本发明涉及一种半导体领域中的高速刺晶设备，特别是涉及一种正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构。本发明的目的是提供一种选择性地分离芯片更方便的正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，具体包括正交柔性机构、纵向驱动组件、第一横向驱动组件，所述正交柔性机构包括位移输出元件、纵向驱动杆、横向驱动杆，所述纵向驱动杆连接于所述位移输出元件的顶部，所述横向驱动杆连接于所述位移输出元件的侧壁，所述纵向驱动组件与所述纵向驱动杆相连接，所述第一横向驱动组件与所述横向驱动杆相连接，所述纵向驱动组件、所述第一横向驱动组件的驱动方向正交，所述纵向驱动组件用于带动所述位移输出元件在垂直方向上上下移动。
1.一种正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其特征在于，包括正交柔性机构（4）、纵向驱动组件（1）、第一横向驱动组件（7），所述正交柔性机构（4）包括位移输出元件（401）、纵向驱动杆（402）、横向驱动杆（403），所述纵向驱动杆（402）、所述横向驱动杆（403）均为刚性杆件，所述纵向驱动杆（402）连接于所述位移输出元件（401）的顶部，所述纵向驱动杆（402）纵向设置，所述横向驱动杆（403）连接于所述位移输出元件（401）的侧壁，所述横向驱动杆（403）横向设置，所述纵向驱动组件（1）与所述纵向驱动杆（402）相连接，所述第一横向驱动组件（7）与所述横向驱动杆（403）相连接，所述纵向驱动组件（1）的驱动方向与所述第一横向驱动组件（7）的驱动方向正交，所述纵向驱动组件（1）用于带动所述位移输出元件（401）在垂直方向上上下移动，所述纵向驱动组件（1）与所述第一横向驱动组件（7）结构相同，所述纵向驱动组件（1）与所述第一横向驱动组件（7）的设置方向相垂直，其中，所述纵向驱动组件（1）包括压电陶瓷（102）、纵向放大臂（103），所述纵向放大臂（103）包括放大臂柔性驱动端（1031）、放大臂柔性固定端（1032）、放大臂摆杆（1033），所述放大臂摆杆（1033）的第一端与所述放大臂柔性驱动端（1031）、所述放大臂柔性固定端（1032）均相互连接，所述放大臂摆杆（1033）与所述放大臂柔性驱动端（1031）的连接点为第一连接点，所述放大臂摆杆（1033）与所述放大臂柔性固定端（1032）的连接点为第二连接点，所述放大臂摆杆（1033）的第二端与所述纵向驱动杆（402）相连接，所述放大臂摆杆（1033）的第二端部与所述第二连接点的距离大于所述第一连接点与所述第二连接点的距离，所述压电陶瓷（102）一端与机架（8）相连接，所述压电陶瓷（102）另一端与所述放大臂柔性驱动端（1031）相连接，所述压电陶瓷（102）的变形方向与所述放大臂摆杆（1033）所在的方向相互垂直，所述压电陶瓷（102）适于通过所述放大臂柔性驱动端（1031）带动所述放大臂摆杆（1033）以所述第二连接点为支点上下摆动。
2.根据权利要求1所述的正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其特征在于，所述纵向驱动组件（1）还包括复位装置，所述复位装置包括铰接柱（104）、弹簧（105）、弹簧紧定螺柱（107）、紧定支撑（106），所述弹簧（105）套在所述铰接柱（104）上，所述弹簧（105）一端与所述铰接柱（104）相连接，所述弹簧（105）另一端通过所述弹簧紧定螺柱（107）与所述紧定支撑（106）相连接，所述紧定支撑（106）连接于机架（8）上，所述铰接柱（104）与所述放大臂摆杆（1033）相互垂直设置，所述铰接柱（104）底部与所述放大臂摆杆（1033）连接，所述铰接柱与所述放大臂摆杆（1033）的连接点靠近所述放大臂柔性驱动端（1031）与所述放大臂摆杆（1033）的连接点。
3.根据权利要求2所述的正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其特征在于，所述铰接柱（104）底部设置有半球形凸起，所述放大臂摆杆（1033）上开设有半球形凹槽，所述半球形凸起位于所述半球形凹槽内。
4.根据权利要求3所述的正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其特征在于，所述半球形凸起的半径等于或小于所述半球形凹槽的半径。
5.根据权利要求4所述的正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其特征在于，所述正交柔性机构（4）还包括横向固定杆（404），所述横向固定杆（404）、所述纵向驱动杆（402）、所述横向驱动杆（403）均相互垂直，所述横向固定杆（404）一端连接于所述位移输出元件（401）的外壁，所述横向固定杆（404）另一端用于连接所述机架（8），所述位移输出元件（401）通过所述横向固定杆（404）与所述机架（8）相连接。
