CN102323720A - 一种基于压电陶瓷驱动的柔性微定位平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于压电陶瓷驱动的柔性微定位平台，其特征在于它包括动平台、刚性支撑架、三个柔性支链、底座以及三个压电陶瓷驱动器，动平台位于刚性支撑架中心位置，刚性支撑架用于支撑三个柔性支链及其相连的动平台，并实现与底座的刚性连接，三个柔性支链外型呈矩形，结构完全相同，并且沿周向均匀分布在刚性支撑架内部，每一柔性支链均包含八个单自由度柔性铰链，其中四个单自由度柔性铰链分布在矩形柔性支链内侧横梁上，另四个单自由度柔性铰链分布在矩形柔性支链外侧横梁上，内外两个横梁上单自由度柔性铰链的分布位置一一对应，三个压电陶瓷驱动器分别安装在三个柔性支链的左右两端的连接梁之间。该定位平台分辨率高、动态响应速度快。
Description
技术领域
本发明属于一种机械领域的微操作系统，具体为一种基于压电陶瓷驱动的柔性微定位平台。该微定位平台具有三自由度，可实现两个直线平移动作和一个转动动作，主要应用于压印光刻系统。
背景技术
纳米压印光刻技术是一种全新的纳米图形复制方法，其优势十分明显，具有强大竞争力，从根本上展示了纳米器件生产的广阔前景，在2003年底被国际半导体蓝图机构规划为下一代32纳米节点光刻工艺的关键技术。
定位平台或工作台一直是传统光刻系统的关键部分。现有的用于光刻系统的精密定位平台多采用气浮系统，由线性步进电机驱动，如稽钧生，X射线光刻机中应用的精密定位工作台(航空精密制造技术，1998年34卷3期，10～12)中介绍的罗斯普拉纳尔光刻机和朱煜等，光刻机超精密工作台研究(电子工业专用设备，2004年109期，25～27)中介绍的国内第一套气浮精密定位工作台。滚珠式导轨和螺纹丝杠驱动机构结合形式的精密定位机构驱动速度难以达到光刻系统工作台的速度要求，应用范围受到限制。而采用步进电机通过摩擦机构驱动，由滚珠导轨带动工作台的精密定位系统，难以克服运动间歇、低速爬行和高速振动、机械稳定建立时间长、无法达到高的运动定位精度等弊病。Lee Deug Woo等，用于纳米压印光刻过程中的自动对准系统的研究(Lee Deug Woo，Lee Chae Moon，CheeDong Hwan.A study on auto alignment system of Nanoimprint Lithography(NIL)process.Proceedings of the 1st International Conference on Positioning Technology Japan：Hamamatsu，2004.97～101)中介绍的半球式空气轴承压印机利用气流阀控制压力，通过半球形的空气轴承实现承片台的平行度调整，成本低、结构简单，但调整精度有待提高。另外，采用压电陶瓷与直线电机复合驱动方式的新型精密定位系统，虽然有效的提高了纳米压印装备的定位精度、减小了系统稳定时间，但现有压印设备中末端执行件的平行度调整均采用被动方式，即通过柔性材料在压印过程中产生的弹性变形实现承片台位姿的自适应调整，限制了压印精度和质量的提高，例如B.J.Choi等，步进闪光压印光刻定位平台的设计，(B.J.Choi，S.V.Sreenivasan，S.Jonhson，M.Colburn，C.G.Wilson，Design oforientation stage for step and flash imprint lithography，Precision Engineering，2001，25(3)：192-199.)、Jae-Jong Lee等，用于制备100nm线宽特征的纳米压印光刻设备的设计与分析(Jae-Jong Lee，Kee-Bong Choi，Gee-Hong Kim，Design and analysisof the single-step nanoimprinting lithography equipment for sub-100nm linewidth，Current Applied Physics 2006，6：1007-1011.)