CN103543613A - 一种动铁式无线缆的六自由度磁浮运动平台 - Google Patents

Abstract

一种动铁式无线缆的六自由度磁浮运动平台，该磁浮运动平台含有基座、定子、动子、载片台和测量系统。本发明在动子和载片台之间的凹槽中设有一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计、电源模块和无线信号输出模块，并将它们集成在一块线路板上；在定子上设置一个无线信号接收模块。采用三轴陀螺仪来测量动子的角度，用三轴加速度计来测量动子的线性位移，由激光三角传感器和电涡流传感器为三轴陀螺仪和三轴加速度计进行零位标定，并采用可更换电源模块和无线信号传输技术。本发明与现有技术相比，采用无线传输技术、无线供电技术和无线缆设计，使动子可在水平面内绕打角度自由旋转，大大提高了工作台的抗干扰能力，同时提高了控制系统的控制带宽。

Description

一种动铁式无线缆的六自由度磁浮运动平台

技术领域

本发明涉及一种磁浮工作台，尤其涉及一种动铁式无线缆的六自由度磁浮运动平台，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

具有高精度和快速响应的微动工作台在现代制造技术中具有极其重要的地位，被视为一个国家高技术发展水平的重要标志。在超精密机床中，超精密微动工作台用于对进给系统进行误差补偿，实现超精密加工；在大规模集成电路制造中，超精密微动工作台用于光刻设备中进行微定位和微进给；在扫描探针显微镜中，超精密微动工作台用于测量样品表面形貌，进行纳米加工；在生物工程方面，超精密微动工作台用于完成对细胞的操作，实现生物操作工程化；在医疗科学方面，超精密微动工作台用于显微外科手术，以便减轻医生负担，缩短手术时间，提高成功率。超精密微动工作台还被广泛应用于光纤对接，MEMS系统加工、封装及装配，以及电化学加工等领域中。

在半导体光刻设备中，光刻机是专门生产制作集成电路的。根据2005年版的国际半导体技术蓝图，2007年将用193nm的光刻技术生产线宽65nm的集成电路，2010年将生产线宽45nm的集成电路，2013年生产线宽32nm的集成电路；光刻机的分辨率由下式表示：

$\mathrm{RES}=k_1\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}---\left(1\right)$

通过将光刻投影系统的数值孔径NA和工艺参数k₁延伸到其实用极限以及增加浸入式系统，使用波长为193nm准分子光源的光刻系统可以生产65nm线宽的集成电路，人们还希望能够继续使用193nm浸入式系统生产45nm线宽的集成电路。采用现有193nm的技术，无论如何都不能生产32nm线宽的集成电路，必须寻求新的发展方向，采用波长为13.5nm光的极紫外光刻可以实现更高分辨率的跨越。

概括目前国内外纳米级微动工作台研究现状，为了满足极紫外光刻设备高精度、高速度、大负载、高动态特性的要求，采用磁浮平面电机的硅片台技术虽然可以满足光刻设备的要求，但存在极紫外光刻时，磁浮平面电机的一些灌封胶会释放一些气体，会对光源产生一定的影响，并且平面电机上会有大量的电源和传感器的线缆干扰运动等不足，其性能受到一定局限。

发明内容

本发明旨在提供一种动铁式无线缆的六自由度磁浮运动平台，可应用于极紫外（EUV）光刻机硅片台的工作台，也可用于超精密加工和检测中以实现六自由度运动，具有动子无线缆，超强抗干扰能力，高控制带宽等特点。

