用于纳米定位的平行保持装置

摘要

一用于保持平行的机械装置，包括第一、第二、第三和第四杆。第一杆的第一侧面和第二杆的第一侧面由第一弯曲部桥接，在第一杆的底面和第二杆的上面之间留有一间隙；第二杆的第二侧面和第三杆的第二侧面由第二弯曲部桥接，在第二杆的底面和第三杆的上面之间留有一间隙；且第三杆的第一侧面和第四杆的第一侧面由第三弯曲部桥接，在第三杆的底面和第四杆的上面之间留有一间隙。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求申请日为2010.10.21，申请号为61/405,391的美国申请的权利，其内容引 入到本文以作为参考。

技术领域

本发明涉及在一个实施例中用于在一平移装置例如一纳米定位工作台上的上下表面之间 保持平行的一固有机械装置。关键是即使是在不对称的驱动力的作用下也在一移动的和固定 的参考系之间保持平行。这种固有的平行保持装置不需要复杂的多重驱动和位置反馈元件。

背景技术

纳米定位装置或工作台是一种在纳米级状态下需要高定位精度和重复性的装置。其通常 还配置有一反馈传感器和一带有类似的纳米级分辨率的执行器，以便用于以一自动化或可程 序化的模式准确地确定位置。执行器和反馈传感器通常利用一控制环路关闭，以便通过补偿 机械偏移或其他影响位置稳定的现象来维持定位的精确度。如果被定位的样本或装置涵盖了 宏观的长度或区域(宏观是相对于垂直于样本或设备在运动轴线上的平移来说的)，当其在平 移轴线上平移时其微观地平行于地面参考系被支持住往往也是必须的。本文所述发明的目的 是通过一固有的机械方式确保一活动的大尺寸平台(例如支持样本或装置的平台)微观地保持 平行。这是所述发明的广泛应用中的一个实施例。

为此目的，从概念层面来说，两平面是必要的:一固定的参考平面和一活动平面。平移时 所述活动平面必须与参考系平行。达成此目的的传统解决方案需要在参考平面和活动平面之 间设置多个执行器。每一执行器都具有各自用于检测平移的传感器。通过具有多对执行器和 传感器，利用在每一执行器/传感器组合上常常带有闭环控制的多通道控制系统可保持平行。 但是从成本和控制复杂性的角度来看，如果对于这些系统来说以一固有的方式保持平行仅需 要一个执行器和一个传感器将是更优选的。

发明内容

此处所述的本发明的一个实施例的主题是将多余的成对执行器和位置传感器替换为平行 保持装置(PCM)是可行的。PCM120放置于参考基板130(平面)和一顶板110(平面)之间，如图 6或图7所示的实例100a和100b。基板130和顶板110之间的任何倾斜角度或可能的不平行 关系将由安装于这些板之间的PCM120来补偿。如图7所示的结构100b，包括四个PCM120和 上/下板110、130，其没有任何横向平移，仅有的自由度被限制在一平移轴上(Z轴)。这一概 念尤其适用于Z轴显微镜载物台，此处在Z轴上保持基板和活动板之间高精度的平行关系， 没有任何横向移动干扰获得高精度平移是操作的关键。一显微镜Z载物台仅仅是一个实例， 任何需要上述平行关系的应用都可使用PCM和包括PCM的任何组合的结构。

此处公开的平行保持装置(PCM)减少了所需要的执行器/传感器的数量。理论上来说，通 过为一系统配置若干PCM，只需一个执行器和一个定位传感器就可实现在参考和活动平面之 间具有平行关系的系统。所使用的传感器可以是电容式的、电阻丝应变仪或在纳米级层面上 可检测到移动的任何其他类型的传感器。执行器可优选为压电式的类型，但是提供与传感器 的动作相同分辨率等级的任何其他类型的执行器也是可以使用的。

将PCM用于这一系统还将提供调整系统刚度的选择，从而在不改变执行器的设计下改变 固有频率。添加更多PCM或增加已投入使用的那些系统的刚度将会提高组合式组件的固有频 率。