6.根据权利要求5所述的正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其特征在于，还包括纵向连接件（2）、横向连接件（6），所述纵向连接件（2）与所述横向连接件（6）结构相同，其中所述纵向连接件（2）连接于所述纵向驱动杆（402）的靠近顶部处，所述放大臂摆杆（1033）与所述纵向连接件（2）相连接，所述横向连接件（6）连接于所述横向驱动杆（403）的远离所述位移输出元件（401）的位置处，所述第一横向驱动组件（7）的放大臂摆杆与所述横向连接件（6）相连接。
7.根据权利要求6所述的正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其特征在于，还包括纵向阻尼器（3）、横向阻尼器（5），所述纵向阻尼器（3）、所述横向阻尼器（5）均为管状阻尼器，所述纵向阻尼器（3）、所述横向阻尼器（5）的外壁均与所述机架（8）相连接，所述纵向驱动杆（402）穿过所述纵向阻尼器（3）与所述纵向阻尼器（3）相连接，所述横向驱动杆（403）穿过所述横向阻尼器（5）与所述横向阻尼器（5）相连接。
8.根据权利要求7所述的正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其特征在于，还包括第二横向驱动组件，所述第二横向驱动组件与所述第一横向驱动组件（7）所在方向相垂直。
9.根据权利要求8所述的正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其特征在于，所述纵向驱动杆（402）、所述横向驱动杆（403）采用标准圆柱体杆件、变径且两端部直径小于中间直径的圆柱体杆件、截面为六边形的圆柱体杆件或截面为花形的圆柱体杆件。
正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构
技术领域
[0001] 本发明涉及一种半导体领域中的高速刺晶设备，特别是涉及一种正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构。
背景技术
[0002] 在Micro LED领域，需要通过高精度刺晶机设备将大量Micro LED芯片从源基板分离并转移到目标基板或者驱动电路板上，以满足应用需求，这一步骤被称为巨量转移。
[0003] 目前，巨量转移已发展出多种技术实施路线，尽管基于不同的原理，但都需要将切好的芯片或单元从源生长基板分离，然后通过某种作用方式选择性地将LED芯片放置到目标基板上。其中，基板分离通常采用机械应力、化学腐蚀或激光作用等方式，对源基板进行整体式批量处理，以便于后续的取放工艺。其中，芯片取放工艺是巨量转移技术中直接影响到产线生产效率、成品合格率的最重要的环节，从工艺角度来讲，如何实现高精度且选择性地批量拾取、放置是各技术路线的核心内容。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种选择性地分离芯片更方便的正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构。
[0005] 为了解决上述技术问题，本申请提供了如下技术方案：
[0006] 本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，包括正交柔性机构、纵向驱动组件、第一横向驱动组件，所述正交柔性机构包括位移输出元件、纵向驱动杆、横向驱动杆，所述纵向驱动杆、所述横向驱动杆均为刚性杆件，所述纵向驱动杆连接于所述位移输出元件的顶部，所述纵向驱动杆纵向设置，所述横向驱动杆连接于所述位移输出元件的侧壁，所述横向驱动杆横向设置，所述纵向驱动组件与所述纵向驱动杆相连接，所述第一横向驱动组件与所述横向驱动杆相连接，所述纵向驱动组件的驱动方向、所述第一横向驱动组件的驱动方向正交，所述纵向驱动组件用于带动所述位移输出元件在垂直方向上上下移动。
[0007] 本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其中所述纵向驱动组件与所述第一横向驱动组件结构相同，所述纵向驱动组件与所述第一横向驱动组件的设置方向相垂直，其中，所述纵向驱动组件包括压电陶瓷、纵向放大臂，所述纵向放大臂包括放大臂柔性驱动端、放大臂柔性固定端、放大臂摆杆，所述放大臂摆杆的第一端与所述放大臂柔性驱动端、所述放大臂柔性固定端均相互连接，所述放大臂摆杆与所述放大臂柔性驱动端的连接点为第一连接点，所述放大臂摆杆与所述放大臂柔性固定端的连接点为第二连接点，所述放大臂摆杆的第二端与所述纵向驱动杆相连接，所述放大臂摆杆的第二端部与所述第二连接点的距离大于所述第一连接点与所述第二连接点的距离，所述压电陶瓷一端与机架相连接，所述压电陶瓷另一端与所述放大臂柔性驱动端相连接，所述压电陶瓷的变形方向与所述放大臂摆杆所在的方向相互垂直，所述压电陶瓷适于通过所述放大臂柔性驱动端带动所述放大臂摆杆以所述第二连接点为支点上下摆动。
