DE19956770A1 - Positioniervorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Positionier- bzw. Mikropositioniervorrichtung für verschiedene Anwendungen, wie z. B. Halbleitertechnologie, Ultrafeinstbearbeitung, Mikrojustage bei Glasfaser-Chip-Kopplung, Aktuatoren in der Gentechnologie, wobei die Anwendung nicht auf kleine Stellwege beschränkt ist. Die Mikropositioniervorrichtung weist ein Dehnelement 1 aus einem Material mit einem vorbestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. In Wirkbeziehung mit dem Dehnelement 1 steht eine Wärmequelle 5, 6; 8, 9; 10; 12; 13. Um an dem Dehnelement 1 eine vorbestimmte Dehnung zu erzeugen, ist eine Stell- oder Regelvorrichtung zum Einstellen oder Regeln des Heiz- und/oder Kühlelements vorgesehen. Mittels einer Meßvorrichtung 7; 11 wird die Dehnung des Dehnelements 1 ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionier- bzw. Mikropositioniervorrichtung für verschiedene Anwendungen, wie z. B. Halbleitertechnologie, Ultrafeinstbe­ arbeitung, Mikrojustage bei Glasfaser-Chip-Kopplung, Aktoren in der Gen­ technologie, wobei die Anwendung nicht auf kleine Stellwege beschränkt ist.

Nach dem Stand der Technik wurden für vorstehend beschriebene Aufga­ ben vorzugsweise Piezoaktoren eingesetzt. Die genauesten piezoelektri­ schen Antriebe haben eine Auflösung von ca. 5 nm, z. T. wird auch 1 nm erreicht, wobei jedoch bereits Längenverzerrungen durch die piezoelektri­ sche Hysterese auftreten, so daß sich lineare Längungen nicht realisieren lassen. Hinzu kommt, daß piezoelektrische Antriebe empfindlich gegenüber Temperaturstörungen sind, deren Einfluß sich im Nanometerbereich nicht oder nur mit unvertretbar hohem Aufwand kompensieren läßt, vergl. "Nanomotion Technology 98, LN2000", Schröder/Jendritza, Konstruktion 94, Nr. 46, Springerverlag.

Die in den Piezoaktoren verwendeten Sinterkeramiken weisen noch weitere nachteilige Eigenschaften auf, wie z. B. geringe Langzeitstabilität, Ani­ sotropie der Materialeigenschaften, schlechte Bearbeitbarkeit und starkes Hystereseverhalten. Piezokeramiken können bereits weit unter 100°C ihre piezoelektrischen Eigenschaften verlieren.

Es ist demzufolge die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Mikro­ positionierung bereitzustellen, die gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Piezoaktoren wesentlich verbesserte Positioniereigen­ schaften und/oder ein verbessertes Langzeit- und Hystereseverhalten und/oder eine einfachere und damit kostengünstigere Herstellungstechno­ logie aufweist.

Die Aufgabe wird mit einer Mikropositioniervorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Es wird eine Mikropositioniervorrichtung mit einem Dehnelement bereitgestellt, wobei das Dehnelement einen vorbestimmten Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten aufweist, d. h., das Dehnelement besteht aus Ma­ terialien, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten gut reproduzierbar sind. Wenn das Dehnelement aus verschiedenen Elementen besteht, sind diese so miteinander verbunden, daß bei einer Dehnung keine Sprünge oder an­ dere Unstetigkeiten auftreten. Um die durch die Dehnung auftretende Längen-, Flächen- oder Volumenänderung zu erfassen, ist eine Meßvorrich­ tung vorgesehen, die die Größe der Dehnung des Dehnelements ermittelt und z. B. in Form elektrischer Meßsignale abbildet. Zur Erzeugung einer positiven oder negativen Dehnung wird das Dehnelement mittels einer Wärmequelle, die durch eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung gebildet wird, mit einer Temperaturänderung beaufschlagt, wobei die Heiz- und/oder Kühlvorrichtung in Wirkbeziehung mit dem Dehnelement steht.

Um die Heiz- und/oder Kühlleistung der Heiz- und/oder Kühlvorrichtung zu verändern, ist eine Stell- oder Regelvorrichtung vorgesehen.

