DE10015102C2

DE10015102C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Platzieren kleiner Objekte, insbesondere mikrotechnischer Bauteile

Info

Publication number: DE10015102C2
Application number: DE2000115102
Authority: DE
Inventors: Bernd Petersen; Sven Sieben
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2020-03-29
Also published as: DE10015102A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Platzieren kleiner Objekte, insbesondere mikrotechni scher Bauteile, bei dem das Objekt mittels eines Transportelements aufgenommen und an einem Zielort abgelegt wird, sowie eine Vorrichtung zum Platzieren kleiner Objekte, insbesondere mi krotechnischer Bauteile, umfassend ein zum Aufnehmen, Transportieren und Ablegen des Ob jektes geeignetes Transportelement sowie Mittel zur Bewegung des Transportelements relativ zu einem Montageplatz.

Das Miniaturisieren von Bauteilen oder auch ganzer Systeme bringt bei zahlreichen technischen Anwendungen erhebliche Vorteile. Die geringen Dimensionen der Bauteile erfordern jedoch besondere Maßnahmen bei ihrer Handhabung, insbesondere bei ihrem punktgenauen Platzieren für die Montage. Dies gilt sowohl für aus mehreren Komponenten zusammengesetzte hybride Mikrosysteme als auch für monolithisch z. B. in Silizium integrierte Mikrosysteme. Bei letzteren ist die Mikromontage notwendig, um Verbindungen zur "Außenwelt" herzustellen. Zudem schreitet die Miniaturisierung auch im Bereich der Elektronikfertigung fort, so dass zukünftig insbesondere auch Bestückungsautomaten, z. B. zum Positionieren kleiner SMD-Widerstände (SMD = Surface Mounted Device), betroffen sein können. Des Weiteren sind Techniken zur Mikromanipulation in der Bio- und Gentechnik betroffen, bei der mikroskopisch kleine Objekte mechanisch bewegt und transportiert werden müssen.

Für das Platzieren eines mikroskopisch kleinen Objekts wird dieses mittels eines Transportele ments, zum Beispiel eines Greifers, zu einem Zielort transportiert. Derartige Greifer sind z. B. aus der US S 046 773 bekannt. Dort ist u. a. offenbart, dass die Bewegung von Greifern zum Fassen und Fortbewegen des Objekts mittels Piezostreifen bewirkt werden kann. Die geringen Dimensionen des Objekts können nun zu einem Haften am Transportelement führen, so dass zum Beispiel ein Öffnen des Greifers nicht unmittelbar zum Fallen des Objekts führt. Der Grund hierfür ist der mit abnehmender Größe eines Objekts zunehmende Einfluss oberflächenwirksamer Kräfte. So nimmt beispielsweise die Oberfläche eines kugelförmigen Körpers mit der zweiten, das Volumen aber mit der dritten Potenz des kleiner werdenden Radius ab. Zwischen den Oberflächen des Objekts und des Transportelements wirken anziehende elektrostatische und/oder van-der-Waals-Kräfte, die bei hinreichend kleinen Dimensionen die Gewichtskraft des Bauteils überwiegen. Hierdurch ist ein gezieltes, reproduzierbares Ablegen des Objekts oftmals mit großen Schwierigkeiten verbunden. Beispielsweise lassen sich - abhängig von den eingesetzten Materialien - Kugeln bis hinab zu einem Durchmesser von etwa 500 µm gezielt ablegen, da deren Gewichtskraft hierzu in der Regel ausreicht. Bei kleineren Kugeln überwiegen jedoch die Adhäsionskräfte: die Bauteile fallen oftmals erst nach Stunden bis Tagen vom Greifer ab.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der ein gangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit denen ein gezieltes und kurzfristiges Ablegen eines kleinen Objekts auch bei einer die am Objekt angreifende Gravitationskraft überwiegenden Adhäsionskraft zwischen Objekt und Transportelement möglich ist.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zum Ablösen des Objekts vom Transportelement das Transportelement in Schwingung versetzt wird. Die Schwingungen stellen eine Art Schüttelbewegung dar, bei der Kräfte auftreten können, die für ein Ablösen des Objekts vom Transportelement hinreichend sind.

Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass die Amplitude der Schwingung am Ort des Objekts mehr als 5 µm und weniger als 50 µm beträgt.

