DE102005018955B4

DE102005018955B4 - micropositioning

Info

Publication number: DE102005018955B4
Application number: DE200510018955
Authority: DE
Inventors: Christian Solf; Arndt Last
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2005-04-23
Filing date: 2005-04-23
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2025-04-24
Also published as: DE102005018955A1

Abstract

Mikropositioniersystem für große Stellwege, umfassend
a) mindestens zwei sich auf einer Fläche erstreckende und in eine Richtung orientierte elektrostatische Haftelektroden (1, 2, 11, 12), mechanisch verbunden mit einer elektrisch isolierenden Polymerfeder (7),
b) mindestens einen elektrostatischen Aktor mit zwei Aktorelektroden (4),
c) wobei die Aktorelektruden ineinander greifende positionierte elektrisch leitende Kammstrukturen (4) umfassen,
d) und wobei die Polymerfeder die Haftelektroden und die Aktorelektroden mechanisch miteinander verbindet und untereinander elektrisch isoliert, und Haftelektroden, Polymerfeder und Aktor ein Stellglied bilden,
e) ein flächiges Elektrodensubstrat (3) als Gegenelektrode zu den Haftelektroden sowie
f) Mittel zur selektiven elektrischen Beaufschlagung der Haftelektroden und Aktorelektroden mit einem elektrischen Potential.Micropositioning system for large travel ranges, comprising
a) at least two electrostatic adhesive electrodes (1, 2, 11, 12) extending on one surface and oriented in one direction, mechanically connected to an electrically insulating polymer spring (7),
b) at least one electrostatic actuator with two actuator electrodes (4),
c) wherein the actuator electrons comprise interlocking positioned electrically conductive comb structures (4),
d) and wherein the polymer spring mechanically connects the adhesive electrodes and the actuator electrodes to one another and electrically isolates them from one another, and adhesive electrodes, polymer spring and actuator form an actuator,
e) a flat electrode substrate (3) as a counter electrode to the adhesive electrodes and
f) means for selective electrical loading of the adhesion electrodes and actuator electrodes with an electrical potential.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikropositioniersystem für große Stellwege gemäß des ersten Patentanspruchs.The The invention relates to a micropositioning system for large travel ranges according to the first Claim.

Mikropositioniersysteme dienen der exakten Positionierung von Gegenständen für unterschiedliche, insbesondere optische, mikrotechnische oder mikrobiologische Anwendungen. Dabei kommt es oftmals auf eine Positioniergenauigkeit im Mikrometerbereich und darunter an.Micropositioners serve the exact positioning of objects for different, in particular optical, microtechnical or microbiological applications. there Often, positioning accuracy in the micrometer range often occurs and below.

Die einfachste Bauart betreffen mechanische Verstelltische, wie sie beispielsweise im Rasterelektronenmikroskop eingesetzt werden. Derartige Verstelltische umfassen Schlittenführungen, die mit gegen Federn wirkenden Gewindespindeln auch für große Stellwege einstellbar sind. Dabei sind Ausführungsformen bekannt, die sich in bis zu der lateralen und drei rotatorischen Freiheitsgraden einstellen lassen, und zwar mit Positioniergenauigkeiten bis in den Submikrobereich.The The simplest type of mechanical adjustment tables, as they be used for example in a scanning electron microscope. Such adjustment tables include slide guides, the threaded spindles acting against springs also for large travel ranges are adjustable. In this case, embodiments are known which are in up to the lateral and three rotational degrees of freedom with positioning accuracies down to the submicron range.

Verstelltische der vorgenannten Art sind jedoch in ihrem Aufbau relativ voluminös und in ihrer Mechanik aufwendig. Zudem weisen sie eine nicht unerhebliche Temperaturempfindlichkeit auf. Sie eignen sich somit zwar für große Stellwege auch mit Genauigkeiten im Submikrometerbereich, jedoch allein schon aufgrund der Baugröße nicht für einen Einsatz als integraler Bestandteil in Mikrosystemen.Verstelltische However, the aforementioned type are relatively bulky in construction and in consuming their mechanics. In addition, they have a not insignificant Temperature sensitivity on. They are therefore suitable for long travel ranges even with accuracies in the sub-micrometer range, but already not because of the size for one Use as an integral part in microsystems.

Alternativ werden für präzise Positionierungsaufgeben mit größeren Stellbewegungen Systeme beschrieben, die nach dem Inch-Worm-Prinzip arbeiten. Derartige Systeme sind linear auf einer Fläche (Substratfläche) wirkende Schrittantriebe. Sie umfassen einen kurzhubigen Vorschubaktor zwischen zwei Bauteilen, die mit der Aktorbewegung wechselseitig auf der Fläche gleiten oder haften. Bei einem Inch-Worm-Antrieb erfolgt ein Gesamtstellweg (Vorschub) durch eine Addition von Einzelhüben des Vorschubaktors. Die Vorschubaktoren werden je nach Ausführungsform magnetisch oder piezoelektrisch betrieben.alternative be for precise Positioning tasks with larger positioning movements Described systems that operate on the inch-worm principle. Such systems are linear on a surface (Substrate surface) acting stepper drives. They include a short-stroke feed actuator between two components that interact with the actuator movement on the surface glide or stick. In an inch-worm drive, a total travel (feed) takes place by adding single strokes of the feed actuator. The feed actuators are depending on the embodiment operated magnetically or piezoelectrically.

