Prinzipien und Techniken der Mikrohandhabung
Eine Übersicht

Nele Brenner

Teile mit einer Größe von einigen Mikrometern bis zu wenigen Millimetern, sogenannte Mikrobauteile, werden von der Mikrosystemtechnik bis hin zur Medizintechnik vermehrt benötigt. Hierbei liegen die Herausforderungen für die Forschung und Entwicklung nicht nur in der Miniaturisierung und Entwicklung technischer Verfahren. Für die Einbindung in Produktionsprozesse werden geeignete Handhabungstechniken benötigt. Dieser Beitrag gibt eine Übersicht der Handhabungsprinzipien und –techniken zum Greifen, Fördern, Ablösen und Sortieren von Mikroobjekten. Die unterschiedlichen Prinzipien werden insbesondere an Beispielen aus dem Bereich der Greiftechnik dargestellt.

Im Vergleich zu konventionellen Handhabungstechniken werden an Handhabungssysteme für Mikrobauteile besondere Anforderungen gestellt. Durch die Miniaturisierung der Bauteile ändert sich das Verhältnis der auf das Bauteil wirkenden Kräfte. Das kleiner werdende Bauteilvolumen führt vor allem zu einer stärkeren Reduktion der volumenabhängigen Kräfte (z.B. Gravitationskraft) im Vergleich zu den flächenabhängigen Kräften (z.B. van der Waals Kraft, elektrostatische Kraft). Demzufolge dominieren die flächenabhängigen Kräfte beim Kontakt zwischen Werkzeug oder Greifer und Mikrobauteil, was störende Wirkungen während des Handhabungsprozesses auslösen kann. So kann ein durch einen Greifer aufgenommenes Mikrobauteil bei der Freigabe an der Kontaktfläche des Greifkopfes haften bleiben, da hier die Gravitationskraft die Flächenkraft nicht überwinden kann. 

Bild 1: Greifprinzipien der Mikrohandhabung.

Die Mikrohandhabungstechnik kann nach den Grundoperationen im Handhabungsprozess in die vier Bereiche Greiftechnik, Fördertechnik, Ablösetechnik und Sortiertechnik aufgeteilt werden. Die Funktionsprinzipien dieser Bereiche sind nicht überschneidungsfrei, da in manchen Fällen ein Prinzip gleichzeitig zwei oder mehrere Operationen erfüllt. Beispielsweise kann mithilfe von Luftströmung ein Mikrobauteil gegriffen, freigegeben und gefördert werden.


Greifprinzipien und ihre Grenzen

Die Operation Greifen hat die Aufgabe, die Mikrobauteile innerhalb eines begrenzten Arbeitsraums so aufzunehmen, dass eine genaue Positionierung im Anschluss sicher gewährleistet werden kann. Die Positionierung erfolgt entweder für eine direkte weitergehende Verarbeitung bzw. Montage oder dient der Unterbringung in einen Ladungsträger zum weiteren Transport. 

Generell kann zwischen zwei Greifprinzipien unterschieden werden, dem taktilen und dem berührungslosen Greifen (Bild 1). Während beim berührungslosen Greifen der Greifer und das Werkstück durch ein Zwischenmedium voneinander getrennt werden, liegt beim taktilen Greifen direkter Kontakt zwischen Greifer und Werkstück vor.


Taktile Greifprinzipien

Eine in der industriellen Praxis weit verbreitete Lösung zum Greifen stellt der reibkraftbasierte Greifer dar. Der typische Aufbau eines solchen Greifers besteht aus der zwei-Finger-Struktur. Zur Aufnahme des Werkstücks werden die beiden Finger durch eine geeignete Aktorik, z.B. mithilfe integrierter Piezo-Elemente, zugefahren und dadurch die Reibkraft auf der Kontaktfläche zum Werkstück aufgebaut. Die maximale Greifkraft kann je nach Greiferausführung von 0,1 µN bis 5 N erreichen [1]. Als Beschränkung dieses Prinzips ist vor allem die Mindestanzahl von zwei frei zugänglichen Werkstückflächen für die Greiferfinger zu erwähnen. Zusätzlich verlangt es möglichst simultanen Kontakt zwischen den Fingern und Werkstückflächen, da sonst Lagefehler bei der Aufnahme des Werkstücks auftreten können [2]. Neben der kraftschlüssigen Ausführung, besteht die Möglichkeit, das Werkstück durch Formschluss aufzunehmen. In diesem Fall wird die Greiferform dem aufzunehmenden Werkstück angepasst.

