CN112902892A

CN112902892A - 一种静电梳齿驱动式低串扰运动的面内二维定位平台

Info

Publication number: CN112902892A
Application number: CN202110082495.7A
Authority: CN
Inventors: 薛高鹏; 李星辉; 王晓浩
Original assignee: Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University
Priority date: 2021-01-21
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2041-01-21
Also published as: CN112902892B

Abstract

本发明公开了一种静电梳齿驱动式低串扰运动的面内二维定位平台，包括外框、内框、位移台、第一弹性单元、第二弹性单元、第一梳齿单元和第二梳齿单元，其中所述外框通过第一弹性单元对所述内框进行支撑以使得所述外框能够对所述内框沿第一方向进行驱动，所述内框通过第二弹性单元对所述位移台进行支撑以使得所述内框能够对所述位移台沿第二方向进行驱动，所述第一梳齿单元的固定梳齿部固定连接在所述外框上，所述第一梳齿单元的可动梳齿部固定连接在所述内框上，所述第二梳齿单元的固定梳齿部固定连接在所述内框上，所述第二梳齿单元的可动梳齿部固定连接在所述位移台上。本发明不仅具有无滞后和无位移衰减等性能优势，还能实现低串扰运动。

Description

一种静电梳齿驱动式低串扰运动的面内二维定位平台

技术领域

本发明涉及精密定位系统技术领域，尤其涉及一种静电梳齿驱动式低串扰运动的面内二维定位平台。

背景技术

随着微纳器件系统集成的迅速发展，精密定位系统在现代尖端工业生产和前沿科学研究领域占有极其重要的地位，它是精密测量、超精密加工、半导体技术、生物医学工程等关键领域的重要环节。

现有技术中，能够满足上述性能需求的主流定位系统是压电陶瓷位移平台，具有纳米级分辨率、快速响应、驱动力大等优点。但是，压电陶瓷驱动本身具有诸多缺陷：(a)驱动位移大小与压电陶瓷材料厚度紧密相关，多维方向驱动则需要多个驱动单元叠加来实现，致使整个系统结构尺寸较大；(b)压电驱动存在滞后性，需要额外增加闭环反馈控制以实现高精度定位；(c)压电驱动位移在低温下严重衰减；(d)通过柔性铰链实现运动传递与转换，谐振频率较低。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种静电梳齿驱动式低串扰运动的面内二维定位平台，不仅具有无滞后和无位移衰减等性能优势，还能实现低串扰运动。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种静电梳齿驱动式低串扰运动的面内二维定位平台，包括外框、内框、位移台、第一弹性单元、第二弹性单元、第一梳齿单元和第二梳齿单元，其中所述外框通过第一弹性单元对所述内框进行支撑以使得所述外框能够对所述内框沿第一方向进行驱动，所述内框通过第二弹性单元对所述位移台进行支撑以使得所述内框能够对所述位移台沿第二方向进行驱动，所述第一梳齿单元的固定梳齿部固定连接在所述外框上，所述第一梳齿单元的可动梳齿部固定连接在所述内框上，所述第二梳齿单元的固定梳齿部固定连接在所述内框上，所述第二梳齿单元的可动梳齿部固定连接在所述位移台上。

优选地，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。

优选地，所述第一梳齿单元包括第一梳齿组和第三梳齿组，所述第一梳齿组和所述第三梳齿组的固定梳齿部分别固定连接在所述外框沿第二方向设置的两侧边的内壁上，所述第一梳齿组的可动梳齿部固定连接在所述内框上与所述第一梳齿组的固定梳齿部相对的侧壁上，所述第三梳齿组的可动梳齿部固定连接在所述内框上与所述第三梳齿组的固定梳齿部相对的侧壁上。

优选地，所述第二梳齿单元包括第二梳齿组和第四梳齿组，所述第二梳齿组和所述第四梳齿组的固定梳齿部分别固定连接在所述内框沿第一方向设置的两侧边的内壁上，所述第二梳齿组的可动梳齿部固定连接在所述位移台上与所述第二梳齿组的固定梳齿部相对的侧壁上，所述第四梳齿组的可动梳齿部固定连接在所述位移台上与所述第四梳齿组的固定梳齿部相对的侧壁上。

优选地，所述第一弹性单元包括多根分别沿所述第二方向设置的第一柔性杆，多根所述第一柔性杆的外端部均由多个第一连接件连接，其中一部分所述第一柔性杆的内端部连接在所述外框上，另一部分所述第一柔性杆的内端部连接在所述内框上；所述第二弹性单元包括多根分别沿所述第一方向设置的第二柔性杆，多根所述第二柔性杆的内端部均由多个第二连接件连接，其中一部分所述第二柔性杆的外端部连接在所述内框上，另一部分所述第二柔性杆的外端部连接在所述位移台上。

