DE10200834A1

DE10200834A1 - Abtast- und Greifvorrichtung

Info

Publication number: DE10200834A1
Application number: DE10200834A
Authority: DE
Inventors: Matthias Langer; Karsten Loeffler
Original assignee: Eberhard Karls Universitaet Tuebingen
Current assignee: Eberhard Karls Universitaet Tuebingen
Priority date: 2002-01-04
Filing date: 2002-01-04
Publication date: 2003-07-24
Also published as: DE50307808D1; EP1463610B1; EP1463610A1; WO2003055652A1; ATE368553T1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeß- und Greifvorrichtung zum Abtasten und/oder Greifen von nanometergroßen Objekten in unterschiedlichen Medien, mit einem ersten und einem zweiten Arm, die beabstandet und im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und jeweils eine Längsachse aufweisen, einer ersten und einer zweiten Greif- und Kraftmeßeinheit, wobei die erste Meßeinheit dem ersten Arm und die zweite Meßeinheit dem zweiten Arm zugeordnet ist, wobei zumindest eine Meßeinheit senkrecht zur Längsachse biegbar ist. Es wird vorgeschlagen, daß die beiden Arme über ein Gelenkmittel miteinander verbunden sind, wobei das Gelenkmittel die beiden Arme in einen ersten und einen zweiten Längsabschnitt teilt, und das Gelenkmittel so ausgelegt ist, daß es eine Schwenkbewegung zumindest eines Arms um das Gelenkmittel und damit einer Meßeinheit in einer Ebene (Längsebene) ermöglicht, die parallel zu den Längsachsen beider Arme ist (Fig. 1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftmeß- und Greifvorrichtung zum gleichzeitigen Abtasten und/oder kraftkontrollierten Greifen von nanometergroßen Objekten in unterschiedlichen Medien, mit einem ersten und einem zweiten Arm, die beabstandet und im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und jeweils eine Längsachse aufweisen, einer ersten und einer zweiten Greif- und Kraftmeßeinheit (Meßeinheit), wobei die erste Meßeinheit dem ersten Arm und die zweite Meßeinheit dem zweiten Arm zugeordnet ist, wobei zumindest eine Meßeinheit senkrecht zur Längsachse biegbar ist.

Zum kraftempfindlichen Abtasten von nanometergroßen Objekten wird heutzutage beispielsweise die Atomic Force Microscopy (AFM) eingesetzt. Hierbei wird eine extrem feine Nadel über eine Oberfläche geführt. Diese ist am beweglichen Ende eines flexiblen Kraftmeßbalkens befestigt. Eine Kraftwechselwirkung zwischen Oberfläche und Nadel wird dabei als Verbiegung des Kraftmeßbalkens gemessen. Diese Verbiegung kann z. B. durch Reflexion eines Laserstrahls an der Oberseite des Kraftmeßbalkens gemessen werden. Mit Hilfe einer Regelelektronik wird die Nadel immer im konstanten Abstand über die Probe geführt. Aus dem Regelsignal läßt sich nach einem Rastern über die Probe die Oberflächentopologie rekonstruieren, wobei ein Auflösungsvermögen von < 1 nm erreichbar ist. Die Verbiegung der feinen Nadel erfolgt senkrecht zu der Oberfläche (Objektunterlage), auf der die Probe liegt. Mit dem AFM ist es folglich möglich, die senkrecht zur Objektunterlage wirkende Kraft zu messen. Eine quantitative Messung der horizontalen Kraft, d. h. der Kraft parallel zur Objektunterlage, ist jedoch nicht möglich.

Neben dieser bekannten Abtastvorrichtung sind in der Literatur auch Greifvorrichtungen zum Greifen von nanometergroßen Objekten bekannt. So wurden beispielsweise an der Harvard University of Cambridge zwei "multiwalled Carbon Nanotubes" mit einem Durchmesser von 50 nm und einer Länge von 4 µm zum Bau eines sogenannten "Nanotweezers" verwendet. Auf die gegenüberliegenden Seiten einer feinen Glasfaser wurden zwei Goldelektroden aufgedampft, die zur elektrischen und mechanischen Kontaktierung der Nanotubes dienen. Mit einer elektrischen Spannung von 8,5 V können diese elektrostatisch geschlossen und geöffnet werden. Der Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß zum Öffnen beider Pinzettenhälften eine abstoßende elektrostatische Kraft erzeugt werden muß. Bei Transfer in Flüssigkeit lösen sich die Nanotubes von den Goldelektroden ab. Die elektrischen Spannungen an der Nanopinzette können biologische Strukturen beschädigen, außerdem führen die Spannungen zu einem Stromfluß zwischen beiden Pinzettenhälften. Damit erscheint die Anwendung eines solchen Nanotweezers im biologischen Bereich kaum möglich.

