DE102005021476A1

DE102005021476A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der relativen Auftreffpositionen sowie physikalischer Größen von Mikropartikeln

Info

Publication number: DE102005021476A1
Application number: DE102005021476A
Authority: DE
Inventors: Eckhardt Dr. Nordhoff; Martin Müller
Original assignee: Luigs & Neumann Feinmechanik U; Luigs & Neumann Feinmechanik und Elektrotechnik GmbH
Current assignee: Luigs & Neumann Feinmechanik U; Luigs & Neumann Feinmechanik und Elektrotechnik GmbH
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2006-07-06

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung und optional zur automatischen Korrektur der relativen Auftreffpositionen sowie physikalischer Größen von von einer Abgabeeinrichtung abgegebener Mikropartikel, bei dem die Mikropartikel auf die Abgabefrequenz abgestimmt in zwei sich schneidenden Blickrichtungen im Raum und einer gemeinsamen Raumrichtung jeweils zweidimensional optisch beobachtet und aus den beiden zweidimensionalen Bildern in den beiden Blickrichtungen die relative Auftreffposition und die physikalischen Größen erfasst werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung und optional zur automatischen Korrektur der relativen Auftreffpositionen sowie physikalischer Größen von Mikropartikeln.

Insbesondere in der medizinischen und biologischen Forschung ist es notwendig, kleinste Mengen von Mikropartikeln, beispielsweise gelösten Stoffen an bestimmte Stellen von Substrat-Trägern oder an bereits auf diesen vorhandene Substrate abzugeben. Im Falle von gelösten Stoffen liegt die Größe der Tropfen hierbei im Nanoliterbereich.

Als Substrat-Träger finden hierbei – je nach durch die Versuche vorgegebene Anforderungen – flache Träger wie Glasplatten oder Gefäße, die bestimmte voneinander getrennte Volumina zur Flüssigkeitsaufnahme aufweisen, Verwendung.

Neben der möglichst exakten Einhaltung der gewünschten Auftreffposition der Mikropartikel ist es wünschenswert, Kenntnisse über physikalische Größen derselben, wie Volumen und Geschwindigkeit, zu erfassen, damit die Mikropartikel in der gewünschten Weise mit den Substraten in Wechselwirkung gebracht werden können.

Es ist bekannt, in Tropfenform abzugebende Stoffe in Volumina zu bringen, die mit einer Abgabekapillare verbunden sind. Die Abgabe der Tropfen erfolgt mittels eines Piezoaktuators, der in der Frequenz, mit der die Tropfen abgegeben werden sollen, die Kapillare an einer vorbestimmten Stelle einschnürt. Der Grad der Einschnürung beeinflusst dabei das Volumen des abgegebenen Tropfens in der Weise, dass eine größere Einschnürung zu einem größeren Tropfenvolumen führt. Die Geschwindigkeit, mit der die Kapillare eingeschnürt wird, beeinflusst die Fluggeschwindigkeit eines abgegebenen Tropfens in der Weise, dass eine Vergrößerung der Einschnürgeschwindigkeit auch zu einer Erhöhung der Tropfengeschwindigkeit führt.

Bei den bekannten Abgabevorrichtungen werden die Substrat-Träger in einem bestimmten Raster angeordnet. Die Abgabeeinrichtung wird synchronisiert mit der Abgabefrequenz entsprechend des Rasters derart mit der Abgabefrequenz der Tropfen synchronisiert über die Substrat-Träger bewegt, dass jeder abgegebene Tropfen möglichst exakt an der vorbestimmten Stelle auf den Substrat-Träger auftrifft.

Dabei ist es möglich, die Abgabefrequenz der Tropfen so an die Bewegungsgeschwindigkeit der Abgabeeinrichtung anzupassen, dass an die vorbestimmte Stelle auf dem Substrat eine Mehrzahl von Tropfen abgegeben wird. Hierzu kann die Bewegung der Abgabeeinrichtung schrittweise erfolgen, oder mit konstanter Geschwindigkeit, wenn nur ein einziger Tropfen pro Stelle auf dem Substratträger abgegeben werden soll oder eine Ausdehnung der Auftreffstelle in Verlagerungsrichtung akzeptiert wird.

In der Praxis hat sich gezeigt, dass mit derartigen Abgabevorrichtungen die Mikropartikel nicht immer an den Stellen auf dem Substrat-Träger auftreffen, an denen man diese aufgrund der Position der Abgabeeinrichtung erwartet hätte. Gründe hierfür sind u.a. Fertigungstoleranzen bei den Abgabeeinrichtungen sowie – im Falle von Tropfen – Viskositätsunterschiede der abgegebenen Flüssigkeiten, die die Flugbahn der Tropfen beeinflussen.

Es ist daher erforderlich, die Abgabevorrichtungen hinsichtlich der Abweichung der erwarteten von der tatsächlichen Auftreffposition der Mikropartikel zu kalibrieren.

