專利名稱：六自由度微動臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及精密微控領域，尤其關于一種六自由度微動臺。
背景技術：
光刻是指將一系列掩模版上的芯片圖形通過曝光系統(tǒng)依次轉印 到硅片相應層上的復雜工藝過程，在光刻設備中，工件臺精密定位一 般采用粗微定位方式，大行程驅動裝置驅動微動臺實現(xiàn)高速高加速度 的長距粗定位，而由微動臺最終完成精密定位。在光刻機中，微動臺 的作用是承載硅片，并對硅片進行精確定位，這種精確定位包括垂向
和水平向的6自由度精密調(diào)整和定位。微動臺和粗動臺結合可以實現(xiàn) 大行程運動和納米級的精密定位。
專利US5204712公開了一種6自由度的微動臺，該微動臺通過點接 觸的三組凸輪機構，通過一個柔性機構連接到承片臺上。通過簧片導 向，共同驅動承片臺，從而實現(xiàn)垂向(Z， Rx， Ry)的調(diào)平調(diào)焦功能。 水平向通過Y1-Y2-X三組洛侖茲電機實現(xiàn)X、 Y和Rz三自由度的微調(diào)。
專利US6054784公開了一種6自由度的微動臺，該微動臺水平向通 過呈120度等間隔布置的三組洛侖茲電機實現(xiàn)X、 Y和Rz三自由度的微 調(diào)，其中為了縮減體積，使結構更緊湊，三組120°等間隔布置的洛 侖茲電機被集成一體并呈三角形。三組垂向執(zhí)行器共同驅動承片臺， 從而實現(xiàn)垂向(Z， Rx， Ry)的調(diào)平調(diào)焦功能兼具垂向減振功能。從對己有的微動臺技術分析，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有6自由度微動臺普遍 采用水平向三組和垂向三組微執(zhí)行器實現(xiàn)微動臺的6自由度精密定 位。而且水平向和垂向的微執(zhí)行器具有不同結構特征，甚至驅動原理 也不盡相同，這就造成微動臺驅動裝置的裝配安裝工藝復雜，對于新 型微動臺的開發(fā)，需要開發(fā)兩種不同形式的驅動器，這就延長了開發(fā) 周期，增加了開發(fā)成本。

發(fā)明內(nèi)容
為滿足精密微動臺的各向微控需求，本發(fā)明提供了一種六自由度 微動臺，包括至少三個兩自由度微驅動裝置，呈等同的夾角，水平平 均地設置于圓形微動承載臺的圓周上；所述兩自由度微驅動裝置包括 兩對電磁鐵， 一個設有電磁銜鐵的微執(zhí)行器動子；所述兩對電磁鐵， 一對水平， 一對垂直呈十字形對稱設置；所述微執(zhí)行器動子固定在圓 形微動承載臺上，設置于十字形電磁鐵中心。
電磁鐵呈"E"字形，電磁鐵線圈設置于"E"字形結構中央，"E"
字形結構右側作為電磁鐵的磁極面對微執(zhí)行器動子；微執(zhí)行器動子在 水平和垂直方向上對應電磁鐵的磁極均設有電磁銜鐵，動子在電磁銜 鐵和電磁鐵之間電磁力的作用下可在十字形電磁鐵中心處作六自由 度的運動。通過電磁鐵對微執(zhí)行器動子的可控高精度微動控制，實現(xiàn) 對微動承載臺的六自由度微動。
本發(fā)明只需設計一種微驅動裝置，便可實現(xiàn)六自由度的微動臺微 動，其結構以及裝配安裝工藝簡單，開發(fā)周期短。


圖1為本發(fā)明所述微驅動裝置的工作原理圖2為本發(fā)明所述兩自由度微驅動裝置的結構圖3為本發(fā)明所述的六自由度微動臺的側視圖4位本發(fā)明所述的三微驅動裝置的六自由度微動臺俯視圖5位本發(fā)明所述的四微驅動裝置的六自由度微動臺俯視圖。
具體實施例方式
下面通過說明書附圖，詳細闡述本發(fā)明的具體實施例 如附圖l所示，本發(fā)明采用電磁鐵的工作原理，將兩組電磁鐵并 排放置，電磁鐵線圈固定放置作為微執(zhí)行器的定子，銜鐵部分固定安 裝(機械聯(lián)結或粘結)在微驅動裝置的動子上。當左右電磁鐵線圈2、
5通電時，電磁吸力分別通過電磁銜鐵3、 4作用在微執(zhí)行器動子7 上，將兩電磁鐵磁極l、 6對應銜鐵吸力相等的動子位置作為平衡位 置。通過控制線圈電流的大小，微調(diào)線圈磁極對銜鐵的電磁吸力，從 而控制微執(zhí)行器的動子7在兩磁極1、 6間的相對位置，并滿足位置 的快速調(diào)節(jié)和精密定位的功能。
其中，線圈對銜鐵的電磁引力大小的計算公式為-
丄2 4"0AV
式中K為磁路常數(shù)；
//。為真空磁導率；
^為空氣對真空的相對磁導率；
7V為線圈匝數(shù)；^為磁極面積； /為線圈電流；
丄為線圈磁極與動子銜鐵的間隙距離。 電磁引力F與線圈電流/以及間隙距離Z成非線性關系，需要進 行線性化處理，如下<formula>formula see original document page 6</formula> 式中F。為初始位置的的電磁吸力；
i^為電磁力偏移系數(shù)；
《,為電磁力電流系數(shù)。
在圖l中，如果兩對電磁鐵水平向放置，動子的動力學方程為:<formula>formula see original document page 6</formula>
