DE10136581B4 - Kraftsensitiver Mikromanipulator - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Messung und/oder Regelung der Greifkraft eines Mikromanipulators, mit dem Gegenstände mit mikroskopischen Abmessungen, insbesondere im Bereich zwischen einem Mikrometer und einem Millimeter, greifbar sind, wobei der Mikromanipulator zwei gegeneinander verschiebliche Klemmbacken aufweist, zwischen die ein Gegenstand unter Aufbringung einer Klemmkraft klemmbar ist, dadurch gekennreichnet, daß eine der Klemmbacken (2) als Teil einer Federzunge (3) ausgebildet ist, die in Eigenschwingung versetzt wird, wobei die Änderung der Schwingung während der Berührung des Gegenstandes (1) durch die Federzunge (3) beobachtet wird, wobei aus der Änderung eine die Klemmkraft charakterisierende Größe berechnet und wobei die Greifkraft anhand der charakterisierenden Größe gesteuert wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung und/oder Regelung der Greifkraft eines Mikromanipulators, mit dem Gegenstände mikroskopischer Abmessungen, insbesondere im Bereich zwischen einem Millimeter und einem Mikrometer, greifbar sind, wobei der Mikromanipulator zwei gegeneinander verschiebliche Klemmbacken aufweist, zwischen die ein Gegenstand unter Aufbringung einer Klemmkraft klemmbar ist. Die Erfindung betrifft außerdem einen Mikromanipulator zur Durchfühung des Verfahrens.
• In der Mikrosystemtechnik müssen häufig empfindliche Bauteile mit geringen Abmessungen von wenigen Mikrometern bis zu Bruchteilen eines Millimeters manipuliert werden. Dazu werden die Teile mit entsprechend kleinen Greifern aufgenommen und an anderer Stelle abgesetzt. Eine solche Manipulation geschieht häufig unter elektronenmikroskopischer Kontrolle. Als besonders problematisch, vor allem wenn Produktionsschritte in einer Produktionsstraße automatisiert werden sollen, erweist sich dabei die leichte Zerstörbarkeit einiger Bauteile. Um die Bauteile beim Greifen nicht zu beschädigen, müssen die Greiferspitzen (Klemmbacken) für auftretende Kräfte sensibel sein und eine entsprechende Rückmeldung an das Gesamtsystem geben. Dabei liegt der für diese Anwendung relevante Kraftbereich etwa zwischen 10⁶ und 10^–7 Newton (N).
• Messungen solch geringer Kräften sind beispielsweise mit Dehnungsmeßstreifen, piezoelektrischen Wandlern oder kapazitiven und optischen Meßverfahren möglich, wobei die beiden zuletzt genannten Verfahren die Auslenkung eines Federbalkens als Maß für die wirkenden Kräfte benutzen. Dehnungsmeßstreifen und piezoelektrische Wandler besitzen in dem angestrebten Kraftbereich von 10^–6 bis 10^–7 N jedoch keine ausreichende Empfindlichkeit. Dabei ließen sich zwar hoch sensitive Dehnungsmeßstreifen auf Siliziumbasis herstellen, diese wären jedoch aufgrund ihrer geringen Dimensionen sehr zerbrechlich. Dieselben Probleme treten auch bei Federbalken auf, deren Auslenkung optisch oder kapazitiv gemessen werden kann, selbst wenn es gelänge, Kraftsensoren der genannten Art für den angestrebten Kräftebereich in eine Pinzettenspitze zu integrieren. Ein weiterer Nachteil ist, daß bei allen hier aufgeführten Kraftsensoren für jede zu detektierende Raumrichtung ein getrennter Kraftsensor nötig ist.
• Zudem sei das Problem der Adhäsion genannt, die bewirkt, daß die zu manipulierenden Objekte an den Greiferspitzen kleben bleiben und sich nicht wieder absetzen lassen. Bislang wird das Problem dadurch umgangen, daß das Loslassen der Objekte mittels eines Abstreifers, an dessen nadelförmiger Spitze dieser Effekt klein ist, unterstützt wird. Dieses zusätzliche Werkzeug bedeutet jedoch einen weiteren technischen Aufwand und steht einer Miniaturisierung im Wege.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zu schaffen, das sich mit einfachen Mitteln kostengünstig umsetzen läßt und mit dem ein exaktes und zerstörungsfreies Greifen mikroskopisch kleiner Gegenstände möglich ist. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung, nämlich einen Mikromanipulator zur Durchführung des Verfahrens zu schalten.
• Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einen Mikromanipulator nach Anspruch 8 gelöst.
• Der erfindrische Grundgedanke liegt darin, eine Greiferspitze (Klemmbacke) mit einer Federzunge oder mit einer miniaturisierten Stimmgabel, insbesondere mit einer Quarzstimmgabel, auszurüsten, diese zur Schwingung anzuregen und das Schwingverhalten zu beobachten, wenn die Federzunge oder einer der beiden Zinken der Stimmgabel direkt oder indirekt mit dem zu greifenden Gegenstand in Berührungskontakt kommt. Aus der Änderung insbesondere aus der Dämpfung der Schwingung kann auf die Kraft zwischen der Klemmbacke und dem beaufschlagten Gegenstand geschlossen werden. Wird nämlich die Greiferspitze als ein solches schwingendes System ausgeführt oder an einem solchen befestigt, so wird die beispielsweise piezoelektrisch angeregte Schwingung bei Berührung eines Objektes gestört. Stimmgabeln, die für den erfindungsgemäßen Einsatz taugen, werden in großer Zahl als Zeitnormal in Quarzarmbanduhren eingesetzt und haben mit 10000 eine vergleichsweise hohe Güte. Wegen dieser Güte und wegen ihrer großen Empfindlichkeit werden sie bereits als Sensoren für die Rasterkraftmikroskopie mit atomarer Auflösung eingesetzt. Dabei sind erfindungsgemäß je nach Einsatzbereich verschiedene Meßmodi möglich, mit denen eine die Klemmkraft charakterisierende Größe berechnet und die Greifkraft gesteuert werden kann.
• Zum einen ist es möglich, das schwingende System, also die Stimmgabel oder die Federzunge, in ihrer Resonanzfrequenz anzuregen. Bei einer Berührung eines Gegenstandes wird die Schwingung mit zunehmender Kraftwechselwirkung stärker gedämpft. Durch die Elastizität der wie eine Pinzettenspitze ausgebildeten Greiferspitze sowie des berührten Objektes ist gewährleistet, daß die Schwingung bei Berührung nicht vollständig gedämpft wird sondern nur mit zunehmender Kraftwechselwirkung abnimmt. Die Abnahme der Amplitude ist ein Maß für die Kraft, die auf die Spitze wirkt. Die Größenordnung der Kraft, in welcher ein solcher an der Klemmbacke befindlicher Sensor seine maximale Empfindlichkeit besitzt, kann vermittels der Anregungsspannung und damit der Anregungsamplitude in weiten Bereichen eingestellt werden. In diesem Meßmodus ist es auch möglich, eine Greifkraft vorab dadurch zu definieren, daß eine der Kraft entsprechende Anregungsamplitude gewählt und der Punkt, an dem die Schwingungsamplitude einen bestimmten Wert unterschreitet, als Signal für das Erreichen dieser Kraft gewertet wird. Für die Realisierung kann eine recht einfache und preiswerte Auswerteelektronik eingesetzt werden.
• Außerdem ist es möglich und für manche Anwendungen vorteilhaft, wenn das schwingende System etwas oberhalb der Resonanzfrequenz angeregt wird. Bei einer typischen Resonanzfrequenz von 32,768 kHz ist es vorteilhaft eine um etwa 0,05 bis 0,1 % höhere Anregungsfrequenz (beim Arbeiten in Luft) einzusetzen. Bei Berührung des Gegenstandes nimmt dann mit zunehmender Kraftwechselwirkung die Güte des Systems, insbesondere der Stimmgabel ab, was sich in einer Zunahme der Amplitude äußert. Diese Meßmethode ist bei gleichbleibender Anregung über einen weiten Kraftbereich sensitiv. Ab einer bestimmten Kraftwechselwirkung nimmt die Schwingungsamplitude mit zunehmender Kraft aufgrund der Dämpfung wieder ab. Daraus ergibt sich eine maximal meßbare Kraft. Im Hinblick auf die Auswerteelektronik ist diese Methode, bei der schließlich der Maximalkraftbereich erkannt werden muß, etwas aufwendiger als die zuvor beschriebene Methode, die eine Anregung in Resonanz nutzt.
• Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Phasendifferenz zwischen der Anregung und der erzeugten Schwingung zu messen. Diese Methode wird im Falle der hochsensitiven Raster-Kraft-Mikroskopie angewendet. Mittels dieser Methode läßt sich der Kraftmeßbereich des beschriebenen Manipulators bei Bedarf und ohne Änderungen im mechanischen Aufbau noch um mehrere Größenordnungen bis hinunter in den Bereich atomarer Kraftwechselwirkungen erweitern. Es ist in einer anderen Form auch denkbar, das schwingende System mit intermittierenden Rechteckpulsen anzuregen und die Antwort auszuwerten.
