[發(fā)明專利]一種六自由度磁浮微動臺

有效

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• 申請日: 2012-05-16
• 公開（公告）號: CN102681364A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳學(xué)東;汪洋;張航宇
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G03F7/20
• 分類號: G03F7/20
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超精密加工和半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，具體涉及一種六自由度磁浮微動臺。

背景技術(shù)

高精度、高響應(yīng)的微動臺是超精密加工和半導(dǎo)體制造裝備的核心部件之一，在現(xiàn)代制造技術(shù)中具有極其重要的地位。在超精密加工機床中，超精密微動臺用于對進給系統(tǒng)進行誤差補償，實現(xiàn)精密定位；在大規(guī)模集成電路制造中，超精密微動臺用于光刻設(shè)備中進行微定位和微進給；此外，超精密微動臺還被廣泛應(yīng)用于MEMS系統(tǒng)加工、封裝及裝配，光纖對接，以及原子力顯微鏡等領(lǐng)域中。

由于目前超精密加工設(shè)備的運動機構(gòu)大多采用粗精疊層結(jié)構(gòu)，微動臺安裝在粗動臺動子之上，用于對粗動臺進行精度補償，微動臺的定位精度決定了整體系統(tǒng)的運動精度，運動速度決定了設(shè)備的生產(chǎn)效率。因此，美歐率先開展了針對微動臺部分的研究，并已應(yīng)用于光刻機等領(lǐng)域。

現(xiàn)階段納米級微動臺的研究，大體上可以分為三類：伺服電機通過滾珠絲杠傳動/直線導(dǎo)軌支撐微動臺；壓電陶瓷驅(qū)動/柔性鉸鏈支撐導(dǎo)向微動臺；以及音圈電機或變磁阻電機驅(qū)動/氣浮或磁浮支撐微動臺。前兩種微動臺由于系統(tǒng)存在摩擦阻尼非線性等因素影響，定位精度和適用范圍有限。而第三種微動臺通常采用單自由度驅(qū)動單元，在實現(xiàn)多自由度運動定位時使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動子質(zhì)量大；目前采用多自由度驅(qū)動單元的微動臺，例如TAMU的Kim教授的Y型微動臺和OSU的孟家祥教授的光盤微動臺，都存在磁場利用率低，發(fā)熱大等問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種六自由度磁浮微動臺，可用于超精密加工和半導(dǎo)體制造中補償大行程運動機構(gòu)的定位誤差；由四組兩自由度電磁力驅(qū)動單元驅(qū)動，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易于安裝調(diào)試，無機械摩擦，位移分辨率高等優(yōu)點；而且其單位電流推力大，可減小線圈匝數(shù)和電感，加之微動臺動子慣量小，可以獲得較高的響應(yīng)速度。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種六自由度磁浮微動臺，其特征在于，它包括微動臺動子基板和至少三個兩自由度電磁力驅(qū)動單元，每組兩自由度電磁力驅(qū)動單元包含1個粘接永磁體、1個水平環(huán)繞線圈和1個豎直向線圈，粘接永磁體固定在動子基板上，水平環(huán)繞線圈和豎直向線圈固定在定子基座上；所有水平環(huán)繞線圈綜合實現(xiàn)微動臺動子在水平面內(nèi)X、Y、θ_z三個自由度的運動，所有豎直向線圈綜合實現(xiàn)微動臺動子的懸浮和Z、θ_x、θ_y三個自由度的運動；

所述兩自由度電磁力驅(qū)動單元在微動臺動子基板上布置形式為：在以微動臺動子基板幾何中心為圓心的一個圓上等角度間隔布置，并使粘接永磁體粘接面方向垂直或平行于微動臺動子基板幾何中心到粘接永磁體的連線或粘接永磁體粘接面方向與微動臺動子基板幾何中心到粘接永磁體的連線方向呈一個同向同大小的旋轉(zhuǎn)角度。

本發(fā)明所述磁浮微動臺的優(yōu)點在于：整個微動臺結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，方便安裝調(diào)試，不存在機械摩擦，具有較高位移分辨率；利用三塊不同極化方向磁體的粘接，形成底部加強，兩側(cè)相反的磁感線分布，有效提高了線圈單位電流下的推力，為減小線圈匝數(shù)和電感帶來可能；微動臺動子質(zhì)量輕，響應(yīng)速度快，而且具有較高固有頻率；線圈布置在底部定子上，有足夠空間實現(xiàn)水冷散熱。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實例提供的一種六自由度磁浮微動臺的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明實例的磁浮微動臺的爆炸視圖。

圖3為本發(fā)明實例的兩自由度電磁力驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖4為本發(fā)明實例的磁浮微動臺實現(xiàn)X方向運動的原理圖。

圖5為本發(fā)明實例的磁浮微動臺實現(xiàn)Y方向運動的原理圖。

圖6為本發(fā)明實例的磁浮微動臺實現(xiàn)繞Z轉(zhuǎn)動的原理圖。

圖7為本發(fā)明實例的磁浮微動臺實現(xiàn)Z方向運動的原理圖。

圖8為本發(fā)明實例的磁浮微動臺實現(xiàn)繞X轉(zhuǎn)動的原理圖。

圖9為本發(fā)明實例的磁浮微動臺實現(xiàn)繞Y轉(zhuǎn)動的原理圖。

圖中：1－微動臺動子基板；2－粘接永磁體；3－水平環(huán)繞線圈；4－豎直向線圈；5－微動臺定子基座；6－+Z向磁化的永磁體；7－+X向磁化的永磁體；8－-Z向磁化的永磁體；9－Y向驅(qū)動水平環(huán)繞線圈；10－X向驅(qū)動水平環(huán)繞線圈；11－X向粘接永磁體；12－Y向粘接永磁體。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明是以動子基板為正方形為例予以說明的。