專利名稱：一種精密運(yùn)動平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種精密運(yùn)動控制裝置，尤其涉及一種可精確控制平面運(yùn) 動的氣浮磁控精密運(yùn)動平臺。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類的創(chuàng)造力也不斷在向微觀世界 發(fā)展。隨著現(xiàn)今微加工工藝發(fā)展，使得我們周邊越來越多笨重的機(jī)器被小巧而 方^更的裝置所代替。然而在微加工工藝中隨著制作器件的尺寸越來越小，精密定位操作系統(tǒng)顯得越來越重要。例如在IC芯片光刻、微型機(jī)械制造、精密測量等方面，精密運(yùn)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(nèi)外研究者的青睞。傳統(tǒng)的運(yùn)動平臺采用層疊式導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，定子與動子之間通過機(jī)械軸承連接， 因此動子運(yùn)動過程中存在機(jī)械摩擦。機(jī)械摩擦不僅增加動子的摩擦阻力，使運(yùn) 動部件產(chǎn)生磨損，產(chǎn)生機(jī)械振動和噪聲，限制了平臺運(yùn)動精度。另外，運(yùn)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制作成 本。同時，導(dǎo)軌驅(qū)動的剛度、穩(wěn)定性、動力學(xué)特性都影像著平臺的工作特性。 因此，傳統(tǒng)的運(yùn)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。對于超精密定位平臺技術(shù)，國內(nèi)外相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司都展開了廣 泛的探索和研究，并開發(fā)出了一些具有前沿性的技術(shù)產(chǎn)品和商業(yè)產(chǎn)品。在國內(nèi)的研究中，實(shí)用新型專利CN01202334.5公開了用于平面被精密定位 的微細(xì)操作平臺。該操作平臺由運(yùn)動平臺、墊塊、下平臺、壓電陶瓷致動器等 組成。由于采用了壓電陶瓷微驅(qū)動器，保證了該平臺具有較高的運(yùn)動精度，同 時由于各轉(zhuǎn)動副均采用了柔性鉸鏈，保證了運(yùn)動傳遞的連續(xù)性、無滯后、無摩 擦、免潤滑、沒有機(jī)械損耗和機(jī)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。但是上述平臺無法實(shí)現(xiàn)在大行 程和高速度應(yīng)用場合下大道微米/納米定位精度。發(fā)明專利CN200410026370.9公開了一種磁懸浮磁驅(qū)動的運(yùn)動定位裝置，由 于采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(yùn)動方 向沒有機(jī)械障礙，沒有摩擦。但是其磁浮產(chǎn)生的磁滯效應(yīng)會進(jìn)一步影響平臺的 運(yùn)動精度，較難蠻子超密定位和運(yùn)動要求，磁懸浮線圈產(chǎn)生的熱也會進(jìn)一步影 響平臺的動力學(xué)性質(zhì)和定位精度。國外的相關(guān)專利有荷蘭ASML申請的美國專利us6054784;美國麻省理工學(xué) 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(jī)，三組直線電機(jī)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(jī)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(jī)械接觸。通過相互間的電磁力 作用，實(shí)現(xiàn)微動平臺在x-y平面上對三個自由度(x, y和Rj的微調(diào)節(jié)。這種 平臺主要用于微定位，運(yùn)動行程小。美國專利us6003200提出了另 一種磁浮磁驅(qū)動的高精密運(yùn)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(shí)現(xiàn)6個方向 的微調(diào)，具有精度高，響應(yīng)速度快，并具有一定的運(yùn)動行程。但這種平臺功效 比較低，發(fā)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(jié)構(gòu)是將曝光臺固定在帶氣浮導(dǎo)軌的框架上， 并在氣浮導(dǎo)軌的框架上安裝上線圏，通過與臺下面的磁鐵發(fā)生作用，從而達(dá)到 驅(qū)動框架，帶動曝光臺運(yùn)動的功能。其缺點(diǎn)是驅(qū)動的質(zhì)量過大。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種氣浮磁控精度運(yùn)動平臺，可有效解決傳統(tǒng) 運(yùn)動平臺機(jī)械摩擦引起的問題，以及其他平臺發(fā)熱量大問題，實(shí)現(xiàn)x， y, Rz三 個自由度的平面精密運(yùn)動和定位和多工位的大行程精密運(yùn)動。為了達(dá)到上述的目的，本實(shí)用新型的氣浮磁控精密運(yùn)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 鏡位于動子平臺頂部的兩側(cè),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，動子推力線圏位于動子平臺底部內(nèi)側(cè)，定子永磁鐵陣列固定于定子平臺，整個動子平臺懸浮于定子平臺上，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(yùn)動平臺的動子平臺為一個，定子平臺也為一個，并與動子 平臺相匹配。