DE3844659A1 - Mikromanipulator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikromanipulator zur Bewegung eines Objekts relativ zu einer Bearbeitungs- oder Analyseposition so, daß zumindest ein Teil der Objektoberfläche bearbeitet oder analysiert werden kann. Der Mikromanipulator weist mehrere Bewegungsele­ mente auf, die das Objekt oder einen Objekthalter ab­ stützen und die hierzu mit einer Auflage für das Objekt oder den Objekthalter versehen sind. Zur Ausführung von Mikrobewegungen sind die Bewegungselemente piezoelek­ trisch verstellbar.

Mikromanipulatoren dieser Art sind zur Ausführung von Bewegungen bei Raster-Tunnel-Mikroskopen (RTM) bekannt. Das RTM erfordert ein Höchstmaß an Präzision für die Bewegung des jeweils zu untersuchenden Objekts relativ zur Abtastnadel (Tunnelspitze) des RTM′s.

In DE-OS-36 10 540 wird ein Mikromanipulator beschrie­ ben, bei dem zur Abstützung des zu untersuchenden Ob­ jekts mehrere Bewegungselemente aus piezoelektrischem Material benutzt werden. Die Bewegungselemente sind derart ausgebildet, daß durch Mikrobewegungen sowohl Translations- als auch Rotationsbewegungen sowie ein Kippen des Objekts möglich ist. Der beschriebene Mikro­ manipulator ist auf Mikrobewegungen des Objekts einge­ richtet, wobei in der zu bearbeitenden Addition von Mikrobewegungen auch Makrobewegungen möglich sind. Senkrecht zur vorgenannten Objektebene sind Bewegungen nur insoweit ausführbar, als es die durch Anlegen elek­ trischer Spannungen erreichbare Verformung des piezo­ elektrischen Materials zuläßt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mikromanipulator zu schaffen, mit dem sich in jeder Richtung mit den für die Mikrobewegung vorgesehenen Bewegungselementen zu­ gleich auch Makrobewegungen ausführen lassen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Mikro­ manipulator der eingangs genannten Art gemäß Patentan­ spruch 1 dadurch gelöst, daß das Objekt zumindest auf einem der Bewegungselemente derart gelagert ist, daß auch senkrecht zur Bearbeitungs- oder Analyse-Ebene des Objekts zugleich Mikro- und Makrobewegungen ausführbar sind. Dies ermöglicht eine Anpassung des Abstandes zwischen Bearbeitungs- und Analyse-Ebene und Bearbei­ tungswerkzeug, beispielsweise die Einstellung des Ab­ standes zwischen zu bearbeitender oder zu analysieren­ der Objektoberfläche und Abtastnadel eines RTM′s, auch bei einer rauhen Objektoberfläche, deren Rauhigkeit durch Mikrobewegungen allein durch Verformen des piezo­ elektrischen Materials nicht ausgleichbar sind, oder nach Auswechseln und Montage der Abtastnadel.

Zur Makrobewegung ist insbesondere die Auflage eines Bewegungselementes geeignet, Patentanspruch 2. Die Auflage wird nach Patentanspruch 3 bevorzugt im Bewe­ gungselement selbst bewegbar gelagert, wobei zugleich eine Führung der Auflage am Bewegungselement vorgesehen ist. Zweckmäßig ist es, die Auflage in einer im Bewe­ gungselement befestigten, axial verlaufenden Buchse so zu lagern, daß Reibkräfte zwischen einander angrenzen­ den Oberflächen von Auflage und Buchse eine Bewegung der Auflage in der Buchse verhindern. Die Reibkräfte müssen so bemessen sein, daß sie einerseits zur Stütze des Objekts ausreichend sind und daß andererseits durch Anlegen von Spannungsfunktionen an das piezoelektrische Bewegungselement ein Gleiten der Auflage in der Buchse in axialer Richtung erreichbar ist, Patentanspruch 4. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die piezo­ keramische Ausbildung des Bewegungselementes auch senk­ recht zur Bearbeitungs- oder Analyse-Ebene sowohl für die Mikrobewegung als auch die Makrobewegung des Objekts ausnutzbar.