中就报道了此种类型的设备及相关技术。也有些研究者采用被动适应、主动找平及手工调整相结合的方式，如：范细秋等，宽范围高对准精度纳米压印样机的研制(中国机械工程，2005年，16卷增刊，64-67)、严乐等，冷压印光刻工艺精密定位工作台的研制(中国机械工程，2004年，15卷1期，75-78)中报道的此类精密定位工作台设计；而另一些研究者则另辟新径，比如，董晓文等，气囊气缸式紫外纳米压印系统的设计(半导体光电，2007年，28卷5期，676-684)中介绍的技术。除此之外，全球各大压印光刻设备商业机构在纳米压印定位系统研制方面的发展也有目共睹。2008年，欧洲信息化技术研究委员会成功开发了第一代商用级紫外纳米压印光刻设备。同年10月，全球领先的纳米压印设备供应商SUSS宣布，其手动光刻机外加一个纳米压印组件，便可以对大面积图形重复进行亚50纳米的压印。
综上所述，现有用于纳米压印光刻工艺的精密定位工作台多采用自适应调整结构，即基于材料本身的弹性特性实现压印过程中承载台的位姿调整，自适应调整精密系统虽然结构简单、紧凑和成本低廉，但其定位精度，尤其平行度的调整精度较低，限制了加工精度和质量的提高。而另外一些精密定位机构虽然引入了主动调整机构，但仍采用压电陶瓷直接驱动方式但只有部分自由度实现了主动的调整，并且该方法也受到补偿压印过程中平行度误差的限制。因此，采用主动调整精密定位系统提高压印过程中的定位精度实现有效的平行度误差补偿是一项具有挑战意义的工作，具有广阔的科研和应用前景。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于压电陶瓷驱动的柔性微定位平台。该定位平台具有三自由度，可实现两个直线平移动作和一个转动动作，并具有高刚度、高精度、低惯量、结构紧凑、无误差积累、无机械摩擦、无间隙等特点。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种基于压电陶瓷驱动的柔性微定位平台，其特征在于该定位平台主要包括一个动平台、三个柔性支链、三个压电陶瓷驱动器、一个刚性支撑架和一个底座；
所述刚性支撑架为不等边六边形框架，包括沿周向间隔设置的三个长边框架和三个短边框架，刚性支撑架与所述底座用螺钉固定连接；所述动平台为三角形结构，安装在所述刚性支撑架的中心位置，动平台的三个顶角位置分别与所述三个柔性支链的内侧横梁中点位置相连接；三个柔性支链的外侧横梁中点位置分别与刚性支撑架刚性连接；所述柔性支链为矩形结构，三个柔性支链的结构完全相同，分别安装在所述动平台与刚性支撑架的三条长边框架之间，并且刚性支撑的三条长边框架中线与三个柔性支链的左右对称线重合；同时三个柔性支链的三条左右对称线分别与三角形动平台的三条边平行；
每一个柔性支链的内侧横梁从左至右依次开有第一组半圆凹槽，第二组半圆凹槽，第三组半圆凹槽和第四组半圆凹槽，每一组的上、下两个半圆凹槽对称分布在内侧横梁的上、下两端面上，第一组半圆凹槽与第四组半圆凹槽的凹槽形状一致，并相对于内侧横梁的中线左右对称分布，且所述第一组半圆凹槽的凹槽深度和第四组半圆凹槽的凹槽深度是上端面的深，下端面的浅；第二组半圆与第三组半圆凹槽的凹槽形状一致，并相对于内侧横梁的中线左右对称分布；且所述第二组半圆凹槽的凹槽深度与第三组半圆凹槽的凹槽深度是上端面的浅，下端面的深；同样道理，每一个柔性支链的外侧横梁上从右至左依次开有第五组半圆凹槽，第六组半圆凹槽，第七组半圆凹槽和第八组半圆凹槽，每一组的上、下两个半圆凹槽对称分布在外侧横梁的上、下两端面上，第五组半圆凹槽与第八组半圆凹槽的凹槽形状一致，并相对于外侧横梁的中线左右对称分布，且所述第五组半圆凹槽的凹槽深度与第八组半圆凹槽的凹槽深度是上端面的浅，下端面的深；所述第六组半圆凹槽与第七组半圆凹槽的凹槽形状一致，并相对于外侧横梁的中线左右对称分布，且所述第六组半圆凹槽的凹槽深度与第七组半圆凹槽的凹槽深度上端面的深，下端面的浅；
所述三个压电陶瓷驱动器分别安装在三个柔性支链左、右两侧的连接梁之间，压电陶瓷驱动器的左端顶在柔性支链左侧连接梁的右端面中心位置上，其右端顶在柔性支链右侧连接梁的左端面中心位置上；
