專利名稱：六自由度精密定位平臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種定位平臺，且特別涉及一種壓電驅動器和旋轉副柔性鉸鏈 構成的六自由度精密定位平臺。
背景技術：
在半導體設備制造、精密加工、生物醫(yī)藥加工和光學及圖像對準等領域中， 使用各種類型的精密定位平臺。例如，在光刻機中采用的晶片定位平臺，掩才莫 版定位平臺等。在這些領域中，精密定位平臺大多需要具有多自由度，精度高 等技術特點，而且在安裝空間上十分有限，尤其是在高度方向。
專利CN1534689A >^布了一種微調載物臺。傾斜載物臺通過三個圓周均勻 分布在基板上的楔形段、壓電驅動器、傾斜鉸鏈以及X-Y平面的限位板簧實現 Z-6ic-^三個自由度的微調定位。X-Y載物臺通過連接球鉸鏈固定在傾斜載物臺 上，實現Z方向，汰方向，^K方向的樣B周。通過兩平行分布的X軸壓電驅動器、 X軸鉸鏈，以及一個Y軸壓電驅動器、Y軸鉸鏈實現X-Y載物臺在X-Y-fe三個 自由度的微調。頂部工作臺固定在X-Y載物臺上，使得頂部工作臺具有 X-Y-Z-汰-^-fe六個自由度的運動。其結構比較復雜，裝配精度難以保證，而 且其柔性機構采用了球副鉸鏈，其調節(jié)的行程有限。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出一種壓電驅動器和旋轉副柔性鉸鏈構成的六自由度精密定位平 臺，能夠解決上述問題。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種六自由度精密定位平臺，用以承載物 體并實現六個自由度調節(jié)。六自由度精密定位平臺包括水平調節(jié)平臺和垂向調 節(jié)平臺。水平調節(jié)平臺包括水平輸出平臺，用以承載物體；沿圓周平均分布的 三組旋轉副柔性鉸鏈機構；通過這些旋轉副柔性鉸鏈機構與水平輸出平臺連接的水平基座。垂向調節(jié)平臺包括三組沿圓周平均分布的調節(jié)機構，包括垂向驅
動器，用以沿水平方向驅動；楔形塊，受垂向驅動器驅動在水平基座上滑動， 用以實現將水平方向上的位移轉化為垂直方向上的位移；垂向柔性簧片用以引 導楔形快沿垂直方向移動。
可選的，還包括底座，用以承載垂向調節(jié)平臺，垂向驅動器和垂向柔性簧 片均固定在底座上。
可選的，其中旋轉副柔性鉸鏈機構包括
旋轉副柔性鉸鏈，連接于所述水平基座和水平輸出平臺之間，且包含一凸 臺；水平向驅動器，用以沿水平方向驅動所述凸臺。 可選的，其中垂向驅動器是壓電驅動器。 可選的，其中水平向驅動器是壓電驅動器。 可選的，其中楔形塊含一斜面，且斜角為45。。
可選的，其中所迷垂向柔性簧片限制所述水平輸出平臺在X-Y平面內的位移。
可選的，還包括
水平向位移傳感器，固定在水平基座上來檢測水平輸出平臺的位置；以及 垂向位移傳感器，固定在底座上來檢測水平基座的位置。 本發(fā)明還提出一種六自由度精密定位平臺，省去了楔形塊，而是將垂向驅 動器改為沿垂直方向驅動垂向柔性簧片。
簧片連接，使得整個定位平臺結構簡單，降低了制造難度，提高了裝配精度。 垂向調節(jié)平臺采用了柔性簧片和楔形機構結合的方式，使得壓電驅動器可
以水平安裝，減少了 Z軸方向的安裝空間。水平調節(jié)平臺可與垂向調節(jié)平臺一 同位移，也可獨立于垂向調節(jié)平臺在X、 Y、 ^三個方向上進行調節(jié)。
本實施例中的定位平臺采用了壓電驅動器作為驅動源，保證了驅動源的高 精度運動輸出和快的響應速度。并通過水平位移傳感器和垂向位移傳感器對定 位平臺實施全閉環(huán)控制，提高了定位精度。
本實施例中的水平調節(jié)平臺采用了具有放大功能的旋轉副柔性鉸鏈機構， 垂向調節(jié)平臺采用了柔性簧片，增大了平臺在各個方向上的調節(jié)行程。


圖1所示為本發(fā)明較佳實施例的六自由度精密定位平臺主視圖。
