CN104795920B - 六自由度微动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六自由度微动装置，包括：上、下背板、设置在所述上、下背板之间且间隔设置的水平向音圈电机和垂向音圈电机，所述水平向音圈电机和垂向音圈电机均采用PCB线圈，使得微动装置的多个音圈电机结构尺寸更加接近设计值，从而减小了因结构尺寸与设计值存在偏差而导致的推力波动与推力干扰。由于PCB线圈的工艺限制，使微动装置中电机在同等条件下相对于漆包绕制的传统电机推力常数小，减少额为30%左右。

Description

六自由度微动装置

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种六自由度微动装置。

背景技术

在光刻机中，为了补偿长行程粗动台的控制精度，需要在粗动台之上加入超精密微动台，微动台的定位精度和定位速度一定程度上决定了光刻机的曝光精度和生产效率，因此微动台逐渐成为光刻机核心技术之一。

目前国内外的纳米级微动台主要分为三类：借助丝杠传动的伺服电机微动台、压电陶瓷微动台以及音圈电机驱动的磁浮微动台。前两种微动台由于机械摩擦阻尼非线性等因素很难满足光刻机高精度、高加速度、高度响应特性等要求，但采用音圈电机驱动微动台的方式可以满足以上要求。但现存的微动台所采用的音圈电机驱动方式中，线圈多采用漆包线绕制的方式，因此尺寸很难做到与设计值完全一致，且只能采用线圈各自封装的动子或定子结构，因此电机整体可靠性不高。

发明内容

本发明提供一种六自由度微动装置，以克服现有技术中微动装置中电机可靠性不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种六自由度微动装置，包括：上、下背板、设置在所述上、下背板之间且间隔设置的水平向音圈电机和垂向音圈电机，所述水平向音圈电机和垂向音圈电机均采用PCB线圈，使得微动装置的多个音圈电机结构尺寸更加接近设计值，从而减小了因结构尺寸与设计值存在偏差而导致的推力波动与推力干扰。由于PCB线圈的工艺限制，使微动装置中电机在同等条件下相对于漆包绕制的传统电机推力常数小，减少额为30％左右。

较佳的，所述水平向音圈电机和垂向音圈电机的PCB线圈设置在一块PCB板上，使得微动装置中音圈电机机构强度、可靠性增加。

较佳的，所述水平向音圈电机的PCB线圈中心位置设置有重力补偿磁铁，减少了水平向电机的出力发热，同时可以将水平向出力电机做得更小，使微动台结构更加紧凑。

较佳的，所述垂向音圈电机的PCB线圈中心位置设置有重力补偿磁铁，减少了垂向电机的出力发热，同时可以将垂向出力电机做得更小，使微动台结构更加紧凑。

较佳的，所述水平向音圈电机为平板型音圈电机，所述垂向音圈电机为圆筒型音圈电机。

较佳的，所述平板型音圈电机包括：设置在所述PCB线圈上下两侧的一维磁钢阵列，还包括上、下导磁背铁，用于固定设置在所述PCB线圈上下两侧的一维磁钢阵列。

所述一维磁钢阵列包括：沿一维方向交替排列的S磁铁和N磁铁和位于磁铁N和磁铁S之间的磁铁H，所述磁铁H的充磁方向指向磁铁S。所述上、下导磁背铁上的对应磁铁的极性相反。

较佳的，所述平板型音圈电机设置偏离所述六自由度微动装置质心。

较佳的，所述上、下背板上分别设置有与所述平板型音圈电机对应的矩形槽。

较佳的，所述圆筒型音圈电机包括分别设置在PCB线圈上下两侧的磁铁S和磁铁N。

较佳的，所述上、下背板上分别设置有用于容纳所述圆筒型音圈电机的圆柱形槽。

较佳的，所述PCB线圈的制作过程为：将两面均有铜层的芯板上蚀刻各层的导线设计分布图形，然后在各层芯板之间填充树脂，最后将交替排列的树脂和芯板在加热的同时压制成形。

