专利名称：用于对物体进行微机械定位和操纵的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种装置和方法，用来优选凭借压电致动器对物体进 行微机械定位和操纵。
背景技术：
微机械定位装置被用于各种领域。最重要的应用领域是扫描探针 显微镜以及纳米定位和纳米操纵。扫描探针显微镜是大功率的工具， 例如用于对各种类型的材料的表面特性进行检测、确定表面上的分子 的和原子的相互作用、对单个的生物分子进行成像。但是，市面上的 扫描探针显微镜由于其定位机构和位置监控机构而具有很大的尺寸， 而这样很大的尺寸又限制了这种显微镜的扫描速度和扫描范围以及使 用领域。此外，用在这种显微镜上的驱动机构不允许具有较高的动力。
由US 2006/0112760公知一种新型的定位装置，所述定位装置具有 较高的扫描速度，但是，由于其几何尺寸和金属实施方案对于实时成 像(视频码率成像(约25幅/秒)，具有在纳米范围内的横向和垂直分 辨率)仅能受限制地应用。
此外，由US 6, 806, 991 Bl公知一种静电地或热地驱动的微机械定 位系统，凭借该微机械定位系统，虽然尺寸和质量都明显降低，但是 不能实现较高的扫描速度。
在扫描探针显微镜中，通常利用光学的方法(例如干涉测量地) 来实现位置监控。
发明内容
6因此，本发明的任务在于，克服由现有技术公知的缺点并且提供 用于对物体进行微机械定位和操纵的装置和所属的方法，凭借所述的 装置和方法可以提高扫描速度和改善定位精确度，从而可以实现具有
纳米范围内的横向和垂直分辨率的实时成像或视频码率成像(约25幅/秒)。
根据本发明地，该任务在装置方面通过权利要求l的特征及在方法
方面通过权利要求20的特征来解决。
本发明的其它优选构造方案在从属权利要求中给出。
本发明的其它细节和优点由后续说明书部分获悉，其中，参考附 图对本发明进行详细描述，在附图中，相同或类似的部件在所有图中 以同一附图标记标明。
其中-
图l示出用于对物体进行微机械定位和操纵的、根据本发明的装置 的第一实施例；
图la示出图l所示装置的引导元件的放大图示，该装置具有集成的 定位探测器；
图2示出依照图1的实施例的放大图示；
图3示出依据推挽原理(Gegentaktprinzip)在x-方向上对物体进行
推移的图解；
图4示出根据本发明的装置的第二实施例； 图5示出根据本发明的装置的第三实施例；
图6示出根据本发明的装置的第四实施例； 图7示出根据本发明的装置的第五实施例； 图8示出根据本发明的装置的第六实施例； 图9示出根据本发明的装置的第七实施例；图10示出根据本发明的装置的第八实施例； 图ll示出根据本发明的装置的第九实施例；以及 图12示出根据本发明的装置的第十实施例； 图13示出根据本发明的装置的第十一实施例。
具体实施例方式
在图l和la中示出根据本发明的装置的实施例或该装置中的放大 的部分剖面图。根据本发明，支撑元件101、载物台116、引导元件102-105 以及用于将驱动元件的运动传递到载物台108-111上的元件是整体的结 构件，该结构件优选由晶体取向<111>或<110>的硅制成。由于在现有 技术中充分公知的半导体技术，由此可以实现根据本发明的装置的小 型化并同时减少质量。此外，单晶态的硅具有高共振频率，单晶态的 硅以低质量密度下的高刚度为特征，由此，在扫描过程或定位过程中 可以凭借根据本发明的定位装置达到很高的极限频率。
载物台116通过引导元件102-105与一件式的支撑元件101相耦合， 其中，引导元件可以具有各种各样的形状(例如L-形)。
优选为压敏电阻式位置传感器的、 一个或多个位置探测器121-128 被集成在至少一个引导元件102-105中。这些位置探测器用作针对相应 的运动方向的偏转传感器。也可以使用场效应晶体管作为位置探测器。 在此，通道用作压敏电阻式探测元件。必需的控制电子装置在将硅作 为结构材料用于根据本发明的装置的情况下例如集成在支撑元件上。
在根据本发明的装置的有利的实施方式中，在所有的引导元件上 布置有位置探测器。由此，可以对载物台的位置进行同时的、多重的 评估。
为了对环境影响(例如温度波动)进行补偿，在另一优选实施方 式中将位置探测器(压敏电阻式位置传感器)接入桥式电路中，其中，该电桥的其它必需的元件可以集成在根据本发明的装置的不可运动的 部件上(例如集成在支撑元件上)。
将驱动元件112-115集成到支撑元件101内。通过各一个点接触或 通过呈球形构成的接触部位117-120以及通过用于传递运动的元件 108-111，将由驱动元件产生的运动传递到载物台116上。由于驱动元件 上的点接触部位或球形接触部位，而能够避免可能的倾斜力。
