DE19548587A1 - Micro-positioning system - Google Patents

Micro-positioning system

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Abstract

The system consists of a translator, a stator and an adjustment mechanism which can make adjustments in position of the order of the gap between adjacent atoms in a solid (in the order of 10 power -10 m) The translator (1) and stator (2) of the positioning system are formed by a solid body (3). The translator is formed by utilising the non-elastic mechanical properties of a part of the this solid body displaced relative to the stator. In the solid body forming the translator and stator during its manufacture one or more slide planes or bands for the position adjustment can be marked out and the displaceable part formed by plastic deformation by the introduction of an external critical stress in the solid body.

Description

Die Erfindung betrifft ein Positioniersystem, welches Stellwege mit einer Auflösung in der Größe der Abstände zwischen benachbarten Atomen in Festkörpern (Größenordnung 10 -10m) erlaubt und zur Positionierung in der Mikrosystemtechnik oder für Meßaufgaben eingesetzt werden kann.The invention relates to a positioning system which allows adjustment paths with a resolution in the size of the distances between adjacent atoms in solids (in the order of 10 -10 m) and can be used for positioning in microsystem technology or for measuring tasks.

Nach dem Stand der Technik sind Mikro-Positioniersysteme (mechanische Verstellsysteme hoher Genauigkeit) bekannt, die auf der Grundlage der elastischen Verformung von Festkörpern durch piezoelektrische, piezoresistive, magnetoresistive, elektro-statische Effekte oder deren thermisch bedingter Längenänderung arbeiten. Piezoelektrische Mikro- Positioniersysteme erlauben Verstellungen im Bereich von ca. 10 µm mit hoher Dynamik (Frequenzen von ca. 10 kHz und mehr). Solche Systeme erreichen in Kombination mit geeigneten Wegmeßsystemen, durch deren Einbindung in einen Regelkreis Fehler infolge Hysterese- und Drifteinflüssen korrigiert werden können, Genauigkeiten von etwa 0.1% bezogen auf ihre Nennausdehnung.Micro-positioning systems are state of the art (mechanical adjustment systems of high accuracy) known based on the elastic deformation of solids through piezoelectric, piezoresistive, magnetoresistive, electrostatic effects or their thermal effects Work length change. Piezoelectric micro Positioning systems allow adjustments in the range of approx. 10 µm with high dynamics (frequencies of approx. 10 kHz and more). Such systems achieve in combination with suitable ones Position measuring systems by integrating them into a control loop Corrected errors due to hysteresis and drift influences can be accuracies of about 0.1% based on their Nominal expansion.

In DE 43 15 628 A1 wird ein inkrementelles Positionier- und Meßsystem beschrieben, welches Stellbewegungen mit atomarer Auflösung (Größenordnung 10-10m) bei Stellwegen bis in den mm- Bereich realisieren und hysterese- und driftfrei bei hoher Dynamik (Frequenzen bis zu Ghz) arbeiten soll. Dieses System arbeitet mit einem Translator und einem Stator, die jeweils durch atomar ebene Flächen, die durch atomare Bindungskräfte, geschwächt durch eine monomolekulare Zwischenschicht, miteinander verbunden sind. Die Stellbewegung soll durch die Zuführung von impulsartiger Bewegungsenergie ausgelöst werden, für die erreichbare Steifigkeit wird die Größenordnung von N/µm angegeben. Dieses System muß durch Bewegungsenergie mit charakteristischen Amplituden, die mit der angestrebten Auflösung vergleichbar sind, erregt werden, was technisch kompliziert ist. Die Steifigkeit dieser Anordnung liegt notwendig deutlich unter den Werten der für die als Translator und Stator verwendeten Festkörper. Darüber hinaus erhebt das beschriebene Prinzip einen hohen Anspruch hinsichtlich der Sauberkeit während der Herstellung und Anwendung, was die möglichen Einsatzorte einschränkt.DE 43 15 628 A1 describes an incremental positioning and measuring system which realizes positioning movements with atomic resolution (order of magnitude 10 -10 m) with travel ranges up to the mm range and is hysteresis and drift free with high dynamics (frequencies up to Ghz) should work. This system works with a translator and a stator, each connected by atomically flat surfaces that are weakened by atomic binding forces, weakened by a monomolecular intermediate layer. The actuating movement is to be triggered by the supply of impulsive kinetic energy; the magnitude of N / µm is given for the achievable stiffness. This system must be excited by kinetic energy with characteristic amplitudes that are comparable to the desired resolution, which is technically complicated. The rigidity of this arrangement is clearly below the values for the solids used as translators and stators. In addition, the principle described places high demands on cleanliness during manufacture and use, which limits the possible locations.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein zuverlässig arbeitendes Positioniersystem zu schaffen, welches Stellwege mit einer Auflösung in der Größe der Abstände zwischen benachbarten Atomen in Festkörpern (Größenordnung 10-10m) bei Steifigkeiten, die mit denen der verwendeten Festkörpermaterialien vergleichbar sind, erlaubt. Darüber hinaus soll die Steuerung der Stellbewegung durch charakteristische Energien und Wege auf einer nach dem Stand der Technik einfach zu handhabenden Skala ausgelöst werden.The object of the present invention is to provide a reliably working positioning system which allows travel ranges with a resolution in the size of the distances between adjacent atoms in solids (order of magnitude 10 -10 m) with stiffnesses which are comparable to those of the solid materials used. In addition, the control of the actuating movement should be triggered by characteristic energies and paths on a scale that is easy to handle according to the prior art.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen angegeben.According to the invention, this object is achieved through the features of Claim 1 solved. Advantageous embodiments are in the Subclaims specified.