优选地，在所述位移台的一侧延伸设置一个探针台至自由空间。

优选地，所述外框、所述内框和所述位移台分别采用绝缘体上硅材料，所述绝缘体上硅材料包括由上至下依次排列的由硅材料制成的器件层、由二氧化硅材料制成的牺牲层和由硅材料制成的衬底层，所述外框包括器件层、牺牲层和衬底层，所述内框包括器件层、至少部分牺牲层和至少部分衬底层，所述位移台包括器件层；在所述外框的器件层上设有接地电极和多个驱动电极，所述驱动电极的数量与所述第一梳齿单元和所述第二梳齿单元的梳齿组数之和相对应，所述外框和所述内框的所述器件层中设有第一绝缘间隙以使得各个所述驱动电极分别电气绝缘，其中所述内框的至少部分牺牲层和至少部分衬底层设置在所述器件层设有第一绝缘间隙的对应位置的下方。

优选地，所述第一绝缘间隙的大小为20～30μm。

优选地，所述外框和所述内框的所述牺牲层中设有第二绝缘间隙，所述第二绝缘间隙与所述第一绝缘间隙的位置相对应；进一步地，所述第二绝缘间隙的大小大于或等于所述第一绝缘间隙的大小。

优选地，所述外框和所述内框的所述衬底层中设有第三绝缘间隙，所述第三绝缘间隙设置在与所述第一绝缘间隙距离200～400μm的位置处；进一步地，所述第三绝缘间隙的大小为20～30μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的静电梳齿驱动式低串扰运动的面内二维定位平台，采用静电梳齿驱动式，具有无滞后和无位移衰减等性能优势，进一步采用外框-内框互联结构设计，通过外框驱动内框和内框驱动位移台运动模式，具有外框(第一方向)与内框(第二方向)之间运动的非耦合性，具体地，位移台可以被内框沿着第二方向进行驱动，位移台和内框一起可以被外框沿着第一方向进行驱动，使得位移台在二维平面在第一方向和第二方向的运动是非耦合的，解决二维方向运动串扰问题，实现面内二维定位平台低串扰运动和高精度定位。

在进一步的方案中，本发明还具有以下优点：

(1)采用多根柔性杆形成分别对内框和位移台进行支撑的第一弹性单元和第二弹性单元，能够克服运动梳齿的横向不稳定性，有效提升最大位移行程量。

(2)从中心位移台延伸增加一个样品探针台到自由空间，以此避免样品放置、应用测试等操作对中心平台周围梳齿和弹性单元产生影响。

(3)在衬底层增加绝缘间隙结构，有效减小产生电容感应效应电容值，消除某一梳齿电极的驱动电压影响其它梳齿电极电势能，解决驱动单元之间驱动电压非耦合性。

附图说明

图1是本发明优选实施例的种静电梳齿驱动式低串扰运动的面内二维定位平台的示意图；

图2是图1的俯视图；

图3a是图1中的第一弹性元件的示意图；

图3b是图1中的第二弹性元件的示意图；

图4a是驱动电压耦合性分析图；

图4b是抑制电容互感效应的分析图；

图5是本发明的具体实施例中该面内二维定位平台的﹢X方向驱动性能的测试结果。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

静电驱动则具有无滞后和无位移衰减等性能优势，在此基础上突破低串扰运动等技术瓶颈限制，将是提升静电驱动扫描平台性能的关键途径。当前，国内外所报道的静电驱动面内二维定位平台，由于二维方向驱动单元之间的耦合形式衔接，其驱动性能表现为面内二维方向运动串扰，无法满足高精度定位需求。基于此，本发明提出一种基于静电驱动式低串扰运动面内二维定位平台，从运动机制非耦合性和驱动电压非耦合性两方面考虑，实现面内二维定位平台低串扰运动和高精度定位。

如图1和图2所示，本发明优选实施例提供了一种静电梳齿驱动式低串扰运动的面内二维定位平台，包括外框10、内框20、位移台30、第一弹性单元、第二弹性单元、第一梳齿单元和第二梳齿单元，其中外框10通过第一弹性单元对内框20进行支撑以使得外框10能够对内框20沿第一方向进行驱动，内框20通过第二弹性单元对位移台30进行支撑以使得内框20能够对位移台30沿第二方向进行驱动，第一梳齿单元的固定梳齿部固定连接在外框10上，第一梳齿单元的可动梳齿部固定连接在内框20上，第二梳齿单元的固定梳齿部固定连接在内框20上，第二梳齿单元的可动梳齿部固定连接在位移台30上；在本实施例中，第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，也即第一方向与第二方向相互垂直。

