CN110253137A - 一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统 - Google Patents

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张桂鑫
潘皓宇
李烁
廖智燊
杨依明
郭晓晖
苏宇俊
陈桪
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Abstract

本发明涉及一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统。包括XY宏动运动装置、移动平台以及激光偏摆装置，XY宏动运动装置能够驱动移动平台沿X轴和Y轴方向移动；还包括减振微动平台，减震微动平台包括XY轴微动模块和Z轴微动模块，Z轴微动模块的一端与移动平台连接，另一端与XY轴微动模块连接；激光偏摆装置包括用于安装激光偏摆装置的固定板、第一减振机构、柔性放大机构和偏摆镜，柔性放大机构的一端与偏摆镜的底座连接，另一端与第一减振机构连接，第一减振机构的另一端与固定板连接；柔性放大机构内设有第一压电陶瓷；柔性放大机构设有多组，多组柔性放大机构相互配合驱动偏摆镜摆动。本发明能够有效的提高定位的精确度。

Description

一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，更具体地，涉及一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统。
背景技术
微/光电子器件朝着微型化、轻薄化、集成化的方向发展。三维纳米直写技术基于多光子聚合原理，把高能激光在光刻胶内高度聚合为一点，以实现在纳米精度上的、自由设计的形状和结构加工，是现阶段世界上精度最高的三维纳米制造技术，具有超光学衍射极限的加工分辨率。该技术可以加工精度纳米级的三维结构，制造出来的物体比细菌还小，目前多光子聚合3D光刻技术在军事隐身、超材料、生物微纳机器人及微纳光学等方面得到了广泛应用。
多光子激光加工技术利用多光子吸收效应，实现在材料内部焦点区域发生相应的物理或者化学变化，同时通过控制激光走向来实现微结构的制作，实现了对任意三维微纳结构的加工。多光子聚合技术是指物质发生多光子吸收后，引起材料内部光聚合的过程，是一种强光与物质相互作用的现象，是三阶非线性光学效应的一种。当两束光聚焦的焦点处,分子同时吸收多个光子,引发聚合反应。发生在空间一点的聚合,保证多光子聚合具有空间选择“点”聚合的能力。利用多光子聚合进行三维操控和微加工，光子晶体的加工，海量信息存储等等。
现有的加工方式是靠微动台移动到加工位置，激光偏摆镜偏摆进行加工。原因是因为是现有机构是靠微动台进行减振，但动平台的运动柔性较差，并且在高速运动依旧会出现的震动，对平台定位精度造成极大影响。这种加工方式只能进行拼接加工，若想实现无拼接加工需要微动台和偏摆镜共同运动进行加工，又因为两者一起运动误差会增大所以难以实现微动台和偏摆镜共同运动的无拼接加工，另外，偏摆装置的加工范围小，导致加工效率低下。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统，能够有效的提高定位的精确度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统，包括XY宏动运动装置、移动平台以及激光偏摆装置，所述的移动平台与XY宏动运动装置连接，XY宏动运动装置能够驱动移动平台沿X轴和Y轴方向移动；所述的激光偏摆装置位于XY宏动运动装置上方用于驱动偏摆镜运动；其中，还包括减振微动平台，所述的减震微动平台包括XY轴微动模块和Z轴微动模块，所述的Z轴微动模块的一端与移动平台连接，另一端与XY轴微动模块连接，待加工的产品位于XY轴微动模块上；所述的激光偏摆装置包括用于安装激光偏摆装置的固定板、第一减振机构、柔性放大机构和偏摆镜，柔性放大机构的一端与偏摆镜的底座连接，另一端与第一减振机构连接，第一减振机构的另一端与固定板连接；所述的柔性放大机构内设有第一压电陶瓷；所述的柔性放大机构设有多组，多组柔性放大机构相互配合驱动偏摆镜摆动。
