CN112054649A - 一种磁悬浮运动台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及精密传动领域，具体涉及一种磁悬浮运动台,包括定子和动子,动子包括磁体阵列，磁体阵列包括多个磁体行和多个磁体列；定子包括上下层叠设置的第一线圈层、第二线圈层以及霍尔传感器阵列；霍尔传感器阵列包括多个霍尔传感器组，霍尔传感器组包括至少四个霍尔传感器，其中四个霍尔传感器排布在一个正方形的四个顶点上，正方形的边与磁体行或磁体列平行；霍尔传感器组的数量以及排布方式满足于：磁体阵列在运动过程中能够交叠覆盖至少三个不共线的霍尔传感器组，从而解算出动子在六个自由度上的位置。
Description
技术领域
本发明涉及精密传动领域，具体涉及一种磁悬浮运动台。
背景技术
随着芯片精度的不断提高，半导体行业中的芯片制造设备，例如光刻机、晶圆切割机、芯片键合设备、晶圆热处理设备等，和芯片检测设备，例如晶圆膜厚检测设备，晶圆缺陷检测设备等，对运动部件的要求也越来越高，所以高精度的超精密定位系统在半导体领域起着越来越重要的作用。磁悬浮技术以其优越的性能逐渐被应用在半导体行业中，与传统的运动台相比，磁悬浮运动台具有以下优势：无机械接触和摩擦、满足超洁净制造环境的要求、维护费用低、使用寿命长、适用于真空环境等。基于磁浮平面电机的运动平台在半导体装备中的应用十分广泛，是光刻机中最重要的运动部件之一。它不仅能够实现六自由度的无接触运动，而且能够进行二维的大行程运动，具有良好的定位精度和运动精度。
磁浮平面电机主要分为两种：一种以磁体为定子，以线圈为动子，即动线圈式；另一种以线圈为定子，以磁体为动子，即动铁式。在半导体行业的一些应用场景中，为了避免线缆的扰动和摩擦，通常要求动子上不得带有线缆。动铁式的磁浮平面电机可以实现动子上完全的无线缆，而且不用额外装备电池，因而结构更加简单，从而具有更大的优势，但这种大行程、动子无线缆、无接触、多自由度的工况给测量系统提出了更高的要求。一般的传感器无法应用于这样的场景中，而光学测量系统，如激光干涉仪，则会大幅增加运动台的成本。
动铁式的磁浮平面电机还可用于高洁净度环境和真空环境，例如制药产线、医疗设备。
发明内容
本发明提供一种磁悬浮运动台，以解决现有的磁悬浮运动台的测量系统成本高的问题。
本发明的磁悬浮运动台采用如下技术方案：一种磁悬浮运动台，其中：包括上下相对设置的定子和动子；
所述动子包括磁体阵列102，所述磁体阵列102包括多个磁体行和多个磁体列；
所述定子包括第一线圈层104、第二线圈层105以及霍尔传感器阵列103，第一线圈层104、第二线圈层105以及霍尔传感器阵列103上下层叠设置；
所述霍尔传感器阵列103包括多个霍尔传感器组302，所述霍尔传感器组302包括至少四个霍尔传感器301，其中四个所述霍尔传感器301排布在一个正方形的四个顶点上，所述正方形其中的两条边与所述磁体行或所述磁体列平行；
所述霍尔传感器组302的数量以及排布方式满足于：
所述磁体阵列102在运动过程中能够交叠覆盖至少三个不共线的霍尔传感器组302，从而解算出动子在六个自由度上的位置。
在本发明的磁悬浮运动台中，优选为，所述霍尔传感器阵列103中的多个霍尔传感器组302按照矩形阵列排布，矩形阵列的行列分别与第一方向（X）和第二方向（Y）轴对应平行，所述磁体阵列102至少能够覆盖九个传感器组。
在本发明的磁悬浮运动台中，优选为，所述霍尔传感器阵列103中的多个霍尔传感器组302按照三角形的结构阵列排布，所述磁体阵列102至少能够覆盖六个传感器组。
在本发明的磁悬浮运动台中，优选为，所述霍尔传感器阵列103中的多个霍尔传感器组302按照等边三角形的结构阵列排布。
在本发明的磁悬浮运动台中，优选为，所述霍尔传感器阵列103中的多个霍尔传感器组302按照等腰直角三角形的结构阵列排布。
在本发明的磁悬浮运动台中，优选为，在多个所述磁体行和多个所述磁体列中，为N磁体和S磁体交错或者交替周期排布。
在本发明的磁悬浮运动台中，优选为，所述磁体阵列还包括水平方向上磁化的H磁体，采用Halbach阵列排布。
