MECANISMO NANOPOSICIONADOR SIN CONTACTO DE LARGA CARRERA.

La presente invención se refiere a un mecanismo nanoposicionador sin contacto de carrera larga que emplean la levitación magnética superconductora para el guiado de un carril móvil levitante mediante unos elementos de guiado fijos permitiendo la ausencia de contacto entre el carro móvil y los elementos de guiado fijos.

El citado mecanismo utiliza unos medios de control y desplazamiento compuestos por una o una pluralidad de bobinas o electroimanes para producir desplazamientos en el carro móvil con resolución nanométrica en una carrera larga mediante interacciones electromagnéticas.

Esta invención puede utilizarse en aplicaciones en ambientes criogénicos, como por ejemplo: telescopios interferométricos, componentes de procesos de nanofabricación y/o microscopios confocales de espectroscopia criogénica.

Mecanismo nanoposicionador sin contacto de larga carrera.

Sector de la técnica La presente invención se refiere a un mecanismo nanoposicionador lineal con un carro móvil levitante (1) y unos medios de guiado fijos (2) caracterizados por la ausencia de contacto entre ellos mantenido mediante levitación magnética superconductora y unos medios de control y desplazamiento (3) , capaz de realizar desplazamientos con precisión nanométrica en una carrera larga y capaz de funcionar en entornos criogénicos.

La presente invención puede ser utilizada en aparatos en entornos criogénicos como, por ejemplo, telescopios interferométricos, componentes de procesos de nanofabricación y/o microscopios confocales de espectroscopia criogénica.

Estado de la técnica Actualmente, el nanoposicionado se ha convertido en objetivo de desarrollo para satisfacer requerimientos de un gran número de industrias como la biomédica de precisión, la de semiconductores y/o comunicaciones ópticas. Los principales parámetros que caracterizan a los nanoposicionadores son la carrera o rango de desplazamiento, el número de grados de libertad, la precisión en la posición y la resolución. Otros factores a tener en cuenta son: estabilidad, velocidad en respuesta, ancho de banda, durabilidad, relación volumen/desplazamiento, consumo y complejidad del control

De las tecnologías actuales podemos hacer una distinción en tres grandes grupos:

Posicionadores basados en materiales piezoeléctricos.

Actualmente, los actuadores piezoeléctricos son muy utilizados en aplicaciones que requieren un control de la posición con precisión nanométrica. Podemos encontrar diferentes dispositivos basados en materiales piezoeléctricos como por ejemplo las patentes: US 4, 610, 442, US 5, 424, 597, EP 1, 353, 110, DE 10 2006 034 162 (A1) , US 2010, 259, 760 (A1) , US 2008, 148, 589 y DE 20, 2005, 020, 928 y compañías que los comercializan, como por ejemplo Physic Instrumente (Karlsruhe, Alemania) o Attocube (Munich, Alemania) , que proporcionan actuadores basados en materiales piezoeléctricos de muy diversas formas y características.

Dichos mecanismos tienen una excelente precisión y resolución del orden de nanómetros, un buen comportamiento en frecuencia y pueden generar fuerzas significativas con un diseño muy compacto y de bajo consumo. Sin embargo, su principal limitación es la escasa longitud de la carrera; en la mayoría de los casos no superior a 1 mm. Además, son intrínsecamente dispositivos de contacto, en los que el movimiento se produce por la deformación del actuador lo que limita la vida útil de los mismos.

A pesar de dichas limitaciones principales, existen actuadores comerciales que proporcionan carreras de hasta 7 mm como podemos encontrar en el catálogo de Attocube. En este tipo de actuadores de "largo recorrido" la relación volumen/desplazamiento es muy alta, siendo no deseable en ciertas aplicaciones. Otros dispositivos intentan aumentar la carrera utilizando "inchworm motors" o motores oruga. Por ejemplo, la compañía Burleigh Instruments (Mississauga, Canadá) comercializa este tipo de mecanismos para los que afirman conseguir posicionamientos nanométricos a lo largo de varios centímetros. Sin embargo, la vida estimada de estos dispositivos es muy corta, reducida principalmente por los impactos mecánicos a los que se ven sometidos los componentes piezoeléctricos. También se reconocen ciertas limitaciones relacionadas con las vibraciones y estabilidad estructural para los "inchworm motors" y una gran limitación en la masa y tamaños máximos que son capaces de mover.