所述底座是不等六边形框架结构，也包括沿周向间隔设置的三个底座长边框架和三个底座短边框架；安装时，底座通过螺纹刚性固定于所述刚性支撑架的下方，其三个底座长边框架与三个底座短边框架分别与刚性支撑架的三个长边框架和三个短边框架一一对应，且保证其内侧边缘与刚性支撑架的内侧边缘对齐。
与现有技术相比，本发明的柔性微定位平台具有如下优点：
1.采用柔性并联结构，具有高刚度、高精度、低惯量、结构紧凑、无误差积累等优点。
2.基于单自由度柔性铰链的弹性变形，所产生的铰链转角变化及执行器末端工作空间均很微小，可以有效消除并联机构固有的非线性等缺点。
3.具有三自由度，可实现两个直线平移动作和一个转动动作，且分辨率高、动态响应速度快，可作为纳米压印光刻定位系统的辅助定位平台，采用压电陶瓷驱动器推动驱动环节，可实现纳米压印光刻过程中模板和基片间相对位置的主动调整、微量进给和精密定位。
附图说明
图1是本发明基于压电陶瓷驱动的柔性微定位平台一种实施例的整体结构示意图；
图2是本发明基于压电陶瓷驱动的柔性微定位平台一种实施例的柔性支链结构示意图；
图3是本发明基于压电陶瓷驱动的柔性微定位平台一种实施例的刚性底座示意图；
图4是本发明基于压电陶瓷驱动的柔性微定位平台一种实施例图2所示柔性支链结构的剖面示意图。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图，对本发明技术方案做进一步详细说明。
简单说，本发明定位平台的特征在于，它包括动平台、刚性支撑架、三个柔性支链、底座以及三个压电陶瓷驱动器，动平台位于刚性支撑架中心位置，刚性支撑架用于支撑三个柔性支链及其相连的动平台，并实现与底座的刚性连接，三个柔性支链外型呈矩形，结构完全相同，并且沿周向均匀分布在刚性支撑架内部，每一柔性支链均包含八个单自由度柔性铰链，其中四个单自由度柔性铰链分布在矩形柔性支链内侧横梁上，另四个单自由度柔性铰链分布在矩形柔性支链外侧横梁上，内外两个横梁上单自由度柔性铰链的分布位置一一对应，三个压电陶瓷驱动器分别安装在三个柔性支链的左右两端的连接梁之间。
具体说，本发明设计的基于压电陶瓷驱动的柔性微定位平台(简称定位平台，参见图1-4)，其特征在于该定位平台主要包括一个动平台1、三个柔性支链2、三个压电陶瓷驱动器3、一个刚性支撑架6和一个底座4。
所述刚性支撑架6为不等边六边形框架，包括沿周向间隔设置的三个长边框架62和三个短边框架63，实施例的每一条长边框架62与其相邻一侧(右侧)短边框架之间的夹角为98.5°，与其相邻另一侧(左侧)短边框架之间的夹角为141.5°，每一条框架边缘的中点位置开有一个大小一致的边缘通孔61，刚性支撑架6通过所述六个边缘通孔61与所述底座4用螺钉5固定连接；所述动平台1为三角形结构，安装在所述刚性支撑架6的中心位置，动平台1的三个顶角位置分别与所述三个柔性支链2的内侧横梁(靠近动平台1或刚性支撑架6中心一侧的横梁)中点位置相连接；三个柔性支链2的外侧横梁(远离动平台1或刚性支撑架6中心一侧的横梁)中点位置分别与刚性支撑架6刚性连接；所述柔性支链2为矩形结构，三个柔性支链2的结构完全相同，分别安装在所述动平台1与刚性支撑架6的三条长边框架之间，或者说所述三个柔性支链2沿六边形框架的刚性支撑架6的周向方向均匀分布，两两的夹角均为120°，并且刚性支撑架6的三条长边框架中线与三个柔性支链2的左右对称线重合；同时三个柔性支链2的三条左右对称线分别与三角形动平台1的三条边平行。
本发明所述三个柔性支链2(参见图1、2、4)形状结构完全相同，沿所述三条长边框架62安装在刚性支撑架6与所述动平台1之间，每一个柔性支链2的内侧横梁中心与所述动平台1刚性连接；每一个柔性支链2的外侧横梁中心位置与所述长边框架62内侧中心刚性连接；每一个柔性支链2的内侧横梁从左至右依次开有第一组半圆凹槽21，第二组半圆凹槽22，第三组半圆凹槽23和第四组半圆凹槽24，每一组的上、下两个半圆凹槽对称分布在内侧横梁的上、下两端面上，第一组半圆凹槽21与第四组半圆凹槽24的凹槽形状一致，并相对于内侧横梁的中线左右对称分布，且所述第一组半圆凹槽21的凹槽深度和第四组半圆凹槽24的凹槽深度是上端面的深，下