在本发明的磁悬浮运动台中，优选为，定义在第一方向（X）上相邻两个同极磁体的中心间距为λx，在第二方向（Y）上相邻两个同极磁体的中心间距记为λy；
所述第一线圈层104包括多个第一线圈401，多个所述第一线圈401按照长度方向与第一方向（X）以平行的方式成行成列排布，单个所述第一线圈其长度为a、宽度为b，且：
第二线圈层105包括多个第二线圈501，多个所述第二线圈501按照长度方向与第二方向（Y）平行的方式成行成列排布，单个所述第一线圈其长度为c、宽度为d，且；
在本发明的磁悬浮运动台中，优选为，多个所述磁体行和多个所述磁体列互相之间的距离相同，定义在所述磁体列或者所述磁体行方向上相邻两个磁体之间的中心距离为τ，所述霍尔传感器组的正方形的边长为τ/2。
在本发明的磁悬浮运动台中，优选为，所述第一线圈401和/或第二线圈501的截面为矩形或者椭圆形。
本发明的有益效果是：本发明的磁悬浮运动台通过霍尔传感器组实现对平面电机动子六自由度位置的测量，实现无缆操作，增加了平面电机的行程，同时霍尔传感器成本低，有效地解决了采用光学测量系统造成的成本高的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的光刻机的实施例1中的磁悬浮运动台的结构示意图；
图2为图1中的磁体阵列的结构示意图；
图3为图1中的霍尔传感器阵列的结构示意图；
图4为第一线圈层的结构示意图；
图5为第二线圈层的结构示意图；
图6为本发明的光刻机的实施例2中的磁体阵列的结构示意图；
图7为本发明的光刻机的实施例3中的霍尔传感器阵列的结构示意图；
图8为本发明的光刻机的实施例4中的霍尔传感器阵列的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
本发明的一种磁悬浮运动台的实施例1，如图1至图5所示，在实施例1中，磁浮运动台主要分为定子和动子两个部分，图1是运动台结构示意图。动子包括动子框架101和磁体阵列102；定子包括定子框架106，线圈层104和线圈层105，霍尔传感器阵列103。值得注意的是，图1仅仅是对于磁浮运动台结构的简单示意，并非限制。例如104和105并不限制线圈的层数只能是两层，线圈层数多于两层的情况也在本专利的权利范围内；再例如，传感器阵列103的位置也并非一定要在动子和定子之间，它位于相邻两层线圈之间、最底层线圈和定子框架之间的情况也属于本实施例。
图2是磁体阵列102的示意图，将磁体阵列的长和宽分别定义为的l和h；磁体阵列由多个磁体行和磁体列组成，较优地，多个磁体行和多个磁体列互相之间的距离相同，每一个磁体行与x轴之间的夹角α优选为45°，但不限制为45°，每一个磁体列优选为与磁体行垂直，但并不限制为与磁体行垂直；在磁体行和磁体列中，N磁体和S磁体按交错的方式进行周期排布。其中N代表磁化方向沿z轴正向的磁体，S则与之相反，即磁化方向沿z轴负向。每行（列）中，相邻两个磁体之间的中心间距记为τ；在x方向上，相邻两个同极磁体的中心间距记为λx；在y方向上，相邻两个同极磁体的间距记为λy；这样的磁体阵列可在空间形成一个周期排布的磁场。要在此说明的是，图2只是示意性的画出了一种磁体阵列，并非限制磁体的数量、形状和阵列方式，例如六边形的磁体形状，棋盘式的排布方式，或每行磁体相同（都为S或都为N），行与行之间N、S交错的磁体阵列等也都在本专利的权利范围内。
图3是霍尔传感器阵列103的示意图，霍尔传感器阵列由多个霍尔传感器组302成行成列排布构成。霍尔传感器组由四个霍尔传感器301构成，四个传感器成正方形排布，传感器位于正方形的四个顶点，正方形的边长为τ/2，其与x轴的夹角β等于磁体行与x轴之间的夹角α，即正方形的其中两条边与磁体行互相平行，特别地，夹角β优选为45°；霍尔传感器优选为用以测量z轴方向的磁场，但并不对其所要测量的磁场方向进行限制。
