CN101290476B - 六自由度微动台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种六自由度微动台，包括至少三个两自由度微驱动装置，呈等同的夹角，水平平均设置于圆形微动承载台的圆周上；所述两自由度微驱动装置包括两对电磁铁，一个设有电磁衔铁的微执行器动子；两对电磁铁，一对水平，一对垂直呈十字形对称设置；微执行器动子固定在圆形微动承载台上，设置于十字形电磁铁中心。通过电磁铁对微执行器动子的高精度控制，实现对微动承载台的六自由度微动。本发明只需设计一种微驱动装置，其微动台的结构以及装配安装工艺简单，开发周期较短。

Description

六自由度微动台

技术领域

本发明涉及精密微控领域，尤其关于一种六自由度微动台。

背景技术

光刻是指将一系列掩模版上的芯片图形通过曝光系统依次转印到硅片相应层上的复杂工艺过程，在光刻设备中，工件台精密定位一般采用粗微定位方式，大行程驱动装置驱动微动台实现高速高加速度的长距粗定位，而由微动台最终完成精密定位。在光刻机中，微动台的作用是承载硅片，并对硅片进行精确定位，这种精确定位包括垂向和水平向的6自由度精密调整和定位。微动台和粗动台结合可以实现大行程运动和纳米级的精密定位。

专利US5204712公开了一种6自由度的微动台，该微动台通过点接触的三组凸轮机构，通过一个柔性机构连接到承片台上。通过簧片导向，共同驱动承片台，从而实现垂向(Z，Rx，Ry)的调平调焦功能。水平向通过Y1-Y2-X三组洛仑兹电机实现X、Y和Rz三自由度的微调。

专利US6054784公开了一种6自由度的微动台，该微动台水平向通过呈120度等间隔布置的三组洛仑兹电机实现X、Y和Rz三自由度的微调，其中为了缩减体积，使结构更紧凑，三组120°等间隔布置的洛仑兹电机被集成一体并呈三角形。三组垂向执行器共同驱动承片台，从而实现垂向(Z，Rx，Ry)的调平调焦功能兼具垂向减振功能。

从对已有的微动台技术分析，可以发现现有6自由度微动台普遍采用水平向三组和垂向三组微执行器实现微动台的6自由度精密定位。而且水平向和垂向的微执行器具有不同结构特征，甚至驱动原理也不尽相同，这就造成微动台驱动装置的装配安装工艺复杂，对于新型微动台的开发，需要开发两种不同形式的驱动器，这就延长了开发周期，增加了开发成本。

发明内容

为满足精密微动台的各向微控需求，本发明提供了一种六自由度微动台，包括至少三个两自由度微驱动装置，呈等同的夹角，水平平均地设置于圆形微动承载台的圆周上；所述两自由度微驱动装置包括两对电磁铁，一个设有电磁衔铁的微执行器动子；所述两对电磁铁，一对水平，一对垂直呈十字形对称设置；所述微执行器动子固定在圆形微动承载台上，设置于十字形电磁铁中心。

电磁铁呈“E”字形，电磁铁线圈设置于“E”字形结构中央，“E”字形结构右侧作为电磁铁的磁极面对微执行器动子；微执行器动子在水平和垂直方向上对应电磁铁的磁极均设有电磁衔铁，动子在电磁衔铁和电磁铁之间电磁力的作用下可在十字形电磁铁中心处作六自由度的运动。通过电磁铁对微执行器动子的可控高精度微动控制，实现对微动承载台的六自由度微动。

本发明只需设计一种微驱动装置，便可实现六自由度的微动台微动，其结构以及装配安装工艺简单，开发周期短。

附图说明

图1为本发明所述微驱动装置的工作原理图；

图2为本发明所述两自由度微驱动装置的结构图；

图3为本发明所述的六自由度微动台的侧视图；

图4位本发明所述的三微驱动装置的六自由度微动台俯视图；

图5位本发明所述的四微驱动装置的六自由度微动台俯视图。

具体实施方式

下面通过说明书附图，详细阐述本发明的具体实施例：

如附图1所示，本发明采用电磁铁的工作原理，将两组电磁铁并排放置，电磁铁线圈固定放置作为微执行器的定子，衔铁部分固定安装(机械联结或粘结)在微驱动装置的动子上。当左右电磁铁线圈2、5通电时，电磁吸力分别通过电磁衔铁3、4作用在微执行器动子7上，将两电磁铁磁极1、6对应衔铁吸力相等的动子位置作为平衡位置。通过控制线圈电流的大小，微调线圈磁极对衔铁的电磁吸力，从而控制微执行器的动子7在两磁极1、6间的相对位置，并满足位置的快速调节和精密定位的功能。

其中，线圈对衔铁的电磁引力大小的计算公式为：

$F=K\·\frac{I^2}{L^2},(K=\frac{1}{4}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r{N}^{2}A)$

