專利名稱：用于納米定位的平行保持裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在一個(gè)實(shí)施例中用于在一平移裝置例如一納米定位工作臺(tái)上的上下表面之間保持平行的一固有機(jī)械裝置。關(guān)鍵是即使是在不對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)力的作用下也在一移動(dòng)的和固定的參考系之間保持平行。這種固有的平行保持裝置不需要復(fù)雜的多重驅(qū)動(dòng)和位置反饋元件。
背景技術(shù)：
納米定位裝置或工作臺(tái)是一種在納米級(jí)狀態(tài)下需要高定位精度和重復(fù)性的裝置。其通常還配置有一反饋傳感器和一帶有類(lèi)似的納米級(jí)分辨率的執(zhí)行器，以便用于以一自動(dòng)化或可程序化的模式準(zhǔn)確地確定位置。執(zhí)行器和反饋傳感器通常利用一控制環(huán)路關(guān)閉，以便通過(guò)補(bǔ)償機(jī)械偏移或其他影響位置穩(wěn)定的現(xiàn)象來(lái)維持定位的精確度。如果被定位的樣本或裝置涵蓋了宏觀的長(zhǎng)度或區(qū)域(宏觀是相對(duì)于垂直于樣本或設(shè)備在運(yùn)動(dòng)軸線上的平移來(lái)說(shuō)的)，當(dāng)其在平移軸線上平移時(shí)其微觀地平行于地面參考系被支持住往往也是必須的。本文所述發(fā)明的目的是通過(guò)一固有的機(jī)械方式確保一活動(dòng)的大尺寸平臺(tái)(例如支持樣本或裝置的平臺(tái))微觀地保持平行。這是所述發(fā)明的廣泛應(yīng)用中的一個(gè)實(shí)施例。
為此目的，從概念層面來(lái)說(shuō)，兩平面是必要的:一固定的參考平面和一活動(dòng)平面。平移時(shí)所述活動(dòng)平面必須與參考系平行。達(dá)成此目的的傳統(tǒng)解決方案需要在參考平面和活動(dòng)平面之間設(shè)置多個(gè)執(zhí)行器。每一執(zhí)行器都具有各自用于檢測(cè)平移的傳感器。通過(guò)具有多對(duì)執(zhí)行器和傳感器，利用在每一執(zhí)行器/傳感器組合上常常帶有閉環(huán)控制的多通道控制系統(tǒng)可保持平行。但是從成本和控制復(fù)雜性的角度來(lái)看，如果對(duì)于這些系統(tǒng)來(lái)說(shuō)以一固有的方式保持平行僅需要一個(gè)執(zhí)行器和一個(gè)傳感器將是更優(yōu)選的。發(fā)明內(nèi)容
此處所述的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的主題是將多余的成對(duì)執(zhí)行器和位置傳感器替換為平行保持裝置(PCM)是可行的。PCM120放置于參考基板130(平面)和一頂板110 (平面)之間，如圖6或圖7所示的實(shí)例IOOa和100b。基板130和頂板110之間的任何傾斜角度或可能的不平行關(guān)系將由安裝于這些板之間的PCM120來(lái)補(bǔ)償。如圖7所示的結(jié)構(gòu)100b，包括四個(gè)PCM120和上/下板110、130，其沒(méi)有任何橫向平移，僅有的自由度被限制在一平移軸上(Z軸)。這一概念尤其適用于Z軸顯微鏡載物臺(tái)，此處在Z軸上保持基板和活動(dòng)板之間高精度的平行關(guān)系，沒(méi)有任何橫向移動(dòng)干擾獲得高精度平移是操作的關(guān)鍵。一顯微鏡Z載物臺(tái)僅僅是一個(gè)實(shí)例，任何需要上述平行關(guān)系的應(yīng)用都可使用PCM和包括PCM的任何組合的結(jié)構(gòu)。
此處公開(kāi)的平行保持裝置(PCM)減少了所需要的執(zhí)行器/傳感器的數(shù)量。理論上來(lái)說(shuō)，通過(guò)為一系統(tǒng)配置若干PCM,只需一個(gè)執(zhí)行器和一個(gè)定位傳感器就可實(shí)現(xiàn)在參考和活動(dòng)平面之間具有平行關(guān)系的系統(tǒng)。所使用的傳感器可以是電容式的、電阻絲應(yīng)變儀或在納米級(jí)層面上可檢測(cè)到移動(dòng)的任何其他類(lèi)型的傳感器。執(zhí)行器可優(yōu)選為壓電式的類(lèi)型，但是提供與傳感器的動(dòng)作相同分辨率等級(jí)的任何其他類(lèi)型的執(zhí)行器也是可以使用的。
將PCM用于這一系統(tǒng)還將提供調(diào)整系統(tǒng)剛度的選擇，從而在不改變執(zhí)行器的設(shè)計(jì)下改變固有頻率。添加更多PCM或增加已投入使用的那些系統(tǒng)的剛度將會(huì)提高組合式組件的固有頻率。