In Lee S.-K., Esashi M.: Design of the Electrostatic Linear Microactuator based on the Inchworm Motion; Mechatronics Vol.5, No.8 (1995), S. 963–972, Els. Press Ltd, 1995 wird ein Inch-Worm-Antrieb der vorgenannten Art mit elektrostatischen Vorschubaktor und elektrostatischen Haftmechanismus für die vorgenannten Bauteile beschrieben, wobei zwischen feste Elektroden elektrische Felder erzeugt werden, durch die wiederum bewegliche Siliziumbauteile elektrostatisch bewegt werden.In Lee S.-K., Esashi M .: Design of the Electrostatic Linear Microactuator based on the inchworm motion; Mechatronics Vol.5, No.8 (1995), pp. 963-972, Els. Press Ltd, 1995 is an inch-worm drive of the aforementioned type with electrostatic Feed actuator and electrostatic adhesion mechanism for the aforementioned Components described, wherein between solid electrodes electrical Fields are generated by the in turn moving silicon components be moved electrostatically.

Auch in Konishi S. u.a.: Parallel Linear Actuator System with High Accuracy and Large Stroke; Sensors and Actuators A97–98 (2002), S. 610–619, Els. Sci. B.V., 2002 offenbart sich ein elektrostatisch betriebener Inch-Worm-Antrieb, allerdings in Kombination mit einem piezoelektrischen Vorschubaktor.Also in Konishi S. et al .: Parallel Linear Actuator System with High Accuracy and large strokes; Sensors and Actuators A97-98 (2002), p. 610-619, Els. Sci. B.V., 2002 discloses an electrostatically operated inch-worm drive, however in combination with a piezoelectric feed actuator.

Allen genannten Mikropositionierungssystemen mit vorgenanntem Inch-Worm-Antrieb gemein sind die kurzen Einzelhübe der Vorschubaktoren. Größere Stellbewegungen lassen sich praktisch nur schrittweise durchführen. Schnelle Stellbewegungen über einen Gesamtstellweg, der in seiner Größe einem Einzelhub übersteigt, sind nur mit sehr schnellen Umsetzbewegungen verbunden, welche auf der Substratfläche einen mechanischen Stoß übertragen. Treten derartige Stöße – wie bei den vorgenannten schnellen Stellbewegungen mit großem Gesamthub – mit hoher Frequenz aufeinander folgend auf, entsteht auf der Substratfläche eine zyklische Stoßeinkopplung, die unerwünschte Schwingungen hervorrufen kann.all mentioned micro-positioning systems with the aforementioned inch Worm drive common are the short single strokes the feed actuators. Bigger positioning movements can be practically only step by step. Fast positioning movements over one Total travel, which in its size one Single stroke exceeds, are only associated with very fast Umsetzbewegungen, which on the substrate surface transmit a mechanical shock. To step Such shocks - as in the aforementioned fast actuating movements with a large total stroke - with high Frequency consecutive, arises on the substrate surface one cyclic shock coupling, the unwanted Can cause vibrations.

In der DE 197 44 292 A1 wird alternativ ein elektrostatisches Aktorkonzept mit zwei ineinander wirkenden Kammelektroden beschrieben, welches auch größere Stellwege ermöglicht.In the DE 197 44 292 A1 Alternatively, an electrostatic actuator concept is described with two intermeshing comb electrodes, which also allows larger travel ranges.

Auch in der EP 1 174 995 A2 ist ein Aktorkonzept dokumentiert, umfassend eine Vielzahl der vorgenannten elektrostatischen Akto ren. Die Aktoren sind jedoch fest in einem Rahmen integriert, die Stellwege damit begrenzt.Also in the EP 1 174 995 A2 an actuator concept is documented, comprising a plurality of the aforementioned electrostatic Akto ren. The actuators are, however, firmly integrated in a frame, the travel limits so.

In Tas, N. u.a.: The Shuffle Motor: A High Force, High Precision Linear Electrostatic Stepper Motor; In: IEEE Transducers 1997, Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, 1997, S. 777–780 findet sich ein Inch-Worm Konzept, wobei zwei Haftelektroden mit einem Federelement verbunden sind und mit einer flächigen Gegenelektrode als Elektrodensubstrat in Wechselwir kung stehen. Auch in Tas, N.R. u.a. Surface Micromachined Linear Electrostatic Stepper Motor; In: IEEE, 0-7803-3744-1/97, 1997, S. 215–220 sowie auch in Sarajlic, E. u.a.: Bidirectional Electrostatic Linear Shuffle Motor with Two Degrees of Freedom; In: IEEE Micro Electro Mechanical Systems, Publication Date: 30. Jan.–3. Feb. 2005, S. 291–294 finden sich vergleichbare Konzepte.In Tas, N., et al .: The Shuffle Motor: A High Force, High Precision Linear Electrostatic stepper motor; In: IEEE Transducers 1997, Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, 1997, pp. 777-780 an inch-worm concept, where two adhesive electrodes with a Spring element are connected and with a flat counter electrode as the electrode substrate interact. Also in Tas, N.R. et al Surface micromachined Linear Electrostatic Stepper Motor; In: IEEE, 0-7803-3744-1 / 97, 1997, Pp. 215-220 as well as in Sarajlic, E. et al .: Bidirectional Electrostatic Linear Shuffle Engine with Two Degrees of Freedom; In: IEEE Micro Electro Mechanical Systems, Publication Date: Jan. 30th-3. Feb. 2005, p. 291-294 similar concepts.

Die WO 2004/074903 A1 offenbart ein in zwei Richtungen wirkendes Positionierungssystem für einen Spiegel, jedoch lateral eng beschränkt in einem fixen Rahmen.The WO 2004/074903 A1 discloses a bi-directional positioning system for a Mirror, but laterally narrowly confined in a fixed frame.

