CN107290932B - 运动台测量系统、方法以及运动台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种运动台测量系统、方法以及运动台，该运动台测量系统包括：安装在运动台粗动电机两端的加速度传感器、与所述加速度传感器连接的信号调理模块、与所述信号调理模块连接的控制模块以及与所述控制模块连接的电机驱动模块，其中，所述加速度传感器为三向正交振动的加速度传感器。本发明采用三向正交振动的加速度传感器，可以同时测量粗动电机在X、Y、Z三个方向的加速度，并输出三个方向的加速度值，实现空间上的监控，加速度值具有相位超前，提前判断的优点，可以及时保护运动台，解决掉现有技术中存在的安全隐患。且本发明中的每个粗动电机上的加速度传感器均设置有两组，可以精确获得运动台的实际速度和位移。

Description

运动台测量系统、方法以及运动台
技术领域
本发明涉及光刻机制造领域，特别涉及一种运动台测量系统、方法以及运动台。
背景技术
现有的光刻机运动台的结构如图1和图2所示，包括：用以承载硅片的微动台20和用于驱动所述微动台20的粗动台。在对现有的光刻机运动台调试时，存在以下问题：
粗动台设置有两个并列导轨10，每个导轨10上各设置有一用于驱动微动台20的粗动电机30，运动时要完全一致，这就存在多种安全情况，例如：出力不均，出力方向相反，一边出力另一边不出力，会有扭矩力，而双导轨是钢性连接，一旦不均衡会扭伤，甚至可能会撞到电机的磁钢。微动台20由激光干涉仪测水平向的工作状态，由电容传感器测垂向工作状态，而粗动台只有光栅尺测位置，不能判断其它信息，因此粗动台的垂向平稳度缺乏实时监控和提前判断，气浮面不平稳，会上下振动或者气浮突然消失，直接会划伤硅钢面，造成重大安全事故。
要解决上述问题必须增加测量系统，目前的测量获得的运动台的运动参数，都是间接从其它测量系统中提取的，准确度低且不能够及时获取运动台当时的真实运动状态，因此，上述的安全隐患仍然不能反映出来。
发明内容
本发明提供一种运动台测量系统、方法以及运动台，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种运动台测量系统，包括：安装在运动台粗动电机两端的加速度传感器、与所述加速度传感器连接的信号调理模块、与所述信号调理模块连接的控制模块以及与所述控制模块连接的电机驱动模块，其中，所述加速度传感器为三向正交振动的加速度传感器。
作为优选，所述信号调理模块包括：依次连接的硬件电路、放大器、滤波器和差分输出电路，其中，所述硬件电路的输入端连接至所述加速度传感器的输出端，所述差分输出电路的输出端连接至所述控制模块。
作为优选，所述硬件电路包括：第一、第二电阻、第一并联电容和第二并联电容，其中，所述第一电阻的一端为第一输入端，另一端与第一并联电容的一端连接；所述第二电阻的一端为第二输入端，另一端与所述第二并联电容的一端连接，所述第一、第二并联电容的另一端共端且为所述硬件电路的输出端。
作为优选，所述第一、第二并联电容均包括三组并联设置的电容器。
作为优选，所述控制模块采用可编程自动化控制器，所述可编程自动化控制器通过分布式运动控制系统连接至电机驱动模块。
作为优选，所述滤波器采用双运放滤波器。
本发明还提供一种运动台，包括：用以承载硅片或掩模板的微动台和用于驱动所述微动台的粗动台，所述粗动台包括两并列设置的粗动导轨和位于两粗动导轨上的粗动电机，所述粗动电机上设置有运动台测量系统。
本发明还提供一种运动台测量方法，包括：采用两组加速度传感器同时测量粗动电机在X、Y、Z向的加速度，信号调理模块对测得的加速度数值进行分别处理，控制模块根据处理结果控制电机驱动模块，进而调节粗动电机。
作为优选，加速度传感器对粗动电机测量之前，还包括：设定运动台的阈值，并利用仿真软件计算粗动电机水平向和垂向的加速度阈值。
作为优选，所述加速度阈值包括：加速度的实际输出值的阈值和该实际输出值的阈值在一阶和二阶的时域和频域上的积分项。
