DE19956770A1 - Micro-positioning device; has extension element with predetermined heat expansion co-efficient connected to heat source to produce desired extension in element and device to measure extension - Google Patents

Micro-positioning device; has extension element with predetermined heat expansion co-efficient connected to heat source to produce desired extension in element and device to measure extension

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    • G12—INSTRUMENT DETAILS
    • G12B—CONSTRUCTIONAL DETAILS OF INSTRUMENTS, OR COMPARABLE DETAILS OF OTHER APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G12B1/00—Sensitive elements capable of producing movement or displacement for purposes not limited to measurement; Associated transmission mechanisms therefor
    • G12B1/02—Compound strips or plates, e.g. bimetallic

Abstract

The device has an extension element (1) made of a material or a mixture of materials with a predetermined heat expansion co-efficient or co-efficients and connected with a heat source (5,6). An adjustment or control device adjusts or controls a heating or cooling element, to give a given extension to the element. A measuring device with a resistance strain gauge (7) determines the extension.

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.The invention relates to a positioning or micropositioning device for various applications, such as B. semiconductor technology, ultrafine work, micro adjustment with fiber optic chip coupling, actuators in the gene technology, whereby the application is not limited to short travel ranges is.

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.According to the prior art for the above-described tasks ben preferably used piezo actuators. The most accurate piezoelectric rule drives have a resolution of about 5 nm, z. T. also becomes 1 nm reached, but already distortion of length by the piezoelectric cal hysteresis occur so that linear elongations are not realized to let. In addition, piezoelectric drives are sensitive to Temperature disturbances are, whose influence is not in the nanometer range or can only be compensated for with unreasonably high expenditure, cf. "Nanomotion Technology 98, LN2000", Schröder / Jendritza, construction 94, No. 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. The sintered ceramics used in the piezo actuators also have others adverse properties such as. B. low long-term stability, ani sotropy of material properties, poor workability and strong Hysteresis behavior. Piezoceramics can be well below 100 ° C lose piezoelectric properties.  

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.It is therefore the object of the invention to provide a device for micro to provide positioning that is different from that of the prior art Technology known piezo actuators significantly improved positioning and / or an improved long-term and hysteresis behavior and / or a simpler and therefore less expensive production techno logic.

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.The object is achieved with a micropositioning device according to claim 1 solved. It becomes a micro-positioning device with an expansion element provided, the expansion element a predetermined heat has expansion coefficients, d. that is, the expansion element is made of Ma materials whose thermal expansion coefficients are easily reproducible. If the expansion element consists of different elements, these are connected to each other in such a way that there are no cracks or stretching whose discontinuities occur. The one that occurs due to the stretch Measuring a change in length, area or volume is a measuring device device provided that determines the size of the expansion of the expansion element and Z. B. in the form of electrical measurement signals. To generate a positive or negative expansion is the expansion element by means of a Heat source which is formed by a heating and / or cooling device, with a change in temperature, the heating and / or Cooling device is in operative relationship with the expansion element.

Um die Heiz- und/oder Kühlleistung der Heiz- und/oder Kühlvorrichtung zu verändern, ist eine Stell- oder Regelvorrichtung vorgesehen.To increase the heating and / or cooling capacity of the heating and / or cooling device change, an actuator or control device is provided.

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.According to claim 2, the expansion element consists of different materials with different coefficients of thermal expansion. So z. B. by combining materials with high and low heat expansion coefficients a coarse-fine positioning can be realized. It is also possible to combine materials with under  different thermal conductivity to a predetermined elongation behavior produce.

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.According to claim 3, the heat source is a liquid that the Dehnele ment flows through. For this purpose, channels are provided in the expansion element, through which either a warm or a cold liquid flows and there when the expansion element warms or cools.

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.According to claim 4, the expansion element is electrically heated. The subject The following principles are available: resistance heating and high-frequency heating. To generate predetermined off stretching effects, it is also possible to combine both principles.

Für besondere Anwendungen kann auch ein gepulster Laser oder können andere Strahlungsquellen als Wärmequelle eingesetzt werden.A pulsed laser can also be used for special applications other radiation sources can be used as a heat source.

Nach Anspruch 5 wird die Dehnung mittels einer induktiven oder kapaziti­ ven Meßvorrichtung und nach Anspruch 6 mit einer Dehnungsmeßstrei­ fenvorrichtung erfaßt.According to claim 5, the expansion by means of an inductive or capacitive ven measuring device and according to claim 6 with a strain gauge fen device detected.

Nach Anspruch 7 wird die Dehnung mit einer Bilderkennungs- und -verar­ beitungsvorrichtung erfaßt.According to claim 7, the stretching with an image recognition and processing processing device detected.

Es ist zu betonen, daß dem Fachmann für die Erfassung einer Längenände­ rung je nach Genauigkeitsanforderung geeignete Meßverfahren- und -geräte zur Auswahl stehen.It should be emphasized that the expert for the detection of a longitudinal changes suitable measuring method and devices are available.

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. According to claim 8, the expansion element is thermally insulated. This execution tion shape is advantageous if the end portion of the expansion element a predetermined movement, such as. B. with a constant speed ability to perform.  

Nach Anspruch 9 ist das Dehnelement 1 mit einem mechanisch oder pie­ zoelektrisch wirkenden Aktor gekoppelt, der z. B. als Schnellvorschub verwendet wird.According to claim 9, the expansion element 1 is coupled to a mechanically or piezoelectrically acting actuator which, for. B. is used as a rapid feed.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbin­ dung mit schematischen Zeichnungen näher erläutert.The invention is now based on exemplary embodiments in conjunction dung explained with schematic drawings.