Dagegen beschreibt die DE 101 58 920 A1 einen miniaturisierbaren Antrieb mit translatorischen und rotatorischen Inch-Worm Schrittantrieben, die jeweils in einem Rahmen geführt und mit einem Festkörperaktor, wie z.B. einen Piezoelektrischen Aktor angetrieben werden. Auch die Veröffentlichung von Vaughan, M. Leo D.J.: Integrated Piezoelectric Linear Motor For Vehicle Applications; In: Proc. IMECE 2002, International Adaptive Structures and Materials Systems Symposium, New Orleans 2002, S. 1–9 offenbart ein auf Piezoaktoren gestütztes Verfahrsystem.In contrast, the describes DE 101 58 920 A1 a miniaturizable drive with translatory and rotary Inch-Worm stepper drives, each guided in a frame and with a hard Körperaktor, such as a piezoelectric actuator are driven. Also, the publication of Vaughan, M. Leo DJ: Integrated Piezoelectric Linear Motor For Vehicle Applications; In: Proc. IMECE 2002, International Adaptive Structures and Materials Systems Symposium, New Orleans 2002, p. 1-9 discloses a piezo actuator-based traveling system.

Die Aufgabe der Erfindung liegt davon ausgehend darin, ein Mikropositionierungssystem vorzuschlagen, welches einfach aufge baut auch für größere kontinuierlich einstellbare Einzelhübe geeignet ist.The The object of the invention, starting from this, is a micropositioning system to propose, which simply builds up even for larger continuously adjustable individual strokes suitable is.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung wieder.The The object is achieved with the features of the first claim. The Subordinate claims advantageous embodiments of this solution again.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigenThe Invention will be explained in more detail below with reference to embodiments. It demonstrate

1a und b eine perspektivische Ansicht sowie eine Aufsicht einer Ausführungsform, 1a and b is a perspective view and a plan view of an embodiment,

2 die Ansicht einer Ausführungsform mit Führungsschienen, 2 the view of an embodiment with guide rails,

3 die Ansicht einer Ausführungsform mit geteilten Haftelektroden und Kammstrukturen, 3 the view of an embodiment with divided adhesive electrodes and comb structures,

4 die Ansicht einer Ausführungsform für drehende Positionierungen, 4 the view of an embodiment for rotating positioning,

5 die Ansicht einer Ausführungsform für Positionierungen in zwei Richtungen sowie 5 the view of an embodiment for positioning in two directions as well

6 die Ansicht einer Ausführungsform mit versteiften Haftelektroden. 6 the view of an embodiment with stiffened adhesive electrodes.

Das Mikropositionierungssystem sowie die Funktionsweise wird anhand der Ausführungsform gem. 1a und b wie folgt beschrieben:
Die dargestellte Ausführungsform umfasst ein Stellglied, umfassend zwei Haftelektroden 1 und 2, die fluchtend zueinander durch eine Polymerfeder 7 vorzugsweise mittels formschlüssiger Anfügung verbunden sind, sowie zwei ineinander greifende Kammstrukturen 4 als Aktorelektroden eines Aktors. Das Stellglied liegt mit den Haftelektrodenflächen flächig auf einem Elektrodensubstrat 3 auf, wobei eine elektrische Isolationsschicht auf einem der vorgenannten Elektrodenflächen oder – bevorzugt – auf dem Elektrodensubstrat, ein Dielektrikum 8 zwischen Haftelektroden und Elektrodensubstrat bildet. Ferner umfasst das Mikropositionierungssystem nicht dargestellte Mittel zur selektiven elektrischen Beaufschlagung der Haftelektroden und Aktorelektroden mit einem elektrischen Potential. Vorzugsweise umfassen diese Mittel für jede Elektrode einen elektrischen Anschluss mit Spannungsquelle sowie einer vorzugsweise prozessorgestützte selektive Steuerung für die Spannungsquellen zur Erzeugung eines Potentialunterschiedablaufes zwischen den einzelnen Elektroden. Der vorgenannte Potentialunterschiedablauf bestimmt die Richtung und Geschwindigkeit des Stellglieds auf dem Elektrodensubstrat.The micropositioning system and the operation is based on the embodiment gem. 1a and b described as follows:
The illustrated embodiment comprises an actuator comprising two adhesive electrodes 1 and 2 , which are aligned with each other by a polymer spring 7 preferably connected by means of positive attachment, and two intermeshing comb structures 4 as actuator electrodes of an actuator. The actuator lies flat with the adhesive electrode surfaces on an electrode substrate 3 on, wherein an electrical insulation layer on one of the aforementioned electrode surfaces or - preferably - on the electrode substrate, a dielectric 8th forms between the adhesion electrodes and the electrode substrate. Furthermore, the micropositioning system comprises means not shown for the selective electrical loading of the adhesion electrodes and actuator electrodes with an electrical potential. Preferably, these means comprise for each electrode an electrical connection with voltage source and a preferably processor-based selective control for the voltage sources for generating a potential difference sequence between the individual electrodes. The aforementioned potential difference operation determines the direction and speed of the actuator on the electrode substrate.