较佳的，所述树脂为玻璃纤维环氧树脂。

较佳的，所述水平向音圈电机和垂向音圈电机的数目分别为N个，N为大于等于3的整数。

较佳的，所述PCB线圈包括多层线圈，且多层线圈串联。

与现有技术相比，本发明的六自由度微动装置，包括：上、下背板、设置在所述上、下背板之间且间隔设置的水平向音圈电机和垂向音圈电机，所述水平向音圈电机和垂向音圈电机均采用PCB线圈，使得微动装置的多个音圈电机结构尺寸更加接近设计值，从而减小了因结构尺寸与设计值存在偏差而导致的推力波动与推力干扰。由于PCB线圈的工艺限制，使微动装置中电机在同等条件下相对于漆包绕制的传统电机推力常数小，减少额为30％左右。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式中微动装置的整体结构示意图；

图2为本发明一具体实施方式中微动装置的组装示意图；

图3为本发明一具体实施方式中音圈电机阵列分布示意图；

图4为本发明一具体实施方式中下背板的结构示意图；

图5为本发明一具体实施方式中重力补偿磁铁的分布示意图；

图6为本发明一具体实施方式中PCB线圈的外观示意图；

图7为本发明一具体实施方式中第一PCB线圈各层线圈排布示意图；

图8为本发明一具体实施方式中第二PCB线圈各层线圈排布示意图；

图9为本发明一具体实施方式中平板型音圈电机结构示意图；

图10为本发明一具体实施方式中平板型音圈电机重力补偿示意图；

图11为本发明一具体实施方式中圆筒型音圈电机重力补偿示意图(方案1)；

图12为本发明一具体实施方式中圆筒型音圈电机结构示意图(方案2)；

图13为本发明一具体实施方式中圆筒型音圈电机水平向运动时的出力仿真图；

图14为本发明一具体实施方式中圆筒型音圈电机作垂向运动时的出力仿真图。

图中：

110a-上背板、110b-下背板、111-矩形槽、112-圆柱形槽；

120-PCB线圈、121-第一PCB线圈、122-第二PCB线圈、

1201、1202、1203、1204-孔；

130-水平向音圈电机、131-导磁背铁、1311-上导磁背铁、1312-下导磁背铁、132-水平向磁铁、1321-磁铁N、1322-磁铁S、1323-磁铁H；

140-垂向音圈电机、141-垂向磁铁、1411-主磁极磁铁S、1412-主磁极磁铁N；

151-第一重力补偿磁铁、152-第二重力补偿磁铁。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1～5所示，本发明的六自由度微动装置，包括：上、下背板110a、110b和设置在上、下背板110a、110b之间且间隔设置的水平向音圈电机130和垂向音圈电机140。

请重点参照图2，所述水平向音圈电机130包括：第一PCB线圈121、导磁背铁131和水平向磁铁132；所述垂向音圈电机140包括：垂向磁铁141和第二PCB线圈122；所述第一、第二PCB线圈121、122共同形成在一块PCB板上以形成一整体的PCB线圈120。

请参照图2～5，所述水平向音圈电机130为平板型音圈电机，所述垂向音圈电机140为圆筒型音圈电机。对应的，第一PCB线圈121、导磁背铁131均为长方体形，所述水平向磁铁132为方形框；而所述垂向磁铁141为圆柱形，所述第二PCB线圈122为圆环状。

进一步的，所述上、下背板110a、110b上分别设有与所述导磁背铁131和水平向磁铁132对应的矩形槽111，以及与所述垂向磁铁141对应的圆柱形槽112。所述导磁背铁131和水平向磁铁132分别粘接为一个整体后，分别嵌入上、下背板110a、110b上的矩形槽111内；垂向磁铁141嵌入上、下背板110a、110b上的圆柱形槽112内。