Die Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung der Erfindung in einer ersten Aus­ führungsform. Fig. 1 shows a schematic diagram of the invention in a first imple mentation form.

Die Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform. Fig. 2 shows a schematic diagram of the invention in a second embodiment.

Die Fig. 3 zeigt eine Prinzipdarstellung der Erfindung in einer dritten Ausführungsform. FIG. 3 shows a schematic diagram of the invention in a third embodiment.

Die Fig. 4 zeigt eine Prinzipdarstellung der Erfindung in einer vierten Ausführungsform. FIG. 4 shows a schematic diagram of the invention in a fourth embodiment.

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. Fig. 1 shows a rod-shaped expansion element 1 in longitudinal cross section with a circular cross section, which is firmly connected to a first end section 1 a on a wall section 2 via thermal insulation 3 a related party. The second end portion 1 b a working element 4 is arranged, wherein the active element is designed according to requirements. In the expansion element 1 , two channels 5 and 6 are arranged through which a warm and a cold liquid can be passed. The type of liquid depends on the application requirements. So z. B. water ver be used because water is inexpensive and harmless. The liquids can be pumped through the channels at a predetermined temperature and at a predetermined speed. If e.g. B. a FITS high cooling rate is to be achieved, liquid mercury is passed through the cooling channel. To generate a certain stretching behavior, it is also possible to heat and cool simultaneously.

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.On the outer surface of the expansion element, temperature-compensated strain gauges 7 are applied, which grasp the expansion of the expansion element 1 , whereby the displacement of the active element 4 is also known. The arrangement, the connection and the signal evaluation of strain gauge sensors are state of the art and are therefore not explained in detail.

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.It should be emphasized that the choice of the expansion element material depends on the application. If long adjustment paths are desired, materials with a high coefficient of expansion are selected or the expansion element 1 is made correspondingly long. If high-precision, short adjustment paths are required, materials such as Invar steel or quartz glass are used.

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.The Fig. 2 also shows a housing fixed to a wall portion 2 zylin derförmiges expansion element 1 with an active element 4. The metallic expansion element is heated by resistance heating, an electrical current being introduced via the ring contacts 8 and 9 . The cooling takes place by means of air cooling 10 . By means of an optical Meßvor direction 11 , the tip of the active element 4 is scanned.

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. Fig. 3 also shows a fixed to a wall portion 2 zylin deriform expansion element 1 with an active element 4 , the metallic expansion element cal by means of non-contact induction coils 12 and is cooled by an air stream 10 . The tip of the active element 4 is also scanned with an optical measuring device (not shown).

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.Are the Fig. 4 shows a further embodiment in which on the surface of the expansion element 1 heating elements 13 applied which are used for heating of the expansion element 1. For a special application, a separate control of each of the heating elements 13 can also bring about a transient bending of the expansion element 1 , as a result of which the active element 4 can also perform multidimensional movements.

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.In summary, it should be emphasized that Stellak gates for the smallest distances, high accuracy and reproducibility and on the other hand, inexpensive, robust actuators for longer distances be provided.

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.
1. micropositioning device comprising
  • - An expansion element ( 1 ) made of a material with a predetermined coefficient of thermal expansion,
  • a heat source ( 5 , 6 ; 8 , 9 ; 10 ; 12 ; 13 ) which is in operative relationship with the expansion element ( 1 ),
  • - An actuating or regulating device for adjusting or regulating the heating and / or cooling element in order to generate a predetermined elongation on the expansion element ( 1 ), and
  • - A measuring device ( 7 ; 11 ), which averages the expansion of the expansion element ( 1 ).
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.2. Micropositioning device according to claim 1, characterized in that the expansion element ( 1 ) made of different materials which have a different thermal expansion coefficient and / or a different thermal conductivity. 3. Mikropositioniervorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle eine Flüssigkeit ist, die das Dehn­ element (1) durchströmt.3. Micropositioning device according to claims 1 or 2, characterized in that the heat source is a liquid which flows through the expansion element ( 1 ). 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. 4. Micropositioning device according to claims 1 or 2, characterized in that the heat source is an electrical current which heats the expansion element ( 1 ) having an electrical resistance. 5. Mikropositioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung eine induktive oder ka­ pazitive Meßvorrichtung ist.5. Micropositioning device according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring device is an inductive or ka is a capacitive measuring device. 6. Mikropositioniervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßvorrichtung eine Dehnungsmeßstreifenvorrich­ tung (7) ist.6. Micropositioning device according to claims 1 to 4, characterized in that the measuring device is a strain gauge device ( 7 ). 7. Mikropositioniervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßvorrichtung eine Bilderkennungs- und -verar­ beitungsvorrichtung (11) ist.7. Micropositioning device according to claims 1 to 4, characterized in that the measuring device is an image recognition and processing device ( 11 ). 8. Mikropositioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnelement thermisch isoliert ist.8. Micro positioning device according to one of the preceding claims, characterized in that the expansion element is thermally insulated. 9. Mikropositioniervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnelement (1) mit einem mechanisch oder piezoelektrisch wirkenden Aktuator gekoppelt ist.9. Micropositioning device according to one of the preceding claims, characterized in that the expansion element ( 1 ) is coupled to a mechanically or piezoelectrically acting actuator.
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