An der Technischen Universität Kopenhagen, Dänemark, wurde das sogenannte Nanohand-Konzept entwickelt, das als eine Art Weiterentwicklung des zuvor beschriebenen Nanotweezers betrachtet werden kann. Zur Vermeidung elektrischer Spannungen zwischen den Greiferhälften werden zwei zusätzliche Balkenelektroden jeweils neben einer der Greiferhälften angeordnet. Der Öffnungs- und Schließvorgang erfolgt durch elektrostatische Steuerung über diese zusätzlichen Elektroden. Die Greiferhälften selbst liegen auf dem gleichen Potential. Im Rasterelektronenmikroskop werden an den Greiferenden Kontaminationskegel abgeschieden, die mit nur 100 nm Durchmesser und 25 nm Abstand als Kontaktspitzen dienen. Mit einer Metallbedampfung können die Spitzen elektrisch leitfähig gemacht werden.

Der Nachteil dieses Nanohand-Konzepts liegt unter anderem darin, daß das elektrische Steuerungsprinzip zu elektrischen extrazellulären Potentialen bei Zellen in physiologischem Medium führt. Außerdem muß ein schwierig realisierbares Verfahren zur elektrischen Isolation in Flüssigkeit entwickelt werden. Eine Isolationsschicht führt zu veränderten mechanischen Eigenschaften (Elastizität) des Greifers und behindert unter Umständen die Bewegungsfreiheit beider Greiferhälften. Die räumliche Vergrößerung des Greifers durch die zusätzlichen Balkenelektroden kann unter Umständen zu ungewollten Berührungen mit dem Objekt führen. Ein Austausch des Greifers ist immer mit umständlichen elektrischen Kontaktierungsarbeiten verbunden.

Ein weiterer Ansatz für eine Greifvorrichtung wird am Forschungszentrum Karlsruhe unter dem Namen "Mikrogreifer" verfolgt. Der Antrieb dieser Greifvorrichtung erfolgt über sogenannte Formgedächtnislegierungen, die temperaturabhängig ihre Form verändern können. Der vom Forschungszentrum Karlsruhe vorgestellte Prototyp besteht aus einem 100 µm dicken Blech aus einer Nickel-Titan-Legierung. Der Microgreifer integriert sowohl einen Linearaktuator als auch den Greiferantrieb. Beide Bewegungen werden durch Temperaturveränderungen hervorgerufen. Die Herstellung erfolgt durch Laserschneiden, wodurch eine kommerzielle Herstellung prinzipiell möglich ist. Der Greifer besteht aus zwei antagonistischen Aktoren, die in einer monolithischen Struktur zusammengefaßt sind. Ein schwieriger Zusammenbau, wie beim Nanotweezer der Harvard University of Cambridge, entfällt somit. Zur Öffnung des Greifers wird eine Heizleistung in der Größenordnung von ca. 20 bis 60 mW benötigt. Beim Aufheizen und Abkühlen weist der Greifer eine Hysterese auf. Greifbewegungen können nur mit Frequenzen von einigen Hz ausgeführt werden. Bei einer maximalen Heizleistung beträgt die Reaktionszeit bei einem Greifertyp 32 ms. Die Temperaturen zum Öffnen und Schließen betragen an den Greiferspitzen zwischen 60 und 80°C. Die Positioniergenauigkeit des Mikrogreifers liegt bei 3 µm. Der Nachteil dieses Ansatzes ist darin zu sehen, daß ein Einsatz für biologische Anwendungen nur schwer möglich ist, da die Temperatur von ca. 60 bis 80°C zu einer Zerstörung der Zellen führen würde. Darüber hinaus fehlt die Möglichkeit, Kraft messen zu können, so daß ein kontrolliertes Greifen empfindlicher biologischer Strukturen nicht möglich ist.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die bisher bekannten Kraftmeß- und Greifvorrichtungen nicht in der Lage sind, für biologische Anwendungen in physiologischem Medium eingesetzt zu werden.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Kraftmeß- und Greifvorrichtung zu schaffen, die eine einfache Herstellung ermöglicht und auch für biologische Anwendungen in physiologischem Medium, insbesondere Flüssigkeiten, einsetzbar ist. Darüber hinaus soll aber auch der Einsatz in Luft und Vakuum möglich sein.