在本发明中，通过XY宏动运动装置驱动待加工的产品进行大尺度的运动，移动到对应的位置，然后通过减振微动平台的微小运动进行补偿，实现精确定位，又因为减振微动平台具有减振功能，可以减少运动过程中的振动提高运动的精确性；同时，激光偏摆装置通过多个柔性放大机构和第一压电陶瓷的配合，实现微小的转动，对偏摆镜进行定位，而且激光偏摆装置上也设有减振机构，在驱动偏摆镜转动的过程中，避免了偏摆镜的振动，进一步的提高偏摆镜的精确定位；本发明提供的定位系统，有效了提高了定位的精确性，避免了在运动过程中产生振动而影响定位，在定位精确的情况下，便能够采用无拼接加工的方式对产品进行加工，即采用待加工的产品与偏摆镜一起运动，提高加工的效率。
进一步的，所述的XY轴微动模块包括基板、X轴位移机构、Y轴位移机构、第二减振机构以及用于放置待加工产品的微动加工平台，在所述的基板上设有用于安装X轴位移机构和Y轴位移机构的第一安装槽、用于安装微动加工平台的第二安装槽；所述的微动加工平台的四周均设有第二减振机构，位于X轴运动方向上对称设置的两个第二减振机构，其中一个与X轴位移机构的输出端连接，另一个与第二安装槽的侧壁连接；位于Y轴运动方向上对称设置的两个第二减振机构，其中一个与Y轴位移机构的输出端连接，另一个与第二安装槽的侧壁连接。通过X轴位移机构驱动微动加工平台在X轴方向上的微小运动，通过Y轴位移机构驱动微动加工平台在Y轴方向上的微小运动，通过Z轴微动模块驱动微动加工平台在Z轴方向上的微小运动；在微动加工平台的四周均设有第二减振机构，当XY宏动运动装置进行大幅度的运动时，通过减振机构能够有效避免微动加工平台产生晃动，这样当运动到指定位置时，在分别通过XY轴微动模块和Z轴微动模块对微动加工平台进行精确定位。
进一步的，所述的X轴位移机构和Y轴位移机构的结构相同，均包括第一菱形位移放大器和第二压电陶瓷；所述的第一菱形位移放大器设于第一安装槽内；所述的第二压电陶瓷设于第一菱形位移放大器的空腔中，通过输入安装块与第一菱形位移放大器的输入端连接，第一菱形位移放大器的输出端通过输出安装块与第二减振机构连接。第二压电陶瓷通电后产生形变，驱动菱形位移放大器随着形变，菱形位移放大器的形变量从输出端输出，在输出端产生位移形变，从而实现驱动微动加工平台的移动。
进一步的，所述的Z轴微动模块包括第二菱形位移放大器和第三压电陶瓷，所述的第二菱形位移放大器竖向设置，底部与移动平台连接，顶部输出端通过输出安装块与微动加工平台的底部连接；所述的第三压电陶瓷设于第二菱形位移放大器的空腔中，通过输入安装块与第二菱形位移放大器的输入端连接。作为优选的，在输出安装块与微动加工平台之间设有第三减振机构，用于避免微动加工平台在Z轴方向上的晃动。
进一步的，所述的柔性放大机构竖向设置，第一压电陶瓷横向设置；所述的柔性放大机构共设有三组，三组柔性放大机构呈正三菱柱结构设置；每组柔性放大机构均连接有一个第一减振机构。同时柔性放大机构为三角状，有三个部分的第一压电陶瓷和柔性放大机构，通过控制不同部分可以实现偏摆装置的多角度偏转，而根据通电的多少又能影响第一压电陶瓷的伸长长度，进而影响偏转角度的多少。
进一步的，在所述的XY宏动运动装置上架设有龙门架，在龙门架上设有第一安装架，第一安装架上设有位移装置，所述的激光偏摆装置通过固定板安装于位移装置上，所述的位移装置能够驱动激光偏摆装置移动；在所述的龙门架上还设有用于安装激光装置的第二安装架。激光偏摆装置通过位移装置的驱动产生位移，这样在加工的过程中，可以实现微动平台和激光偏摆装置同时移动，增大激光偏摆装置的加工范围，实现“无拼接”加工，从而提高加工的效率。