根据本发明地，优选使用压电致动器作为驱动元件。压电致动器 的长处在于其对变化的电压的快速反应。但是，载物台116由于其惯性 而对由压电致动器预先给出的位置变化明显反应更为缓慢。为了对载 物台的在加速度很高时出现的反作用力进行补偿，每个运动方向上的 驱动元件(压电致动器)根据本发明依照推挽原理来工作。利用该原 理同样避免过分振动的问题。
凭借多个驱动元件的适当的布置方案，既可以对在x-y-平面内的运 动进行探测，又可以对倾斜、扭转、平行性偏差或者在z-方向上的抬升 进行探测并因而同样对其进行补偿或同样有针对性地使其产生。
而不言而喻地，在本发明的范围内也可以使用其它致动器，诸如 压电双晶片致动器、电磁致动器或者静电致动器或者还有双金属致动 器。
在图2中示出上面介绍的整体的结构件的实施方式，该结构件包 括支撑元件101、载物台116、 L形引导元件102-105和用于将驱动元 件的运动传递到载物台的元件108-111。在该实施方式中，驱动-和引导 元件以及用于传递运动的元件镜面对称地围绕载物台来定位。
在图3中示出根据本发明的方法，该方法示例性地针对载物台116 在x-方向上的运动。符号V代表加载在致动器上的、与偏转成比例的电压。在第一步骤中，调整出零-位置。对此，驱动元件(压电致动器) 113、 115伸展直至其调整行程的一半。这对于实现推挽原理是需要的。
在此，载物台116不改变其位置，这是因为压电致动器113、 115的作 用通过用于传递运动的元件109、 Ul相互补偿。载物台的该位置由位 于引导元件102-105上的位置探测器作为零-位置探测。
在后续的步骤中，压电致动器115伸展并且布置在同一运动方向 上的压电致动器113压縮。因而，载物台116在x-方向上相应于压电 致动器115的伸展地被推移并且L形引导元件102-105的垂直于运动方 向的臂发生弯曲。这导致压敏电阻式位置传感器的电阻与伸展成比例 的变化，压敏电阻式位置传感器根据本发明地集成在引导元件102-105 中。对载物台116的推移可以在应用引导元件上的各一个位置探测器 的情况下由电阻变化的差值来获知并且同时对例如由于倾斜、扭转或 平行性偏差所引起的位置偏差进行辨识并且如果必要则进行修正。
在图4中示出根据本发明的装置的第二实施方式。在此，驱动-和 引导元件以及用于传递运动的元件旋转对称地围绕载物台来定位。
图5示出根据本发明的装置的第三实施方式，其中，引导元件 102-105与用于传递运动的元件108-111组合起来。通过这种组合，避 免在载物台116相对于驱动元件运动方向作正交运动时横向于驱动元 件运动方向的、寄生的力导入。
在图6中示出根据本发明的装置的第四实施方式，其中，例如将 双晶片致动器(例如双晶片-压电致动器)用作驱动元件。由此，可以 明显地降低整体结构的尺寸。
在图7中示出根据本发明的装置的第五实施方式，其中，仅使用 以非对称布置的两个驱动元件。该实施方式不按照推挽原理来工作， 而是回复力通过引导元件104或103产生。由此，相对于迄今为止提出的实施方式，所必需的驱动元件的数目连同这些驱动元件的相应的 控制装置都得以减少。
图8示出根据本发明的定位装置的实施例，其中，支撑元件101a
分两部分以嵌套的方式来实施。在此，支撑元件的内部件是这样的 该内部件承载对应某一方向(例如x-方向)的驱动元件及引导元件 102-105,并且在与该方向(例如x-方向)垂直的方向(y-方向)上的 驱动元件使支撑元件的内部件运动。将对应第一运动方向(x-方向)的 位置探测器集成在引导元件102-105中。将对应第二运动方向(y-方向) 的驱动元件集成在支撑元件lOla的外部件中。将对应第二运动方向(y-方向)的位置探测器集成在引导元件102a-105a中。
图9示出以120。的旋转对称性的实施例。凭借根据本发明的装置 的实施方式，可行的是，除了在x-方向和y-方向上的线性运动之外， 同样有针对性地实施部分的旋转运动。
图IO示出下述这种实施方式，其中，除了在平面(x-方向、y-方 向)内的运动之外，还可以有针对性地产生倾斜运动。对此，第一驱 动元件113的力导入在载物台116的重心之下实现，而对置的第二驱 动元件115的力导入在载物台116的重心之上实现。当两个驱动元件 均伸展或收縮时，则载物台进行倾斜运动。当驱动元件中的各一个伸 展并且相应对置的驱 动元件收縮时(推挽原理)，则载物台在116在 平面内进行运动。这些运动可以进行叠加。
图11示出根据本发明的装置的另一实施方式，该装置适于产生平 面运动、部分的旋转以及倾斜运动。平面的运动和旋转运动类似于在 图9中所示的实施方式地实现。为了产生倾斜运动而进行三个驱动元 件在三个不同的高度水平的力导入。