• Insgesamt sind die Möglichkeiten der Ansteuerung der als Federzungen oder Stimmgabeln ausgeführten Manipulatorspitzen vielfältig. So können nicht nur die Anregungs- und Meßmodi variiert werden, es ist beispielsweise auch möglich bei zwei Manipulatorspitzen die eine zur Schwingungsanregung und die andere zur Schwingungsdetektion zu verwenden. Es ist denkbar, auf diese oder eine andere Weise auch Materialeigenschaften wie die Härte und/oder die Elastizität eines zu manipulierenden Objektes oder dessen Oberfläche der Messung zugänglich zu machen.
• Dabei ist der erfindungsgemäße sensorische Mikromanipulator gegen Kräfte und Berührungen in allen Raumrichtungen empfindlich. Diese Empfindlichkeit kann vorteilhaft bei der räumlichen Orientierung eines Mikroroboters eingesetzt werden. So ist es beispielsweise möglich, die vertikale Position des Mikromanipulators relativ zu einer Unterlage zu bestimmen, auf der ein zu greifendes Objekt liegt. So kann sichergestellt werden, daß sich der Greifer nicht oberhalb des Objektes schließt. So kann die Anzahl der gerade in der Rasterelektronenmikroskopie vorkommenden zeitintensiven optischen Kontrollvorgänge minimiert werden. Dabei wird der Manipulator solange an die Unterlage angenähert, bis eine Wechselwirkung auftritt. Anschließend wird er gerade soweit entfernt werden, bis die Unterlage nicht mehr gespürt wird. Die Manipulatorspitze befindet sich dann in einem optimalen Abstand von der Unterlage, um das Objekt zu greifen. Auf die gleiche Weise kann auch die Oberfläche eines Objektes abgetastet werden, um beispielweise eine für die optische Kontrolle verdeckte Taille zu finden, an der das Objekt gegriffen werden soll. Dabei ist zu beachten, daß nicht allein aus dem elektrischen Antwortsignal auf die Raumrichtung der wirkenden Kraft geschlossen werden kann. Dieser Schluß muß unter Berücksichtigung der Korrelation zwischen der momentanen Bewegungsrichtung und dem Auftreten einer Wechselwirkung geschehen. Ist das Objekt lokalisiert und die Pinzette positioniert, so kann es gegriffen werden, wobei die Greifkraft detektiert und dosiert werden kann. Werden die Parameter wie Anregungsamplitude und Greifkraft geeignet aufeinander abgestimmt, so kann der Greifer auch noch mit gegriffenem Objekt seine Position im Raum sensorisch ertasten.
• Vorteilhaft ist, daß bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Mikromanipulators keine Störung des Elektronenstrahles im Rasterelektronenmikroskop und damit keine Beeinflussung der Abbildung gegeben ist. Die Manipulatoren werden auch durch den Elektronenstrahl nicht in ihrer Funktion beeinflußt. Der Einsatz der Stimmgabeln im Vakuum erhöht sogar ihre Güte. Dabei sind die Sensoren unter Vakuum sensitiver sind als beim Einsatz an normalem Luftdruck.
• Ein weiterer Vorteil ist, daß die Probleme beim Absetzen des Gegenstandes, die durch die Adhäsion hervorgerufen werden, auf einfache Art lösbar sind. So kann durch eine Schwingung der Spitze, die im Moment des Absetzens durch Anlegen einer höheren Anregungsspannung auch stark überhöht sein kann, die Gefahr des Klebenbleibens durch Adhäsion verringert oder vermieden werden. Dieses Abstreifen kann auch durch einen erhöhten Schwingungspuls erfolgen. Ein insbesondere nadelförmmiger Abstreifer als dritte Hand, wie er in anderen Mikromanipulationsvorrichtungen vorgesehen ist, kann damit entfallen. Weiterhin ist von Vorteil, daß die Kraft, die mit einem erfindungsgemäß aufgebauten Mikromanipulator ausgeübt werden kann, je nach Ausführung der Stimmgabel bis etwa 0,1 N erreichen kann bevor diese bricht. Auch wenn der meßbare Kraftbereich einer mit der Stimmgabel ausgerüsteten Klemmbacke nicht über 10^–3 N hinausgeht, so ist damit trotzdem die Möglichkeit gegeben, bei Bedarf sehr viel größere Kräfte auszuüben. Wird zusätzlich ein alternatives und unempfindlicheres Kraftmeßverfahren wie insbesondere Dehnungsmeßstreifen beispielsweise in der gegenüberliegenden zweiten Klemmbacke oder im Finger des Mikromanipulators verwendet, so läßt sich auch der nutzbare Kraftmessbereich noch nach oben hin erweitern.