在圖1中所示的一個(gè)實(shí)施例中，提供了一用于保持平行度的機(jī)械裝置120。機(jī)械裝置120優(yōu)選地包括:第一桿122,第二桿124,第三桿126和第四桿128,每一桿都具有一上面，一底面，一第一側(cè)面和一第二側(cè)面，第一桿122的上面形成裝置120的上面且第四桿128的底面形成裝置的底面；其中第一桿的第一側(cè)面和第二桿的第一側(cè)面由第一彎曲部123橋接，在第一桿122的底面和第二桿124的上面之間留有一間隙；第二桿124的第二側(cè)面和第三桿126的第二側(cè)面由第二彎曲部125橋接，在第二桿124的底面和第三桿126的上面之間留有一間隙；且第三桿126的第一側(cè)面和第四桿128的第一側(cè)面由第三彎曲部127橋接，在第三桿126的底面和第四桿128的上面之間留有一間隙。
這一裝置能夠在其本身的整個(gè)長(zhǎng)度上保持不同點(diǎn)之間的平行，而不論這點(diǎn)上是否直接作用有推力。裝置120的一簡(jiǎn)單表示見(jiàn)圖1。這一特別的表示顯示了一整體式結(jié)構(gòu)120，但是這種裝置可由不同的組件和不同的尺寸制成，具體取決于實(shí)際應(yīng)用的需要。本裝置可采用任何材料或復(fù)合材料制造，只要選定的材料能夠滿足應(yīng)用的需要即可。


圖1是PCM的一個(gè)實(shí)施例的透視圖2A顯示了前視圖(以及橫截面)的一個(gè)實(shí)施例，且圖2B顯示了 PCM側(cè)視圖的一個(gè)實(shí)施例和當(dāng)作用一推力F時(shí)其偏移的方式；
圖3A顯示了一前視圖的實(shí)施例，且圖3B顯示了一出示有PCM的特征尺寸的側(cè)視圖的實(shí)施例；
圖4A和4B代表PCM橫截面的一等效運(yùn)動(dòng)學(xué)表不的一個(gè)實(shí)施例；
圖5顯示了帶有不銹鋼彎曲部的PCM作為一組件的結(jié)構(gòu)實(shí)例的一個(gè)具體實(shí)施例；
圖6顯示了使用兩個(gè)PCM使兩塊板保持平行的一個(gè)實(shí)例的實(shí)施例；
圖7顯示了使用四個(gè)PCM使兩塊板保持平行的一個(gè)實(shí)施例的實(shí)例；
圖8顯示了一壓電執(zhí)行式的Z彎曲部顯微鏡載物臺(tái)的爆炸視圖，描述了使用四個(gè)PCM使兩塊板保持平行的一個(gè)具體實(shí)施例的實(shí)例；
圖9A顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一 T型設(shè)計(jì)實(shí)例的等軸測(cè)視圖9B-9D顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一 T型設(shè)計(jì)實(shí)例的等軸測(cè)視圖。
具體實(shí)施方式
根據(jù)本發(fā)明的原理說(shuō)明實(shí)施例的描述需要結(jié)合附圖理解，這些都是本書(shū)面說(shuō)明全文的一部分。此處公開(kāi)的本發(fā)明的實(shí)施例的描述中，任何用法說(shuō)明或情況介紹的引用僅僅是為了便于說(shuō)明，并不是以什么方式限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。相關(guān)術(shù)語(yǔ)如“較低的”、“較高的”、“水平的”、“垂直的”、“以上”、“以下”、“向上”、“向下”、“頂部”和“底部”以及其派生詞(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等)應(yīng)理解為其指的是之后描述的方向或如討論中的附圖所示。這些相關(guān)的術(shù)語(yǔ)僅為方便說(shuō)明，除非文中明確表示，否則本裝置不需要以某一特別的方向構(gòu)建或操作。術(shù)語(yǔ)如“所附加的”、“所粘貼的”、“所連接的”、“所結(jié)合的”、“所互連的”以及類(lèi)似的術(shù)語(yǔ)指的是一通過(guò)介于中間的結(jié)構(gòu)直接或間接地將某些結(jié)構(gòu)相互固定或連接起來(lái)的連接關(guān)系，以及活動(dòng)的或剛性的附件或連接關(guān)系，另有明確說(shuō)明的除外。此外，本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)會(huì)通過(guò)參考具體實(shí)施例加以說(shuō)明。因此，本發(fā)明很明顯不應(yīng)僅限于這種說(shuō)明的一些可能的非限制性的特征組合的典型實(shí)施例，這些特征可能獨(dú)立存在或存在于其他的特征組合中；本發(fā)明的保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求限定。