Ein Vakuumgreifer nutzt zum Anheben des Werkstücks die Druckdifferenz zwischen der umgebenden Atmosphäre und dem Inneren des Greifers. Er bietet im Vergleich zum reibkraftbasierten Greifer eine relativ ungenaue Greifposition. Weitere Beschränkungen sind die starke Abhängigkeit der Greifkraft von der Materialoberfläche und -porosität des Werkstücks sowie dem Ausschluss eines Einsatzes in Vakuumumgebung [2]. Der Vorteil des Vakuumgreifers liegt darin, dass zum Greifen lediglich eine zugängliche Werkstückfläche erforderlich ist. 

Das Wirkungsprinzip des adhäsionskraftbasierten Greifers basiert auf der adhäsiven Wirkung zwischen dem zu handhabenden Objekt und der Tastspitze des Greifers. Hierbei ist zu beachten, dass die Adhäsionskraft zwar notwendig für den Greifvorgang ist, jedoch Schwierigkeiten beim Ablösen des Werkstücks bereiten kann. Daher ist die Auswahl einer geeigneten Ablösetechnik für den adhäsionskraftbasierten Greifer von besonderer Bedeutung. Typische Handhabungsobjekte für den adhäsionskraftbasierten Greifer sind vor allem Komponenten wie Sphären aus Styropor oder Glas im Mikrometerbereich [3].

Beim kapillarkraftbasierten Greifen wird das Werkstück durch Erhöhung der Flächenspannung auf der Kontaktfläche zwischen Greifer und Werkstück aufgenommen. Die Greifkraft kann von mehreren Faktoren beeinflusst werden. Unter anderem spielen die Beschaffenheit der Greiffläche sowie der Werkstückoberfläche eine wichtige Rolle. Für eine ausreichende Greifkraft wird eine hydrophile Werkstück-Oberfläche bevorzugt [4]. In der Praxis wurde dieser Greifertyp bereits für die Handhabung von Silizium-Komponenten (2 x 2 mm²) [5] sowie Kugeln (0,3 mm) [3] erfolgreich implementiert. 

Bild 2: Strategien im Bereich der Ablösetechnik für Mikrobauteile.

Als Wirkungsprinzip des kryogenischen Greifers wird die adhäsive Eigenschaft von Eis ausgenutzt. Hierzu wird zunächst ein Wassertropfen auf die Werkstückoberfläche gespritzt, welcher anschließend auf der Kontaktfläche gefroren und somit die Adhäsionskraft zur Aufnahme des Werkstücks aufgebaut wird. Der kryogenische Greifer eignet sich für die Handhabung von Objekten mit einer Größe von 0,1 bis 5 mm. Er kann eine Greifkraft von bis zu 1 N/mm² erreichen [2]. Neben der hohen Greifkraft sind die Vorteile des kryogenischen Greifers, die weitgehende Unabhängigkeit vom Material des Werkstücks, der geringe Zeitbedarf für den Greif- und Ablösevorgang (ca. 1000 Zyklen/Std.) und die geringe Beschädigungsgefahr des Werkstücks [6].


Berührungslose Greifprinzipien

Bei den magnetischen Greifern wird die Kraft eines magnetischen Felds zum Anheben des Werkstücks genutzt. Mit diesem Prinzip kann eine Handhabung des Werkstücks sowohl mit Kontakt als auch ohne Kontakt (durch Levitation) durchgeführt werden. Im Wesentlichen kommt er bei ferromagnetischen Materialien mit hohen elektrischen Leitfähigkeiten zum Einsatz. Beispielhafte Objekte deren Handhabung über magnetische Greifer möglich ist, sind metallische Komponenten, Wasser, Eis, Zucker, Quarz sowie Wafer [4].

