CN103940703A - 一种平行板间液桥快速分离的精确观测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平行板间液桥快速分离的精确观测装置。上、下基板之间通过导向轴进行连接，下基板固定安装在观测机架上，运动板套在导向轴上上下移动，下基板顶面和运动板底面分别设有上、下平面平晶组件，平行同轴的上、下平面平晶固定在上、下基板上，液桥形成在上、下平面平晶之间；驱动组件位于上基板顶面，驱动组件与运动板组件之间设有拉力测量组件，运动板上设有位移测量组件，观测机架侧面和底部装有高速相机。本发明实现精确观测平行板间液桥快速分离过程，具有平行板平行度高、分离速度垂直度高、测量精度高等优点，可实现不同分离速度条件下平行板间初始间距100μm的液桥轮廓演变和毛细作用力的精确观测。
Description
技术领域
本发明涉及一种平行板间液桥的观测装置，尤其是涉及一种平行板间液桥快速分离的精确观测装置。
背景技术
表面张力或者毛细作用力在自然界、工业以及日常生活中广泛存在，且扮演着重要角色。尤其在飞速发展的微机电技术领域中，相互靠近的两固体之间会形成液桥或者液膜，液膜或者液桥产生的毛细作用力会使间距很小的微机电系统结构产生粘附作用，对于微观操作和实验测量有着重大影响。
在浸没式光刻中，浸没液体限制在硅片上方和最后一片投影物镜的下表面之间约为100μm的缝隙区域内，并保持稳定连续的液体流动。在光刻过程中，浸没单元会有一系列运动操作，包括快速分离浸没流场缝隙。这就需要掌握微小间隙间液桥轮廓以及在快速分离过程中液桥和毛细作用力的变化，以确定快速分离的浸没流场对下硅片的影响。故需要实验装置以精确观测平行板间液桥快速分离的过程和毛细作用力的变化。
现有的对液桥和毛细作用力的观测研究主要集中于液桥的轮廓描述和拟合，以及不同因素例如液体粘性、接触面粗糙度、亲水性、接触角度等对毛细作用力的影响。但对于不同分离速度尤其是快速分离条件下的微间距平行板间液桥的轮廓演变以及相应毛细作用力的变化过程鲜有观测研究和相应精确观测装置。
发明内容
为了实现精确观测记录快速分离过程中平行板间液桥轮廓演变和毛细作用力的变化，本发明要解决的技术问题是提供一种平行板间液桥快速分离的精确观测装置，具有平行板平行度高、分离速度垂直度高、测量精度高等优点，可实现不同分离速度条件下平行板间初始间距100μm的液桥分离过程中轮廓演变和毛细作用力的观测。
本发明的技术方案如下：
本发明包括观测机架、辅助机架、运动基座组件、运动板组件、驱动组件、拉力测量组件、位移测量组件、两个高速相机组件和上、下平面平晶组件；
运动基座组件：包括导向轴、上基板和下基板，上基板和下基板之间通过四角上的导向轴进行连接，下基板固定安装在观测机架上，下基板顶面中心同轴设有下平面平晶组件，上基板和下基板之间的导向轴上设有运动板组件；
运动板组件：包括直线轴承和运动板，运动板四角均通过直线轴承套在上基板和下基板之间的导向轴上并沿导向轴上下移动，运动板底面中心同轴设有上平面平晶组件，上平面平晶组件与下平面平晶组件对应同轴；
上、下平面平晶组件：下平面平晶组件包括下平面平晶和下平面平晶固定板，下平面平晶通过下平面平晶固定板固定在下基板上；上平面平晶组件包括上平面平晶和上平面平晶固定板，上平面平晶通过上平面平晶固定板固定在运动板下平面；上平面平晶与下平面平晶平行同轴，液桥形成在上平面平晶与下平面平晶之间；
用于驱动运动板组件移动的驱动组件固定于上基板顶面，运动板上设有作为驱动组件与运动板组件之间拉力传递的拉力测量组件，运动板上两侧均设有位移测量组件，观测机架的侧面和底部装有两台用于捕捉液桥分离过程中侧面和底面轮廓演化图像的高速相机。
所述的驱动组件：包括伺服电机、电机固定装置和滚珠丝杠副，伺服电机通过电机固定装置固定安装在上基板顶面，伺服电机下端的输出轴连接有滚珠丝杠副；
所述的拉力测量组件：包括两个用于测量液桥分离过程中液桥毛细作用力的拉力传感器、测力转接板和丝杠连接板，两个拉力传感器通过测力转接板安装在运动板顶面中心的两侧，两个拉力传感器上端连接有丝杠连接板，滚珠丝杠副下端穿过上基板后与丝杠连接板连接，丝杠连接板与滚珠丝杠副的丝杠螺套连接。
