CN102360160A - 一种2r1t三自由度空间柔性精密定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种2R1T三自由度空间柔性精密定位平台，其特征在于该定位平台包括由上而下顺序安装的一个动平台，一个刚性末端支撑架，三个矩形支链，三个压电陶瓷驱动器和一个刚性底座；所述动平台为倒凸台形状，所述刚性末端支撑架的形状为等边三角形，所述三个矩形支链的形状结构完全相同，包括上下横梁设计的八个单自由度柔性铰链；所述三个矩形支链沿三角形刚性底座的三条边缘设置；所述三个压电陶瓷驱动器水平放置，分别安装在每个矩形支链的两个竖直梁之间，构成H形结构；所述刚性底座为中空的等边三角形结构，所述三个矩形支链刚性固定在刚性底座上。

Description

一种2R1T三自由度空间柔性精密定位平台

技术领域

本发明涉及机械领域的微操作系统，具体为一种2R1T三自由度空间柔性精密定位平台，可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。因此，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工作台多采用气浮系统，由线性步进电机驱动，如稽钧生在其“X射线光刻机中应用的精密定位工作台”(参见航空精密制造技术，1998年34卷3期，P10～12.)中介绍的罗斯普拉纳尔光刻机和朱煜等在其“光刻机超精密工件台研究”(参见电子工业专用设备，2004年109期，P25～27.)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”(参见Lee Deug Woo，Lee Chae Moon，Chee Dong Hwan.A study on auto alignment system ofNano Imprint Lithography(NIL)process.Proceedings of the 1st International Conference onPositioning 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 of orientation stage for step and flash imprintlithography，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-BongChoi，Gee-Hong Kim，Design and analysis of the single-step nanoimprintinglithography equipment for sub-100 nm 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”(参见，中国机械工程，2005年，16卷增刊，P64-67)、严乐等，“冷压印光刻工艺精密定位工作台的研制”(参见，中国机械工程，2004年，15卷1期，P75-78)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”(参见，半导体光电，2007年，28卷5期，P676-684)中介绍的该技术。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。

考虑上述精密定位系统的不足，基于新型构型形式和驱动方式的精密定位系统研究，是纳米压印装备中的重要研究内容，对于促进IC加工技术的发展具有重要的理论意义和工程实用价值。

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2R1T三自由度空间柔性精密定位平台。该定位平台具有高刚度、高精度、低惯量、结构紧凑、无误差积累，且无机械摩擦和无间隙等特点

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种2R1T三自由度空间柔性精密定位平台，其特征在于该定位平台包括由上而下顺序安装的一个动平台，一个刚性末端支撑架，三个矩形支链，三个压电陶瓷驱动器和一个刚性底座；

所述动平台为倒凸台形状，其大直径圆台部分上面开有螺纹孔，其小直径圆柱部分外表面加工有螺纹；

所述刚性末端支撑架的主体形状为等边三角形，其中心位置开有与所述动平台小直径圆柱部分匹配的螺纹孔；其三个边中间位置分别开有一个大小相等的边缘通孔；

所述三个矩形支链的形状结构完全相同，每一个矩形支链的上横梁中心位置有一个凸块，且凸块的顶面开有顶部螺纹孔，利用该顶部螺纹孔和所述边缘通孔将所述矩形支链和所述刚性末端支撑架刚性连接；每一个矩形支链的下横梁中间位置向外延伸出一个矩形刚性块，且矩形刚性块的向前突出部分上开有螺纹通孔；每一个矩形支链上横梁从左至右分别依次均布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，每一组的半圆凹槽为上、下两个，对称分布上横梁的上、下两个端面上，且第一组半圆凹槽与第四组半圆凹槽的凹槽形状一致，并相对于上横梁的中线左右对称分布，同时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；第二组半圆凹槽与第三组半圆凹槽的凹槽形状一致，并相对于上横梁的中线左右对称分布，同时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；每一个矩形支链下横梁的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，每一组的半圆凹槽为上、下两个，对称分布在下横梁的上、下两个端面上，且第五组半圆凹槽与第八组半圆凹槽的凹槽形状一致，并相对于下横梁的中线左右对称分布，同时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；第六组半圆凹槽与第七组半圆凹槽的凹槽形状一致，并相对于下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是上端面的深，下端面的浅；

