Mikrogreifer und aktive Mikromontagehilfsmittel mit integrierten Antrieben

Hoxhold, Björn

Durch den laufenden Fortschritt in der Mikroelektronik und der Mikromechanik werden die Komponenten hybrider Mikrosysteme immer kleiner und oftmals empfindlicher. Die Handhabung dieser Submillimeter großen Einzelteile und die Montage zu komplexen Gesamtsystemen sind und bleiben eine besondere Herausforderung an die Aufbau- und Verbindungstechnik. Für diese steigenden Anforderungen im Bereich der Präzisions-Mikromontage wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene mechanisch klemmende Mikrogreifer entworfen und deren Fertigungsprozesse hinsichtlich Batch-Fähigkeit optimiert. Je nach Handhabungsaufgabe kann zwischen Greifern mit unterschiedlichem Design, Material und Antrieb gewählt werden. Die Spanne möglicher Greifobjektgrößen reicht dabei von ca. 1 μm bis 500 μm. Zu den Antriebsprinzipien gehören unter anderem solche auf Basis von Formgedächtnislegierungen, deren Metallfolienaktoren mittels Ätz- oder Lasertechnik strukturiert und anschließend auf Waferlevel weiterprozessiert werden. Pneumatische Mikrozylinder bilden faltenbalgähnliche Kolbenstrukturen, die durch Anlegen von Über- oder Unterdruck die Greifergetriebe antreiben. Als drittes Antriebsprinzip wird die thermische Ausdehnung elektrisch beheizter Siliziumstrukturen genutzt, um Getriebemechaniken zu bewegen. Als Basismaterialien für die kinematischen Strukturen kommen hauptsächlich SU-8 Polymer und Silizium zum Einsatz. Neben festen Aktor-Getriebe-Kombinationen wurde auch ein Baukastensystem zur flexiblen Anpassung der Greifer an die Handhabungssituation entwickelt. Ergänzend zu den Greifstrukturen wurden pneumatische Mikromontagehilfsmittel für Desktop-Factories entwickelt. Sogenannte Mikrozentrifugalförderer versorgen den Montageroboter auf Abruf mit Glaskugeln von 300 μm Durchmesser. Darüber hinaus justieren Mikrospanneinheiten wenige Millimeter große Bauteile und fixieren diese für weitere Montageprozesse. Abschließend wurden die entwickelten Mikroelemente im Mikromontageprozess eines 3D-Kraftsensors erfolgreich eingesetzt.

Due to the continuous progress in the fields of microelectronics and micromechanics, components of hybrid microsystems are becoming increasingly smaller and often increasingly fragile. The handling and assembling of these tiny parts to fabricate larger microsystems still remains a challenge in the field of packaging technologies. To keep up with these growing requirements in the scope of precision microassembly, several kinds of mechanical microgrippers have been developed and later optimized in terms of batch producibility. They are capable of handling component parts like microlenses, optical fibers and high precision balls for metrology styli or micro-ballbearings. The microparts can vary in size from 1 μm to 500 μm. Depending on the situation, different gripper materials, drives, and gripper designs can be used. Basic materials for the gripper gearings are SU-8 polymer and single crystal silicon. The actuation mechanisms are based either on shape memory alloys (SMA), pneumatic microcylinders or thermal expansion actuators. SMA actuators are shape formed from a cold rolled metal foil using wet chemical etching or laser structuring and then connected to mechanical structures on wafer level. Pneumatic cylinders are based on folded bellow structures that deflect when air pressure is applied. The third type of actuator uses the thermal expansion of heated silicon structures to drive the gripper gearing. In addition to permanent actuator-gearing-combinations, a flexible gripper construction kit was developed to provide a good adaptivity concerning the assembling situation. Two pneumatically driven auxiliary microtools were also developed to improve and to increase speed of assembling processes in desktop factories. The described microsystems are designed to function as centrifugal feeders for small glass balls or active clamping devices with small external dimensions. Both devices were successfully tested in an experimental setup for the assembly of a three-dimensional tactile force sensor.

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Hoxhold, Björn: Mikrogreifer und aktive Mikromontagehilfsmittel mit integrierten Antrieben. Aachen 2010. Shaker.

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