圖2所示為圖1中六自由度精密定位平臺沿A-A的旋轉剖視圖。 圖3所示為本發(fā)明較佳實施例中水平調節(jié)平臺的結構示意圖。 圖4所示為本發(fā)明較佳實施例中水平調節(jié)平臺的結構原理圖。 圖5所示為圖1中六自由度精密定位平臺沿B-B的旋轉剖視圖。 圖6所示為本發(fā)明第二實施例中垂直調節(jié)平臺的結構圖。
具體實施例方式
為了更了解本發(fā)明的技術內容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明如下。
圖1所示為本發(fā)明較佳實施例的六自由度精密定位平臺主視圖；圖2所示 為圖1中沿A-A的旋轉剖視圖。請結合參考圖1和圖2。
本實施例揭露的六自由度精密定位平臺是用來承載印有用于曝光的圖形的 掩模版406，以將要曝光的圖形定位到指定的位置。
六自由度精密定位平臺的整體結構從上到下分為吸版臺103、水平調節(jié)平 臺、垂向調節(jié)平臺和底座101。吸版臺103用來真空吸附掩模版406,以減少固定掩模版406時產生的應變。
水平調節(jié)平臺用來承載物件，例如吸版臺103。吸版臺103包括水平基座 104、水平輸出平臺102、三個具有放大功能并在圓周上均勻分布的旋轉副柔性 鉸鏈機構(如圖2所示的200)。水平調節(jié)平臺的詳細結構在后文中會詳細描述。
吸版臺103通過螺釘或其他固定方式與水平調節(jié)平臺的水平輸出平臺102 剛性連接。
垂向調節(jié)平臺包括垂向驅動器402、楔形塊403、垂向柔性簧片405。 垂向驅動器401通過垂向驅動器固定座401固定在底座101上；垂向柔性
簧片405第一端通過螺釘與水平基座104剛性連接，第二端通過螺釘與底座101
剛性連接。
底座101承載上述的垂向調節(jié)平臺、水平調節(jié)平臺和吸版臺103,這三者通 過底座IOI固定到其他粗調定位平臺上，或其他分系統(tǒng)中。下面介紹本實施例中的垂向調節(jié)平臺的工作原理。
垂向調節(jié)平臺是由平均分布在360。上的三組調節(jié)機構組成，沿圓周平均分 布，通過45°楔形調節(jié)^U構將水平方向上的位移轉化為垂直方向上的位移。
垂向調節(jié)平臺包括垂向驅動器402、楔形塊403、垂向柔性簧片405。
這里以其中一個調節(jié)機構為例進行說明，其他兩組調節(jié)機構與之相同。垂 向驅動器402a通過垂向驅動器固定座401a固定在底座101上，才艮據加載其上的 電壓沿水平方向產生位移變化。
楔形塊403a的第一斜面與水平線的夾角為45°,楔形塊403a固定在垂向驅 動器402a上，并且可滑動地連接于楔形塊引導座404a上。楔形塊引導座404a 固定在底座101上。楔形塊403a受垂向驅動器402a驅動，沿X方向產生位移 時在楔形塊引導座404a上沿水平方向滑動。
垂向柔性簧片405a的簧片為水平放置，因此，垂向柔性簧片405a適于讓其 兩端連接的元件僅適合于垂向運動，而不會在X-Y平面運動。
垂向柔性簧片405a第一端通過螺4T或其他固定方式與水平基座104剛性連 接，第二端與底座101剛性連接。其中，垂向柔性簧片405a的第一端具有45° 的第二斜面，與楔形塊403a的第一斜面接觸。當楔形塊403a被垂向驅動器402a 驅動而沿水平方向移動時，第一斜面和第二斜面相互運動，將水平方向上的移
動轉變?yōu)榇怪狈较蛏系囊苿印?br> 楔形塊403在楔形塊引導座404的約束下，限制了楔形塊403在X-Y平面
內的運動，垂向柔性簧片由于自有的結構特點，其在X-Y平面內具有相當的剛 性。所以在通過垂向調節(jié)平臺調節(jié)Z軸、汰軸、^軸的位置時，對水平基座104 在X-Y平面內賦予了限制性的剛性引導。
由于第一斜面和第二斜面的角度均為45°，因此位移轉化比為1: 1。本領域 具有通常知識者可以推理到，若想要達到其他位移轉化比，只需要調整第一斜 面和第二斜面與水平線的夾角即可。
圖3所示為本發(fā)明較佳實施例中水平調節(jié)平臺的結構示意圖。 請結合參考圖l和圖3，在水平調節(jié)平臺中，水平輸出平臺102固定連接吸