所述三个矩形支链沿三角形刚性底座的三条边缘设置，三个矩形支链两两之间的夹角为60°；每一个矩形支链的上、下横梁均与所述刚性底座的一条边缘平行；所述三个压电陶瓷驱动器水平放置，分别安装在每个矩形支链的两个竖直梁之间，构成H形结构；

所述刚性底座为中空的等边三角形结构，其三条边的中间位置各开有一个螺纹孔，利用该螺纹孔和所述螺纹通孔以及螺钉，把三个矩形支链刚性固定在刚性底座上。

与现有技术相比，本发明定位平台具有如下显著优点：

1.采用并联结构，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.采用压电陶瓷驱动器推动驱动环节，在压印光刻过程中，可实现模板和基片间相对位置的主动调整。

附图说明

图1是本发明2R1T三自由度空间柔性精密定位平台一种实施例的整体形状结构示意图；

图2是本发明2R1T三自由度空间柔性精密定位平台一种实施例的动平台形状结构示意图；

图3是本发明2R1T三自由度空间柔性精密定位平台一种实施例的刚性末端支撑架形状结构示意图；

图4是本发明2R1T三自由度空间柔性精密定位平台一种实施例的矩形支链形状结构示意图；

图5是本发明2R1T三自由度空间柔性精密定位平台一种实施例的刚性底座形状结构示意图；

图6是图4所示矩形支链形状结构的剖面图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图详细描述本发明。

本发明设计的2R1T三自由度空间柔性精密定位平台(简称定位平台)，包括由上而下顺序安装的一个动平台1，一个刚性末端支撑架2，三个矩形支链3，三个压电陶瓷驱动器4和一个刚性底座5。

本发明所述动平台1(参见图1～3)为倒凸台形状，安装在定位平台的最上端，动平台1的大直径圆台部分上面开有若干螺纹孔11，通过螺纹孔11来固定加工零件，动平台1小直径圆柱部分外表面加工有螺纹12，用于与所述刚性末端支撑架2刚性连接。

本发明所述刚性末端支撑架2(参见图3)为等边三角形，实施例的刚性末端支撑架2主体形状为等边三角形，且三个角加工为长度相同的短边，构成三条长边和三条短边的六边形，刚性支撑架2的中心位置开有与所述动平台1小直径圆柱部分匹配的螺纹孔22，用于与动平台1螺纹连接；刚性末端支撑架2的三个长边中间位置分别开有一个边缘通孔21，三个边缘通孔21的大小相等，彼此之间的夹角为60°，刚性支撑架2通过三个边缘通孔21分别与所述的三个矩形支链3刚性连接。

