[發明專利]非接觸長行程多自由度納米精密工作臺無效
【說明書】：
技術領域
本發明涉及一種精密工作臺，特別涉及一種采用電磁驅動器進行閉環主動控制與靜壓空氣止推軸承混合支承的非接觸長行程多自由度納米精密工作臺。
背景技術
近年來，半導體工藝技術不斷發展，目前大規模集成電路線寬僅有數十納米，同時為了提高工藝效率，晶元的尺寸不斷增大，目前已經達到12英寸-16英寸，因此在半導體加工曝光設備中要求相應的長行程多自由度納米精密工作臺。該工作臺不僅要將晶元準確地固定在預定的位置，而且要對晶元的垂直位置和姿態實施微小調整，校準和運動控制精度進一步提高，工作環境更加苛刻。長行程多自由度納米精密工作臺還廣泛用于超精密加工與測量，如液晶顯示器加工工藝設備和光學鏡頭加工，原子力顯微鏡等納米操控系統，和光學裝置校準系統等。總之，大行程多自由度納米精密工作臺是半導體加工工藝設備、超精密加工與測量和未來納米技術發展的一項關鍵技術。
庫侖摩擦力是實現納米精密工作臺的主要障礙，往往采用接觸式的粗精兩極運動方式或非接觸方式，避免或極大地降低庫侖摩擦。粗精兩極運動方式由有庫侖摩擦粗運動機構(包括回轉電機驅動、絲杠螺母傳動和導軌)實現大行程運動，再疊加一個無庫侖摩擦電致伸縮陶瓷(PZT)達到運動控制精度的要求。粗精兩極方式兩個驅動器的暫態過程限制了系統總的閉環帶寬，而?且這種方式結構復雜，標定困難，制造成本高。靜壓空氣懸浮或磁浮是兩種實現非接觸工作臺的技術，由于沒有接觸，庫侖摩擦力非常小，或者完全避免了庫侖摩擦力，可以實現納米精密工作臺。首先被應用于納米精密工作臺的是靜壓空氣導軌，實現長行程納米精度運動。粗靜兩極運動方式和靜壓空氣導軌只能實現單軸平動工作臺，兩軸工作臺由兩個相互垂直的單軸平動系統構成，體積大，結構復雜笨重，多個移動部件增大了移動質量和系統慣性，對于加工、裝配和標定有很高的精度要求。
為了克服以上問題，已有的研究提出了靜壓空氣止推軸承和磁懸浮技術，這兩種方式都可以實現單級即單一移動質量、長行程和多自由度的納米精密工作臺。靜壓空氣止推軸承不需要閉環控制，工作臺姿態和垂直方向3個自由度是被動的，取決于軸承的設計和加工，平面3軸由3軸平面電機驅動，實現平面3軸長行程納米精密工作臺(H.Shinno，H.Hashizume，H.Yoshioka，and?et.al.X-Y-θnano-positinoing?table?system?for?a?mother?machine.Annals?of?the?CIRP，.vol.53(1)，pp.337-340，2004.)。磁懸浮工作臺利用磁懸浮技術和平面驅動技術(Carter?FM，Galburt?DN，Roux?S.Magnetically?levitated?and?driven?reticlemaskingblade?stage?mechanism?having?six?degrees?freedom?of?motion.US?Patent6,906,789；2005.，李黎川，集成電路光刻設備的磁懸浮精密工件臺，中國發明專利200310108549，2003)，實現6自由度長行程納米精密工作臺，包括工作臺姿態和垂直方向3軸和平面3軸。與磁懸浮技術相比，靜壓空氣止推軸承工作臺，不需要閉環控制，結構簡單，性能穩定，被動器件不發熱，分析和設計技術成熟，制造成本低，已經有了相當的工業應用。其主要缺點是，1)工作臺姿態角和垂直方向位移不可控，支承精度取決于軸承的設計和加工；2)使?用真空負壓預載調節靜壓空氣軸承的剛度和承載力；3)產生靜壓氣膜的高壓氣體對工作臺的白噪聲擾動使工作臺發生自激振動，具有原理性機械振動噪聲，限制了運動分辨率的進一步提高。為了將主動控制和靜壓空氣懸浮的優點結合起來，提出了電磁靜壓空氣混合精密軸承，通過電磁驅動器對靜壓空氣軸承進行閉環控制，實現了高回轉精度(Halem?Khanfir，Mare?Bonis，PhilippeRevel.Improving?waviness?in?ultra?precision?turning?by?optimizing?the?dynamicbehavior?of?a?spindle?with?magnetic?bearings.International?Journal?of?MachineTools&Manufacture，2005(45)：841-848)。韓國科技高等學院(KAIST)SQ?Lee和DG?Gweon提出了一種采用3個混合支承的三角形精密工作臺(A?new?3-DOFZ-tilts?micropositioning?system?using?electromagnetic?actuators?and?air?bearings.Precision?Engineering?24(2000)24-31.)，每個混合支承是一個一體化的電磁驅動器與靜壓空氣止推軸承，其支承面為圓形，在圓心安裝了位移傳感器，圍繞圓心均勻安裝了4個電磁驅動器，每個電磁驅動器由一套鐵心和線圈構成，在每個電磁驅動器的中心加工了4個節流孔構成靜壓空氣止推軸承。通過每個混合支承的位移傳感器檢測工作臺垂直位移并進行閉環控制，實現工作臺垂直位移和姿態3軸閉環控制。該工作臺的主要缺點是：1)由控制3個混合支承垂直位移實現工作臺垂直和姿態3軸閉環控制，被控的動力學耦合給系統建摸和控制器綜合與分析帶來困難，影響工作臺的動態性能和運動控制精度。2)為了獲得載荷和動特性的對稱性，工作臺形狀只能為等邊三角形，而應用中往往要求工作臺形狀為對稱的矩形或正方形。3)一體化的電磁驅動器與靜壓空氣止推軸承混合支承結構復雜，設計、分析、加工、和安裝困難。4)每一個混合支承有1個位移傳感器和4個圍繞位移傳感器均勻安裝的電磁驅動器，?閉環控制時需將4個電磁驅動器等效為一個在圓心上的電磁驅動器進行控制，這種等效對電磁驅動器電磁參數一致性和安裝精度要求很高。這些缺點限制了這種工作臺的精度和實際應用。?
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