CN111339677A - 一种用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台制备方法,包括如下步骤:步骤S1,根据精密定位平台运动所需的运动自由度设计并联原型机构,运用螺旋理论计算得到该并联原型机构的输入输出映射矩阵;步骤S2,利用步骤S1获得的输入输出映射矩阵进行精密定位平台建模,得到精密定位平台的拓扑优化模型,利用拓扑优化方法得到与所述输入输出映射矩阵相一致的精密定位平台,并得到精密对准平台单元密度分布图;步骤S3,根据步骤S2中得到的精密对准定位平台密度图,提取密度值在预设阈值范围之内的得到理论定位平台,并运用三维建模技术得到可用于实际生产的精密定位平台。
Description
技术领域
本发明涉及纳米压印技术领域,特别是涉及一种基于运动误差约束的用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台制备方法。
背景技术
纳米压印光刻技术是一种利用“图章”转印,实现批量纳米图形复制的方法,由于其不同于传统光刻加工方式,具有传统光刻加工技术不可比拟的优势。
纳米压印光刻设备中,不论采用的是何种压印技术,影响纳米压印光刻设备压印精度的关键因素之一,便是定位平台的定位精度,尤其在多步压印光刻设备中的影响更为明显。传统定位平台的设计方法主要有两种:机械结构堆砌和新型结构设计。机械结构堆砌主要体现在运用传统的伺服电机、滚珠丝杆等器件,组合形成精密定位平台,如现有技术中基于宏微机构联动设计得到的纳米压印装置,这类装置最突出的问题是由于刚性机构之间的装配精度影响,这种结构的定位平台在达到一定定位精度之后无法继续提升,且刚性机构在运动过程中存在摩擦磨损情况,造成机构定位性能无法保证;纳米压印的另一种设计方法为新型结构设计方法,主要体现在采用柔顺机构设计来得到精密定位平台,现有技术中通过分析空间并联机构,将空间并联机构中的刚性运动副替换为柔性铰链,使得机构一体化成型,完美解决了机构装配过程中装配误差对定位平台定位精度的影响,同时,由于采用柔性铰链替换刚性运动副,定位平台在使用过程中不存在摩擦磨损情况,也在一定程度上减少了影响定位平台定位精度的因素,但是这种直接采用柔性铰链替代刚性运动副方法,也会带来新的问题,如应力集中,影响机构使用寿命等,同时由于采用柔性铰链作为机构各部分的连接装置,其承载能力小,容易受到外界环境的干扰。
综上所述,设计一种具有定位性能好,使用寿命高,承载能力强的用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台,成为纳米压印光刻定位平台亟待解决的问题。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足,本发明之目的在于提供一种用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台制备方法,以在使得精密定位平台具有较好的刚性的同时,能够实现微纳米精度的步进精度。
为达上述及其它目的,本发明提出一种用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台制备方法,包括如下步骤:
步骤S1,根据精密定位平台运动所需的运动自由度设计并联原型机构,运用螺旋理论计算得到该并联原型机构的输入输出映射矩阵;
步骤S2,利用步骤S1获得的输入输出映射矩阵进行精密定位平台建模,得到精密定位平台的拓扑优化模型,利用拓扑优化方法得到与所述输入输出映射矩阵相一致的精密定位平台,并得到精密对准平台单元密度分布图;
步骤S3,根据步骤S2中得到的精密对准定位平台密度图,提取密度值在预设阈值范围之内的得到理论定位平台,并运用三维建模技术得到可用于实际生产的精密定位平台。
优选地,于步骤S1中,根据精密定位平台运动所需的运动自由度设计并联原型机构,在不同驱动位移输入条件下,该并联机构的定位平台在三个运动自由度上分别产生的位移大小,通过输入位移和输出位移,分别计算出驱动位移对定位平台各个运动自由度上位移的贡献值,从而获得所述输入输出位移映射矩阵。
优选地,步骤S2进一步包括:
步骤S200,将步骤S1中获得的输入输出映射矩阵用于精密定位平台建模,得到精密定位平台的拓扑优化模型;
步骤S201,利用该精密定位平台的拓扑优化模型,在给定输入驱动条件下,比较该驱动条件下定位平台实际输出位移与期望输出位移之间的差值,通过最小化差值,得到与给定输入输出位移映射矩阵相一致的精密定位平台,得到精密对准平台单元密度分布图。
优选地,步骤S200进一步包括:
步骤S200a,给定精密定位平台初始设计区域;
步骤S200b,对设计域离散,采用拓扑优化法建立精密定位平台拓扑优化模型。
优选地,于步骤S200b中,建立如下精密定位平台拓扑优化模型:
find:x=(x1,x2,...,xm)
s.t.KU=F
V/V0≤fv
3c0≤c≤4c0
0<xmin≤xm≤1
其中,表示实际映射矩阵与期望映射矩阵J元素之间的差值,为给定输入位移下的转动映射矩阵m、x是在当前模型中单元数量和各单元的单元密度,k为机构运动自由度维数,l为非期望运动自由度维数,K、U和F分别为机构整体刚度矩阵、机构节点位移矩阵和力矩阵,V、V0分别为迭代过程中当前状态下,机构体积和机构初始体积,c、c0分别为迭代过程中当前状态下,机构柔度和机构初始柔度,fv为机构优化允许保留最大体积分数,为一极小正值。
优选地,机构单元密度取值范围为[xmin,1]。
与现有技术相比,本发明一种用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台制备方法根据精密定位平台运动所需的运动自由度设计并联原型机构,运用螺旋理论计算得到该并联原型机构的输入输出映射矩阵,然后利用获得的输入输出映射矩阵进行精密定位平台建模,得到精密定位平台的拓扑优化模型,利用拓扑优化方法得到与所述输入输出映射矩阵相一致的精密定位平台,最后根据精密定位平台密度分布情况,提取密度值在一定阈值范围之内的得到理论定位平台,并运用三维建模技术得到可用于实际生产的精密定位平台,本发明可在使得精密定位平台具有较好的刚性的同时,实现微纳米精度的步进精度。
附图说明
图1为本发明一种用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台制备方法的步骤流程图;
图2为本发明具体实施例的流程图;
图3为本发明实施例中符合设计要求的并联原型机构;
图4本发明实施例中为并联原型机构构型简图;
图5为本发明实施例中精密定位平台初始设计区域;
图6为本发明实施例中优化得到的定位平台。
图7为本发明实施例中根据优化结果设计得到的最终精密定位平台
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用,本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用,在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台制备方法的步骤流程图,图2为本发明具体实施例的流程图。如图1及图2所示,本发明一种用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台制备方法,包括如下步骤:
步骤S1,根据精密定位平台运动所需的运动自由度设计并联原型机构,运用螺旋理论计算得到该并联原型机构的输入输出映射矩阵。具体地,在不同驱动位移输入条件下,该并联机构的定位平台在三个运动自由度上分别产生的位移大小,通过输入位移和输出位移,可以分别计算出驱动位移对定位平台各个运动自由度上位移的贡献值,从而获得输入输出位移映射矩阵。
在本发明具体实施例中,以传统并联机构为原型,采用并联机构中的输入输出位移映射矩阵作为精密定位平台期望输入输出位移映射矩阵。如图3所示,为一种空间3-UPU并联机构,其主要有动平台⑤、定平台⑧、以及三条支链组成,支链与动定平台连接方式为虎克铰⑦/⑨,支链则由移动副⑥构成。假设支链原长度为l,移动副作用时伸长量为Δl(极小量),则各支链运动过后有:
以动平台中心点为坐标原点,建立空间笛卡尔坐标系o-xyz,如图4所示,点A1在坐标系o-xyz中的坐标为(xA1,yA1,zA1),点B1在坐标系o-xyz中的坐标为(xB1,yB1,zB1),其余坐标类推。其中,动平台为半径为r的内接正三角形,定平台为半径为R的内接正三角形。当三条支链驱动输入分别为Δl1、Δl2Δl3时,定位平台在三个输出自由度上产生的位移分别为ΔU1ΔU2ΔU3,则有:
其中,J为输入输出位移映射矩阵,在本实施例中,根据空间原型机构,取R=60mm,r=35mm,上下平台高度差h=110mm,此时,
步骤S2,利用步骤S1获得的输入输出映射矩阵进行精密定位平台建模,得到精密定位平台的拓扑优化模型,利用拓扑优化方法得到与所述输入输出映射矩阵相一致的精密定位平台。
具体地,步骤S2进一步包括:
步骤S200,将步骤S1中获得的输入输出映射矩阵用于精密定位平台建模,得到精密定位平台的拓扑优化模型。在本发明实施例中,给定三条支链驱动输入位移Δl1=Δl2=Δl3=20μm,采用拓扑优化法设计得到精密定位平台。
具体地,步骤S200进一步包括:
步骤S200a,给定精密定位平台初始设计区域。
如图5所示,除了动平台①、定平台④作为非设计区域,支链②作为设计区域,且需在支链②中预留出压电陶瓷安装槽③。
步骤S200b,对设计域离散,采用拓扑优化法建立精密定位平台拓扑优化模型。
在本发明具体实施例中,建立如下精密定位平台拓扑优化模型:
find:x=(x1,x2,...,xm)
s.t.KU=F
V/V0≤fv
3c0≤c≤4c0
0<xmin≤xm≤1
其中,表示实际映射矩阵与期望映射矩阵J(步骤S1中获得的输入输出映射矩阵)元素之间的差值,优化的目标就是为了使实际映射矩阵与期望映射矩阵J尽可能接近,为给定输入位移下的转动映射矩阵,m、x是在当前模型中单元数量和各单元的单元密度,k为机构运动自由度维数,l为非期望运动自由度维数,K、U和F分别为机构整体刚度矩阵、机构节点位移矩阵和力矩阵,V、V0分别为迭代过程中当前状态下,机构体积和机构初始体积,c、c0分别为迭代过程中当前状态下,机构柔度和机构初始柔度,fv为机构优化允许保留最大体积分数,为一极小正值,为避免模型在求解过程中陷入奇异状态,机构单元密度x取值范围为[xmin,1],xmin表示各单元单元密度能够取得的最小值。
步骤S201,利用该精密定位平台拓扑优化模型,在给定输入驱动条件下,比较该驱动条件下定位平台实际输出位移与期望输出位移之间的差值,通过最小化差值,得到与给定输入输出位移映射矩阵相一致的精密定位平台,得到精密对准平台单元密度分布图。
在本实施例中,要求得到的精密对准平台运动范围为Δx=60μm,Δy=60μm,Δz=10μm(即给定输入驱动后,定位平台所能实现的运动范围),根据实施例中得到的位移映射矩阵J,设定图5所示的精密对准平台优化设计区域(即步骤S200a给定初始设计区域),其中,ai(i=1,2,3)为驱动输入点,o为定位平台定平台中心点,。令fv=0.3,λ=30,对拓扑优化模型优化计算得到图6所示的设计区域中各单元密度分布图。在本发明中,机构由单元组成,设计域中各单元单元密度取值不同,则最终得到的定位平台不同。当实际输出位移与期望输出位移之间的差值最小时,即近似可为相同输入条件下的输出位移相同,即其映射矩阵具有一致性,由各单元单元密度取值与映射矩阵间的对应关系,可以得到机构各单元单元密度分布情况
本发明在将精密定位平台设计与离散成有限个单元后,每个单元的单元密度均为介于0~1之间的值,通过标准求解算法,使得对平台性能贡献度低的单元的单元密度逐步趋于0,以达到消除无效单元的目的。
步骤S3,根据步骤S2中得到的精密定位平台密度分布情况,提取密度值在一定阈值范围之内的得到理论定位平台,并运用三维建模技术得到可用于实际生产的精密定位平台。
经过步骤S2得到机构各单元密度分布情况为机构的数字模型,该模型包含实体区域和空洞区域,本步骤根据单元密度分布情况得到理论定位平台的过程是去除空洞区域,使得最终的模型中仅包含单元密度在一定阈值范围以内的单元(这些单元最终组成理论定位平台)。
在本发明具体实施例中,根据上述得到的精密对准平台单元密度分布图提取精密对准平台边线,得到图7所示的精密对准平台,将该平台合理安装之后即可实现预期运动轨迹。