作为优选，当处理结果超出所述加速度阈值时，所述控制模块控制所述电机驱动模块，从而使粗动电机运动中止。
作为优选，所述信号调理模块对测得的水平向和垂向的加速度数值进行分别处理步骤包括：对两个加速度传感器测得的该方向上的两个数值进行加权平均，对加权平均的结果进行放大和滤波，最后将结果差分输出至控制模块。
与现有技术相比，本发明采用三向正交振动的加速度传感器，可以同时测量粗动电机在X、Y、Z三个方向的加速度，并输出三个方向的加速度值，实现空间上的监控，加速度值具有相位超前，提前判断的优点，可以及时保护运动台，解决掉现有技术中存在的安全隐患。并且，本发明中的每个粗动电机上的加速度传感器均设置有两组，可以精确获得运动台的实际速度和位移。
附图说明
图1为现有技术中光刻机运动台的结构示意图；
图2为现有技术中粗动台与微动台的位置关系图；
图3为本发明一具体实施方式中加速度传感器在运动台上的安装示意图；
图4为本发明一具体实施方式中运动台测量系统的结构示意图；
图5为本发明一具体实施方式中硬件电路的结构示意图；
图6为本发明一具体实施方式中信号加权平均后的波形图；
图7为本发明一具体实施方式中双运放滤波器的电路示意图；
图8为本发明一具体实施方式中通过滤波器后信号的波形图。
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3所示，本发明提供一种运动台，包括：用以承载硅片或掩模板的微动台200和用于驱动所述微动台200的粗动台，所述粗动台包括两并列设置的粗动导轨100和位于两粗动导轨100上的粗动电机300，所述粗动电机300上设置有运动台测量系统400。通过所述运动台测量系统400可以实时监控运动台的工作状态，实现及时保护。
请重点参照图4，所述运动台测量系统400包括：安装在运动台粗动电机300两端的加速度传感器410、与所述加速度传感器410连接的信号调理模块、与所述信号调理模块连接的控制模块460以及与所述控制模块460连接的电机驱动模块470。较佳的，所述加速度传感器410为三向正交振动的加速度传感器410，该加速度传感器410可以同时测量粗动电机300在X、Y、Z三个方向上的加速度，并输出三个方向的加速度值，实现空间上的监控，加速度值具有相位超前，提前判断的优点，可以及时保护运动台。
较佳的，采用上述运动台测量系统的做法如下：
当运动台正常运动时，所述加速度传感器410输出的Y向加速度值是运动台真实的加速度值，加减速阶段都能反应运动台的运动状态，正常运动情况下，输出波形是规律且平滑的。
当运动台正常运动时，所述加速度传感器410输出的X向加速度值为0。当输出的X向加速度值为非0时，则表示在旋转方向上有出力，此时，如果两个加速度传感器410在同一个方向都有出力，即有扭矩力出现，则表示粗动电机300出力不均衡，钢性连接受力，需要及时中止伺服，调节参数；如果是数据波动的历害，则表示粗动电机300与磁钢有碰撞和摩擦，导致波动严重，及时中止伺服，提前动作，防止造成重大损失。
当运动台正常运动时，所述加速度传感器410在输出的Z向加速度值为0。当输出的Z向加速度值不为0时，那表示运动台与硅钢面有接触波形振动输出，或者气浮不稳造成向一边输出，需要立即中止伺服，检查问题，避免出现重大的事故发生。
需要说明的是，实际应用时，需针对运动台的情况设定阀值，并通过仿真计算得到水平向(包括X向和Y向)和垂向(Z向)的加速度阀值，在测得的加速度值超出加速度阀值时，立即中止。进一步的，所述的加速度阀值既保护加速度的实际输出值，也包含一阶和二阶的时域和频率上的积分项，作为监控值。
继续参照图4，所述信号调理模块包括：依次连接的硬件电路420、放大器430、滤波器440和差分输出电路450，其中，所述硬件电路420的输入端连接至所述加速度传感器410的输出端，所述差分输出电路450的输出端连接至所述控制模块460。
其中，所述信号调理模块的传递函数Hla为：
Figure BDA0000954454740000051