进一步的，所述的柔性放大机构包括两个竖向对称设置的竖向输入块和两个横向对称设置的横向输出块，两个竖向输入块的两端分别与两个横向输出块的两端连接构成框架形结构；所述的第一压电陶瓷的两端分别与两个竖向输入块连接。
在本发明中，激光偏摆装置通过第一压电陶瓷通电伸长，推动两端的竖向输入块，再通过柔性放大机构的微变形，将变形传动到横向输出块。由于柔性放大机构能放大第一压电陶瓷导致的变形。同时柔性放大机构为三角状，有三个部分的第一压电陶瓷和柔性放大机构，通过控制不同部分可以实现偏摆装置的多角度偏转，而根据通电的多少又能影响第一压电陶瓷的伸长长度，进而影响偏转角度的多少。在柔性放大机构上方连接有第一减振机构，第一减振机构设计为圆弧状能更好的吸收振动时产生的能量，减小振动，提高精度。
进一步的，所述的第一减振机构和第二减振机构均由弹性材料构成，为内部嵌有空槽的框型结构。减振机构的作用类似于弹簧，在振动时压缩吸收振动能量实现减振。
进一步的，还设有控制装置，所述的控制装置分别与XY宏动运动装置、减震微动平台以及激光偏摆装置电性连接，用于控制XY宏动运动装置、减震微动平台以及激光偏摆装置的协同运动。通过控制装置统一控制各个部分的协调运动，实现精确定位。
进一步的，所述的XY宏动运动装置包括X轴移动机构和Y轴移动机构，X轴移动机构与Y轴移动机构连接，通过电机驱动Y轴移动机构沿X轴方向来回移动；所述的移动平台与Y轴移动机构连接，通过电机驱动移动平台沿Y轴方向来回移动。减振微动平台和激光偏摆装置均是通过压电陶瓷进行驱动。
X轴移动机构、Y轴移动机构、减振微动平台的X轴位移机构、Y轴位移机构、Z轴微动模块、以及激光偏摆装置的驱动部件均是相互独立，各自互补干涉，能够协同运动。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统，通过XY宏动运动装置实现大幅度位移的运动，通过减振微动平台的微小运动实现位移的补偿，从而实现精确定位；同时，激光偏摆装置通过位移装置实现整体的位移，通过做个柔性放大机构和第一压电陶瓷的配合，实现偏摆镜的转动；在加工过程中可实现待加工的产品与偏摆镜同时运动，实现无拼接加工；另外，由于微动平台和偏摆装置上均设置了减振机构，通过减振机构能够有效的避免在运动过程中产生的晃动，从而提高定位的精确性。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明减振微动平台的结构示意图。
图3是本发明XY轴微动平台结构示意图。
图4是本发明Z轴微动平台结构示意图。
图5是本发明激光偏摆装置的整体结构示意图。
图6是本发明激光偏摆装置的主视图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
如图1至4所示，一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统，包括XY宏动运动装置1、移动平台2以及激光偏摆装置3，移动平台2与XY宏动运动装置1连接，XY宏动运动装置1能够驱动移动平台2沿X轴和Y轴方向移动；激光偏摆装置3位于XY宏动运动装置1上方用于驱动偏摆镜34运动；其中，还包括减振微动平台，减震微动平台4包括XY轴微动模块和Z轴微动模块41，Z轴微动模块41的一端与移动平台2连接，另一端与XY轴微动模块连接，待加工的产品位于XY轴微动模块上；激光偏摆装置3包括用于安装激光偏摆装置3的固定板31、第一减振机构32、柔性放大机构33和偏摆镜34，柔性放大机构33的一端与偏摆镜34的底座连接，另一端与第一减振机构32连接，第一减振机构32的另一端与固定板31连接；柔性放大机构33内设有第一压电陶瓷35；柔性放大机构33设有多组，多组柔性放大机构33相互配合驱动偏摆镜34摆动。
