Mikromanipulator zur Bewegung von Objekten

Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Mikromanipulator zur Bewegung von Objekten, insbesondere zur Bewegung kleiner Objekte über mikroskopische Entfernungen. Die Präzision der für Bewegun¬ gen häufig eingesetzten feinmechanischen Stellelemente, die mit Mikrometerschrauben ausgerüstet sind, reicht bei den Bewegungsabläufen in der modernen Mikrotechnologie oft nicht aus. Auch für Anwendungen in Hochvakua und anderen abge¬ schlossenen Systemen, bei denen mechanische Durchführungen Störguellen darstellen, sind diese Stellelemente ungeeignet. Für solche Anwendungen eignen sich besser Stellelemente, die elektromagnetisch betrieben werden oder auf dem piezoelek¬ trischen Effekt basieren.

Stand der Technik

Ein Mikromanipulator, bei welchem zur Bewegung von Objekten piezoelektrische Bewegungselemente verwendet werden, ist in der DE-OS 36 10 540 beschrieben. Durch die mit dem piezo¬ elektrischen Effekt erreichbare Verformung der Bewegungs¬ elemente sind diesen Mikromanipulatoren in zweifacher Hin¬ sicht Grenzen gesetzt. Zum einen sind die einzelnen Bewe¬ gungsschritte auf den nm-Bereich begrenzt, so daß für die Bewegung über größere Entfernungen hinweg sehr viele Schritte durchgeführt werden müssen. Zum anderen dürfen die einzelnen Bewegungselemente nicht zu klein dimensioniert werden, da mit abnehmender Größe die maximal erzielbare

Schrittweite verringert wird. Die Miniaturisierung des Manipulators ist dadurch eingeschränkt.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mikromanipulator zur Bewegung von Objekten anzugeben, der bei hoher Präzision der Bewegung und hohem Grad an Miniaturisierung variable Schrittweiten bis in den Bereich von ca. 100 μm zuläßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die mechanischen Elemente des Mikromanipulators als bewegliche Zungen ausgebildet sind, die aus übereinander angeordneten Schichten verschiedener Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen.

Die Zungen werden durch Zuführung von Energie erhitzt. Da eine Zunge aus wenigstens zwei Schichten mit unterschied¬ lichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zusammengesetzt ist, führt die Erwärmung zu einer Verbiegung der Zunge. Durch geeignete Koordination der Bewegungen mehrerer Zungen eines Mikromanipulators können Objekte bewegt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Um eine lineare Bewegung eines Objektes zu erreichen, sind die Zungen nach Anspruch 2 paarweise so angeordnet, daß sich jeweils zwei Zungen um 180° verdreht einander gegenüberliegen.

Nach Anspruch 3 besteht der Grundkörper des Mikromanipula¬ tors aus Silizium. Damit findet als Ausgangsmaterial ein in der industriellen Mikroelektronik weit verbreiteter Stoff Anwendung. Um mit geringen Heizleistungen möglichst große

Bewegungsschritte zu erzielen, besteht die Zunge aus einer Kombination von Materialien mit möglichst unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Die Kombination einer Schicht aus Siliziumverbindung (z.B. Siliziumnitrit oder Siliziumdioxid) und einer Metallschicht kommt den Ferti¬ gungsverfahren der Mikrostrukturtechnik entgegen.

Die Temperaturerhöhung erfolgt nach Anspruch 4 mittels Heizelementen, sie könnte aber prinzipiell auch mit anderen Methoden, z.B. thermische Strahlung, erreicht werden. Nach Anspruch 5 sind die Heizelemente vorteilhaft als elektrische Widerstände ausgebildet, und zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Erwärmung zwischen oder auf den Schichten angebracht.

Um Einflüsse der Umgebungstemperatur auf die Lage der Zungen auszuschließen, ist in Anspruch 6 eine besonders günstige Anordnung gekennzeichnet, bei welcher zur Erfassung der momentanen Position und zur Positionsregelung Sensorelemente auf den Zungen angebracht sind. Sie können auf verschiedenen physikalischen Effekten beruhen. Die Verwendung von Piezo- widerständen ist besonders vorteilhaft, da der statische piezoresistive Effekt bei Silizium besonders gut ausgeprägt ist, und die Lage der Zungen unmittelbar über die Messung der Zug- oder Druckbelastungen bestimmt werden kann. Ein weiterer Vorzug besteht darin, daß Piezowiderstände einfach mit Hilfe der in der Mikroelektronik üblichen Techniken herstellbar sind. Die Heizer- und Sensorsignale werden in gemeinsamen Regelkreisen miteinander verknüpft, wodurch die Zungen beispielsweise durch Regelung der Heizleistung in vorgebbare Positionen gebracht werden können. Damit lassen sich sowohl die Bewegungen der Zungen koordinieren, als auch die Schrittweite bestimmen. Der Aufbau und die Wirkungsweise der einzelnen Greifelemente entspricht dem des steuerbaren

positionsveränderlichen Elementes, das in der unveröffent¬ lichten deutschen Anmeldung DE 38 09 587.1 beschrieben ist.