在图1中所示的一个实施例中，提供了一用于保持平行度的机械装置120。机械装置120 优选地包括:第一杆122，第二杆124，第三杆126和第四杆128，每一杆都具有一上面，一 底面，一第一侧面和一第二侧面，第一杆122的上面形成装置120的上面且第四杆128的底 面形成装置的底面；其中第一杆的第一侧面和第二杆的第一侧面由第一弯曲部123桥接，在 第一杆122的底面和第二杆124的上面之间留有一间隙；第二杆124的第二侧面和第三杆126 的第二侧面由第二弯曲部125桥接，在第二杆124的底面和第三杆126的上面之间留有一间 隙；且第三杆126的第一侧面和第四杆128的第一侧面由第三弯曲部127桥接，在第三杆126 的底面和第四杆128的上面之间留有一间隙。

这一装置能够在其本身的整个长度上保持不同点之间的平行，而不论这点上是否直接作 用有推力。装置120的一简单表示见图1。这一特别的表示显示了一整体式结构120，但是这 种装置可由不同的组件和不同的尺寸制成，具体取决于实际应用的需要。本装置可采用任何 材料或复合材料制造，只要选定的材料能够满足应用的需要即可。

附图说明

图1是PCM的一个实施例的透视图；

图2A显示了前视图（以及横截面）的一个实施例，且图2B显示了PCM侧视图的一个实 施例和当作用一推力F时其偏移的方式；

图3A显示了一前视图的实施例，且图3B显示了一出示有PCM的特征尺寸的侧视图的实 施例；

图4A和4B代表PCM横截面的一等效运动学表示的一个实施例；

图5显示了带有不锈钢弯曲部的PCM作为一组件的结构实例的一个具体实施例；

图6显示了使用两个PCM使两块板保持平行的一个实例的实施例；

图7显示了使用四个PCM使两块板保持平行的一个实施例的实例；

图8显示了一压电执行式的Z弯曲部显微镜载物台的爆炸视图，描述了使用四个PCM使 两块板保持平行的一个具体实施例的实例；

图9A显示了根据本发明的一个实施例的一T型设计实例的等轴测视图；

图9B-9D显示了根据本发明的一个实施例的一T型设计实例的等轴测视图。

具体实施方式

根据本发明的原理说明实施例的描述需要结合附图理解，这些都是本书面说明全文的一 部分。此处公开的本发明的实施例的描述中，任何用法说明或情况介绍的引用仅仅是为了便 于说明，并不是以什么方式限制本发明的保护范围。相关术语如“较低的”、“较高的”、 “水平的”、“垂直的”、“以上”、“以下”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部” 以及其派生词(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应理解为其指的是之后描述的 方向或如讨论中的附图所示。这些相关的术语仅为方便说明，除非文中明确表示，否则本装 置不需要以某一特别的方向构建或操作。术语如“所附加的”、“所粘贴的”、“所连接的”、 “所结合的”、“所互连的”以及类似的术语指的是一通过介于中间的结构直接或间接地将 某些结构相互固定或连接起来的连接关系，以及活动的或刚性的附件或连接关系，另有明确 说明的除外。此外，本发明的特点和优点会通过参考具体实施例加以说明。因此，本发明很 明显不应仅限于这种说明的一些可能的非限制性的特征组合的典型实施例，这些特征可能独 立存在或存在于其他的特征组合中；本发明的保护范围由所附的权利要求限定。

公开内容描述了按照目前的预期实施本发明的最佳模式。本说明不能理解为限制意义上 的，而是提供了本发明的一个仅用于通过参考附图来说明的实例，以此来向本领域的普通技 术人员说明本发明的优势和结构。在附图的各个视图中，相同或相似的部件采用相同的参考 数字。

图中所示的PCM装置表示一弯曲类型的装置，可用于在例如纳米定位工作台或任何其他 沿弯曲装置的整个长度需要统一偏斜的应用中。所述PCM的一个特征和优点是如果以一力F 只推如图1所示的PCM上的点122a和122b两个点中的一个，PCM保持上述两点相同的弯沉 值。同样地，如果将推力改为拉力，同样会保持点122a和122b处相同的弯沉值。这是通过 三个旋转节140a、140b、140c达成的，如图4A和4B所示的等效运动学结构所示。这些旋 转节140a、140b和140c通过(图2A)PCM设计的横截面视图中所示的弯曲在一个实施例中表 现出来。弯曲类型的设计将确保在一个力F时，这三个弯曲140a、140b、140c会像旋转节一 样运转。考虑到弯曲材料整个长度L(图3B)的薄的部分，统一的偏斜度将会在同一长度实现。