在本发明中，通过XY宏动运动装置1驱动待加工的产品进行大尺度的运动，移动到对应的位置，然后通过减振微动平台的微小运动进行补偿，实现精确定位，又因为减振微动平台具有减振功能，可以减少运动过程中的振动提高运动的精确性；同时，激光偏摆装置3通过多个柔性放大机构33和第一压电陶瓷35的配合，实现微小的转动，对偏摆镜34进行定位，而且激光偏摆装置3上也设有减振机构，在驱动偏摆镜34转动的过程中，避免了偏摆镜34的振动，进一步的提高偏摆镜34的精确定位；本发明提供的定位系统，有效了提高了定位的精确性，避免了在运动过程中产生振动而影响定位，在定位精确的情况下，便能够采用无拼接加工的方式对产品进行加工，即采用待加工的产品与偏摆镜34一起运动，提高加工的效率。
如图2所示，XY轴微动模块包括基板42、X轴位移机构43、Y轴位移机构44、第二减振机构45以及用于放置待加工产品的微动加工平台46，在基板42上设有用于安装X轴位移机构43和Y轴位移机构44的第一安装槽、用于安装微动加工平台46的第二安装槽；微动加工平台46的四周均设有第二减振机构45，位于X轴运动方向上对称设置的两个第二减振机构45，其中一个与X轴位移机构43的输出端连接，另一个与第二安装槽的侧壁连接；位于Y轴运动方向上对称设置的两个第二减振机构45，其中一个与Y轴位移机构44的输出端连接，另一个与第二安装槽的侧壁连接。通过X轴位移机构43驱动微动加工平台46在X轴方向上的微小运动，通过Y轴位移机构44驱动微动加工平台46在Y轴方向上的微小运动，通过Z轴微动模块41驱动微动加工平台46在Z轴方向上的微小运动；在微动加工平台46的四周均设有第二减振机构45，当XY宏动运动装置1进行大幅度的运动时，通过减振机构能够有效避免微动加工平台46产生晃动，这样当运动到指定位置时，在分别通过XY轴微动模块和Z轴微动模块41对微动加工平台46进行精确定位。
其中，X轴位移机构43和Y轴位移机构44的结构相同，均包括第一菱形位移放大器431和第二压电陶瓷432；第一菱形位移放大器431设于第一安装槽内；第二压电陶瓷432设于第一菱形位移放大器431的空腔中，通过输入安装块与第一菱形位移放大器431的输入端连接，第一菱形位移放大器431的输出端通过输出安装块433与第二减振机构45连接。第二压电陶瓷432通电后产生形变，驱动菱形位移放大器随着形变，菱形位移放大器的形变量从输出端输出，在输出端产生位移形变，从而实现驱动微动加工平台46的移动。
另外，Z轴微动模块41包括第二菱形位移放大器411和第三压电陶瓷412，第二菱形位移放大器411竖向设置，底部与移动平台2连接，顶部输出端通过输出安装块433与微动加工平台46的底部连接；第三压电陶瓷412设于第二菱形位移放大器411的空腔中，通过输入安装块与第二菱形位移放大器411的输入端连接。作为优选的，在输出安装块433与微动加工平台46之间设有第三减振机构，用于避免微动加工平台46在Z轴方向上的晃动。
在本实施例中，如图1所示，XY轴微动模块和Z轴微动模块41设于保护壳内，保护壳顶部设有与微动加工平台46对应的开口。
如图3和4所示，柔性放大机构33竖向设置，第一压电陶瓷35横向设置；柔性放大机构33共设有三组，三组柔性放大机构33呈正三菱柱结构设置；每组柔性放大机构33均连接有一个第一减振机构32。同时柔性放大机构33为三角状，有三个部分的第一压电陶瓷35和柔性放大机构33，通过控制不同部分可以实现偏摆装置的多角度偏转，而根据通电的多少又能影响第一压电陶瓷35的伸长长度，进而影响偏转角度的多少。
其中，柔性放大机构33包括两个竖向对称设置的竖向输入块和两个横向对称设置的横向输出块，两个竖向输入块的两端分别与两个横向输出块的两端连接构成框架形结构；第一压电陶瓷35的两端分别与两个竖向输入块连接。
