CN101488371A

CN101488371A - 六自由度精密定位平台

Info

Publication number: CN101488371A
Application number: CNA2009100470311A
Authority: CN
Inventors: 江旭初; 齐芊枫
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2029-03-04
Also published as: CN101488371B

Abstract

本发明提供一种六自由度精密定位平台，用以承载并在六个自由度上调节吸版台的位置。六自由度精密定位平台包括水平调节平台和垂向调节平台。水平调节平台用以在X轴、Y轴、θz轴方向调节吸版台的位置，包括水平输出平台，与该吸版台固定连接，用以承载该吸版台；沿圆周平均分布的三组旋转副柔性铰链机构；通过这些旋转副柔性铰链机构与水平输出平台连接的水平基座。垂向调节平台包括三组调节机构，沿圆周平均分布，用以在Z轴、θx轴、θy轴方向调整吸版台的位置。本发明中的水平调节平台和垂向调节平台之间仅通过楔形机构和垂向柔性簧片连接，使得整个定位平台结构简单，降低了制造难度，提高了装配精度。

Description

六自由度精密定位平台

技术领域

本发明涉及一种定位平台，且特别涉及一种压电驱动器和旋转副柔性铰链构成的六自由度精密定位平台。

背景技术

在半导体设备制造、精密加工、生物医药加工和光学及图像对准等领域中，使用各种类型的精密定位平台。例如，在光刻机中采用的晶片定位平台，掩模版定位平台等。在这些领域中，精密定位平台大多需要具有多自由度，精度高等技术特点，而且在安装空间上十分有限，尤其是在高度方向。

专利CN1534689A公布了一种微调载物台。倾斜载物台通过三个圆周均匀分布在基板上的楔形段、压电驱动器、倾斜铰链以及X-Y平面的限位板簧实现Z-θx-θy三个自由度的微调定位。X-Y载物台通过连接球铰链固定在倾斜载物台上，实现Z方向，θx方向，θy方向的微调。通过两平行分布的X轴压电驱动器、X轴铰链，以及一个Y轴压电驱动器、Y轴铰链实现X-Y载物台在X-Y-θz三个自由度的微调。顶部工作台固定在X-Y载物台上，使得顶部工作台具有X-Y-Z-θx-θy-θz六个自由度的运动。其结构比较复杂，装配精度难以保证，而且其柔性机构采用了球副铰链，其调节的行程有限。

发明内容

本发明提出一种压电驱动器和旋转副柔性铰链构成的六自由度精密定位平台，能够解决上述问题。

为了达到上述目的，本发明提供一种六自由度精密定位平台，用以承载物体并实现六个自由度调节。六自由度精密定位平台包括水平调节平台和垂向调节平台。水平调节平台包括水平输出平台，用以承载物体；沿圆周平均分布的三组旋转副柔性铰链机构；通过这些旋转副柔性铰链机构与水平输出平台连接的水平基座。垂向调节平台包括三组沿圆周平均分布的调节机构，包括垂向驱动器，用以沿水平方向驱动；楔形块，受垂向驱动器驱动在水平基座上滑动，用以实现将水平方向上的位移转化为垂直方向上的位移；垂向柔性簧片用以引导楔形快沿垂直方向移动。

