一种主/被动抑振融合的纳米平台

1.本发明涉及mini/micro led封装检测领域，特别是一种主/被动抑振融合的纳米平台。


背景技术：

2.在芯片封装检测领域，尤其是mini-led与micro-led芯片，在初步封装后，需要动用原子力显微镜对各个芯片的物理特性进行在线测量，然后再对不良的芯片进行修复或者替换，做到早发现、早治疗，从每个环节都确保芯片封装的良率，最终提高整体显示屏生产的效率。
3.然而，上述led芯片的尺寸都是微米级别的，而那些芯片要被封装到米级的显示面板上，原子力显微镜的检查范围也是微米范围的，这就需要使用龙门架将原子力显微镜吊起来，配合底部运动平台将显示面板的每个位置都转移到原子力显微镜的检测范围内，接受检测。
4.原子力显微镜虽然有极高的检测精度，但对自身与检测物体的距离也有极高的要求(纳米级)，而这样级别的振动主要是由运动平台自身产生的，通过龙门架影响到原子力显微镜自身与被检测物体的距离，而且振动噪音的频率范围达到500hz，振动幅度高达500nm。
5.应用要求是让原子力显微镜这个质量约3kg的物体，在受到龙门架传递过来的上述位移振动激励下，保持原子力显微镜自身与被测量目标的距离的稳定，根据现有技术和现有要求，如此大负载的闭环控制带目前没有超过100hz的。
6.现有技术中对龙门架与原子力显微镜安装的技术主要有以下三种：
7.(1)使用纵向直线电机平台连接龙门架和原子力显微镜，使用多普勒测距仪获得原子力显微镜与显示面板之间的距离，控制直线电机进行闭环控制，保持原子力显微镜与显示面板之间的距离为恒值。该方案中由直线电机驱动，驱动力是足够的，可是直线电机本身的定位精度做到1μm已经是极致，远远无法达到龙门架与显示面板纳米级的距离保持要求。
8.(2)使用压电堆叠和柔性铰链代替纵向直线电机平台，对原子力显微镜进行全主动闭环控制，保持原子力显微镜与显示面板之间的距离为恒值。该方案中使用压电陶瓷和柔性机构进行直接控制，与快速伺服(fts)类似，但fts的控制目标仅为一个切削刀头，且闭环控制带宽鲜有超过100hz，存在技术难度，压电陶瓷驱动力大，响应快，有可能是因为压电陶瓷的迟滞效应，随着频率升高，迟滞现象越明显，所以难以达到高带宽控制，即难以在500hz范围内保证原子力显微镜与显示面板之间的距离不变。
9.(3)使用被动隔振装置(原理与试验用隔振台一样)连接龙门架与原子力显微镜。改方案中使用的被动隔振平台，只能隔绝高频的振动，对低频的振动消除效果有限，以及难以应对需要微米级距离调整的情况，且被动隔振本质上是弹簧，遇到固有频率分量的激励，会产生共振，即输出位移增益会很大。


技术实现要素：

10.针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种主/被动抑振融合的纳米平台，其能低频主动调整和高频被动隔振，是一种宽频段的自稳定纳米云台，保证了原子力显微镜的稳定性。
11.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
12.一种主/被动抑振融合的纳米平台，其包括：龙门架、输出平台、滑杆、第一柔性板簧件、第二柔性板簧件、硬质弹簧件、夹紧组件、应变片、磁性提升组件、压电顶升件和测距仪；所述龙门架包括横梁和竖直连接与横梁两端的支撑臂；所述横梁沿竖直方向开设有滑动孔；所述支撑臂沿水平横向方向开设有调节腔；所述调节腔关于所述滑动孔的延伸方向左右对称设置；所述调节腔内设有第二柔性弹簧件，所述第二柔性弹簧件的下端通过压电顶升件与所述调节腔的底部固定连接；所述磁性提升件安装于所述滑动孔的顶部，所述输出平台水平安装于所述滑孔的正下方；所述滑杆的上端穿过所述滑动孔并限位安装于所述磁性提升组件内；所述滑杆的下端沿竖直方向与所述输出平台刚性连接；所述输出平台的顶部与所述横梁的底部通过所述硬质弹簧件竖向连接；
13.所述输出平台的左侧和右侧对称设有所述第一柔性弹簧件；所述第一柔性弹簧件的一侧与所述输出平台固定连接，所述第一柔性弹簧件的另一侧与对应一侧的所述第二柔性弹簧件固定连接；所述硬质弹簧件、所述第一柔性弹簧件和所述第二柔性弹簧件为所述输出平台提供竖直向上的弹力，且在所述磁性提升组件和/或所述压电顶升件的作用下所述输出平台能沿竖直方向滑动；所述夹紧组件安装于所述横梁，所述夹紧组件用于将所述滑杆夹紧或松开，所述应变片设置于所述柔性弹簧件。
