一種精密運動平臺的製作方法

2023-06-27 07:10:26 1

專利名稱：一種精密運動平臺的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種精密運動控制裝置，尤其涉及一種可精確控制平面運 動的氣浮磁控精密運動平臺。
背景技術：
隨著科學技術和工業技術的不斷發展，人類的創造力也不斷在向微觀世界 發展。隨著現今微加工工藝發展，使得我們周邊越來越多笨重的機器被小巧而 方^更的裝置所代替。然而在微加工工藝中隨著製作器件的尺寸越來越小，精密定位作業系統顯得越來越重要。例如在IC晶片光刻、微型機械製造、精密測量等方面，精密運動控制裝置的地位顯得尤為突出。因此，對它的研究越來越受 到國內外研究者的青睞。傳統的運動平臺採用層疊式導軌結構，定子與動子之間通過機械軸承連接， 因此動子運動過程中存在機械摩擦。機械摩擦不僅增加動子的摩擦阻力，使運 動部件產生磨損，產生機械振動和噪聲，限制了平臺運動精度。另外，運動精 度受支撐面的影響，對支撐面的精度要求很高，這樣也無形增加了平臺製作成 本。同時，導軌驅動的剛度、穩定性、動力學特性都影像著平臺的工作特性。 因此，傳統的運動平臺越來越不滿足納米級別的超精密定位和加工的要求。對於超精密定位平臺技術，國內外相關的研究機構和商業公司都展開了廣 泛的探索和研究，並開發出了一些具有前沿性的技術產品和商業產品。在國內的研究中，實用新型專利CN01202334.5公開了用於平面被精密定位 的微細操作平臺。該操作平臺由運動平臺、墊塊、下平臺、壓電陶瓷致動器等 組成。由於採用了壓電陶瓷微驅動器，保證了該平臺具有較高的運動精度，同 時由於各轉動副均採用了柔性鉸鏈，保證了運動傳遞的連續性、無滯後、無摩 擦、免潤滑、沒有機械損耗和機構緊湊的特點。但是上述平臺無法實現在大行 程和高速度應用場合下大道微米/納米定位精度。發明專利CN200410026370.9公開了一種磁懸浮磁驅動的運動定位裝置，由 於採用永磁體和多層通電直流線圈之間排斥原理將動子平臺懸浮起來，運動方 向沒有機械障礙，沒有摩擦。但是其磁浮產生的磁滯效應會進一步影響平臺的 運動精度，較難蠻子超密定位和運動要求，磁懸浮線圈產生的熱也會進一步影 響平臺的動力學性質和定位精度。國外的相關專利有荷蘭ASML申請的美國專利us6054784;美國麻省理工學 院申請的美國專利us6003200; Nikon申請的美國專利us6750625。美國專利us6054784以孩i:動平臺的幾何中心為中心，在圓周方向呈120度等 間隔分布的三組直線電機，三組直線電機的永磁體定子作為一體安裝在微動動 子平臺底部，三組直線電機的動子線圏分別固定連接在微動臺的定子底座上。 微動平臺與其底座間靠電磁力作用，無直接的機械接觸。通過相互間的電磁力 作用，實現微動平臺在x-y平面上對三個自由度(x, y和Rj的微調節。這種 平臺主要用於微定位，運動行程小。美國專利us6003200提出了另 一種磁浮磁驅動的高精密運動平臺。它是將線 圈固定在定子平臺上，定子磁極安裝在動子平臺上。該平臺可以實現6個方向 的微調，具有精度高，響應速度快，並具有一定的運動行程。但這種平臺功效 比較低，發熱量大，長時間工作會影響平臺的工作性能。美國專利us6750625專利，其結構是將曝光臺固定在帶氣浮導軌的框架上， 並在氣浮導軌的框架上安裝上線圏，通過與臺下面的磁鐵發生作用，從而達到 驅動框架，帶動曝光臺運動的功能。