DE19648165A1 - Microtechnical gripper made of photosensitive glass - Google Patents
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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).The invention relates to a microtechnical gripper according to the upper Concept of claim 1. The invention relates to improvements and Formation of the subject of the main application (195 23 229.1).
Der Mikroglasgreifer eignet sich besonders für das Greifen, und Handhaben von mikrooptischen, mikroelektronischen, mikromechanischen oder ähnlich gearteten Bauteilen.The micro glass gripper is particularly suitable for gripping and handling micro-optical, micro-electronic, micromechanical or similar Components.
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.The multitude of microtechnical applications and the multitude of common The effects used lead to an increase in the integration density. A hybrid It is therefore increasingly necessary to set up functional groups. The micro parts to be assembled require the development of Mon day techniques that enable the handling of such fine individual parts. Conventional grippers and handling devices with high precision can the geometric sizes and their design not in microsystems be used. The linear reduction of such conventional ones Gripping systems are no longer possible because the technologies required for this are not are present or missing.
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.This results in the goal of being cost-effective on a micro-technical basis To develop micro-grippers with new properties due to their properties areas for gripper technology in microsystem technology opened.
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.In addition to silicon, glass is the most commonly used base material in the Microsystem technology. It has interesting characteristics like Free of hysteresis and aging resistance and is considered mechanical Excellent use of material. An important aspect for enforcement of glass in microsystems technology is the microstructurability of Special glasses that are used here for the production of micro grippers.
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.The object of the invention is to develop a micro-gripper based on microtechnology wrap through its properties, such as integrating sensory ability, Dimensions, material properties and loss-free and play-free motion transfer a new solution for the use of micro grippers in micro assembly represents. This task is carried out by a micro glass gripper with the characteristics of Claim 1 solved. The further claims give advantageous refinements of the invention. The invention is explained below with reference to figures.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung des Mikroglasgreifers, wobei hier die Bewe gung einschließlich der Greiffunktion veranschaulicht wird. Fig. 1 shows a schematic diagram of the micro glass gripper, the movement including the gripping function is illustrated here.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Mikroglasgreifers, Fig. 2 shows a perspective view of the micro-glass gripper,
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Mikroglasgreifers. Fig. 3 shows a perspective view of another embodiment of the micro-glass gripper.
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: Fig. 1 shows an illustration of the micro glass gripper, on which the mode of operation is illustrated. The piezotranslator 10 , which is used as a monomorphic drive, is fastened in the gripper structure 16 at both ends 8 , 9 . The gripper is flanged at position 1 (frame). By applying an electrical voltage, the piezotranslator undergoes a change in length and contracts (in this case). Since the small deflections, however, relatively large forces generated by the piezotranslator cannot be used directly for gripping functions, a path translation is required. The mechanism implemented for this consists of microstructures that are specifically designed so that they serve as elastic bending joints (elastic solid body joints 2-7 ) (far below the breaking stress of glass) and transmit the forces or the movement with the specific transmission ratio, so that the gripper arms 13 , 14 move apart or towards each other (when resetting). This movement serves for gripping an element 15 which is located between the two gripping surfaces 11 , 12 . It is thereby achieved that the change in length of the piezotranslator (a few micrometers) is increased several times (10-100 times) and a gripping movement can thus be realized. A micro glass gripper that works according to this principle can be produced as follows:
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.Using the microstructuring process, the gripper structures were made from photosensitive glass wafers with a thickness of 0.5 mm. The manufacturing process is divided into three main process steps: UV exposure, annealing and etching. An aluminum layer applied directly onto the surface of the glass wafer by vapor deposition serves as the mask for the UV exposure. This layer has a thickness of 200 nm and is initially structured using lithography. In the exposed areas, the tempering process creates a crystal phase. The temperature increase initially causes a decrease in the viscosity of the glass and crystal nuclei form. In the last stage of structuring, the crystal phase is extracted in dilute hydrofluoric acid. The piezotranslator 10 with a thickness of 200 μm is contacted by special contact adhesive and horizontally glued to the end faces 8 , 9 with the gripper structure 16 using special adhesive.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Mikroglasgreifers. Fig. 2 shows a perspective view of the micro glass gripper.
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. FIG. 3 shows a perspective illustration of a further exemplary embodiment which has expanded properties. Several gripper structures 18 are built up in layers here. The gripper structures can be controlled with one drive or with a plurality of drives 17 . Another possibility for realizing different gripper jaw movements is the construction of several gripper structures with different movement orientations. (One gripper opens while another closes.) The gripping surfaces available in this way can be used to manipulate the gripping object.
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.The gripping surfaces 19 were produced here in different shapes ( 19 A, 19 B and 19 C) in order to realize the gripping by positive locking and to allow flexible adaptation to different gripping objects. In the same way, the elastic joints can be realized in extensive geometries.
Durch z. B. die Abrundung der Gelenke wird die Elastizität dieser elastischen Gelenke erhöht.By z. B. the rounding of the joints becomes the elasticity of this elastic Joints increased.
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.The main advantage of the inventive micro glass gripper is its manufacture from glass. This makes it possible to use any gripper structure with different geometries (a major improvement to the main registration where only certain structural geometries are possible). So are Round parts or holes with a diameter of less than 50 µm can be realized.
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.Another advantageous property of the invention is that the gripper arms 13 , 14 and the gripper jaws 11 , 12 ( Fig. 1) can be used as a light medium due to their optical transparency for sensory purposes.
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.In the micro gripper developed here, the mechanical properties used by glass. The mechanical properties of glass, some of which of steel, are used here for the loss-free provision of Gripper jaws can be reached through the elasticity of the bending joints. Through the The advantageous arrangement of the piezotranslator and gripper structures follows Power transmission without play and without losses.
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).Another advantage of the micro gripper according to the invention is that it it is possible to realize further shaped elements in the same manufacturing steps (such as assembly aids, sensor elements, light wave medium and mirrors areas).
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.Another improvement to the main filing is that the piezotranslator does not other parts needed for attachment and thus better gripping behavior and simple construction of the gripping system is possible. The gripper jaws form the favorable planar arrangement of the gripper structures is a housing for the Piezo element that is placed so that there is no additional space outside the Micro gripper body takes up and thus a compact design is possible.
Claims (8)
- 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.
- a) a micro-gripping structure made of photosensitive glass, which in turn consists of
- a1) Solid-state rotary joints and
- a2) two output members that form the gripper arms, and
- b) a piezotranslator, which is arranged as a monomorphic drive, characterized in that the micro-gripping structure ( 16 ) produced by means of the microstructuring method of special glasses (photosensitive glass) resiliently rests upon a change in length of the piezotranslator ( 10 ) caused by the application of an electrical voltage Defined points (solid joints 2, 4, 5, 6, 7 ) deformed and thereby the force or movement with a certain transmission ratio on the output members (gripper arms) ( 13, 14 ) is transmitted so that the gripper surfaces ( 11, 12th ) move apart or towards each other.
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