图12示出本发明如下的实施方式，用来产生平面的运动、部分的旋转运动以及倾斜运动。平面的运动的产生同样依据在图1中所示的
实施方式的原理来进行，其中，致动器112和112a、 113和113a、 114 和114a、 115和115a分别双推地工作。为了产生旋转，致动器112、 113、 114、 115伸展，并且致动器112a、 113a、 114a和115a收縮。反 方向的旋转以相反的方式产生。为了产生倾斜运动，例如致动器113 和115a收缩，并且致动器U3a和115伸展。其它倾斜运动以类似的方 式产生。
图13示例性地示出本发明如下的实施方式，其中，附加于用来产 生横向的、倾斜运动和部分旋转运动的促动器112至115地，在载物 台116的下方安装有一个或多个促动器130，用于产生载物台116沿着 z-轴线的抬升。 一个或多个用于产生沿着z-方向的抬升的促动器130可 以在本发明的依照图1至12的所有实施方式中进行安装。
在上面所介绍的优选实施方式中，在所有的引导元件处布置有位 置探测器，以便既探测x-y平面内的运动又探测扭转及倾斜，从而以在 图10至13中示出的实施例同样可以对所述运动进行探测、监控和有 针对性地调整。
根据本发明地，整个装置由硅晶片整体地借助传统的表面微机械 加工技术/体微机械加工技术(英文为surface micromachining或bulk micromachining)来制造。长期存在的并不断进行完善的CMOS半导体 制备技术实现了以最小的费用制备根据本发明的、用于对物体进行定 位和操纵的微机械装置。
微机械结构与适当的驱动元件(压电致动器)及适当的位置探测 器(压敏电阻式位置传感器)的根据本发明的组合实现其到整体的结 构件中的集成并由此可以改善对载物台的位置确定，这是因为压敏电 阻式的电阻可以直接在如下的部位被定位，在所述部位载物台的实际 运动可以被最有效地探测。
12凭借根据本发明的定位装置，可以提高扫描速度并与之相联系地 开辟了新的应用领域(例如用于实时原子力显微镜或视频码率成像)。 这样的定位装置是适于真空或适于大气的，或者适于用在液体中或满 是尘土的环境。此外，这样的定位装置对很多实验室化学品是有耐受 性的。
附图标号列表
101 -支撑元件
101a -分两部分的支撑元件
102-107 -引导元件
102a-105a -引导元件
108-111 -用于将从驱动元件的运动传递到载物台的元件
112-115 -驱动元件
112a-115a -驱动元件
116 -载物台
117-120 -接触部位
121-128 -位置探测器
129 -固定和装配孔
130 -驱动元件/促动器
权利要求
1.用于对物体进行微机械定位和操纵的装置，包括-至少一个支撑元件(101)，-载物台(116)，-引导元件(102-107)，-驱动元件(112-115)，-用于将驱动元件的运动传递到所述载物台的元件(108-111)，以及-位置探测器(121-128)，其中，用于传递运动的所述元件(108-111)与相应的所述驱动元件(112-115)之间的接触部位呈弧形、球形或尖端形地构成，其特征在于，所述支撑元件(101)、所述载物台(116)、所述引导元件(102-107)及所述用于传递运动的元件(108-111)是优选由硅制成的整体的结构件。
2. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述驱动元件 (112-115)和定位探测器(121-128)被集成到所述整体的结构件中。
3. 根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述载物台(116) 与所述支撑元件(101)通过所述引导元件(102-107)连接，并且所述 用于传递运动的元件(108-111)成型到所述载物台(116)上。
4. 根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述引导元 件(102-107)在两个横向方向(x和y)上是灵活的和/或所述用于传递 运动的元件(108-111)在所述用于传递运动的元件(108-111)的运动方向上在预先限定的范围内是灵活的。
5. 根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，在至少一个 引导元件(102-107)中布置有至少一个位置探测器(121-128)。
6. 根据权利要求1至5之一所述的装置，其特征在于，为每个驱动 元件(112-115)配属有至少一个用于传递运动的元件(108-111)。
7. 根据权利要求1至6之一所述的装置，其特征在于，所述驱动元 件是压电致动器或压电双晶片致动器或电磁致动器或静电致动器或双 金属致动器或多层式致动器。
