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奈米級三次元量測儀研製─子計畫三:超精密長距離致動機構研製(I)

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Academic year: 2021

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

奈米級三次元量測儀研製-子計劃三: 超精密致動機構之研製

Design and Fabrication of an Ultra Precision Mechanism 計畫編號:NSC 88-2212-E-002-034 執行期限:87/08/01~88/07/31 主持人:張所鋐 執行單位:國立台灣大學機械工程學系 本計畫研製出一單層平面三自由度微定 位平台。由拓樸圖集中選用符合條件之拓樸 圖,將之轉為一般機構,再以撓性結構將之 微型化轉換,利用有限元素模擬,並使用品 質工程中之田口方法進行最佳化設計,根據 模 擬 結 果 決 定 各 設 計 參 數 , 完 成 一 具 有 z

XY

θ

三自由度之單層平面三自由度微定位 平台的設計,並以實驗印證其功能。 所研製之單層平面三自由度微定位平台 為一具有 10 µm 最大位移量、300 µrad 最大 旋轉量及 30 nm 位移解析度、0.9µrad 旋轉解 析度之三自由度定位機構。 關鍵詞:精密定位平台、奈米級解析度、壓 電致動器。

Precision positioning stages were widely used in many systems. This paper focuses on the development of precision positioning stages with high accuracy, long travel range, and achieving multiple degrees of freedom.

In this study, a single layer 3-dof micro-positioning stage were designed, fabricated, and tested. Finite element analysis and Taguchi method were combined to design the single layer 3-dof micro-positioning stage. Performance of the system was verified by experiments. The FABRICATED single layer 3-dof micro-positioning stage achieved performance of has 10 µm travel range, 300 µrad rotary range, 30 nm translation resolution, and 0.9 µrad rotary resolution.

Keyword: precision positioning stage, coarse-fine stage, piezoelectric actuator.

一、前言 近年來半導體產業、精密機械工業、生 物細胞領域、光電系統、顯微機構、表面工 程、STM、SPM 等方面,皆朝微小化、精密 化的方向前進,因此對於微米級或次微米級 的定位系統需求量日增。 定位技術是製造產品、量測物件尺寸、 運轉各式機器的重要技術。本計畫主持人, 為使微定位平台能夠滿足各項需求,乃以本 實驗室多年來從事精密定位系統的設計、製 造及研究作為基礎,特加以精心改良,並輔 以實驗測試後,研創出一單層平面三自由度 微定位平台,以應用於奈米級三次元量測儀 中。 二、設計、分析與實驗結果 單層平面三自由度微定位平台之設計圖 如圖 1 所示,採用形變式平台,使用壓電致 動器作為致動器。 Flexure hinge Guiding spring Working area PZT Connecting region X Y 圖 1 單層平面三自由度微定位設計圖

(2)

2 此微定位平台之三自由度為二直行(X 與 Y 方向)移動及一旋轉(

θ

Z方向)運動,其包 括一固定底座、一工作平台、三支壓電致動 器、六個撓性鉸鍊、與三組彈簧導引組;其 特徵為致動器一端以撓 性鉸 鍊連接固定底 座,致動器另一端以另一撓性鉸鍊連接工作 平台,彈簧導引組一端連接固定底座,彈簧 導引組另一端連接工作平台,當致動器受驅 動後,提供位移及作用力,產生之位移經彈 簧導引組的導引及撓性鉸鍊之旋轉,產生一 合成位移效果於工作平台,造成工作平台與 固定底座的相對運動,以單層的結構達成平 面上 X 軸及 Y 軸的位移運動及