Aus der DE 100 00 608 C2 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der die Mikropartikel in einer Referenzstation auf einer aufgespannten Sensorfolie akustisch detektiert werden, indem der auftreffende Mikropartikel auf der Sensorfolie eine akustische Welle anregt, die mit mindestens einem Schallwandler erfasst wird. Die Lokalisierung des Auftreffpunktes des Mikropartikels wird aus den Unterschieden in den Laufzeiten ermittelt, die eine durch den Mikropartikel auf der aufgespannten Sensorfolie angeregte akustische Welle von der Auftreffposition entlang von mindestens drei verschiedenen vorbestimmten Laufstrecken zu mindestens einem Schwingungssensor benötigt.

Zwar ist es mit dieser Vorrichtung möglich, eine Kalibrierung einer Abgabevorrichtung durch Vergleich der ermittelten von der erwarteten Auftreffposition des Mikropartikels vorzunehmen, eine Bestimmung weiterer physikalischer Größen des Mikropartikels wie Volumen, Form oder Geschwindigkeit ist jedoch nicht möglich. Insbesondere dann, wenn es sich bei den Mikropartikeln um Tropfen handelt, können jedoch das Volumen und Form der Tropfen von erheblicher Bedeutung sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der relativen Auftreffpositionen sowie physikalischer Größen von Mikropartikeln zu schaffen, um das Abgabeergebnis von Tropfen auf einem Substrat-Träger bei einer Abgabevorrichtung der beschriebenen Art zu verbessern. Sie betrifft auch eine Abgabevorrichtung zur Abgabe von Mikropartikeln an einen Substratträger, bei der das Verfahren bzw. die Vorrichtung zum Einsatz kommen.

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 wiedergegebene Verfahren sowie die in Anspruch 7 und 14 wiedergegebenen Vorrichtungen gelöst.

Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Mikropartikel auf die Fluggeschwindigkeit abgestimmt in zwei sich schneidenden Blickrichtungen im Raum und einer gemeinsamen Raumrichtung jeweils zweidimensional optisch beobachtet werden, können aus den beiden zweidimensionalen Bildern in den beiden Blickrichtungen die relative Auftreffposition und die physikalischen Größen erfasst werden. Es kann von den Mikropartikeln ein stehendes oder – durch Variation der Beobachtungsfrequenz – ein die Flugbahn der Mikropartikel zeigender Bildablauf erzeugt werden. Aus dem Bild des stehenden Mikropartikels oder aus dem die Flugbahn des Mikropartikels zeigenden Bildverlaufs kann die tatsächliche Auftreffposition des Mikropartikels erfasst und mit der erwarteten verglichen werden. Ferner können aus den beiden zweidimensionalen Bildern physikalische Größen wie Volumen und Form des Mikropartikels berechnet werden. Ferner ist es möglich, die physikalischen Größen mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung mit gespeicherten Sollwerten zu vergleichen und – im Falle einer Abgabeeinrichtung für Tropfen – die Ansteuerparamenter wie Spannung, Pulsform und Frequenz automatisch so anzupassen, dass die Differenz von Ist- zu Sollwerten minimiert wird.

Zur Beobachtung der Mikropartikel abgestimmt auf die Abgabefrequenz und Fluggeschwindigkeit können die Kamera-Belichtungsfrequenzen entsprechend synchronisiert werden. Bevorzugt ist es jedoch, die Mikropartikel während des Fluges synchronisiert stroboskopisch zu beleuchten. Durch Anpassung der Stroboskopfrequenz ist es möglich, von den fliegenden Tropfen ein stehendes Bild an einer beliebigen Stelle der Flugbahn zu erzeugen. Durch Veränderung der Stroboskopfrequenz ist es ebenfalls möglich, die Flugbahn durch eine Bildfolge zu visualisieren.

Durch Vergleich der optisch erfassten Auftreffposition mit der aufgrund der Stellung der Abgabeeinrichtung erwarteten in einer Referenzposition der Abgabeeinrichtung kann diejenige tatsächliche Abgabeposition errechnet werden, in die die Abgabeeinrichtung gebracht werden muss, damit ein abgegebener Mikropartikel an einer gewünschten Stelle auftrifft. Das erfindungsgemäße Verfahren findet daher insbesondere in Abgabevorrichtungen Anwendung, mittels welcher Mikropartikel – insbesondere Tropfen – an eine bestimmte Stelle eines Substratträgers aufgebracht werden sollen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der relativen Auftreffpostionen sowie physikalischer Größen von Mikropartikeln umfasst eine Abgabeeinrichtung zur Abgabe von Mikropartikeln, eine Kameraeinrichtung mit zwei Flächenkameras, die so angeordnet sind, dass sich Ihre optischen Achsen schneiden, Mittel zur Beobachtung der Mikropartikel in einer an deren Fluggeschwindigkeit angepassten Frequenz sowie eine Datenverarbeitungseinrichtung, die aus der in der jeweiligen Kameraebene erfassten Position des Mikropartikels dessen Position im Raum errechnet.