Es kann vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, dass die Frequenz der Schwingungen mindestens 250 Hz beträgt.

Die Wahl der Amplitude und der Frequenz ist ganz wesentlich abhängig von der Größe des Ob jekts, der Materialien von Transportelement und Objekt sowie den gegebenen Oberflächenfor men. Beispielsweise wurde festgestellt, dass die optimale Amplitude für Bauteile von etwa 100 µm zwischen 10 µm und 30 µm liegt. Zu große Amplituden können zu einem unerwünsch ten Fortschleudern führen. Bei denselben Bauteilen wurde beobachtet, dass sie sich bei einer Fre quenz von 300 Hz nur manchmal vom Greifer lösen, während bei Frequenzen über 1000 Hz das Ablösen der Bauteile vom Transportelement spontan und zuverlässig ist. Das Ablösen geschieht dabei sehr sanft, so dass die Bauteile bei geringer Höhe vom Montageplatz in der Regel die ge wünschte Position exakt erreichen.

Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Transportelement mittels mindestens einer Schwingungseinheit in Schwingung versetzbar ist.

Die Schwingung kann durch eine mechanische Rüttelvorrichtung oder auch auf elektromagneti schem Wege erzeugt werden.

Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die erfindungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, dass die mindestens eine Schwingungseinheit ein Piezoelement umfasst. Bei der Verwendung von Piezo elementen lassen sich Frequenz und Amplitude der Schwingungen in weiten Bereichen einstel len.

Zwischen Piezoelement und dem Transportelement kann als Koppelelement zur Übertragung der Schwingungen eine Sonotrode eingesetzt sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann des weiteren so ausgebildet sein, dass das Transport element mindestens zwei relativ zueinander bewegbare, zum Greifen des Objekts dienende Greifbacken aufweist.

Alternativ können auch einarmige Transportelemente eingesetzt werden, die das Objekt nicht durch eine Greifbewegung aufnehmen, sondern über Oberflächenkräfte. Neben den gegebenen van-der-Waals-Kräften können elektrostatische Kräfte und/oder ein die Adhäsion steigernder Flüssigkeitsfilm ausgenutzt werden.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass jede Greifbacke gesondert durch eine Schwingungseinheit in Schwingung versetzbar ist. Bei Greifern kann nicht sichergestellt werden, an welcher Greifbacke das Objekt haften bleibt. Eine Schwingungseinheit an jeder Greifbacke gewährleistet einen gezielten Einsatz der Schwingungen.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass mindestens eine der Schwingungseinheiten auch zur Erzeugung der Greifbewegung einsetzbar ist. Dies ist zum Bei spiel bei Piezoelementen gegeben, die zum Einen zur Erzeugung von Schwingungen dienen können, mit denen aber auch gerichtete Bewegungen möglich sind. Bei einem zweiarmigen Greifer genügt es grundsätzlich, nur einen der Arme für die Greifbewegung zu bewegen.

Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand von Figuren näher erläutert.

Es zeigt schematisch

Fig. 1 einen Greifer mit einem Schwingungsgenerator mit horizontaler Schwingungs richtung,

Fig. 2 einen Greifer mit einem Schwingungsgenerator mit vertikaler Schwingungsrich tung und

Fig. 3 einen Greifer mit jeweils einem Schwingungsgenerator an jedem Greifarm.

Sämtliche Figuren zeigen in Seitenansicht einen Greifer 1 mit zwei Armen 2 und 3. Die Greifer 1 sind mittelbar oder unmittelbar an einem Halteelement 4 befestigt, das mittels einer hier nicht dargestellten Bewegungseinheit relativ zu einem ebenfalls nicht dargestellten Montageplatz be wegbar ist. Zur Bewegung der Greifarme 2 und 3 werden in den Fig. 1 und 2 nicht gesondert dargestellte Aktuatoren, zum Beispiel Piezoelemente, verwendet. Zum Greifen eines Bauteils 5 wird der Greifer 1 über dem Bauteil 5 derart platziert, dass das Bauteil 5 zwischen den Greifba cken 6 und 7 der Greifarme 2 und 3 liegt. Mit einem Zusammenfahren der Greifarme 2 und 3 wird das Bauteil 5 von den Greifbacken 6 und 7 eingeklemmt. Anschließend wird das Bauteil 5 mittels des Greifers 1 zu einem bestimmten Ort bewegt, an dem das Bauteil 5 in ein hier nicht dargestelltes Mikrosystem eingebaut werden wird. Befindet sich das Bauteil 5 genau oberhalb der Montagestelle, werden die Greifarme 2 und 3 auseinander gefahren. Aufgrund der geringen Dimension des mikrotechnischen Bauteils 5 überwiegen die anziehenden Oberflächenkräfte zwi schen der Greifbacke 6 und dem Bauteil 5 gegenüber der Erdanziehung, so dass das Bauteil 5 trotz der Öffnung des Greifers 1 an der Greifbacke 6 hängenbleibt. Diese Situation ist in den Fig. 1 bis 3 dargestellt.

