Mikroskopie-Kreuztisch mit Ultraschall-Piezomotoren

Kompakt, präzise, positionsstabil und hochdynamisch:

Physik Instrumente (PI): Kreuztische, die in Mikroskopen für die 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. Die kompakten Piezomotoren machen als lineare Direktantriebe Kanäle für Spindeln und angeflanschte Schrittmotoren überflüssig. Auch Flexibilität hinsichtlich Geschwindigkeit und Auflösung ist gefragt, um Mikroskope für unterschiedliche Aufgaben nutzen zu können. Klassische Spindeltische stoßen hier an ihre Grenzen. Sie sind meist entweder mit hoher Getriebeuntersetzung für langsame und hochauflösende Bewegungen ausgelegt oder mit niedrigerer Getriebeuntersetzung auf Geschwindigkeit getrimmt, wobei man dann bei der Genauigkeit Einbußen in Kauf nehmen muss. Bei Mikroskopie-Kreuztischen, die mit Ultraschall-Piezoantrieben arbeiten, gehören solche Kompromisse der Vergangenheit an. Darüber hinaus sind sie selbsthemmend im Ruhezustand und halten so die angefahrene Position stabil. Ihre jahrzehntelange Erfahrung mit Piezoaktoren und Nanopositioniersystemen hat die Karlsruher Firma Physik Instrumente (PI) dazu genutzt, einen sehr vielseitig einsetzbaren Mikroskopie-Kreuztisch zu entwickeln, der mit lediglich 30 mm Höhe äußerst flach baut und keine störenden Spindelkanäle oder Motorausbuchtungen hat (Bild 1). Er eignet sich für Stellwege bis 85 × 135 mm. Seine große Apertur nimmt Halter für Petrischalen, Standardobjektträger oder Mikrotiterplatten auf.

Für direkte Beobachtung oder automatische Scans

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 Mikroskopie-Kreuztisch eignet sich aber ebenso gut für automatisierte Scan-Anwendungen, die hohe Geschwindigkeiten bis 100 mm/s und kurze Einschwingzeiten erfordern.

Diesen hohen Dynamikbereich verdankt der Kreuztisch den eingesetzten Piezo-Ultraschall-Linearantrieben (Bild 2), bei denen die hochfrequente Oszillation eines piezoelektrischen Aktors die Vorschubkraft erzeugt. Die patentierten Ultraschallmotoren wirken direkt ohne Zwischenelemente wie Spindeln oder Getriebe, sind durch ihre hohe Steifigkeit umkehrspielfrei und positionieren sehr präzise. In Kombination mit einem Linearencoder 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.

Selbsthemmend, deshalb keine thermische Drift

Der Antrieb besteht aus einem Stator, der den piezokeramischen Oszillator enthält, und einem als Reibschiene bezeichneten Läufer, der direkt am bewegten Teil eines Schlittens befestigt wird. Das Schwingungsprofil der Piezokeramik erzeugt dann die Vor- und Rückwärtsbewegung des Antriebs, wobei der Stellweg theoretisch unbegrenzt ist. Durch die Vorspannung der Keramik auf die Reibschiene wird diese im Stillstand stromlos in ihrer Position festgehalten. Anders als direkt getriebene elektromagnetische Linear-, Schritt- oder DC-Motoren braucht der piezobasierte Antrieb dazu keine Energie, es entsteht keine Abwärme; im Vergleich zu elektromagnetischen Antrieben gibt es praktisch keine thermische Drift und die Position wird stabil gehalten. Die Superresolution-Mikroskopie, bei der eine Aufnahme einige Minuten dauern kann, profitiert davon ganz besonders.

Der auf den Mikroskopie-Kreuztisch abgestimmte Controller mit umfangreichem Softwarepaket erlaubt aufgrund seines „Trace Memory“ auf einem angeschlossenen Host-PC die Darstellung der Bahnkurve als Positions-Zeit-Diagramm. Damit lassen sich seine Steuerparameter perfekt auf die jeweilige Applikation abstimmen. Für Positionieraufgaben in Richtung der optischen Achse, z. B. für Stapelaufnahmen, bieten sich die ebenfalls sehr flach bauenden Piezo-Z-Tische des gleichen Herstellers an. Sie sind mit einer freien Apertur von 160 × 110 mm und 200 µm Hub verfügbar, lassen sich ohne Adapter auf dem Kreuztisch montieren und mit demselben Controller ansteuern.

Das Unternehmen Physik Instrumente (PI) ist für die hohe Qualität seiner Produkte bekannt und nimmt seit vielen Jahren eine Spitzenstellung auf dem Weltmarkt für präzise Positioniertechnik ein. Seit 40 Jahren entwickelt und fertigt PI Standard- und OEM-Produkte mit Piezo- oder Motorantrieben. Mit vier Sitzen in Deutschland und zehn ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungen ist die PI-Gruppe international vertreten.