本发明的技术方案如下：

一种动铁式无线缆的六自由度磁浮运动平台，该磁浮运动平台含有基座、定子、动子、载片台和测量系统，所述的动子含有halbach永磁体阵列和磁钢背板；所述的定子是由多组线圈单元排列而成的线圈阵列；所述的测量系统包括激光干涉仪测量系统和电涡流传感器，其特征在于：在所述的动子和载片台之间的凹槽中设有一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计、电源模块和无线信号输出模块，并在所述的定子上设置一个无线信号接收模块，所述的三轴陀螺仪、三轴加速度计、电源模块和无线信号输出模块集成在一块线路板上，所述的三轴陀螺仪分别测量动子绕X轴、Y轴和Z轴旋转的角度；所述的三轴加速度计分别测量动子沿X轴、Y轴和Z轴的线性加速度；所述的三轴陀螺仪和三轴加速度计的测量信号通过所述的无线信号输出模块与设置在定子上的无线信号接收模块进行无线通信；所述的电涡流传感器成阵列布置在各线圈单元之间的缝隙中，且使得电涡流传感器的测头竖直向上放置；在定子的一个角设有三个激光三角传感器，其中沿X方向设有两个激光三角传感器，沿Y方向设有一个激光三角传感器，三个激光三角传感器与所述的电涡流传感器一起为所述的三轴陀螺仪和三轴加速度计做六自由度的标定。

本发明所述的线圈阵列中的多组线圈单元分别沿X方向和Y方向排列，每组线圈单元至少包含三个方形线圈，相邻两组线圈单元正交排列。

本发明所述的线圈单元采用叠层正交绕制的线圈组，或采用单层长方形线圈由下至上叠层正交排列且水平放置的线圈组，或采用长方形线圈水平放置的线圈组，或采用长方形线圈竖直放置的线圈组，或采用叠层正交印刷PCB电路的线圈组；所述的每个线圈组的数量为3的倍数，每个线圈由通电导线和线圈骨架组成。

本发明所述的电源模块采用无线充电电源模块；该电源模块采用可更换电池。

本发明所述的动子中的永磁体阵列由主永磁体和附永磁体组成，主永磁体与附永磁体以Halbach二维阵列形式粘接固定于磁钢背板的表面上，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：该六自由度磁浮运动平台可实现空间六自由度的运动，用激光干涉仪测量系统来实现高精度测量，在激光干涉仪测量系统测量范围之间时采用在动子和载片台之间设有集成在线路板上的三轴陀螺仪来测量动子的角度，用三轴加速度计来测量动子的线性位移，并采用可更换电源模块和无线信号传输技术。本发明与现有技术相比，采用无线传输技术、无线供电技术和无线缆设计，使动子可在水平面内大角度自由旋转，大大提高了工作台的抗干扰能力，同时提高了控制系统的控制带宽。

附图说明

图1为发明提供的一种动铁式无线缆的六自由度磁浮运动平台的三维结构图。

图2为本发明的一种动铁式无线缆的六自由度磁浮运动平台的三维爆炸结构图。

图3为三轴陀螺仪、三轴加速度计和电源模块的安装位置示意图。

图4为本发明的六自由度磁浮运动平台的零点标定流程图。

图5a、图5b、图5c、图5d和图5e表示出本发明的线圈单元采用的几种不同的结构形式。

图6a、图6b为本发明动子的两种永磁阵列结构图。

图中：1－基座；2－载片台；4－磁钢背板；5－三轴陀螺仪；6－三轴加速度计；7－电源模块；8－线路板；9－线圈单元；10－线圈骨架；11－电涡流传感器；12－激光干涉仪测量系统；13－halbach永磁体阵列；14－线圈阵列；15－激光三角传感器；16－第一主永磁体；17－第二主永磁体；18－附永磁体；19－无线信号输出模块；20－无线信号接收模块。