每个霍尔传感器组可测出动子上对应位置在x、y、z三个方向的位移，最少三个几何中心不在同一直线上的霍尔传感器组即可解算出动子在六个自由度上的位置。如图3所示，本实施例中的多个霍尔传感器组按与x轴和y轴分别平行的行列排布，使得磁体阵列至少可以覆盖住的九个传感器组(3x3)，即u≤l，v≤h，其中，u为在x方向上排布的连续相邻三个传感器组的总宽度，v为在y方向上排布的连续相邻三个传感器组的总宽度，l为磁体阵列的在x方向上的最外两侧磁体中心间距离，h为磁体阵列在y方向上的最外两侧磁体中心间距离，从而保证了磁体阵列在运动的过程中总能覆盖完整的四组传感器，同时这四组传感器组中存在最少三个几何中心不在同一直线上的霍尔传感器组。同样要进行说明的是，多组传感器在进行排列时并非只限制在这一种排布方式，例如行列与x轴y轴分别成一定的夹角、采用其他的间距或磁体阵列覆盖多于四个霍尔传感器组等的排布方式也都在本专利的权利要求范围内。
图4和图5是线圈层104和线圈层105的排布示意图，图4中的线圈按照长度方向与x轴平行的方式成行成列排布，这样的排布方式使得磁体阵列与通电线圈作用，产生沿y和z方向上的位移；图5中的线圈按照长度方向与y轴平行的方式进行行列排布，使得磁体阵列与通电线圈作用，产生沿x和z方向上的位移。线圈401的长度a和宽度b优选为如下尺寸，即与图2中的磁体在x轴和y轴方向的间距λx、λy有这样的关系：
线圈501的长度c和宽度d优选为如下尺寸，即与102中磁体在x轴和y轴方向的间距 、有这样的关系：
线圈阵列在通电之后会与磁体阵列102相互作用，因为产生动子的6个自由度位移，即在x，y，z三个方向上的平动位移和在这三个方向上的转动位移。线圈的通电方式可以选用两相、三相或者多相，每组线圈通电后将会对磁体阵列产生相应的驱动力，至少需要用到每层中的四组线圈才能完全控制动子的六个自由度。在本实施例中，以三相线圈为例，即令104中每一列中相邻的三个线圈为一组，线圈层105中每一行中相邻的三个线圈为一组。并且，使得磁体阵列至少可以覆盖住每一层的九组线圈(3x3)，即e≤l，f≤h，r≤l，s≤h，其中e为在线圈层104的x方向上排布的连续相邻的三个线圈的总宽度，f为在线圈层104的y方向上排布的连续九个线圈的总宽度，r为在线圈层105的x方向上排布的连续相邻的九个线圈的总宽度，s为在线圈层105的y方向上排布的连续相邻的三个线圈的总宽度。这样保证磁体阵列在运动过程中都能覆盖每层中四组完整的线圈，从而实现对动子的六自由度控制。同样需要进行说明的是，线圈的排布方式和形状并非只限制在本实施例中的这一种，例如线圈形状可以是椭圆形、排布方式可以是与坐标轴成一定的夹角或者采用更多层的线圈等都属于本实施例。而且，这里也不对两层之间线圈的相对位置进行限制，上下两层中相应组的线圈并非一定要在空间上一一对应。除此之外，图4和图5中的线圈阵列仅为示意，并不限制定子的尺寸和线圈数量，通过扩展线圈阵列和传感器阵列从而获得任意大行程的情况也属于本实施例。
综上，本实施例满足了前面所述的技术要求，即动子上无线缆、运动台的任意大行程、运用了低成本的测量系统（霍尔传感器阵列）实现了动子的六自由度位移测量。
本发明的一种磁悬浮运动台的实施例2，如图6所示，在本实施例的磁体阵列中还包括水平方向磁化的H磁体，采用Halbach阵列排布，箭头方向表示磁体的磁化方向，这种方式可以使得磁体阵列在靠近线圈阵列一侧的磁场得到增强。
本发明的一种磁悬浮运动台的实施例3，如图7所示，该实施例给出了霍尔传感器组302的另一种阵列方式，即以等边三角形的方式进行阵列，同样，传感器组与x轴的夹角γ等于磁体行与x轴之间的夹角α，即正方形传感器组的其中两条边与磁体行互相平行。这种阵列方式要满足磁体阵列至少可以覆盖6个传感器组，即i≤l，j≤h，其中i为在x方向上的投影连续相邻的四个传感器组的宽度，j为在y方向上的投影连续相邻的三个传感器组的宽度，从而保证了磁体阵列在运动的过程中总能覆盖完整的中心不共线的三组传感器，从而实现动子的六自由度测量。
本发明的一种磁悬浮运动台的实施例4，如图8所示，该实施例给出了霍尔传感器组302的另一种阵列方式，即以等腰直角三角形的方式进行阵列，同样，传感器组与x轴的夹角δ等于磁体行与x轴之间的夹角α，即正方形传感器组的其中两条边与磁体行互相平行。这种阵列方式要满足磁体阵列至少可以覆盖6个传感器组，即p≤l，q≤h，p为在x方向上的投影连续相邻的四个传感器组的总宽度，q为在y方向上的投影连续相邻的三个传感器组的总宽度，从而保证了磁体阵列在运动的过程中总能覆盖完整的中心不共线的三组传感器，从而实现动子的六自由度测量。