Die Erfindung nutzt die nichtelastischen mechanischen Eigenschaften von Festkörpern aus. Dadurch das Translator und Stator von einem Festkörper gebildet werden, kann z. B. durch eine plastische Formänderung des Festkörpers, d. h. nach Beendigung einer äußeren aus lösenden Krafteinwirkung bleibende Formänderung, eine Stellbewegung im Positioniersystem erzeugt werden.The invention uses the non-elastic mechanical Properties of solids. Thereby the translator and Stator are formed by a solid, z. B. by a plastic change in shape of the solid, d. H. to Termination of an external residual force  Shape change, an actuating movement generated in the positioning system will.

Vorteilhaft ist dabei, daß für das betrachtete Material und bei einer gegebenen Temperatur Sätze von kritischen (mechanischen) Schubspannungen existieren, unterhalb derer keine bleibende plastische Verformung auftritt. Diese kritischen Schubspannungen beschreiben die Anelastizitätsgrenze der Verformung, d. h. der betrachtete Stellvorgang ist unterhalb dieser Grenze nicht möglich, was zu einer hohen Steifigkeit des Positioniersystems für Gegenspannungen in diesem Bereich führt. Gleichzeitig resultiert daraus, daß für die Stellbewegung bei den meisten Festkörpern Normalspannungen im Bereich über 10⁸ N/m² notwendig sind, was eine Steuerung der Stellbewegung beispielsweise durch Zangen mit Druckschrauben erfordert.It is advantageous that for the material under consideration and sets of critical at a given temperature (Mechanical) shear stresses exist below which no permanent plastic deformation occurs. This critical shear stresses describe the Deformation elastic limit, d. H. the considered Adjustment process is not possible below this limit, which leads to a high rigidity of the positioning system for Counter voltages in this area leads. At the same time results from that for the actuating movement in most Solid voltages in the range above 10⁸ N / m² are necessary are what a control of the actuating movement for example required by pliers with pressure screws.

Die plastische Verformung von Festkörpern besteht in der Bewegung einer großen Zahl von Atomen, die praktisch gleichzeitig und in gesetzmäßig verknüpfter Weise erfolgt.The plastic deformation of solids consists in the Movement of a large number of atoms that are practical takes place simultaneously and in a legally linked manner.

Betrachtet man kristalline Festkörper, kann man ein Kristallgitter durch das Übereinanderstapeln von mit Atomen besetzten Ebenen, den sogenannten Netzebenen, bilden. Als Elementarvorgang der plastischen Verformung gilt das Gleiten von einzelnen Netzebenen aufeinander, d. h. nach der Verformung ist ein Teil des Kristalls um einen ganzzahligen Teil der Translationsperiode der Atome des Kristalls parallel zur Gleitfläche in Richtung der Gleitung verschoben. Gleitfläche und Gleitrichtung bilden das materialabhängige Gleitsystem. An den Begrenzungsflächen des Kristalls resultiert dies für diesen einfachen Fall in Gleitstufen, der Vorschub eines Teils des Kristalls wird im Sinne dieser Erfindung als Stellvorschub genutzt.Looking at crystalline solids, one can Crystal lattice by stacking atoms occupied levels, the so-called network levels. As The elementary process of plastic deformation applies to sliding from individual network levels to one another, d. H. after the deformation is part of the crystal around an integer part of the Translation period of the atoms of the crystal parallel to the Sliding surface shifted in the direction of sliding. Sliding surface and sliding direction form the material-dependent sliding system. At this results in the boundary surfaces of the crystal  this simple case in sliding steps, the advance of a part of the crystal is used in the sense of this invention as a feed utilized.

