CN102722086A

CN102722086A - 一种无接触式单自由度定位装置及其同步运动控制方法

Info

Publication number: CN102722086A
Application number: CN2012101792475A
Authority: CN
Inventors: 朱煜; 杨开明; 李鑫; 崔乐卿; 胡金春; 张鸣; 徐登峰; 穆海华; 尹文生; 余东东
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University; U Precision Tech Co Ltd
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-06-01
Also published as: CN102722086B

Abstract

一种无接触式单自由度定位装置及其同步运动控制方法，该定位装置包括两个沿Y轴方向运动的粗动台，该两个粗动台之间无机械连接。每个粗动台由一个独立驱动的直线电机、一个气浮支撑、一个气浮导向组成。该定位装置的测量装置包括两个光栅尺，能够测量每个粗动台沿Y轴方向的绝对位置。第一粗动台以第一光栅尺为位置反馈，采用非线性控制算法实现沿Y轴运动，第二粗动台以两个光栅尺信号的差值为位置反馈，根据设计的同步控制方法实现第二粗动台与第一粗动台的同步运动。

Description

一种无接触式单自由度定位装置及其同步运动控制方法

技术领域

本发明涉及一种无接触式粗精动叠层结构及定位装置的运动控制方法，主要应用于半导体光刻设备中，属于超精密加工和检测设备技术领域。

背景技术

具有纳米级运动定位精度的超精密微动台是半导体装备关键部件之一，如光刻机中的硅片台、掩模台等。为实现超精密定位要求，以气浮和磁浮约束为支撑方式的执行单元作为一种超精密运动台被广泛应用。气浮约束作为支撑和导向作用时，减小了机械结构传动引起的摩擦力等作用，提高了系统运动定位精度。以直线电机为驱动单元时，由通电线圈在永磁阵列气隙磁场中产生的洛仑兹力提供驱动力，通过控制线圈中电流大小来改变执行单元的推力，具有结构简单等优点。

目前光刻机中掩模台粗动台结构通常包括两个直线电机，两个直线电机之间通过连接梁连接在一起，实现沿Y轴方向的同步运动。一方面连接梁增加了结构设计的复杂性，增加了系统结构质量，较大的质量将影响系统运动响应性能，另一方面，当结构运动时，如果两个粗动台沿Y轴方向存在位置偏差，由于连接梁的作用，使得两个粗动平台之间产生作用力与反作用力的耦合，使得两个粗动平台的性能相互影响，影响系统的运动定位精度。因此采用无连接梁形式的粗动台，并设计出针这种无机械接触的粗动台同步运动控制方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于光刻机掩模台粗动台中种无接触式单自由度定位装置及其同步运动控制方法。

本发明的技术如下：

一种无接触式单自由度定位装置，该定位装置包括两个沿Y轴方向运动的粗动台，同时该两个粗动台之间无机械连接。每个粗动台包括一个直线电机、一个支撑元件和一个导向元件；粗动台在洛仑兹力作用下沿Y轴运动；支撑元件的下表面与基架的上表面正面相对，支撑元件下表面有气孔，气孔轴线沿Z轴方向，在支撑元件与基架之间形成沿Z轴方向的气浮支撑；导向元件的侧面与基架的侧面正面相对，导向元件的侧面有气孔，气孔的轴线沿X轴方向，导向元件与基架之间形成气浮导向，导向方向沿Y轴方向。

每个粗动平台各包括一个光栅测量装置，光栅测量装置包括一个光栅尺、一个光栅尺安装架、一个读数头和光栅尺调整装置；光栅尺调整装置固定于基架上，光栅尺安装架与光栅尺调整装置固定连接，通过调整光栅尺调整装置使光栅尺安装架的长边方向沿Y轴方向；光栅尺固定于光栅尺安装架表面上，光栅条纹沿Y轴方向；光栅读数头与直线电机连接，当直线电机沿Y轴运动时，光栅尺用来检测粗动台直线电机沿Y轴方向的位置。

根据所述的无接触式单自由度定位装置采用了一种同步运动控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

1）在伺服周期开始，设定第一光栅尺测量装置的输出信号为x₁₀₀₁，作为第一粗动台的位置反馈，第二光栅尺测量装置的输出信号为x₁₀₀₂，以第一光栅尺测量装置信号和第二光栅尺测量装置的输出信号的差值作为第二粗动台的位置反馈；

2）第一粗动台和第二粗动台均以加速度作为控制器前馈，根据设定的位置反馈信号求解每个电机相应的出力，实现第一粗动台沿Y轴运动，第二粗动台对第一粗动台的跟随运动；电机输出力按以下公式计算：

F_{1001} = M {\overset{\cdot \cdot}{y}}_{d} + k_{p 1001} e_{y 1001} + k_{d 1001} {\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + c_{1001} \cdot \frac{{\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + a_{1001} e_{y 1001}}{| {\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + a_{1001} e_{y 1001} | + b_{1001}}