Diese Aufgabe wird mit der Kraftmeß- und Greifvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die beiden Arme über ein Gelenkmittel miteinander verbunden sind, wobei das Gelenkmittel die beiden Arme in einen ersten und einen zweiten Längsabschnitt teilt, und das Gelenkmittel so ausgelegt ist, daß es eine Schwenkbewegung zumindest eines Arms um das Gelenkmittel und damit einer Meßeinheit in einer Ebene (Längsebene) ermöglicht, die parallel zu den Längsachsen beider Arme ist.

Ein Vorteil dieser erfindungsgemäßen Kraftmeß- und Greifvorrichtung ist darin zu sehen, daß der Einsatz des Gelenkmittels die direkte mechanische Steuerung der Greifbewegung über einen räumlich entfernten mechanischen Antrieb erlaubt. Damit besitzt die Kraftmeß- und Greifvorrichtung optimale Voraussetzungen für Anwendungen in Flüssigkeiten. In physiologischen Lösungen fallen folglich keine elektrischen Spannungen direkt über dem Objekt ab, so daß elektrochemische Zersetzungsprozesse ausgeschlossen sind. Ferner erlaubt die Verwendung des Gelenkmittels die Trennung von Greifer und Antrieb. Bei der Serienherstellung werden dadurch die Kosten reduziert. Während nämlich bei anderen bekannten Greifern für jeden Greifer ein eigener Antrieb hergestellt werden muß, benötigt man bei der erfindungsgemäßen Lösung nur einen mechanischen Antrieb, der in die Greiferhalterung integriert ist und zur Steuerung der austauschbaren Greifer verwendet wird.

Die erfindungsgemäße Kraftmeß- und Greifvorrichtung läßt sich mit aus dem Halbleiterbereich bekannten Herstellungsverfahren beispielsweise aus Silizium, realisieren. Damit sind die Herstellungskosten gering.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Gelenkmittel an den einander zugewandten Seiten der Arme vorgesehen.

Diese Maßnahme hat sich im Hinblick auf die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als besonders vorteilhaft herausgestellt.

In einer bevorzugten Weiterbildung weist jede Meßeinheit ein Trägerelement und einen länglichen Kraftmeßbalken auf, wobei das Trägerelement mit einem Längsende an einem Arm angebracht ist und am anderen Längsende den Kraftmeßbalken trägt. Weiter bevorzugt ist an einem dem Trägerelement abgewandten Längsende des Kraftmeßbalkens eine Spitze vorgesehen, die sich schräg zur Längsebene nach vorne erstreckt. Der Kraftmeßbalken hat vorzugsweise einen rechteckförmigen Querschnitt, wobei die längere Seite senkrecht zur Objektunterlage verläuft. Dies hat den Vorteil, daß eine Verbiegung des Kraftmeßbalkens senkrecht zur Objektunterlage verhindert wird.

Insgesamt ermöglichen diese Maßnahmen ein nanometergenaues Abtasten und Greifen nanometergroßer Partikel. Die beiden Kraftmeßbalken sind nämlich räumlich so angeordnet, daß sie sich bei Wirkung einer horizontalen Kraft (parallel zur Objektunterlage) verbiegen. Diese Verbiegung läßt sich mit bekannten optischen Detektionsverfahren, beispielsweise einem lasergestützten Lichtzeigerverfahren, erfassen und ermöglicht dann eine Quantifizierung der horizontalen Kräfte. Es sind folglich Kraft- Absolutwerte meßbar. Durch die Möglichkeit, die horizontale Kraft quantitativ zu messen, lassen sich die auftretenden Kräfte beim Festhalten eines Objekts erfassen und kontrollieren, so daß eine Beschädigung des Objekts gezielt vermieden werden kann.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist ein Betätigungsmittel vorgesehen, das dem zweiten Längsabschnitt zumindest eines der Arme zugeordnet ist, um eine Kraft auf den zumindest einen Arm auszuüben. Vorzugsweise ist an den zweiten Längsabschnitten der Arme an den einander zugewandten Kanten jeweils eine schräg verlaufende Lagerfläche vorgesehen und weist das Betätigungsmittel ein Betätigungselement auf, das mit der Lagerfläche zusammenwirkt. Vorzugsweise ist das Betätigungselement eine Kugel, die insbesondere durch eine piezoelektrische Antriebseinheit verlagerbar ist.