θ

Z軸的旋轉 運動,及三軸運動的任意組合。 本設計利用不同的輸入電壓組合使三支 致動器分別產生輸入位移,利用材料彈性變 形的原理,配合平板葉片彈簧及撓性鉸鍊的 設計,來達成工作平台之運動。具有精度 高、無餘隙、無摩耗、生熱少等優點,又其 相較與以往多層組合之微定位平台,更具有 一體成形、系統簡單、裝配整合容易、累積 誤差小等進步性。 2.1 機構設計 為找尋一可用之機構,將由拓樸圖集中 找尋。首先使用初選條件來選出部分的拓樸 圖,而本文所使用的初選條件分別為:平面 三自由度、地桿與輸出桿之相對自由度與機 構相同、封 閉迴 路、獨立迴路數目不大於 2。 其次使用複選條件加以選擇。本文所使 用的複選條件分別為:高負載能力、累積誤 差小、 輸出靈活度高、分析控制容易。再次 決定使用的運動鍊型態與輸入位置、輸出位 置及地桿 位置的 配置,並將機構微型化轉 換,其中旋轉對使用撓性鉸鍊、滑動對使用 壓動致動器。 最後得出之最佳輸入配置拓樸圖轉為一 般機構如圖 2 所示。 2.2 有限元素分析及尺寸最佳化 細 部 尺 寸 的 決 定 , 將 採 用 田 口 方 法 (Taguchi method),此法為一個統計上的最 佳化方法,對於欲決定特定幾個設計參數 時, 有 著 快速、有效率、 無 收 斂問題的優 點,故為本文所採用。 圖 2 最佳輸入配置之一般機構圖 表 1 各設計參數及其最佳化之 level Taguchi Level (mm) 1 2 3 Stage Thicknes s 20 25 NA Working Area Edge Length 60 80 100 Radius 1.5 1.75 2.0 Flexure Hinge Width 0.3 0.4 0.5 Length 30 40 50 Guiding Spring Width 0.5 0.6 0.7 Length 5 7 9 Connecting Region Width 2 4 6 田口方法之步驟為:1. 選定設計參數數 量及對應之 orthogonal array、2. 決對各設計 參數的 level、3. 由使用之 OA 列出各試驗中 各參數所對應 level 的選擇、4. 列出田口方法 的目標函數、5. 進行試驗、6. 找出各設計參 數在各 level 下對應的目標函數值、7. 決定最 佳設計下各設計參數尺寸。將結果整理如表 1。 2.3 特性分析 為控制平台的運動,以得知使平台到達 某一欲達之定位時,所需要之輸入電壓組, 因 此 需 要 找 出 轉 換 矩 陣 ( transform

(3)

3 matrix)。藉由多組輸入與對應的輸出,以找 出 轉 換 矩 陣 , 其 關 係 式 為

[ ]

I

n

[ ] [ ]

T

O

n 3*

=

3 3* 3* ,其中

[

I

]

為輸入電壓矩 陣,

[

O

]

為輸出位移矩陣。 列出其 X 軸、Y 軸、

θ

z軸的單位輸入電 壓矩陣如下。

[ ]

O

x

=

[ ]

I

x





=





1

0

0

12 6901

0 0302

13 9194

µ

,

.

.

.

[ ]

O

y

=

[ ]

I

y





= −





0

1

0

7 7950

15 5869

71202

µ

,

.

.

.

[ ]

O

θ

[ ]

I

θ

µ

=





=





0

0

1

0 3203

0 3203

0 3203

,

.

.

.

將各輸入電壓矩陣代入有限元素法模型 中,得出的變形圖如圖 3、圖 4、圖 5。 圖 3 X 軸單位輸入電壓矩陣所得變形圖 圖 4 Y 軸單位輸入電壓矩陣所得變形圖 圖 5 θz軸單位輸入電壓矩陣所得變形圖 2.4 實驗結果 利用精密電容式感測器作為平台的量測 工具。若欲使單層平面三自由度微定位平台 產生運動,需同時對三支壓電致動器輸入如 上之輸入電壓矩陣特定比 例關係的電壓訊 號。 圖 6 為 X 軸之最高位移解析度量測,X 軸最高位移解析度為 30 nm;圖 7 為 Y 軸之 最高位移解析度量測,Y 軸最高位移解析度 為 25 nm;圖 8 為

θ

z軸之最高位移解析度量 測,

θ

z軸最高位移解析度為 0.9 µrad。

Capacitive signal (75 nm/div)

