktor verbunden ist. Dadurch können fluidkontaminierte Teile leicht und kostengünstig ausgewechselt werden.

Für jede Positionieraufgabe das passende System

Bild 4: Die Lamellen werden einzeln durch kompakte Antriebe verstellt, um eine bestimmte Form vorzugeben und unerwünschte Randeffekte der Beleuchtung bzw. Bestrahlung auszublenden (Foto: PI)

Die Lamellen werden einzeln durch kompakte Antriebe verstellt, um eine bestimmte Form vorzugeben und unerwünschte Randeffekte der Beleuchtung bzw. Bestrahlung auszublenden.
Bild: PI

Automatisierung im Laborbereich ist oft auch erforderlich, weil Umgebungsbedingungen die Zugänglichkeit einschränken, z.B. unter Vakuum, magnetischen Feldern, Strahlung oder weil die Komponenten einfach tief im System verbaut sind. Kleine, präzise und zuverlässige Piezoantriebe sind hier die richtige Lösung. Typische Anwendungen sind z.B. die automatisierte Verstellung von Iris- oder Multi-Leaf-Collimator-Blenden, bei der schmale Lamellen einzeln durch kompakte Antriebe verstellt werden, um eine bestimmte Form vorzugeben und unerwünschte Randeffekte der Beleuchtung bzw. Bestrahlung auszublenden.

Bild 5: PILine-Ultraschall-Direktantriebe sind leicht, eignen sich für Verfahrgeschwindigkeiten bis etwa 500 mm/s und Beschleunigungen bis 20 g. Da sie in verschiedenen Integrationsstufen angeboten werden, lassen sie sich gut an die jeweilige Applikation anpassen (Foto: PI)

PILine-Ultraschall-Direktantriebe sind leicht, eignen sich für Verfahrgeschwindigkeiten bis etwa 500 mm/s und Beschleunigungen bis 20 g. Da sie in verschiedenen Integrationsstufen angeboten werden, lassen sie sich gut an die jeweilige Applikation anpassen.
Bild: PI

Ähnliche Anforderungen gelten für die Probenmanipulation oder Justierung abbildender Optiken mit Kleinstantrieben. Hierfür bietet PI entsprechende Positionier- und Handlingssysteme in großer Auswahl basierend auf unterschiedlichen piezoelektrischen Funktionsprinzipien an: Für viele Anwendungen, die hohe Dynamik fordern, eignen sich beispielsweise Piezo-Ultraschallantriebe. Die Direktantriebe verzichten zugunsten der Kosten und der Zuverlässigkeit auf mechanische Komponenten klassischer Motor-Spindel-Antriebssysteme wie Kupplung oder Getriebe. Sie sind leicht und eignen sich für Verfahrgeschwindigkeiten bis etwa 500 mm/s und Beschleunigungen bis 20 g, ihre Wiederholgenauigkeit liegt im Bereich von etwa 50 nm. Da sie zudem in verschiedenen Integrationsstufen angeboten werden, lassen sie sich gut an die jeweilige Applikation anpassen.

Bild 6: Stabantrieb mit piezoelektrischem Stick-Slip-Antrieb für Geschwindigkeiten bis 10 mm/s. (Foto: PI)

Stabantrieb mit piezoelektrischem Stick-Slip-Antrieb für Geschwindigkeiten bis 10 mm/s.
Bild: PI

Als besonders platzsparende und preiswerte Mikroantriebe gelten piezobasierte Trägheitsantriebe. Sie nutzen den Stick-Slip-Effekt für feine Schritte mit wenigen Mikrometern Schrittgröße. Ein piezoelektrischer Aktor dehnt sich aus und nimmt einen bewegten Läufer mit. Im zweiten Teil eines Bewegungszyklus kontrahiert der Aktor so schnell, dass er am bewegten Teil entlang gleitet und dieser aufgrund seiner Trägheit die Bewegung nicht nachvollziehen kann, also auf seiner Position verharrt. Die elektrische Ansteuerung ist einfach und erinnert an eine Sägezahnspannung. Typische Anwendungen für dieses Antriebsprinzip finden sich bei Blenden- und Membranverstellungen oder bei Justageaufgaben an unzugänglichen Orten automatisiert werden können. Piezoelektrische Trägheitsantriebe sind aber gar nicht so träge, wie der Name vermuten lässt. Je nach Ausführungsform werden sie mit einer Frequenz von 20 kHz betrieben, sind dadurch nicht hörbar und erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 10 mm/s.