[0008] 本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其中所述纵向驱动组件还包括复位装置，所述复位装置包括铰接柱、弹簧、弹簧紧定螺柱、紧定支撑，所述弹簧套在所述铰接柱上，所述弹簧一端与所述铰接柱相连接，所述弹簧另一端通过所述弹簧紧定螺柱与所述紧定支撑相连接，所述紧定支撑连接于机架上，所述铰接柱与所述放大臂摆杆相互垂直设置，所述铰接柱底部与所述放大臂摆杆连接，所述铰接柱与所述放大臂摆杆的连接点靠近所述放大臂柔性驱动端与所述放大臂摆杆的连接点。
[0009] 本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其中所述铰接柱底部设置有半球形凸起，所述放大臂摆杆上开设有半球形凹槽，所述半球形凸起位于所述半球形凹槽内。
[0010] 本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其中所述半球形凸起的半径等于或小于所述半球形凹槽的半径。
[0011] 本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其中所述正交柔性机构还包括横向固定杆，所述横向固定杆、所述纵向驱动杆、所述横向驱动杆均相互垂直，所述横向固定杆一端连接于所述位移输出元件的外壁，所述横向固定杆另一端用于连接所述机架，所述位移输出元件通过所述横向固定杆与所述机架相连接。
[0012] 本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其中还包括纵向连接件、横向连接件，所述纵向连接件与所述横向连接件结构相同，其中所述纵向连接件连接于所述纵向驱动杆的靠近顶部处，所述放大臂摆杆与所述纵向连接件相连接，所述横向连接件连接于所述横向驱动杆的远离所述位移输出元件的位置处，所述第一横向驱动组件的放大臂摆杆与所述横向连接件相连接。
[0013] 本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其中还包括纵向阻尼器、横向阻尼器，所述纵向阻尼器、所述横向阻尼器均为管状阻尼器，所述纵向阻尼器、所述横向阻尼器的外壁均与所述机架相连接，所述纵向驱动杆穿过所述纵向阻尼器与所述纵向阻尼器相连接，所述横向驱动杆穿过所述横向阻尼器与所述横向阻尼器相连接。
[0014] 本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其中还包括第二横向驱动组件，所述第二横向驱动组件与所述第一横向驱动组件所在方向相垂直。
[0015] 本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，其中所述纵向驱动杆、所述横向驱动杆均可采用标准圆柱体杆件、变径且两端部直径小于中间直径的圆柱体杆件、截面为六边形的圆柱体杆件或截面为花形的圆柱体杆件。
[0016] 与现有技术相比，本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构至少具有以下有益效果：
[0017] 本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，由于包括正交柔性机构、纵向驱动组件、第一横向驱动组件，正交柔性机构包括位移输出元件、纵向驱动杆、横向驱动杆，纵向驱动组件能够带动位移输出元件在垂直方向上上下移动，因此通过纵向驱动组件的上下往复运动将目标LED芯片由源生长基板或基膜等材料压到目标基板上，提供一种与以往的通过机械应力、化学腐蚀或激光作用等不同的作用方式，并且由于位移输出元件为杆状体，位移输出元件用于接触待分离芯片，选择性地分离芯片时操作更方便。
[0018] 下面结合附图对本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构作进一步说明。
附图说明
[0019] 图1为本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构的整体结构示意图；
[0020] 图2为本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构中纵向驱动组件的结构示意图；