公開(kāi)內(nèi)容描述了按照目前的預(yù)期實(shí)施本發(fā)明的最佳模式。本說(shuō)明不能理解為限制意義上的，而是提供了本發(fā)明的一個(gè)僅用于通過(guò)參考附圖來(lái)說(shuō)明的實(shí)例，以此來(lái)向本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)和結(jié)構(gòu)。在附圖的各個(gè)視圖中，相同或相似的部件采用相同的參考數(shù)字。
圖中所示的PCM裝置表示一彎曲類(lèi)型的裝置，可用于在例如納米定位工作臺(tái)或任何其他沿彎曲裝置的整個(gè)長(zhǎng)度需要統(tǒng)一偏斜的應(yīng)用中。所述PCM的一個(gè)特征和優(yōu)點(diǎn)是如果以一力F只推如圖1所示的PCM上的點(diǎn)122a和122b兩個(gè)點(diǎn)中的一個(gè)，PCM保持上述兩點(diǎn)相同的彎沉值。同樣地，如果將推力改為拉力，同樣會(huì)保持點(diǎn)122a和122b處相同的彎沉值。這是通過(guò)三個(gè)旋轉(zhuǎn)節(jié)140a、140b、140c達(dá)成的，如圖4A和4B所示的等效運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)所示。這些旋轉(zhuǎn)節(jié)140a、140b和140c通過(guò)(圖2A) PCM設(shè)計(jì)的橫截面視圖中所示的彎曲在一個(gè)實(shí)施例中表現(xiàn)出來(lái)。彎曲類(lèi)型的設(shè)計(jì)將確保在一個(gè)力F時(shí)，這三個(gè)彎曲140a、140b、140c會(huì)像旋轉(zhuǎn)節(jié)一樣運(yùn)轉(zhuǎn)。考慮到彎曲材料整個(gè)長(zhǎng)度L (圖3B)的薄的部分，統(tǒng)一的偏斜度將會(huì)在同一長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)。
如果使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一對(duì)PCM，在整個(gè)長(zhǎng)度L上(參見(jiàn)圖2B或3B)，在整個(gè)平移行程上實(shí)現(xiàn)平行，不需要為了控制平行而設(shè)置多個(gè)執(zhí)行器和反饋傳感器。PCM的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其包括一穿過(guò)其整個(gè)長(zhǎng)度的剛性系統(tǒng)，這種方式維持固有頻率處于較高值。上述所有優(yōu)點(diǎn)都集于一個(gè)PCM上?？墒褂枚鄠€(gè)PCM來(lái)限制一個(gè)活動(dòng)平板關(guān)于另一個(gè)平板的機(jī)械動(dòng)作(例如請(qǐng)參見(jiàn)圖6、7、8的實(shí)施例)。
這些PCM可根據(jù)使用之處的應(yīng)用特性來(lái)配置，且可根據(jù)使用的PCM的數(shù)量、剛度和質(zhì)量配置為任意形狀和大小。鑒于固有頻率決定于剛度和質(zhì)量的比率，剛度和質(zhì)量都是重要的。使用PCM的系統(tǒng)中所使用的執(zhí)行器優(yōu)選為用于納米級(jí)精度的壓電式，而且為實(shí)現(xiàn)所需的動(dòng)作還可使用任何其他類(lèi)型的執(zhí)行器。
如果目的是要有一整體式的結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)圖1)，就制造而言，可通過(guò)電火花加工、鑄造或任何其他合適的制造過(guò)程來(lái)制造PCM。否則可構(gòu)建為一組件，如圖5通過(guò)利用彎曲部240、彎曲保持帶220實(shí)現(xiàn)螺釘230還有將連接至彎曲部240的主結(jié)構(gòu)元件210壓力的均衡分布。
PCMl20的質(zhì)量和剛度可通過(guò)改變圖3A中的幾何參數(shù)122w、122h和123t來(lái)改變。減小寬度122w將會(huì)由于彎曲節(jié)受到的壓力和張力較高而使得PCM組件120的質(zhì)量減小剛度(反作用力)增大。隨著寬度122w降低，為達(dá)到相同的偏斜度，同一推力F的力臂將會(huì)更大，從而為達(dá)到相同的偏斜度PCM的反作用力將會(huì)更大。增加厚度123t將會(huì)增加PCM的剛度，但也增加了額外的質(zhì)量。增加高度122h將會(huì)減小PCM的剛度，反作用力會(huì)更小?？筛淖兯械倪@些參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的質(zhì)量和剛度，且因此達(dá)到用于一特別的系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的固有頻率。