• Ebenso ist von Vorteil, daß an die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Kraftmessung keine besonderen Anforderungen gestellt werden brauchen. Schließlich wird die Zerstörung des Objektes durch die sensitive Rückkopplung verhindert. Die Manipulatoren haben dabei einige weitere Vorteile: Sie sind so klein, daß sie für den Einsatz im Rasterelektronenmikroskop geeignet sind und auch den einwandfreien Betrieb des Elektronenmikroskops nicht stören. Von Vorteil ist zudem, daß die Greiferspitzen relativ unkompliziert ausgetauscht werden können. Wegen des relativ niedrigen Wiederbeschaffungswertes gelten die Spitzen als Verbrauchsmaterial. Somit ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem entsprechenden Mikromanipulator eine Möglichkeit zum einfachen, zuverlässigen, exakten und zerstörungsfreien Greifen mikroskopisch kleiner Gegenstände gegeben, die sich mit einfachen Mitteln kostengünstig umsetzen läßt.
• Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikromanipulators ist in der Figur gezeigt und wird nachfolgend beschrieben: Die Figur zeigt einen Mikromanipulator mit zwei Backen, die zur Ausführung einer Greifbewegung gegeneinander beweglich sind. Mit dem Manipulator ist ein Gegenstand 1 mit mikroskopischen Abmessungen, insbesondere im Bereich zwischen einem Mikrometer und einem Millimeter, greifbar. Der Mikromanipulator weist zwei gegeneinander verschiebliche und als Pinzettenspitzen ausgebildete Klemmbacken 2 auf, zwischen die der Gegenstand 1 unter Aufbringung einer Klemmkraft klemmbar ist. Die eine 2a der beiden Klemmbacken 2 ist als Ansatz und damit als Teil einer Federzunge 3 ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Federzunge 3 einer von zwei Zinken einer Stimmgabel, die mit einer Basis 5 am Ende eines Fingers 4 des Mikromanipulators fest verbunden ist. Die beiden Finger 4 des Mikromanipulators lassen sich gegeneinander sensibel in Richtung des Pfeiles A bewegen, was zu einer entsprechenden Greifbewegung der Klemmbacken 2 führt. An der Spitze des anderen Gegenfingers 4b kann bei Bedarf ebenfalls eine solche Stimmgabel angebracht werden.
• Die hohe Güte der Stmmgabeln wird unter anderem dadurch erreicht, daß die bei der gegenläufigen Auslenkung auftretenden Kräfte der Zinken 3 in der Basis 5 kompensiert werden. Wird statt der Stimmgabel lediglich eine Federzunge auf einem Finger 4 angebracht, so muß der Finger 4 die bei der Schwingung der Federzunge auftretenden Beschleunigungskräfte aufnehmen. Für eine hohe Güte und geringe Dämpfung müßte der Finger als Basis entsprechend massiv ausgebildet werden. Da dies mit Nachteilen einhergeht wird hier der Aufbau mit zwei gegenläufig schwingenden Zinken bevorzugt. Wie dargestellt ist der eine Zinken (hier der untere Zinken) als geeignet geformte Greiferspitze ausgeführt. Der andere Zinken dient als Gegengewicht. Dabei brauchen die Zinken nicht exakt ausbalanciert zu sein, da geringe Unterschiede durch die Basis 5 kompensiert werden. Je besser die Zinken gegeneinander ausbalanciert sind, umso höher ist die Güte der als Zinke dienenden Stimmgabel. Die Schwingungsrichtung kann parallel oder senkrecht zu dem zu greifenden Gegenstandes sein, da in beiden Fällen eine Dämpfung der Schwingung auftritt.
• Die Stimmgabel ist aus einem Quarzsubstrat 6 gefertigt, auf das Elektroden 7 aufgedampft sind. Die Kontaktierung der Elektroden 7 erfolgt über die Kabel B.