F_{1002} = M {\overset{\cdot \cdot}{y}}_{d} + k_{p 1002} e_{y 1002} + k_{d 1002} {\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + c_{1002} \cdot \frac{{\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + a_{1002} e_{y 1002}}{| {\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + a_{1002} e_{y 1002} | + b_{1002}}

其中：

y_d-粗动台目标运动位置；

x₁₀₀₁-第一光栅尺信号，x₁₀₀₂-第二光栅尺信号；

e_y1001＝y_d-x₁₀₀₁、e_y1002＝x₁₀₀₁-x₁₀₀₂

M-粗动台质量；

F₁₀₀₁-计算得到的对第一粗动台施加的力；

F₁₀₀₂-计算得到的对第二粗动台施加的力；

k_p1001、k_d1001、k_p1002、k_d1002、c₁₀₀₁、a₁₀₀₁、b₁₀₀₁、c₁₀₀₂、a₁₀₀₂、b₁₀₀₂为控制器增益系数；

3）根据求解电机的输出力得到每个电机的控制指令，该控制指令由D/A卡进行数模转换后输入至驱动器，驱动器成比例地输出电流驱动相应电机，进而实现微动台以及粗动台的运动。

4.一种如权利要求1所述的无接触式单自由度定位装置的同步运动控制方法，其特征在于所述控制方法包括如下步骤：

2）第一粗动台以加速度作为控制器前馈，第二粗动台以第一粗动台的控制器输出作为控制器前馈，根据设定的位置反馈信号求解每个电机相应的出力，实现第一粗动台沿Y轴运动，第二粗动台对第一粗动台的跟随运动；电机输出力按以下公式计算：

F_{1001} = M {\overset{\cdot \cdot}{y}}_{d} + k_{p 1001} e_{y 1001} + k_{d 1001} {\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + c_{1001} \cdot \frac{{\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + a_{1001} e_{y 1001}}{| {\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + a_{1001} e_{y 1001} | + b_{1001}}

F_{1002} = F_{1001} + k_{p 1002} e_{y 1002} + k_{d 1002} {\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + c_{1002} \cdot \frac{{\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + a_{1002} e_{y 1002}}{| {\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + a_{1002} e_{y 1002} | + b_{1002}}

其中：

y_d-粗动台目标运动位置；

x₁₀₀₁-第一光栅尺信号，x₁₀₀₂-第二光栅尺信号；

e_y1002＝x₁₀₀₁-x₁₀₀₂e_y1001＝y_d-x₁₀₀₁

M-粗动台质量；

F₁₀₀₁-第一粗动台控制器输出；

F₁₀₀₂-第二粗动台控制器输出；

本发明具有以下突出技术效果：本发明解决了同步运动中因机械结构接触引起的结构复杂、运动性能相互影响等问题，所设计的运动系统结构简单，无接触消除了摩擦，在此结构基础上，提出了两种运动控制方法，具有较好的同步控制效果。

附图说明

图1为本发明定位装置结构原理示意图（轴测图）。

图2为本发明定位装置俯视图。

图3为本发明第二粗动台轴测图。

图4为本发明第二粗动台主视图。

图5为本发明光栅尺示意图（轴测图）。

图6为本发明光栅尺主视图。

图7为本发明控制方法控制框图。

图中：

001-基架；1001-第一粗动台；1002-第二粗动台；101-直线电机；102-支撑元件；103-导向元件；3001-第一光栅尺测量装置；3002-第二光栅测量装置；301-光栅尺安装架；302-光栅尺调整装置；303-光栅尺；304-读数头；305-回零标记。

具体实施方式

图1为本发明定位装置的结构示意图（轴测图），图2为本发明定位装置俯视图。本发明定位装置包括基架001、第一粗动台1001、第二粗动台1002。

第一粗动台1001与第二粗动台1002结构相同，图3为第二粗动台1002结构轴测图，图4为第二粗动台1002主视图。第二粗动1002包括一个直线电机101、一个气浮支撑元件102和一个气浮导向元件103。气浮支撑元件102与直线电机101固连，气浮导向元件103与气浮支撑元件102固连。

气浮支撑元件102的下表面与基架001的上表面正面相对，支撑元件102下表面有气孔，气孔轴线沿Z轴方向，气浮支撑元件102与基架001之间形成沿Z轴方向的气浮支撑，气浮支撑方式采用真空预载的方式；气浮导向元件103的侧面与基架001的侧面正面相对，气浮导向元件103的侧面有气孔，气孔的轴线沿X轴方向，气浮导向元件103与基架001之间形成气浮导向，导向方向沿Y轴方向，气浮方式为真空预载的方式。