Durch diese Maßnahme können die Flugbahn des Mikropartikels und dessen Auftreffposition in Abhängigkeit von der Position der Abgabeeinrichtung sowie das Volumen und die Form des Mikropartikels erfasst werden. Die Auftreffposition weicht von einer theoretisch erwarteten beispielsweise durch Fertigungstoleranzen und – bei Abgabe von Tropfen – durch Viskositätsschwankungen der Flüssigkeiten ab.

Die Kameras und Beleuchtungsquellen können in einem weiten Winkelbereich zueinander angeordnet sein. Eine bei vielen Anwendungsfällen bereits ausreichende Genauigkeit bei der Erfassung der gewünschten Parameter kann bereits erzielt werden, wenn die optischen Achsen der Kameras einen Winkel von 30° zueinander aufweisen. Eine derartige Kameraanordnung zeichnet sich durch einen Besonders geringen Platzbedarf aus.

Als Beleuchtungsquellen können LED's Verwendung finden, die dann vorzugsweise den Kameras gegenüber in Verlängerung deren optischen Achsen angeordnet sind. Es ist jedoch ebenfalls möglich, nur eine Beleuchtungsquelle vorzusehen, wenn diese einen zur Erfassung des abgestrahlten Lichts von den Kameras ausreichenden Abstrahlwinkel aufweist und deren Abstand zum Partikel und zu den Kameras nicht zu groß für eine ausreichende Lichtstärke in den Kameraebenen ist.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Flächenkameras derart angeordnet sind, dass ihre optischen Achsen – im Rahmen der Fertigungstoleranzen – einen Winkel von 90° zueinander bilden. Die optischen Achsen der Flächenkameras definieren dann die Koordinaten eines rechtwinkligen Kamerakoordinatensystems X', Y', Z. Durch diese Maßnahme vereinfacht sich der zur dreidimensionalen Ortsbestimmung der Mikropartikel erforderliche, von der Datenverarbeitungseinrichtung zu bewerkstelligende Rechenaufwand und die Messgenauigkeit ist maximal.

Die Orientierung der Koordinaten X', Y' kann mit der Orientierung der Koordinaten X, Y eines rechtwinkligen Koordinatensystems, in der die relative Auftreffposition ermittelt wird (Achsensystem), übereinstimmen. Besonders bevorzugt ist es jedoch, die Koordinaten X', Y' des Kamerakoordinatensystems gegenüber den Koordinaten X, Y des Achsensystems um die gemeinsame Z-Koordinate zu drehen, da es hierdurch möglich ist, eine lineare Anordnung von mehreren Dispensierkapillaren in X-Richtung ohne Kollision durch den Kreuzungspunkt der optischen Achsen der beiden Kameras und den zugehörigen Beleuchtungsquellen zu bewegen. Sind die Orientierungen von X' und Y' identisch mit den Orientierungen von X und Y oder nur geringfügig gegeneinander verdreht gewählt, so ist ein Hindurchbewegen von einer linearen Anordnung mehrerer Dispensierkapillaren ohne Kollision nicht möglich und die Vorrichtung auf die Verwendung nur einer Dispensierkapillare beschränkt.

Versuche haben gezeigt, dass eine Verdrehung der beiden Koordinatensysteme um die Z-Koordinate um etwa 10° ausreichen können, wenn die lineare Anordnung von Dispensierkapillaren lediglich eine geringe Anzahl von Kapillaren und sehr schmal bauende Komponenten enthält oder große Abstände von diesen zum Ursprung von X' und Y' eingehalten werden.

Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die Koordinatensysteme um die Z-Koordinate zumindest um 20° besser noch um zumindest 30° und optimal um 45° gegeneinander verdreht sind. Es versteht sich, dass eine Verdrehung um Winkelwerte < 45° keine weiteren Vorteile bringen würden, da der Winkelabstand der Achsen X', Y' und X, Y sich wieder verringert.

Der Beobachtungsort der Partikel befindet sich vorzugsweise möglichst nahe am Kreuzungspunkt der optischen Achsen der beiden Kameras. Der Abstand der Kameras bzw. deren Optiken zum Partikel wird vorzugsweise so gewählt, dass die mit den Kameras aufgenommenen Bilder scharf sind. Je nach der gewünschten Messgenauigkeit lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren jedoch ebenfalls anwenden, wenn die Partikel sich nicht im Fokus beider Kameras befinden und die aufgenommenen Bilder unscharf sind. Wird der Partikel auf der optischen Achse der einen Kamera verlagert, so ändert sich die Schärfe des mit dieser aufgenommenen Bildes. Die Schärfe des mit der anderen Kamera aufgenommenen Bildes ändert sich aufgrund dieser Verlagerung nicht, jedoch wird der Partikel aus Sicht dieser Kamera seitlich verlagert.