版臺103，并通過三組旋轉副柔性鉸鏈機構與水平基座104連接。三組旋轉副柔
性鉸鏈機構沿圓周平均分布。鉸鏈機構為例進行說明，其他兩組旋轉副柔性 鉸鏈機構與之相同。
旋轉副柔性鉸鏈機構200a包括旋轉副柔性鉸鏈205a、水平向驅動器203a 和水平向驅動器支架202a組成。
旋轉副柔性鉸鏈205a—端可轉動地連接水平基座104,另一端可轉動地連 接水平輸出平臺102。
水平向驅動器203a通過水平向驅動器支架202固定在水平基座104上，其 一端頂住旋轉副柔性鉸鏈205a的凸臺206a,并保持一定的預緊力。
水平向驅動器203a根據其上電壓的不同驅動旋轉副柔性鉸鏈205a的凸臺 206a沿f方向產生位移。
在本實施例中采用垂向驅動器和水平向驅動器可以采用壓電驅動器，也可 以釆用旋轉電才兒加絲杠或其它的驅動方式。
圖4所示為本發(fā)明較佳實施例中水平調節(jié)平臺的結構原理圖。
旋轉副柔性鉸鏈205a包括303a，連桿303a可轉動地連接于杠桿302a的一 端，杠桿302a的另一端可轉動地鏈接在水平基座104上。
杠桿302a上具有凸臺206a,凸臺206a將杠桿302a分為長度為和R2兩 段。水平向驅動器203a頂住凸臺206a,用以驅動凸臺206a沿f方向移動。
根據杠桿原理可知，在圓周每隔120。方向上的水平向驅動器230a的〗敬位移 經過旋轉副柔性鉸鏈205放大，其放大比& = (1 + ^ /i^)。
根據平面機構自由度計算公式,-3"-2A-A (其中F為自由度，n為機 構中活動構件的數目、pi為平面低副數目、p2為平面高副數目)可知，水平調 節(jié)平臺的自由度為3。
水平調節(jié)平臺可與垂向調節(jié)平臺一同對吸版臺103進行調整，也可獨立于 垂向調節(jié)平臺在X、 Y、免三個方向上進行調節(jié)。由于水平調節(jié)平臺采用了旋轉 副柔性鉸鏈205,可以保證水平調節(jié)平臺在Z方向上具有較強的剛性。
本實施例中，水平調節(jié)平臺還包括三個水平向位移傳感器204a、 204b和 204c,通過傳感器支架201固定在水平基座104上來實時檢測水平輸出平臺102 的位置。將三個水平向位移傳感器204a、 204b和204c的位移信號反々赍至控制器 (圖未示)中，就可以形成閉環(huán)反饋。通過控制三個水平向驅動器203a、 203b
8和203c的輸出，可以精確調整水平輸出平臺102在X、 Y、 6fe方向上位置和運 動，實現需要的定位和精度。
另外，垂向調節(jié)平臺還包括三個垂向位移傳感器501a、 501b (另一傳感器 未繪出)，請參考圖5。
垂向位移傳感器501a通過垂向位移傳感器固定座502a固定在底座101上， 與楔形塊403a盡量靠近，以實時測量水平基座104的垂向位置。
將三個垂向位移傳感器501a、 501b和501c的位移信號反饋至控制器中，就 可以形成閉環(huán)反饋，通過控制三個垂向驅動器401a、 401b和401c的輸出，可以 精確調整水平基座104在X、 Y、 6k方向上位置和運動，實現需要的定位和精度。
由上述結構可見，本例中的定位平臺具有在X軸、Y軸、Z軸、傲軸、* 軸、免軸方向上的調節(jié)功能，可實現六個自由度的精密調節(jié)和定位，滿足了多 自由度的調節(jié)和定位需求。
圖6所示為本發(fā)明第二實施例中垂直調節(jié)平臺的結構圖。
本實施例將圖4中柔性簧片和楔形機構構成的垂向調節(jié)平臺換成垂向驅動 器602a的驅動方向為沿垂向移動，直接驅動柔性簧片603a，達到調節(jié)整個定位 臺Z軸、汰軸和^軸三個自由度的目的。在滿足垂向安裝空間的前提下，可保 證定位平臺結構更為簡單，保證運動傳遞的無摩擦，免潤滑、高精度。
性簧片連接，使得整個定位平臺結構簡單，降低了制造難度，提高了裝配精度。 雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明 所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作各 種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。