本实施例中，水平向音圈电机130和垂向音圈电机140的数目分别为3个，其排布方式如图3所示。水平向音圈电机130通电后产生X向推力、Y向推力、Rz转矩；垂向音圈电机140通电后产生Z向推力、Rx、Ry转矩。通过将上述微动装置与电机控制算法结合，可以产生任意水平方向的推力(不仅仅是X向、Y向)以及任意水平轴向的转矩(不仅仅是Rx、Ry)，即实现六自由度运动。

请重点参照5，所述微动装置具有重力补偿功能。具体地，所述第一PCB线圈121内安装有第一重力补偿磁铁151、所述第二PCB线圈122内安装有第二重力补偿磁铁152。需要说明的是，图5中所示的第一、第二重力补偿磁铁151、152均位于PCB线圈120的内部，PCB线圈120以印刷电路的形式分层布线，重力磁铁内嵌在PCB线圈120中心位置。

优选地，根据实际需要，可以以所述上、下背板110a、110b为定子，中间的电机为动子；也可以以上、下背板110a、110b作为动子，而电机作为定子。本实施例以电机为动子为例说明，则电机线圈为定子线圈，均采用PCB印刷电路的形式，所以可以将定子线圈阵列做成一整体(即PCB线圈120)。

整体的PCB线圈120的外观如图6所示，所述PCB线圈120的表面设有若干孔，每一孔对应一层PCB线圈120，孔主要分为两种：引接线孔和层间连接孔。其中，引接线孔只与第一层或最后一层PCB线圈120短接，层间连接孔则短接第一层与最后一层之间的相邻的某两层(如第二层和第三层、第三层和第四层)。图6中：孔1201代表水平向电机的PCB线圈120层间连接孔；孔1202代表垂向电机的PCB线圈120层间连接孔；孔1203代表水平向电机的引接线孔，两孔分别接第一层和最后一层；孔1204代表垂向电机的引接线孔。

当然，PCB线圈120采用分层设计，图7示意了平板型音圈电机的第一PCB线圈121内部排布方式，实际应用中线圈的具体层数可以根据需要增加或减少。本实施例以四层线圈为例，第一层导线起始端对应一个引接线孔，然后沿逆时针方向(或者顺时针)排布至中心位置，再在第一PCB线圈121上做通孔，连接至第二层，第二层导线再以逆时针方向从里向外排布至外围，与第三层连接，第三层再以与第一层相同的方式连接第四层，如此依次类推，直至最底层，但其层数必须为偶数层，以保证两个引接线孔都在线圈外围，方便出线。垂向出力的圆筒型音圈电机的第二PCB线圈122的层间连接方式与水平向音圈电机130相同，只是导线排布形状呈圆形排列，如图8所示。

进一步的，所述PCB线圈120的制造过程为：先将两面均有铜层的芯板上蚀刻与其各自层数对应的导线设计分布图形；然后在各层芯板之间填充树脂，最后将交替排列的树脂和芯板在加热的同时压制成形，在加热的过程中，呈半固化状态的树脂会将导线各匝之间的空隙填充。较佳的，所述树脂为FR4(玻璃纤维环氧树脂)。

如图9所示，本实施例中，所述水平向音圈电机130中：

导磁背铁131包括：上、下导磁背铁1311、1312；

水平向磁铁132包括：分别固定在上、下导磁背铁1311、1312上的磁铁S 1322和磁铁N 1321，位于磁铁N 1321和磁铁S 1322之间的磁铁H 1323，所述上、下导磁背铁1311、1312上的对应磁铁的极性相反。也就是说，上导磁背铁1311上的磁铁N 1321与下导磁背铁1312上的磁铁S 1322对应，上导磁背铁1311上的磁铁S 1322与下导磁背铁1312上的磁铁N1321对应。所述磁铁H1323的充磁方向指向磁铁S1322，所述磁铁H1323可以增强所述一维磁钢阵列的磁场强度，即所述磁铁H1323与磁铁S 1322、磁铁N 1321共同构成海尔贝克阵列。