Die Betätigung des Mikropositionierungssystems erfolgt schrittweise durch das vorgenannte Beaufschlagen der Elektrodenflächen mit einem Potentialunterschiedablauf. In einem ersten Schritt wird zwischen der ersten Haftelektrode 1 und dem Elektrodensubstrat 3 eine elektrische Spannung (Potentialunterschied) angelegt, wobei sich zwischen den beiden angesteuerten Elektrodenflächen im Dielektrikum 8 ein elektrisches Feld aufbaut, das die Haftelektrode 1 an das Elektrodensubstrat 3 über eine elektrostatische Anziehungskraft andrückt. In einem nächsten Schritt wird ein Potentialunterschied zwischen den beiden Kammstrukturen 4 angelegt, wodurch sich zwischen diesen ein elektrisches Feld aufbaut und die Kammstrukturen elektrostatisch gegen die Federkraft der Polymerfeder aneinander gezogen werden. Das Stellglied stützt sich dabei an der auf das Elektrodensubstrat 3 haftenden ersten Haftelektrode 1 ab, während die zweite Haftelektrode 2 aufgrund der durch die vorgenannte elektrostatische Kraft zwischen den Kammstrukturen durch die Kontraktion der Polymerfeder 7 in Richtung der ersten Haftelektrode 1 gezogen wird. Ist eine einstellbare, vom Potentialunterschied zwischen den Kammstrukturen abhängige Schrittweite erreicht, wird zwischen der zweiten Haftelektrode 2 und dem Elektrodensubstrat 3 ein elektrischer Potentialunterschied angelegt. Damit sind beide Haftelektroden 1 und 2 elektrostatisch kurzzeitig an die Substratelektrode angedrückt. In den darauf folgenden Schritten wird zunächst der Potentialunterschied zwischen erster Elektrode 1 und Elektrodensubstrat 3 und dann zwischen den Kammstrukturen 4 wieder aufgehoben, wodurch es zu einer Entlastung der Polymerfeder 7 und damit zu einer Fortbewegung der ersten Elektrode auf dem Elektrodensubstrat kommt. Die gesamte Aktoreinheit hat sich damit einen Schritt nach vorne bewegt. Die Einzelschrittweite kann je nach Dimensionierung dabei wenige Mikrometer bis mehrere 100 Mikrometer betragen. Eine entsprechende Wiederholung dieser Schritte ermöglicht beliebige Verfahrwege. Der Gesamtverfahrweg ist die Summe der Einzelschritte. Die Bewegungsrichtung wird durch die Reihenfolge des Anlegens der Klemmspannungen bestimmt.The actuation of the micropositioning system is carried out stepwise by the aforementioned applying the electrode surfaces with a potential difference. In a first step, between the first adhesive electrode 1 and the electrode substrate 3 an electrical voltage (potential difference) is applied, wherein between the two driven electrode surfaces in the dielectric 8th an electric field that builds up the adhesive electrode 1 to the electrode substrate 3 presses over an electrostatic attraction. In a next step, a potential difference between the two comb structures 4 created, creating an electric field between them and the comb structures are electrostatically pulled against the spring force of the polymer spring together. The actuator relies on the on the electrode substrate 3 adhering first adhesive electrode 1 while the second adhesive electrode 2 due to the aforementioned electrostatic force between the comb structures due to the contraction of the polymer spring 7 in the direction of the first adhesive electrode 1 is pulled. Is an adjustable, depending on the potential difference between the comb structures step size is achieved, is between the second adhesive electrode 2 and the electrode substrate 3 created an electrical potential difference. So both are adhesive electrodes 1 and 2 electrostatically pressed against the substrate electrode for a short time. In the following steps, first the potential difference between the first electrode 1 and electrode substrate 3 and then between the comb structures 4 lifted again, causing a relief of the polymer spring 7 and thus comes to a movement of the first electrode on the electrode substrate. The entire actuator unit has moved one step forward. Depending on the dimensions, the single step size can be a few micrometers to several 100 micrometers. A corresponding repetition of these steps allows any traversing paths. The total travel is the sum of the individual steps. The direction of movement is determined by the order of application of the clamping voltages.

Durch Wiederholung der vorgenannten Schritte erfolgt eine schrittweise Fortbewegung des Stellglieds auf dem Elektrodensubstrat gemäß eines Inch-Worm-Antriebsmechnismus.By repeating the above steps, a stepwise movement of the actuator on the electrode substrate is carried out according to a Inch Worm-drive mechanism.

Die Polymerfeder 7 übernimmt im Mikropositionierungssystem mehrere Funktionen. Zum einen dient sie als mechanische Verbindung und positionierende Trägerstruktur für die Haftelektroden 1 und 2 und der Kammstrukturen 4. Dabei sind die Haftelektroden jeweils an unterschiedlichen Punkten am Umfang des Federelements befestigt. Zudem erzeugt sie mit ihrer Federkennlinie eine mechanische Gegenkraft für die elektrostatische Anziehungskraft zwischen den Kammstrukturen 4 bei angelegtem Potentialunterschied. Außerdem stellt sie eine elektrische Isolation der Haftelektroden 1 und 2 sowie der Kammstrukturen 4 untereinander dar. Die formschlüssige Verbindung der Polymerfeder mit den vorgenannten Elektroden erfolgt z.B. über die dargestellten speziellen überstehenden Verzahnungselemente.The polymer spring 7 assumes several functions in the micropositioning system. On the one hand, it serves as a mechanical connection and positioning support structure for the adhesive electrodes 1 and 2 and the comb structures 4 , The adhesive electrodes are each attached at different points on the circumference of the spring element. In addition, with its spring characteristic, it generates a mechanical counterforce for the electrostatic attraction between the comb structures 4 at applied potential difference. It also provides electrical insulation of the adhesive electrodes 1 and 2 as well as the comb structures 4 The interlocking connection of the polymer spring with the aforementioned electrodes takes place, for example, via the special protruding toothed elements shown.

2 zeigt eine Ausführungsform mit einer Führung (Führungsbahn) für das Stellglied mittels seitlich auf das Elektrodensubstrat 3 aufgesetzter Führungsschienen 10. Die Haftelektroden 1 und 2 des Stellglied sind wiederum in Anpassung an die Führungsbahnbreite so dimensioniert, dass sie mit den Führungsschienen eine Zwangsführung mit einem erforderlichen Führungsspiel für das Stellglied bilden. 2 shows an embodiment with a guide (guide track) for the actuator by means of the side of the electrode substrate 3 attached guide rails 10 , The adhesive electrodes 1 and 2 the actuator are again dimensioned in adaptation to the guideway width so that they form a forced guidance with the guide rails with a required guide clearance for the actuator.