[0021] 图3为本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构中横向驱动组件的结构示意图；
[0022] 图4为本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构中正交柔性机构的结构示意图；
[0023] 图5为本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构中纵向放大臂的结构示意图。
具体实施方式
[0024] 如图1、图4所示，本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，包括正交柔性机构4、纵向驱动组件1、第一横向驱动组件7，正交柔性机构4包括位移输出元件401、纵向驱动杆402、横向驱动杆403，位移输出元件401为杆状体，位移输出元件401底部用于与待分离芯片接触，纵向驱动杆402、横向驱动杆403均为刚性杆件，纵向驱动杆402连接于位移输出元件
401的顶部，纵向驱动杆402纵向设置，横向驱动杆403连接于位移输出元件401的侧壁，横向驱动杆403横向设置，纵向驱动组件1与纵向驱动杆402相连接，第一横向驱动组件7与横向驱动杆403相连接，纵向驱动组件1、第一横向驱动组件7的驱动方向正交，纵向驱动组件1用于带动位移输出元件401在垂直方向上上下移动，第一横向驱动组件7用于带动位移输出元件401在水平面内左右移动，由于纵向驱动组件1、第一横向驱动组件7的驱动方向正交，纵向驱动组件和横向驱动组件的激励及响应也具有高度线性特性，便于通过纵向驱动组件和横向驱动组件实现对位移输出元件401末端位移的控制。本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，纵向驱动组件1、第一横向驱动组件7带动位移输出元件401自上而下运动时，将位于源生长基板下侧的LED芯片下压，使LED芯片下行直至与玻璃基板接触，此时外围设备进行LED芯片的快速焊接，LED芯片也随之与源生长基板脱离，完成巨量转移的固晶动作。本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构，由于包括正交柔性机构4、纵向驱动组件1、第一横向驱动组件7，正交柔性机构4包括位移输出元件401、纵向驱动杆402、横向驱动杆403，纵向驱动组件1能够带动位移输出元件401在垂直方向上上下移动，因此通过纵向驱动组件1的上下往复运动将目标LED芯片由源生长基板或基膜等材料压到目标基板上，提供一种与以往的通过机械应力、化学腐蚀或激光作用等不同的作用方式，并且由于位移输出元件401为杆状体，位移输出元件401用于接触待分离芯片，选择性地分离芯片时操作更方便；并且，由于正交柔性机构通过位移输入端的移动及自身弹性变形形成末端的位移输出，正交柔性机构的结构对横向连接件的位移起到放大作用。
[0025] 具体地，纵向驱动杆402、横向驱动杆403均采用标准圆柱体杆件，还可采用变径的圆柱体、截面为六边形的圆柱体、截面为花形结构的圆柱体等杆状结构。变径的圆柱体可采用两端直径小于中间直径的结构，或靠近两端部处的直径小于中间直径的结构，变径的圆柱体最细处可以在两端，也可以在接近两端处，变径的圆柱体可以是两端细中间粗，还可以是 “粗‑细‑粗‑细‑粗”且两端部为“细”的结构。从而形成双端柔性连杆，来实现驱动力或位移的传递。
[0026] 可选地，如图2、图3、图5所示，纵向驱动组件1与第一横向驱动组件7结构相同，纵向驱动组件1与第一横向驱动组件7的设置方向相垂直，其中，纵向驱动组件1包括压电陶瓷102、纵向放大臂103，纵向放大臂103包括放大臂柔性驱动端1031、放大臂柔性固定端1032、放大臂摆杆1033，放大臂摆杆1033的第一端与放大臂柔性驱动端1031、放大臂柔性固定端
1032均相互连接，具体地，放大臂柔性驱动端1031、放大臂柔性固定端1032、放大臂摆杆
1033一体成型，在放大臂柔性驱动端1031、放大臂柔性固定端1032、放大臂摆杆1033之间形成变形区域1034，放大臂柔性固定端1032为固定支撑，由于放大臂柔性固定端1032与变形区域1034串联，使放大臂摆杆1033可绕变形区域1034旋转，放大臂柔性驱动端1031为位移或力的输入端，由于放大臂柔性驱动端1031与变形区域1034串联，因此放大臂摆杆1033的运动规律并不是位移或力的同方向的直接响应，而是放大臂摆杆1033在位移的同时可绕变形区域1034旋转，放大臂摆杆1033与放大臂柔性驱动端1031的连接点为第一连接点，放大臂摆杆1033与放大臂柔性固定端1032的连接点为第二连接点，放大臂摆杆1033的第二端与纵向驱动杆402相连接，放大臂摆杆1033的第二端部与第二连接点的距离大于第一连接点与第二连接点的距离，压电陶瓷102一端与通过连接片101与机架8相连接，压电陶瓷102另一端与放大臂柔性驱动端1031相连接，压电陶瓷102的变形方向与放大臂摆杆1033所在的方向相互垂直，压电陶瓷102适于通过放大臂柔性驱动端1031带动放大臂摆杆1033以第二连接点为支点上下摆动，机架8用于固定压电陶瓷102并进行压电陶瓷102的压紧力调节。