可选的，还包括底座，用以承载垂向调节平台，垂向驱动器和垂向柔性簧片均固定在底座上。

可选的，其中旋转副柔性铰链机构包括：

旋转副柔性铰链，连接于所述水平基座和水平输出平台之间，且包含一凸台；水平向驱动器，用以沿水平方向驱动所述凸台。

可选的，其中垂向驱动器是压电驱动器。

可选的，其中水平向驱动器是压电驱动器。

可选的，其中楔形块含一斜面，且斜角为45°。

可选的，其中所述垂向柔性簧片限制所述水平输出平台在X-Y平面内的位移。

可选的，还包括：

水平向位移传感器，固定在水平基座上来检测水平输出平台的位置；以及

垂向位移传感器，固定在底座上来检测水平基座的位置。

本发明还提出一种六自由度精密定位平台，省去了楔形块，而是将垂向驱动器改为沿垂直方向驱动垂向柔性簧片。

本发明中的水平调节平台和垂向调节平台之间仅通过楔形机构和垂向柔性簧片连接，使得整个定位平台结构简单，降低了制造难度，提高了装配精度。

垂向调节平台采用了柔性簧片和楔形机构结合的方式，使得压电驱动器可以水平安装，减少了Z轴方向的安装空间。水平调节平台可与垂向调节平台一同位移，也可独立于垂向调节平台在X、Y、θz三个方向上进行调节。

本实施例中的定位平台采用了压电驱动器作为驱动源，保证了驱动源的高精度运动输出和快的响应速度。并通过水平位移传感器和垂向位移传感器对定位平台实施全闭环控制，提高了定位精度。

本实施例中的水平调节平台采用了具有放大功能的旋转副柔性铰链机构，垂向调节平台采用了柔性簧片，增大了平台在各个方向上的调节行程。

附图说明

图1所示为本发明较佳实施例的六自由度精密定位平台主视图。

图2所示为图1中六自由度精密定位平台沿A-A的旋转剖视图。

图3所示为本发明较佳实施例中水平调节平台的结构示意图。

图4所示为本发明较佳实施例中水平调节平台的结构原理图。

图5所示为图1中六自由度精密定位平台沿B-B的旋转剖视图。

图6所示为本发明第二实施例中垂直调节平台的结构图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

图1所示为本发明较佳实施例的六自由度精密定位平台主视图；图2所示为图1中沿A-A的旋转剖视图。请结合参考图1和图2。

本实施例揭露的六自由度精密定位平台是用来承载印有用于曝光的图形的掩模版406，以将要曝光的图形定位到指定的位置。

六自由度精密定位平台的整体结构从上到下分为吸版台103、水平调节平台、垂向调节平台和底座101。

吸版台103用来真空吸附掩模版406，以减少固定掩模版406时产生的应变。

水平调节平台用来承载物件，例如吸版台103。吸版台103包括水平基座104、水平输出平台102、三个具有放大功能并在圆周上均匀分布的旋转副柔性铰链机构(如图2所示的200)。水平调节平台的详细结构在后文中会详细描述。

吸版台103通过螺钉或其他固定方式与水平调节平台的水平输出平台102刚性连接。

垂向调节平台包括垂向驱动器402、楔形块403、垂向柔性簧片405。

垂向驱动器401通过垂向驱动器固定座401固定在底座101上；垂向柔性簧片405第一端通过螺钉与水平基座104刚性连接，第二端通过螺钉与底座101刚性连接。

底座101承载上述的垂向调节平台、水平调节平台和吸版台103，这三者通过底座101固定到其他粗调定位平台上，或其他分系统中。

下面介绍本实施例中的垂向调节平台的工作原理。

垂向调节平台是由平均分布在360°上的三组调节机构组成，沿圆周平均分布，通过45°楔形调节机构将水平方向上的位移转化为垂直方向上的位移。

这里以其中一个调节机构为例进行说明，其他两组调节机构与之相同。垂向驱动器402a通过垂向驱动器固定座401a固定在底座101上，根据加载其上的电压沿水平方向产生位移变化。

楔形块403a的第一斜面与水平线的夹角为45°，楔形块403a固定在垂向驱动器402a上，并且可滑动地连接于楔形块引导座404a上。楔形块引导座404a固定在底座101上。楔形块403a受垂向驱动器402a驱动，沿X方向产生位移时在楔形块引导座404a上沿水平方向滑动。