其缺點是驅動的質量過大。實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種氣浮磁控精度運動平臺，可有效解決傳統 運動平臺機械摩擦引起的問題，以及其他平臺發熱量大問題，實現x， y, Rz三 個自由度的平面精密運動和定位和多工位的大行程精密運動。為了達到上述的目的，本實用新型的氣浮磁控精密運動平臺，它包括動子 平臺，定子平臺，動子推力線圏和定子永磁鐵陣列，x-y向反射鏡，x-y向反射 鏡位於動子平臺頂部的兩側,動子平臺底部邊緣分布有氣浮孔，動子平臺底部中 心分布有真空腔，動子推力線圏位於動子平臺底部內側，定子永磁鐵陣列固定於定子平臺，整個動子平臺懸浮於定子平臺上，動子推力線圏排列方式與定子 永;茲體陣列相匹配。氣浮-茲控精密運動平臺的動子平臺為一個，定子平臺也為一個，並與動子 平臺相匹配。動子平臺底部邊緣為圓形，底部內側分布有三組等圓周分布的動子推力線 圈。與動子平臺相對應的定子平臺的永》茲鐵陣列也呈等圓周分布。氣浮i茲控精密運動平臺的動子平臺為多個，定子平臺為相同結構定子單元 重複排列組成。動子平臺的結構均相同，每個動子平臺的底部邊緣呈方形，底 部內側分布有控制x方向運動兩推力線圏和控制y方向運動的兩推力線圈。控 制x方向運動兩推力線圈和控制y方向運動的兩推力線圏相對底部中心交叉排 列，呈"田"字。定子平臺的每個定子單元的永磁鐵陣列的排布也呈"田，，字。本實用新型利用氣浮支座產生氣浮力使動子平臺懸浮在定子平臺上，避免 了直接的機械接觸，消除了相對運動引起的摩擦與磨損，克服了油脂、粉塵汙 染等缺陷。真空支座預載及氣浮阻尼使氣浮升力和真空吸力相互平衡實現動子 平臺穩定的懸浮、快速響應和高的控制精度。同時真空支座產生真空時，會有 氣流通過動子平臺底部推力線圏，可對通過通電線圏實施有效的冷卻，避免線 圈熱對系統動力學造成影響。本實用新型單動子型平臺可實現平面內微米/納米 運動定位精度。本實用新型多動子型平臺可實現多工位的大行程的精密平面運 動。


通過以下實施例並結合其附圖的描述，可以進一步理解其實用新型的具體 結構特徵和優點。其中，附圖為 圖l是^"密運動平臺示意圖。 圖2是本實用新型的動子平臺示意圖。 圖3是本實用新型的定子平臺示意圖。 圖4是大行程單定子多動子精密定位的平臺示意圖。 圖5是大行程運動平臺的動子平臺示意圖。 圖6是大行程運動平臺的定子平臺示意圖。
具體實施方式
圖1、 2、 3是本實用新型單動子單定子型的氣浮磁控精密運動平臺。它主 要運用於短行程運動，可以作超精密平面定位的微動臺。圖4、 5、 6是本實用 新型多動子單定子型的氣浮磁控精密運動平臺。它可作為並行多工位大行程精 密運動平臺。如圖1所示，本實用新型的單動子單定子型精密運動平臺包括可懸浮的動 子平臺1和定子平臺6。如圖2所示，單動子平臺底部有三組等圓周均布的推 力線圏3,每組推力線圈3的排布方向均指向動子平臺底部中心位置。動子平臺 1的氣浮支座2是外環形結構，外環形邊緣均勻分布著氣孔。真空支座4是圓形 腔結構，分布在動子平臺底部中心。定子平臺6包括三組與動子線圏3排列方式對應的等圓周分布永J茲鐵定子 陣列5。氣浮支座2通過連接外部壓力泵使空氣通過氣浮孔產生浮力。真空支座4 所連接的外部真空泵抽取真空支座4中空氣，使其產生真空吸力。