CN102819186B - 3t1r四自由度精密定位工作台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3T1R四自由度精密定位工作台，包括动平台、柔性末端支撑架、四个柔性支链、底座和四个压电陶瓷驱动器；所述柔性末端支撑架呈“工”字形，位于四个所述柔性支链的顶端与所述动平台之间；所述动平台固定在所述刚性支撑上；四个所述柔性支链并联在所述底座和所述柔性末端支撑架之间，并且结构相同，所述柔性支链包括通过第二弹性铰链连接的柔性主动臂和柔性从动臂；所述底座上固定有刚性支撑台，四个所述压电陶瓷驱动器水平安装在所述刚性支撑台上，分别驱动四个所述柔性支链的所述主动臂。本发明采用柔性并联结构，具有高刚度、高精度、低惯量、结构紧凑、无误差积累等优点。
Description
技术领域
本发明属于一种微操作系统，具体为一种可应用于压印光刻系统的3T1R四自由度精密定位工作台。
背景技术
纳米器件可广泛应用于电子学、光学、微机械装置、新型计算机等，是当今新材料与新器件研究领域中最富有活力的研究领域，也是元器件小型化、智能化、高集成化等的主流发展方向。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，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，光刻机超精密工件台研究，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。LeeDeug Woo等，用于纳米压印光刻过程中的自动对准系统的研究，Proceedings of the 1stInternational Conference on Positioning Technology Japan:Hamamatsu,2004年97~101（LeeDeug Woo,Lee Chae Moon,Chee Dong Hwan.A study on auto alignment system of NanoImprint 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，Precision Engineering,2001年25卷3期，192-199（B.J.Choi,S.V.Sreenivasan,S.Jonhson,M.Colburn,C.G.Wilson,Design of orientation stage for step and flash imprint lithography,PrecisionEngineering,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，Current Applied Physics,2006年第6期，1007-1011（Jae-Jong Lee,Kee-Bong Choi,Gee-Hong Kim,Design and analysis of thesingle-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极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
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种一种高刚度、高精度、低惯量、结构紧凑、无误差积累且无机械摩擦、无间隙的3T1R四自由度精密定位工作台。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种3T1R四自由度精密定位工作台，包括动平台、柔性末端支撑架、四个柔性支链、底座和四个压电陶瓷驱动器；所述柔性末端支撑架呈“工”字形，位于四个所述柔性支链的顶端与所述动平台之间，包括横截面为圆形的刚性支撑和两个刚性连接件，所述刚性支撑的竖直两端各通过一第一弹性铰链与一所述刚性连接件相连；所述动平台固定在所述刚性支撑上；四个所述柔性支链并联在所述底座和所述柔性末端支撑架之间，并且结构相同，所述柔性支链包括通过第二弹性铰链连接的柔性主动臂和柔性从动臂；所述柔性从动臂包括横向上连杆、两根竖向连杆和横向下连杆，两根所述竖向连杆的上端各通过一第三弹性铰链与所述横向上连杆连接，两根所述竖向连杆的下端各通过一第四弹性铰链与所述横向下连杆连接，所述横向上连杆、两根所述竖向连杆和所述横向下连杆形成平行四边形；所述柔性主动臂呈“L”形，在其横向部分内设有第五弹性铰链；所述柔性支链的上端通过第六弹性铰链与所述柔性末端支撑架连接，下端固连在所述底座上；相邻的两个所述柔性支链形成一组，它们的中心对称面相互平行，另外两个所述柔性支链形成另一组，它们的中心对称面共面；两组所述柔性支链的中心对称面垂直；所述底座上固定有刚性支撑台，四个所述压电陶瓷驱动器水平安装在所述刚性支撑台上，分别驱动四个所述柔性支链的所述主动臂。
所述压电陶瓷驱动器以过盈装配的方式安装在所述柔性支链和所述刚性支撑台之间。
本发明具有的优点和积极效果是：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）采用压电陶瓷驱动器推动驱动环节能够实现压印光刻过程中模板和基片间相对位置的主动调整。可作为纳米压印光刻定位系统的辅助定位平台，实现纳米压印光刻过程中的微量进给和精密定位。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明柔性末端支撑架上端面的示意图；
图3为本发明柔性末端支撑架下端面的示意图；
图4为本发明柔性支链的示意图；
图5为本发明底座的示意图；
图6为本发明中压电陶瓷驱动器的分布示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1～图6，一种3T1R四自由度精密定位工作台，包括动平台1、柔性末端支撑架2、四个柔性支链3-1、3-2、3-3、3-4、底座4和四个压电陶瓷驱动器。