垂向柔性簧片405a的簧片为水平放置，因此，垂向柔性簧片405a适于让其两端连接的元件仅适合于垂向运动，而不会在X-Y平面运动。

垂向柔性簧片405a第一端通过螺钉或其他固定方式与水平基座104刚性连接，第二端与底座101刚性连接。其中，垂向柔性簧片405a的第一端具有45°的第二斜面，与楔形块403a的第一斜面接触。当楔形块403a被垂向驱动器402a驱动而沿水平方向移动时，第一斜面和第二斜面相互运动，将水平方向上的移动转变为垂直方向上的移动。

楔形块403在楔形块引导座404的约束下，限制了楔形块403在X-Y平面内的运动，垂向柔性簧片由于自有的结构特点，其在X-Y平面内具有相当的刚性。所以在通过垂向调节平台调节Z轴、θx轴、θy轴的位置时，对水平基座104在X-Y平面内赋予了限制性的刚性引导。

由于第一斜面和第二斜面的角度均为45°，因此位移转化比为1:1。本领域具有通常知识者可以推理到，若想要达到其他位移转化比，只需要调整第一斜面和第二斜面与水平线的夹角即可。

图3所示为本发明较佳实施例中水平调节平台的结构示意图。

请结合参考图1和图3，在水平调节平台中，水平输出平台102固定连接吸版台103，并通过三组旋转副柔性铰链机构与水平基座104连接。三组旋转副柔性铰链机构沿圆周平均分布。

这里以其中一个旋转副柔性铰链机构为例进行说明，其他两组旋转副柔性铰链机构与之相同。

旋转副柔性铰链机构200a包括旋转副柔性铰链205a、水平向驱动器203a和水平向驱动器支架202a组成。

旋转副柔性铰链205a一端可转动地连接水平基座104，另一端可转动地连接水平输出平台102。

水平向驱动器203a通过水平向驱动器支架202固定在水平基座104上，其一端顶住旋转副柔性铰链205a的凸台206a，并保持一定的预紧力。

水平向驱动器203a根据其上电压的不同驱动旋转副柔性铰链205a的凸台206a沿f方向产生位移。

在本实施例中采用垂向驱动器和水平向驱动器可以采用压电驱动器，也可以采用旋转电机加丝杠或其它的驱动方式。

图4所示为本发明较佳实施例中水平调节平台的结构原理图。

旋转副柔性铰链205a包括303a，连杆303a可转动地连接于杠杆302a的一端，杠杆302a的另一端可转动地链接在水平基座104上。

杠杆302a上具有凸台206a，凸台206a将杠杆302a分为长度为R₁和R₂两段。水平向驱动器203a顶住凸台206a，用以驱动凸台206a沿f方向移动。

根据杠杆原理可知，在圆周每隔120°方向上的水平向驱动器230a的微位移经过旋转副柔性铰链205放大，其放大比R_T＝(1+R₁/R₂)。

根据平面机构自由度计算公式F＝3n-2p₁-p_h(其中F为自由度，n为机构中活动构件的数目、p₁为平面低副数目、p₂为平面高副数目)可知，水平调节平台的自由度为3。

水平调节平台可与垂向调节平台一同对吸版台103进行调整，也可独立于垂向调节平台在X、Y、θz三个方向上进行调节。由于水平调节平台采用了旋转副柔性铰链205，可以保证水平调节平台在Z方向上具有较强的刚性。

本实施例中，水平调节平台还包括三个水平向位移传感器204a、204b和204c，通过传感器支架201固定在水平基座104上来实时检测水平输出平台102的位置。将三个水平向位移传感器204a、204b和204c的位移信号反馈至控制器(图未示)中，就可以形成闭环反馈。通过控制三个水平向驱动器203a、203b和203c的输出，可以精确调整水平输出平台102在X、Y、θz方向上位置和运动，实现需要的定位和精度。

另外，垂向调节平台还包括三个垂向位移传感器501a、501b(另一传感器未绘出)，请参考图5。

垂向位移传感器501a通过垂向位移传感器固定座502a固定在底座101上，与楔形块403a尽量靠近，以实时测量水平基座104的垂向位置。

将三个垂向位移传感器501a、501b和501c的位移信号反馈至控制器中，就可以形成闭环反馈，通过控制三个垂向驱动器401a、401b和401c的输出，可以精确调整水平基座104在X、Y、θz方向上位置和运动，实现需要的定位和精度。