Adicionalmente existen otras limitaciones comunes a los dispositivos piezoeléctricos. La contracción/relajación de los elementos produce grietas en los materiales piezoeléctricos, disminuyendo su vida útil. Los voltajes requeridos para operar los actuadores piezoeléctricos suelen ser muy elevados, del orden de cientos de voltios, lo cual puede suponer un problema en situaciones donde las capacidades eléctricas están limitadas. Son sensibles a los cambios de temperatura y salvo excepciones, no son operativos en temperaturas criogénicas ni en vacío. Además presentan severas no-linealidades en el comportamiento dinámico y fenómenos de "creep" e histéresis como se muestra en los artículos "Modeling nonlinear behavior in a piezoelectric actuator" de Richter H, Misawa E., Lucca D. y Lu H. en Precision Engineering 2001; 25 (2) :128-37 y "Manipulation of nanoscale components with the AFM: principles and applications" de Requicha , et al. en Proceedings of IEEE conference on Nanotechnology, 2001, p. 81-6.

Híbridos. Otro tipo de mecanismos se puede ver por ejemplo en las patentes US 4, 835, 434 o US 2008, 246, 353 (A1) y en diversos artículos relacionados al respecto: "A ball-screw driver mechanism with piezo-electric nut for preload and motion control" Chen JS y Dwang IC en el the International Journal of Machine Tools and Manufacture 2000; 40:513-26; "Nanometer positioning of linear motion stage under static loads" de Awabdy BA et al. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics 1998; 3 (2) :113-9; "Precision position control using combined piezo-VCM actuators" Liu et al. Precision Engineering 2005; 29 (4) :411-22; "A vibration resistant nanopositioner for mobile parallel-probe storage applications" Despont et al. Journal of Microelectromechanical Systems, 2007; 16-1 pp. 130-139.

En ellos se combinan métodos tradicionales de desplazamiento con mecanismos piezoeléctricos, dando lugar a mecanismos híbridos. Así, en ellos podemos encontrar diversas combinaciones: motores paso a paso + piezoeléctrico, "voice coils" + piezoeléctricos, micrómetros + piezoeléctricos que siguen siendo de contacto. En muchos de estos casos las limitaciones de la carrera no son tan severas, sin embargo el resto de inconvenientes comunes a los piezoeléctricos siguen estando presentes. En este tipo de mecanismos el control del posicionado se hace más complejo ya que cuentan con dos elementos a controlar: uno de paso fino y otro de paso grueso, afectando la estabilidad de uno en la del otro.

Posicionadores basados en levitación electromagnética activa (maglev) .

En diversos artículos y patentes relacionadas más adelante se describen nanoposicionadores sin contacto basados en levitación electromagnética activa. En comparación con los posicionadores piezoeléctricos, los sistemas activos de levitación magnética ofrecen los mismos niveles de precisión y resolución para carreras mayores. Así mismo algunos de ellos permiten movimientos en más de un grado de libertad. Al tratarse de mecanismos en los que no hay contactos entre la parte móvil y la fija los problemas de fatiga y duración de vida no son tan críticos. El concepto común de estos mecanismos es la utilización de la repulsión/atracción que hay entre materiales ferromagnéticos y bobinas o electroimanes para desplazar las partes móviles. Actuando sobre la corriente de las bobinas se logra controlar las fuerzas ejercidas sobre las partes móviles.

El principal inconveniente de estos sistemas activos de levitación es que requieren un control complejo y de gran velocidad de actuación, ya que son por naturaleza inestables. Esta necesidad de control se traduce en electrónicas más complejas, mayor número de sensores y consumos eléctricos mayores.

Así, por ejemplo, en el artículo titulado "Magnetic/fluid-bearing stage for atomic-scale motion control (the angstrom stage) " Holmes y Trumper, (Precision Engineering 1996;21:38-94) presentaban la construcción de una mesa de desplazamiento tridimensional de 100 µm de recorrido en cada dirección y 0.1 nm de resolución. La mesa está controlada por 12 actuadores bobina-imán (6 en dirección vertical y 6 en direcciones horizontales) con 6 sensores capacitivos que realimentaban el sistema de control. La bobina y el imán de los actuadores eran magnéticamente coaxiales pero el imán no podía nunca entrar dentro del núcleo de la bobina actuando ésta en repulsión o atracción sobre el imán. Las bobinas y los sensores se encontraban en la parte fija y los imanes y las sondas de los sensores en la parte levitante.

En el artículo titulado "High-precision magnetic levitation stage for photolithography", Precision Engineering 1998; 22 (2) :66-77, Kim y Trumper, diseñaron una mesa plana cuadrada de desplazamiento por suspensión magnética con 50 mm de carrera en las dos direcciones características y alcanzado una resolución de 10 nm. Este dispositivo estaba igualmente propulsado por repulsión y atracción de bobinas e imanes y sensorizado mediante elementos capacitivos. En este caso la configuración del bobinado y los imanes no era coaxial, sino que se trataba de una matriz de imanes permanentes con sus direcciones...