端面的浅；第二组半圆凹槽22与第三组半圆凹槽23的凹槽形状一致，并相对于内侧横梁的中线左右对称分布；且所述第二组半圆凹槽22的凹槽深度与第三组半圆凹槽23的凹槽深度是上端面的浅，下端面的深；同样道理，每一个柔性支链2的外侧横梁上从右至左依次开有第五组半圆凹槽25，第六组半圆凹槽26，第七组半圆凹槽27和第八组半圆凹槽28，每一组的上、下两个半圆凹槽对称分布在外侧横梁的上、下两端面上，第五组半圆凹槽25与第八组半圆凹槽28的凹槽形状一致，并相对于外侧横梁的中线左右对称分布，且所述第五组半圆凹槽25的凹槽深度与第八组半圆凹槽28的凹槽深度是上端面的浅，下端面的深；所述第六组半圆凹槽26与第七组半圆凹槽27的凹槽形状一致，并相对于外侧横梁的中线左右对称分布，且所述第六组半圆凹槽26的凹槽深度与第七组半圆凹槽27的凹槽深度上端面的深，下端面的浅。
本发明所述的三个压电陶瓷驱动器3分别安装在所述三个柔性支链2左、右两侧的连接梁29、20之间，所述压电陶瓷驱动器3的左端顶在柔性支链2左侧连接梁29的右端面中心位置上，其右端顶在柔性支链2右侧连接梁20的左端面中心位置上。为了避免工作过程中，所述压电陶瓷驱动器3与所述柔性支链2分离，安装时，采用过盈配合的方法、利用材料弹性特性，将所述压电陶瓷驱动器3压入柔性支链2的左右两侧的连接梁29、20之间，并稳定压紧。
本发明所述的底座4是与所述刚性支撑架6形状相似的不等六边形框架结构(参见图1、3)，也包括沿周向间隔设置的三个底座长边框架42和三个底座短边框架43，实施例的每一所述底座长边框架42与其相邻一侧(如右侧)短边框架之间的夹角为98.5°与其相邻另一侧(如左侧)短边框架之间的夹角为141.5°；安装时，底座4位于所述刚性支撑架6的下方，其三个底座长边框架42与三个底座短边框架43分别与所述刚性支撑架6的三个长边框架62和三个短边框架63一一对应，且保证其内侧边缘与所述刚性支撑架6的内侧边缘对齐，在所述底座4的六个边框的中线位置开有六个大小一致的螺纹孔41，通过该螺纹孔41和螺钉5，把所述刚性支撑架6固定连接所述的底座4上。
本发明的进一步特征是所述一个动平台1、三个柔性支链2和一个刚性支撑架6及其连接采用整体加工方式一次性获得(参见图4)。这将有利于提高定位平台本身的精度，并大幅降低加工成本。
本发明定位平台可作为纳米压印光刻定位系统的辅助定位平台，实现纳米压印过程中的微量进给和精密定位。但并不排除应用于有类似技术要求的其他定位系统中。
本发明微定位平台可实现x-y-θz两个平动自由度和一个转动自由度的主动调整。为了说明其工作方式，首先设定x轴，y轴位于水平面内，令动平台1的中心为坐标系的原点，取平行于三角形动平台1的任意一个边缘所在的方向为x轴方向，则沿垂直于该边且过动平台1中心的方向为y轴，而z轴垂直于x轴，y轴组成的平面，且三者满足右手法则。
本发明微定位平台的工作过程如下：
施加相同的驱动电压同时驱动三个压电陶瓷驱动器3使其长度增加，经过柔性支链2上八个凹槽(即单自由度柔性铰链)21、22、23、24、25、26、27、28的传递，使得柔性支链2的内侧横梁逐渐逼近压电陶瓷驱动器3，从而带动动平台1实现绕z方向的转动。当三个压电陶瓷驱动器3上施加的驱动电压按相同的变化规律被撤除时，三个压电陶瓷驱动器3逐渐的恢复到原始长度，那么在材料自身弹性特性的作用，柔性支链2上的八个凹槽(单自由度柔性铰链)21、22、23、24、25、26、27、28逐渐恢复原状，带动柔性支链2内侧横梁向远离压电陶瓷驱动器3的方向运动，从而带动动平台1实现绕z方向的反方向转动。
如果只驱动与x轴垂直的压电陶瓷驱动器3使其长度增加，另两个压电陶瓷驱动器3不驱动，那么相应位置上的柔性支链2发生弹性变形，柔性支链2内侧横梁向着压电陶瓷驱动器3方向逼近，带动动平台1实现沿x方向的平动。或者，同时在与x轴不垂直的两个压电陶瓷驱动器3上施加相同的驱动电压，另一个压电陶瓷驱动器3不驱动，那么相应位置上的两个柔性支链2发生相同情况的弹性变形，使得两个柔性支链2的内侧横梁均向着压电陶瓷驱动器3方向逼近相等的位移量，则带动动平台1实现沿x反方向的平动。