具体实施方式

图1、图2为发明提供的一种动铁式无线缆的六自由度磁浮运动平台的三维结构图，该动铁式无线缆的六自由度磁浮运动平台含有基座1、定子、动子、载片台2和测量系统，所述的动子由halbach永磁体阵列13和磁钢背板4所组成；所述的定子是由多组线圈单元9排列而成的线圈阵列14；所述的测量系统包括激光干涉仪测量系统12、电涡流传感器11和激光三角传感器15；在所述的动子和载片台2之间的凹槽中还设有一个三轴陀螺仪5、一个三轴加速度计6、电源模块7和无线信号输出模块19；在所述的定子上设置一个无线信号接收模块20，所述的三轴陀螺仪5、三轴加速度计6和电源模块7、无线信号输出模块19集成在一块线路板8上，如图2和图3所示；所述的三轴陀螺仪5可分别测量动子绕X轴、Y轴和Z轴旋转的角度；所述的三轴加速度计6可分别测量动子沿X轴、Y轴和Z轴的线性加速度；所述的三轴陀螺仪5和三轴加速度计6的测量信号通过所述的无线信号输出模块19与设置在定子上的无线信号接收模块20进行无线通信；所述的电涡流传感器11成阵列布置在定子的各线圈单元9之间的缝隙中，且使得电涡流传感器11的测头竖直向上放置；在定子的一个角的位置上设有三个激光三角传感器15，其中沿X方向设有两个激光三角传感器15，沿Y方向设有一个激光三角传感器15，三个激光三角传感器与所述的电涡流传感器11一起为所述的三轴陀螺仪5和三轴加速度计6做六自由度的标定。

所述的线圈阵列14由多组线圈单元9分别沿X方向和Y方向排列而成，每组线圈单元至少包含3个方形线圈，相邻两组线圈单元正交排列。

图5表示出本发明的线圈单元采用的几种不同的结构形式，共举出了五种。线圈单元可以采用叠层正交绕制的线圈组(如图5a)，或采用单层长方形线圈由下至上叠层正交排列成水平放置的线圈组（如图5b），或采用长方形线圈水平放置的线圈组（如图5c），或采用长方形线圈竖直放置线圈组(如图5d)，或采用叠层正交印刷PCB电路线圈组(如图5e)；所述的每个线圈组的数量为三的倍数，每个线圈由通电导线和线圈骨架10组成。

图6表示出本发明的动子的两种永磁体阵列结构图，动子的永磁体阵列由主永磁体和附永磁体18组成，主永磁体（第一主永磁体16、第二主永磁体17）与附永磁体18以Halbach一维阵列形式或二维平面阵列形式粘接固定于磁钢背板4的表面上，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路。

本发明的工作过程如下：

该磁浮运动平台的永磁体阵列产生的磁场方向、通电线圈电流方向以及产生的洛伦兹力方向两者相互垂直；每组线圈单元可同时在永磁体阵列所在平面内相互垂直的两个方向，以及垂直永磁体阵列所在平面方向这三个自由度上提供推力。

在本实施例中，如图1所示,首先，该磁浮运动平台定子线圈上电，由于测量系统的大多数传感器都是增量式的测量，此时需要先进行传感器标定。在磁浮运动平台定子的一个角的位置设置的三个激光三角传感器15，以及位于线圈阵列14上的电涡流传感器11就是用来作为零位进行标定的。其中沿X方向设有两个激光三角传感器15，可以分别测量磁浮运动平台动子的沿X方向的位置和绕Z轴方向转动的倾斜角度；沿Y方向设有一个激光三角传感器15，测量磁浮运动平台动子沿Y方向的位置；位于线圈阵列14上的电涡流传感器11阵列则可测量磁浮运动平台动子沿Y方向的位置，以及绕X轴方向和绕Y轴方向转动的倾斜角度。当完成以上过程后，即可确定磁浮运动平台动子位于磁浮运动平台定子的位置，同时的，也确定了安装在磁浮运动平台动子上的三轴陀螺仪5和三轴加速度计6的初始位置，由于三轴陀螺仪5工作一段时间就会发生漂移，所以需要不断重复进行以上的零位标定过程，如图4所示。