1. Un mecanismo nanoposicionador sin contacto de carrera larga que dispone de un carro móvil levitante

(1) compuesto por una o una pluralidad de piezas superconductoras, unos medios de guiado fijos (2) formados por una o una pluralidad de imanes permanentes o electroimanes sin contacto entre el carro móvil (1) y los elementos de guiado fijos (2) , mantenido mediante levitación magnética superconductora, y unos medios de control y desplazamiento (3) compuestos por una o una pluralidad de bobinas o electroimanes, capaz de realizar desplazamientos con precisión nanométrica en una carrera larga mediante la variación de las corrientes eléctricas circulantes por los medios de control y desplazamiento (3) .

2. Un mecanismo nanoposicionador sin contacto de carrera larga que dispone de un carro móvil levitante

(1) compuesto por una o una pluralidad de imanes permanentes, unos medios de guiado fijos (2) formados por una

o una pluralidad de piezas superconductoras sin contacto entre el carro móvil (1) y los elementos de guiado fijos (2) , mantenido mediante levitación magnética superconductora, y unos medios de control y desplazamiento (3) compuestos por una o una pluralidad de bobinas o electroimanes, capaz de realizar desplazamientos con precisión nanométrica en una carrera larga mediante la variación de las corrientes eléctricas circulantes por los medios de control y desplazamiento (3) .

3. Un mecanismo nanoposicionador sin contacto de carrera larga conforme a la reivindicación 1 caracterizado además por contener el carro móvil levitante (1) una o una pluralidad de cilindros superconductores.

4. Un mecanismo nanoposicionador sin contacto de carrera larga conforme a la reivindicación 3 caracterizado además por estar el eje del carro móvil levitante (1) alineado con la dirección de movimiento.

5. Cualquier mecanismo nanoposicionador sin contacto de carrera larga conforme a las reivindicaciones 1, 3 ó 4 caracterizado además por estar los elementos de guiado fijos (2) compuestos por una o una pluralidad de imanes permanentes o electroimanes distribuidos con simetría poligonal regular en torno del eje de desplazamiento.

6. Cualquier mecanismo nanoposicionador sin contacto de carrera larga de la reivindicación 1, 3, 4 ó 5 caracterizado además por estar los elementos de guiado fijos (2) compuestos por una o una pluralidad de imanes permanentes cuyas direcciones de imanación son paralelas a la dirección de desplazamiento.

7. Cualquier mecanismo nanoposicionador sin contacto de carrera larga de la reivindicación 1, 3, 4 ó 5 caracterizado además por estar los elementos de guiado fijos (2) compuestos por una o una pluralidad de imanes permanentes cuyas direcciones de imanación son perpendiculares a la dirección de desplazamiento.

8. Cualquier mecanismo nanoposicionador sin contacto de carrera larga de la reivindicación 1, 2, 3, 4, 5, 6 ó 7 caracterizado además por contener los elementos de control y desplazamiento fijos (3) una o una pluralidad de bobinas o electroimanes cuyos ejes son coincidentes con la dirección de desplazamiento ubicados en cualquier punto de la carrera o incluso fuera del rango de desplazamiento.

9. Un mecanismo nanoposicionador sin contacto de carrera larga conforme a la reivindicación 2 caracterizado además por estar el carro móvil levitante (1) compuesto por una o una pluralidad de imanes permanentes cuya dirección de imanación sea paralela a la dirección de desplazamiento.

10. Un mecanismo nanoposicionador sin contacto de carrera larga conforme a la reivindicación 2 caracterizado además por estar el carro móvil levitante (1) compuesto por una o una pluralidad de imanes permanentes cuya dirección de imanación sea perpendicular a la dirección de desplazamiento.

11. Cualquier mecanismo nanoposicionador sin contacto de carrera larga de la reivindicación 2, 9 ó 10 caracterizado además por contener los elementos de control y desplazamiento fijos (3) una o una pluralidad de bobinas o electroimanes cuyos ejes son paralelos a la dirección de desplazamiento.

12. Cualquier mecanismo nanoposicionador sin contacto de carrera larga de la reivindicación 2, 9 ó 10 caracterizado además por contener los elementos de control y desplazamiento fijos (3) una o una pluralidad de bobinas o electroimanes cuyos ejes son perpendiculares a la dirección de desplazamiento.

13. Un mecanismo nanoposicionador sin contacto de carrera larga de cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado además por disponer de sensores o dispositivos destinados a medir el desplazamiento o la posición de cualquiera de los elementos que componen el mecanismo y en cualquiera de los 6 grados de libertad del sistema.