Nach Anspruch 2 besteht das Dehnelement aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten. So kann z. B. durch die Kombination von Materialien mit hohem und niedrigem Wärme­ ausdehnungskoeffizienten eine Grob-Fein-Positionierung realisiert werden. Weiterhin ist es möglich, bei einer Kombination von Materialien mit unter­ schiedlicher Wärmeleitfähigkeit ein vorbestimmtes Dehnungsverhalten zu erzeugen.

Nach Anspruch 3 ist die Wärmequelle eine Flüssigkeit, die das Dehnele­ ment durchströmt. Dazu sind in dem Dehnelement Kanäle vorgesehen, durch die wahlweise eine warme oder eine kalte Flüssigkeit fließt und da­ bei das Dehnelement erwärmt oder abkühlt.

Nach Anspruch 4 wird das Dehnelement elektrisch erwärmt. Dem Fach­ mann stehen dazu folgende Prinzipien zur Verfügung: Widerstandserwär­ mung und Hochfrequenzerwärmung. Zur Erzeugung vorbestimmter Aus­ dehnungseffekte ist es auch möglich, beide Prinzipien zu kombinieren.

Für besondere Anwendungen kann auch ein gepulster Laser oder können andere Strahlungsquellen als Wärmequelle eingesetzt werden.

Nach Anspruch 5 wird die Dehnung mittels einer induktiven oder kapaziti­ ven Meßvorrichtung und nach Anspruch 6 mit einer Dehnungsmeßstrei­ fenvorrichtung erfaßt.

Nach Anspruch 7 wird die Dehnung mit einer Bilderkennungs- und -verar­ beitungsvorrichtung erfaßt.

Es ist zu betonen, daß dem Fachmann für die Erfassung einer Längenände­ rung je nach Genauigkeitsanforderung geeignete Meßverfahren- und -geräte zur Auswahl stehen.

Nach Anspruch 8 ist das Dehnelement thermisch isoliert. Diese Ausfüh­ rungsform ist dann vorteilhaft, wenn der Endabschnitt des Dehnelements eine vorbestimmte Bewegung, wie z. B. mit einer konstanten Geschwin­ digkeit, ausführen soll.

Nach Anspruch 9 ist das Dehnelement 1 mit einem mechanisch oder pie­ zoelektrisch wirkenden Aktor gekoppelt, der z. B. als Schnellvorschub verwendet wird.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbin­ dung mit schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung der Erfindung in einer ersten Aus­ führungsform.

Die Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform.

Die Fig. 3 zeigt eine Prinzipdarstellung der Erfindung in einer dritten Ausführungsform.

Die Fig. 4 zeigt eine Prinzipdarstellung der Erfindung in einer vierten Ausführungsform.

Die Fig. 1 zeigt ein stangenförmiges Dehnelement 1 im Längsquerschnitt mit einem kreisförmigen Querschnitt, das mit einem ersten Endabschnitt 1a an einem Wandabschnitt 2 über eine thermische Isolation 3 fest ver­ bunden ist. Am zweiten Endabschnitt 1b ist ein Wirkelement 4 angeordnet, wobei das Wirkelement je nach Anforderung gestaltet ist. In dem Dehn­ element 1 sind zwei Kanäle 5 und 6 angeordnet, durch die eine warme und eine kalte Flüssigkeit geleitet werden können. Die Art der Flüssigkeit hängt von den Anwendungsanforderungen ab. So kann z. B. Wasser ver­ wendet werden, da Wasser preisgünstig und ungefährlich ist. Die Flüssig­ keiten können mit vorbestimmter Temperatur und mit vorbestimmter Ge­ schwindigkeit durch die Kanäle gepumpt werden. Wenn z. B. eine beson­ ders hohe Abkühlgeschwindigkeit erreicht werden soll, wird flüssiges Quecksilber durch den Abkühlungskanal geleitet. Zur Erzeugung eines vor­ bestimmten Dehnverhaltens ist es auch möglich, gleichzeitig zu erwärmen und zu kühlen.