Diese Maßnahmen haben sich in der Praxis als besonders vorteilhaft herausgestellt. So lassen sich die beiden Lagerflächen sehr einfach herstellen und ermöglichen dennoch eine wirkungsvolle Kraftausübung auf zumindest einen Arm, um eine Schwenkbewegung um das Gelenkmittel herum auszuführen.

Selbstverständlich sind auch andere Möglichkeiten denkbar, zumindest einen der beiden Arme mit einer in horizontaler Richtung (parallel zur Objektunterlage) wirkenden Kraft zu beaufschlagen, um die vorgenannte Schwenkbewegung zu erzielen.

In einer bevorzugten Weiterbildung sind die beiden Arme und das Gelenkmittel als integrale Einheit ausgebildet. Vorzugsweise sind sie aus Silizium, Siliziumoxid oder Siliziumnitrid hergestellt. Selbstverständlich läßt sich auch die ganze Kraftmeß- und Greifvorrichtung einstückig ausbilden.

Diese Maßnahmen ermöglichen die Verwendung von Herstellungsverfahren, wie sie aus der Halbleiterindustrie zur Herstellung von Computerspeichern bekannt sind. Die Herstellung kann beispielsweise mit herkömmlichen Siliziumbearbeitungsmethoden, wie Elektronenstrahl-Lithographie, UV-Lithographie, lift-off- Masken, reaktives Ionenätzen, KOH-Ätzverfahren, RIE-Ätzen, erfolgen. Dies führt zu deutlichen Kostenvorteilen gegenüber bisherigen Lösungen.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist zumindest einer der beiden Kraftmeßbalken mit einer Federkonstanten von 0,01 bis 0,5 N/m ausgebildet. Zur Messung der Verbiegung parallel zur Objektunterlage eines Kraftmeßbalkens ist eine Meßvorrichtung vorgesehen, die insbesondere auf der Basis des bekannten Lichtzeigermeßprinzips aufgebaut ist.

Der Vorteil der optischen Messung der Verbiegung hat gegenüber einer piezoresistiven Detektion deutliche Vorteile, wenn es um das kraftempfindliche Abtasten und Greifen von Objekten in Flüssigkeiten geht.