本发明所述三个矩形支链3(参见图1、4、6)形状结构完全相同，沿所述三条长边安装在刚性末端支撑架2与所述刚性底座5之间，每一个矩形支链3的上横梁中心位置有一个凸块，凸块的顶面开有顶部螺纹孔31，用于与所述刚性末端支撑架2的刚性连接；每一个矩形支链3的下横梁中间位置向外(包括向下和向前)延伸出一个矩形刚性块33，且矩形刚性块33的向前突出部分开有螺纹通孔32，用于与位于其下方的刚性底座5刚性连接；每一个矩形支链3的上横梁从左至右依次开有第一组半圆凹槽3-1，第二组半圆凹槽3-2，第三组半圆凹槽3-3和第四组半圆凹槽3-4，每一组的上、下两个半圆凹槽对称分布在上横梁的上、下两端面上，第一组半圆凹槽3-1与第四组半圆凹槽3-4的凹槽形状一致，并相对于上横梁的中线左右对称分布，且所述第一组半圆凹槽3-1的凹槽深度和第四组半圆凹槽3-4的凹槽深度是上端面的深，下端面的浅；第二组半圆凹槽3-2与第三组半圆凹槽3-3的凹槽形状一致，并相对于上横梁的中线左右对称分布；且所述第二组半圆凹槽3-2的凹槽深度与第三组半圆凹槽3-3的凹槽深度是上端面的浅，下端面的深；同样道理，每一个矩形支链3的下横梁上从右至左依次开有第五组半圆凹槽3-5，第六组半圆凹槽3-6，第七组半圆凹槽3-7和第八组半圆凹槽3-8，每一组的上、下两个半圆凹槽对称分布在下横梁的上、下两端面上，第五组半圆凹槽3-5与第八组半圆凹槽3-8的凹槽形状一致，并相对于下横梁的中线左右对称分布，且所述第五组半圆凹槽3-5的凹槽深度与第八组半圆凹槽3-8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3-6与第七组半圆凹槽3-7的凹槽形状一致，并相对于下横梁的中线左右对称分布，且所述第六组半圆凹槽3-6的凹槽深度与第七组半圆凹槽3-7的凹槽深度上端面的深，下端面的浅。

本发明所述的三个矩形支链3沿所述的三角形刚性底座5的三个边缘设置(参见图1，图5)，三个矩形支链3两两之间的夹角为60°。每一个支链3的上、下横梁均与所述的刚性底座5的三个边缘之一平行。所述的三个压电陶瓷驱动器4水平放置，分别安装在每个矩形支链3的两个竖直梁之间，构成H形或“日”字形结构；理想的是所述三个压电陶瓷驱动器分别安装在每个矩形支链的两个竖直梁的中间位置，具体说是所述压电陶瓷驱动器4的左端顶在矩形支链3左侧竖直梁的右端面中心位置上，所述压电陶瓷驱动器4的右端顶在矩形支链3右侧竖直梁的左端面中心位置上，构成H形(相对于两个竖直梁)结构或“日”字形(相对于矩形支链3)结构。为了避免所述三个压电陶瓷驱动器4与所述三个矩形支链3在工作过程中脱离，本发明采用过盈配合方式将所述压电陶瓷驱动器4安装在所述矩形支链3的内部，使得所述矩形支链3在材料弹性的作用下将所述压电陶瓷驱动器4充分压紧。

本发明所述的底座5为中空的等边三角形结构(参见图5)，位于精密定位平台的最下端。刚性底座5的三条边的中间位置各开有一个螺纹孔51。利用该螺纹孔51和所述的螺纹通孔32以及螺钉6，把所述三个矩形支链3刚性固定连接在所述的刚性底座5上。

本发明的2R1T三自由度空间柔性精密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。但不排除应用于类似要求的其他工艺过程中。

本发明定位平台可实现θx-θy-z两个转动自由度和一个平动自由度的主动调整。为了说明其工作方式，这里首先设定x轴，y轴位于水平面内，令等边三角形刚性底座5的中心为坐标系的原点，取平行于等边三角形刚性底座5的任意一个边缘所在的方向为x轴方向，则沿垂直于该边缘且过刚性底座5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。

本发明定位平台的工作过程为：同时驱动三个压电陶瓷驱动器4使其产生伸长，经过支链3上八个单自由度铰链(凹槽)3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6、3-7和3-8的传递，使得矩形支链3上横梁产生向下的运动，保证三个压电陶瓷驱动器4产生的伸长量相同，那么三个矩形支链3上横梁的下移量便会保持一致，经过与三个支链3相连的刚性末端支撑架2的运动传递，带动动平台1实现沿z方向的向下平动。当三个压电陶瓷驱动器4上施加的驱动电压以相同的规律被撤除时，三个压电陶瓷驱动器4会逐渐的恢复到原始长度，保证三个压电陶瓷驱动器4的长度缩短量相等，那么在材料自身弹性特性的作用下支链3上的单自由度八个铰链3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6、3-7和3-8逐渐恢复原状，带动矩形支链3上横梁产生向上的运动，经过刚性末端支撑架2的传递，实现动平台1沿z方向的向上平动。