Eine Variante der Erfindung, bei der für die Makrobewe­ gung ebenfalls die piezoelektrische Steuerung der Be­ wegungselemente genutzt wird, betreffen die Patentan­ sprüche 5 bis 7. Danach stützen die Bewegungselemente das Objekt oder den Objekthalter über eine zur Stütz­ richtung der Bewegungselemente schief verlaufende Stütz­ ebene ab, deren Normale einen Winkel a zur Stützrich­ tung der Bewegungselemente aufweist. Wird die schiefe Stützebene durch Bewegung der piezoelektrischen Bewe­ gungselemente verschoben, so ändert sich die Lage der mit der schiefen Ebene fest verbundenen Objektober­ fläche in Stützrichtung der Bewegungselemente. Die zu wählende Größe des Winkels ist einerseits abhängig von der Leistungsfähigkeit der piezoelektrischen Bewegungs­ elemente hinsichtlich ihrer seitlichen Auslenkbarkeit am Auflagepunkt, andererseits von den Reibungskräften, die an den Auflagepunkten der Bewegungselemente auf der Oberfläche der Stützebene herrschen. Um die Reibungs­ kräfte gering zu halten wird die Stützebene bevorzugt poliert. Eine Bewegung der Stützebene mittels der Be­ wegungselemente oder eine Bewegung des Mikromanipulators bei ortsfestem Objekt erfolgt durch Anlegen elektrischer Spannungsverläufe an der Piezokeramik der Bewegungsele­ mente. Die Wahl des Winkel α bestimmt das Maß der Verschiebung der zu bearbeitenden oder zu analysieren­ den Objektoberfläche senkrecht zur Bearbeitungs- oder Analyse-Ebene, also beispielsweise senkrecht zur Abtast­ nadel des RTM′s.

Bevorzugt ist die schiefe Stützebene schraubenförmig ausgebildet und wird von den Bewegungselementen in axialer Richtung abgestützt, so daß sich beim Rotieren der Stützebene die Bearbeitungs- oder Analysenebene axial verschiebt. Vorteilhaft ist es, die schraubenför­ mig verlaufende Stützebene in mehrere gleichartig ge­ staltete Abschnitte aufzuteilen, wobei jeder Abschnitt von einem der Bewegungselemente abgestützt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt im einzelnen:

Fig. 1 Mikromanipulator mit einem Bewegungs­ element mit verstellbarer Auflage;

Fig. 1a Längsschnitt eines Bewegungselemen­ tes mit verstellbarer Auflage, Ausschnitt;

Fig. 1b Querschnitt eines Bewegungselemen­ tes nach Fig. 1a gemäß Schnittlinie b/b;

Fig. 2 Mikromanipulator mit einem mecha­ nisch bewegbaren Bewegungselement;

Fig. 4 Mikromanipulator mit schiefer Stütz­ ebene;

Fig. 5 schraubenförmig verlaufende Stütz­ ebene eines Mikromanipulators;

Fig. 6 Mikromanipulator mit Stützebene mit schraubenförmig verlaufenden Ab­ schnitten.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt einen Mikromanipulator zur Bewegung eines Objekts oder Objekthalters 1 mittels drei den Objekthalter stützenden Bewegungselementen 2, 2′, 2′′. Der Objekthalter liegt auf Auflagen 3, 3′, 3′′ der Bewegungselemente in stabiler Lage auf. Die im Ausführungsbeispiel zylindrischen Bewegungselemente 2, 2′, 2′′ sind mit senkrecht verlaufender Zylinderachse 4 auf einer Basisplatte 5 befestigt. Der Mikromanipulator dient zur Bewegung des Objekts relativ zu einer Abtast­ nadel 6, die im Ausführungsbeispiel zwischen den Bewe­ gungselementen 2, 2′, 2′′ auf einem Bewegungselement 10 angeordnet und ebenfalls auf der Basisplatte 5 befestigt ist.

Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Mikro­ manipulator für ein RTM, wobei das Objekt 1 zur Abtast­ nadel 6 des RTM′s im Nanobereich verschiebbar ist. Die Anordnung der Abtastnadel 6 auf dem Bewegungselement 10 auf der Basisplatte 5 zwischen den Bewegungselementen 2, 2′, 2′′ ist nicht zwingend. Die Abtastnadel mit dem Bewegungselement 10 läßt sich auch an anderer Stelle auf der Basisplatte befestigen. Wegen der nicht unbeacht­ lichen Temperaturdrift zwischen den Bewegungselementen 2, 2′, 2′′ und der Abtastnadel 6 bei einer Bearbeitung oder Analyse der Objektoberfläche mittels RTM ist jedoch die Anordnung von Bewegungselementen und Abtastnadel auf der gleichen Basisplatte von großem Vorteil.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Auflagen 3′, 3′′ starr mit den zugehörigen Bewegungselementen 2′, 2′′ verbunden. Die Auflage 3 des Bewegungselementes 2 ist dagegen beweglich angeordnet. Wie in Fig. 1a gezeigt ist, ist die Auflage 3 in einer Buchse 7 inner­ halb des Bewegungselementes 2, dessen piezoelektrisches Material 8 als Rohr ausgebildet ist, axial verlaufend eingesetzt. Im Ausführungsbeispiel ist die Buchse 7 in das piezoelektrische Material 8 eingebettet. Durch Anlegen von elektrischen Spannungsverläufen an das piezoelektrische Material über elektrische Leiter 9, läßt sich die Buchse durch Verformen des Materials gegenüber die Auflage verschieben. Dabei unterstützen Rammeffekte die Bewegung, insbesondere läßt sich die Auflage durch Stöße gegen Objekt oder Objekthalter versetzen. Die elektrischen Leiter 9 werden von einem Generator gespeist, der zur Erzeugung der gewünschten Steuerspannungen für die erforderlichen Verformungen des piezoelektrischen Materials dient. Der vorgenannte Generator ist in der Zeichnung nicht dargestellt.

Die Buchse 7 und die Auflage 3 sind so dimensioniert, daß zwischen ihren aneinandergrenzenden Oberflächen Reibkräfte herrschen, die die Auflage 3 bei aufgelegtem Objekt bzw. Objekthalter 1 in der Buchse 7 unverschieb­ lich festhalten. Zum Verschieben der Auflage 3 werden am piezoelektrischen Material 8 solche Steuerspannungs­ impulse angelegt, daß sich das piezoelektrische Material spontan axial streckt oder verkürzt und dabei die Haft­ reibungskräfte zwischen Buchse 7 und Auflage 3 überwin­ det, so daß sich die Auflage infolge ihrer Massenträg­ heit innerhalb des Bewegungselementes relativ zur Buchse verschiebt. Es lassen sich auf diese Weise sowohl Auf­ wärts- wie Abwärtsbewegungen der Auflage im Bewegungs­ element durchführen.

Bei einer Bewegung der Auflage 3 innerhalb des Bewegungs­ elementes 2 verändert sich die Lage des Objekts 1 rela­ tiv zur Abtastnadel 6. Im Ausführungsbeispiel wird das Objekt 1 um eine Achse 11 gekippt, Fig. 1, deren Lage von den ortsunverändert bleibenden Auflagen 3′, 3′′ der Bewegungselemente 2′, 2′′ vorgegeben ist. Mit dem Kippen des Objekts 1 um die Achse 11 wird eine Bewegung zwischen Abtastnadel und zu bearbeitender oder zu analysierender Objektoberfläche auch im Makrobereich erzeugt.

Soll statt der Kippbewegung eine parallele Bewegung des Objekts erreicht werden, ist es selbstverständlich möglich, alle Bewegungselemente 2, 2′, 2′′ mit einer beweglichen Auflage 3 auszurüsten. Das Objekt oder der Objekthalter lassen sich dann durch Anlegen entsprechen­ der Steuerspannungsimpulse gleichmäßig bewegen.

Für die Mikrobewegung des Objekts sind die Bewegungs­ elemente 2, 2′, 2′′ im Ausführungsbeispiel sämtlich hohlzylindrisch ausgebildet, wie dies in Fig. 1a für das Bewegungselement 2, im Längsschnitt gezeigt ist. In Fig. 1b ist ein querschnitt des Bewegungselementes gemäß Schnittlinie b/b nach Fig. 1a senkrecht zur Zylinderachse 4 wiedergegeben. Aus den Figuren ist ersichtlich, daß das piezoelektrische Material 8 auf seiner Innenseite mit einer Innenelektrode 12, auf seiner äußeren Seite mit Streifenelektroden 13, 13′, 13′′ bedeckt ist, die in Richtung der Zylinderachse 4 verlaufen. Werden an den Elektroden Spannungsverläufe angelegt, so lassen sich die Bewegungselemente in ihrer Länge verändern oder biegen. Gemäß der Erfindung bedarf es also nur der Regelung dieser Spannungsverläufe, um Objekt oder Objekthalter in jede Richtung zu bewegen, wobei Makrobewegungen durch schrittweise Addition von Mikrobewegungen auch senkrecht zur Bearbeitungs- oder Analyse-Ebene des Objekts erreicht werden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1a sind die für die senkrechte Bewegung des Objekts erforderlichen Elemente, nämlich bewegliche Auflage 3 und im piezoelektrischen Ma­ terial 8 eingebettete Buchse 7, im Bewegungselement integriert. Diese Elemente können jedoch auch seperat angeordnet und mit dem Bewegungselement verbunden sein.