Der einfachste Fall kann anhand der Gleitung um den einfachen Betrag der Gitterkonstanten eines einfach-kubischen Gitters diskutiert werden, wo nach der Entlastung ein Teil des Kristalls (im Sinne der Erfindung der Translator), genau um den Betrag der Gitterkonstanten gegen den Rest (im Sinne der Erfindung der Stator) verschoben ist, was gleichzeitig einen Elementarschritt der Stellbewegung verkörpert. Wird der Gleitschritt von einer bestimmten Ebene an auf benachbarten wiederholt, spricht man von einem Gleitband. Für die relative Translation zweier geeigneter Begrenzungsflächen des Festkörpers ist die Summe aller Gleitschritte maßgebend. Damit lassen sich Translationen zwischen 10-10m und 10-2m leicht realisieren. Auch Gleitbeiträge kleiner als eine Translationsperiode des Kristalls sind möglich. In diesem Falle entstehen Zwillinge, martensitische Phasen und Stapelvarianten.The simplest case can be discussed on the basis of the slip by the simple amount of the lattice constant of a simple cubic lattice, where after the relief a part of the crystal (in the sense of the invention the translator), exactly by the amount of the lattice constant against the rest (in the sense the invention the stator) is shifted, which simultaneously embodies an elementary step of the actuating movement. If the gliding step is repeated from a certain level to an adjacent one, one speaks of a gliding band. The sum of all sliding steps is decisive for the relative translation of two suitable boundary surfaces of the solid. This makes translations between 10 -10 m and 10 -2 m easy. Sliding contributions smaller than one translation period of the crystal are also possible. In this case, twins, martensitic phases and stack variants are created.

Neben der plastischen Verformung existiert die viskose Verformung, die vor allem typisch für Festkörper ohne Kristallgitter ist und durch Diffusionsprozesse hervorgerufen wird. Für die plastische Verformung, die an das Kristallgitter gebunden ist, sind gerade die Fehler im Aufbau dieses Gitters von Bedeutung, das heißt alle Abweichungen von dem Muster der Atomanordnung, welches dem Kristallsystem entspricht. Diese Baufehler führen dazu, daß das Gleiten bei äußeren (kritischen) Schubspannungen, die wesentlich kleiner als die für das Gleiten im idealen (fehlerfreien) Einkristall theoretisch erwarteten sind, beobachtet wird. Dies wird dadurch verständlich, daß das Gleiten als die Bewegung von Baufehlern im Kristall interpretiert wird, wofür wesentlich weniger Energie erforderlich ist. Im kristallinen Festkörper sind für die Bewegung der Baufehler um eine Translationsperiode bestimmte materialspezifische äußere Spannungen nötig, so daß bei geeigneter Wahl des Festkörpers und Dosierung der Spannung Bewegungen um Beträge der Abstände einzelner Atome möglich sind.In addition to the plastic deformation, there is the viscous one Deformation, which is typical of solid bodies without Is crystal lattice and caused by diffusion processes becomes. For the plastic deformation that occurs on the crystal lattice is bound, are the mistakes in the construction of this grid of importance, that is, all deviations from the pattern of Atomic arrangement that corresponds to the crystal system. This Construction errors lead to the fact that sliding in external (critical) shear stresses that are much smaller than that for sliding in the ideal (error-free) single crystal  are theoretically expected is observed. this will understandable in that the sliding as the movement of Construction errors in the crystal is interpreted, which is essential less energy is required. In the crystalline solid are for the movement of construction errors by one Translation period determined material-specific external Tensions necessary so that with a suitable choice of the solid body and dosing the tension movements by amounts of the distances individual atoms are possible.

Nach diesem Prinzip sind im Sinne dieser Erfindung alle Vorgänge im Festkörper, die in einer steuerbaren äußeren Gestaltänderung um Beträge der atomaren Abstände im Festkörper resultieren als Grundlage von Mikropositioniersystemen geeignet.According to this principle, everyone is within the meaning of this invention Processes in the solid state in a controllable outer Shape change by amounts of the atomic distances in the solid result as the basis of micropositioning systems suitable.