圖 6 X 軸最高位移解析度量測

Capacitive signal (75 nm/div)

(4)

4 Capacitive signal (3 µrad/div)

圖 8

θ

z軸最高位移解析度量測 對於單層平面三自由度微定位平台之阻 抗頻率響應量測如圖 9,由三支壓電致動器 輸入訊號。單層平面三自由度微定位平台前 三個共振頻率十分接近,介於 1250 Hz 至 1270 Hz 之間 圖 9 阻抗量測 本創作之單層三自由度微定位平台之工 作性能經由實驗得到驗證。 三、結果與討論 本計畫由拓樸圖集中選用符合條件之拓 樸圖,將之轉為一般機構,再以撓性結構將 之微型化轉換,利用有限元素模擬,並使用 品質工程中之田口方法進行最佳化設計,根 據模擬結 果決定 各設計參數,完成一具有 z

XY

θ

三自由度之單層平面三自由度微定位 平台的設計,可減少多層結構的裝配誤差, 並以實驗印證其功能。 根據實驗的結果,系統的性能符合所訂 定的工程規格,因此可以確定本計畫為一成 功的設計。未來的計畫中,將以軟體控制平 台三軸的運動,設計較佳之人機介面,並提 高各軸的位移解析度與運動速度,以期能夠 達成快速高精密的定位目標。 定位技術是製 造產品、量測物件之尺 寸、運轉各式機器的重要技術。本文發展之 單層三自由度微定位平台可用於需要定 位裝置的各種場合,如工具機、組立調 整裝置、半導體製造設備、精密量測儀器、 實驗用設備等。 四、參考文獻

[1] Fredric E. Scire and E. Clayton Teague, “Piezodriven 50-µm Range Stage with Subnanometer Resolution,” Rev. Sci. Instrum., Vol. 42, No. 12, pp. 1735-1740, 1978.

[2] Eiichi Furukawa, Makoto Mizuno and Toshio Doi, “Development of A Flexure-Hinged Translation Mechanism Driven by Two Piezoelectric Stacks,” JSME International Journal, Series C, vol. 38, no. 4, pp. 743-748, 1995.

[3] S. H. Chang and B. C. Du, “A Precision Piezodriven Micropositioner Mechanism with Large Travel Range,” Rev. Sci. Instrum., vol. 69, no. 4, pp. 1785-1791, 1998

[4] S. H. Chang, S. S. Li, " A high resolution long travel friction drive micropositioner with programmable step size," The Review of Scientific Instruments, vol. 70, no. 6, pp. 2776-2782, Jun. 1999.

[5] S. H. Chang, C. K. Tseng, and H. C. Chien, “An Ultra-precision XYθz Piezo-micropositioner-Part I: Design and Analysis,” IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 46, no. 2, pp. 897-905, July, 1999.

[6]

S. H. Chang, C. K. Tseng, and H. C.

Chien, “An Ultra-precision

XYθz

Piezo-Micropositioner-Part II: Experiment and

Performance,” IEEE Trans. Ultrasonics,

Ferroelectrics, and Frequency Control,

vol. 46, no. 2, pp. 906-912, July, 1999.

數據

圖 7  Y 軸最高位移解析度量測
圖 8   θ z 軸最高位移解析度量測 對於單層平面三自由度微定位平台之阻 抗頻率響應量測如圖 9,由三支壓電致動器 輸入訊號。單層平面三自由度微定位平台前 三個共振頻率十分接近,介於 1250  Hz 至 1270 Hz 之間 圖 9  阻抗量測 本創作之單層三自由度微定位平台之工 作性能經由實驗得到驗證。 三、結果與討論 本計畫由拓樸圖集中選用符合條件之拓 樸圖,將之轉為一般機構,再以撓性結構將 之微型化轉換,利用有限元素模擬,並使用 品質工程中之田口方法進行最佳化設計,根 據模擬結 果決定 各設計參

參考文獻

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一、研究動機 二、資料來源 三、模型建立 四、模擬預測 五、研究結果

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