Nähere Erläuterungen zu dem bekannten Lichtzeigermeßprinzip finden sich beispielsweise in "Novel Optical Approach to Atomic Force Microscopy", Meyer G., Amer NM, 1988, Appl Phys Lett 53, Seiten 1045-1047, oder in "Atomic-Resolution Atomic Force Microscope Implemented Using an Optical Lever", Alexander S. et al., 1989, J Appl Phys 65, Seiten 164-167.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kraftmeß- und Greifvorrichtung in Draufsicht;
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung entlang der Schnittlinie II-II der Fig. 1;
Fig. 3 eine weitere schematische Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 1;
Fig. 4 eine schematische Teil-Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erläuterung eines Kraftmeßvorgangs; und
Fig. 6a, 6b zwei schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Betätigung.
In Fig. 1 ist eine Kraftmeß- und Greifvorrichtung (nachfolgend kurz Greifer genannt), schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellt und mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Aus der in Fig. 1 gezeigten Draufsicht ist zu erkennen, daß der Greifer 10 einen ersten Arm 12 und einen zweiten Arm 14 aufweist. Beide Arme 12, 14 sind spiegelsymmetrisch zueinander aufgebaut, weisen einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt auf (vgl. Fig. 2) und erstrecken sich entlang ihrer jeweiligen Längsachse L1 bzw. L2. Die beiden Arme 12, 14 sind beabstandet zueinander angeordnet, so daß deren Längsachsen L1, L2 parallel zueinander verlaufen.
Die beiden Arme 12, 14 sind über einen Steg 18 miteinander verbunden. Der Steg 18 ist an den einander zugewandten Seitenwänden 16 der Arme 12, 14 angeordnet und teilt die beiden Arme in Längsrichtung in einen ersten Längsabschnitt 21 und einen zweiten Längsabschnitt 23. Das Längenverhältnis (. Hebelverhältnis) der beiden Längsabschnitte 21, 23 ist abhängig von der Anwendung wählbar, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Längsabschnitt 21 größer ist als der Längsabschnitt 23.
Die oberen Kanten der inneren Seitenwände 16 der beiden Arme 12, 14 sind gefast und bilden schräge Lagerflächen 25, 27, die sich über die gesamte Länge des ersten Längsabschnitts 21 erstrecken. In Fig. 2 sind die beiden nach innen abfallenden Lagerflächen 25, 27 deutlich zu erkennen.
Die beiden Arme 12, 14 weisen an deren Stirnseiten 29 aufeinander zu laufende Fortsätze 31, 33 auf, die einen kleinen Spalt 35 freilassen. Zu beiden Seiten des Spalts 35 sind an der Stirnseite 29 Greif- und Kraftmeßeinheiten 41, 43 vorgesehen, die sich in Längsrichtung erstrecken. Beide Greif- und Kraftmeßeinheiten 41, 43 weisen jeweils einen Träger 45 und einen Kraftmeßbalken 47 auf. Wie sich aus den Fig. 1, 3 und 4 ergibt, sind die Träger 45 als quaderförmige Körper ausgebildet, die an ihren einander zugewandten Seiten jeweils einen der Kraftmeßbalken 47 tragen.
Die Kraftmeßbalken 47 erstrecken sich parallel zu den Längsachsen L1, L2 und liegen in einer gemeinsamen Ebene, die parallel zu den beiden Längsachsen L1, L2 verläuft.
Wie sich aus Fig. 4 ergibt, liegt das dem fest eingespannten Ende gegenüberliegende Ende (frei bewegliches Ende 49) des Kraftmeßbalkens 47 in Längsrichtung beabstandet zu dem Träger 45. An diesem frei beweglichen Ende 49 ist eine Spitze 51 vorgesehen, die sich schräg zu einer Längsebene, die durch die beiden Längsachsen L1, L2 gebildet wird, nach unten und vorne erstreckt.
Die beiden Arme 12, 14 und der Steg 18 sind als integrale Einheit ausgebildet und werden beispielsweise aus Silizium, Siliziumoxid oder Siliziumnitrid hergestellt.
Die beiden Kraftmeßbalken 47 sind so ausgelegt, daß sie sich in der Längsebene federnd verbiegen können. Die Federkonstante der Kraftmeßbalken 47 wird beispielsweise im Bereich von 0,01 bis 0,5 N/m gewählt. Eine Verbiegung des Kraftmeßbalkens 47 in eine andere Richtung, also bspw. senkrecht zur Längsebene, ist nicht möglich. Diese Steifigkeit in senkrechter Richtung läßt sich vorzugsweise durch einen entsprechenden rechteckigen Querschnitt erreichen, wobei die längere Seite des Rechtecks senkrecht zur Längsebene und die kurze Seite parallel zur Längsebene verläuft.
Der Steg 18 ist hinsichtlich seiner Form und Abmessungen so ausgestaltet, daß er als Festkörpergelenk 54 dienen kann. Das Festkörpergelenk 54 dient dazu, das Verschwenken eines Arms in der Längsebene zu ermöglichen. Ein solches Verschwenken wird dadurch erreicht, daß auf den ersten Längsabschnitt eines der beiden Arme 12, 14 eine Kraft ausgeübt wird, die parallel zu der Längsebene ist. Bewegt sich durch die wirkende Kraft der erste Längsabschnitt eines Arms auf den anderen Arm zu, entfernt sich der zweite Längsabschnitt des Arms vom anderen, so daß der Spalt 35 größer wird. Wirkt die Kraft in entgegengesetzter Richtung, führt die Schwenkbewegung eines Arms zu einer Verkleinerung des Spalts 35.
