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Mikroskopie Piezo-Scantische für die hochgenaue Probenpositionierung

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

In der Mikroskopie wird eine schnelle und gleichzeitig präzise Positionierung für unterschiedliche Aufgabenstellungen benötigt, z.B. fürs Probenscreening, Oberflächeninspektionen, Interferometrie oder für die Mikro-Manipulationstopografie einer Oberfläche.

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Bei inversen Mikroskopen oder Anwendungen, bei denen durch die Positionierung der optische Strahlengang nicht verändert werden soll, bieten sich piezobasierte Scantische an, die sich dank ihrer geringen Bauhöhe gut in die Mikroskope integrieren lassen. (Bild: Physik Instrumente)
Bei inversen Mikroskopen oder Anwendungen, bei denen durch die Positionierung der optische Strahlengang nicht verändert werden soll, bieten sich piezobasierte Scantische an, die sich dank ihrer geringen Bauhöhe gut in die Mikroskope integrieren lassen. (Bild: Physik Instrumente)

In der Mikroskopie wird eine schnelle und gleichzeitig präzise Positionierung für unterschiedliche Aufgabenstellungen benötigt, z.B. fürs Probenscreening, Oberflächeninspektionen, Interferometrie oder für die Mikro-Manipulationstopografie einer Oberfläche. Für Langzeituntersuchungen ist es außerdem unerlässlich, die Position gegen die Drift stabil zu halten. Dies ist bei der Superresolution-Mikroskopie wichtig. Piezoantriebe bieten für solche Aufgabenstellungen die besten Voraussetzungen. Ob sie die Probe oder die Objektive positionieren, hängt von der jeweiligen Anwendung und der Bauweise des Mikroskops ab. Bei inversen Mikroskopen oder Anwendungen, bei denen durch die Positionierung der optische Strahlengang nicht verändert werden soll, bieten sich piezobasierte Scantische an, die sich dank ihrer geringen Bauhöhe gut in die Mikroskope integrieren lassen.

Die Pinano-Scantische von Physik Instrumente (PI), Karlsruhe, sind speziell auf die Anforderungen der Probenpositionierung in der optischen Mikroskopie abgestimmt. Sie positionieren mit Subnanometer-Genauigkeit, erlauben Stellwege bis 200 µm in zwei oder drei Achsen und lassen sich dank einer Bauhöhe von lediglich 20 mm platzsparend im Mikroskop integrieren. Durchlichtanwendungen profitieren von der großen zentralen Öffnung. Die große Apertur nimmt Halter für Petrischalen oder für Standardobjektträger mit 25 auf 75 mm Größe auf. Auch ein Halter für weiteres Zubehör ist verfügbar. Als praxisgerechte Ergänzung dient zudem ein wahlweise manuell oder motorisch bewegter Kreuztisch, mit dem sich die Proben dann auch über längere Strecken (grob)verstellen lassen. Er passt direkt auf alle gängigen inversen Lichtmikroskope und dient quasi als Adapter für den Piezotisch. Dank der eingesetzten piezokeramischen PICMA-Aktoren sind die Scantische sehr langlebig und haben ihre Zuverlässigkeit bereits in zahlreichen Anwendungen bewiesen. Um noch besser auf spezielle Anwendungsanforderungen eingehen zu können und gleichzeitig das Preis-Leistungsverhältnis weiter zu optimieren, hat PI jetzt das Angebot an Pinano-Stelltischen erweitert.

Schneller, direktgetriebener Piezotisch

Die neuen Pinano-Hochgeschwindigkeits-Piezoscanner (Bild 2) sind für schnelle Ansprechgeschwindigkeit optimiert, wie sie z. B. beim Partikel-Tracking erforderlich ist. Sie werden als Zwei- oder Dreiachssystem angeboten, lassen sich dank ihrer niedrigen Bauhöhe und dem versenkten Einlegerahmen in inversen Mikroskopen einbauen und bieten sehr gute Leistungsmerkmale bei niedrigen Kosten: Die schnellen Scantische sind mit vorgespannten Hochleistungspiezoaktoren (vgl. Kastentext) ausgerüstet, die in ein reibungsfreies Flexure-Führungssystem mit FEM-optimierten Festkörpergelenken integriert sind. Hochauflösende piezoresistive Sensoren sorgen für eine stabile Regelung. Sie werden an einer geeigneten Stelle im Antriebsstrang angebracht und messen dort die Auslenkung der bewegten Plattform gegen den Grundkörper. Die hohe Empfindlichkeit dieses Sensortyps führt zu einer guten Positionsstabilität, einem unmittelbaren Ansprechen (unter 5 ms) und zu einer hohen Auflösung von unter einem Nanometer.

Ein eigens entwickelter Servocontroller verbessert die Linearität der Bewegung im Vergleich zu herkömmlichen Steuerungen für piezoresistive Sensoren. Der Controller ist auf den Betrieb mit den Piezo-Nanopositioniersystemen abgestimmt und erfüllt alle Anforderungen, die die hochauflösende Mikroskopie stellt. Der integrierte Funktionsgenerator mit Triggerein- und -ausgängen beispielsweise kann periodische Bewegungsprofile abspeichern und ausgeben. Zur Kommunikation stehen USB- und RS232-Schnittstellen zur Verfügung.

Hohe Stabilität und Linearität

Bei Langzeituntersuchungen ist es wichtig, eine eventuelle Drift der Proben zu vermeiden. Typische Anwendungen finden sich z.B. bei der Superresolution-Mikroskopie, bei der Aufnahmen mehrere Minuten dauern. Speziell für solche Anwendungen gibt es zwei- oder dreiachsige PInano-Scantische , bei denen berührungslose und direkt messende kapazitive Sensoren für höchste Langzeitstabilität und Linearität (+/- 0,05 %) sorgen. Weder Reibung noch Hysterese beeinträchtigen die Messung. Die Piezo-Scanner arbeiten mit Stellwegen bis 200 µm pro Achse, wobei Auflösungen im Subnanometerbereich erreicht werden. Mit 20 mm Höhe sind die Piezotische ausgesprochen flach; beeinträchtigen also das Scharfstellen der Optik nicht.

Perfekt auf die langzeitstabilen Piezo-Scantische abgestimmt ist ein Piezocontroller mit 24-Bit-USB-, Ethernet- und RS232-Schnittstelle sowie einem analogen Interface. Ein umfangreiches Softwarepaket bietet u.a. LabVIEW- und Linux-Anbindung. Für Scananwendungen wichtig ist der integierte Datenrecorder, der Bewegungs- und Systemparameter erfasst, sowie der Wavegenerator, der die Bewegung des Piezotisches über verschiedenste Kurven oder Funktionen steuern kann. Die Systeme können wahlweise auch mit µManager, MetaMorph und MATLAB angesteuert werden.

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