Durch abwechselnden Einsatz der beiden Kameras und abwechselnde Verschiebung eines anstatt der Partikel eingesetzten Objekts um vorgegebene Beträge in Richtung der beiden Achsen der Kameras – nachfolgend auch alternierender Betrieb genannt – kann eine Kalibrierung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgenommen werden. Hierzu wird der seitliche von der einen Kamera erfasste Versatz in Anzahl von Bildpunkten dieser Kamera mit der Länge der tatsächlichen Verlagerung in Korrelation gebracht. Mit der so ermittelten Kalibrierkonstante können die von einem Partikel erfassten Daten korrigiert und Absolutwerte der Größenverhältnisse bestimmt werden.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Art der Kalibrierung ist, dass sie schnell und vollautomatisch durchgeführt werden kann. So ist es beispielsweise möglich, nach vorgegebenen Zeitintervallen die Kalibrierung zu wiederholen, um systematische Messfehler auszuschließen, die beispielsweise durch Verlagerung der Kameras zueinander aufgrund thermischer Ausdehnungen bei Temperaturschwankungen auftreten können.

Ferner ist es möglich, die Kalibrierung während des eigentlichen Messvorgangs am Partikel vorzunehmen. Hierzu wird die Abgabeeinrichtung in der oben beschriebenen Weise verlagert und die sich aufgrund der Verlagerung von den Kameras erfassten Positionsänderungen des Partikels in Relation zu den Größen der Verlagerung gesetzt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können einerseits Partikel vermessen werden, die so klein sind, dass sie gleichzeitig von beiden Kameras mit ausreichender Bildschärfe erfasst werden. Beide Kameras können dann unter der Voraussetzung, dass sich der Partikel zum Zeitpunkt der Erfassung in dem von beiden Kameras scharf abgebildeten Raum befindet, gleichzeitig betrieben werden.

Andererseits ist es jedoch ebenfalls möglich, das erfindungsgemäße Verfahren bei Partikeln einzusetzen, die so groß sind, dass sie nicht von beiden Kameras gleichzeitig mit der erforderlichen Bildschärfe abgebildet werden können oder sich ganz oder teilweise außerhalb des scharf abbildbaren Raumbereichs befinden. Ein alternierender Betrieb der beiden Kameras in der oben zur Kalibrierung beschriebenen Weise ist hierzu erforderlich. Dabei wird die jeweilige Kamera bei der Messung in eine Position relativ zu dem Partikel gebracht, die eine ausreichend scharfe Abbildung mit der jeweiligen Kamera ermöglicht.

Zur Anpassung der Beobachtungsfrequenz an die Fluggeschwindigkeit der Mikropartikel können die Mikropartikel kontinuierlich beleuchtet und die Belichtungsfrequenz der Flächenkameras an die Fluggeschwindigkeit angepasst werden. Bevorzugt ist es jedoch, wenn die Beleuchtung an die Fluggeschwindigkeit angepasst stroboskopisch erfolgt.

Die hierzu erforderlichen Stroboskopeinrichtungen umfassen vorzugsweise zwei Stroboskopbeleuchtungen, von denen jeweils eine in Verlängerung der optischen Achse einer der Kameras angeordnet ist.

Die Stroboskopbeleuchtungen können stroboskopische arbeitende LED's umfassen.

Ferner sind vorzugsweise Mittel vorgesehen, mit denen die Stroboskopfrequenz variierbar ist. Es ist dann nicht nur möglich, ein stehendes Bild der Mikropartikel an einer Stelle Ihrer Flugbahn zu erzeugen, sondern die Flugbahn kann in einer Art Zeitlupendarstellung visualisiert werden.

Handelt es sich bei den Mikropartikeln um Tropfen, so umfasst die Abgabeeinrichtung vorzugsweise eine ein Abgabeende bildende Kapillare und einen Piezoaktuator. Der Piezoaktuator kann einen Ring umfassen, der die Kapillare an einer vorbestimmten Stelle einschnürt, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Wie bereits eingangs erwähnt, kann über die Frequenz der angelegten elektrischen Spannung die Tropfen-Abgabefrequenz, über die Pulsbreite der elektrischen Spannung das Tropfenvolumen und über die Form der Kurve der elektrischen Spannung die Abgabegeschwindigkeit des Tropfens beeinflusst werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung finden insbesondere Anwendung bei Abgabevorrichtungen zur Abgabe von Mikropartikeln an einen Substratträger. Die Abgabevorrichtung umfasst eine Verlagerungseinrichtung, mit der die Abgabeeinrichtung in mindestens zwei Dimensionen relativ zum Substratträger parallel zur Substratträgerebene verlagerbar ist. Ferner umfasst die Abgabevorrichtung eine Referenzstation, in der die relative Auftreffposition und physikalische Größen der Mikropartikel erfassbar sind, wobei die Referenzstation eine oben beschriebene Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst.

Die Verlagerungseinrichtung zur Positionierung der Abgabeeinrichtung relativ zum Substrat-Träger umfasst vorzugsweise eine eine Raumrichtung definierende Schienenanordnung, in deren Längsrichtung die Abgabeeinrichtung verlagerbar angeordnet ist.