動子平臺底部邊緣為圓形，底部內(nèi)側(cè)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(yīng)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(yùn)動平臺的動子平臺為多個，定子平臺為相同結(jié)構(gòu)定子單元 重復(fù)排列組成。動子平臺的結(jié)構(gòu)均相同，每個動子平臺的底部邊緣呈方形，底 部內(nèi)側(cè)分布有控制x方向運(yùn)動兩推力線圏和控制y方向運(yùn)動的兩推力線圈。控 制x方向運(yùn)動兩推力線圈和控制y方向運(yùn)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(shí)用新型利用氣浮支座產(chǎn)生氣浮力使動子平臺懸浮在定子平臺上，避免 了直接的機(jī)械接觸，消除了相對運(yùn)動引起的摩擦與磨損，克服了油脂、粉塵污 染等缺陷。真空支座預(yù)載及氣浮阻尼使氣浮升力和真空吸力相互平衡實(shí)現(xiàn)動子 平臺穩(wěn)定的懸浮、快速響應(yīng)和高的控制精度。同時真空支座產(chǎn)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(shí)施有效的冷卻，避免線 圈熱對系統(tǒng)動力學(xué)造成影響。本實(shí)用新型單動子型平臺可實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)微米/納米 運(yùn)動定位精度。本實(shí)用新型多動子型平臺可實(shí)現(xiàn)多工位的大行程的精密平面運(yùn) 動。


通過以下實(shí)施例并結(jié)合其附圖的描述，可以進(jìn)一步理解其實(shí)用新型的具體 結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)點(diǎn)。其中，附圖為 圖l是^"密運(yùn)動平臺示意圖。 圖2是本實(shí)用新型的動子平臺示意圖。 圖3是本實(shí)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(yùn)動平臺的動子平臺示意圖。 圖6是大行程運(yùn)動平臺的定子平臺示意圖。
具體實(shí)施方式
圖1、 2、 3是本實(shí)用新型單動子單定子型的氣浮磁控精密運(yùn)動平臺。它主 要運(yùn)用于短行程運(yùn)動，可以作超精密平面定位的微動臺。圖4、 5、 6是本實(shí)用 新型多動子單定子型的氣浮磁控精密運(yùn)動平臺。它可作為并行多工位大行程精 密運(yùn)動平臺。如圖1所示，本實(shí)用新型的單動子單定子型精密運(yùn)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(huán)形結(jié)構(gòu)，外環(huán)形邊緣均勻分布著氣孔。真空支座4是圓形 腔結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(chǎn)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(chǎn)生真空吸力。通過調(diào)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于動態(tài)平衡，從而使動 子平臺1懸浮于定子平臺6上?？刂七@兩個力的大小可實(shí)現(xiàn)與定子平臺6之間 5-10um的穩(wěn)定氣膜間隙和良好的氣浮剛度。這樣動子平臺運(yùn)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(diǎn)。動子平臺1每一組的推力線圈3都嵌入對應(yīng)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(chǎn)生的電i茲作用力，使單動子平臺1產(chǎn)生平面運(yùn)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(yùn)動方向。通過控制這三組線圏各組線圏電流大小可實(shí)現(xiàn)x, y， Rz三方向的運(yùn)動，同時通過調(diào)整線圈3電流的控制精度和永磁鐵陣列5的排 布密度實(shí)現(xiàn)電磁驅(qū)動力更精密的微調(diào)，達(dá)到上述三個方向微米/納米級的精確運(yùn) 動與定位。動子平臺1運(yùn)動的距離和定位主要通過x, y向反射鏡7實(shí)現(xiàn)。x， y向反射 鏡7通過反射外部激光干涉儀的測量光速，輔助激光干涉儀測量動子平臺的運(yùn) 動距離。當(dāng)動子平臺未到達(dá)指定位置時，激光干涉儀就會向控制模塊進(jìn)一步發(fā)出運(yùn)動控制信號，直至運(yùn)動平臺到達(dá)指定位置或運(yùn)動了預(yù)設(shè)的距離，控制模塊 將不會使動子平臺再次運(yùn)動。進(jìn)一步地，真空支座4與氣浮支座2產(chǎn)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(shí)施有效的冷卻，避 免線圏過熱影響運(yùn)動平臺穩(wěn)定性。圖4、 5、 6是多動子單定子氣浮;茲控運(yùn)動平臺示意圖，該平臺系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn) 大行程多動子平臺的同時運(yùn)動，并能夠?qū)崿F(xiàn)需要的運(yùn)動速遞和要求的定位精度。 以下對這種類型的氣浮磁控運(yùn)動平臺作進(jìn)一步的描述。圖4所示氣浮磁控精密運(yùn)動平臺動子平臺8有多個，定子平臺IO為相同結(jié) 構(gòu)定子單元9重復(fù)排列組成。