所述的位移测量组件：包括两个用于测量液桥分离位移的激光位移传感器和两个传感器固定装置，两个激光位移传感器通过各自的传感器固定装置固定安装在运动板的两侧。
所述的两个高速相机组件包括第一高速相机和第二高速相机；第一高速相机通过第一相机转接板安装在观测机架侧面延伸出的辅助机架上，第一高速相机镜头朝向液桥，第一相机转接板沿液桥径向在辅助机架的导轨上移动；第二高速相机通过第二相机转接板安装在观测机架底部中心，第二高速相机镜头朝向液桥，第二相机转接板沿液桥中心轴向在观测机架的导轨上移动。
本发明具有的有益效果是：
1.本发明使用平面平晶形成平行板间液桥，通过伺服电机驱动拉动上平面平晶，实现不同速度下快速分离液桥，高速相机、拉力传感器以及激光位移传感器的综合应用，可精确观测液桥分离过程中的轮廓演变和毛细作用力的变化。
2.本发明使用两台高速相机，分别在水平方向和垂直方向上观测记录分离过程中液桥的轮廓演变，可高速捕捉记录液桥侧向和法向的轮廓变化过程。
3.本发明采用上、下大理石基板通过四根导向轴连接，下平面平晶固定于下大理石基板顶面，上平面平晶固定于运动板底面，运动板通过轴向直线轴承与运动板连接的运动组件的结构，以确保两平面平晶间的平行度和分离运动的垂直度。
4.本发明使用激光位移传感器组成的位移测量组件确定初始平面平晶间间距和测量分离距离，可实现初始间距的精确控制和较高的位移测量精度；使用拉力传感组件拉动运动板传递拉力，直接精确测量毛细作用力的变化。
附图说明
图1是本发明的立体视图。
图2是本发明主功能组件的立视图。
图3是本发明运动组件立体视图。
图中：1、观测机架，2、相机组件，2A、第一高速相机，2B、第一相机转接板，2C、第二高速相机，2D、第二相机转接板，3、平行平面平晶组件，3A、下平面平晶组件，3A1、下平面平晶，3A2、下平面平晶固定板，3B、上平面平晶组件，3B1、上平面平晶，3B2、上平面平晶固定板，4、运动板组件、4A、运动板，4B、直线轴承，5、拉力测量组件，5A、测力转接法兰，5B、S型拉力传感器，5C、丝杠连接板，6、位移测量组件，6A、激光位移传感器，6B、传感器固定装置，7、运动基座组件，7A、上基板，7B导向轴，7C、下基板，8、驱动组件，8A，伺服电机，8B、电机固定装置，8C、滚珠丝杠副，9、辅助机架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1、图2、图3所示，本发明包括观测机架1、辅助机架9、运动基座组件7、运动板组件4、驱动组件8、拉力测量组件5、位移测量组件6、两个高速相机组件2和上、下平面平晶组件。
如图2所示，运动基座组件7：包括导向轴7B、上基板7A和下基板7C，上基板7A和下基板7C之间通过四角上的导向轴7B进行连接，下基板7C固定安装在观测机架1上，下基板7C顶面中心同轴设有下平面平晶组件3A，上基板7A和下基板7C之间的导向轴7B上设有运动板组件4。
如图2所示，运动板组件4：包括直线轴承4B和运动板4A，运动板4A四角均通过直线轴承4B套在上基板7A和下基板7C之间的导向轴7B上并沿导向轴7B上下移动，运动板4A底面中心同轴设有上平面平晶组件3B，上平面平晶组件3B与下平面平晶组件3A对应同轴。
上、下平面平晶组件：如图2所示，下平面平晶组件3A包括下平面平晶3A1和下平面平晶固定板3A2，下平面平晶3A1通过下平面平晶固定板3A2固定在下基板7C上；如图3所示，上平面平晶组件3B包括上平面平晶3B1和上平面平晶固定板3B2，上平面平晶3B1通过上平面平晶固定板3B2固定在运动板4A下平面；上平面平晶3B1与下平面平晶3A1平行同轴，液桥形成在上平面平晶3B1与下平面平晶3A1之间，上、下平面平晶之间形成缝隙液桥。