霍尔传感器是根据霍尔效应制得的传感器，它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
本发明基于以上分析，提出了一种利用霍尔传感器阵列进行动子六自由度位置测量的动铁式磁浮运动平台。该方案中的测量方式具有成本低、结构新颖等特点，适用于大行程、无接触、多自由度的测量需求，可以在磁浮平面电机中得到广泛的应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种磁悬浮运动台，其特征在于：包括上下相对设置的定子和动子；
所述动子包括磁体阵列（102），所述磁体阵列（102）包括多个磁体行和多个磁体列；
所述定子包括第一线圈层（104）、第二线圈层（105）以及霍尔传感器阵列（103），第一线圈层（104）、第二线圈层（105）以及霍尔传感器阵列（103）上下层叠设置；
所述霍尔传感器阵列（103）包括多个霍尔传感器组（302），所述霍尔传感器组（302）包括至少四个霍尔传感器（301），其中四个所述霍尔传感器(301)排布在一个正方形的四个顶点上，所述正方形其中的两条边与所述磁体行或所述磁体列平行；
所述霍尔传感器组（302）的数量以及排布方式满足于：
所述磁体阵列（102）在运动过程中能够交叠覆盖至少三个不共线的霍尔传感器组（302），从而解算出动子在六个自由度上的位置。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮运动台，其特征在于：所述霍尔传感器阵列（103）中的多个霍尔传感器组（302）按照矩形阵列排布，矩形阵列的行列分别与第一方向（X）和第二方向（Y）轴对应平行，所述磁体阵列（102）至少能够覆盖九个传感器组。
3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮运动台，其特征在于：所述霍尔传感器阵列（103）中的多个霍尔传感器组（302）按照三角形的结构阵列排布，所述磁体阵列（102）至少能够覆盖六个传感器组。
4.根据权利要求3所述的一种磁悬浮运动台，其特征在于：所述霍尔传感器阵列（103）中的多个霍尔传感器组（302）按照等边三角形的结构阵列排布。
5.根据权利要求3所述的一种磁悬浮运动台，其特征在于：所述霍尔传感器阵列（103）中的多个霍尔传感器组（302）按照等腰直角三角形的结构阵列排布。
6.根据权利要求1所述的一种磁悬浮运动台，其特征在于：在多个所述磁体行和多个所述磁体列中，为N磁体和S磁体交错或者交替周期排布。
7.根据权利要求6所述的一种磁悬浮运动台，其特征在于：所述磁体阵列还包括水平方向上磁化的H磁体，采用Halbach阵列排布。
8.根据权利要求6或7所述的一种磁悬浮运动台，其特征在于：定义在第一方向（X）上相邻两个同极磁体的中心间距为λx，在第二方向（Y）上相邻两个同极磁体的中心间距记λy；
所述第一线圈层（104）包括多个第一线圈（401），多个所述第一线圈（401）按照长度方向与第一方向（X）以平行的方式成行成列排布，单个所述第一线圈其长度为a、宽度为b，且：
第二线圈层（105）包括多个第二线圈（501），多个所述第二线圈（501）按照长度方向与第二方向（Y）平行的方式成行成列排布，单个所述第一线圈其长度为c、宽度为d，且；
9.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种磁悬浮运动台，其特征在于：多个所述磁体行和多个所述磁体列互相之间的距离相同，定义在所述磁体列或者所述磁体行方向上相邻两个磁体之间的中心距离为τ，所述霍尔传感器组的正方形的边长为τ/2。
10.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种磁悬浮运动台，其特征在于：所述第一线圈（401）和/或第二线圈（501）的截面为矩形或者椭圆形。
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