Um einen hohen Grad an Miniaturisierung zu erreichen, sind nach Anspruch 7 die Regelkreise und der Mikromanipulator auf demselben Halbleiterchip integriert. Dadurch können Mikrσ- manipulatoren hergestellt werden, die aus einer Vielzahl von identischen Zungen bestehen, wodurch komplizierte Bewe¬ gungsabläufe auch über eine Entfernung von vielen Schritt¬ weiten hinweg möglich werden.

Werden - wie in Anspruch 8 gekennzeichnet - die Zungenpaare entlang einer Linie angeordnet, können Objekte in ein¬ dimensionaler Richtung bewegt werden (Fig. 2A) . Durch Anordnung der Zungenpaare entlang mehrerer paralleler Linien kann das zu transportierende Gewicht gesteigert werden.

Nach Anspruch 9 sind die Zungenpaare entlang zweier Scharen paralleler Linien, die sich schneiden angeordnet. Diese Ausgestaltung der Erfindung erlaubt eine beliebige Bewegung in einer Ebene. Eine Drehbewegung kann durch eine Anordnung der Zungen entlang konzentrischer Kreislinien nach Anspruch 10 erreicht werden, wobei die Drehachse senkrecht auf der Ebene steht, in welcher die Zungenpaare angeordnet sind.

Darüber hinaus ist auch eine Kippbewegung um kleine Winkel möglich, indem die losen Zungenenden, die den Objektträger an verschiedenen Stellen unterstützen, unterschiedlich weit vom Grundkörper wegbewegt werden. Durch eine gleichzeitige Auslenkung aller Zungen kann das Objekt in begrenztem Um¬ fange auch senkrecht zu der Ebene bewegt werden, in welcher die Zungen angeordnet sind. Diese Bewegung, die durch die Länge der Zungen begrenzt wird, ist von großem Vorteil, wenn das Objekt beispielsweise in den Fokus eines Licht- oder

Elektronenstrahls justiert werden soll. Alle gekennzeichne¬ ten Weiterbildungen der Erfindung werden nach dem Anspruch 11 vorteilhaft mit den in der Mikromeσhanik und in der Mikroelektronik bekannten Verfahren hergestellt und sind mit Standard-IC-Prozessen kompatibel. Die einzelnen Bestandteile werden dabei mit Hilfe planarer Lithographieprozesse struk¬ turiert. Für den Betrieb eines Mikromanipulators reichen die in der Mikroelektronik üblichen Spannungspegel aus.

Der erfindungsgemäße Mikromanipulator und seine Weiterbil¬ dungen zeichen sich durch einen hohen Grad an Miniaturi¬ sierung, hohe Genauigkeit, große Zuverlässigkeit und nied¬ rige Kosten aus. Er eignet sich besonders für die Bewegung von Objekten in abgeschlossenen Systemen, bei welchen mechanische Durchführungen vermieden werden müssen, bei¬ spielsweise in Ultrahochvakuum-Apparaturen (z.B. Raster¬ elektronenmikroskopie) . Der extreme Grad an Miniaturisierung erlaubt den Einsatz bei Mikrohandhabungssystemen und jeder Art von Objektbewegung bei mikroskopischen Untersuchungen, bei der Bearbeitung oder Analyse von Objekten in der Mikro¬ technologie oder in der Mikrobiologie.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen drei Ausführungs¬ beispiele und das Funktionsprinzip des Mikromanipulators dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 A bis E das Funktionsprinzip des Mikromanipulators,

Fig. 2A Schematisierte Darstellung des Mikromanipulators für eindimensionale Translationen,

B Schematische Darstellung des Mikromanipulators für beliebige Bewegungen in einer Ebene,