Ein elektrostatischer Greifer erzeugt ein homogenes oder inhomogenes elektrisches Feld, aus dem die Greifkraft generiert wird. Während mit dem inhomogenen Feld die Greifkraft für elektrisch isolierende Materialien geliefert wird, eignet sich das homogene elektrische Feld für die Handhabung von elektrisch leitfähigen Materialien [7]. Die Leistungsfähigkeit des elektrostatischen Greifers hängt stark von der Materialeigenschaft des Werkstücks sowie den Umgebungsbedingungen ab. Zudem ist der Einsatz des elektrostatischen Greifers für die empfindlichen Komponenten von Integrierten Schaltkreisen (IC) ausgeschlossen, da die IC-Komponenten durch die elektrostatischen Ladungen beschädigt werden können. Vorteile des elektrostatischen Greifers sind seine Multifunktionalität zur Ausrichtung, Positionierung und zum Fördern der Bauteile. In der Arbeit von Fantoni [8] wurde der elektrostatische Greifer bereits für die Handhabung von metallischen Zylindern mit Durchmessern von 0,25 bis 1 mm und Längen von 1 bis 4 mm erfolgreich eingesetzt. Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind Glaskugeln mit einem Durchmesser von 100 bis 800 µm [7].

Der Bernoulli-Greifer basiert auf dem Prinzip der aerodynamischen Levitation. Hierbei wird eine Luftströmung unter hohem Druck in den Greifer eingeleitet und nach dem Austritt parallel zu der Werkstückfläche sowie Greiffläche abgelenkt. Mit dieser Methode ist eine Greifkraft von 0,1 bis 10 N erzielbar. Der Bernoulli-Greifer unterliegt jedoch einigen Beschränkungen. Beispielsweise ist ein Einsatz in Vakuumumgebung sowie für poröse und nachgiebige Materialien ausgeschlossen, da der Aufbau der Greifkraft gestört wird. Für die Handhabung kommen Objekte wie Aluminiumblöcke (65 – 130 g), Gallertblöcke (35 – 175 g) sowie flache Scheiben mit einem Durchmesser von bis zu 300 mm und einem Gewicht bis zu 2 kg in Frage [9].

Der Luftkissengreifer basiert ebenfalls auf dem Prinzip der aerodynamischen Levitation. Anders als der Bernoulli-Greifer liegt hier das Werkstück jedoch über dem Greifer und wird durch die Luftströmung schwebend gehalten. Nachteilig an dieser Methode ist vor allem die horizontale Instabilität während des Handhabungsprozesses. Zudem ist eine Anwendung in der Vakuumumgebung ausgeschlossen. Als typisches Handhabungsobjekt kann eine Polymerplatte mit einer Dicke im Millimeterbereich genannt werden [10].

Bei der akustischen Levitation wird die Eigenschaft der stehenden Welle ausgenutzt. Es können zwei verschiedenen Arten unterschieden werden. Bei der ersten wird zur Generierung der stehenden Welle eine Vibrationsplatte als Quelle sowie ein Reflektor eingesetzt. An den Knotenpunkten der Stehwelle kann ein sich dort befindendes Objekt schwebend gehalten werden. Durch den Einsatz der Stehwelle ist eine Greifkraft in Höhe von 150 µN möglich. Als typisches Handhabungsobjekt für den Greifer mit Stehwelle ist ein sphärischer Kristall mit einem Durchmesser von 3 mm zu nennen [11]. Die zweite Art von akustischer Levitation ist die so genannte Nahfeld-Levitation. Hierbei wird ein ähnlicher Aufbau wie bei der Levitation durch Stehwellen eingesetzt. Der entscheidende Unterschied liegt jedoch darin, dass anstatt des Reflektors direkt das zu handhabende Bauteil eingesetzt wird, um die ankommenden Welle zu reflektieren. Als Handhabungsobjekte kommen ausschließlich planare Objekte wie Waferplatten (bis zu einem Durchmesser von 200 mm) in Frage, da das Handhabungsobjekt gleichzeitig als Reflektor dient [12]. Beide Verfahren der akustischen Levitation sind nicht für die Vakuumumgebung geeignet. 

Bild 3: Strategien im Bereich der Fördertechnik für Mikrobauteile.

Das Funktionsprinzip des optischen Greifers basiert auf der Reflexion und Brechung von Licht- bzw. Laserstrahlen. Mit dieser Methode ist eine Greifkraft von 0,1 bis 10 pN erreichbar. Daher ist die Anwendung des optischen Greifers ausschließlich auf sehr kleine und außerdem transparente dielektrische Objekte beschränkt. Als Handhabungsobjekte eignen sich beispielsweise Sphären mit einem Durchmesser von 5 µm, Bakterien, Zellen sowie Silizium-Partikel in Wasser mit einem Durchmesser von 25 nm bis zu 10 µm [13]. Die Leis-tungsfähigkeit des optischen Greifers ist abhängig vom vorhandenen Umgebungsmedium, da dieses den Brechungsindex beeinflusst. In der Arbeit von [14] wird empfohlen, den optischen Greifer bevorzugt in Flüssigkeitsumgebung einzusetzen.


