CN107240423A - 基于柔性铰链的三维纳米工作台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于柔性铰链的三维纳米工作台，其包括：柔性铰链底座(10)，包括依次嵌套并通过柔性铰链连接的外框(11)、中框(12)及内框(13)；第一驱动器(21)，连接在中框(12)和内框(13)之间以驱动内框(13)沿X向移动；第二驱动器(22)，连接在外框(11)和中框(12)之间以驱动中框(12)沿Y向移动；第三驱动器(23)，设置在内框(13)上；载物台(30)，设置在第三驱动器(23)上，在第三驱动器(23)的作用下，载物台(30)沿Z向移动。本发明的技术方案有效的解决了现有技术中三维工作台结构复杂的问题。

Description

基于柔性铰链的三维纳米工作台

技术领域

本发明涉及超精密设备技术领域，具体涉及一种基于柔性铰链的三维纳米工作台。

背景技术

目前，纳米工作台广泛应用于半导体、航空航天、光学、激光与光电子、生物显微、计量技术等领域中，例如在半导体光刻工艺中，用于对掩模或者晶圆进行精密定位和调整；在蓝宝石基底LED晶片切割中，用于对小焦深物镜镜头进行高速随动调焦；在空间卫星通信中，用于对超远距离卫星间的扫描发现和精确对准；在光学材料表面测量用，用于驱动白光干涉系统的参考镜或者样品，以获得超高分辨率表面形貌数据；在远距离光学成像中，用于成像光束的伺服稳定，以对抗来自基座的干扰或者大气的扰动；在超高分辨生物光学成像中，用于控制聚焦点的位移，以实现对样品的分层测量成像等。

纳米工作台主要采用柔性铰链结构，柔性铰链主要靠变形来实现机构的运动、力和能量的传递和转换，没有或大大减少了机构中的间隙、摩擦、磨损及润滑等复杂问题，从而可以提高机构精度、增加可靠性、减少维护等。

专利文献CN105006255A公开了一种三自由度微定位工作台，其包括基座、动平台、三个压电陶瓷驱动器和实现运动传递的三条支链；在基座的上部安装两个压电陶瓷驱动器，在基座的底部安装一个压电陶瓷驱动器，每个压电陶瓷驱动器末端均通过锁紧螺栓固定在基座上，其顶部均通过螺纹连接球形触头；三条支链分布在基座与动平台之间，其中第一，第二支链均包括驱动环节、刚性移动块和并联球形柔性铰链组；其中刚性移动块四周连接并联球形柔性铰链组，刚性移动块左右两侧的并联球形柔性铰链组与基座相连，上侧的并联球形柔性铰链组与动平台相连，下侧的与驱动环节相连；的三条支链中各驱动环节一个侧面中部均和球形触头顶部相接触。上述结构可以实现工作台的三个方向的移动，结构比较复杂。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于柔性铰链的三维纳米工作台，以解决现有技术中三维工作台结构复杂的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于柔性铰链的三维纳米工作台，包括：柔性铰链底座，包括依次嵌套并通过柔性铰链连接的外框、中框及内框；第一驱动器，连接在中框和内框之间以驱动内框沿X向移动；第二驱动器，连接在外框和中框之间以驱动中框沿Y向移动；第三驱动器，设置在内框上；载物台，设置在第三驱动器上，在第三驱动器的作用下，载物台沿Z向移动。

进一步地，内框的内部为中空结构。

进一步地，三维纳米工作台还包括具有用于放置载玻片的放置腔且用在倒置式显微镜上使用的载物篮，载物篮的底部位于中空结构中且具有第一透光孔，载物篮的顶部安装在载物台上，载物台具有与载物篮的开口对应的第一避让孔。

进一步地，第三驱动器为两个，两个第三驱动器相对于内框的中心对称设置并支撑载物台。

进一步地，三维纳米工作台还包括第一位移传感器，第一位移传感器设置在中框上以测量内框的位移，和/或，三维纳米工作台还包括第二位移传感器，第二位移传感器设置在外框上以测量中框的位移，和/或，三维纳米工作台还包括第三位移传感器，第三位移传感器设置在内框上以测量载物台的位移。

进一步地，三维纳米工作台还包括：下盖板，安装在柔性铰链底座的底部并具有第二透光孔；封装框，设置在外框的顶部；上盖板，盖设在封装框上并具有避让载物篮的第二避让孔，载物台位于上盖板的上方且载物台的四周遮挡第二避让孔。