式中M為微執(zhí)行器動子的質量；
^為微執(zhí)行器動子的水平向加速度； A為電磁磁極6對銜鐵4的電磁引力； F2為電磁磁極1對銜鐵3的電磁引力。
如果兩對電磁鐵垂向放置，，那么，動子的動力學方程為<formula>formula see original document page 6</formula>式中M為微執(zhí)行器動子的質量；
2為微執(zhí)行器動子的垂向加速度； g為重力加速度；巧為電磁磁極6對銜鐵4的電磁引力；
F2為電磁磁極1對銜鐵3的電磁引力。 如附圖2所示，如果將兩組如圖l所示裝置分別一組水平向布置， 一組垂向布置，并共同作用于同一個動子，那么就形成如圖2所示的 本發(fā)明的具有特殊結構的兩自由度微驅動裝置8。該驅動裝置可以同 時實現(xiàn)動子的水平向和垂向運動，且水平向和垂向運動相互獨立，沒 有機械耦合。在兩組如圖1所示裝置組合一體形成的微驅動裝置8中， 水平向的電磁鐵線圈和垂向電磁鐵線圈的微小漏磁會影響到該為驅 動裝置的定位精度，因此，在納米級高精密定位精度下，需要對水平 向和垂向的電磁鐵線圈進行磁隔離，降低磁干擾，以提高其定位精度。 實施例一
如附圖4所示，將三組具有如圖2的特殊結構的微驅動裝置8成 120°等圓周布置在微動臺內(nèi)部，且將三組驅動裝置的幾何中心與微 動臺的重心重合。微驅動裝置8的4個電磁鐵線圈安裝在大行程驅動 基座上，動子直接與微動承載臺相聯(lián)。這樣可以盡量減小電磁鐵線圈 產(chǎn)生的熱量對微動臺的干擾。對動子的位置控制可以使用電容傳感器 或LVDT等納米級位置傳感器作為測量傳感器。
實施例二
如附圖5所示，也可以采用四組具有如圖2的特殊結構的微驅動裝 置8相互垂直布置在微動臺內(nèi)部，使四組該驅動裝置的幾何中心與微 動臺的重心重合。該種布局方式在垂向和水平向各存在一個冗余自由 度，給控制帶來難度和復雜度，但這種方式具有驅動力大，運動平穩(wěn)的優(yōu)點。
如圖3所示，本發(fā)明所述的六自由度微動臺還包括一個微動承載 臺安裝基座9，連接固定微動承載臺;還連接有長行程驅動裝置10， 用于長行程低精度移動，實現(xiàn)初步的粗略定位。
以上介紹的僅僅是基于本發(fā)明的兩個較佳實施例，并不能以此來 限定本發(fā)明的范圍。任何對本發(fā)明的機制作本技術領域內(nèi)熟知的部件 的替換、組合、分立，以及對本發(fā)明實施步驟作本技術領域內(nèi)熟知的 等同改變或替換均不超出本發(fā)明的揭露以及保護范圍。
權利要求
1. 一種六自由度微動臺，其特征在于包括至少三個兩自由度微驅動裝置，呈等同的圓周夾角，平均設置于微動承載臺的邊緣；所述兩自由度微驅動裝置包括兩對電磁鐵，一個設有電磁銜鐵的微執(zhí)行器動子；所述兩對電磁鐵，一對水平、一對垂直對稱設置呈十字形；所述微執(zhí)行器動子固定在圓形微動承載臺上，設置于十字形的中心。
2、 如權利要求1所述的六自由度微動臺，其特征在于所述兩自 由度微驅動裝置的電磁鐵呈"E"字形，電磁鐵線圈設置于"E"字形 結構中央，"E"字形結構右側作為電磁鐵的磁極，面對微執(zhí)行器動子。
3、 如權利要求l所述的六自由度微動臺，其特征在于所述微執(zhí) 行器動子在水平和垂直方向上，對應電磁鐵的磁極，均設有電磁銜鐵。
4、 如權利要求l、 2、 3所述的六自由度微動臺，其特征在于所 述微執(zhí)行器動子在電磁銜鐵和電磁鐵之間電磁力的作用下，在十字形 電磁鐵中心處作六自由度的運動。
5、 如權利要求1所述的六自由度微動臺，其特征在于所述微動 承載臺呈圓形，兩自由度微驅動裝置設置在微動承載臺的圓周上。
6、 如權利要求1所述的六自由度微動臺，其特征在于所述微動 臺還包括一個微動承載臺安裝基座，與微動承載臺連接，兩自由度微 驅動裝置的"E"字型電磁鐵安裝在微動承載臺安裝基座上。
7、 如權利要求1所述的六自由度微動臺，其特征在于所述微動 臺連接長行程驅動裝置用于長行程低精度移動。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種六自由度微動臺，包括至少三個兩自由度微驅動裝置，呈等同的夾角，水平平均設置于圓形微動承載臺的圓周上；所述兩自由度微驅動裝置包括兩對電磁鐵，一個設有電磁銜鐵的微執(zhí)行器動子；兩對電磁鐵，一對水平，一對垂直呈十字形對稱設置；微執(zhí)行器動子固定在圓形微動承載臺上，設置于十字形電磁鐵中心。通過電磁鐵對微執(zhí)行器動子的高精度控制，實現(xiàn)對微動承載臺的六自由度微動。本發(fā)明只需設計一種微驅動裝置，其微動臺的結構以及裝配安裝工藝簡單，開發(fā)周期較短。
文檔編號B23Q1/00GK101290476SQ200810037649
公開日2008年10月22日 申請日期2008年5月20日 優(yōu)先權日2008年5月20日
發(fā)明者嚴天宏, 王天明, 袁志揚 申請人:上海微電子裝備有限公司