Blockzylinder

Hydraulikzylinder in der Nano-Welt

Universell lassen sich hydraulische Blockzylinder einsetzen. Wie weit die Möglichkeiten reichen, zeigt eine Anwendung, in der extrem schmale Leiterbahnvertiefungen in einen Kunststoff geprägt werden.

Blockzylinder können so manche Konstruktion vereinfachen. Sie bauen sehr kompakt und bieten eine Vielzahl von Befestigungs- und Anbaumöglichkeiten. Entsprechend umfangreich ist das erhältliche Zubehör. AHP Merkle liefert beispielsweise sein umfangreiches Standardprogramm an Blockzylindern mit gehärteten Kolbenstangen im Durchmesserbereich von 16 bis 200 Millimeter.

Welche Vorteile damit verbunden sind, hat das Institut für Nanoelektronik in Zusammenarbeit mit dem Walter-Schottky-Institut an der Technischen Universität München erfahren. Dort waren die Wissenschaftler auf der Suche nach einem Linearantrieb, der es erlaubt, möglichst feinfühlig und präzise den Stempel einer Imprint-Lithografie-Maschine in das Substrat, einer Polymerschicht auf einem Wafer, zu drücken. Genauer gesagt: Auf diese Weise werden Leiterbahnen geschaffen, die gerade mal 10 Nanometer breit sind; Vergleichbares gibt es nach Auskunft der Wissenschaftler höchstens an zwei weiteren Instituten weltweit. Zum Hintergrund: In der modernen Chip-Fertigung sind heute etwa 40 Nanometer die Grenze.

Ein wesentlicher Punkt bei der Entscheidung für den hydraulischen Blockzylinder war die feine Steuerbarkeit der Hydraulik. Zudem bieten die gewählten Zylinder eine integrierte Verdrehsicherung der Kolbenstange. Dadurch fährt der Adapter mit der Halterung für die Nano-Stempel immer in exakt der gleichen Position an das Polymer-Substrat. Über ein Hochpräzisions-Drosselventil in der Zuleitung kann die Verfahrgeschwindigkeit so stark reduziert werden, dass der Grenzbereich zwischen Stempel und Substrat feinfühlig durchlaufen wird. Liegt der Stempel an, drückt der Hydraulikzylinder mit maximal 16 bar nach, was aufgrund der schmalen Leiterbahnstege von 10 Nanometer rund 3000 bar an der Substratoberfläche bedeutet. Die optimale Kraftentwicklung ermittelt bei jedem „Stempeln“ ein auf dieses spezielle Hydrauliksystem kalibriertes Hochpräzisionsmanometer im Stempel-Adapter.

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Der gesamte Aufbau funktioniert auch deshalb so gut, weil die Blockzylinder keine Stick-slip-Phänomene aufweisen. Selbst bei Bewegungen im Mikrometerbereich neigt der Blockzylinder laut Anwender nicht zum Ruckeln. Die gehärtete, geschliffene und polierte Oberfläche der Kolbenstange in Verbindung mit dem passenden Dichtsystem sind unter anderem dafür verantwortlich.

Diese sehr exotische Anwendung in der Nanotechnik belegt die Anpassungsfähigkeit der Hydraulik. Durch ihr gutes Regelverhalten und ihren einfachen Aufbau lässt sie sich an viele Aufgabenstellungen anpassen.

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