进一步地，中框成型有用于安装第一驱动器的第一安装凹槽；外框上成型有用于安装第二驱动器的第二安装凹槽。

进一步地，外框的部分向外侧拱起弯曲形成凹陷结构，中框的部分向外凸出形成伸入凹陷结构的第一凸出结构，第一安装凹槽成型在第一凸出结构上。

进一步地，外框的部分向外凸出形成第二凸出结构，第二安装凹槽成型在第二凸出结构上。

进一步地，第一驱动器、第二驱动器及第三驱动器均为压电陶瓷驱动器。

本发明技术方案，具有如下优点：通过三个框体依次嵌套设置，内框在第一驱动器的推动下执行X方向的位移，中框在第二驱动器的推动下相对外框执行Y方向的位移，载物台在第三驱动器的直接推动下执行Z方向的位移，上述结构实现了工作台的三个方向的移动，结构简单，降低制造成本。并且在X轴运动时，Y轴不会出现位移；在Y轴运动时，X轴也不会出现位移，即没有耦合误差，。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1示出了根据本发明的基于柔性铰链的三维纳米工作台的实施例的立体示意图；

图2示出了图1的三维纳米工作台的部分结构示意图；

图3示出了图1的三维纳米工作台的分解示意图；

图4示出了图1的三维纳米工作台的立体示意图；

图5示出了图4的柔性铰链底座的俯视示意图；

图6示出了图1的三维纳米工作台的载物篮的立体结构示意图。

其中，上述附图中的附图标记为：

10、柔性铰链底座；11、外框；111、第二安装凹槽；112、第二凸出结构；12、中框；121、第一安装凹槽；122、第一凸出结构；13、内框；21、第一驱动器；22、第二驱动器；23、第三驱动器；30、载物台；40、载物篮；41、第一透光孔；51、第一位移传感器；52、第二位移传感器；53、第三位移传感器；61、下盖板；62、封装框；63、上盖板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本实施例的基于柔性铰链的三维纳米工作台包括：柔性铰链底座10、第一驱动器21、第二驱动器22、第三驱动器23和载物台30，柔性铰链底座10，包括依次嵌套并通过柔性铰链连接的外框11、中框12及内框13；第一驱动器21连接在中框12和内框13之间以驱动内框13沿X向移动；第二驱动器22连接在外框11和中框12之间以驱动中框12沿Y向移动；第三驱动器23设置在内框13上；载物台30设置在第三驱动器23上，在第三驱动器23的作用下，载物台30沿Z向移动。其中，第一驱动器21、第二驱动器22及第三驱动器23均为压电陶瓷驱动器。通过三个框体依次嵌套设置，内框13在压电陶瓷驱动器的推动下执行X方向的位移，中框12在压电陶瓷驱动器的推动下相对外框11执行Y方向的位移，载物台30在压电陶瓷驱动器的直接推动下执行Z方向的位移，上述结构实现了工作台的三个方向的移动，结构简单，降低制造成本。同时，在X轴运动时，Y轴不会出现位移；在Y轴运动时，X轴也不会出现位移，即没有耦合误差。并且，柔性铰链和传统机构不一样，整个行程只有30微米，水平XY方向通过压电陶瓷驱动柔性铰链，压电陶瓷通电伸长，柔性铰链变形移动，实现工作台的位移，采用柔性铰链底座没有间隙、摩擦和磨损，不需要润滑及维护，从而提高了位移精度和可靠性。

在本实施例中，内框13的内部为中空结构。采用中空的结构能够保证尺寸为76.2mm×25.4mm的载玻片能够完整放入。如图3和图6所示，三维纳米工作台还包括具有用于放置载玻片的放置腔且用在倒置式显微镜上使用的载物篮40，载物篮40的底部位于中空结构中且具有第一透光孔41，载物篮40的顶部安装在载物台30上，载物台30具有与载物篮40的开口对应的第一避让孔。采用下沉式的载物篮可以适应超分辨倒置式显微系统，减小物镜和物体的距离。载物篮的相对的两侧具有向外凸出的凸耳，凸耳悬挂在第一避让孔的外侧并通过螺钉固定在载物台上。

在本实施例中，如图2所示，第三驱动器23为两个，两个第三驱动器23相对于内框13的中心对称设置并支撑载物台30，并且两个第三驱动器23位于中空结构的两侧，两个第三驱动器23直接与载物台连接，直接驱动载物台实现Z轴位移。

在本实施例中，如图2所示，三维纳米工作台还包括第一位移传感器51、第二位移传感器52和第三位移传感器53，第一位移传感器51放置在中框12上测量内框13的位移，第二位移传感器52放置在外框11上测量中框12的位移，第三位移传感器53通过垫块水平安装在内框13上测量载物台30的位移。其中，第一位移传感器51、第二位移传感器52及第三位移传感器53均为电容位移传感器，测量精度高，可大大提高该工作台位移精度和灵敏度。