Die Erfindung soll nachfolgen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:The invention is intended to follow an exemplary embodiment explained in more detail. The drawings show:

Fig. 1 eine Darstellung eines Festkörpers mit Stator und Translator Fig. 1 shows a solid body with a stator and translator

Fig. 2 eine zu Fig. 1 gehörige Darstellung auf atomarer Ebene. Fig. 2 is a representation of Fig. 1 at the atomic level.

In der Fig. 1 ist ein Festkörper 3 dargestellt, der aus einem Translator 1 und einem Stator 2 besteht. Auf der Ebene ABCD der Gleitebene 4 ist der obere Kristallteil gegenüber dem unteren unter der Wirkung einer äußeren Schubspannung 5 in Pfeilrichtung teilweise bis zur Linie EF abgeglitten. Nach vollständiger Abgleitung entsteht auf der rechten Seite die punktiert angedeutete Stufe. Die Fig. 1 ist aus Gustav E.R. Schulze, Metallphysik, Akademieverlag, Berlin 1967 entnommen.In FIG. 1, a solid 3 is shown, which consists of a Translator 1 and a stator 2. On the ABCD plane of the sliding plane 4 , the upper crystal part has partially slid down to the line EF under the action of an external shear stress 5 in the direction of the arrow. After complete sliding off, the dotted step appears on the right side. FIG. 1 is taken from Gustav ER Schulze, Metal Physics, Akademie Verlag, Berlin 1967th

In der Fig. 2 werden die Vorgänge auf atomarere Ebene dargestellt. Unter dem Einfluß der äußeren Schubspannung 5, ist die obere Fläche um ein Atom 6 nach rechts verschoben. Die Fig. 2 ist aus Charles Kittel, Einführung in die Festkörperphysik, OLdenbourg Verlag GmbH, München 1988 entnommen.In FIG. 2, the operations are displayed on atomarere level. Under the influence of the external shear stress 5 , the upper surface is shifted to the right by one atom 6 . FIG. 2 is taken from Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics, Oldenbourg Verlag GmbH, Munich 1988th

In einem Mikropositioniersystem, dessen Stellbewegung durch das Abgleiten von Ebenen hervorgerufen wird, wird eine äußere (mechanische) Schubspannung 5 zum Gleiten in den Festkörper 3 eingeleitet. Dies kann zum einen bei der Herstellung des verwendeten Kristalls, etwa bei der Kristallzucht oder Epitaxie, z. B. durch den Einbau von ebenen inneren Grenzflächen, die im Vergleich zum übrigen Kristall zu einer lokalen Verminderung der kritischen Schubspannung 5 führen, gewährleistet werden. Diese innere Grenzfläche stellt dann eine bevorzugte Gleitebene 4 dar. Außerdem sind innere Strukturen denkbar, die etwa unter Ausnutzung der elektroplastischen nach T. Yamada, J. Ozaki, T. Kataoka: Phil. Mag. A 58 (1988) 385 oder photoplastischen nach Yu.A. Osipyan, V.F. Petranko, A.V. Zaretskii, R.W. Whitworth: Adv. Physics 35 (1986) 115 Effekte in Kombination mit elektrischen bzw. elektromagnetischen Feldern (Licht) zu einer lokalen Erniedrigung der kritischen Schubspannung führen und durch ihre Anordnung eine Gleitebene oder ein Gleitband 4 auszeichnen. Diese Beispiele stehen für alle Maßnahmen, durch die man im Prozeß der Herstellung des Kristalls eine Gleitebene oder ein Gleitband, auch durch Kombination mit äußeren Feldeinflüssen bei der Verformung, auszeichnen kann. Außerdem kann der Kristall vor der Verformung so geritzt werden, daß die dadurch an der Oberfläche entstehenden Quellen von Baufehlern eine Gleitebene oder ein Gleitband 4 auszeichnen. Zum anderen sind Maßnahmen während der Verformung denkbar, etwa durch gezielte lokale Erhitzung mittels Laser, in deren Folge Gleitebenen oder ein Gleitband ausgezeichnet werden.In a micropositioning system, the actuating movement of which is caused by the sliding of planes, an external (mechanical) shear stress 5 is introduced into the solid 3 for sliding. This can on the one hand in the manufacture of the crystal used, for example in crystal growing or epitaxy, e.g. B. by the installation of flat inner interfaces, which lead to a local reduction in the critical shear stress 5 compared to the rest of the crystal. This inner boundary surface then represents a preferred sliding plane 4. In addition, inner structures are conceivable which, for example, use the electroplastic according to T. Yamada, J. Ozaki, T. Kataoka: Phil. Mag. A 58 (1988) 385 or photoplastic according to Yu .A. Osipyan, VF Petranko, AV Zaretskii, RW Whitworth: Adv. Physics 35 (1986) 115 effects in combination with electric or electromagnetic fields (light) lead to a local reduction in the critical shear stress and are characterized by their arrangement of a sliding plane or a sliding band 4 . These examples stand for all measures by which a sliding plane or a sliding band can be characterized in the process of producing the crystal, also by combination with external field influences during the deformation. In addition, the crystal can be scratched before it is deformed in such a way that the sources of structural defects which thereby arise on the surface characterize a sliding plane or a sliding band 4 . On the other hand, measures during the deformation are conceivable, for example through targeted local heating by means of a laser, as a result of which sliding planes or a sliding band are distinguished.