光栅尺测量装置包括结构相同的第一光栅尺3001测量装置和第二光栅尺测量装置3002，图5为第一光栅尺测量装置3001轴测图，图6为第一光栅尺测量装置3001主视图。该两个光栅测量装置沿X轴方向对称布置在两个粗动台的两侧。每个光栅测量装置包括一个光栅尺303、一个光栅尺安装架301、一个读数头304和光栅尺调整装置302。光栅尺调整装置302固定于基架001上，光栅尺安装架301与光栅尺调整装置302固定连接，通过调整光栅尺调整架302使光栅尺安装架301的长边方向沿Y轴方向。光栅尺303粘贴固定于光栅尺安装架301表面上，光栅条纹沿Y轴方向。光栅读数头304与直线电机101连接，当直线电机101沿Y轴运动时，光栅尺测量装置用来检测第一粗动台1001与第二粗动台1002沿Y轴方向的位置。

两个粗动台分别以对应的光栅尺测量装置为测量传感器，将整体定位装置移动到光栅尺零点标记305处，由零点标记305处开始沿Y轴方向运动，如图3所示。

各粗动台的控制框图如图7所示。光栅测量装置测量得到的信号通过A/D转化将数字量输入到计算机中，利用设计的控制方法处理这些数字信号，并将计算得到的数字量输出给D/A卡，经过D/A转化后的模拟量输入到各直线电机的驱动器中，驱动器根据这些模拟量值给各音圈电机的线圈输入电流，根据洛仑兹力法则各直线电机驱动各粗动台沿Y轴防线运动，各粗动台的位置由光栅测量装置测量得到。

本发明设计了两种同步运动控制方法，其中一种同步运动控制方法包括如下步骤：

1）在伺服周期开始，设定第一光栅尺测量装置3001的输出信号为x₁₀₀₁，作为第一粗动台1001的位置反馈，第二光栅尺测量装置3002的输出信号为x₁₀₀₂，以第一光栅尺测量装置3001信号和第二光栅尺测量装置3002的输出信号的差值作为第二粗动台1002的位置反馈；

2）第一粗动台1001和第二粗动台1002均以加速度作为控制器前馈，根据设定的位置反馈信号求解每个电机相应的出力，实现第一粗动台1001沿Y轴运动，第二粗动台1002对第一粗动台1001的跟随运动；电机输出力按以下公式计算：

F_{1001} = M {\overset{\cdot \cdot}{y}}_{d} + k_{p 1001} e_{y 1001} + k_{d 1001} {\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + c_{1001} \cdot \frac{{\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + a_{1001} e_{y 1001}}{| {\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + a_{1001} e_{y 1001} | + b_{1001}}

F_{1002} = M {\overset{\cdot \cdot}{y}}_{d} + k_{p 1002} e_{y 1002} + k_{d 1002} {\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + c_{1002} \cdot \frac{{\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + a_{1002} e_{y 1002}}{| {\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + a_{1002} e_{y 1002} | + b_{1002}}

其中：

y_d-粗动台目标运动位置；

x₁₀₀₁-第一光栅尺信号，x₁₀₀₂-第二光栅尺信号；

e_y1001＝y_d-x₁₀₀₁、e_y1002＝x₁₀₀₁-x₁₀₀₂

M-粗动台质量；

F₁₀₀₁-计算得到的对第一粗动台施加的力；

F₁₀₀₂-计算得到的对第二粗动台施加的力；

另一种同步运动控制方法包括如下步骤：

2）第一粗动台1001以加速度作为控制器前馈，第二粗动台1002以第一粗动台1001的控制器输出作为控制器前馈，根据设定的位置反馈信号求解每个电机相应的出力，实现第一粗动台1001沿Y轴运动，第二粗动台1002对第一粗动台1001的跟随运动；电机输出力按以下公式计算：

F_{1001} = M {\overset{\cdot \cdot}{y}}_{d} + k_{p 1001} e_{y 1001} + k_{d 1001} {\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + c_{1001} \cdot \frac{{\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + a_{1001} e_{y 1001}}{| {\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + a_{1001} e_{y 1001} | + b_{1001}}

F_{1002} = F_{1001} + k_{p 1002} e_{y 1002} + k_{d 1002} {\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + c_{1002} \cdot \frac{{\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + a_{1002} e_{y 1002}}{| {\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + a_{1002} e_{y 1002} | + b_{1002}}