In Fig. 2 ist ein Mikromanipulator wiedergegeben, bei dem eines der Bewegungselemente 2 a, 2 a′, 2 a′′, im Aus­ führungsbeispiel das Bewegungselement 2 a auf einem relativ zur Basisplatte 5 a beweglichen Teilstück 14 angeordnet ist. Bei Bewegung des Teilstückes 14, im Ausführusngsbeispiel ist eine Bewegung des Teilstücks senkrecht zur Oberfläche der Basisplatte 5 a vorgesehen, wird der Objekthalter 1 a des Mikromanipulators nach Fig. 2 - analog zum Objekt 1 nach Fig. 1 - um eine durch die Stützpunkte der Bewegungselemente 2 a′, 2 a′′ am Objekthalter 1 a verlaufende Achse 11 a gekippt.

Zur Mikrobewegung des Objekts sind die Bewegungsele­ mente 2 a, 2 a′, 2 a′′ in gleicher Weise wie Bewegungs­ elemente 2, 2′, 2′′ nach Fig. 1, 1a und 1b ausgebil­ det.

Einen Mikromanipulator, dessen Bewegungselemente 2 b, 2 b′, 2 b′′ eine schiefe Stützebene 21 abstützen, zeigt

Fig. 4. Die Stützebene 21 ist Teil des Objekthalters 1 b, mit dem das zu bearbeitende oder zu untersuchende Objekt 1 b′ fest verbunden ist. Auch der in Fig. 4 wiedergegebene Mikromanipulator dient zur Bewegung eines Objekthalters eines RTM′s, dessen Abtastnadel 6 b mit ihrem Bewegungselement 10 b gemeinsam mit den Bewe­ gungselementen 2 b, 2 b′, 2 b′′ auf ein und derselben Basisplatte 5 b angeordnet ist.

Die im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ebenfalls zylin­ drisch ausgebildeten Bewegungselemente 2 b, 2 b′, 2 b′′ stehen auf der Basisplatte 5 b senkrecht, ihre Zylinder­ achsen 4 b sind parallel zur Stützrichtung 22 der Be­ wegungselemente angeordnet. Stützrichtung 22 und Nor­ male 23 der Stützebene 21 verlaufen winklig zueinander. Der zwischen der Stützrichtung 22 und der Normalen 23 gebildete Winkel α ist so gewählt, daß auch bei Bewe­ gung des Objektträgers 1 b mittels der piezo-elektrisch erregbaren Bewegungselemente eine ausreichende Haftung zwischen den Auflagen 3 b, 3 b′, 3 b′′ der Bewegungsele­ mente und der Oberfläche der schiefen Stützebene ge­ geben ist. Der Objektträger 1 b darf auf den Bewegungs­ elementen nicht rutschen. Darüber hinaus ist für die Wahl des Winkels die Leistungsfähigkeit der piezoelek­ trischen Bewegungselemente zur Bewegung des Objektträ­ gers zu berücksichtigen. Mit steigender Leistungsfähig­ keit läßt sich der Winkel vergrößern.

Bei Bewegung der Bewegungselemente läßt sich die schiefe Stützebene verschieben und damit der Abstand zwischen Objektoberfläche und Nadelspitze der Abtastnadel ver­ ändern. Der Abstand zwischen Nadelspitze und Objektober­ fläche bleibt konstant, wenn die schiefe Ebene parallel zu einer waagerechten Kante verschoben wird, in Fig. 4 ist eine solche Verschiebung bei einer Verschiebung des Objektträgers in Richtung der Pfeile 24 gegeben.

Fig. 5 zeigt einen Objekthalter 1 c mit schraubenförmig verlaufender Stützebene 25. Bei rotierender Bewegung der Stützebene 25 mittels in Fig. 5 nicht dargestellter Bewegungselemente wird das im Objekthalter 1 c zentral angeordnete Objekt 1 c′ in Richtung der Schraubenachse 26 bewegt.