3 repräsentiert beispielhaft eine weitere Ausführungsform mit in mehrere Haftelektrodensegmente geteilten Haftelektroden (im Beispiel je zwei Haftelektrodenhälften 5) und in mehrere Aktorelektrodensegmente geteilte Aktorelektroden (im Beispiel je zwei Kammstrukturhälften 6). 3 represents by way of example a further embodiment with adhesive electrodes divided into a plurality of adhesive electrode segments (in the example, two respective adhesive electrode halves 5 ) and in several Aktorelektrodensegmente shared actuator electrodes (in the example, each two comb structure halves 6 ).

Werden die in 3 dargestellten, geteilten Elektrodenhälften jeweils paarweise, d.h. in Potentialunterschiedablauf und Potentialunterschiedamplitude exakt synchron in vorgenannter Weise angesteuert, und zwar mit gleichen elektrischen Potentialwerten für beide Hälften je Elektrodenfläche, erfolgt eine geradlinige Vorschubbewegung wie bei den vorgenannten Ausführungsformen. Erfolgt eine Beaufschlagung der Elektronenhälften synchron mit den vorgenannten Schritten des Potentialunterschiedablaufs, jedoch bei den Aktorelektrodenhälften mit unterschiedlicher Potentialamplitude verformt sich das Stellglied asymmetrisch. Grundvoraussetzung ist dann eine elektrische Trennung der Aktorelektrodenhälften untereinander sowie eine individuelle elektrische Ansteuerung dieser. Aufgrund der hervorgerufenen unterschiedlichen elektrostatischen Aktorkräfte in den beiden Hälften erfolgt eine asymmetrische Deformation der Polymerfeder 7. Das Stellglied führt damit eine schrittweise Kurvenbewegung auf dem Elektrodensubstrat aus. Die Haftelektrodenhälften müssen dabei keine elektrische Trennung untereinander aufweisen. Die Trennung dient insbesondere der erhöhten mechanischen Nachgiebigkeit der beiden Hälften des Stellglieds untereinander und damit der Kurvengängigkeit.Will the in 3 shown, divided electrode halves in pairs, ie controlled in potential difference and potential difference amplitude exactly synchronously in the aforementioned manner, with the same electrical potential values for both halves per electrode surface, there is a linear feed motion as in the aforementioned embodiments. If the electron halves are acted upon in synchronism with the above-mentioned steps of the potential difference sequence, but in the case of the actuator electrode halves with different potential amplitude, the actuator deforms asymmetrically. Basic requirement is then an electrical separation of the Aktorelektrodenhälften with each other and an individual electrical control of this. Due to the caused different electrostatic Aktorkräfte in the two halves is an asymmetric deformation of the polymer spring 7 , The actuator thus performs a stepwise curve movement on the electrode substrate. The adhesive electrode halves do not have to be electrically separated from one another. The separation serves in particular the increased mechanical flexibility of the two halves of the actuator with each other and thus the curve.

Eine Sonderbauform des Mikropositionierungssystems zeigt die in 4 dargestellte Ausführungsform. Sie zeigt das Mikropositionierungssystem in der Form eines Schrittmotors mit einer Rotationsachse 9 als Drehachse für das sich auf dem Elektrodensubstrat 3 drehende Stellglied. Die Aktorelektroden weisen ebenfalls die vorgenannten Kammstrukturen 4 auf. Diese sind jedoch entsprechend der Rotationsbewegung um die Rotationsachse 9 als Mittelpunkt gekrümmt, wobei eine spiralförmig (vgl. 4) oder kreisförmig geformte Polymerfeder 7 die elastische Führung der Kammstrukturen zueinander gewährleistet. Die Funktionsweise entspricht grundsätzlich dem der vorgenannten Ausführungsformen, d.h. es basiert auf den vorgenannten Schritten eines Potentialunterschiedablaufs. Die Rotationsachse muss nicht ortsfest auf dem Elektrodensubstrat 3 angeordnet sein.A special design of the micropositioning system shows the in 4 illustrated embodiment. It shows the micropositioning system in the form of a stepper motor with a rotation axis 9 as a rotation axis for that on the electrode substrate 3 rotating actuator. The actuator electrodes also have the aforementioned comb structures 4 on. However, these are according to the rotational movement about the axis of rotation 9 curved as a center, with a spiral (cf. 4 ) or circular shaped polymer spring 7 ensures the elastic guidance of the comb structures to each other. The mode of operation basically corresponds to that of the aforementioned embodiments, ie it is based on the aforementioned steps of a potential difference sequence. The rotation axis does not have to be stationary on the electrode substrate 3 be arranged.

5 gibt eine Ausführungsform wieder, die es erlaubt, das Stellglied in alle ebenen Richtungen auf dem Elektrodensubstrat 3 zu verschieben. Die Polymerfeder 7 dehnt sich bei der Kontraktion der Kammstrukturen 4 in der Richtung quer zu den Kammstrukturen aus und drückt damit die zusätzlich benötigten dritten und vierten Haftelektroden 11 und 12 auseinander. Im darauf folgenden Schritt wird eine der Haftelektroden 11 oder 12 durch Anlegen einer Spannung (Potentialunterschied zum Elektrodensubstrat in vorgenannter Weise) auf der Substratelektrode 3 fixiert, während die Haftelektroden 1, 2 und die verbleibende der Haftelektroden 11 oder 12 nicht fixiert sind. Dann wird in einem nächsten Schritt der Potentialunterschied zwischen den Kammstrukturen zu Null gesetzt. Die Polymerfeder 7 entspannt sich, wobei sich der Abstand zwischen den Haftelektrode 11 und 12 wieder verkleinert. Somit sind Bewegungen quer zur ursprünglichen Richtung möglich. Werden die Haftelektroden 1 und 11 gegen die Haftelektroden 2 und 12 entsprechend geschaltet, sind Bewegungen auch in diagonalen Richtungen möglich. 5 shows an embodiment that allows the actuator in all planar directions on the electrode substrate 3 to move. The polymer spring 7 Expands at the contraction of the comb structures 4 in the direction transverse to the comb structures and thus presses the additionally required third and fourth adhesive electrodes 11 and 12 apart. In the following step, one of the adhesive electrodes 11 or 12 by applying a voltage (potential difference to the electrode substrate in the aforementioned manner) on the substrate electrode 3 fixed while the adhesive electrodes 1 . 2 and the remaining of the adhesion electrodes 11 or 12 are not fixed. Then, in a next step, the potential difference between the comb structures is set to zero. The polymer spring 7 relaxes, whereby the distance between the adhesive electrode 11 and 12 downsized again. Thus, movements are possible transverse to the original direction. Be the adhesive electrodes 1 and 11 against the adhesive electrodes 2 and 12 switched accordingly, movements are also possible in diagonal directions.