權利要求
1. 一種六自由度精密定位平臺，用以承載物體并實現六個自由度調節(jié)，包括水平調節(jié)平臺，包括水平輸出平臺，用以承載物體；沿圓周平均分布的三組旋轉副柔性鉸鏈機構；以及水平基座，通過所述旋轉副柔性鉸鏈機構與水平輸出平臺連接；垂向調節(jié)平臺，包括三組沿圓周平均分布的調節(jié)機構，其特征在于，所述調節(jié)機構包括垂向驅動器，用以沿水平方向驅動楔形塊；楔形塊，受所述垂向驅動器驅動在所述水平基座上滑動，用以實現將水平方向上的位移轉化為垂直方向上的位移；垂向柔性簧片，用以引導楔形塊沿垂直方向移動。
2. 根據權利要求l所述的六自由度精密定位平臺，其特征是，還包括底座, 用以承載所述垂向調節(jié)平臺，所述垂向驅動器和所述垂向柔性簧片均固定在所 述底座上。
3. 根據權利要求l所述的六自由度精密定位平臺，其特征是，所述旋轉副 柔性鉸鏈機構包括旋轉副柔性鉸鏈，連接于所述水平基座和水平輸出平臺之 間，且包含一凸臺；水平向驅動器，用以沿水平方向驅動所述凸臺。
4. 根據權利要求l所述的六自由度精密定位平臺，其特征是，其中所述垂 向驅動器是壓電驅動器。
5. 根據權利要求3所述的六自由度精密定位平臺，其特征是，其中所述水 平向驅動器是壓電驅動器。
6. 根據權利要求l所述的六自由度精密定位平臺，其特征是，其中所述楔 形塊含一斜面，且斜角為45。。
7. 根據權利要求l所述的六自由度精密定位平臺，其特征是，其中所述垂 向柔性簧片限制所述水平輸出平臺在X-Y平面內的位移。
8. 根據權利要求l所述的六自由度精密定位平臺，其特征是，還包括水平向位移傳感器，固定在所述水平基座上，用以檢測所述水平輸出平臺的位置； 以及垂向位移傳感器，固定在所述底座上，用以^r測所述水平基座的位置。
9. 一種六自由度精密定位平臺，用以承載物體并實現六個自由度調節(jié)，包括水平調節(jié)平臺，包括水平輸出平臺，用以承載物體；沿圓周平均分布的三組旋轉副柔性鉸鏈機構；水平基座，通過所述旋轉副柔性鉸鏈機構與水平輸出平臺連接；以及 垂向調節(jié)平臺，包括三組沿圓周平均分布的調節(jié)機構，其特征在于，所述調節(jié)機構包括垂向柔性簧片，具有第一端與水平基座固定連接；以及 垂向驅動器，與所述垂向柔性簧片相連接，并驅動其沿垂直方向運動。
10. 根據權利要求9所述的六自由度精密定位平臺，其特征是，還包括底座, 用以承載所述垂向調節(jié)平臺，所述垂向柔性簧片的第二端固定在所述底座上。
11. 根據權利要求IO所述的六自由度精密定位平臺，其特征是，還包括水平向位移傳感器，固定在所述水平基座上，用以;險測所述水平輸出平臺的位 置；以及垂向位移傳感器，固定在所述底座上，用以檢測所述水平基座的位置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種六自由度精密定位平臺，用以承載并在六個自由度上調節(jié)吸版臺的位置。六自由度精密定位平臺包括水平調節(jié)平臺和垂向調節(jié)平臺。水平調節(jié)平臺用以在X軸、Y軸、θz軸方向調節(jié)吸版臺的位置，包括水平輸出平臺，與該吸版臺固定連接，用以承載該吸版臺；沿圓周平均分布的三組旋轉副柔性鉸鏈機構；通過這些旋轉副柔性鉸鏈機構與水平輸出平臺連接的水平基座。垂向調節(jié)平臺包括三組調節(jié)機構，沿圓周平均分布，用以在Z軸、θx軸、θy軸方向調整吸版臺的位置。本發(fā)明中的水平調節(jié)平臺和垂向調節(jié)平臺之間僅通過楔形機構和垂向柔性簧片連接，使得整個定位平臺結構簡單，降低了制造難度，提高了裝配精度。
文檔編號G12B9/10GK101488371SQ20091004703
公開日2009年7月22日 申請日期2009年3月4日 優(yōu)先權日2009年3月4日
發(fā)明者江旭初, 齊芊楓 申請人:上海微電子裝備有限公司