C Schematische Darstellung des Mikromanipulators für Drehbewegungen.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Der Mikromanipulator in Fig. 1A besitzt einen Grundkörper 5 aus einkristallinem Silizium (Dicke ca. 0,5 mm), wobei vor¬ teilhaft ein in der Mikroelektronik üblicher Siliziumwafer verwendet wird. Der Manipulator weist in seiner einfachsten Ausgestaltung vier Zungen 1, 2, 3, 4 mit einer Länge von einigen hundert Mikrometern auf, die aus einer epitaktisch abgeschiedenen hoch-bordotierten Siliziumschicht (Dicke einige μm) und einer aufgedampften Metallschicht (vorzugs¬ weise Gold, Dicke einige μ ) zusammengesetzt sind. Die Zungen sind durch Lithographieprozesse definiert und mit Hilfe anisotroper Ätzschritte unter Bildung von Ätzgruben 7 vom Grundkörper freigelegt. Die Goldschicht ist so aufge¬ bracht, daß sie eine Zugspannung verursacht, so daß die Zungen im Ruhestand (ohne Energieeinspeisung) aus den Ätzgruben herausragen.

Auf den freien Enden der Zungen 1, 2, 3, 4 liegt das Objekt bzw. der Objektträger 6. Um den Objektträger zu bewegen, werden die Zungen 2 und 4 so ausgelenkt, daß sie in der Ebene der Oberfläche des Grundkörpers 5 liegen (Fig. 1B) . Durch Auslenken der Zungen 1 und 3 in Richtung der Ätzgruben 7 bewegt sich das Objekt in der in Fig. IC angegebenen Richtung. Durch Auslenken der Zungen 2 und 4 aus den Ätz-

gruben 7 heraus wird das Objekt in derselben Richtung wei¬ terbewegt (Fig. 1D) . Wird schließlich das Zungenpaar 1, 3 wieder in seine Ausgangslage gebracht, so ist der ursprüng¬ liche Zustand erreicht, mit dem Unterschied, daß der Ob¬ jektträger gegenüber seiner Ausgangsposition verschoben ist (Fig. 1E) .

Durch Umkehren der Zungenansteuersequenz kann die Bewe¬ gungsrichtung des Objektes umgedreht werden. Das Ausmaß der ursprünglichen Auslenkung der Zungen bestimmt den bei einem Schritt zurückgelegten Weg. Damit ist die Schrittweite in einem großen Umfang regelbar (bis zu etwa 100 μm) .

Mit Hilfe des Mikromanipulators kann der Winkel zwischen dem Objektträger und der Substratoberfläche verändert werden. Um den Objektträger zu kippen bleibt die Zunge 1 ausgelenkt, während die Zungen 2-, 3 und 4 in die Oberfläche des Grund¬ körpers abgesenkt werden.

In begrenztem Umfang kann der Objektträger senkrecht zu seiner Oberfläche bewegt werden. Hierzu werden alle Zungen 1, 2, 3 und 4 parallel im selben Maße ausgelenkt. Mit dieser Bewegung kann eine FeinJustierung von Objekten durchgeführt werden.

In Fig. 2A ist der Mikromanipulator aus Fig. 1 schematisch in der Draufsicht dargestellt. Die lineare Anordnung der Zungenpaare 1, 2 und 3, 4 führt bei der oben beschriebenen Ansteuerung zu einer linearen Bewegung des Objekts. Durch Hintereinanderschalten mehrerer Zungenpaare kann das Objekt über größere Distanzen transportiert werden.

In Fig. 2B sind die Zungenpaare entlang zweier sich schnei¬ dender Linien angeordnet. Dadurch kann das Objekt in zwei Richtungen einer Ebene bewegt werden. Bei einer nicht

abgebildeten Weiterbildung der Erfindung sind viele Zungen¬ paare entlang zweier Scharen sich schneidender Geraden angeordnet. Durch geeignete Aneinanderreihung von linearen Bewegungen entlang der unterschiedlichen Richtungen der Geraden-Scharen wird das Objekt an jeden beliebigen Ort in der Ebene transportiert.

Die Anordnung der Zungenpaare entlang einer Kreislinie nach Fig. 2C führt bei geeigneter Koordinierung der Bewegung aller Paare zu einer Rotationsbewegung. Um eine möglichst gleichmäßige Rotationsbewegung zu erreichen werden mehrere Zungenpaare entlang einer Kreislinie oder entlang konzen¬ trischer Kreislinien angeordnet.

Bei der Bewegung von Objekten, deren Dimensionen ein viel¬ faches der Größe eines Zungenpaares einnimmt, wird die Last auf viele Zungen verteilt. Entsprechend viele Zungen werden zur Durchführung der Bewegung simultan angesteuert.