综上所述,本发明一种用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台制备方法根据精密定位平台运动所需的运动自由度设计并联原型机构,运用螺旋理论计算得到该并联原型机构的输入输出映射矩阵,然后利用获得的输入输出映射矩阵进行精密定位平台建模,得到精密定位平台的拓扑优化模型,利用拓扑优化方法得到与所述输入输出映射矩阵相一致的精密定位平台,最后根据精密定位平台密度分布情况,提取密度值在一定阈值范围之内的得到理论定位平台,并运用三维建模技术得到可用于实际生产的精密定位平台,本发明可在使得精密定位平台具有较好的刚性的同时,实现微纳米精度的步进精度。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰与改变。因此,本发明的权利保护范围,应如权利要求书所列。
Claims (6)
1.一种用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台制备方法,包括如下步骤:
步骤S1,根据精密定位平台运动所需的运动自由度设计并联原型机构,运用螺旋理论计算得到该并联原型机构的输入输出映射矩阵;
步骤S2,利用步骤S1获得的输入输出映射矩阵进行精密定位平台建模,得到精密定位平台的拓扑优化模型,利用拓扑优化方法得到得到精密对准平台单元密度分布图;
步骤S3,根据步骤S2中得到的精密对准定位平台密度图,提取密度值在预设阈值范围之内的得到理论定位平台,并运用三维建模技术得到可用于实际生产的精密定位平台。
2.如权利要求1所述的一种用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台制备方法,其特征在于:于步骤S1中,根据精密定位平台运动所需的运动自由度设计并联原型机构,在不同驱动位移输入条件下,该并联机构的定位平台在三个运动自由度上分别产生的位移大小,通过输入位移和输出位移,分别计算出驱动位移对定位平台各个运动自由度上位移的贡献值,从而获得所述输入输出位移映射矩阵。
3.如权利要求2所述的一种用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台制备方法,其特征在于,步骤S2进一步包括:
步骤S200,将步骤S1中获得的输入输出映射矩阵用于精密定位平台建模,得到精密定位平台的拓扑优化模型;
步骤S201,利用该精密定位平台的拓扑优化模型,在给定输入驱动条件下,比较该驱动条件下定位平台实际输出位移与期望输出位移之间的差值,通过最小化差值,得到与给定输入输出位移映射矩阵相一致的精密定位平台,得到精密对准平台单元密度分布图。
4.如权利要求3所述的一种用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台制备方法,其特征在于,步骤S200进一步包括:
步骤S200a,给定精密定位平台初始设计区域;
步骤S200b,对设计域离散,采用拓扑优化法建立精密定位平台拓扑优化模型。
5.如权利要求4所述的一种用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台制备方法,其特征在于,于步骤S200b中,建立如下精密定位平台拓扑优化模型:
find:x=(x1,x2,...,xm)
s.t.KU=F
V/V0≤fv
3c0≤c≤4c0
0<xmin≤xm≤1
6.如权利要求5所述的一种用于纳米压印光刻设备的空间精密定位平台制备方法,其特征在于:机构单元密度取值范围为[xmin,1]。
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CN108875162A (zh) * | 2018-05-31 | 2018-11-23 | 广州大学 | 一种柔顺机构空间构型拓扑优化方法 |
CN110543655A (zh) * | 2019-07-10 | 2019-12-06 | 广州大学 | 用于纳米压印设备的精密对准平台的优化设计方法及装置 |
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