完成了三轴陀螺仪5和三轴加速度计6的初始位置标定后，需要进行激光干涉仪测量系统12的调整。首先，无线信号输出模块19和无线信号接收模块20不断的将三轴陀螺仪5和三轴加速度计6的位置信号通知控制系统，无线信号传输的测量信号可采用WIFI、蓝牙或者红外等方式，通过控制系统不断地调整磁浮运动平台动子在磁场中的位姿，然后调整激光干涉仪，使其能在允许范围内正常工作，至此完成了激光干涉仪测量系统12的调整；在磁浮运动平台正常工作状态下都是需要激光干涉仪测量系统12来进行高精度位置测量的。

三轴陀螺仪5和三轴加速度计6的供电方式采用在线路板8上安装电源模块7，该电源模块7为可更换电源模块或者可进行无线充电电源模块，当该磁浮运动平台运行至激光三角传感器15和电涡流传感器11零位标定过程时，利用机械手进行更换电源模块7或对电源模块7进行无线充电。综上所述，该磁浮运动平台实现了无线缆设计。

Claims (6)

1.一种动铁式无线缆的六自由度磁浮运动平台，该磁浮运动平台含有基座（1）、定子、动子、载片台（2）和测量系统，所述的动子含有halbach永磁体阵列（13）和磁钢背板（4）；所述的定子是由多组线圈单元（9）排列而成的线圈阵列（14）；所述的测量系统包括激光干涉仪测量系统（12）和电涡流传感器（11），其特征在于：在所述的动子和载片台（2）之间的凹槽中设有一个三轴陀螺仪（5）、一个三轴加速度计（6）、电源模块（7）和无线信号输出模块（19），并在所述的定子上设置一个无线信号接收模块（20），所述的三轴陀螺仪（5）、三轴加速度计（6）、电源模块（7）和无线信号输出模块（19）集成在一块线路板（8）上；所述的三轴陀螺仪（5）分别测量动子绕X轴、Y轴和Z轴旋转的角度；所述的三轴加速度计（6）分别测量动子沿X轴、Y轴和Z轴的线性加速度；所述的三轴陀螺仪（5）和三轴加速度计（6）的测量信号通过所述的无线信号输出模块（19）与设置在定子上的无线信号接收模块（20）进行无线通信；所述的电涡流传感器（11）成阵列布置在各线圈单元（9）之间的缝隙中，且使得电涡流传感器（11）的测头竖直向上放置；在定子的一个角的位置上设有三个激光三角传感器（15），其中沿X方向设有两个激光三角传感器（15），沿Y方向设有一个激光三角传感器（15），三个激光三角传感器（15）与所述的电涡流传感器（11）一起为所述的三轴陀螺仪（5）和三轴加速度计（6）做六自由度的标定。

2.如权利要求1所述的一种动铁式无线缆的六自由度磁浮运动平台，其特征在于：所述的线圈阵列（14）中的多组线圈单元分别沿X方向和Y方向排列，每组线圈单元至少包含三个方形线圈，相邻两组线圈单元正交排列。

3.如权利要求1所述的一种动铁式无线缆的六自由度磁浮运动平台，其特征在于：所述的线圈单元采用叠层正交绕制的线圈组（5a），或采用单层长方形线圈由下至上叠层正交排列且水平放置的线圈组(5b)，或采用长方形线圈水平放置的线圈组(5c)，或采用长方形线圈竖直放置的线圈组（5d），或采用叠层正交印刷PCB电路的线圈组(5e)；所述的每个线圈组的数量为3的倍数，每个线圈由通电导线和线圈骨架（10）组成。

4.如权利要求1所述的一种动铁式无线缆的六自由度磁浮运动平台，其特征在于：所述的电源模块（7）采用无线充电电源模块。

5.如权利要求1所述的一种动铁式无线缆的六自由度磁浮运动平台，其特征在于：所述的电源模块（7）采用可更换电池。

6.如权利要求1所述的一种动铁式无线缆的六自由度磁浮运动平台，其特征在于：所述动子中的永磁体阵列由主永磁体和附永磁体组成，主永磁体与附永磁体以Halbach二维阵列形式粘接固定于磁钢背板的表面上，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路。

Images