Werden die vorgenannten Haftelektroden 1, 2, 11 und 12 nicht als starre Metallstrukturen ausgebildet, sondern als metallisierte Folien oder als parallel zum Elektrodensubstrat 3 liegende Faserbüschel (ähnlich einem auf dem Tisch liegenden Pinsel), so können sie sich der Form der Oberfläche etwas anpassen. Damit ist es möglich das Stellglied auch auf leicht gekrümmten Oberflächen zu bewegen. Mit starren Haftelektroden ist eine Anpassung praktisch nicht möglich. Bei abstehenden Elektrodenbereichen können sich die Abstände zwischen Haftelektrode und Elektrodensubstrat ganz oder nur lokal erheblich vergrößern, wodurch sich die elektrische Feldstärke lokal reduziert und die elektrostatischen Haftkräfte stark abnehmen. Um jedoch dünnen Folienelektroden dennoch die benötigte Steifigkeit zu geben, die sie für die Vorwärtsbewegung brauchen, können auf diesen Polymerstege 13 strukturiert werden, die eine gerichtete Steifigkeitserhöhung sicherstellen (6).Be the aforementioned adhesive electrodes 1 . 2 . 11 and 12 not formed as rigid metal structures, but as metallized foils or as parallel to the electrode substrate 3 lying tufts (similar to a lying on the table brush), so they can adapt to the shape of the surface something. This makes it possible to move the actuator on slightly curved surfaces. With rigid adhesive electrodes, an adjustment is practically impossible. With protruding electrode areas, the distances between the adhesion electrode and the electrode substrate can increase considerably or only locally, which locally reduces the electric field strength and the electrostatic adhesion forces decrease sharply. However, in order to still give thin foil electrodes the required stiffness they need for forward movement, can on these polymer webs 13 be structured, which ensure a directed increase in rigidity ( 6 ).

Aktorelektroden wie die vorgenannten Kammstrukturen bilden elektrische Kondensatoren. Damit können sie nicht nur als kapazitive Einzelaktoren sondern auch als kapazitive Abstandssensoren zur Messung der Einzelschrittweite nach jedem der vorgenannten Schritte genutzt werden.actuator electrodes like the aforementioned comb structures form electrical capacitors. In order to can They not only as capacitive individual actuators but also as capacitive Distance sensors for measuring the single step size according to each of the aforementioned Steps are used.

Alle dargestellten Ausführungsformen eignen sich für die Herstellung im Rahmen mikrotechnischer Herstellungsverfahren. Ein Elektrodensubstrat 3 mit einer elektrisch isolierenden Deckschicht als Dielektrikum 8 und ggf. Führungsschienen 10 oder anderen Strukturen (wie z.B. seitliche Begrenzungen oder Rotationsachsen 9 etc.) bestehenden Schichtaufbau lässt sich leicht durch Sputtern auf einem Substrat und eventuell optische Lithographie und Ätzen einer auf der Sputterschicht aufgebrachten zusätzlichen Polymerschicht erzeugen. Alternativ eignet sich auch eine einfache unstrukturierte elektronische Platine mit flächiger Metallisierung und einer aufgespritzten Lackschicht als Dielektrikum 8 als Elektrodensubstrat.All illustrated embodiments are suitable for the production in microtechnical production process. An electrode substrate 3 with an electrically insulating cover layer as a dielectric 8th and possibly guide rails 10 or other structures (such as lateral boundaries or rotation axes 9 etc.) can be easily produced by sputtering on a substrate and possibly optical lithography and etching an applied on the sputter layer additional polymer layer. Alternatively, a simple unstructured electronic board with planar metallization and a sprayed-on lacquer layer as a dielectric is also suitable 8th as electrode substrate.

Für die Herstellung des Stellglieds bietet sich ein Verfahren, ausgehend von einer Strukturierung eines Polymers (z.B. PMMA) an, bei dem in einem ersten Schritt eine röntgenlithographische Strukturierung der Negativformen für die Elektroden (Haftelektroden und Kammstrukturen) aus dem Polymers erfolgt. Nach dieser Strukturierung erfolgt eine galvanische Abscheidung der metallischen Elektroden in den strukturierten Zwischenräumen, wobei eine Startschicht für die galvanische Abformung über einen PVD-Prozess erfolgt. Nach dem Abscheiden der Elektroden erfolgt eine zweite röntgenlithographische Strukturierung, im Rahmen dessen die Struktur der Polymerfeder 7 und ggf. die Polymerstege 13 entstehen.For the production of the actuator is a method, starting from a structuring of a polymer (eg PMMA), in which in a first step, a X-ray lithographic patterning of the negative forms for the electrodes (adhesive electrodes and comb structures) takes place from the polymer. After this structuring, a galvanic deposition of the metallic electrodes takes place in the structured intermediate spaces, with a starting layer for the galvanic molding taking place via a PVD process. After deposition of the electrodes, a second X-ray lithographic patterning takes place, within the framework of which the structure of the polymer spring 7 and optionally the polymer webs 13 arise.