• Zum Ausgleich des Gewichtes des Klemmbacken 2a ist auf dem anderen Zinken 3 ein Ausgleichsgewicht 9 angebracht. Die Sensoren werden dabei aus geeignet orientiertem Quarz geschnitten und die Kontakte aufgedampft. Kommerziell erhältliche Schwingquarze für 32,768 kHz, die sehr preiswert auf dem Markt zur Verfügung stehen, können zur Herstellung der Manipulatorspitzen benutzt werden.
• Die für die Messung eingesetzte elektronische Schaltung weist im wesentlichen einen Oszillator auf, der die Stimmgabel vorzugsweise in oder in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz anregt. Außerdem ist eine Elektronik zur Messung des piezoelektrisch erzeugten Signals der Schwingung vorhanden. Zudem ist eine Auswerteelektronik nötig, die das Signal der Schwingung auswertet und damit die Kraft berechnet, die auf den Manipulator wirkt. Wird die Stimmgabel mittels eines Oszillators auf einer der beiden Elektroden und das piezoelektrischen Signal der Schwingung auf der anderen der beiden Elektrode gemessen, so tritt als Störsignal die kapazitive Kopplung zwischen den beiden Elektroden auf. Dieses kann dadurch minimiert werden, daß mit einem phasensensitiven (Lock In) Verstärker angeregt und gemessen wird. Das um 90° gegenüber der anregenden Schwingung phasensenverschobene und von der piezoelektrisch angeregten Schwingung unabhängige Störsignal kann mit dieser Methode leicht eliminiert werden.

Claims (15)

1. Verfahren zur Messung und/oder Regelung der Greifkraft eines Mikromanipulators, mit dem Gegenstände mit mikroskopischen Abmessungen, insbesondere im Bereich zwischen einem Mikrometer und einem Millimeter, greifbar sind, wobei der Mikromanipulator zwei gegeneinander verschiebliche Klemmbacken aufweist, zwischen die ein Gegenstand unter Aufbringung einer Klemmkraft klemmbar ist, dadurch gekennreichnet, daß eine der Klemmbacken (2) als Teil einer Federzunge (3) ausgebildet ist, die in Eigenschwingung versetzt wird, wobei die Änderung der Schwingung während der Berührung des Gegenstandes (1) durch die Federzunge (3) beobachtet wird, wobei aus der Änderung eine die Klemmkraft charakterisierende Größe berechnet und wobei die Greifkraft anhand der charakterisierenden Größe gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Greifkraft im Bereich zwischen etwa 10^–4 und 10^–7 N eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennreichnet, daß die Änderung der Amplitude, insbesondere die Dämpfung, der Schwingung beim Greifen beobachtet wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß die Federzunge (3) mit einem angekoppelten elektromechanischen Wandler, insbesondere einem Piezo-Element, zur Eigenschwingung angeregt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federzunge (3) in ihrer Resonanzfrequenz angeregt wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federzunge (3) miteiner Frequenz angeregt wird, die etwa 0.05% bis 0.1 % oberhalb der Resonanzfrequenz der Federzunge (3) liegt.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenunterschied zwischen der anregenden Schwingung und der tatsächlichen Schwingung gemessen und daraus eine die Klemmkraft charakterisierende Größe berechnet wird.
8. Mikromanipulator zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend zwei gegeneinander bewegliche Greiforgane, insbesondere Finger, dadurch gekennzeichnet, daß die Federzunge (3) einer von zwei Zinken einer Stimmgabel ist, die an einem der Greiforgane (4), insbesondere an deren Spitze, angeordnet ist.
9. Mikromanipulator nach Anspruch 8, dadurch gekennreichnet, daß die beiden Zinken der Stimmgabel etwa baugleich sind.
10. Mikromanipulator nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennreichnet, daß an dem einen Zinken eine als Pinzettenspitze ausgebildete Klemmbacke (2) angebracht ist.
11. Mikromanipulator nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß beide Zinken an einer gemeinsamen Basis befestigt sind.
12. Mikromanipulator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß beide Zinken mit einem Ausgleichsgewicht (9) so gegeneinander ausbalanciert sind, daß die Basis nahezu keine Beschleunigungskräfte erfährt.
13. Mikromanipulator nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimmgabel aus Quarz geschnitten ist.
14. Mikromanipulator nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennreichnet, daß auf die Zinken Elektroden aufgedampft sind, über die eine elektrische Anregung einer Schwingung möglich ist.
15. Mikromanipulator nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennreichnet, daß an beiden Greiforganen eine etwa baugliche Stimmgabel angebracht ist.