Uoutdif为输出信号，Uina为输入信号，G为增益，fhp为频率，βhp为数位，s为位移。
得到加速度a(m/s^2)后，对它的一阶积分是速度v(t)(单位：m/s)：
Figure BDA0000954454740000052
加速度的二阶积分是位移s(t)(单位：m)：
Figure BDA0000954454740000053
本发明在粗动电机300上安装两个加速度传感器410，通过对加速度传感器410的数值进行加权平均，可以提高数据的精度和准确度。如图5和图6所示，所述硬件电路420包括：第一、第二电阻Ra、Rb、第一并联电容CA和第二并联电容CB，其中，所述第一电阻Ra的一端为第一输入端，另一端与第一并联电容CA的一端连接；所述第二电阻Rb的一端为第二输入端，另一端与所述第二并联电容CB的一端连接，所述第一、第二并联电容CA、CB的另一端共端且作为所述硬件电路420的输出端。更进一步的，所述第一、第二并联电容CA、CB均包括三组并联设置的电容器。
较佳的，通过使用示波器500对所述硬件电路420的第一、第二输入端(深色线条连接)以及输出端(浅色线条连接)，如图6所示，可以从示波器500清晰看出对两个加速度值(深色波形)进行加权平均后的结果(浅色波形)。本发明直接采用硬件电路420，实现对两个加速度传感器410在X、Y、Z向的加速度值的加权平均，这样可以测得运动台在整个行程中的波动，而不仅仅是其中一个点，可以获取一个轴线上的运动方向。
两个加速度传感器410信号由硬件电路420加权平均后，得到的是两个点的加速度平均值，此值为同一轨迹上的两点，提高了数据的可靠性和抗干扰能力，更容易得到轴向上的扭矩力。加权平均后的数值由放大器430放大，具体放大倍数按实际运动的加速度大小和加速度传感器410输出值的比率关系得到。
如图7和图8所示，放大器430放大后的信号为全频谱上的信号，而实际运动的频率是固定在一个范围内的，高频和一些干扰波形应当滤除，因此，放大后的信号经过滤波器440滤除干扰信号，可以有效避免电路的波形振荡。
如图7和图8所示，本发明的滤波器440为双运放滤波器，该双运放滤波器包括：由第一电阻R1和第二电容C2组成的滤波电路、第一放大器U1A、第二放大器U1B以及第二、第三、第四、第五电阻R2～R5、第一电容C1。其中，滤波电路的输出端连接至第一放大器U1A的正极输入端、通过第四电阻R4连接至第二放大器U1B的输出端，通过串联的第四电阻R4和第一电容C1连接至第一、第二放大器U1A和U1B的负极输入端；示波器500通过第二电阻R2连接至所述第一、第二放大器U1A和U1B的负极输入端，同时通过第五电阻R5连接至第二放大器U1B的正极输入端；所述第二放大器U1B的正极输入端还通过第三电阻R3接地。通过采用双运放滤波器，对信号调理的准确和精度有了保证，能最大程度上发挥本发明的监控效果。
滤波后的信号最后通过差分输出电路450将信号差分输出至控制模块460，所述控制模块460对信号进行处理后，将指令发送到电机驱动模块470(MCD)上，用于控制处理粗动电机300。
进一步的，所述控制模块460采用可编程自动化控制器(PAC)，所述可编程自动化控制器通过分布式运动控制系统(HSSL)连接至电机驱动模块470。
本发明可以实时监控运动台的工作状态，与其它的系统可以完全独立工作，不依赖其它系统，实施可靠的监控，提高运动台的安全性和运动的可靠性。本发明可以填补运动台的平衡监控和粗动垂向波动监控的盲点，提高电气和运动台的安全可靠性，避免造成财产损失。
请继续参照图2至图8，本发明还提供一种运动台测量方法，包括：
设定粗动电机300的阈值，并利用仿真软件计算粗动电机300在X、Y、Z向的加速度阈值。所述加速度阈值包括：加速度的实际输出值的阈值和该实际输出值的阈值在一阶和二阶的时域和频域上的积分项。
粗动电机300上的两组加速度传感器410同时测量粗动电机300在X、Y、Z三个方向上的加速度值。