Da die beiden Greif- und Kraftmeßeinheiten 41, 43 fest mit den Armen 12, 14 verbunden sind, wird die beschriebene Schwenkbewegung auf die Kraftmeßbalken 47 übertragen, so daß sich diese durch entsprechende Kraftbeaufschlagung aufeinander zu oder voneinander weg bewegen lassen.
Zur Übertragung einer solchen Kraft auf die Arme 12, 14 ist eine Kugel 61 vorgesehen, die auf den beiden Lagerflächen 25, 27 aufliegt. Die Kugel 61 selbst ist Teil einer - nicht dargestellten - Antriebseinheit, die die Kugel senkrecht zur Längsebene verlagern kann. Über eine solche Verlagerung der Kugel 61 läßt sich eine Kraft auf die Lagerflächen 25, 27 aufbringen, wobei diese Kraft eine zur Längsebene parallele Kraftkomponente besitzt. Diese Kraftkomponente läßt sich dann zu einem Verschwenken der Arme 12, 14 nutzen. Vorzugsweise ist jedoch ein Arm ortsfest gehalten, so daß lediglich der andere Arm verschwenkt werden kann. Als Antriebseinheit kommt beispielsweise ein piezoelektrischer Antrieb in Frage.
Die Position der Kugel 61 längs der Lagerflächen 25, 27 ist frei wählbar. Über diese Position der Kugel läßt sich das Hebelverhältnis einstellen, d. h. das Verhältnis von Kugelverlagerungsweg und Weg des Kraftmeßbalkens.
In den beiden Fig. 6a und 6b ist die Funktionsweise der Kugel 61 nochmals verdeutlicht. Wird die Kugel 61 über die Antriebseinheit in Richtung des Pfeils 63, also senkrecht zur Längsebene, um eine Strecke s verlagert, wandert der erste Längsabschnitt des zweiten Arms 14 um eine entsprechende Strecke s' nach außen und damit weg von dem ersten Längsabschnitt des anderen Arms 12. Die so hervorgerufene Schwenkbewegung des ersten Längsabschnitts 21 des zweiten Arms 14 führt bedingt durch das Festkörpergelenk 54 zu einer entsprechenden Schwenkbewegung des Kraftmeßbalkens 47 der Greif- und Kraftmeßeinheit 43. Dies hat zum Ergebnis, daß sich der Abstand a zwischen den beiden Kraftmeßbalken 47 verringert.
Ein solches Verschwenken der Kraftmeßbalken 47 ist so lange möglich, bis sich diese berühren, wobei durch die schräg nach vorne verlaufende Form der Spitzen 51 die Berührung in diesem Bereich erfolgt.
In gleicher Weise führt ein anschließendes Anheben der Kugel 61 zu einer umgekehrten Bewegung, so daß sich der Abstand a wieder vergrößert.
Mit Hilfe dieser "zangenartigen" Bewegung der beiden Kraftmeßbalken 47 ist es somit möglich, nanometergroße Objekte zu greifen, festzuhalten und durch Verlagern des Greifers 10 zu versetzen. Da die Antriebseinheit örtlich entfernt von den beiden Kraftmeßbalken 47 angeordnet ist, wird das zu greifende Objekt nicht durch elektrische Einflüsse des Antriebs beeinflußt. Insbesondere liegt an den Kraftmeßbalken weder eine elektrische Spannung an, noch fließt irgendein Strom zwischen den Kraftmeßbalken. Darüber hinaus müssen die Kraftmeßbalken auch nicht erhitzt werden, um eine Greifbewegung zu realisieren.
Neben der beschriebenen Greifbewegung läßt sich mit der Greif- und Kraftmeßeinheit auch ein Abtasten eines Objekts und damit eine Erfassung dessen topographischer Struktur realisieren. Ein solches Abtasten soll nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 5 näher erläutert werden.
In Fig. 5 ist ein vorderer Abschnitt des Greifers 10 mit den beiden Armen 12, 14 und den beiden Greif- und Kraftmeßeinheiten 41, 43 dargestellt. Der Greifer 10 ist mit seiner Längsebene parallel zu einer ebenen Objektunterlage angeordnet, auf der ein Objekt 65 aufliegt. Der Greifer 10 ist über entsprechende Rastereinheiten sowohl in x-Richtung als auch in y- und z- Richtung verfahrbar angeordnet.
Wird der Greifer 10 beispielsweise in x-Richtung verfahren, und stößt der Kraftmeßbalken 47 der Greif- und Kraftmeßeinheit 41 (linker Meßbalken 47) mit seiner Spitze 51 an das Objekt 65, verbiegt sich dieser Kraftmeßbalken 47 durch die einwirkende Kraft F_L. Diese Verbiegung in der Längsebene, d. h. parallel zur Objektunterlage, ist in Fig. 5 deutlich zu erkennen.
Das Maß der Verbiegung läßt sich über bekannte Meßverfahren, beispielsweise das lasergestützte Lichtzeigerverfahren, erfassen. Dieses lasergestützte Lichtzeigerverfahren ist aus den bereits erwähnten Gründen bevorzugt, wobei allerdings auch kapazitive oder piezoresistive Messungen möglich sind.