Die Schienenanordnung kann dann an einer senkrecht verlaufenden Trägeranordnung und in Längsrichtung derselben verlagerbar angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist es weiterhin, die Abgabeeinrichtung mittels eines senkrecht zu der von der Schienen- und der Trägeranordnung aufgespannten Ebene verlagerbaren Haltereinrichtung zu montieren. Die durch das Ende einer Kapillare gebildete Abgabestelle kann dann exakt an die aufgrund der Referenzmessung ermittelte Abgabeposition gebracht werden.

Ferner ist es besonders bevorzugt, wenn an der Haltereinrichtung für die Abgabeeinrichtung eine Kamera angebracht ist. Diese dient der Abgabekontrolle der Tropfen an die Substrat-Träger. Sollte mit dieser Kamera eine Nichtabgabe eines Tropfens festgestellt werden, so kann aufgrund eines dann erzeugten, elektrischen Signals der Abgabeversuch wiederholt oder die Nichtabgabe des Tropfens an der entsprechenden Stelle in einem Protokoll vermerkt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sollen nun anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen beschrieben werden. Es zeigen:
1a eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Aufsicht;
1b die Prinzipskizze gemäß 1a in einer Ansicht A in 1a;
2 ein Flussdiagramm, das Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens und Varianten zeigt;
3 eine Frontansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgabevorrichtung;
4 dieselbe Abgabevorrichtung in einer Ansicht von oben, wobei sich die Abgabeeinrichtung in Referenzposition befindet sowie
5 dieselbe Ansicht wie in 3, jedoch mit der Abgabeeinrichtung in einer Parkposition.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst – wie in 1 ersichtlich ist – eine Abgabeöffnung 10 zur Abgabe von Mikropartikeln, im dargestellten Ausführungsbeispiel Tropfen. Ferner sind zwei in einem Winkel von 90° angeordnete Kameras 4, 5, denen jeweils eine stroboskopisch angesteuerte LED 6, 7 gegenüber steht, vorgesehen. Die LED's beleuchten die Tropfen synchronisiert mit deren Fluggeschwindigkeit, so dass sie mittels der Kameras 4, 5 auf ihrer Flugbahn visualisiert werden. Die optischen Achsen X' und Y' der Kameras 4, 5 schneiden sich im Referenzpunkt R. Sie bilden ein rechtwinkliges Koordinatensystem.
Ein von der Abgabeeinrichtung abgegebener Tropfen T wird von der Kamera 4 an der Stelle S4, von der Kamera 5 an der Stelle S5 visualisiert. Die wahre Position Pw des Tropfens in der X-Y-Ebene eines rechtwinkligen Koordinatensystems mit den Koordinaten X, Y, Z wird mittels einer in der Zeichnung nicht dargestellten Datenverarbeitungseinrichtung errechnet.
Die Position des Tropfens in der auf der X-Y-Ebene senkrechten Z-Achse sowie der Abgabeöffnung 10 wird von den Kameras 4, 5 direkt erfasst, wie in 1b dargestellt ist.
Die Achsen X', Y' des Koordinatensystems der Kameras und LED's sind – im Rahmen der Fertigungstoleranzen – gegenüber den Achsen X, Y des Koordinatensystems X, Y, Z in Ansicht von oben um 45° im Uhrzeigersinn gedreht. Hierdurch ist es möglich, eine lineare Anordnung von mehreren Dispensierkapillaren in X-Richtung ohne Kollision durch den Kreuzungspunkt der optischen Achsen der beiden Kameras und den zugehörigen vorzugsweise als LED's ausgebildeten Beleuchtungsquellen zu bewegen. Wäre die Orientierungen von X' und Y' identisch mit den Orientierungen von X und Y, oder nur geringfügig gegeneinander verdreht, so wäre ein Hindurchbewegen von einer linearen Anordnung mehrerer Dispensierkapillaren ohne Kollision nicht möglich und das Verfahren auf die Verwendung nur einer Dispensierkapillare beschränkt.
Aus den für den Tropfen T erfassten X-Y-Z-Werten wird die Abweichung vom Referenzpunkt mittels der Datenverarbeitungsanlage erfasst.
Die ermittelte Abweichung – auch „Offset" genannt – kann verwendet werden, um bei einer Abgabevorrichtung 100, wie sie in den 3 bis 5 schematisch dargestellt ist, die zum Erzielen einer bestimmten Auftreffposition des Tropfens auf einen Substratträger die Abgabeöffnung in der hierzu erforderlichen Abgabeposition zu positionieren. Hierzu ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Referenzstation 3 integriert, in die die Abgabeöffnung 10 vor Beginn der Abgabe von Tropfen T an einen Substrat-Träger 2 gefahren wird, wie in 3 dargestellt ist.