Claims (5)

1. Positioniersystem, bestehend aus einem Translator, einem Stator sowie einem Stellmechanismus, welches Stellwege mit einer Auflösung in der Größe der Abstände zwischen benachbarten Atomen in Festkörpern erlaubt, dadurch gekennzeichnet, daß Translator (1) und Stator (2) des Positioniersystems durch einen Festkörper (3) gebildet werden und der Translator (1) ein durch die Ausnutzung der nichtelastischen mechanischen Festkörpereigenschaften gegenüber dem Stator (2) verschobener Teil dieses Festkörpers (3) ist.1. Positioning system, consisting of a translator, a stator and an adjusting mechanism which allows adjustment paths with a resolution in the size of the distances between adjacent atoms in solid bodies, characterized in that the translator ( 1 ) and stator ( 2 ) of the positioning system by a solid body ( 3 ) are formed and the translator ( 1 ) is a part of this solid body ( 3 ) which is displaced in relation to the stator ( 2 ) due to the utilization of the non-elastic mechanical solid properties. 2. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Festkörper (3), der den Translator (1) und Stator (2) des Positioniersystems bildet, durch Maßnahmen während dessen Herstellung, eine oder mehrere Gleitebenen oder Gleitbänder (4) für die Stellbewegung ausgezeichnet sind, und der verschobene Teil durch eine plastische Verformung durch Einleitung einer äußeren kritischen Schubspannung (5) in den Festkörper (3) gebildet wird.2. Positioning system according to claim 1, characterized in that in the solid body ( 3 ), which forms the translator ( 1 ) and stator ( 2 ) of the positioning system, through measures during its manufacture, one or more sliding planes or sliding bands ( 4 ) for the Adjustment movement are excellent, and the displaced part is formed by a plastic deformation by introducing an external critical shear stress ( 5 ) into the solid ( 3 ). 3. Positioniersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kombination mit anderen physikalischen Feldern die Gleitebenen oder Gleitbänder (4) während der Stellbewegung aktivierbar sind.3. Positioning system according to claim 2, characterized in that the sliding planes or sliding bands ( 4 ) can be activated by the combination with other physical fields during the actuating movement. 4. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Festkörper (3), der den Translator (1) und Stator (2) des Positioniersystems bildet, durch Maßnahmen vor Beginn oder während der Stellbewegung, ein oder mehrere Gleitebenen oder Gleitbänder (4) für die Stellbewegung ausgezeichnet werden.4. Positioning system according to claim 1, characterized in that in the solid body ( 3 ), which forms the translator ( 1 ) and stator ( 2 ) of the positioning system, by measures before the start or during the actuating movement, one or more sliding planes or sliding bands ( 4th ) for the positioning movement. 5. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Translator (1) durch physikalische und/oder chemische Vorgänge, die in einer äußeren Gestaltänderung um Beträge der atomaren Abstände im Festkörper (3) resultieren, gegenüber dem Stator (2) verschiebbar ist.5. Positioning system according to claim 1, characterized in that the translator ( 1 ) is displaceable relative to the stator ( 2 ) by physical and / or chemical processes which result in an external change in shape by amounts of the atomic distances in the solid body ( 3 ).
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