第一梳齿单元包括第一梳齿组41和第三梳齿组43，第一梳齿组41和第三梳齿组43的固定梳齿部411、431分别固定连接在外框10的沿Y轴方向设置的两侧边的内壁上，第一梳齿组41的可动梳齿部412固定连接在内框20上与第一梳齿组41的固定梳齿部411相对的侧壁上，第三梳齿组43的可动梳齿部432固定连接在内框20上与第三梳齿组43的固定梳齿部431相对的侧壁上。第二梳齿单元包括第二梳齿组42和第四梳齿组44，第二梳齿组42和第四梳齿组44的固定梳齿部421、441分别固定连接在内框20的沿X轴方向设置的两侧边的内壁上，第二梳齿组42的可动梳齿部422固定连接在位移台30上与第二梳齿组42的固定梳齿部421相对的侧壁上，第四梳齿组44的可动梳齿部442固定连接在位移台30上与第四梳齿组44的固定梳齿部441相对的侧壁上。

第一弹性单元包括两个第一弹性元件51，第一弹性元件51的结构如图3a所示，第一弹性元件51包括四根分别沿Y轴方向设置的第一柔性杆511，四根第一柔性杆511的外端部5111均由多个第一连接件512连接，其中一部分第一柔性杆511的内端部5112连接在外框10上，另一部分第一柔性杆511的内端部5113连接在内框20上，在本实施例中，位于两侧的第一柔性杆511的内端部5112连接在外框10上，位于中间的第一柔性杆511的内端部5113连接在内框20上，因此使得位于两侧的第一柔性杆511的内端部5112连接到外框10上以形成图3a中黑框的固定部分400，图3a中的灰色部分即为可动部分500。

第二弹性单元包括一个第二弹性元件52，第二弹性元件52的结构如图3b所示，第二弹性元件52包括四根沿X轴方向设置的第二柔性杆521，四根第二柔性杆521的内端部5211均由多个第二连接件522连接，其中一部分第二柔性杆521的外端部5212连接在内框20上，另一部分第二柔性杆521的外端部5213连接在移动台30上，在本实施例中，位于中间的第二柔性杆521的外端部5212连接在内框20上，位于两侧的第二柔性杆521的外端部5213连接在位移台30上，因此使得位于中间的第二柔性杆521的外端部5212连接在内框20上以形成图3b中黑框的固定部分400，图3b中的灰色部分即为可动部分500。

上述两种弹性元件均为折叠弯曲弹簧(Folded-flexure spring)结构，其中第一弹性元件为固定弹簧外部四个柔性杆末端以用于支撑内框，第二弹性元件为固定弹簧中间四个柔性杆末端以用于支撑位移台，这两种弹性元件的支撑弹簧布局，能够有效克服运动梳齿部的横向不稳定性，有效提升最大位移行程量。

其中，在位移台30的一侧延伸设置一个探针台31至自由空间，可以增加测试样品放置的操作性。

本实施例的静电梳齿驱动式低串扰运动的面内二维定位平台是基于绝缘体上硅(Silicon on insulator：SOI)材料进行的结构设计，其中绝缘体上硅材料包括器件层100(硅)、牺牲层200(二氧化硅)、衬底层300(硅)共上下三层结构。外框10是由器件层100、牺牲层200和衬底层300组成，内框20主要由器件层100构成，其中还包含部分牺牲层200和部分衬底层300，移动台30是由器件层100构成。第一驱动电极61、第二驱动电极62、第三驱动电极63、第四驱动电极64和两个接地电极65均设置在外框10的器件层100上，其中在外框10和内框20的器件层100上设有第一绝缘间隙101以使得第一驱动电极61、第二驱动电极62、第三驱动电极63、第四驱动电极64、两个接地电极65之间分别电气绝缘，内框20的部分牺牲层200和部分衬底层300设置在器件层100设有第一绝缘间隙101的对应位置的下方。在本实施例中，第一绝缘间隙101的大小为20～30μm。进一步地，外框10和内框20的牺牲层200中设有第二绝缘间隙201，第二绝缘间隙201与第一绝缘间隙101的位置相对应；其中第二绝缘间隙201的大小比第一绝缘间隙101稍大。外框10和内框20的衬底层300中设有第三绝缘间隙301，第三绝缘间隙300设置在与第一绝缘间隙100的附近，例如与第一绝缘间隙100距离200～400μm的位置处，在本实施例中，第三绝缘间隙301的大小为20～30μm。