Vorzugsweise ist ein Abstandshalter vorgesehen, welcher ein Zusammenfahren und damit Kurzschließen der Aktorelektroden (Kammstrukturen) verhindert. Als Abstandshalter eignen sich beispielsweise Polymerbeschichtungen oder -elemente zwischen den Elektrodenflächen oder auch eine entsprechende Gestaltung der Polymerfeder mit zwei parallel zu den Aktorelektroden positionierten und aneinander fahrbaren Abstandsstrukturen.Preferably a spacer is provided which a collapse and thus shorting the actuator electrodes (comb structures) prevented. As a spacer For example, polymer coatings or elements are useful the electrode surfaces or a corresponding design of the polymer spring with two parallel Distance structures positioned to the actuator electrodes and movable together.

Die besonderen Vorzüge des dargestellten Mikropositionierungssystems zeigen sich am Beispiel eines Fourier-Transformationsspektrometers. In Fourier-Transformationsspektrometern wird das zu analysierende Licht in zwei Lichtwege aufgespalten, wobei der eine Lichtweg über stehende Spiegel führt und der andere über einen bewegten Spiegel. Aus der Interferenzintensität der beiden Lichtstrahlen lässt sich auf die Wellenlängenzusammensetzung des eingestrahlten Lichts zurück schließen. Die optische Auflösung des Spektrometers hängt hauptsächlich von der Länge des Weges ab, um den dieser zweite Spiegel verfahren werden kann. Zugleich muss der Spiegel um kleine Schritte verschoben werden können und die Schrittweite muss genau kontrollierbar sein.The special advantages of the illustrated micropositioning system are shown by way of example a Fourier transform spectrometer. In Fourier transform spectrometers the light to be analyzed is split into two light paths, where the one light path over standing mirror leads and the other over a moving mirror. From the interference intensity of the two Lets light rays on the wavelength composition of the returned light shut down. The optical resolution of the spectrometer depends mainly of the length the path around which this second mirror can be moved. At the same time, the mirror must be able to be moved by small steps and the step size must be precisely controllable.

Eingangs beschriebene bekannte Positionierungssysteme lassen sich am Beispiel dieser vorgenannten Anwendung in zwei Gruppen einteilen. Die erste Gruppe umfassen Aktorsysteme mit bauartbedingt nur einen kurzen Stellwegen (z.B. elektromagnetische Aktoren). Die zweite Gruppe umfassen Aktorsysteme, die in winzigen Schritten präzise verfahrbar sind und in ihrem Verfahrweg bauartbedingt aber nicht oder nur unwesentlich eingeschränkt sind (z.B. Verstelltische). Die letztgenannten Systeme haben jedoch oft den Nachteil, dass sie in ihrem Aufbau aufwendig und damit teuer sind sowie oftmals hohe Betriebsspannungen benötigen (z.B. Piezoaktoren mit dem „Inchworm"-Prinzip, an denen bis zu einigen hundert Volt anliegen).input described known positioning systems can be the example to divide this application into two groups. The first Group include actuator systems with design only a short Control paths (for example, electromagnetic actuators). The second group include actuator systems that can be precisely moved in tiny steps are and in their trajectory due to design but not or only insignificantly limited are (e.g., adjustment tables). However, the latter systems have often the disadvantage that they are complex in their construction and therefore expensive often require high operating voltages (e.g., "inchworm" piezoelectric actuators where up to a few hundred volts).

Verwendet man die Erfindung in einem solchen Fourier-Transformationsspektrometer, so lassen sich folgende Vorteile erzielen:

1. Der erzielbare Verfahrweg ist nicht bauartbedingt beschränkt. Damit kann eine sehr hohe optische Auflösung des Systems erreicht werden.
2. Der Aktoraufbau ist sehr preiswert, die Montagekosten sind gering, da der Aktor in wenigen Schritten gefertigt werden kann und außer der elektrischen Kontaktierung keine Montageschritte verursacht.
3. Die anliegenden Spannungen liegen im Bereich von etwa 10 Volt.

Using the invention in such a Fourier transform spectrometer, the following advantages can be achieved:

1. The achievable travel is not limited by design. Thus, a very high optical resolution of the system can be achieved.
2. The actuator structure is very inexpensive, the installation costs are low, since the actuator can be manufactured in a few steps and causes no assembly steps except the electrical contact.
3. The applied voltages are in the range of about 10 volts.

Das Mikropositionierungssystem ist im Rahmen dieser Anwendung nur in einer Richtung verfahrbar, wird vorzugsweise zwischen zwei Führungsschienen (vgl. 2) geführt. Die Führungsschienen sind so lang, wie es die gewünschte Auflösung des Spektrometers und damit die Länge des Verfahrweges des Mikropositionierungssystems erfordert. Die Schienen können so ausgebildet werden, dass sie zugleich zwei weitere Funktionen übernehmen. Zum einen können sie das Stellglied seitlich etwas überragen und so dafür sorgen, dass das Stellglied nicht von dem Elektrodensubstrat fallen kann, wenn das Fourier-Transformationsspektrometer – etwa beim Transport- über Kopf gehalten wird. Zum anderen kann auch die Zuführung der Versorgungsspannung für die elektrostatischen Haftelektroden über die beiden Führungsschienen (z.B. – über Schleifkontakte) erfolgen. Die Versorgungsspannung für die Kammstrukturen erfolgt über Bonddrähte. Diese müssen ausreichend lang sein, damit sie die Bewegung des Stellglieds nicht einschränken. Die Bonddrähte können seitlich angeordnet werden oder ähnlich wie bei den Zuführungen der Druckköpfe von Tintenstrahldruckern.The micropositioning system can only be moved in one direction in the context of this application, preferably between two guide rails (cf. 2 ) guided. The guide rails are as long as required by the desired resolution of the spectrometer and thus the length of travel of the micropositioning system. The rails can be designed so that they also take on two other functions. On the one hand, they can project slightly beyond the actuator at the side and thus ensure that the actuator can not fall off the electrode substrate when the Fourier transformation spectrometer is held overhead, for example during transport. On the other hand, the supply of the supply voltage for the electrostatic adhesive electrodes via the two guide rails (eg - via sliding contacts) can take place. The supply voltage for the comb Structures via bonding wires. These must be long enough so that they do not restrict the movement of the actuator. The bonding wires can be arranged laterally or similar to the feeds of the printheads of inkjet printers.

