DE19548587C2

DE19548587C2 - Mikropositioniersystem

Info

Publication number: DE19548587C2
Application number: DE1995148587
Authority: DE
Inventors: Dirk Meyer; Peter Paufler; Kurt Richter; Martin Harz
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1995-12-23
Filing date: 1995-12-23
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2015-12-24
Also published as: DE19548587A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikropositioniersystem, welches Stellwege mit einer Auflösung in der Größe der Abstände zwischen benachbarten Atomen in Festkörpern (Größenordnung 10 ^-10 m) erlaubt und zur Positionierung in der Mikrosystemtechnik oder für Meßaufgaben eingesetzt werden kann.

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.

In DE 43 15 628 A1 wird ein inkrementelles Positionier- und Meßsystem beschrieben, welches Stellbewegungen mit atomarer Auflösung (Größenordnung 10 ^-10 m) 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.

In der Druckschrift Wiesendanger, Roland: Physik in unserer Zeit auf der Nanometerskala. In: Physik in unserer Zeit, 26. Jg., 1995, Nr. 5, S. 206-216 werden Rastertunnel-, Rasterkraftmikroskopie und Rastersondenmikroskopie beschrieben. Mittels dieser Techniken sind einzelne atomare Plätze auf Festkörperoberflächen adressier bar. Damit ist es möglich, lokale Experimente im Nanometer- und Subnanometerbereich durchzuführen. Bei diesen Techniken wird minia turisierte Sensortechnik über eine Festkörperoberfläche mittels ge eigneter Antriebstechnik geführt und die Oberfläche ortsaufgelöst untersucht.

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 ^-10 m) 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.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung nutzt die nichtelastischen mechanischen Eigenschaften von Festkörpern aus. Dadurch dass Translator und Stator von einem Festkörper gebildet werden, kann z. B. durch eine plastische Formänderung des Festkörpers, d. h. nach Beendigung einer äußeren auslösenden Krafteinwirkung bleibende Formänderung, eine Stellbewegung im Positioniersystem erzeugt werden.

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 Elastizitätsgrenze der Verformung, d. h. der betrachtete Steilvorgang 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.

Die plastische Verformung von Festkörpern besteht in der Bewegung einer großen Zahl von Atomen, die praktisch gleichzeitig und in gesetzmäßig verknüpfter Weise erfolgt.

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.

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 Ebenen 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^-10 m und 10^-2 m leicht realisieren. Auch Gleitbeiträge kleiner als eine Translationsperiode des Kristalls sind möglich. In diesem Falle entstehen Zwillinge, martensitische Phasen und Stapelvarianten.

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.

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.

Die Erfindung soll nachfolgen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines Festkörpers mit Stator und Translator

Fig. 2 eine zu Fig. 1 gehörige Darstellung auf atomarer Ebene

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 der Fig. 2 werden die Vorgänge auf atomarer 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 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.

Claims

1. Mikropositioniersystem, bestehend aus einem Translator, einem Stator sowie einem Stellmechanismus, welches Stellwege mit ei ner Auflösung in der Größe der Abstände zwischen benachbarten Atomen in Festkörpern erlaubt, dadurch gekennzeichnet, daß Translator (1) und Stator (2) des Positioniersystems durch ei nen Festkörper (3) gebildet werden und der Translator (1) ein durch die Ausnutzung der nichtelastischen mechanischen Fest körpereigenschaften gegenüber dem Stator (2) verschobener Teil dieses Festkörpers (3) ist.

2. Mikropositioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß in dem Festkörper (3), der den Translator (1) und den Stator (2) des Positioniersystems bildet, durch Maßnahmen wäh rend 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 mechanischen Schubspannung (5), die so bemessen ist, daß unterhalb dieser Schubspannung keine bleibende plastische Verformung auftritt, in dem Fest körper (3) gebildet wird.

3. Mikropositioniersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß durch die Kombination mit anderen elektrischen oder elektromagnetischen Feldern die Gleitebenen oder Gleitbänder (4) während der Stellbewegung aktivierbar sind.

4. Mikropositioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß in dem Festkörper (3), der den Translator (1) und den Stator (2) des Positioniersystems bildet, durch Maßnahmen vor Beginn oder während der Stellbewegung, eine oder mehrere Gleit ebenen oder Gleitbänder (4) für die Stellbewegung ausge zeichnet werden.