Diseño de una plataforma bidimensional con resolución nanométrica y amplio rango de desplazamiento

Resumen

En esta tesis se presenta el diseño de una plataforma de desplazamiento de amplio rango en dos dimensiones con resolución nanométrica y precisión submicrométrica, que permitirá la integración de sistemas de interferometría o microscopía así como la caracterización y calibración de nanopalpadores de medición o sistemas en dos dimensiones. Como ejemplo de aplicación se realizó el diseño basado en la integración de un microscopio de fuerzas atómicas para ampliar su rango de medición XY a 50 mm x 50 mm. Primeramente, se determinó el diseño conceptual de la plataforma bidimensional y posteriormente, se realizó un análisis y selección de los componentes principales de la plataforma. Se seleccionó un sistema láser y tres sensores capacitivos como sensores de medición del desplazamiento y giros. El sistema de levitación quedó conformado por tres cojinetes de aire con precarga de vacío y para el sistema de accionamiento se seleccionaron cuatro motores lineales planos. Se propuso un diseño funcional con una estructura coplanar de dos etapas que incluye un marco metrológico con un material de bajo coeficiente de dilatación térmica. Con este diseño se evitaron juegos mecánicos al no incluir guía mecánicas, se minimizaron los errores de Abbe en dirección vertical, se aisló el sistema de medición de cualquier influencia térmica. En los diseños posteriores se propone la utilización de dos marcos metrológicos, uno superior y otro inferior y sus posteriores modificaciones. Finalmente, se presenta el diseño definitivo de este trabajo de tesis conformado en tres etapas para solucionar el problema de falta de espacio para los componentes, donde la modificación espacial más significativa fue la de los motores lineales, colocados boca abajo en la parte fija superior de la plataforma. Con este diseño se obtuvieron unas dimensiones de la plataforma bidimensional de 580 mm x 580 mm x 218 mm. Posteriormente, se caracterizaron los sensores capacitivos, el sistema de levitación y sensores en dos dimensiones, corroborando que cumplen con las características y requisitos que requiere la plataforma bidimensional para lograr un buen desempeño y analizando la influencia de cada uno de estos en el funcionamiento final de la misma. Finalmente, se presentó el análisis analítico y de elementos finitos de un microposicionador flexible en dos dimensiones. Se realizó su fabricación y se llevaron a cabo experimentos para comparar los resultados obtenidos con los obtenidos teóricamente.