Ablösetechnik

Ablösetechniken dienen dem Freigeben der aufgenommenen Bauteile beim Positioniervorgang. Bei der Handhabung von Mikrobauteilen nimmt die Bedeutung der Ablösetechnik im Vergleich zur Makrohandhabung deutlich zu. Dies lässt sich dadurch begründen, dass bei kleinen Teilen die Gravitationskraft aufgrund des geringen Gewichts deutlich unter der Größe der Adhäsionskraft zwischen den Kontaktflächen liegt und somit das Bauteil dazu tendiert, beim Ablegen auf der Kontaktfläche zu haften. Dieser Störeffekt ist besonders beim Einsatz von taktilen Greifern zu beobachten und sollte daher bei der Auslegung von Handhabungsprozessen durch die Auswahl einer passenden Ablösetechnik kompensiert werden. 

Als Ursache für das Haften der Mikrobauteile während des Positionier-vorgangs ergeben sich drei wesentliche Kräfte [15]: van der Waals Kraft, Flächenspannungskraft und elektrostatische Kraft. Die Größe dieser Störkräfte hängt auch von den vorliegenden Umweltbedingungen ab. So können je nach Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Werkstückoberfläche und –material Störkräfte in unterschiedlicher Größe auftreten. Um diese Störkräfte beim Positioniervorgang zu unterdrücken wurden verschiedene Strategien entwickelt (Bild 2).

Die Wirkung der passiven Strategien basiert einerseits auf der Anpassung der Greifereigenschaft wie Greiferform, ‑oberfläche und ‑material, andererseits wird durch die Anpassung der Umweltbedingungen eine Reduktion der Störkräfte erzielt. Im Gegensatz zu den passiven Strategien zielen die aktiven Strategien in ihrer Wirkung auf zusätzliche Greifoperationen ab, durch die bestehende Störkräfte überwunden werden können und ein präziser Positioniervorgang für das Bauteil realisiert wird. Der Zweck dieser zusätzlichen Operationen besteht einerseits darin, die benötigte Kraft zur Überwindung der Adhäsionskraft zwischen Objekten und Greifer zu liefern. Andererseits wird durch die zusätzlichen Operationen eine Verkleinerung der Kontaktfläche angestrebt, um das Trennen der Bauteile vom Greifer zu erleichtern. 


Fördertechnik

Die Fördertechnik hat im Mikrohandhabungsprozess die Aufgabe, die Mikrobauteile zu einer Bearbeitungsstation zu transportieren sowie die Transportbedarfe innerhalb einer Bearbeitungsstation zu befriedigen. Sie lässt sich ebenso wie die Greiftechniken in taktile und kontaktlose Techniken aufteilen (Bild 3). Häufig erfüllen Greifer auch gleichzeitig den Fördervorgang, wenn die Transportentfernung gering ist. 

Beispiele für taktile Förderstrategien für Mikroobjekte sind das Fördern mit Schubwerkzeug, die kraftschlussbasierte Förderung und das Fördern mit einem Wimpermechanismus. Im Vergleich zu taktilen Förderungskonzepten, weist die berührungslose Förderung jedoch bedeutende Vorteile auf [16]. Durch den Verzicht auf Kontakt mit dem Mikroobjekt kann der adhäsive Effekt beim anschließenden Ablösevorgang weitgehend unterdrückt oder sogar komplett vermieden werden. Die Beschädigungsgefahr bei empfindlichen Bauteilen wird durch die berührungslose Förderung deutlich verringert und die Handhabung und Förderung weicher Mikroobjekte ermöglicht. Analog zu den berührungslosen Greifprinzipien lassen sich auch bei der Förderung Luftströmung, Levitation und elektrostatische Kräfte nutzen. In der Praxis werden häufig Vibrationsförderer eingesetzt, die über Oberflächenvibration die Treibkraft für die Förderbewegung generieren. Hierbei wird die Förderrichtung der Mikrobauteile meistens mithilfe konstruktiver Maßnahmen wie dem Einsatz von Auslaufschrägen bestimmt.