Um das Bauteil 5 von der Greifbacke 6 zu lösen, wird der Greifer in Schwingung versetzt. Ge mäß der Anordnung in Fig. 1 kann hierfür ein zwischen dem Greifer 1 und dem Halteelement 4 angeordneter Schwingungsgenerator 8 vorgesehen sein. In Fig. 1 ist die Schwingungsrichtung horizontal. Der Schwingungsgenerator 8 kann ein Piezoelement umfassen, das optional über eine hier nicht gesondert dargestellte Sonotrode Schwingungen bestimmter Frequenz und Amplitude auf den Greifer 1 überträgt. Aufgrund der Schwingungen erfährt das Bauteil 5 eine hinreichende Beschleunigung, um eine Ablösung von der Greifbacke 6 zu bewirken.

Die Anordnung in Fig. 2 unterscheidet sich von der in Fig. 1 nur dadurch, dass ein anderer Schwingungsgenerator 9 eingesetzt ist, dessen Schwingungsrichtung vertikal ausgerichtet ist. Die Wahl der bevorzugten Schwingungsrichtung kann von der Art des Bauteils 5 abhängen.

In Fig. 3 ist der Greifer 1 unmittelbar am Halteelement 4 befestigt. An jedem Greifarm 2 und 3 befindet sich jeweils ein Schwingungsgenerator 10 und 11 mit einer horizontalen Schwingungs richtung. Bei dieser Anordnung ist es denkbar, für die Greifbewegung gesonderte Aktuatoren einzusetzen oder für die Greifbewegung und für die Schwingungsbewegung denselben Aktuator zu verwenden. Bei Piezoelementen als Aktuatoren ist dies grundsätzlich möglich.

Bezugszeichenliste

1

Greifer

2

Greifarm

3

Greifarm

4

Halteelement

5

Bauteil

6

Greifbacke

7

Greifbacke

8

Schwingungsgenerator

9

Schwingungsgenerator

10

Schwingungsgenerator

11

Schwingungsgenerator

Claims

1. Verfahren zum Platzieren kleiner Objekte (5), insbesondere mikrotechnischer Bauteile, bei dem das Objekt (5) mittels eines Transportelements (1) aufgenommen und an ei nem Zielort abgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ablösen des Objekts (5) vom Transportelement (1) das Transportelement (1) in Schwingung versetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Schwingung am Ort des Objekts (5) mehr als 5 µm und weniger als 50 µm beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Schwingung mindestens 250 Hz beträgt.

4. Vorrichtung zum Platzieren kleiner Objekte (5), insbesondere mikrotechnischer Bauteile, umfassend ein zum Aufnehmen, Transportieren und Ablegen der Objekte (5) geeigne tes Transportelement (1) sowie Mittel zur Bewegung des Transportelements (1) relativ zu einem Montageplatz, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportelement (1) mittels mindestens einer Schwingungseinheit (8, 9, 10, 11) in Schwingung versetzbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schwingungseinheit (8, 9, 10, 11) ein Piezoelement umfasst.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trans portelement (1) mindestens zwei relativ zueinander bewegbare zum Greifen des Objekts die nende Greifbacken (6, 7) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Greifbacke (6, 7) gesondert durch eine Schwingungseinheit (8, 9, 10, 11) in Schwingung versetzbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schwingungseinheiten (8, 9, 10, 11) auch zur Erzeugung der Greifbewegung einsetzbar ist.