第一PCB线圈121位于水平向音圈电机130中间，第一重力补偿磁铁151设置于第一PCB线圈121中间。

图9中黑色粗箭头所指方向为上述各磁铁的充磁方向。第一PCB线圈121为一长方形线圈回路，图9中被分成了两个部分，其左侧部分的通电电流方向垂直纸面向外，该部分所在区域磁密分布垂直向上；右侧部分通电电流垂直纸面向里，该部分所在区域磁密分布垂直向下，根据左手定则，第一PCB线圈121会受到水平向右的力，对应的上下水平向磁铁132会受到水平向左的反作用力。

进一步的，本实施例中的三个水平向音圈电机130是偏离微动装置质心设置。当三个水平向音圈电机130的出力方向同为顺时针或逆时针方向时，此反作用力会使微动装置产生Rz方向的转矩；当有一个水平向音圈电机130与其余两个出力方向相反时，会使微动装置产生水平向推力。

第一重力补偿磁铁151在第一PCB线圈121的中心位置，对磁铁N 1321和磁铁S1322分别存在四个作用力：F01、F02、F03、F04，四个力大小相同，力的方向如图10中细箭头所示，合力方向垂直向上，形成重力补偿力，此补偿力会在微动装置行程范围内存在补偿波动，此波动可以通过垂向出力的三个圆筒型音圈电机进行补偿。当然，因微动结构的行程非常小，因此重力补偿的波动也非常小，约在3％以内。

如图11～12所示，垂向出力的圆筒型音圈电机包括：主磁极磁铁S 1411，主磁极磁铁N 1412，第二重力补偿磁铁152，第二PCB线圈122。

其中，主磁极磁铁S 1411，主磁极磁铁N 1412，第二重力补偿磁铁152的充磁方向有两种，分别如图11和图12所示。本实施例以图11中第二重力补偿磁铁152充磁方向向上为例对其重力补偿进行说明。

请继续参照图11，不通电的情况下，由于磁铁本身磁场的作用，第二重力补偿磁铁152会对主磁极磁铁S 1411和主磁极磁铁N 1412分别产生垂直向上的作用力F11、F12，二者大小相同，合力方向垂直向上，形成重力补偿力。

由于所述三个垂向音圈电机140和三个水平向音圈电机130的重力补偿总量小于动子总重量，因此，在六个音圈电机不通电的状态下，动子和电机下方接触，即动子不处于悬浮状态。

通电状态下，所述第二PCB线圈122为一个圆环形线圈回路，图11中被分为两部分，其左侧是通电电流方向垂直纸面向外，右侧电流方向垂直纸面向里，根据右手定侧，线圈电流在线圈中心即第二重力补偿磁铁152所在位置，产生的垂直向上的磁场，该磁场加强了第二重力补偿磁铁152的磁场，使得力F11、F12变大，线圈通电电流越大，对F11、F12增强作用越大。从上方向下看，当三个圆筒型音圈电机同时通入逆时针方向的电流后，微动装置会产生大于重力补偿总量的垂向力，当三个圆筒型音圈电机通入不同大小的逆时针方向的电流时，结合电机控制算法，可以产生任意水平轴向的转矩。

图13是垂向出力的圆筒型音圈电机水平向运动时的出力仿真结果。横轴是电机水平向位移，纵轴是出力大小。图中的force_Z包括两个部分：重力补偿力和电机推力常数。仿真过程中线圈通入1A电流时，二者值分别为21.25N、2.50N/A。x、y向的出力干扰均在0.03N以内。Z向出力的最大值和最小值分别在0、0.5mm位置处，因此水平向刚度最大值(电机线圈通入1A电流时)为：(23.80-23.70)/(0.5-0)＝0.2N/mm。出力干扰和水平向刚度均在可接受范围内。