其中：

y_d-粗动台目标运动位置；

x₁₀₀₁-第一光栅尺信号，x₁₀₀₂-第二光栅尺信号；

e_y1002＝x₁₀₀₁-x₁₀₀₂e_y1001＝y_d-x₁₀₀₁

M-粗动台质量；

F₁₀₀₁-第一粗动台控制器输出；

F₁₀₀₂-第二粗动台控制器输出；

Claims

1.一种无接触式单自由度定位装置，其特征在于：该定位装置包括两个沿Y轴方向运动的粗动台，同时该两个粗动台之间无机械连接；每个粗动台包括一个直线电机（101）、一个支撑元件（102）和一个导向元件（103）；粗动台在洛仑兹力作用下沿Y轴运动；支撑元件（102）的下表面与基架（001）的上表面正面相对，支撑元件（102）下表面有气孔，气孔轴线沿Z轴方向，在支撑元件（102）与基架之间形成沿Z轴方向的气浮支撑；导向元件（103）的侧面与基架的侧面正面相对，导向元件（103）的侧面有气孔，气孔的轴线沿X轴方向，导向元件（103）与基架之间形成气浮导向，导向方向沿Y轴方向。

2.如权利要求1中所述的一种无接触式单自由度定位装置，其特征在于：每个粗动平台各还包括一个光栅测量装置，光栅测量装置包括一个光栅尺（303）、一个光栅尺安装架（301）、一个读数头（304）和光栅尺调整装置（302）；光栅尺调整装置（302）固定于基架（001）上，光栅尺安装架（301）与光栅尺调整装置（302）固定连接，通过调整光栅尺调整装置（302）使光栅尺安装架（301）的长边方向沿Y轴方向；光栅尺（303）固定于光栅尺安装架表面上，光栅条纹沿Y轴方向；光栅读数头（304）与直线电机（101）连接，当直线电机沿Y轴运动时，光栅尺（303）用来检测粗动台直线电机（101）沿Y轴方向的位置。

3.一种如权利要求1所述的无接触式单自由度定位装置的同步运动控制方法，其特征在于所述控制方法包括如下步骤：

1）在伺服周期开始，设定第一光栅尺测量装置（3001）的输出信号为x₁₀₀₁，作为第一粗动台（1001）的位置反馈，第二光栅尺测量装置（3002）的输出信号为x₁₀₀₂，以第一光栅尺测量装置（3001）信号和第二光栅尺测量装置（3002）的输出信号的差值作为第二粗动台（1002）的位置反馈；

2）第一粗动台（1001）和第二粗动台（1002）均以加速度作为控制器前馈，根据设定的位置反馈信号求解每个电机相应的出力，实现第一粗动台（1001）沿Y轴运动，第二粗动台（1002）对第一粗动台（1001）的跟随运动；电机输出力按以下公式计算：

F_{1001} = M {\overset{\cdot \cdot}{y}}_{d} + k_{p 1001} e_{y 1001} + k_{d 1001} {\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + c_{1001} \cdot \frac{{\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + a_{1001} e_{y 1001}}{| {\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + a_{1001} e_{y 1001} | + b_{1001}}

F_{1002} = M {\overset{\cdot \cdot}{y}}_{d} + k_{p 1002} e_{y 1002} + k_{d 1002} {\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + c_{1002} \cdot \frac{{\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + a_{1002} e_{y 1002}}{| {\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + a_{1002} e_{y 1002} | + b_{1002}}

其中：

y_d-粗动台目标运动位置；

x₁₀₀₁-第一光栅尺信号，x₁₀₀₂-第二光栅尺信号；

e_y1001＝y_d-x₁₀₀₁、e_y1002＝x₁₀₀₁-x₁₀₀₂

M-粗动台质量；

F₁₀₀₁-计算得到的对第一粗动台施加的力；

F₁₀₀₂-计算得到的对第二粗动台施加的力；

2）第一粗动台（1001）以加速度作为控制器前馈，第二粗动台（1002）以第一粗动台（1001）的控制器输出作为控制器前馈，根据设定的位置反馈信号求解每个电机相应的出力，实现第一粗动台（1001）沿Y轴运动，第二粗动台（1002）对第一粗动台（1001）的跟随运动；电机输出力按以下公式计算：

F_{1001} = M {\overset{\cdot \cdot}{y}}_{d} + k_{p 1001} e_{y 1001} + k_{d 1001} {\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + c_{1001} \cdot \frac{{\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + a_{1001} e_{y 1001}}{| {\overset{\cdot}{e}}_{y 1001} + a_{1001} e_{y 1001} | + b_{1001}}

F_{1002} = F_{1001} + k_{p 1002} e_{y 1002} + k_{d 1002} {\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + c_{1002} \cdot \frac{{\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + a_{1002} e_{y 1002}}{| {\overset{\cdot}{e}}_{y 1002} + a_{1002} e_{y 1002} | + b_{1002}}

其中：

y_d-粗动台目标运动位置；

x₁₀₀₁-第一光栅尺信号，x₁₀₀₂-第二光栅尺信号；

e_y1002＝x₁₀₀₁-x₁₀₀₂ e_y1001＝y_d-x₁₀₀₁

M-粗动台质量；

F₁₀₀₁-第一粗动台控制器输出；

F₁₀₀₂-第二粗动台控制器输出；