柔性末端支撑架2呈“工”字形，位于四个柔性支链3-1、3-2、3-3、3-4顶端与动平台1之间，包括横截面为圆形的刚性支撑21和两个刚性连接件25，刚性支撑21的竖直两端分别通过第一弹性铰链22、23与两个刚性连接件25相连，两个刚性连接件25的左右端部分别设有螺纹孔24。四个柔性支链3-1、3-2、3-2、3-4分别通过四组螺纹孔24与柔性末端支撑架2实现螺纹连接。所述动平台1固定在所述刚性支撑21上。
请参阅图1和图4，四个柔性支链3-1、3-2、3-3、3-4并联在底座4和所述柔性末端支撑架2之间，并且结构相同，每个柔性支链均包括通过第二弹性铰链39连接的柔性主动臂37和柔性从动臂。柔性从动臂包括横向上连杆35（1）、两根竖向连杆36（1）、36（2）和横向下连杆35（2），两根竖向连杆36（1）、36（2）的上端各通过一第三弹性铰链32（1）与横向上连杆35（1）连接，两根竖向连杆36（1）、36（2）的下端各通过一第四弹性铰链32（2）与横向下连杆35（2）连接，横向上连杆35（1）、两根竖向连杆36（1）、36（2）和横向下连杆35（2）形成平行四边形。柔性主动臂呈“L”形，在其横向部分内设有第五弹性铰链33。柔性支链上端通过第六弹性铰链31与柔性末端支撑架2连接，下端固连在底座4上。柔性铰链31上设有螺纹孔34，柔性铰链31通过螺纹孔34实现与柔性末端支撑架2的螺纹连接；柔性主动臂37的横向部分上设有螺纹孔38，柔性支链通过螺纹孔38实现与底座4的螺纹连接。相邻的两个柔性支链3-1、3-2形成第一组柔性支链，它们的中心对称面相互平行，另外两个柔性支链3-3、3-4形成第二组柔性支链，它们的中心对称面共面；第一组柔性支链中每个柔性支链3-1、3-2的中心对称面与第二组柔性支链中柔性支链的中心对称面垂直。
请参阅图1、图5和图6，底座4上设置“T”形刚性支撑台42和四个螺纹孔41；“T”形刚性支撑台42用于支撑四个压电陶瓷驱动器5-1、5-2、5-3、5-4，四个柔性支链3-1、3-2、3-3、3-4通过四个螺纹孔41实现与底座4的螺纹连接。四个压电陶瓷驱动器5-1、5-2、5-3、5-4分别沿水平方向驱动四个柔性支链3-1、3-2、3-3、3-4的柔性主动臂37，实现动平台1的精密动作。为了避免压电陶瓷在驱动过程中与柔性支链脱离，四个压电陶瓷驱动器以过盈装配方式安装在四个柔性支链和刚性支撑台42之间，实现预紧，四个压电陶瓷驱动器水平放置。
上述3T1R四自由度精密定位工作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。
本发明的工作原理：
本装置可实现x-y-z-θz三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，这里首先设定x轴，y轴位于水平面内，x轴沿第一组柔性支链3-1、3-2的中心对称面方向，y轴沿第二组柔性支链3-3、3-4的中心对称面方向，而z轴垂直于x轴和y轴组成的平面且三者满足右手法则。
同时驱动两个压电陶瓷驱动器5-1、5-2，经过柔性支链3-1、3-2传递，输入作用力施加于柔性末端支撑架2，经刚性支撑21带动动平台1实现沿x方向的平动。
驱动压电陶瓷驱动器5-3（或压电陶瓷驱动器5-4），经过柔性支链3-3（或柔性支链3-4）传递后，输入作用力施加于柔性末端支撑架2的末端位置，经柔性末端支撑架2内的第一弹性铰链22、23传递给刚性支撑21，带动动平台1实现沿y方向的平动。
四个压电陶瓷驱动器5-1、5-2、5-3、5-4同时驱动，经过四个柔性支链3-1、3-2、3-3、3-4传递后，输入作用力施加于柔性末端支撑架2的四个末端位置，经刚性支撑21实现动平台1沿z方向的平动。
同时驱动两个压电陶瓷驱动器5-1、5-4（或同时驱动两个压电陶瓷驱动器5-2、5-3），经过柔性支链3-1、3-4（或柔性支链3-2、3-3）传递后，输入作用力施加于柔性末端支撑架2的末端位置，引起柔性末端支撑架2内的第一弹性铰链22、23的弹性变形，从而实现刚性支撑21以及动平台1绕z轴的转动。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种3T1R四自由度精密定位工作台，其特征在于，包括动平台、柔性末端支撑架、四个柔性支链、底座和四个压电陶瓷驱动器；
所述柔性末端支撑架呈“工”字形，位于四个所述柔性支链的顶端与所述动平台之间，包括横截面为圆形的刚性支撑和两个刚性连接件，所述刚性支撑的竖直两端各通过一第一弹性铰链与一所述刚性连接件相连；
所述动平台固定在所述刚性支撑上；
四个所述柔性支链并联在所述底座和所述柔性末端支撑架之间，四个所述柔性支链结构相同，所述柔性支链包括通过第二弹性铰链连接的柔性主动臂和柔性从动臂；
所述柔性从动臂包括一根横向上连杆、两根竖向连杆和一根横向下连杆，两根所述竖向连杆的上端各通过一第三弹性铰链与所述横向上连杆连接，两根所述竖向连杆的下端各通过一第四弹性铰链与所述横向下连杆连接，所述横向上连杆、两根所述竖向连杆和所述横向下连杆形成平行四边形；
所述柔性主动臂呈“L”形，在其横向部分内设有第五弹性铰链；
所述柔性支链的上端通过第六弹性铰链与所述柔性末端支撑架连接，下端固连在所述底座上；
相邻的两个所述柔性支链形成一组，它们的中心对称面相互平行，另外两个所述柔性支链形成另一组，它们的中心对称面共面；两组所述柔性支链的中心对称面垂直；
所述底座上固定有刚性支撑台，四个所述压电陶瓷驱动器水平安装在所述刚性支撑台上，分别驱动四个所述柔性支链的所述主动臂；
所述3T1R四自由度精密定位工作台具有的四个自由度是指:沿X轴、Y轴、Z轴的平动和绕Z轴的转动。
2.根据权利要求1所述3T1R四自由度精密定位工作台，其特征在于：所述压电陶瓷驱动器以过盈装配的方式安装在所述柔性支链和所述刚性支撑台之间。
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