Sortiertechnik

Die Sortiertechnik hat die Aufgabe, vermischt liegende Mikrobauteile vor dem eigentlichen Montageprozess zu sortieren, zu selektieren und zu positionieren sowie gegebenenfalls neu auszurichten. Aufgrund von Adhäsionseffekten besteht bei Mikroteilen die Gefahr, dass sie nicht nur an den Werkzeugen, sondern auch aneinander haften. Hierdurch entstehen zusätzliche Herausforderungen an die Sortiertechnik. 

Ein Beispiel einer Sortiertechnik für Mikrobauteile ist das Prinzip des Fluidic-Self-Assembly. Die zu sortierenden Bauteile werden dabei mithilfe einer Fluidströmung in formangepasste Taschen getragen. Mit dieser Methode ist es möglich, eine große Anzahl von Teilen parallel zu sortieren und genau zu positionieren [17]. 

Das Sortierprinzip mit elektrostatischer Kraft basiert auf dem Phänomen, dass innerhalb eines elektrischen Felds eine anziehende Kraft in Richtung des geringeren elektrostatischen Potenzials entsteht. Als Testobjekte wurden in elektrostatischen Sortiersystemen Dioden und Kondensatoren in recht-eckiger Ausführung (0,75 – 2 mm) sowie metallische Mikrosphären mit einem Durchmesser von 0,9 – 1,2 mm eingesetzt [18].

Ein weiteres Sortierprinzip nutzt die Kombination der spezifischen Eigenschaften hydrophiler und hydrophober Oberflächen, um die Mikrobauteile während des Montageprozesses genau zu positionieren. Mithilfe dieser Strategie kann ein simultanes Sortieren und Positionieren ermöglicht werden, in dem die hydrophoben und hydrophilen Oberflächen nach einer vordefinierten Kombination und Reihenfolge angeordnet werden. Diese Strategie wurde bei Montageprozessen für LEDs (0,8 x 1,6 mm) erfolgreich getestet [19].


Potenziale

In der wissenschaftlichen Literatur lassen sich zahlreiche Handhabungsprinzipien finden. Sie wurden an die häufig sehr empfindlichen Mikrobauteile angepasst und zeigen eine große Vielfalt an Lösungsansätzen. Sicherlich bieten sie mehr oder weniger gute Voraussetzungen für die Anwendung in der industriellen Praxis. Hier sind neben Kostenfaktoren insbesondere die Schnelligkeit und Wiederholgenauigkeit von großer Bedeutung. Um mögliche Beschädigungen der Bauteile zu vermeiden und die Prozesseffizienz zu erhöhen, sollten letztlich Strategien gefunden werden, die Handhabungsoperationen weitestgehend zu reduzieren. Um Handhabungsoperationen einzusparen, ist es daher sinnvoll, die Mikroteile so lange wie möglich im Teileverbund zu belassen.

 

 

Die Autorin dankt der DFG für die Förderung dieses Forschungsvorhabens im Rahmen des Teilprojekts C4“Simultaneous Engineering“ im Sonderforschungsbereich 747 „Mikrokalt-umformen - Prozesse, Charakterisierung, Optimierung“.

 

Schlüsselwörter:

Mikrotechnologie, Greiftechnik, Fördertechnik, Ablösetechnik, Sortiertechnik

Literatur:

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[3] Lambert, P.; Fujita, H.; Liepmann, D.: Capillary Forces in Microassembly. Berlin 2007.
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[17] Yeh, H. J.; Smith, J. S.: Fluidic assembly for the integration of GaAs light-emitting diodes on Si substrates. In: IEEE Photon. Technol. Lett. 46 (1994), S. 706-709.
[18] Fantoni, G.; Porta, M.; Santochi, M.: An electrostatic sorting device for microparts. In: Annals of the CIRP 56(2007)11, S. 21-24.
[19] Xiong, X.; Hanein, Y.; Fang, J.; Wang, Y.; Wang, W.; Schwartz, D. T.; Böhringer, K. F.: Controlled Multi-Batch Self-Assembly of Micro Devices. In: ASME/IEEE Journal of Microelectromechanical Systems 12(2003)2, S. 117-127.