如果只驱动与x轴不平行的两个压电陶瓷驱动器4，另一个不驱动(或者只驱动与x轴平行的压电陶瓷驱动器4，另两个不驱动)，对应位置上的两个矩形支链3(或一个支链3)会发生变形，带动刚性末端支撑架2的对应两个侧边(或一个侧边)向下移动，而另一个侧边(或另两个侧边)保持不动，带动动平台1实现绕x方向的转动。

如果只驱动与x轴不平行的两个压电陶瓷驱动器4中的一个，另两个不驱动，对应位置上的矩形支链3会发生变形，带动刚性末端支撑架2的对应侧边向下移动，而另两个侧边保持不动，带动动平台1实现绕y方向的转动。从而实现θx-θy-z两个转动自由度和一个平动自由度的主动调整。

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2R1T三自由度空间柔性精密定位平台，其特征在于该定位平台包括由上而下顺序安装的一个动平台，一个刚性末端支撑架，三个矩形支链，三个压电陶瓷驱动器和一个刚性底座；

所述动平台为倒凸台形状，其大直径圆台部分上面开有螺纹孔，其小直径圆柱部分外表面加工有螺纹；

所述刚性末端支撑架的形状为等边三角形，其中心位置开有与所述动平台小直径圆柱部分匹配的螺纹孔，且其三个边中间位置分别开有一个大小相等的边缘通孔；

所述三个矩形支链的形状结构完全相同，每一个矩形支链的上横梁中心位置有一个凸块，且凸块的顶面开有顶部螺纹孔，利用该顶部螺纹孔和所述边缘通孔将所述矩形支链和所述刚性末端支撑架刚性连接；每一个矩形支链的下横梁中间位置向外延伸出一个矩形刚性块，且矩形刚性块的向前突出部分上开有螺纹通孔；每一个矩形支链上横梁从左至右分别依次均布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，每一组的半圆凹槽为上、下两个，对称分布上横梁的上、下两个端面上，且第一组半圆凹槽与第四组半圆凹槽的凹槽形状一致，并相对于上横梁的中线左右对称分布，同时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；第二组半圆凹槽与第三组半圆凹槽的凹槽形状一致，并相对于上横梁的中线左右对称分布，同时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；每一个矩形支链下横梁的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，每一组的半圆凹槽为上、下两个，对称分布在下横梁的上、下两个端面上，且第五组半圆凹槽与第八组半圆凹槽的凹槽形状一致，并相对于下横梁的中线左右对称分布，同时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；第六组半圆凹槽与第七组半圆凹槽的凹槽形状一致，并相对于下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是上端面的深，下端面的浅；

所述的三个矩形支链沿三角形刚性底座的三条边缘设置，两两之间的夹角为60°；每一个矩形支链的上、下横梁均与所述刚性底座的一条边缘平行；所述三个压电陶瓷驱动器水平放置，分别安装在每个矩形支链的两个竖直梁之间，构成H形结构；

所述的刚性底座为中空的等边三角形结构，其三条边的中间位置各开有一个螺纹孔，利用该螺纹孔和所述螺纹通孔以及螺钉，把所述三个矩形支链刚性固定在刚性底座上。

2.根据权利要求1所述的2R1T三自由度空间柔性精密定位平台，其特征在于所述三个压电陶瓷驱动器分别安装在每个矩形支链的两个竖直梁的中间位置。

3.根据权利要求1或2所述的2R1T三自由度空间柔性精密定位平台，其特征在于所述压电陶瓷驱动器与矩形支链之间采用过盈配合方式安装。

4.根据权利要求1或2所述的2R1T三自由度空间柔性精密定位平台，其特征在于所述三角形刚性末端支撑架的三个角加工为长度相同的短边，构成三条长边和三条短边的六边形，

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