如果只驱动与x轴不垂直的两个压电陶瓷驱动器3中的一个使其长度增加，其他的两个压电陶瓷驱动器3不驱动，则对应位置上的柔性支链2发生弹性变形，柔性支链2内侧横梁向着压电陶瓷驱动器3方向逼近，带动动平台1实现沿y正方向或y反方向的平动。
本发明未述及之处适用于现有技术。
需要补充说明的是，本发明描述结构所述的“上、下”、“前、后”、“左、右”等零部件的安装方位词是依据实施例附图所示或习惯而言的，只具有相对性，或者仅是为了叙述方便，不代表该安装位置的唯一性和必须性。
Claims (4)
1.一种基于压电陶瓷驱动的柔性微定位平台，其特征在于该定位平台主要包括一个动平台、三个柔性支链、三个压电陶瓷驱动器、一个刚性支撑架和一个底座；
所述刚性支撑架为不等边六边形框架，包括沿周向间隔设置的三个长边框架和三个短边框架，刚性支撑架与所述底座用螺钉固定连接；所述动平台为三角形结构，安装在所述刚性支撑架的中心位置，动平台的三个顶角位置分别与所述三个柔性支链的内侧横梁中点位置相连接；三个柔性支链的外侧横梁中点位置分别与刚性支撑架刚性连接；所述柔性支链为矩形结构，三个柔性支链的结构完全相同，分别安装在所述动平台与刚性支撑架的三条长边框架之间，并且刚性支撑架的三条长边框架中线与三个柔性支链的左右对称线重合；同时三个柔性支链的三条左右对称线分别与三角形动平台的三条边平行；
每一个柔性支链的内侧横梁从左至右依次开有第一组半圆凹槽，第二组半圆凹槽，第三组半圆凹槽和第四组半圆凹槽，每一组的上、下两个半圆凹槽对称分布在内侧横梁的上、下两端面上，第一组半圆凹槽与第四组半圆凹槽的凹槽形状一致，并相对于内侧横梁的中线左右对称分布，且所述第一组半圆凹槽的凹槽深度和第四组半圆凹槽的凹槽深度是上端面的深，下端面的浅；第二组半圆与第三组半圆凹槽的凹槽形状一致，并相对于内侧横梁的中线左右对称分布；且所述第二组半圆凹槽的凹槽深度与第三组半圆凹槽的凹槽深度是上端面的浅，下端面的深；同样道理，每一个柔性支链的外侧横梁上从右至左依次开有第五组半圆凹槽，第六组半圆凹槽，第七组半圆凹槽和第八组半圆凹槽，每一组的上、下两个半圆凹槽对称分布在外侧横梁的上、下两端面上，第五组半圆凹槽与第八组半圆凹槽的凹槽形状一致，并相对于外侧横梁的中线左右对称分布，且所述第五组半圆凹槽的凹槽深度与第八组半圆凹槽的凹槽深度是上端面的浅，下端面的深；所述第六组半圆凹槽与第七组半圆凹槽的凹槽形状一致，并相对于外侧横梁的中线左右对称分布，且所述第六组半圆凹槽的凹槽深度与第七组半圆凹槽的凹槽深度上端面的深，下端面的浅；
所述三个压电陶瓷驱动器分别安装在三个柔性支链左、右两侧的连接梁之间，压电陶瓷驱动器的左端顶在柔性支链左侧连接梁的右端面中心位置上，其右端顶在柔性支链右侧连接梁的左端面中心位置上；
所述底座是不等六边形框架结构，也包括沿周向间隔设置的三个底座长边框架和三个底座短边框架；安装时，底座通过螺纹刚性固定于所述刚性支撑架的下方，其三个底座长边框架与三个底座短边框架分别与刚性支撑架的三个长边框架和三个短边框架一一对应，且保证其内侧边缘与刚性支撑架的内侧边缘对齐。
2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的柔性微定位平台，其特征在于所述的刚性支撑架的每一条长边框架与其相邻一侧短边框架之间的夹角为98.5°，与其另一侧相邻短边框架之间的夹角为141.5°；所述底座的每一所述长边框架与其相邻一侧短边框架之间的夹角为98.5°与其相邻另一侧短边框架之间的夹角为141.5°。
3.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的柔性微定位平台，其特征在于采用过盈配合的方法，利用材料的弹性特性，将所述压电陶瓷驱动器压入柔性支链左右两侧的连接梁之间。
4.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的柔性微定位平台，其特征在于所述一个动平台、三个柔性支链和一个刚性支撑架及其连接采用整体加工方式一次性获得。
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