式中：K为磁路常数；

μ₀为真空磁导率；

μ_r为空气对真空的相对磁导率；

N为线圈匝数；

A为磁极面积；

I为线圈电流；

L为线圈磁极与动子衔铁的间隙距离。

电磁引力F与线圈电流I以及间隙距离L成非线性关系，需要进行线性化处理，如下：

$F=F(I_0,L_0)+{\frac{\∂F}{\∂L}}_{I=I_0,L=L_0}\·\mathrm{\δL}+{\frac{\∂F}{\∂I}}_{I=I_0,L=L_0}\·\mathrm{\δI}$

$=K\·\frac{I_0^2}{L_0^2}-\frac{{2\mathrm{KI}}_0^2}{L_0^3}\·\mathrm{\δL}+\frac{{2\mathrm{KI}}_0}{L_0^2}\·\mathrm{\δI}$

$=F_0-K_L\·\mathrm{\δL}+K_I\·\mathrm{\δI}$

式中：F₀为初始位置的的电磁吸力；

K_L为电磁力偏移系数；

K_I为电磁力电流系数。

在图1中，如果两对电磁铁水平向放置，动子的动力学方程为：

$M\·\stackrel{\·\·}{X}=F_1-F_2$

式中：M为微执行器动子的质量；

为微执行器动子的水平向加速度；

F₁为电磁磁极6对衔铁4的电磁引力；

F₂为电磁磁极1对衔铁3的电磁引力。

如果两对电磁铁垂向放置，，那么，动子的动力学方程为：

$M\·\stackrel{\·\·}{Z}=\mathrm{Mg}-F_1+F_2$

式中：M为微执行器动子的质量；

为微执行器动子的垂向加速度；

g为重力加速度；

F₁为电磁磁极6对衔铁4的电磁引力；

F₂为电磁磁极1对衔铁3的电磁引力。

如附图2所示，如果将两组如图1所示装置分别一组水平向布置，一组垂向布置，并共同作用于同一个动子，那么就形成如图2所示的本发明的具有特殊结构的两自由度微驱动装置8。该驱动装置可以同时实现动子的水平向和垂向运动，且水平向和垂向运动相互独立，没有机械耦合。在两组如图1所示装置组合一体形成的微驱动装置8中，水平向的电磁铁线圈和垂向电磁铁线圈的微小漏磁会影响到该为驱动装置的定位精度，因此，在纳米级高精密定位精度下，需要对水平向和垂向的电磁铁线圈进行磁隔离，降低磁干扰，以提高其定位精度。

实施例一

如附图4所示，将三组具有如图2的特殊结构的微驱动装置8成120°等圆周布置在微动台内部，且将三组驱动装置的几何中心与微动台的重心重合。微驱动装置8的4个电磁铁线圈安装在大行程驱动基座上，动子直接与微动承载台相联。这样可以尽量减小电磁铁线圈产生的热量对微动台的干扰。对动子的位置控制可以使用电容传感器或LVDT等纳米级位置传感器作为测量传感器。

实施例二

如附图5所示，也可以采用四组具有如图2的特殊结构的微驱动装置8相互垂直布置在微动台内部，使四组该驱动装置的几何中心与微动台的重心重合。该种布局方式在垂向和水平向各存在一个冗余自由度，给控制带来难度和复杂度，但这种方式具有驱动力大，运动平稳的优点。

如图3所示，本发明所述的六自由度微动台还包括一个微动承载台安装基座9，连接固定微动承载台；还连接有长行程驱动装置10，用于长行程低精度移动，实现初步的粗略定位。

以上介绍的仅仅是基于本发明的两个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的机制作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。

Claims (7)

1.一种六自由度微动台，其特征在于包括：至少三个两自由度微驱动装置，呈等同的圆周夹角，平均设置于微动承载台的边缘；所述两自由度微驱动装置包括两对电磁铁，一个设有电磁衔铁的微执行器动子；所述两对电磁铁，一对水平、一对垂直对称设置呈十字形；所述微执行器动子固定在圆形微动承载台上，设置于十字形的中心。

2.如权利要求1所述的六自由度微动台，其特征在于所述两自由度微驱动装置的电磁铁呈“E”字形，电磁铁线圈设置于“E”字形结构中央，“E”字形结构右侧作为电磁铁的磁极，面对微执行器动子。

3.如权利要求2所述的六自由度微动台，其特征在于所述微执行器动子在水平和垂直方向上，对应电磁铁的磁极，均设有电磁衔铁。

4.如权利要求1至3中任一项所述的六自由度微动台，其特征在于所述微执行器动子在电磁衔铁和电磁铁之间电磁力的作用下，在十字形电磁铁中心处作六自由度的运动。

5.如权利要求1所述的六自由度微动台，其特征在于所述微动承载台呈圆形，两自由度微驱动装置设置在微动承载台的圆周上。

6.如权利要求1所述的六自由度微动台，其特征在于所述微动台还包括一个微动承载台安装基座，与微动承载台连接。

7.如权利要求1所述的六自由度微动台，其特征在于所述微动台连接长行程驱动装置用于长行程低精度移动。

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