Die Abgabeeinrichtung 1 umfasst eine Mehrzahl von an Volumina zur Aufnahme von Flüssigkeiten 8 angeschlossene Kapillaren 9, deren in 3 unten dargestellte Enden jeweils eine Abgabeöffnung 10 bilden.
Jede der Kapillaren 9 ist in einem kleinen Längenbereich 11 von einem Piezoaktuator 12 umgeben, der beim Anlegen einer Spannung die Kapillaren 9 im Längenbereich 11 einschnürt und damit eine Tropfenabgabe aus der Abgabeöffnung 10 der Kapillaren 9 bewirkt.
Die Abgabeöffnungen 10 der Kapillaren 9 werden zum Zwecke der Referenzmessung so positioniert, dass die abgegebenen Tropfen in das zwischen den Kameras 4, 5 und den LED's 6, 7 definierten Messraum 13 gelangt, dessen Boden eine Auftreffplatte 18 bildet. Die Bildfrequenz wird hierbei an die Fluggeschwindigkeit des Tropfens angepasst und stroboskopisch derart beleuchtet, dass sich entweder ein stehendes Bild, oder – durch Änderung der Stroboskop-Frequenz von der Abgabefrequenz – sich eine die Flugbahn des Tropfens beschreibende Bildfolge ergibt. Anhand des stehenden Bildes kann mittels eines Algorithmus, der objektspezifische Merkmale erkennt, die exakte Lage des Tropfens und dessen Ausdehnung der jeweiligen Bildebene ermittelt werden. Dabei wird der Algorithmus separat, d.h. für jede Kamera einzeln angewendet. Aus den Objektkoordinaten einer jeden Kamera 4, 5 lässt sich dann die Lage des Objekts in allen drei Dimensionen und aus der Flächenausdehnung in der jeweiligen Kameraebene dessen Volumen bestimmen. Mittels der so gewonnenen Volumendaten kann die den Piezoaktuator 12 beschreibende elektrische Einrichtung kalibriert werden, derart, dass eine Serie von Tropfen eines bestimmen, gewünschten Volumens abgegeben wird.
Wird die Stroboskop-Frequenz derart gewählt, dass die Flugbahn der Tropfen in einem Abstand zur Abgabeöffnung ortsfest erscheint, so können Abweichungen des erfassten Ortes von einem erwarteten ermittelt und die Auftreffkoordinaten der Tropfen im Vergleich zu einer Referenzkoordinate ermittelt werden. Somit können Flugbahnunterschiede der tatsächlichen von einer theoretischen Flugbahn erfasst und verwendet werden, um die Abgabeeinrichtung in eine Abgabeposition zu bringen, in der die Tropfen an den gewünschten Stellen auf dem Substrat-Träger auftreffen.
Es lassen sich somit nahezu geometrisch perfekte Muster auf dem Zielsubstrat erzeugen.
Ferner kann in der Referenzstation 3 die Tropfen-Fluggeschwindigkeit bestimmt werden, in dem die LED-Belichtungsverzögerung (Zeitdifferenz zwischen Tropfen-Triggerung und LED-Belichtung) variiert wird.
Um die einzelnen Abgabeöffnungen 10 zunächst in den Messraum 13 der Referenzstation 3 und anschließend an die aufgrund der Referenzmessung errechnete Abgabeposition zu bringen, ist die Abgabeeinrichtung an einer Halteeinrichtung 14 derart montiert, dass sie in Richtung des Pfeils P in 3 verlagerbar ist. Zur Positionierung der Abgabeeinrichtung 1 in den beiden anderen Raumrichtungen ist die Halteeinrichtung 14 in Richtung des Pfeiles Q verlagerbar an einer Schienenanordnung 15 angebracht. Letztere wiederum ist in Richtung der Pfeile S verlagerbar an einer senkrecht zur Schienenanordnung 15 angeordneten Trägeranordnung 16 gelagert. Die Verlagerung in sämtliche Richtungen erfolgt mittels in der Zeichnung nicht dargestellter Antriebseinrichtungen bekannter Bauart.
Ferner ist an der Halteeinrichtung 14 eine Kamera 17 vorgesehen, die auf den Substrat-Träger fokussiert ist. Die Kamera 17 dient der Überprüfung, ob tatsächlich ein Tropfen an die gewünschte Stelle des Substrat-Trägers 2 abgegeben worden ist.
Die Kameras 4, 5 umfassen bei der in 3 bis 5 dargestellten Ausführungsform jeweils ein Objektiv und einen Umlenkspiegel 19, über den der jeweilige Strahlengang durch ein Gehäuse 21 dem Lichtempfindlichen Bereich 20 der Kamera zugeführt wird.
Der genaue Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens soll nun anhand von 2 im Einzelnen erläutert werden:
Zunächst wird die Düse, d.h. die Abgabeöffnung 10 im Focus der Kameras 4, 5 positioniert. Referenzpunkt ist dabei der Punkt, an dem der Mittlepunkt des Tropfens erwartet wird.
Anschließend wird durch Ansteuerung der Piezoaktuatoren die Abgabe der Tropfenserie ausgelöst. Die LED's 6, 7 werden abhängig von der Frequenz der Tropfenserie angesteuert. Wird die Stroboskop-Frequenz auf die Abgabefrequenz der Tropfen synchronisiert und wird somit ein stehendes Bild erzeugt, so kann aus den beiden mit den Kameras 4, 5 aufgenommenen, zweidimensionalen Bilder eine Volumenbestimmung der Tropfen einer Tropfenserie erfolgen.
Sogleich ist es möglich, die ermittelte tatsächliche Position der Tropfen mit der theoretisch erwarteten zu vergleichen und den durch Vergleich ermittelten Wert zur Kalibrierung der Vorrichtung in einer Weise zu verwenden, dass er als „off Set" von der theoretisch zur zielgenauen Abgabe erforderlichen Positionierung gewertet wird.
Die Tropfenerkennung mittels der beiden Kameras 4, 5 kann ferner zur frequenz- und pulsweiten Einstellung der den jeweiligen Piezoaktuator elektrisch ansteuernden Steuereinheit verwendet werden, um so die gewünschte Anzahl der Tropfen pro Zeiteinheit und das gewünschte Tropfenvolumen zu erhalten.
Darüber hinaus ist es möglich, durch Modulation der Stroboskop-Frequenz die Flugbahngeschwindigkeit eines Tropfens zu ermitteln.
Nachfolgend soll nun eine bevorzugte Variante des bei dem erfindungsgemäßen Verfahrens verwirklichten Messprinzips beschrieben werden.
Das zu beobachtende Objekt, beispielsweise die Kapillaren 9 und/oder die von den Kapillaren 9 freigesetzten Tropfen T werden – wie oben beschrieben – von zwei Seiten beleuchtet. Auf der jeweils gegenüberliegenden befindet sich eine der CCD-Kameras 4, 5, mit der Bilder aufgenommen werden.
Die Bilder werden digitalisiert und es wird mittels der oben beschriebenen Kalibrierung das Verhältnis von Bildpunktgröße der Kameras zur Länge am Ort des zu beobachtenden Objekts bestimmt.
Mittels handelsüblicher Bildauswertesoftware, insbesondere solcher zur Kantenerkennung, wird in den von jeder Kamera aufgenommenen Bildern die Position und Abmessung des Abbildes des Objekts bestimmt. Da das von dem CCD-Chip aufgenommene Bild Teil der Projektionsebene ist kann sein Mittelpunkt oder ein Eckpunkt als Referenzpunkt dienen.
Die Kameras werden so angeordnet, dass die durch die Kanten der CCD-Chips aufgespannten Koordinatensysteme nicht gegenüber den Systemen Y', Z bzw. X', Z verdreht sind. Dies bedeutet, die obere und untere Bildkante vom CCD-Chip der einen Kamera sind parallel zu Y', die obere und untere Kante vom CCD-Chip der anderen Kamera sind parallel zu X'. Die rechten und linken Kanten beider CCD-Chips sind parallel zu Z.
Mittel des Kalibrierfaktors können nun die Abmessungen des Objekts, basierend auf den zwei aufgenommenen Projektionsabbildungen, exakt ermittelt werden. Die Position des Objekts, beispielsweise die Lage des gravimetrischen Mittelpunkts eines Tropfens oder eines ausgewählten Referenzpunktes der Kapillare, im Koordinatensystem X', Y', Z wird analog berechnet. Der Kreuzungspunkt der beiden optischen Achsen der Kameras markiert den Ursprung des Koordinatensystems X', Y', Z, so dass eine weitere Umrechung nicht notwendig ist.
Soll die Position des Objekts – der Kapillare – nach der Messung korrigiert werden, so gilt es zu berücksichtigen, dass in dem oben beschriebenen Fall die Achsen X', Y' gegenüber X, Y im Urzeigersinn verdreht sind. Das bedeutet, dass die im System X', Y, Z ermittelten Korrekturen für X' und Y' (dX' und dY') zunächst in das Koordinatensystem X, Y transformiert werden müssen, bevor sie durch das Achsensystem ausgeführt werden können.
Bei dem in 1 dargestellten Beispiel sind die Achsen X', Y' gegenüber den Achsen X, Y um 45° im Urzeigersinn gedreht. Die Z-Achsen der beiden Koordinatensysteme sind identisch. Es ergeben sich die folgenden Transformationen für dX' und dY': dX = cos(45°)dX' – cos(45°)dY' dY = sin(45°)dX' + sin(45°)dY'
Mit sin(45°) = cos(45°) = 1/Wurzel(2) = 0,70711 reduziert sich die Umrechnung mit hinreichender Genauigkeit auf die folgenden zwei Formeln: dX = 0,70711(dX' – dY') dY = 0,70711(dX' + dY')