如图1所示，用于驱动运动板组件4移动的驱动组件8固定于上基板7A顶面，运动板4A上设有作为驱动组件8与运动板组件4之间拉力传递的拉力测量组件5，运动板4A的两侧均设有位移测量组件6，观测机架1的侧面和底部装有两台用于捕捉液桥分离过程中侧面和底面轮廓演化图像的高速相机。
如图2所示，驱动组件8：包括伺服电机8A、电机固定装置8B和滚珠丝杠副8C，伺服电机8A通过电机固定装置8B固定安装在上基板7A顶面，伺服电机8A下端的输出轴连接有滚珠丝杠副8C，电机驱动滚珠丝杠旋转。
如图3所示，拉力测量组件5：包括两个用于测量液桥分离过程中液桥毛细作用力的拉力传感器5B、测力转接板5A和丝杠连接板5C，两个拉力传感器5B通过测力转接板5A对称安装在运动板4A顶面中心的两侧，两个拉力传感器5B上端连接有丝杠连接板5C，滚珠丝杠副8C下端穿过上基板7A后与丝杠连接板5C连接，丝杠连接板5C与滚珠丝杠副8C的丝杠螺套连接。
如图3所示，位移测量组件6：包括两个用于测量液桥分离位移的激光位移传感器6A和两个传感器固定装置6B，两个激光位移传感器6A通过各自的传感器固定装置6B对称固定安装在运动板4A的两侧，两个激光位移传感器6A的探头朝向上基板7A。
如图1所示，两个高速相机组件2包括第一高速相机2A和第二高速相机2C，两高速相机通过相机转接板安装在观测机架1上，相机转接板2B可实现移动固定；第一高速相机2A通过第一相机转接板2B安装在观测机架1侧面延伸出的辅助机架9上，第一高速相机2A镜头朝向液桥，第一相机转接板2B沿液桥径向在辅助机架9的导轨上移动；第二高速相机2C通过第二相机转接板2D安装在观测机架1底部中心，第二高速相机2C镜头朝向液桥，第二相机转接板2D沿液桥中心轴向在观测机架1的导轨上移动。
拉力传感器5B采用S型拉力传感器，型号为CYT-202，测量分离过程中的毛细作用力。
滚珠丝杠副8C中，丝杠下端穿过上基板7A与丝杠连接板5C连接，丝杠螺套与丝杠连接板5C固定连接。
滚珠丝杠副8C采用型号为BSX1202的精密滚珠丝杠，精度等级为C3，能保证定位精度和稳定运动。
上、下平面平晶之间的液桥形成方式为注入一定量体积液体，通过电机控制上、下平面平晶间距达到100μm，以形成液桥；装置中的驱动电机驱动滚珠丝杠转动，通过拉力测量组件拉动运动板，分离上、下平面平晶之间的液桥；拉力测量组件测量记录液桥分离过程的拉力变化；位移测量组件测量记录液桥分离过程的间距变化；观测机架组件上的两台高速相机分别记录液桥分离过程轮廓演变的侧面图像和底面图像。
本发明的具体实施工作过程如下：
如图1、图2、图3所示，拉力传感器5B通过测力转接板5A和丝杠连接板5C分别连接滚珠丝杠副8C和运动板4A，作为传递拉力的装置，同时直接测量运动组件的受力变化，其变化值表现为分离过程中毛细作用力的变化；运动板4A通过直线轴承轴向固定于运动基座7的四根导向轴7B，保证分离的垂直度；位移测量组件6分布在运动板4A两侧，用于调节平面平晶的平行度，定位初始间距以及精确测量分离位移；两台高速相机分别从侧向和法向高速捕捉液桥分离过程的轮廓变化；利用分布在运动板4A两侧的激光位移传感器6A调节运动板水平，保证分离速度垂直，同时调节使上、下平面平晶平行，确定平面平晶零间距时的激光位移传感器6A的测量值，得到100μm间距时的激光位移传感器测量值；在下平面平晶3A1中心注入一定体积的液体，控制伺服电机8A下移上平面平晶3B1，在上、下平面平晶之间形成液桥；利用之前激光位移传感器6A在零间距时的测量值，减去100μm即是平面平晶间距为100μm时激光位移传感器测量值，由此控制伺服电机8A驱动运动板下移直至激光位移传感器测量值显示为平面平晶间距为100μm时激光位移传感器测量值，精确实现初始间距100μm。待液桥稳定后，控制伺服电机8A驱动滚珠丝杠副8C通过拉力测量组件5快速上移上平面平晶3B1，分离平面平晶间形成的液桥；控制伺服电机8A实现不同分离速度，拉力测量组件5和位移测量组件6分别测量记录毛细作用力的变化和分离位移，第一高速相机2A和第二高速相机2C分别捕捉液桥的侧向和法向轮廓变化，故本发明装置可实现精确观测平行板间微小间距液桥的快速分离。