通過調整氣 浮支座2的氣浮力和真空支座4的真空吸引力使兩者處於動態平衡，從而使動 子平臺1懸浮於定子平臺6上。控制這兩個力的大小可實現與定子平臺6之間 5-10um的穩定氣膜間隙和良好的氣浮剛度。這樣動子平臺運動1的摩擦阻力可 以忽略，因此該動子平臺具有反映速度快，可控精度高的特點。動子平臺1每一組的推力線圈3都嵌入對應的定子平臺6的永^t鐵定子陣 列5的凹槽中。動子平臺推力線圏3和永^磁體定子陣列5間產生的電i茲作用力，使單動子平臺1產生平面運動。三組線圏與7JU茲體陣列之間電磁作用力的合力決定著動子平臺l的運動方向。通過控制這三組線圏各組線圏電流大小可實現x, y， Rz三方向的運動，同時通過調整線圈3電流的控制精度和永磁鐵陣列5的排 布密度實現電磁驅動力更精密的微調，達到上述三個方向微米/納米級的精確運 動與定位。動子平臺1運動的距離和定位主要通過x, y向反射鏡7實現。x， y向反射 鏡7通過反射外部雷射幹涉儀的測量光速，輔助雷射幹涉儀測量動子平臺的運 動距離。當動子平臺未到達指定位置時，雷射幹涉儀就會向控制模塊進一步發出運動控制信號，直至運動平臺到達指定位置或運動了預設的距離，控制模塊 將不會使動子平臺再次運動。進一步地，真空支座4與氣浮支座2產生的氣浮升力與真空吸力的平衡會 讓氣流通過動子平臺底部的推力線圏，可以對通電的線圏實施有效的冷卻，避 免線圏過熱影響運動平臺穩定性。圖4、 5、 6是多動子單定子氣浮;茲控運動平臺示意圖，該平臺系統可實現 大行程多動子平臺的同時運動，並能夠實現需要的運動速遞和要求的定位精度。 以下對這種類型的氣浮磁控運動平臺作進一步的描述。圖4所示氣浮磁控精密運動平臺動子平臺8有多個，定子平臺IO為相同結 構定子單元9重複排列組成。動子平臺8的結構均相同，它採用圖5所示動子 平臺模塊13結構。多動子平臺模塊13通過氣浮15懸浮在大行程定子模塊10 上。如圖5所示的動子平臺13的結構類似圖2的動子平臺結構，也是包括x, y 向反射鏡ll、動子平臺模塊底部真空支座14、動子模塊底部氣浮支撐的氣浮孔 15。它區別單動子平臺的特徵是其底部推力線圈不是等圓周分布三組線圏，而 是由四組呈方形布置得線圏組成動子平臺底面內側布置有呈"田"字形分布 的四組方形線圏16和17,線圈16為控制x方向兩相線圏，線圈17為控制y方 向兩相線圈。這四組線圏交叉排列分布在動子平臺方形底面內側。與多動子平臺匹配的定子平臺10如圖6所示。定子平臺是由結構相同的定 子單元9重複排列形成，每個定子單元9的永磁體陣列的排列方式與線圏16和 17相匹配，也呈"田，，字形分布。多動子平臺的每個動子平臺13的運動都是相互獨立的。動子平臺13上x， y向反射鏡11作用於單動子平臺1的反射鏡的功能一樣。氣浮的實現方法和單 動子平臺氣浮實現方法一樣通過底部中心真空支座14和氣浮支座15實現真 空吸力和氣浮升力的平衡。通過控制線圈16兩相線圏中每個線圏電流的大小和 線圏17兩相線圖中每個線圏電流的大小實現線圈16和17與定子單元9永磁體 陣列之間的電磁力合作用的大小與方向的控制。與單動子平臺一樣，通過調整 動子平臺中線圏16和17電流控制精度和定子平臺單元9的永^磁鐵陣列分布密 度可實現控制精度的進一步提高。最終實現多動子平臺x, y， Rz三方向的精密運動與定4立。