Fokussieren auf die Objektoberfläche: Autofokus

Eine typische Mikroskopie-Anwendung für Piezoantriebe ist die Autofokus-Funktion, also das Scharfstellen der gewünschten Objektebene bzw. Oberfläche der Probe. Um die Qualität der Auswertung zu garantieren, muss bei jeder Probe der Fokus nachjustiert werden und zwar mit möglichst kurzen Einschwingzeiten. Diese Aufgabe übernimmt der Piezoantrieb. Die Anforderungen an die Schnelligkeit sind bei Autofokus-Anwendungen dann hoch, wenn es auf hohe Durchsatzraten ankommt. Außerdem kann die Bestrahlung fluoreszierender Tracer toxisch auf die Zellen wirken; ein weiterer Grund, weshalb der Zeitfaktor beim Fokussieren eine wichtige Rolle spielt. Ob der Piezoantrieb bei Autofokus-Anwendungen das Objektiv, den Objektivrevolver oder die Probe entlang der optischen Achse bewegt, hängt von der Anwendung ab.

Bild 7: Mit PIFOC-Z-Antrieben lassen sich nicht nur einzelne Objektive justieren, sondern auch der komplette Objektivrevolver (Foto: PI)

Mit PIFOC-Z-Antrieben lassen sich nicht nur einzelne Objektive justieren, sondern auch der komplette Objektivrevolver.
Bild: PI

PIFOC-Z-Antriebe für das Objektiv können sehr klein und steif gebaut werden. Sie reagieren dadurch mit kurzen Ansprechzeiten und positionieren durch die gute Führung auch bei verhältnismäßig großen Verfahrwegen sehr genau. Außerdem sind bei der Probe bewegungsbedingte Störungen auszuschließen. Entsprechend ausgelegt können die PIFOC-Z-Antriebe je nach Anforderung einzelne Objektive oder den ganzen Revolver bewegen. Es gibt aber auch Gründe, die dafür sprechen, beim Fokussieren nicht das Objektiv, sondern die Probe zu bewegen, z.B., wenn der optische Strahlengang nicht verändert werden sollte oder die Bauform des Mikroskops dies nahelegt, z.B. bei inversen Mikroskopen. Hierfür bieten sich dann Piezo-Scantische an, deren Apertur die Probenhalter oder Mikrotiterplatten aufnimmt.

Driftnachführung bei Langzeitaufnahmen: Fokusstabilisierung

Bei mikroskopischen Untersuchungen, bei denen eine Aufnahme lange dauert oder das Verhalten der Proben über einen längeren Zeitraum beobachtet werden muss, ist es wichtig die gefundene Position exakt zu halten, bzw. eine eventuelle Drift in Richtung der Z-Achse auszugleichen. Ein typisches Beispiel ist die Untersuchung dynamischer Prozesse in lebenden Zellen. Hier kommt es vor allem darauf an, dass die eingesetzten Antriebe die feuchtwarmen Bedingungen im Inkubator „vertragen“ und sich die Systeme gut in die Feed-back-Systeme integrieren lassen.

Auch bei solchen Fokusstabilisierungsanwendungen mit Driftnachführung haben Piezoantriebe damit die Nase vorn. Feuchtigkeit beeinträchtigt die Funktion der eingesetzten PICMA-Aktoren nicht und die Digitalcontroller (vgl. Kastentext) lassen sich gut in die übergeordneten Systeme integrieren. Sie erlauben es beispielsweise, zwischen antriebsinternem und externem Sensor umzuschalten. Als externes Sensorsignal (Istwert) kann z.B ein dem Abstand zwischen Objektiv und Probe proportionales Signal verwendet werden. Ist der Abstand von Objektiv zur Probe so eingestellt, dass die gewünschte Struktur der Probe scharf abgebildet wird, kann der zugehörige Sensorwert als Sollwert dem Piezocontroller vorgegeben werden. Ändert sich jetzt der Abstand von Probe und Objektiv durch Driftprozesse – was die Fokusebene in der Probe verschiebt – regelt der Piezocontroller die Spannung am Piezoantrieb so lange nach, bis dessen Positionsänderung die Drift kompensiert hat. Damit bleiben ausgewählte Probenstukturen langzeitstabil im Fokus. Das gleiche System kann also sowohl für den Driftausgleich in Z-Richtung genutzt werden, als auch für schnelle Z-Scans. Ob der Piezoantrieb in den Objektivhalter oder den Tisch eingebaut wird, entscheidet wieder die Anwendung.

Die Piezoantriebe, die mit vertikalen Verfahrwegen von 0,1 bis 0,5 mm arbeiten, lassen sich aufgrund ihrer Kompaktheit oft direkt in den bereits vorhandenen XY-Probenscanner integrieren. Damit können noch immer alle gängigen Probenhalter für Objektträger bis hin zur Mikrotiterplatte verwendet werden. Die geringe Gesamthöhe des kompletten XYZ-Systems erlaubt den Einsatz unter allen gängigen Mikroskopen und Integration und Ansteuerung sind so einfach wie bei einem klassischen Kreuztisch.