14.具体的，所述第一柔性弹簧件为s形弹簧件；所述第二柔性板簧件包括弹性板件和顶升座；所述顶升座位于所述调节腔内，所述顶升座与所述调节腔的底部之间设有所述压电顶升件，所述压电顶升件用于驱动所述顶升座沿竖直方向移动；所述顶升座的一竖直侧面与对应位置的所述s形弹簧件连接；所述顶升座正对的两侧通过所述弹性板件件分别与所述调节腔的两侧连接；所述s性弹簧件的柔度比所述弹性板件的柔度大，所述s性弹簧件的刚度比所述弹性板件的刚度小。
15.优选地，所述硬质弹簧件有两个，且对称的设置于所述滑杆的左侧和右侧；所述硬质弹簧件为螺旋弹簧，所述螺旋弹簧的柔度比所述弹性板件的柔度小，所述螺旋弹簧的刚度比所述弹性板件的刚度大。
16.具体的，所述s性弹簧件和所述弹性板件由航空铝制成；所述螺旋弹簧由铁或钢制成。
17.优选地，夹紧组件包括夹紧板、摩擦套圈和压电夹紧件；，所述滑动孔内设有直线轴承；所述夹紧板安装于所述横梁的底部，所述夹紧板正对所述滑动孔的延伸方向开设有夹紧孔；所述夹紧孔内设有摩擦套圈，所述摩擦套圈一侧紧贴所述压电夹紧件的驱动端安装；所述压电夹紧件固定安装于所述夹紧板；所述滑杆穿设于所述摩擦套圈内，在所述压电夹紧件的驱动下，所述摩擦套圈将所述滑杆夹紧或松开。
18.优选地，所述夹紧组件内的压电夹紧件和压电顶升件为压电堆叠驱动器。
19.优选地，所述磁性提升组件包括：永磁铁和电磁线圈；所述电磁线圈的径向尺寸大于所述永磁铁的径向尺寸；所述永磁铁成环形，水平套设于所述滑杆的上端；所述电磁线圈
固定安装于所述滑动孔的顶部，并与所述永磁铁同轴线的设置于所述永磁铁的外侧。
20.优选地，所述纳米云台还包括原子力显微镜、控制器和测距仪；原子力显微镜安装于所述输出平台的底部；所述测距仪用于检测检测所述原子力显微镜与被测量目标之间的距离；所述测距仪为电容测距仪或多普勒测距仪；所述控制器、所述夹紧组件、应变片、磁性提升组件、压电顶升件和测距仪电联接。
21.优选地，所述控制器内配设有用于控制原子力显微镜与北侧目标距离的调节控制方法，所述调节控制方法包括如下内容：
22.测距仪实时检测原子力显微镜与被测量目标之间的距离，得到距离参数；
23.当距离参数超出预设范围时，控制器根据距离参数与预设范围的比较结果，对磁性提升组件和/或压电顶升件进行控制，实现对原子力显微镜与被测量目标之间的距离的闭环反馈控制或闭环反馈加前馈控制，使得距离参数恢复至预设范围内；
24.当纳米云台发生共振时，所述控制器向所述夹紧组件发出控制指令，使得夹紧组件将滑杆夹紧制动，当纳米云台共振消除后，夹紧组件将滑杆松开。
25.本发明的实施例的有益效果：
26.第一柔性板簧件和第二柔性板簧件组成的大柔度的柔性机构，利用柔性机构在连接大质量(kg级)的情况下，高频位移分量输出响应小的特性，实现了原子力显微镜在高频段范围内位移的稳定维持。
27.低频依靠压电堆叠驱动，利用反馈和前馈的手段，在位移扰动发生或发生一半时，对原子力显微镜的位置进行主动调整，使闭环带宽不用太高，仅需与高频被动隔振频段有重合即可，降低了控制器传感器的性能要求和算法实现难度。
28.增设夹紧组件，消除或减少了被动隔振部件在谐振点附近频率分量的位移激励所引起的大幅度输出位移变化，提高了维持原子力显微镜位置恒定的性能。
29.将与输出平台刚性连接的滑杆接入直线轴承，限制了输出平台的摆动，提高了维持原子力显微镜整个平面位置恒定的性能。
30.低频主动控制和高频被动减振的创新技术，使得纳米云台的维稳性能，覆盖了较宽的一个频率范围，拓展了装置适用的场景。
31.压电堆叠长度开始变化的时候，使磁性提升组件的用电磁力补偿因刚度太小导致的变形力太小导致的平台启动滞后的情况，在压电堆叠长度变化结束后，通过应变片实时检测变形状态，当柔性机构变形回复的平衡态的时候，使用一对压电堆叠对滑杆进行夹紧，对平台进行刹车制动，防止产生振动(过度的位移)，解决了低刚度柔性机构启动速度慢，无法拥有高刚度柔性机构迅速响应的矛盾。
附图说明
32.图1是本发明的一个实施例中所述纳米云台的立体结构示意图；
33.图2是图1所示实施例的正视结构示意图；
34.图3是本发明的一个实施例中所述纳米云台应用状态下的正视结构示意图；
35.图4是本发明的一个实施例中所述纳米云台应用状态下的幅频特性曲线示意图。
36.其中：龙门架110，输出平台120，滑杆130，直线轴承131，第一柔性板簧件140，s形弹簧件141，第二柔性板簧件150，弹性板件151，顶升座152，硬质弹簧件153，夹紧组件160，