多動子單定子氣浮磁控運動平臺要求定子平臺IO具有較高的平面平整度和表面精度要求，以實現動子平臺模塊13與大行程定子平臺IO間氣浮間隙的穩定進一步地，氣浮原理同樣使得底部會有氣流通過動子線圈，有冷卻通電動子線圏16和17的效果。單動子單定子氣浮磁控運動平臺，具有比較簡單的動子結構1與定子結構6， 控制簡單(三組線圈)容易實現短行程的精密運動與定位。多動子單定子氣浮 磁控運動平臺的動子結構13相對單動子1的結構要複雜一些，控制也會稍顯復 雜一些(四組線圈)，但是對應於動子線圈的永;茲體陣列的排列方式容易形成大行程定子平臺，適合動子平臺進行精密大行程的運動與定位。由於多動子平臺 的每個動子平臺的運動是相互獨立的，既可實現並行的多工位的運動，也可實現按一定時序要求進行的多動子平臺精密運動與定位。
權利要求1、一種氣浮磁控精密運動平臺，-包括動子平臺，定子平臺，動子推力線圈，定子永磁鐵陣列，和位於動子平臺頂部的兩側x-y向反射鏡，其特徵在於所述動子平臺底部邊緣分布有氣浮孔，動子平臺底部中心分布有真空腔，動子推力線圈位於動子平臺底部內側，定子永磁鐵陣列固定於定子平臺，整個動子平臺懸浮於定子平臺上，動子推力線圈排列方式與定子永磁體陣列相匹配。
2、 如權利要求1所述的氣浮磁控精密運動平臺，其特徵在於所述的動子 平臺(1)為一個，所述的定子平臺(6)也為一個，並與動子平臺(1 )相匹配。
3、 如權利要求2所述的氣浮磁控精密運動平臺，其特徵在於動子平臺(1 ) 底部邊緣為圓形，底部內側分布有三組等圓周分布的動子推力線圈(3)。
4、 如權利要求3所述的氣浮磁控精密運動平臺，其特徵在於與動子平臺 (1)相對應的定子平臺(6)的定子永磁鐵陣列(5)也呈等圓周分布。
5、 如權利要求1所述的氣浮磁控精密運動平臺，其特徵在於所述的動子 平臺(8)為多個，所述的定子平臺(10)為相同結構定子單元(9)重複排列 組成。
6、 如權利要求5所述的氣浮磁控精密運動平臺，其特徵在於所述動子平 臺的結構均相同，每個動子平臺(13)的底部邊緣呈方形，底部內側分布有控 制x方向運動兩推力線圈(16)和控制y方向運動的兩推力線圈(17)。
7、 如權利要求6所述的氣浮》茲控精密運動平臺，其特徵在於所述控制x 方向運動兩推力線圏(16)和控制y方向運動的兩推力線圏(17)相對底部中 心交叉排列，呈"田，，字。
8、 如權利要求7所述的氣浮磁控精密運動平臺，其特徵在於定子平臺 (10)的每個定子單元(9)的永^茲鐵陣列的排布也呈"田"字。
專利摘要本實用新型公開了一種氣浮磁控精密運動平臺，包括動子平臺，定子平臺，動子推力線圈和定子永磁鐵陣列，x-y向反射鏡，x-y向反射鏡位於動子平臺頂部的兩側，動子平臺底部邊緣分布有氣浮孔，動子平臺中心分布有真空腔，動子推力線圈位於動子平臺底部內側，定子永磁鐵陣列固定於定子平臺，整個動子平臺懸浮於定子平臺上，動子推力線圈排列方式與定子永磁鐵陣列相匹配。採用本實用新型氣浮磁控精密運動平臺，單動子氣浮磁控精密運動平臺可實現微米/納米級的微動精度和定位精度；多動子氣浮磁控精密運動平臺可實現多工位大行程精密運動。動子平臺懸浮於定子平臺上，避免平臺之間機械摩擦以及摩擦帶來的平臺運動精度問題，同時可冷卻動子線圈。
文檔編號G03F7/20GK201097109SQ20072007616
公開日2008年8月6日 申請日期2007年11月14日 優先權日2007年11月14日
發明者育 劉, 王天明, 袁志揚 申請人:上海微電子裝備有限公司