在集成組件中布置PCM有無(wú)限多的組合。圖6和7分別以實(shí)施例1OOa和IOOb說(shuō)明了兩個(gè)實(shí)例。圖6顯示了當(dāng)一個(gè)力F作用于中線點(diǎn)IlOa或IlOb中的一個(gè)時(shí)兩塊板110和130通過(guò)兩個(gè)PCM120保持平行的一個(gè)實(shí)施例(如果力作用于110a，那么IlOb將通過(guò)同樣大小的力偏斜，反之亦然)。圖7顯示了當(dāng)一個(gè)力F作用于由點(diǎn)110c、110d、IlOeUIOf指代的其中一個(gè)角時(shí)兩塊板110和130通過(guò)四個(gè)PCMl20保持平行的一個(gè)實(shí)施例。圖8顯示了一納米定位顯微鏡Z載物臺(tái)形式的一組件300的一具體實(shí)施例，本質(zhì)上是兩塊板通過(guò)四個(gè)PCM340保持平行的一實(shí)例。圖8所示的產(chǎn)品示例包括一頂殼310、壓電式放大執(zhí)行器320，一印刷控制板(PCB)組件330, —配電板350, —孔板360, —孔板支架(移動(dòng)參考系)370、用于印刷控制板安裝的襯套380和一試樣孔板夾緊系統(tǒng)390。其他單一和多軸工作臺(tái)和組件也是可行的。在一多軸系統(tǒng)中，設(shè)想多個(gè)PCM結(jié)構(gòu)可正交地疊加在一起以提供必要的運(yùn)動(dòng)自由度。
在PCM概念的一個(gè)擴(kuò)展中，一復(fù)合材料的多個(gè)PCM臂架結(jié)構(gòu)是可以設(shè)想到的。通過(guò)這種方式而不是使用多個(gè)單獨(dú)的線性PCM340固定于如圖6、7和8所示的定位工作臺(tái)或組件300的固定板310和活動(dòng)板370之間，例如，考慮到一帶有多個(gè)臂410、420和430之間具有角定向的單獨(dú)的復(fù)合材料PCM組件400。這在顯示了一整體式T型結(jié)構(gòu)PCM400的圖9A至9D中的一具體實(shí)例中有所描述。其他的復(fù)合多臂PCM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例如L型和H型結(jié)構(gòu)。要注意的是在所有的這種復(fù)合結(jié)構(gòu)中，每個(gè)PCM臂保持和單一線型PCM臂組件一樣的基本操作和結(jié)構(gòu)原則。在圖9A-9D的實(shí)施例中，還顯示有為了使組合式多PCM臂裝置具有必要的自由度對(duì)于中部彎曲部支撐來(lái)說(shuō)必要的間隙440。此間隙400例如在一 PCM臂相對(duì)于另一 PCM臂具有一角定向的任何復(fù)合多PCM結(jié)構(gòu)中都是必要的。
盡管已相當(dāng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明且，與關(guān)于一些所述的實(shí)施例給出了一些特性，但是這并不是為了以這些特性或?qū)嵤├蛉魏翁厥獾膶?shí)施例來(lái)限制本發(fā)明，而要解釋為鑒于現(xiàn)有技術(shù)參考所附的權(quán)利要求以便提供本權(quán)利要求可能的最廣泛的解釋，且因此有效地涵蓋本發(fā)明所要求的保護(hù)范圍。此外，前述內(nèi)容根據(jù)發(fā)明人的實(shí)施設(shè)想描述了本發(fā)明，對(duì)于這些實(shí)施設(shè)想來(lái)說(shuō)可達(dá)成本發(fā)明，盡管對(duì)本發(fā)明的改進(jìn)微乎其微，雖然此處未設(shè)想到，也應(yīng)視其為與本發(fā)明等效。
權(quán)利要求
1.一用于保持平行的機(jī)械裝置，包括: 一第一桿，一第二桿，一第三桿和一第四桿，每一桿都具有一上面，一底面，一第一側(cè)面和一第二側(cè)面，第一桿的上面形成本裝置的上面且第四桿的底面形成本裝置的底面；其中第一桿的第一側(cè)面和第二桿的第一側(cè)面由第一彎曲部橋接，在第一桿的底面和第二桿的上面之間留有一間隙； 第二桿的第二側(cè)面和第三桿的第二側(cè)面由第二彎曲部橋接，在第二桿的底面和第三桿的上面之間留有一間隙；且 