在本实施例中，如图3所示，三维纳米工作台还包括：下盖板61、封装框62和上盖板63，下盖板61安装在柔性铰链底座10的底部并具有第二透光孔；封装框62设置在外框11的顶部；上盖板63盖设在封装框62上并具有避让载物篮40的第二避让孔，载物台30位于上盖板63的上方且载物台30的四周遮挡第二避让孔。下盖板61、封装框62和上盖板63起到防尘作用。

在本实施例中，如图4和图5所示，外框11的部分向外侧拱起弯曲形成凹陷结构，中框12的部分向外凸出形成伸入凹陷结构的第一凸出结构122，第一凸出结构122上成型有用于安装第一驱动器21的第一安装凹槽121。外框11的部分向外凸出形成第二凸出结构112，第二凸出结构112成型有用于安装第二驱动器22的第二安装凹槽111。上述柔性铰链底座的结构便于安装压电陶瓷驱动器，也减轻了底座的体积和重量。

下面结合图1和图6对三维纳米工作台的使用过程进行说明，在正置式显微镜下使用上述工作台时，将载玻片放置在载物台上，XY方向采用单个压电陶瓷驱动器驱动柔性铰链实现微位移，Z向驱动采用双压电陶瓷驱动器并联直驱载物台方式，电容位移传感器检测工作台三个方向的位移；在倒置式显微镜下使用上述工作台时，需要将载玻片放置在载物蓝上，其他的驱动过程与上述相同，在此不再详细赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于柔性铰链的三维纳米工作台，其特征在于，包括：

柔性铰链底座(10)，包括依次嵌套并通过柔性铰链连接的外框(11)、中框(12)及内框(13)；

第一驱动器(21)，连接在所述中框(12)和所述内框(13)之间以驱动所述内框(13)沿X向移动；

第二驱动器(22)，连接在所述外框(11)和所述中框(12)之间以驱动所述中框(12)沿Y向移动；

第三驱动器(23)，设置在所述内框(13)上；

载物台(30)，设置在所述第三驱动器(23)上，在所述第三驱动器(23)的作用下，所述载物台(30)沿Z向移动。

2.根据权利要求1所述的三维纳米工作台，其特征在于，所述内框(13)的内部为中空结构。

3.根据权利要求2所述的三维纳米工作台，其特征在于，所述三维纳米工作台还包括具有用于放置载玻片的放置腔且用在倒置式显微镜上使用的载物篮(40)，所述载物篮(40)的底部位于所述中空结构中且具有第一透光孔(41)，所述载物篮(40)的顶部安装在所述载物台(30)上，所述载物台(30)具有与所述载物篮(40)的开口对应的第一避让孔。

4.根据权利要求1所述的三维纳米工作台，其特征在于，所述第三驱动器(23)为两个，两个所述第三驱动器(23)相对于所述内框(13)的中心对称设置并支撑所述载物台(30)。

5.根据权利要求1所述的三维纳米工作台，其特征在于，所述三维纳米工作台还包括第一位移传感器(51)，所述第一位移传感器(51)设置在所述中框(12)上以测量所述内框(13)的位移，和/或，

所述三维纳米工作台还包括第二位移传感器(52)，所述第二位移传感器(52)设置在所述外框(11)上以测量所述中框(12)的位移，和/或，

所述三维纳米工作台还包括第三位移传感器(53)，所述第三位移传感器(53)设置在所述内框(13)上以测量所述载物台(30)的位移。

6.根据权利要求3所述的三维纳米工作台，其特征在于，所述三维纳米工作台还包括：

下盖板(61)，安装在所述柔性铰链底座(10)的底部并具有第二透光孔；

封装框(62)，设置在所述外框(11)的顶部；

上盖板(63)，盖设在所述封装框(62)上并具有避让所述载物篮(40)的第二避让孔，所述载物台(30)位于所述上盖板(63)的上方且所述载物台(30)的四周遮挡所述第二避让孔。

7.根据权利要求1所述的三维纳米工作台，其特征在于，所述中框(12)成型有用于安装所述第一驱动器(21)的第一安装凹槽(121)；所述外框(11)上成型有用于安装所述第二驱动器(22)的第二安装凹槽(111)。

8.根据权利要求7所述的三维纳米工作台，其特征在于，所述外框(11)的部分向外侧拱起弯曲形成凹陷结构，所述中框(12)的部分向外凸出形成伸入所述凹陷结构的第一凸出结构(122)，所述第一安装凹槽(121)成型在所述第一凸出结构(122)上。

9.根据权利要求8所述的三维纳米工作台，其特征在于，所述外框(11)的部分向外凸出形成第二凸出结构(112)，所述第二安装凹槽(111)成型在所述第二凸出结构(112)上。

10.根据权利要求1所述的三维纳米工作台，其特征在于，所述第一驱动器(21)、所述第二驱动器(22)及所述第三驱动器(23)均为压电陶瓷驱动器。