本发明具有平行板平行度高、分离速度垂直度高、测量精度高以及快速记录液桥图像等优点，可实现不同分离速度条件下平行板间初始间距100μm的液桥轮廓演变和毛细作用力的观测。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1. 一种平行板间液桥快速分离的精确观测装置，其特征在于：包括观测机架（1）、辅助机架（9）、运动基座组件（7）、运动板组件（4）、驱动组件（8）、拉力测量组件（5）、位移测量组件（6）、两个高速相机组件（2）和上、下平面平晶组件；
运动基座组件（7）：包括导向轴（7B）、上基板（7A）和下基板（7C），上基板（7A）和下基板（7C）之间通过四角上的导向轴（7B）进行连接，下基板（7C）固定安装在观测机架（1）上，下基板（7C）顶面中心同轴设有下平面平晶组件（3A），上基板（7A）和下基板（7C）之间的导向轴（7B）上设有运动板组件（4）；
运动板组件（4）：包括直线轴承（4B）和运动板（4A），运动板（4A）四角均通过直线轴承（4B）套在上基板（7A）和下基板（7C）之间的导向轴（7B）上并沿导向轴（7B）上下移动，运动板（4A）底面中心同轴设有上平面平晶组件（3B），上平面平晶组件（3B）与下平面平晶组件（3A）对应同轴；
上、下平面平晶组件：下平面平晶组件（3A）包括下平面平晶（3A1）和下平面平晶固定板（3A2），下平面平晶（3A1）通过下平面平晶固定板（3A2）固定在下基板（7C）上；上平面平晶组件（3B）包括上平面平晶（3B1）和上平面平晶固定板（3B2），上平面平晶（3B1）通过上平面平晶固定板（3B2）固定在运动板（4A）下平面；上平面平晶（3B1）与下平面平晶（3A1）平行同轴，液桥形成在上平面平晶（3B1）与下平面平晶（3A1）之间；
用于驱动运动板组件（4）移动的驱动组件（8）固定于上基板（7A）顶面，运动板（4A）上设有作为驱动组件（8）与运动板组件（4）之间拉力传递的拉力测量组件（5），运动板（4A）上两侧均设有位移测量组件（6），观测机架（1）的侧面和底部装有两台用于捕捉液桥分离过程中侧面和底面轮廓演化图像的高速相机。
2. 根据权利要求1所述的一种平行板间液桥快速分离的精确观测装置，其特征在于：所述的驱动组件（8）：包括伺服电机（8A）、电机固定装置（8B）和滚珠丝杠副（8C），伺服电机（8A）通过电机固定装置（8B）固定安装在上基板（7A）顶面，伺服电机（8A）下端的输出轴连接有滚珠丝杠副（8C）；
所述的拉力测量组件（5）：包括两个用于测量液桥分离过程中液桥毛细作用力的拉力传感器（5B）、测力转接板（5A）和丝杠连接板（5C），两个拉力传感器（5B）通过测力转接板（5A）安装在运动板（4A）顶面中心的两侧，两个拉力传感器（5B）上端连接有丝杠连接板（5C），滚珠丝杠副（8C）下端穿过上基板（7A）后与丝杠连接板（5C）连接，丝杠连接板（5C）与滚珠丝杠副（8C）的丝杠螺套连接。
3. 根据权利要求1所述的一种平行板间液桥快速分离的精确观测装置，其特征在于：所述的位移测量组件（6）：包括两个用于测量液桥分离位移的激光位移传感器（6A）和两个传感器固定装置（6B），两个激光位移传感器（6A）通过各自的传感器固定装置（6B）固定安装在运动板（4A）的两侧。
4. 根据权利要求1所述的一种平行板间液桥快速分离的精确观测装置，其特征在于：所述的两个高速相机组件（2）包括第一高速相机（2A）和第二高速相机（2C）；第一高速相机（2A）通过第一相机转接板（2B）安装在观测机架（1）侧面延伸出的辅助机架（9）上，第一高速相机（2A）镜头朝向液桥，第一相机转接板（2B）沿液桥径向在辅助机架（9）的导轨上移动；第二高速相机（2C）通过第二相机转接板（2D）安装在观测机架（1）底部中心，第二高速相机（2C）镜头朝向液桥，第二相机转接板（2D）沿液桥中心轴向在观测机架（1）的导轨上移动。
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