在本发明中，激光偏摆装置3通过第一压电陶瓷35通电伸长，推动两端的竖向输入块，再通过柔性放大机构33的微变形，将变形传动到横向输出块。由于柔性放大机构33能放大第一压电陶瓷35导致的变形。同时柔性放大机构33为三角状，有三个部分的第一压电陶瓷35和柔性放大机构33，通过控制不同部分可以实现偏摆装置的多角度偏转，而根据通电的多少又能影响第一压电陶瓷35的伸长长度，进而影响偏转角度的多少。在柔性放大机构33上方连接有第一减振机构32，第一减振机构32设计为圆弧状能更好的吸收振动时产生的能量，减小振动，提高精度。
如图1所示，在XY宏动运动装置1上架设有龙门架5，在龙门架5上设有第一安装架51，第一安装架51上设有位移装置，激光偏摆装置3通过固定板31安装于位移装置上，位移装置能够驱动激光偏摆装置3移动；在龙门架5上还设有用于安装激光装置的第二安装架52。激光偏摆装置3通过位移装置的驱动产生位移，这样在加工的过程中，可以实现微动平台和激光偏摆装置3同时移动，增大激光偏摆装置3的加工范围，实现“无拼接”加工，从而提高加工的效率。
在一些实施例中，第一减振机构32和第二减振机构45均由弹性材料构成，为内部嵌有空槽的框型结构。减振机构的作用类似于弹簧，在振动时压缩吸收振动能量实现减振。
具体的，还设有控制装置，控制装置分别与XY宏动运动装置1、减震微动平台4以及激光偏摆装置3电性连接，用于控制XY宏动运动装置1、减震微动平台4以及激光偏摆装置3的协同运动。通过控制装置统一控制各个部分的协调运动，实现精确定位。
其中，XY宏动运动装置1包括X轴移动机构11和Y轴移动机构12，X轴移动机构11与Y轴移动机构12连接，通过电机驱动Y轴移动机构12沿X轴方向来回移动；移动平台2与Y轴移动机构12连接，通过电机驱动移动平台2沿Y轴方向来回移动。减振微动平台和激光偏摆装置3均是通过压电陶瓷进行驱动。X轴移动机构11、Y轴移动机构12、减振微动平台的X轴位移机构43、Y轴位移机构44、Z轴微动模块41、以及激光偏摆装置3的驱动部件均是相互独立，各自互补干涉，能够协同运动。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统，包括XY宏动运动装置(1)、移动平台(2)以及激光偏摆装置(3)，所述的移动平台(2)与XY宏动运动装置(1)连接，XY宏动运动装置(1)能够驱动移动平台(2)沿X轴和Y轴方向移动；所述的激光偏摆装置(3)位于XY宏动运动装置(1)上方用于驱动偏摆镜(34)运动；其特征在于，还包括减振微动平台(4)，所述的减振微动平台(4)包括XY轴微动模块和Z轴微动模块(41)，所述的Z轴微动模块(41)的一端与移动平台(2)连接，另一端与XY轴微动模块连接，待加工的产品位于XY轴微动模块上；所述的激光偏摆装置(3)包括用于安装激光偏摆装置(3)的固定板(31)、第一减振机构(32)、柔性放大机构(33)和偏摆镜(34)，柔性放大机构(33)的一端与偏摆镜(34)的底座连接，另一端与第一减振机构(32)连接，第一减振机构(32)的另一端与固定板(31)连接；
所述的柔性放大机构(33)内设有第一压电陶瓷(35)；所述的柔性放大机构(33)设有多组，多组柔性放大机构(33)相互配合驱动偏摆镜(34)摆动。
2.根据权利要求1所述的一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统，其特征在于，所述的XY轴微动模块包括基板(42)、X轴位移机构(43)、Y轴位移机构(44)、第二减振机构(45)以及用于放置待加工产品的微动加工平台(46)，在所述的基板(42)上设有用于安装X轴位移机构(43)和Y轴位移机构(44)的第一安装槽、用于安装微动加工平台(46)的第二安装槽；所述的微动加工平台(46)的四周均设有第二减振机构(45)，位于X轴运动方向上对称设置的两个第二减振机构(45)，其中一个第二减振机构(45)与X轴位移机构(43)的输出端连接，另一个与第二安装槽的侧壁连接；位于Y轴运动方向上对称设置的两个第二减振机构(45)，其中一个与Y轴位移机构(44)的输出端连接，另一个与第二安装槽的侧壁连接。