Bei einer beispielhaften Einzelschrittweite der Aktoren von etwa 100 μm und einer Schrittfrequenz von einigen hundert Hertz ergeben sich maximale Aktorgeschwindigkeiten im Bereich von bis zu einigen Zentimetern pro Sekunde. Diese Geschwindigkeiten sind für diese Art von Mikrospektrometern nicht nur ausreichend, sondern sogar sehr hoch.at an exemplary single step size of the actuators of about 100 microns and a Stepping frequency of a few hundred hertz result in maximum Actuator speeds in the range of up to a few centimeters per second. These speeds are not for this type of microspectrometer only sufficient, but very high.

Die Fertigung des Mikropositionierungssystems für ein Fourier-Transformationsspektrometer erfolgt in einer Kombination von LIGA-Verfahren mit Opferschichttechnik. Dabei lassen sich in vorteilhafter Weise sowohl die Kammstrukturen als auch der Kunststofffederring und die Halteplatten mit dem LIGA-Verfahren in wenigen Schritten strukturieren und anschließend galvanisieren. Danach wird das Stellglied vom Substrat abgehoben und zwi schen die Führungsschiene des Spektrometers auf das Elektrodensubstrat aufgesetzt.The Fabrication of the micropositioning system for a Fourier transform spectrometer takes place in a combination of LIGA method with sacrificial layer technique. In this case, both the comb structures can be advantageously as well as the plastic spring ring and the holding plates with the LIGA process structure in a few steps and then electroplate. After that the actuator is lifted from the substrate and rule between the guide rail of the spectrometer mounted on the electrode substrate.

Auch lässt sich das vorgenannte Mikropositionierungssystem beispielsweise im Bereich der Mikroanalysegeräte oder im Bau von flexiblen mikrooptischen Bänken einsetzen. Insbesondere lassen sich hierdurch Funktionselemente wie Mikrolinsen, Umlenkspiegel oder Laserdioden in zwei Dimensionen frei positionieren und justieren.Also let yourself the aforementioned micropositioning system, for example in the field the microanalyzer or in the construction of flexible micro-optical benches. Especially This allows functional elements such as microlenses, deflecting mirrors or freely position and adjust laser diodes in two dimensions.

Weitere Anwendungen finden sich für die Erfindung in flach bauenden Aktoren, beispielsweise für Positionierungssysteme als integrale Bestandteile von Systemen im Kreditkartenformat.Further Applications can be found for the invention in flat actuators, for example, for positioning systems as integral components of credit card sized systems.

11: erste Haftelektrodefirst adhesive electrode
22: zweite Haftelektrodesecond adhesive electrode
33: Elektrodensubstratelectrode substrate
44: Kammstrukturcomb structure
55: HaftelektrodenhälftenAdhesive electrodes halves
66: KammstrukturhälftenComb structure halves
77: Polymerfederpolymer spring
88th: Dielektrikumdielectric
99: Rotationsachseaxis of rotation
1010: Führungsschieneguide rail
1111: dritte Haftelektrodethird adhesive electrode
1212: vierte Haftelektrodefourth adhesive electrode
1313: Polymerstegepolymer bridges

Claims

Micropositioning system for large travel ranges, comprising a) at least two electrostatic adhesive electrodes (1) extending in one direction and oriented in one direction ( 1 . 2 . 11 . 12 ), mechanically connected to an electrically insulating polymer spring ( 7 ), b) at least one electrostatic actuator with two actuator electrodes ( 4 ), c) wherein the actuator electrons interlocking positioned electrically conductive comb structures ( 4 ), wherein the polymer spring mechanically connects the adhesion electrodes and the actuator electrodes to one another and electrically isolates them from one another, and adhesive electrodes, polymer spring and actuator form an actuator, e) a planar electrode substrate ( 3 ) as a counterelectrode to the adhesion electrodes and f) means for selective electrical loading of the adhesion electrodes and actuator electrodes with an electrical potential.

Micropositioning system according to claim 1, characterized in that on the electrode substrate guide structures ( 10 ) form a positive guide for the actuator.

Micropositioning system according to claim 2, characterized in that the guide structures guide rails ( 10 ) for guiding the adhesive electrodes.

Micropositioning system according to claim 1, characterized in that the polymer spring rotates the comb structures and the adhesion electrodes around a rotation axis (FIG. 9 ).

Micropositioning system according to one of the preceding claims, characterized in that the adhesive electrodes are arranged in at least two adhesive electrode segments ( 5 ) and / or the comb structures in at least two comb electrode segments ( 6 ) are divided.

Micropositioning system according to claim 5, characterized in that that all adhesive electrode segments electrically insulated with each other are and are individually controllable.

Micro positioning system according to one of the aforementioned Claims, characterized in that the adhesive electrodes as flexible metal foils are formed.

Micropositioning system according to one of the preceding claims, characterized in that the adhesive electrodes are provided by polymer webs ( 13 ) are reinforced.