图14是垂向出力的圆筒型音圈电机作垂向运动时的出力仿真结果。同样，force_Z包括两个部分：重力补偿力和电机推力常数，二者分别为：21.35N、2.5N/A。x、y向的出力干扰均在0.02N以内。Z向出力的最大值和最小值分别在0.3、-0.3mm位置处，因此，垂向刚度最大值(电机线圈通入1A电流时)为：(23.99-23.70)/(0.3+0.3)＝0.48N/mm。出力干扰和垂向刚度均在可接受范围内。

需要说明的是，本实施例只示意了“3+3”的微动电机阵列，即3个水平向出力的水平向音圈电机130和3个垂向出力的垂向音圈电机140。实际上，“3+3”只是具有重力补偿功能的六自由度微动装置电机数量最少的一种组合，同样地，可以采用“4+4”、“5+5”....“n+n”的组合方式，此处，n为大于3的正整数。垂向出力和水平向出力的音圈电机间隔依次排列。需要说明的是，n值越大，能够进行冗余补偿的电机数量越多，当n>3时，冗余补偿电机数量为n-3。

综上所述，本发明的六自由度微动装置，包括：上、下背板110a、110b、设置在所述上、下背板110a、110b之间且间隔设置的水平向音圈电机130和垂向音圈电机140，所述水平向音圈电机130和垂向音圈电机140均采用PCB线圈120，使得微动装置的多个音圈电机结构尺寸更加接近设计值，从而减小了因结构尺寸与设计值存在偏差而导致的推力波动与推力干扰。由于PCB线圈120的工艺限制，使微动装置中电机在同等条件下相对于漆包绕制的传统电机推力常数小，减少额为30％左右。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种六自由度微动装置，包括：上、下背板、设置在所述上、下背板之间且间隔设置的水平向音圈电机和垂向音圈电机，所述水平向音圈电机和垂向音圈电机均采用PCB线圈，所述水平向音圈电机和/或所述垂向音圈电机的PCB线圈中心位置设置有重力补偿磁铁，所述PCB线圈与所述重力补偿磁铁相对位置固定。

2.如权利要求1所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述水平向音圈电机和垂向音圈电机的PCB线圈设置在一块PCB板上。

3.如权利要求1所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述水平向音圈电机为平板型音圈电机，所述垂向音圈电机为圆筒型音圈电机。

4.如权利要求3所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述平板型音圈电机包括：设置在所述PCB线圈上下两侧的一维磁钢阵列。

5.如权利要求4所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述平板型音圈电机还包括上、下导磁背铁，用于固定设置在所述PCB线圈上下两侧的一维磁钢阵列。

6.如权利要求5所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述一维磁钢阵列包括沿一维方向交替排列的S磁铁和N磁铁。

7.如权利要求6所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述一维磁钢阵还包括位于N磁铁和S磁铁之间的H磁铁，所述H磁铁的充磁方向指向所述S磁铁。

8.如权利要求3所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述平板型音圈电机设置偏离所述六自由度微动装置质心。

9.如权利要求3所述的六自由度微动装置，其特征在在于，所述上、下背板上分别设置有容纳所述平板型音圈电机对应的矩形槽。

10.如权利要求3所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述圆筒型音圈电机包括分别设置在PCB线圈上下两侧的S磁铁和N磁铁。

11.如权利要求3所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述上、下背板上分别设置有容纳所述圆筒型音圈电机的圆柱形槽。

12.如权利要求1所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述PCB线圈的制作过程为：将两面均有铜层的芯板上蚀刻各层的导线设计分布图形，然后在各层芯板之间填充树脂，最后将交替排列的树脂和芯板在加热的同时压制成形。

13.如权利要求12所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述树脂为玻璃纤维环氧树脂。

14.如权利要求1所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述水平向音圈电机和垂向音圈电机的数目分别为N个，N为大于等于3的整数。

15.如权利要求1所述的六自由度微动装置，其特征在于，所述PCB线圈包括多层线圈，且多层线圈串联。