夹紧板161，摩擦套圈162，磁性提升组件170，永磁铁171，电磁线圈172，压电顶升件180，原子力显微镜210，运动平台220，被测量目标230。
具体实施方式
37.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
38.本技术的一个实施例，如图1至图4所示，一种主/被动抑振融合的纳米平台，其包括：龙门架110、输出平台120、滑杆130、第一柔性板簧件140、第二柔性板簧件150、硬质弹簧件153、夹紧组件160、应变片、磁性提升组件170、压电顶升件180和测距仪；所述龙门架110包括横梁和竖直连接与横梁两端的支撑臂；所述横梁沿竖直方向开设有滑动孔；所述支撑臂沿水平横向方向开设有调节腔；所述调节腔关于所述滑动孔的延伸方向左右对称设置；所述调节腔内设有第二柔性弹簧件，所述第二柔性弹簧件的下端通过压电顶升件180与所述调节腔的底部固定连接；所述磁性提升件安装于所述滑动孔的顶部，所述输出平台120水平安装于所述滑孔的正下方；所述滑杆130的上端穿过所述滑动孔并限位安装于所述磁性提升组件170内；所述滑杆130的下端沿竖直方向与所述输出平台120刚性连接；所述输出平台120的顶部与所述横梁的底部通过所述硬质弹簧件153竖向连接；所述输出平台120的左侧和右侧对称设有所述第一柔性弹簧件；所述第一柔性弹簧件的一侧与所述输出平台120固定连接，所述第一柔性弹簧件的另一侧与对应一侧的所述第二柔性弹簧件固定连接；所述硬质弹簧件153、所述第一柔性弹簧件和所述第二柔性弹簧件为所述输出平台120提供竖直向上的弹力，且在所述磁性提升组件170和/或所述压电顶升件180的作用下所述输出平台120能沿竖直方向滑动；所述夹紧组件160安装于所述横梁，所述夹紧组件160用于将所述滑杆130夹紧或松开，所述应变片设置于所述柔性弹簧件。
39.所述第一柔性弹簧件为s形弹簧件141；所述第二柔性板簧件150包括弹性板件151和顶升座152；所述顶升座152位于所述调节腔内，所述顶升座152与所述调节腔的底部之间设有所述压电顶升件180，所述压电顶升件180用于驱动所述顶升座152沿竖直方向移动；所述顶升座152的一竖直侧面与对应位置的所述s形弹簧件141连接；所述顶升座152正对的两侧通过所述弹性板件151件分别与所述调节腔的两侧连接；所述s性弹簧件的柔度比所述弹性板件151的柔度大，所述s性弹簧件的刚度比所述弹性板件151的刚度小。
40.所述硬质弹簧件153有两个，且对称的设置于所述滑杆130的左侧和右侧；所述硬质弹簧件153为螺旋弹簧，所述螺旋弹簧的柔度比所述弹性板件151的柔度小，所述螺旋弹簧的刚度比所述弹性板件151的刚度大。
41.刚度和柔度的大小可以通过更换材料或者设定材料厚度来实现。
42.所述s性弹簧件和所述弹性板件151由航空铝制成；所述螺旋弹簧由铁或钢制成；使得所述输出平台120具有稳定的悬挂支撑结构，又能主动在微米和/或纳米级别在竖直方向上进行移动调整。
43.夹紧组件160包括夹紧板161、摩擦套圈162和压电夹紧件；，所述滑动孔内设有直线轴承131；所述夹紧板161安装于所述横梁的底部，所述夹紧板161正对所述滑动孔的延伸方向开设有夹紧孔；所述夹紧孔内设有摩擦套圈162，所述摩擦套圈162一侧紧贴所述压电夹紧件的驱动端安装；所述压电夹紧件固定安装于所述夹紧板161；所述滑杆130穿设于所述摩擦套圈162内，在所述压电夹紧件的驱动下，所述摩擦套圈162将所述滑杆130夹紧或松
开。
44.所述夹紧组件160内的压电夹紧件和压电顶升件180为压电堆叠驱动器；所述压电堆叠驱动器为现有功能元器件，可以直接从市场采购得到，也称之为压电堆叠。其中一种压电堆叠驱动器的工作原理可以概述为，压电堆叠为沿竖直方向布置的棒状结构,由多个压电陶瓷片堆叠而成。压电堆叠的一端与固定块固定,当施加电信号激励压电堆叠时,压电堆叠能够沿长度方向发生变形,从而在压电堆叠的另一端端产生输出位移，进而能实现微米或纳米级别的伸缩驱动效果。
45.所述磁性提升组件170包括：永磁铁171和电磁线圈172；所述电磁线圈172的径向尺寸大于所述永磁铁171的径向尺寸；所述永磁铁171成环形，水平套设于所述滑杆130的上端；所述电磁线圈172固定安装于所述滑动孔的顶部，并与所述永磁铁171同轴线的设置于所述永磁铁171的外侧。