通过研究发现，将第一驱动电极61、第二驱动电极62、第三驱动电极63、第四驱动电极64同时分布在外框10上，外框10的器件层100和衬底层300之间存在的电容，通过电容耦合效应使驱动电压在第一驱动电极61、第二驱动电极62、第三驱动电极63、第四驱动电极64之间产生耦合效应，从而导致运动串扰问题。也即，通常情况如图4a所示，对第一梳齿组41施加电压V₁时，基于外框10中的器件层100和衬底层300之间的电容C₁和C₂互感效应，导致第二梳齿组42产生电势能V₂＝Q₃/C₃＝C₁V₁△₁△₂/C₃。基于此，在本发明进一步的实施例中，在衬底层300增加第三绝缘间隙301，有效地减小产生电容感应效应C₁电容值。如图4b所示，通过第三绝缘间隙301把电容C₁划分为C_1-1和C_1-2，从而有效降低电容感应效应，可以使第二梳齿组42诱发的电势能V₂趋于最小，实现驱动电压非耦合性。具体地，将第三绝缘间隙301的大小设置为20～30μm时，已足够产生本效果；同时，在保证外框10整体结构拥有足够刚度情况下，衬底层300的第三绝缘间隙的位置需要尽量布置在器件层100的第一绝缘间隙101的附近，例如300μm左右的位置。

本发明优选实施例提供的静电梳齿驱动式低串扰运动的面内二维定位平台，在第一驱动电极61、第二驱动电极62、第三驱动电极63、第四驱动电极64上驱动电压，对应第一梳齿组41、第二梳齿组42、第三梳齿组43和第四梳齿组44的可动梳齿部412、422、432、442分别向固定梳齿部411、421、431、441的方向产生±X方向和±Y方向的运动；也即在面内二维定位平台内某个驱动电极和接地电极之间施加所需驱动电压，所对应梳齿会产生静电力，作用在支撑弹簧上面，产生所对应的位移大小。其中位移台30可以被内框20沿着Y轴方向进行驱动，位移台30和内框20一起可以被外框30沿着X轴方向进行驱动，该结构设计使得位移台30在X轴和Y轴方向的运动是非耦合的。如图5，是本发明的具体实施例中该面内二维定位平台的﹢X方向驱动性能的测试结果，同时对应Y方向运动串扰也进行了相关测试，通过结果可以看出，当对驱动单元施加驱动电压60V时，该位移台在﹢X方向能够产生28.3μm的位移，同时位移台在Y方向的运动串扰测试结果为零，显示了位移台在X轴和Y轴方向具有良好的低串扰运动。

本发明优选实施例提供的静电梳齿驱动式低串扰运动的面内二维定位平台，采用了运动机制非耦合性、驱动电压非耦合性两方面机制，解决二维方向运动串扰问题。采用外框-内框互联结构设计，通过对第一驱动电极61和第三驱动电极63分别施加驱动电压，可以使内框20的第一梳齿组41和第三梳齿组43的可动梳齿部412、432向外框的第一梳齿组41和第三梳齿组43的固定梳齿部411、431分别进行运动，同时带动位移台30沿着+X、-X方向分别进行运动；通过对第二驱动电极62和第四驱动电极64分别施加驱动电压，可以使位移台的第二梳齿组42和第四梳齿组44的可动梳齿部422、442向内框的第二梳齿组42和第四梳齿组44的固定梳齿部421、441分别进行运动，即位移台30沿着+Y、-Y方向分别进行运动。因此，该位移台具备在±X与±Y方向运动非耦合性。另一方面，通过在衬底层300增加绝缘间隙结构，有效减小产生电容感应效应电容值，消除某一梳齿电极的驱动电压影响其它梳齿电极电势能，解决驱动单元之间驱动电压非耦合性。同时，采用拥有高弹簧刚度比的折叠弯曲结构(Folded-flexure spring)作为本定位平台支撑弹性单元，能够克服运动梳齿的横向不稳定性，有效提升最大位移行程量。从中心位移台延伸增加一个样品探针台到自由空间，以此避免样品放置、应用测试等操作对中心平台周围梳齿和弹簧结构产生影响。