如果使用一个驱动器和一对PCM，在整个长度L上(参见图2B或3B)，在整个平移行程上 实现平行，不需要为了控制平行而设置多个执行器和反馈传感器。PCM的另一个优势是其包 括一穿过其整个长度的刚性系统，这种方式维持固有频率处于较高值。上述所有优点都集于 一个PCM上。可使用多个PCM来限制一个活动平板关于另一个平板的机械动作(例如请参见图 6、7、8的实施例）。

这些PCM可根据使用之处的应用特性来配置，且可根据使用的PCM的数量、刚度和质量 配置为任意形状和大小。鉴于固有频率决定于刚度和质量的比率，刚度和质量都是重要的。 使用PCM的系统中所使用的执行器优选为用于纳米级精度的压电式，而且为实现所需的动作 还可使用任何其他类型的执行器。

如果目的是要有一整体式的结构(参见图1），就制造而言，可通过电火花加工、铸造或 任何其他合适的制造过程来制造PCM。否则可构建为一组件，如图5通过利用弯曲部240、弯 曲保持带220实现螺钉230还有将连接至弯曲部240的主结构元件210压力的均衡分布。

PCM120的质量和刚度可通过改变图3A中的几何参数122w、122h和123t来改变。减小 宽度122w将会由于弯曲节受到的压力和张力较高而使得PCM组件120的质量减小刚度(反作 用力)增大。随着宽度122w降低，为达到相同的偏斜度，同一推力F的力臂将会更大，从而 为达到相同的偏斜度PCM的反作用力将会更大。增加厚度123t将会增加PCM的刚度，但也增 加了额外的质量。增加高度122h将会减小PCM的刚度，反作用力会更小。可改变所有的这些 参数来实现所需的质量和刚度，且因此达到用于一特别的系统设计所需的固有频率。

在集成组件中布置PCM有无限多的组合。图6和7分别以实施例100a和100b说明了两 个实例。图6显示了当一个力F作用于中线点110a或110b中的一个时两块板110和130通 过两个PCM120保持平行的一个实施例(如果力作用于110a，那么110b将通过同样大小的力 偏斜，反之亦然)。图7显示了当一个力F作用于由点110c、110d、110e、110f指代的其中 一个角时两块板110和130通过四个PCM120保持平行的一个实施例。图8显示了一纳米定位 显微镜Z载物台形式的一组件300的一具体实施例，本质上是两块板通过四个PCM340保持平 行的一实例。图8所示的产品示例包括一顶壳310、压电式放大执行器320，一印刷控制板(PCB) 组件330，一配电板350，一孔板360，一孔板支架(移动参考系)370、用于印刷控制板安装 的衬套380和一试样孔板夹紧系统390。其他单一和多轴工作台和组件也是可行的。在一多 轴系统中，设想多个PCM结构可正交地叠加在一起以提供必要的运动自由度。

在PCM概念的一个扩展中，一复合材料的多个PCM臂架结构是可以设想到的。通过这种 方式而不是使用多个单独的线性PCM340固定于如图6、7和8所示的定位工作台或组件300 的固定板310和活动板370之间，例如，考虑到一带有多个臂410、420和430之间具有角定 向的单独的复合材料PCM组件400。这在显示了一整体式T型结构PCM400的图9A至9D中的 一具体实例中有所描述。其他的复合多臂PCM结构设计为例如L型和H型结构。要注意的是 在所有的这种复合结构中，每个PCM臂保持和单一线型PCM臂组件一样的基本操作和结构原 则。在图9A-9D的实施例中，还显示有为了使组合式多PCM臂装置具有必要的自由度对于中 部弯曲部支撑来说必要的间隙440。此间隙400例如在一PCM臂相对于另一PCM臂具有一角 定向的任何复合多PCM结构中都是必要的。

尽管已相当详细地描述了本发明且，与关于一些所述的实施例给出了一些特性，但是这 并不是为了以这些特性或实施例或任何特殊的实施例来限制本发明，而要解释为鉴于现有技 术参考所附的权利要求以便提供本权利要求可能的最广泛的解释，且因此有效地涵盖本发明 所要求的保护范围。此外，前述内容根据发明人的实施设想描述了本发明，对于这些实施设 想来说可达成本发明，尽管对本发明的改进微乎其微，虽然此处未设想到，也应视其为与本 发明等效。