第三桿的第一側(cè)面和第四桿的第一側(cè)面由第三彎曲部橋接，在第三桿的底面和第四桿的上面之間留有一間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括一用于檢測(cè)裝置表面運(yùn)動(dòng)的傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括一用于調(diào)節(jié)裝置表面位置的執(zhí)行器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述傳感器為電容式或電阻絲應(yīng)變儀傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述執(zhí)行器為壓電式執(zhí)行器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中彎曲部和桿通過(guò)一緊固件連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置為一整體式結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述整體式結(jié)構(gòu)通過(guò)電火花加工或鑄造成型。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中第一、第二和第三彎曲部分別延伸至橋接的第一、第二、第三和第四桿的整個(gè)長(zhǎng)度。
10.一種機(jī)械裝置，包括第一板、第二板和多個(gè)平行保持裝置； 其中多個(gè)平行保持裝置中的每一個(gè)都包括: 一第一桿，一第二桿，一第三桿和一第四桿，每一桿都具有一上面，一底面，一第一側(cè)面和一第二側(cè)面，第一桿的 上面形成本裝置的上面且第四桿的底面形成本裝置的底面；其中第一桿的第一側(cè)面和第二桿的第一側(cè)面由第一彎曲部橋接，在第一桿的底面和第二桿的上面之間留有一間隙； 第二桿的第二側(cè)面和第三桿的第二側(cè)面由第二彎曲部橋接，在第二桿的底面和第三桿的上面之間留有一間隙；且 第三桿的第一側(cè)面和第四桿的第一側(cè)面由第三彎曲部橋接，在第三桿的底面和第四桿的上面之間留有一間隙； 其中板通過(guò)位于板之間的多個(gè)平行保持裝置保持平行。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的機(jī)械裝置，進(jìn)一步包括一用于調(diào)節(jié)第一板和第二板之間的距離的執(zhí)行器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的機(jī)械裝置，進(jìn)一步包括一用于檢測(cè)第一板和第二板之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)并向執(zhí)行器提供反饋的傳感器。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的機(jī)械裝置，其中所述執(zhí)行器為一壓電式執(zhí)行器。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的機(jī)械裝置，其中所述傳感器為電容式或電阻絲應(yīng)變儀傳感器。
15.一機(jī)械裝置，包括多個(gè)以一角度連接在一起的平行保持裝置； 其中多個(gè)平行保持裝置中的每一個(gè)都包括: 一第一桿，一第二桿，一第三桿和一第四桿，每一桿都具有一上面，一底面，一第一側(cè)面和一第二側(cè)面，第一桿的上面形成本裝置的上面且第四桿的底面形成本裝置的底面；其中第一桿的第一側(cè)面和第二桿的第一側(cè)面由第一彎曲部橋接，在第一桿的底面和第二桿的上面之間留有一間隙； 第二桿的第二側(cè)面和第三桿的第二側(cè)面由第二彎曲部橋接，在第二桿的底面和第三桿的上面之間留有一間隙；且 第三桿的第一側(cè)面和第四桿的第一側(cè)面由第三彎曲部橋接，在第三桿的底面和第四桿的上面之間留有一間隙。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的機(jī)械裝置，其中在多個(gè)平行保持裝置之間連接處存在的一間隙用來(lái)提供一自 由度。
全文摘要
一用于保持平行的機(jī)械裝置，包括第一、第二、第三和第四桿。第一桿的第一側(cè)面和第二桿的第一側(cè)面由第一彎曲部橋接，在第一桿的底面和第二桿的上面之間留有一間隙；第二桿的第二側(cè)面和第三桿的第二側(cè)面由第二彎曲部橋接，在第二桿的底面和第三桿的上面之間留有一間隙；且第三桿的第一側(cè)面和第四桿的第一側(cè)面由第三彎曲部橋接，在第三桿的底面和第四桿的上面之間留有一間隙。
文檔編號(hào)H01L21/68GK103167930SQ201180050158
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者K·德赫斯, A·里斯泰亞 申請(qǐng)人:統(tǒng)雷有限公司