46.所述纳米云台还包括原子力显微镜210、控制器和测距仪；原子力显微镜210安装于所述输出平台120的底部；所述测距仪用于检测检测所述原子力显微镜210与被测量目标230之间的距离；所述测距仪为电容测距仪或多普勒测距仪；所述控制器、所述夹紧组件160、应变片、磁性提升组件170、压电顶升件180和测距仪电联接。
47.所述控制器内配设有用于控制原子力显微镜210与北侧目标距离的调节控制方法，所述调节控制方法包括如下内容：
48.测距仪实时检测原子力显微镜210与被测量目标230之间的距离。得到距离参数；
49.当距离参数超出预设范围时，控制器根据距离参数与预设范围的比较结果，对磁性提升组件170和/或压电顶升件180进行控制，实现对原子力显微镜210与被测量目标230之间的距离的闭环反馈控制或闭环反馈加前馈控制，使得距离参数恢复至预设范围内；
50.当纳米云台发生共振时，所述控制器向所述夹紧组件160发出控制指令，使得夹紧组件160将滑杆130夹紧制动，当纳米云台共振消除后，夹紧组件160将滑杆130松开。
51.具体的，在实际应用中，所述纳米云台安装于用于承载被测量目标230的运动平台220的上方，所述龙门架110两端的所述支撑臂与运动平台220的机架连接，当运动平台220移动时，纳米云台上方的龙门架110会向原子力显微镜210传来高频分量的位移激励时，由图4所示的幅频特性曲线可得，由于所述输出平台120的两侧是通过所述第一柔性板簧件140和第二柔性板簧件150组成的柔性机构支撑的，输出平台120的位移振幅已经小于容许范围值(容许范围值可由实际应用需求来设定)，输出平台120便不会体现出高频分量激励的影响，保证了原子力显微镜210在高频段位移激励下与被测量目标230的距离保持恒定。
52.在低频段位移激励下，通过电容或多普勒测距仪实时监测原子力显微镜210与被测量目标230之间的距离，进行闭环反馈控制或闭环反馈加前馈控制，使闭环控制带宽与高频被动隔振频段有重合，则在一个较大频段内保证了原子力显微镜210在高频段位移激励下与被测量目标230的距离保持恒定。
53.在低频主动控制频段，为防止激发共振频率分量的位移响应(如图4中76.24μm处所示)，添加了夹紧组件160，对滑杆130上摩擦套圈162的地方进行夹紧制动，消除或减小过大的位移振动，又因为滑杆130与输出平台120刚性连接，并由直线轴承131将位移限制在了仅在竖直方向，所以通过对滑杆130进行制动，即对输出平台120进行制动，有效降低共振点频率(谐振点)分量激励带来的过度的位移变化。
54.另外，由于与输出平台120直接连接的第一柔性板簧件140和第二柔性板簧件150组成柔性机构，柔度大且刚度小，而输出平台120及所悬挂的原子力显微镜210质量大，长期变形，柔性机构支撑容易超出屈服极限，故增加一对硬质弹簧件153来抵消掉输出平台120及所悬挂的原子力显微镜210的重力，硬质弹簧件153的拉力对变形量(微米级)不敏感，故可认为提供了恒定的拉力抵消重力。同样是因为输出平台120直接连接的柔性机构，在压电顶升件180对其进行主动控制的时候，存在启动滞后(相位滞后)的问题，不利于输出平台120主动控制的快速响应，套在滑杆130上的永磁铁171与电磁线圈172之间产生电磁力，通过改变电流大小和方向改变电磁力方向和大小，在启动的时候减轻由于柔性机构变形力不足(刚度小)导致的运动平台220启动滞后现象。
55.所述纳米云台通过低频主动控制和高频被动隔振，在更宽的频段内，在输入位移的激励下，保证原子力显微镜210与被测量目标230之间的距离始终稳定在设定范围内。
56.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
57.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
58.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
59.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
60.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
61.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
62.以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。