8. 根据权利要求1至7之一所述的装置，其特征在于，所述装置分 别具有四个驱动元件和引导元件及四个用于传递运动的元件，所述元 件围绕所述载物台呈镜面对称地定位或呈旋转对称地定位。
9. 根据权利要求1至7之一所述的装置，其特征在于，所述装置具 有八个驱动元件、十二个引导元件以及八个用于传递运动的元件，所 述元件围绕所述载物台呈镜面对称地定位。
10. 根据权利要求1至7之一所述的装置，其特征在于，所述装置 具有非对称地布置的两个驱动元件、四个引导元件以及四个用于传递 运动的元件。
11. 根据权利要求1至10之一所述的装置，其特征在于，所述用于 传递运动的元件与所述引导元件组合。
12. 根据权利要求l至ll之一所述的装置，其特征在于，在每个引 导元件中分别集成有两个位置探测器。
13. 根据权利要求1至12之一所述的装置，其特征在于，所述位置 探测器是压敏电阻式的位置传感器。
14. 根据权利要求1至13之一所述的装置，其特征在于，所述位置探测器布置在桥式电路内。
15. 根据权利要求1至14之一所述的装置，其特征在于，所述引导元件在所有方向(推移、旋转和倾斜)是灵活的并且所述位置探测器适用于对所述载物台倾斜、扭转、平行性偏差或者在z-方向上的抬升进行探测和补偿地被布置。
16. 根据权利要求1至15之一所述的装置，其特征在于，所述支撑 元件分两部分地且嵌套地构成，其中，所述支撑元件的第一内部件包 括所述载物台、在第一运动方向上的所述驱动元件、所述用于传递运 动的元件以及所述引导元件，并且所述支撑元件的第二外部件包括在 第二运动方向上的驱动元件，在第二运动方向上的所述驱动元件使得 所述支撑元件的所述第一部件连同所述第一部件的元件运动。
17. 根据权利要求1至16之一所述的装置，其特征在于，以适当的 方式、呈旋转对称地布置有至少三个驱动元件和三个用于传递运动的 元件，用以产生在平面(x-方向、y-方向)内的运动以及产生旋转运动。
18. 根据权利要求1至17之一所述的装置，其特征在于，以适当的 方式布置有至少一个用于传递运动的驱动元件，用以产生所述载物台 的z方向-抬升运动。
19. 根据权利要求1至18之一所述的装置，其特征在于，所述装置 由对实验室化学品具有耐受性的材料组成。
20. 凭借装置，优选依照权利要求1至18之一所述的装置对物体进行微机械定位和操纵的方法，所述装置包括 _至少一个支撑元件(i01)，-载物台(116)，-引导元件(102-107)，-驱动元件(112-115)，-用于将驱动元件的运动传递到所述载物台的元件(108-111)，以及-位置探测器(121-128)，其中，某一运动方向的所述驱动元件(112和114或113和115)以 推挽原理工作，并且其中，实现下列工作步骤-调整起始位置(零位置)，在所述起始位置上，所述驱动元件 伸展直至所述驱动元件的调整行程的一半，-利用所述位置探测器对所述零位置进行记录，-通过一个或多个相应的所述驱动元件在相应的运动方向、转动 方向或倾斜方向上的伸展和/或压縮的适当的组合而使所述载物台在相 应的所述运动方向、转动方向或倾斜方向上推移、扭转或倾斜，其中， 垂直于所述运动方向、转动方向或倾斜方向的引导元件发生弯曲，并 且凭借相应的所述位置探测器来釆集所述载物台的位置变化，-利用差分法对采集到的所述位置变化进行评估，并且通过有针 对性地控制所述驱动元件而对所述载物台的位置进行修正。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，从所述驱动元件 到所述载物台的力导入以不同的高度水平来进行。
全文摘要
本发明涉及一种用于对物体进行微机械定位和操纵的装置和方法。本发明的任务是提供一种用于对物体进行微机械定位和操纵的装置和所附属的方法，凭借所述装置和方法可以提高扫描速度和改善定位精确度，从而可以实现具有纳米范围内的横向和垂直分辨率的实时成像或视频码率成像(约25幅/秒)。根据本发明地，优选由硅制成的、整体的结构件包括支撑元件(101)、载物台(116)、多个引导元件(102-107)以及用于传递运动的元件(108-111)以及优选为压敏电阻式的驱动元件(112-115)和优选为压敏电阻式的位置探测器(121-128)集成在该结构件中。这样的微机械定位装置例如应用于扫描探针显微镜以及用在纳米定位和纳米操纵中。
文档编号G12B5/00GK101601099SQ200880003396
公开日2009年12月9日 申请日期2008年1月28日 优先权日2007年1月29日
发明者伊沃·W·兰杰罗, 博克哈德·福兰德, 斯特凡·克勒特, 艾莎德·古利耶夫, 茨韦坦·伊瓦诺夫 申请人:伊尔梅瑙工业大学