压电陶瓷102接收电压激励时产生的力或位移作用于放大臂柔性驱动端1031的端面上，使放大臂柔性驱动端1031沿图5所示向下运动，由于杠杆原理，放大臂摆杆1033将位移转化并放大至放大臂摆杆1011第二端，即图5所示的最右端，位移放大比近似地等于L102/L101。压电陶瓷102按照某特定规律伸缩时，放大臂摆杆1033上下摆动带动位移输出元件401上下移动，完成巨量转移的固晶动作。由于纵向驱动组件1及第一横向驱动组件7由压电陶瓷驱动，相比传统机构效率更高，并且纵向放大臂103的运动副均为一体成型的柔性连接，避免了因结构间隙产生的位移误差，进一步提高了运动精度，当前工艺比较成熟的音圈电机巨量转移设备的综合效率小于50Hz，而本发明正交驱动的刚柔耦合高速刺晶机构的综合效率可达
100Hz以上；并且，由于纵向驱动组件1及第一横向驱动组件7由压电陶瓷102驱动，压电陶瓷
102的运动基于电驱动方式的电压信号，因此可以实现多周期持续运行和间歇运行，控制压电陶瓷102的电压输入的启停时间，当机构的位移输出元件通过外围基台平移到达坏点时启动，可实现选择性地拾取以及后期修补坏点的功能；同时，对压电陶瓷102电压输入的波形进行规划和控制，可实现位移输出元件401任意的驱动规律或者启停。
[0027] 可选地，纵向驱动组件1还包括复位装置，复位装置为纵向驱动组件1的回程过程提供力或位移激励，复位装置包括铰接柱104、弹簧105、弹簧紧定螺柱107、紧定支撑106，铰接柱104为刚性柱，弹簧105套在铰接柱104上，弹簧105一端与铰接柱104相连接，弹簧105另一端通过弹簧紧定螺柱107与紧定支撑106相连接，紧定支撑106连接于机架8上，铰接柱104与放大臂摆杆1033相互垂直设置，铰接柱104底部与放大臂摆杆1033连接，铰接柱与放大臂摆杆1033的连接点靠近放大臂柔性驱动端1031与放大臂摆杆1033的连接点，铰接柱104与弹簧105的结合面保证铰接柱104与弹簧105的非离散性连接，即机构在运动过程中，保证铰接柱104与弹簧105的接触面不会发生分离、滑移等相对运动，具体地，弹簧105可以是线弹簧、碟簧、弹簧片或异形弹簧等弹性元件。弹簧紧定螺柱107为弹簧105提供压紧力调节，机架8用于连接紧定支撑106。压电陶瓷102带动放大臂摆杆1033的第一端向上移动后，在复位装置的作用下，放大臂摆杆1033的第一端向下复位。
[0028] 可选地，铰接柱104底部设置有半球形凸起，放大臂摆杆1033上开设由半球形凹槽，半球形凸起位于半球形凹槽内，半球形凸起与半球形凹槽可旋转地嵌合在一起形成球面铰接，球面铰接之间添加有润滑油以防止快速磨损，在放大臂摆杆1033上下移动过程中，使复位装置能够自动调整方向。
[0029] 可选地，半球形凸起的半径等于或小于半球形凹槽的半径。
[0030] 可选地，正交柔性机构4还包括横向固定杆404，横向固定杆404、纵向驱动杆402、横向驱动杆403均相互垂直，横向固定杆404一端连接于位移输出元件401的外壁，横向固定杆404另一端用于连接机架8，位移输出元件401通过横向固定杆404与机架8相连接，横向固定杆404为位移输出元件401提供柔性固定。
[0031] 可选地，还包括纵向连接件2、横向连接件6，纵向连接件2与横向连接件6结构相同，其中，其中纵向连接件2连接于纵向驱动杆402的靠近顶部处，放大臂摆杆1033与纵向连接件2相连接，横向连接件6连接于横向驱动杆403的远离位移输出元件401的位置处，第一横向驱动组件7的放大臂摆杆与横向连接件6相连接。纵向连接件2起到刚性连接纵向驱动组件1及正交柔性机构4的作用，纵向连接件2与纵向驱动组件1及正交柔性机构4的刚性连接点影响正交柔性机构末端的纵向位移响应规律。
[0032] 可选地，还包括纵向阻尼器3、横向阻尼器5，纵向阻尼器3、横向阻尼器5均为管状阻尼器，纵向阻尼器3、横向阻尼器5的外壁均与机架8相连接，纵向驱动杆402穿过纵向阻尼器3与纵向阻尼器3之间通过摩擦力相连接，横向驱动杆403穿过横向阻尼器5与横向阻尼器5通过摩擦力相连接，纵向阻尼器3、横向阻尼器5均起到减震作用。
[0033] 可选地，还包括第二横向驱动组件，第二横向驱动组件与第一横向驱动组件7所在方向相垂直，第二横向驱动组件的驱动力与第一横向驱动组件7的驱动力及横向驱动组件1的驱动力均相互垂直，第二横向驱动组件可通过横向固定杆404驱动，实现正交柔性机构4的三向正交驱动。
[0034] 以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
