Contribution to the design and fabrication of an integrated micro-positioning system

Khan, Muneeb Ullah

Moderne Positioniersysteme werden in vielen aufstrebenden Bereichen der Technik eingesetzt. Die Produkte stammen hierbei aus unterschiedlichen Technologiebereichen, die den Makro-, Mikro- und Nano- Maßstab abdecken. Diese Systeme bilden die Basis jeder Manipulationsaufgabe, in diesen Bereichen. In jüngster Zeit hat der Miniaturisierungstrend dazu geführt, dass in zahlreichen wissenschaftlichen Bereichen immer kleinere Versionen von Systemen realisiert wurden. Die typischen Abmessungen wurden dabei auf einige hundert Millimeter reduziert. Diese Miniatur Positioniersysteme sind kostengünstige Lösungen in vielen Mikro Anwendungen. Die vorliegende Arbeit stellt die Entwicklung eines Miniatur-Positioniersystems dar, in welches ein berührungsloser Wegsensor für lange Distanzen integriert wurde. Die Einzigartigkeit dieses Positionierungssystems liegt in der Einfachheit der Konstruktion in Kombination mit der Fähigkeit Bewegungen vom Mikrometer bis zum Millimeter Bereich mittels einer eingebetteten Autopilotfunktion auszuführen. Das Design besteht aus einem beweglichen Teil, welches mit vier elektrischen Linearmotoren angetrieben wird. Jeder Motor besteht aus zwei Teilen: Einem planaren elektrisch angetriebenen Schlitten und einer Anordnung von Permanentmagneten. Die Anordnung ist mit 14 Permanentenmagneten in Nord-Süd Ausrichtung realisiert. Um eine sanfte Bewegung zu erreichen wird eine Vierpunktauflage mit halbkugelförmigen Glasperlen verwendet. Hierdurch werden Adhäsionseffekte minimiert. Das Positionierungssystem kann Bewegungen im Arbeitsbereich von 10 mm × 10 mm in der xy-Ebene mit Submikrometer Auflösung und einer Geschwindigkeit von 12 mm/s ausführen. Das Gerät ist in der Lage eine Drehbewegung von ±11° um die z-Achse in der xy-Ebene auszuführen. Weiterhin wurde, um die Verschiebung des beweglichen Teils zu messen, ein kontak tloser Langstrecken-Wegsensor entworfen. Die Gesamtabmessungen des Sensors wurden mit einem geometrischen Modell optimiert. Die Herstellung des Sensors wurde mittels Mikrostrukturierung in Silizium ausgeführt um eine kompakte Abmessung zu erreichen, so dass es in den beweglichen Teil des Positionierungssystems integriert werden konnte. Der Sensor erreicht eine Auflösung von 30,8 nm in einem linearen Messbereich von 12.5 mm. Am Ende der Arbeit wurde eine neue Kreuz-Struktur konzipiert und hergestellt, gleichfalls mit Hilfe der Mikrostrukturierungstechnik. Hieraus ergibt sich die Perspektive den Langstrecken Wegsensor problemlos zu integrieren.

Modern positioning systems are significantly applied in many engineering fields dealing with products emerging from different technologies at macro-, micro- and nanoscale. These systems are the back-bone systems behind any manipulation task in these areas. Currently, miniaturization trend have led numerous scientific communities to realize down scaled versions of these systems with a footprint size up to few hundreds of millimeters. These miniature positioning systems are cost effective solutions in many micro applications. This thesis presents the development of a miniature positioning system integrated with a non-contact long range displacement sensor. The uniqueness of the presented positioning system lies in its simple design with ability to perform micrometer to millimeter level strokes with pre-embedded auto guidance feature. Its design consists of a mobile part driven with four electromagnetic linear motors. Each motor consists of a fixed two phase current carrying planar electric drive coil and permanent magnet array that is realized with 14 permanent magnets arranged in north-south configuration. In order to achieve smooth motion a four point contact technique with hemispherical glass beads has been adapted to minimize the adherence effect. The overall design of the planar positioning system have been optimized to achieve a footprint size of 80 mm × 80 mm. The device can deliver motion within working range of 10 mm × 10 mm in xy-plane with sub micrometer level resolution at a speed of 12 mm/s. The device is capable to deliver a rotation motion of ±11° about the z axis in the xy-plane. Secondly, in order to measure the displacement performed by the mobile part, a non-contact long range linear displacement sensor has been designed. The overall dimensions of the sensor were optimized using a geometrical model. The fabrication of the sensor has been carried out via microfabrication in silicon material to achieve compact dimensions, so that it could be integrated in the mobile part of the positioning system. The sensor is able to provide 30.8 nm resolution with a linear measurement range of 12.5 mm. At the end, a novel cross structure has been designed and fabricated using microfabrication with the perspective to integrate the long range sensor.

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Khan, Muneeb Ullah: Contribution to the design and fabrication of an integrated micro-positioning system. 2014.

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