Einen mit einer ebenfalls schraubenförmigen Stützebene ausgerüsteten Mikromanipulator zeigt Fig. 6. Der Ob­ jekthalter 1 d dieses Mikromanipulators weist eine Stütz­ ebene 27 auf, die aus mehreren, im Ausführungsbeispiel aus drei schraubenförmig verlaufenden Abschnitten 28, 28′, 28′′ besteht. Jeder der Abschnitte ist im Ausfüh­ rungsbeispiel gleichartig ausgebildet, insbesondere weisen die Schraubenflächen jeweils eine gleiche Stei­ gung auf, im Ausführungsbeispiel eine Steigung von 0,3 mm pro Abschnitt. Die Abschnitte 28, 28′, 28′′ werden jeweils von einem der Bewegungselemente 2 d, 2 d′, 2 d′′ abgestützt. Im Ausführungsbeispiel ist der Objekthalter 1 d ortsfest angeordnet und der Mikromanipulator auf der Stützebene frei beweglich. Der Mikromanipulator bewegt sich in Richtung einer Zentralachse 29, wenn die Bewe­ gungselemente den Mikromanipulator über die Stützebene um die Zentralachse drehen. Im Objekthalter 1 d ist das zu bearbeitende oder analysierende Objekt 1 d′ zentral angeordnet. Die Objektoberfläche verläuft parallel zur Basisplatte 5 d des Mikromanipulators, auf der in gleicher Weise wie in allen vorangegangenen Ausführungsbeispielen eine Abtastnadel 6 d eines RTM′s mit ihrem Bewegungsele­ ment 10 d und den Bewegungselementen 2 d, 2 d′, 2 d′′ be­ festigt ist. Bei Rotation des Mikromanipulators durch die Bewegungselemente wird der Abstand zwischen Objekt­ oberfläche und Nadelspitze der Abtastnadel 6 d verringert oder vergrößert.

Eine weitere Verbesserung für die Einstellung des Ab­ standes zwischen zu bearbeitender oder zu analysieren­ der Objektoberfläche wird dadurch erreicht, daß auch die Nadelspitze mit der Abtastnadel piezoelektrisch beweglich ist.

Claims (7)

1. Mikromanipulator zur Bewegung eines Objekts relativ zu einer Bearbeitungs- oder Analyseposition zum Bearbeiten oder Analysieren von zumindest einem Teil der Objektoberfläche, mit mehreren das Objekt oder einen Objekthalter stützenden, zur Ausführung von Mikrobewegungen piezo-elektrisch verstellbaren Bewegungselementen, die je eine Auflage für das Objekt oder den Objekthalter aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt auf zumindest einem der Bewegungs­ elemente derart gelagert ist, daß neben den Mikro­ bewegungen relativ zur Bearbeitungs- oder Analyse­ position auch Makrobewegungen ausführbar sind.

2. Mikromanipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Auflage (3) eines Bewegungselementes (2) Makrobewegungen ausführbar sind.

3. Mikromanipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (3) vom Bewegungselement (2) geführt und am Bewegungselement (2) bewegbar angeordnet ist.

4. Mikromanipulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (3) in einer am Bewegungselement (2) befestigten Buchse (7) so gelagert ist, daß Reibkräfte zwischen einander angrenzenden Ober­ flächen von Auflage (3) und Buchse (7) eine Bewe­ gung verhindern und zur Stütze des Objekts oder des Objekthalters (1) ausreichend sind, und daß durch Anlegen von Spannungsfunktionen an das piezo­ elektrische Bewegungselement (2) ein Gleiten der Auflage (3) in der Buchse (7) erreichbar ist.

5. Mikromanipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungselemente (2 b, 2 b′, 2 b′′) das Objekt oder den Objekthalter (1 b) über eine Stütz­ ebene (21) abstützen, deren Normale einen Winkel zur Stützrichtung (22) der Bewegungselemente (2 b, 2 b′, 2 b′′) aufweist.

6. Mikromanipulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schiefe Stützebene (27) schraubenförmig verläuft und von den Bewegungselementen in axialer Richtung abgestützt wird.

7. Mikromanipulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die schraubenförmig verlaufende Stützebene (27) in mehrere gleichartig gestaltete Abschnitte (28, 28′, 28′′) aufgeteilt ist, wobei jeder der Abschnitte (28, 28′, 28′′) jeweils von zumindest einem der Bewegungselemente (2 a, 2 a′, 2 a′′) abge­ stützt wird.