DE19648165A1 - Mikrotechnischer Greifer aus fotosensiblem Glas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mikrotechnischen Greifer entsprechend dem Ober­ begriff von Anspruch 1. Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen und Ausbildung des Gegenstandes der Hauptanmeldung (195 23 229.1).

Der Mikroglasgreifer eignet sich besonders für das Greifen, und Handhaben von mikrooptischen, mikroelektronischen, mikromechanischen oder ähnlich gearteten Bauteilen.

Die Vielzahl mikrotechnischer Anwendungen und die Vielfalt der gemeinsam eingesetzten Effekte führt zu einer Steigerung der Integrationsdichte. Ein hybrider Aufbau von Funktionsgruppen wird deshalb in verstärktem Maße erforderlich. Die dabei zu montierenden Mikroteile verlangen die Entwicklung von Mon­ tagetechniken, die das Handhaben von solchen feinen Einzelteilen ermöglichen. Konventionelle Greifer und Handhabungsgeräte hoher Präzision können aufgrund der geometrischen Größen und deren Gestaltung nicht in Mikrosystemen eingesetzt werden. Die lineare Verkleinerung solcher herkömmlichen Greifsysteme ist nicht mehr möglich, da die dafür notwendigen Technologien nicht vorhanden sind bzw. fehlen.

Daraus ergibt sich das Ziel, auf mikrotechnischer Basis einen kostengünstigen Mikrogreifer zu entwickeln, der durch seine Eigenschaften neue Anwendungs­ gebiete für die Greifertechnologie in der Mikrosystemtechnik eröffnet.

Der Werkstoff Glas ist neben Silizium das meist eingesetzte Basismaterial in der Mikrosystemtechnik. Es besitzt interessante charakteristische Eigenschaften wie Hysteresefreiheit und Alterungsbeständigkeit und ist als mechanischer Werkstoff ausgezeichnet einsetzbar. Ein wichtiger Aspekt für die Durchsetzung von Glas in der Mikrosystemtechnik ist die Mikrostrukturierbarkeit von Spezialgläsern, die hier für die Herstellung von Mikrogreifern eingesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist, auf mikrotechnischer Basis einen Mikrogreifer zu ent­ wickeln, der durch seine Eigenschaften, wie Integration sensorischer Fähigkeit, Abmaße, Materialeigenschaften und verlust- und spielfreie Bewegungsübertra­ gung eine neue Lösung für den Einsatz von Mikrogreifern in der Mikromontage darstellt. Diese Aufgabe wird durch einen Mikroglasgreifer mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung des Mikroglasgreifers, wobei hier die Bewe­ gung einschließlich der Greiffunktion veranschaulicht wird.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Mikroglasgreifers,

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Mikroglasgreifers.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung des Mikroglasgreifers, an der die Funktionsweise verdeutlicht wird. Der Piezotranslator 10, der als monomorpher Antrieb zum Einsatz kommt, ist in der Greiferstruktur 16 an beiden Enden 8, 9 befestigt. Der Greifer ist an der Stelle 1 angeflanscht (Gestell). Durch Anlegen einer elek­ trischen Spannung erfährt der Piezotranslator eine Längenänderung und zieht sich zusammen (in diesem betrachteten Fall). Da die kleinen Auslenkungen aber relativ große Kräfte, die durch den Piezotranslator erzeugt werden, nicht direkt für Greiffunktionen eingesetzt werden können, ist eine Wegübersetzung erforderlich. Der dafür realisierte Mechanismus besteht aus Mikrostrukturen, die gezielt so konstruiert sind, daß sie als elastische Biegegelenke (elastische Fest­ körpergelenke 2-7) dienen (weit unter der Bruchspannung von Glas) und die Kräfte bzw. die Bewegung mit dem bestimmten Übersetzungsverhältnis weiter­ leiten, so daß sich die Greifarme 13, 14 auseinander bzw. zueinander (bei der Rückstellung) bewegen. Diese Bewegung dient dem Greifen eines Elementes 15, das sich zwischen den beiden Greifflächen 11, 12 befindet. Dadurch wird erreicht, daß die Längenänderung des Piezotranslators (einige Mikrometer) mehrfach (10-100fach) vergrößert wird und damit eine Greifbewegung realisiert werden kann. Die Herstellung eines nach diesem Prinzip funktionierenden Mikroglasgreifers kann wie folgt realisiert werden:

Mittels der Mikrostrukturierungsverfahren wurden die Greiferstrukturen aus fotosensiblen Glaswafern mit einer Dicke von 0,5 mm hergestellt. Der Herstellungsprozeß gliedert sich in drei Hauptprozeßschritte: UV-Belichtung, Tempern und Ätzen. Als Maske für die UV-Belichtung dient eine durch Bedampfen direkt auf der Oberfläche der Glaswafer aufgebrachte Aluminium­ schicht. Diese Schicht hat eine Dicke von 200 nm und wird anfangs mittels Lithographie strukturiert. In den belichteten Gebieten entsteht durch den Temper­ prozeß eine Kristallphase. Die Temperaturerhöhung bewirkt zunächst ein Absinken der Viskosität des Glases und es bilden sich Kristallkeime. In verdünnter Flußsäure wird in der letzten Etappe der Strukturierung die Kristallphase herausgelöst. Der Piezotranslator 10 der Dicke 200 µm wird durch speziellen Kontaktkleber kontaktiert und an seinen Stirnflächen 8, 9 mit der Greiferstruktur 16 waagerecht mit Spezialkleber geklebt.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Mikroglasgreifers.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels, das erweiterte Eigenschaften besitzt. Hier werden mehrere Greiferstrukturen 18 geschichtet aufgebaut. Die Greiferstrukturen können mit einem Antrieb oder mit mehreren Antrieben 17 angesteuert werden. Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung von unterschiedlichen Greiferbackenbewegungen ist der Aufbau von mehreren Greiferstrukturen mit verschiedenen Bewegungsorientierung. (Ein Greifer öffnet während ein anderer schließt.) Die dadurch zur Verfügung stehenden Greifflächen können zur Manipulation des Greifobjektes dienen.

Die Greifflächen 19 wurden hier in verschiedenen Formen (19A, 19B und 19C) hergestellt, um damit das Greifen durch Formschluß zu realisieren und eine flexible Anpassung an verschiedenen Greifobjekten zu ermöglichen. Genauso können die elastischen Gelenke in umfangreichen Geometrien realisiert werden.

Durch z. B. die Abrundung der Gelenke wird die Elastizität dieser elastischen Gelenke erhöht.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsmäßigen Mikroglasgreifers besteht in dessen Herstellung aus Glas. Dadurch ist es möglich, beliebige Greiferstrukturen mit unterschiedlichsten Geometrien (eine wesentliche Verbesserung zur Haupt­ anmeldung, bei der nur bestimmte Strukturgeometrien möglich sind). So sind runde Teile bzw. Löcher mit Durchmesser von weniger als 50 µm realisierbar.

Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der Erfindung ist, daß die Greifarme 13, 14 und die Greiferbacken 11, 12 (Fig. 1) durch ihre optische Transparenz für sensorische Zwecke als Lichtmedium eingesetzt werden können.

In dem hier entwickelten Mikrogreifer werden die mechanischen Eigenschaften von Glas genutzt. Die mechanischen Eigenschaften von Glas, die teilweise denen von Stahl nachkommen, werden hier eingesetzt, um verlustfreie Rückstellung der Greiferbacken, durch die Elastizität der Biegegelenke, zu erreichen. Durch die vorteilhafte Anordnung von Piezotranslator und Greiferstrukturen folgt die Kraftübertragung spielfrei und ohne Verluste.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsmäßigen Mikrogreifers besteht darin, daß es möglich ist, in denselben Herstellungsschritten weitere Formelemente zu reali­ sieren (wie Montagehilfen, Sensorelemente, Lichtwellenmedium und Spiegel­ flächen).

Eine weitere Verbesserung zur Hauptanmeldung ist, daß der Piezotranslator keine weiteren Teile zur Befestigung benötigt und dadurch besseres Greifverhalten und einfacher Aufbau des Greifsystems möglich ist. Die Greiferbacken bilden durch die günstige planare Anordnung der Greiferstrukturen ein Gehäuse für das Piezoelement, das so plaziert ist, daß es keinen zusätzlichen Platz außerhalb des Mikrogreiferkörpers in Anspruch nimmt und dadurch eine kompakte Bauform möglich ist.

Claims (8)

1. Mikroglasgreifer für die Mikrosystemtechnik, bestehend aus

• a) einer aus fotosensiblem Glas mikrotechnisch hergestellten Mikrogreif­ struktur, die ihrerseits aus
  • a1) Festkörperdrehgelenken und
  • a2) zwei Abtriebsgliedern, die die Greiferarme bilden, besteht und
• b) einem Piezotranslator, der als monomorpher Antrieb angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die mittels der Mikrostrukturierungs­ verfahren von Spezialgläsern (fotosensibles Glas) hergestellte Mikrogreifstruktur (16), bei einer durch Anlegen einer elektrischen Spannung hervorgerufene Längenänderung des Piezotranslators (10) elastisch an definierten Stellen (Festkörpergelenken 2, 4, 5, 6, 7) verformt und dadurch die Kraft bzw. die Bewegung mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis an den Abtriebsgliedern (Greiferarmen) (13, 14) so übertragen wird, daß sich die Greiferflächen (11, 12) auseinander bzw. zueinander bewegen.

2. Mikroglasgreifer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Greiferstruktur (16) optisch transparent ist.

3. Mikroglasgreifer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Greiferarme (13, 14) mit spiegelnden Flächen versehen sind.

4. Mikroglasgreifer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Greifflächen mit piezoelektrischem Material beschichtet sind.

5. Mikroglasgreifer nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau aus geschichteten Greiferstrukturen (18) besteht.

6. Mikroglasgreifer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Antriebe (17) (Piezotranslatoren) die Greiferstruktur (18) bewegen.

7. Mikroglasgreifer nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Piezotranslator zwischen den beiden Greiferarmen (13, 14) angeordnet ist.

8. Mikroglasgreifer nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Greiferstruktur (16) mit Metallschichten versehen ist.