Auf der Außenfläche des Dehnelements sind temperaturkompensierte Deh­ nungsmeßstreifen 7 appliziert, die die Dehnung des Dehnelementes 1 er­ fassen, wobei somit auch die Verschiebung des Wirkelements 4 bekannt wird. Die Anordnung, die Verschaltung und die Signalauswertung von DMS-Aufnehmern sind Stand der Technik und werden daher nicht näher erläutert.

Es ist zu betonen, daß die Wahl des Dehnelementmaterials vom Anwen­ dungsfall abhängig ist. Wenn hohe Verstellwege gewünscht sind, werden Materialien mit einem hohen Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt bzw. das Dehnelement 1 wird entsprechend lang ausgebildet. Wenn hochge­ naue, kurze Verstellwege erforderlich sind, werden Materialien wie Invar­ stahl oder Quarzgläser eingesetzt.

Die Fig. 2 zeigt ebenfalls ein an einem Wandabschnitt 2 befestigtes zylin­ derförmiges Dehnelement 1 mit einem Wirkelement 4. Die Erwärmung des metallischen Dehnelements erfolgt durch Widerstandserwärmung, wobei über die Ringkontakte 8 und 9 ein elektrischer Strom eingeleitet wird. Die Abkühlung erfolgt mittels Luftkühlung 10. Mittels einer optischen Meßvor­ richtung 11 wird die Spitze des Wirkelements 4 abgetastet.

Die Fig. 3 zeigt ebenfalls ein an einem Wandabschnitt 2 befestigtes zylin­ derförmiges Dehnelement 1 mit einem Wirkelement 4, wobei das metalli­ sche Dehnelement mittels berührungslos wirkender Induktionsspulen 12 erwärmt und durch einen Luftstrom 10 abgekühlt wird. Die Spitze des Wirkelements 4 wird ebenfalls mit einer optischen Meßvorrichtung (nicht gezeigt) abgetastet.

Die Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der auf der Oberfläche des Dehnelements 1 Heizelemente 13 appliziert sind, die zur Erwärmung des Dehnelements 1 benutzt werden. Für einen besonderen Anwendungs­ fall kann durch eine separate Ansteuerung jedes der Heizelemente 13 auch eine transiente Verbiegung des Dehnelements 1 bewirkt werden, wodurch das Wirkelement 4 auch mehrdimensionale Bewegungen ausführen kann.

Zusammenfassend ist zu betonen, daß mit der Erfindung einerseits Stellak­ toren für kleinste Wege, hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit und an­ dererseits auch preisgünstige, robuste Stellaktoren für größere Wege be­ reitgestellt werden.

Claims (9)

1. Mikropositioniervorrichtung, die aufweist,

• - ein Dehnelement (1) aus einem Material mit einem vorbestimmten Wär­ meausdehnungskoeffizienten,
• - eine Wärmequelle (5, 6; 8, 9; 10; 12; 13), die in Wirkbeziehung mit dem Dehnelement (1) steht,
• - eine Stell- oder Regelvorrichtung zum Einstellen oder Regeln des Heiz- und/oder Kühlelements, um an dem Dehnelement (1) eine vorbestimmte Dehnung zu erzeugen, und
• - eine Meßvorrichtung (7; 11), die die Dehnung des Dehnelements (1) er­ mittelt.

2. Mikropositioniervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnelement (1) aus unterschiedlichen Materialien, die einen un­ terschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und/oder ein unterschied­ liches Wärmeleitvermögen aufweisen.

3. Mikropositioniervorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle eine Flüssigkeit ist, die das Dehn­ element (1) durchströmt.

4. Mikropositioniervorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle ein elektrischer Strom ist, der das einen elektrischen Widerstand aufweisende Dehnelement (1) erwärmt.

5. Mikropositioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung eine induktive oder ka­ pazitive Meßvorrichtung ist.

6. Mikropositioniervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßvorrichtung eine Dehnungsmeßstreifenvorrich­ tung (7) ist.

7. Mikropositioniervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßvorrichtung eine Bilderkennungs- und -verar­ beitungsvorrichtung (11) ist.

8. Mikropositioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnelement thermisch isoliert ist.

9. Mikropositioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnelement (1) mit einem mechanisch oder piezoelektrisch wirkenden Aktuator gekoppelt ist.