Bei dem Lichtzeigermeßprinzip wird ein fokussierter Laserstrahl auf den Kraftmeßbalken 47 abgebildet. Dessen Oberfläche ist mit einer hochreflektierenden Metallschicht bedeckt. Das von dieser Schicht reflektierte Laserlicht wird auf einen positionsempfindlichen Photodetektor abgebildet. Verbiegt sich der Kraftmeßbalken 47 aufgrund einer Kraftwechselwirkung, ändert sich dadurch sein Winkel relativ zu dem einfallenden Laserstrahl. Somit wird der Laserstrahl unter dem veränderten Winkel des Kraftmeßbalkens reflektiert und an einer anderen Stelle des Photodetektors abgebildet. Die Verschiebung des Laserstrahlflecks auf dem Detektor führt zu einer Intensitätsänderung, die als Spannungsänderung am Ausgang eines Meßverstärkers gemessen werden kann. Der Photodetektor selbst besteht aus zwei dicht nebeneinander liegenden photosensitiven Hälften, wobei der Laserfleck beide Hälften mit gleich großer Lichtintensität beleuchtet. Verschiebt sich der Laserfleck, so erhält eine Hälfte mehr, die andere Hälfte weniger Licht. Dieser Intensitätsunterschied wird als Detektionssignal ausgenutzt und ist ein Maß für die Verbiegung. Unter Zugrundelegung der bekannten Federkonstanten des Kraftmeßbalkens 47 kann nun die Kraft F_L quantitativ, d. h. als Absolutwert, ermittelt werden.
Zur Erfassung der Topographie des Objekts 65 wird der Greifer 10 weiter bewegt, wobei die Bewegung (in z-Richtung senkrecht zur Papierebene) so ausfällt, daß die ermittelte Kraft F_L konstant bleibt. Auf der Grundlage der durchgeführten Bewegung des Greifers 10 läßt sich dann die Topographie ermitteln, da die Spitze des Kraftmeßbalkens 47 exakt der Objektoberfläche folgt.
Die Möglichkeit, eine auf die Kraftmeßbalken 47 wirkende horizontale Kraft quantitativ zu erfassen, läßt sich sehr vorteilhaft auch zur verbesserten Manipulation solcher Objekte, beispielsweise nanometergroßer Partikel, nutzen. Sobald ein zu manipulierendes Objekt mit Hilfe eines Kraftmeßbalkens 47 detektiert ist, wird der Greifer 10 so positioniert, daß das Objekt zwischen den beiden Kraftmeßbalken 47 liegt. Anschließend wird über die Antriebseinheit und die Kugel 61 eine Kraft auf den ersten Längsabschnitt des Arms 14 ausgeübt, so daß der Kraftmeßbalken 47 der Greif- und Kraftmeßeinheit 43 zu dem anderen Kraftmeßbalken bewegt wird. Dabei erfaßt die Spitze 51 des Kraftmeßbalkens 47 das Objekt 65 und drückt es gegen die gegenüberliegende Spitze des anderen Kraftmeßbalkens 47 der Meßeinheit 41. Wird die Schwenkbewegung fortgesetzt, verbiegt sich der Kraftmeßbalken 47 der feststehenden Meßeinheit 41 wie auch der andere Kraftmeßbalken 47. Die auf das Objekt 65 wirkende Greif- oder Haltekraft läßt sich anschließend durch Erfassen der Verbiegung der Kraftmeßbalken 47 ermitteln.
Diese Kraftermittlung ermöglicht folglich eine Manipulation des Objekts, ohne es selbst zu zerstören, da die auf das Objekt 65 wirkende Kraft sich erfassen läßt und damit begrenzbar ist.
Der beschriebene Greifer 10 läßt sich beispielsweise zur mechanischen Manipulation von Mechanosensoren in lebenden Zellen (mechanoelektrische Transduktion in Haarzellen des Innenohrs, mechanosensitive Ionenkanäle in Neuronen und Herzmuskelzellen) verwenden. Der Greifer 10 ermöglicht eine Lokalisierung mechanisch sensitiver zellulärer Strukturen in Flüssigkeit durch Abtasten mit den Spitzen der Kraftmeßbalken. Die identifizierte zelluläre Struktur kann mit dem Greifer 10 mechanisch manipuliert werden, während man mit elektrophysiologischen Methoden (z. B. patch clamp) die elektrische Antwort der Zelle mißt. Somit können die Einflüsse von Medikamenten auf den mechanosensitiven Prozeß getestet werden. Im Innenohr spielen Mechanosensoren zur Umwandlung von Schall in ein elektrisches Signal eine entscheidende Rolle. Der Greifer 10 ermöglicht außerdem die gezielte Manipulation von Nanostrukturen, wie z. B. den sogenannten "Carbon Nanotubes", die für den Bau kleinster Computerspeicher aber auch kleinster Nanosensoren große Bedeutung erlangt haben. Der Greifer kann zum Bau von kleinsten elektronischen oder sensorischen Bauteilen, die z. B. aus "Carbon Nanotubes" bestehen, eingesetzt werden.
Eine wesentliche Eigenschaft des beschriebenen Greifers ist in der Möglichkeit zu sehen, nanometergroße Partikel anzuheben, dreidimensional im Raum zu verschieben und wieder an einer Stelle absetzen zu können.
Ein weiterer Anwendungsbereich für den erfindungsgemäßen Greifer könnte beispielsweise in der Möglichkeit gesehen werden, die Fusionierung sekretorischer und neuronaler Vesikel mit Membranen zu untersuchen. Im Lichtmikroskop könnte man ein Vesikel z. B. des Pankreas (Durchmesser 100 nm bis 1.000 nm) lokalisieren und durch gezielte Positionierung des Greifers dieses Vesikel anheben und frei in der Flüssigkeit bewegen. Ein kleiner Fleck der Membran einer "Acinarzelle" des Pankreas wird mit einer patch clamp-Pipette so aus der Zellmembran herausgerissen, daß die Innenseite der Membran nach außen weist und das Vesikel mit Hilfe des Greifers in Kontakt mit dieser gebracht werden kann. Somit ist es z. B. möglich, den Einfluß verschiedener Pharmaka auf deren Wechselwirkung zu testen.
Selbstverständlich sind auch andere Anwendungsgebiete, in denen der erfindungsgemäße Greifer eingesetzt werden kann, denkbar.