Mikroskopie-Kreuztisch mit Ultraschall-Piezomotoren

Bild 8: Vielseitig einsetzbarer Mikroskopie-Kreuztisch, der mit lediglich 30 mm Höhe äußerst flach baut und keine störenden Spindelkanäle oder Motorausbuchtungen hat. Er lässt sich mit den ebenfalls sehr flach bauenden Piezo-Z-Tischen kombinieren. (Foto: PI)

Vielseitig einsetzbarer Mikroskopie-Kreuztisch, der mit lediglich 30 mm Höhe äußerst flach baut und keine störenden Spindelkanäle oder Motorausbuchtungen hat. Er lässt sich mit den ebenfalls sehr flach bauenden Piezo-Z-Tischen kombinieren.
Bild: PI

Kreuztische beispielsweise, die in Mikroskopen bei Scans für die horizontale Probenpositionierung eingesetzt werden, sollten möglichst flach bauen, damit sie sich gut integrieren lassen und die Proben problemlos zugänglich bleiben bzw. bei inversen Mikroskopen der Objektivrevolver und andere Elemente unterhalb des Tisches erreichbar sind. Auch Flexibilität hinsichtlich Geschwindigkeit und Auflösung ist gefragt, um Mikroskope für unterschiedliche Aufgaben nutzen zu können. Mikroskopie-Kreuztische, die mit Ultraschall-Piezoantrieben arbeiten, bieten hierfür beste Voraussetzungen. Die kompakten Piezomotoren machen als lineare Direktantriebe Kanäle für Spindeln und angeflanschte Schrittmotoren überflüssig. Darüber hinaus sind sie selbsthemmend im Ruhezustand und halten so die angefahrene Position stabil. Mit lediglich 30 mm Höhe bauen sie äußerst flach, eignen sich für Stellwege bis 85 auf 135 mm. Die große Apertur nimmt Halter für Petrischalen, Standardobjektträger oder Mikrotiterplatten auf.

Die eingesetzten Ultraschall-Piezoantriebe ermöglichen eine gute Geschwindigkeitskonstanz im weiten Bereich von 10 µm/s bis 100 mm/s. Damit kann der Tisch zur direkten Beobachtung mit dem Auge bei hoher Vergrößerung (Objektiv 100x, bei ca. 10 µm/s) eingesetzt werden, ohne dass „Ruckeln“ den Betrachter am Okular oder Monitor stört und ermüdet, wenn er den Kreuztisch beispielsweise über den direkt anschließbaren USB-Joystick steuert. Dass der Tisch ausgesprochen leise arbeitet, wird der Anwender ebenfalls zu schätzen wissen. Der gleiche Mikroskop-Kreuztisch eignet sich aber ebenso gut für automatisierte Scan-Anwendungen, die hohe Geschwindigkeiten bis 100 mm/s und kurze Einschwingzeiten erfordern. In Kombination mit einem Linear-Encoder liegt die Positionsauflösung bei 0,1 µm, die bidirektionale Wiederholgenauigkeit bei 0,4 µm. So genannte „Points of Interest“ lassen sich dadurch zuverlässig wiederfinden und präzise anfahren. Man profitiert davon aber auch beim „High Content Screening“ in der Analysetechnik, wenn viele Proben (z.B. Gewebeproben) gescannt werden sollen. Hier ist neben kurzen Einschwingzeiten für ein „Tiling“ der Aufnahmen die gute Wiederholgenauigkeit wichtig. Bei dieser Vielzahl der Anwendungsmöglichkeiten wird deutlich, dass Laborautomation ohne piezobasierte Antriebslösungen heute kaum noch denkbar ist.

 

Automatisierung erfordert Integrierbarkeit
Einfache Bedienbarkeit auch für komplexe Bewegungsabläufe und gleichzeitig einfache Integrierbarkeit in die Steuersoftware des Anwenders sind wichtige Anforderungen an heutige Motion Controller. Speziell in der Laborautomation kommt als zusätzliche Forderung die Kompatibilität mit den gängigen Softwarepaketen von Drittanbietern wie etwa LabView, µManager oder MetaMorph hinzu. Controller von PI erfüllen diese Anforderungen z.B. durch die Bedienoberfläche PIMikroMove®, systemübergreifend kompatible Treiberkomponenten und eine einheitliche Kommandosprache, den General Command Set (GCS). Alle erforderlichen Bausteine sind bei den Controllern im Standardlieferumfang enthalten.

Titelbild: thinXXS Microtechnology AG

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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Dipl.-Phys. Steffen Arnold

Leiter „Markt und Produkte“ bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

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