100: Vorrichtung
1: Abgabeeinrichtung
2: Substrat-Träger
3: Referenzstation
4,5: Kamera
6,7: LED
8: Volumina
9: Kapillaren
10: Abgabeöffnung
11: Längenbereich
12: Piezoaktuator
13: Messraum
14: Haltereinrichtung
15: Schienenanordnung
16: Trägeranordnung
17: Kamera
18: Auftreffplatte
19: Umlenkspiegel
20: lichtempfindlicher Bereich
21: Gehäuse
22: Objektive
A: Ansicht
P: Pfeil
Q: Pfeil
R: Referenzpunkt
S: Pfeil
T: Tropfen
X', Y': optische Achsen
S4, S5: sichtbarer Ort des Tropfens
Pw: wahrer Ort

Claims

Verfahren zur Erfassung der relativen Auftreffpositionen sowie physikalischer Größen von von einer Abgabeeinrichtung abgegebener Mikropartikel, bei dem die Mikropartikel auf die Abgabefrequenz abgestimmt in zwei sich schneidenden Blickrichtungen im Raum und einer gemeinsamen Raumrichtung jeweils zweidimensional optisch beobachtet und aus den beiden zweidimensionalen Bildern in den beiden Blickrichtungen die relative Auftreffposition und die physikalischen Größen erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropartikel stroboskopisch beleuchtet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Stroboskop-Frequenz, mit der die Mikropartikel beleuchtet werden, variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Auftreffposition durch die Beobachtung der Flugbahn der Mikropartikel erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus der relativen Auftreffposition der Mikropartikel in einer Referenzposition die Abgabeposition ermittelt wird, in die die Abgabeeinrichtung gebracht werden muss, um einen Mikropartikel an eine bestimmte Stelle des Substrat-Trägers abzugeben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaftsbestimmung die Bestimmung der Volumina, Form und/oder Geschwindigkeit der Mikropartikel umfasst.
Vorrichtung zur Erfassung der relativen Auftreffpositionen sowie physikalischer Größen von Mikropartikeln, mit einer Abgabeeinrichtung (1) zur Abgabe der Mikropartikel, mit einer Kameraanordnung umfassend zwei Flächenkameras, die so angeordnet sind, dass sich ihre optischen Achsen schneiden, mit Mitteln zur Beobachtung der Mikropartikel in einer an deren Fluggeschwindigkeit angepassten Frequenz, und mit einer Datenverarbeitungseinrichtung, die aus der in der jeweiligen Kameraebene erfassten Position des Mikropartikels dessen Position im Raum errechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenkameras in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die Mittel zwei Stroboskopbeleuchtungen umfassen, von denen jeweils eine in Verlängerung der optischen Achse einer der Kameras (4, 5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stroboskopbeleuchtungen stroboskopisch arbeitende LED's umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, das Mittel vorgesehen sind, mittels denen die Stroboskopfrequenz variierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabeeinrichtung (1) mindestens eine eine Abgabeöffnung (10) bildende Kapillare (9) und einen Piezoaktuator (12) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die die erfassten physikalischen Größen von mittels der Abgabeeinrichtung (1) abgegebener Tropfen mit gespeicherten Sollwerten dieser physikalischen Größen vergleicht und die Ansteuerparameter des Piezoaktuators wie Spannung, Pulsform und Frequenz derart anpasst, dass die Differenz zwischen dem erfassten Wert und dem Sollwert der jeweiligen physikalischen Größe ein Minimum annimmt.
Abgabevorrichtung zur Abgabe von Mikropartikel an einen Substratträger, mit einer Abgabeeinrichtung zur Abgabe von Serien von Mikropartikeln, mit einer Verlagerungseinrichtung, mittels welcher die Abgabeeinrichtung (1) relativ zum Substrat-Träger (2) in mindestens zwei Dimensionen verlagerbar ist, mit einer Referenzstation (3), in welcher die Auftreffposition der Mikropartikel relativ zur Position der Angabeeinrichtung erfasst wird, und mit einer Datenverarbeitungseinrichtung, mit der aus der erfassten relativen Auftreffposition der Mikropatikel die Position errechnet wird, in die die Abgabeeinrichtung (1) relativ zum Substrat-Träger (2) gebracht werden muss, um einen Mikropartikel an eine bestimmte Stelle des Substrat-Trägers (2) abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzstation eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13 umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerungseinrichtung eine eine Raumrichtung definierende Schienenanordnung (15) umfasst, in deren Längsrichtung die Abgabeeinrichtung (1) verlagerbar angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schienenanordnung (15) an einer senkrecht verlaufenen Trägeranordnung (16) und in Längsrichtung derselben verlagerbar angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabeeinrichtung (1) mittels eines senkrecht zu der von der Schienen- und der Trägeranordnung (15, 16) aufgespannten Ebene verlagerbaren Halteeinrichtung (14) montiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der Halteeinrichtung (14) eine Kamera (17) zur Abgabekontrolle der Tropfen an die Substrat-Träger vorgesehen ist.