由上述结构可见，本例中的定位平台具有在X轴、Y轴、Z轴、θx轴、θy轴、θz轴方向上的调节功能，可实现六个自由度的精密调节和定位，满足了多自由度的调节和定位需求。

图6所示为本发明第二实施例中垂直调节平台的结构图。

本实施例将图4中柔性簧片和楔形机构构成的垂向调节平台换成垂向驱动器602a的驱动方向为沿垂向移动，直接驱动柔性簧片603a，达到调节整个定位台Z轴、θx轴和θy轴三个自由度的目的。在满足垂向安装空间的前提下，可保证定位平台结构更为简单，保证运动传递的无摩擦，免润滑、高精度。

本实施例中的水平调节平台和垂向调节平台之间仅通过楔形机构和垂向柔性簧片连接，使得整个定位平台结构简单，降低了制造难度，提高了装配精度。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种六自由度精密定位平台，用以承载物体并实现六个自由度调节，包括：

水平调节平台，包括：

水平输出平台，用以承载物体；

沿圆周平均分布的三组旋转副柔性铰链机构；以及

水平基座，通过所述旋转副柔性铰链机构与水平输出平台连接；

垂向调节平台，包括三组沿圆周平均分布的调节机构，其特征在于，所述调节机构包括：

垂向驱动器，用以沿水平方向驱动楔形块；

楔形块，受所述垂向驱动器驱动在所述水平基座上滑动，用以实现将水平方向上的位移转化为垂直方向上的位移；

垂向柔性簧片，用以引导楔形块沿垂直方向移动。

2.根据权利要求1所述的六自由度精密定位平台，其特征是，还包括底座，用以承载所述垂向调节平台，所述垂向驱动器和所述垂向柔性簧片均固定在所述底座上。

3.根据权利要求1所述的六自由度精密定位平台，其特征是，所述旋转副柔性铰链机构包括：旋转副柔性铰链，连接于所述水平基座和水平输出平台之间，且包含一凸台；水平向驱动器，用以沿水平方向驱动所述凸台。

4.根据权利要求1所述的六自由度精密定位平台，其特征是，其中所述垂向驱动器是压电驱动器。

5.根据权利要求3所述的六自由度精密定位平台，其特征是，其中所述水平向驱动器是压电驱动器。

6.根据权利要求1所述的六自由度精密定位平台，其特征是，其中所述楔形块含一斜面，且斜角为45°。

7.根据权利要求1所述的六自由度精密定位平台，其特征是，其中所述垂向柔性簧片限制所述水平输出平台在X-Y平面内的位移。

8.根据权利要求1所述的六自由度精密定位平台，其特征是，还包括水平向位移传感器，固定在所述水平基座上，用以检测所述水平输出平台的位置；以及垂向位移传感器，固定在所述底座上，用以检测所述水平基座的位置。

9.一种六自由度精密定位平台，用以承载物体并实现六个自由度调节，包括：

水平调节平台，包括：

水平输出平台，用以承载物体；

沿圆周平均分布的三组旋转副柔性铰链机构；

水平基座，通过所述旋转副柔性铰链机构与水平输出平台连接；以及

垂向柔性簧片，具有第一端与水平基座固定连接；以及

垂向驱动器，与所述垂向柔性簧片相连接，并驱动其沿垂直方向运动。

10.根据权利要求9所述的六自由度精密定位平台，其特征是，还包括底座，用以承载所述垂向调节平台，所述垂向柔性簧片的第二端固定在所述底座上。

11.根据权利要求10所述的六自由度精密定位平台，其特征是，还包括：水平向位移传感器，固定在所述水平基座上，用以检测所述水平输出平台的位置；以及垂向位移传感器，固定在所述底座上，用以检测所述水平基座的位置。