对两个加速度传感器410测得的X、Y、Z三个方向上的两个数值进行加权平均，对加权平均后的数值进行放大和滤波，并使信号差分输出至控制模块460。
控制模块460根据对数据结果进行处理并控制电机驱动模块470，进而调节粗动电机300，实现闭环控制。
本发明还可以消除误差：
1.消除零点漂移：本发明通过滤波器可以在加速度传感器410输出的值在静止状态非零时，可以消除零点漂移；
2.消除积分误差：滤波器消除零点漂移，可以消除加速度到速度与位移的积分转换过程中存在的积分误差；
3.消除高频噪声：高频噪声会对瞬时位移值的测量精度造成影响，滤波器可以消除高频噪声。
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 (12)

1.一种光刻机运动台测量系统，其特征在于，包括：安装在运动台粗动电机两端的加速度传感器、与所述加速度传感器连接的信号调理模块、与所述信号调理模块连接的控制模块以及与所述控制模块连接的电机驱动模块，其中，所述加速度传感器为三向正交振动的加速度传感器，以同时测量所述粗动电机在X、Y、Z三个方向上的加速度，并输出三个方向的加速度值，根据所述三个方向的加速度值判断所述粗动电机对所述运动台在三个方向是否有施加力；其中，所述运动台包括用以承载硅片或掩模板的微动台和用于驱动所述微动台的粗动台，所述粗动台包括两并列设置的粗动导轨和位于两粗动导轨上的粗动电机。
2.如权利要求1所述的光刻机运动台测量系统，其特征在于，所述信号调理模块包括：依次连接的硬件电路、放大器、滤波器和差分输出电路，其中，所述硬件电路的输入端连接至所述加速度传感器的输出端，所述差分输出电路的输出端连接至所述控制模块。
3.如权利要求2所述的光刻机运动台测量系统，其特征在于，所述硬件电路包括：第一、第二电阻、第一并联电容和第二并联电容，其中，所述第一电阻的一端为第一输入端，另一端与第一并联电容的一端连接；所述第二电阻的一端为第二输入端，另一端与所述第二并联电容的一端连接，所述第一、第二并联电容的另一端共端且为所述硬件电路的输出端。
4.如权利要求3所述的光刻机运动台测量系统，其特征在于，所述第一、第二并联电容均包括三组并联设置的电容器。
5.如权利要求1所述的光刻机运动台测量系统，其特征在于，所述控制模块采用可编程自动化控制器，所述可编程自动化控制器通过分布式运动控制系统连接至电机驱动模块。
6.如权利要求2所述的光刻机运动台测量系统，其特征在于，所述滤波器采用双运放滤波器。
7.一种光刻机运动台，包括：用以承载硅片或掩模板的微动台和用于驱动所述微动台的粗动台，所述粗动台包括两并列设置的粗动导轨和位于两粗动导轨上的粗动电机，其特征在于，所述粗动电机上设置有如权利要求1~6任意一项所述的运动台测量系统。
8.一种光刻机运动台测量方法，应用于如权利要求1~6任意一项所述的运动台测量系统中，其特征在于，采用两组加速度传感器同时测量粗动电机在X、Y、Z向的加速度，信号调理模块对测得的加速度数值进行分别处理，控制模块根据处理结果控制电机驱动模块，进而调节粗动电机。
9.如权利要求8所述的光刻机运动台测量方法，其特征在于，加速度传感器对粗动电机测量之前，还包括：设定运动台的阈值，并利用仿真软件计算粗动电机水平向和垂向的加速度阈值。
10.如权利要求9所述的光刻机运动台测量方法，其特征在于，所述加速度阈值包括：加速度的实际输出值的阈值和该实际输出值的阈值在一阶和二阶的时域和频域上的积分项。
11.如权利要求10所述的光刻机运动台测量方法，其特征在于，当处理结果超出所述加速度阈值时，所述控制模块控制所述电机驱动模块，从而使粗动电机运动中止。
12.如权利要求8所述的光刻机运动台测量方法，其特征在于，所述信号调理模块对测得的水平向和垂向的加速度数值进行分别处理步骤包括：对两个加速度传感器测得的该方向上的两个数值进行加权平均，对加权平均的结果进行放大和滤波，最后将结果差分输出至控制模块。
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