在一些其他实施例中，本发明优选实施例提供的静电梳齿驱动式低串扰运动的面内二维定位平台，其中也可以不增加样品探针台结构，或者采用其他结构设计的弹性元件，依然不会影响其低耦合运动性能；另外还可以增加梳齿数量以增加位移行程量，可以取得同等程度的低耦合运动性能；而且该面内二维定位平台还可以与其他驱动单元进行微组成，构件低耦合运动多维驱动平台。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种静电梳齿驱动式低串扰运动的面内二维定位平台，其特征在于，包括外框、内框、位移台、第一弹性单元、第二弹性单元、第一梳齿单元和第二梳齿单元，其中所述外框通过第一弹性单元对所述内框进行支撑以使得所述外框能够对所述内框沿第一方向进行驱动，所述内框通过第二弹性单元对所述位移台进行支撑以使得所述内框能够对所述位移台沿第二方向进行驱动，所述第一梳齿单元的固定梳齿部固定连接在所述外框上，所述第一梳齿单元的可动梳齿部固定连接在所述内框上，所述第二梳齿单元的固定梳齿部固定连接在所述内框上，所述第二梳齿单元的可动梳齿部固定连接在所述位移台上。

2.根据权利要求1所述的面内二维定位平台，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。

3.根据权利要求1所述的面内二维定位平台，其特征在于，所述第一梳齿单元包括第一梳齿组和第三梳齿组，所述第一梳齿组和所述第三梳齿组的固定梳齿部分别固定连接在所述外框沿第二方向设置的两侧边的内壁上，所述第一梳齿组的可动梳齿部固定连接在所述内框上与所述第一梳齿组的固定梳齿部相对的侧壁上，所述第三梳齿组的可动梳齿部固定连接在所述内框上与所述第三梳齿组的固定梳齿部相对的侧壁上。

4.根据权利要求1所述的面内二维定位平台，其特征在于，所述第二梳齿单元包括第二梳齿组和第四梳齿组，所述第二梳齿组和所述第四梳齿组的固定梳齿部分别固定连接在所述内框沿第一方向设置的两侧边的内壁上，所述第二梳齿组的可动梳齿部固定连接在所述位移台上与所述第二梳齿组的固定梳齿部相对的侧壁上，所述第四梳齿组的可动梳齿部固定连接在所述位移台上与所述第四梳齿组的固定梳齿部相对的侧壁上。

5.根据权利要求1所述的面内二维定位平台，其特征在于，所述第一弹性单元包括多根分别沿所述第二方向设置的第一柔性杆，多根所述第一柔性杆的外端部均由多个第一连接件连接，其中一部分所述第一柔性杆的内端部连接在所述外框上，另一部分所述第一柔性杆的内端部连接在所述内框上；所述第二弹性单元包括多根分别沿所述第一方向设置的第二柔性杆，多根所述第二柔性杆的内端部均由多个第二连接件连接，其中一部分所述第二柔性杆的外端部连接在所述内框上，另一部分所述第二柔性杆的外端部连接在所述位移台上。

6.根据权利要求1所述的面内二维定位平台，其特征在于，在所述位移台的一侧延伸设置一个探针台至自由空间。

7.根据权利要求1至6任一项所述的面内二维定位平台，其特征在于，所述外框、所述内框和所述位移台分别采用绝缘体上硅材料，所述绝缘体上硅材料包括由上至下依次排列的由硅材料制成的器件层、由二氧化硅材料制成的牺牲层和由硅材料制成的衬底层，所述外框包括器件层、牺牲层和衬底层，所述内框包括器件层、至少部分牺牲层和至少部分衬底层，所述位移台包括器件层；在所述外框的器件层上设有接地电极和多个驱动电极，所述驱动电极的数量与所述第一梳齿单元和所述第二梳齿单元的梳齿组数之和相对应，所述外框和所述内框的所述器件层中设有第一绝缘间隙以使得各个所述驱动电极分别电气绝缘，其中所述内框的至少部分牺牲层和至少部分衬底层设置在所述器件层设有第一绝缘间隙的对应位置的下方。

8.根据权利要求7所述的面内二维定位平台，其特征在于，所述第一绝缘间隙的大小为20～30μm。

9.根据权利要求7所述的面内二维定位平台，其特征在于，所述外框和所述内框的所述牺牲层中设有第二绝缘间隙，所述第二绝缘间隙与所述第一绝缘间隙的位置相对应；进一步地，所述第二绝缘间隙的大小大于或等于所述第一绝缘间隙的大小。

10.根据权利要求7所述的面内二维定位平台，其特征在于，所述外框和所述内框的所述衬底层中设有第三绝缘间隙，所述第三绝缘间隙设置在与所述第一绝缘间隙距离200～400μm的位置处；进一步地，所述第三绝缘间隙的大小为20～30μm。