3.根据权利要求2所述的一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统，其特征在于，所述的X轴位移机构(43)和Y轴位移机构(44)的结构相同，均包括第一菱形位移放大器(431)和第二压电陶瓷(432)；所述的第一菱形位移放大器(431)设于第一安装槽内；所述的第二压电陶瓷(432)设于第一菱形位移放大器(431)的空腔中，通过输入安装块与第一菱形位移放大器(431)的输入端连接，第一菱形位移放大器(431)的输出端通过输出安装块(433)与第二减振机构(45)连接。
4.根据权利要求2所述的一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统，其特征在于，所述的Z轴微动模块(41)包括第二菱形位移放大器(411)和第三压电陶瓷(412)，所述的第二菱形位移放大器(411)竖向设置，底部与移动平台(2)连接，顶部输出端通过输出安装块(433)与微动加工平台(46)的底部连接；所述的第三压电陶瓷(412)设于第二菱形位移放大器(411)的空腔中，通过输入安装块与第二菱形位移放大器(411)的输入端连接。
5.根据权利要求2至4任一项所述的一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统，其特征在于，所述的柔性放大机构(33)竖向设置，第一压电陶瓷(35)横向设置；所述的柔性放大机构(33)共设有三组，三组柔性放大机构(33)呈正三菱柱结构设置；每组柔性放大机构(33)均连接有一个第一减振机构(32)。
6.根据权利要求5所述的一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统，其特征在于，在所述的XY宏动运动装置(1)上架设有龙门架(5)，在龙门架(5)上设有第一安装架(51)，第一安装架(51)上设有位移装置，所述的激光偏摆装置(3)通过固定板(31)安装于位移装置上，所述的位移装置能够驱动激光偏摆装置(3)移动；在所述的龙门架(5)上还设有用于安装激光装置的第二安装架(52)。
7.根据权利要求5所述的一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统，其特征在于，所述的柔性放大机构(33)包括两个竖向对称设置的竖向输入块和两个横向对称设置的横向输出块，两个竖向输入块的两端分别与两个横向输出块的两端连接构成框架形结构；所述的第一压电陶瓷(35)的两端分别与两个竖向输入块连接。
8.根据权利要求7所述的一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统，其特征在于，所述的第一减振机构(32)和第二减振机构(45)均由弹性材料构成，为内部嵌有空槽的框型结构。
9.根据权利要求8所述的一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统，其特征在于，还设有控制装置，所述的控制装置分别与XY宏动运动装置(1)、减振微动平台(4)以及激光偏摆装置(3)电性连接，用于控制XY宏动运动装置(1)、减振微动平台(4)以及激光偏摆装置(3)的协同运动。
10.根据权利要求9所述的一种多光子聚合三维纳米直写的运动定位系统，其特征在于，所述的XY宏动运动装置(1)包括X轴移动机构(11)和Y轴移动机构，X轴移动机构(11)与Y轴移动机构连接(12)，通过电机驱动Y轴移动机构沿X轴方向来回移动；所述的移动平台(2)与Y轴移动机构连接(12)，通过电机驱动移动平台(2)沿Y轴方向来回移动。
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