動子平臺8的結(jié)構(gòu)均相同，它采用圖5所示動子 平臺模塊13結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)類似圖2的動子平臺結(jié)構(gòu)，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(qū)別單動子平臺的特征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(nèi)側(cè)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(nèi)側(cè)。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(jié)構(gòu)相同的定 子單元9重復(fù)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(yùn)動都是相互獨(dú)立的。動子平臺13上x， y向反射鏡11作用于單動子平臺1的反射鏡的功能一樣。氣浮的實(shí)現(xiàn)方法和單 動子平臺氣浮實(shí)現(xiàn)方法一樣通過底部中心真空支座14和氣浮支座15實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(diào)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(shí)現(xiàn)控制精度的進(jìn)一步提高。最終實(shí)現(xiàn)多動子平臺x, y， Rz三方向的精密運(yùn)動與定4立。多動子單定子氣浮磁控運(yùn)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(shí)現(xiàn)動子平臺模塊13與大行程定子平臺IO間氣浮間隙的穩(wěn)定進(jìn)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(yùn)動平臺，具有比較簡單的動子結(jié)構(gòu)1與定子結(jié)構(gòu)6， 控制簡單(三組線圈)容易實(shí)現(xiàn)短行程的精密運(yùn)動與定位。多動子單定子氣浮 磁控運(yùn)動平臺的動子結(jié)構(gòu)13相對單動子1的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些，控制也會稍顯復(fù) 雜一些(四組線圈)，但是對應(yīng)于動子線圈的永;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(jìn)行精密大行程的運(yùn)動與定位。由于多動子平臺 的每個動子平臺的運(yùn)動是相互獨(dú)立的，既可實(shí)現(xiàn)并行的多工位的運(yùn)動，也可實(shí)現(xiàn)按一定時序要求進(jìn)行的多動子平臺精密運(yùn)動與定位。
權(quán)利要求1、一種氣浮磁控精密運(yùn)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，和位于動子平臺頂部的兩側(cè)x-y向反射鏡，其特征在于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，動子推力線圈位于動子平臺底部內(nèi)側(cè)，定子永磁鐵陣列固定于定子平臺，整個動子平臺懸浮于定子平臺上，動子推力線圈排列方式與定子永磁體陣列相匹配。
2、 如權(quán)利要求1所述的氣浮磁控精密運(yùn)動平臺，其特征在于所述的動子 平臺(1)為一個，所述的定子平臺(6)也為一個，并與動子平臺(1 )相匹配。
3、 如權(quán)利要求2所述的氣浮磁控精密運(yùn)動平臺，其特征在于動子平臺(1 ) 底部邊緣為圓形，底部內(nèi)側(cè)分布有三組等圓周分布的動子推力線圈(3)。
4、 如權(quán)利要求3所述的氣浮磁控精密運(yùn)動平臺，其特征在于與動子平臺 (1)相對應(yīng)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(quán)利要求1所述的氣浮磁控精密運(yùn)動平臺，其特征在于所述的動子 平臺(8)為多個，所述的定子平臺(10)為相同結(jié)構(gòu)定子單元(9)重復(fù)排列 組成。
6、 如權(quán)利要求5所述的氣浮磁控精密運(yùn)動平臺，其特征在于所述動子平 臺的結(jié)構(gòu)均相同，每個動子平臺(13)的底部邊緣呈方形，底部內(nèi)側(cè)分布有控 制x方向運(yùn)動兩推力線圈(16)和控制y方向運(yùn)動的兩推力線圈(17)。
7、 如權(quán)利要求6所述的氣浮》茲控精密運(yùn)動平臺，其特征在于所述控制x 方向運(yùn)動兩推力線圏(16)和控制y方向運(yùn)動的兩推力線圏(17)相對底部中 心交叉排列，呈"田，，字。
8、 如權(quán)利要求7所述的氣浮磁控精密運(yùn)動平臺，其特征在于定子平臺 (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(shí)用新型公開了一種氣浮磁控精密運(yùn)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向反射鏡位于動子平臺頂部的兩側(cè)，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，動子推力線圈位于動子平臺底部內(nèi)側(cè)，定子永磁鐵陣列固定于定子平臺，整個動子平臺懸浮于定子平臺上，動子推力線圈排列方式與定子永磁鐵陣列相匹配。采用本實(shí)用新型氣浮磁控精密運(yùn)動平臺，單動子氣浮磁控精密運(yùn)動平臺可實(shí)現(xiàn)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(yùn)動平臺可實(shí)現(xiàn)多工位大行程精密運(yùn)動。動子平臺懸浮于定子平臺上，避免平臺之間機(jī)械摩擦以及摩擦帶來的平臺運(yùn)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(yōu)先權(quán)日2007年11月14日
發(fā)明者育 劉, 王天明, 袁志揚(yáng) 申請人:上海微電子裝備有限公司