Claims

1. Kraftmeß- und Greifvorrichtung zum Abtasten und/oder Greifen von nanometergroßen Objekten in unterschiedlichen Medien, mit
einem ersten (12) und einem zweiten Arm (14), die beabstandet und im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und jeweils eine Längsachse (L1, L2) aufweisen,
einer ersten und einer zweiten Greif- und Kraftmeßeinheit (Meßeinheit (41, 43)), wobei die erste Meßeinheit (41) dem ersten Arm (12) und die zweite Meßeinheit (43) dem zweiten Arm (14) zugeordnet ist, wobei zumindest eine Meßeinheit (41, 43) senkrecht zur Längsachse biegbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Arme (12, 14) über ein Gelenkmittel (18, 54) miteinander verbunden sind, wobei das Gelenkmittel (54) die beiden Arme (12, 14) in einen ersten und einen zweiten Längsabschnitt (21, 23) teilt, und
das Gelenkmittel (54) so ausgelegt ist, daß es eine Schwenkbewegung zumindest eines Arms (14) um das Gelenkmittel (54) und damit einer Meßeinheit (43) in einer Ebene (Längsebene) ermöglicht, die parallel zu den Längsachsen (L1, L2) beider Arme ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenkmittel (54) an den einander zugewandten Seiten (16) der Arme (12, 14) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Meßeinheit (41, 43) ein Trägerelement (45) und einen länglichen Kraftmeßbalken (47) aufweist, wobei das Trägerelement (45) mit einem Längsende an einem Arm (12, 14) angebracht ist und am anderen Längsende den Kraftmeßbalken (47) trägt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an einem dem Trägerelement (45) abgewandten Längsende des Kraftmeßbalkens (47) eine Spitze (51) vorgesehen ist, die sich schräg zur Längsebene nach vorne erstreckt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Betätigungsmittel (61) vorgesehen ist, das dem zweiten Längsabschnitt (21) zumindest eines der Arme (12, 14) zugeordnet ist, um eine Kraft auf den zumindest einen Arm (12, 14) auszuüben.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den zweiten Längsabschnitten (21) der Arme (12, 14) an den einander zugewandten Kanten jeweils eine schräg verlaufende Lagerfläche (25, 27) vorgesehen ist, und das Betätigungsmittel ein Betätigungselement (61) aufweist, das mit der Lagerfläche (25, 27) zusammenwirkt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungselement (61) eine Kugel ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine piezoelektrische Antriebseinheit vorgesehen ist, die dem Betätigungselement (61) zu dessen Verlagerung zugeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Arme (12, 14) und das Gelenkmittel (18, 54) als integrale Einheit ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die beiden Arme (12, 14), vorzugsweise auch das Gelenkmittel (18, 54), aus Silizium, Siliziumoxid oder Siliziumnitrid hergestellt sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der beiden Kraftmeßbalken (47) mit einer Federkonstante von 0,01 bis 0,5 N/m ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Meßvorrichtung, die zumindest einer Meßeinheit (41, 43), insbesondere einem Kraftmeßbalken (47), zugeordnet ist, um die Verbiegung des Kraftmeßbalkens (47) parallel zu erfassen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung auf der Basis des Lichtzeigermeßprinzips aufgebaut ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an den beiden Kraftmeßbalken (47) vorgesehenen Spitzen (51) zum Abtasten und Greifen nanometergroßer Objekte bzw. Partikel ausgebildet sind.