DE60026975T2

DE60026975T2 - Methode und vorrichtung zur schwingungskontrolle

Info

Publication number: DE60026975T2
Application number: DE60026975T
Authority: DE
Inventors: Ronald Arlington Spangler; Emanuele Winchester Bianchini; Baruch Newton Pletner; Betsy Brookline Marsh; Robert Andover Jacques
Original assignee: Cymer Inc
Current assignee: Cymer Inc
Priority date: 1999-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2020-01-29
Also published as: KR100648158B1; JP2002535582A; BR0007768B1; US20050200243A1; EP1151211B1; BR0007768A; EP1151211A1; ATE321959T1; EP1151211B8; US6959484B1; WO2000045067A1; KR20010108155A; MXPA01007663A; DE60026975D1; CA2359225C; CA2359225A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im konkurrenzbetonten Markt, der für automatisierte Anlagen für oberflächenmontierbare Elektronikbauteile (SMT), die Systeme zur Herstellung von elektronischer Ausrüstung oder Komponenten einschließen, besteht, sind Verbesserungen in Genauigkeit und Geschwindigkeit ein signifikanter Vorteil. Eine derartige Anlage wird beispielsweise häufig zur Herstellung von Halbleiterchips, Leiterplatten, Flüssigkristallanzeigen und Dünnschichtbauelementen eingesetzt und kann vielfach mit mehreren Gerüst/Kopf-Gruppen, linearen Motoren, Bild gebenden Systemen, Ätzsystemen und/oder einer Vielzahl anderer Technologien ausgestattet sein. Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Verminderung von Schwingungen, die diesen Anlagen während dem Betreiben inhärent sind, um die Geschwindigkeit und die Genauigkeit dieser Anlagen zu verbessern.
Moderne Photolithographiewerkzeuge benötigen eine extrem hohe Bestrahlungsgenauigkeit. Diese kann nur erzielt werden, wenn das Niveau der elastischen Verlagerung bei kritischen Punkten innerhalb des Werkzeugs einige Nanometer nicht übersteigt. Da die Lithographiewerkzeuge zahlreiche bewegliche Teile, wie die Maske und die Waferplattform aufweisen, sind diese dauerhaften Störkräften unterworfen, die auf ihre Struktur wirken. Des Weiteren ist die Werkzeugstruktur Störungen aus der Umgebung unterworfen, wie beispielsweise Bodenschwingungen und Luftverwirbelungen. Während das Niveau dieser Störungen reduziert werden kann, können diese in ihrer Gesamtheit nicht eliminiert werden.
Es gibt eine Zahl von bestehenden Techniken, die zur Begrenzung der elastischen Schwingungen der Lithographiewerkzeuge eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Steifigkeit der Struktur, die die Schlüsselelemente, wie die Linsenanordnung stützt, verbessert, können abgestimmte Massendämpfer eingesetzt, die zu den beweglichen Teilen geleiteten Signale geformt oder können die Boden schwingungen durch Verwendung von aktiv gesteuerten Luftedern isoliert werden. Während hierdurch elastische Schwingungen reduziert werden, genügen diese Verfahren häufig nicht den strengen Anforderungen der fortschrittlicheren Photolithographiewerkzeuge.
Gegenwärtige Anstrengungen zur Schwingungskontrolle in der SMT Bestückungsausrüstung umfassen reibungsgedämpfte Plazierbauteile am Ende des Gerüsts. Dieser „Reibungsblock" dient hauptsächlich der Stabilisierung des Gerüsts und des Steuersystems für den Bewegungsablauf des Kopfes, wobei jedoch auch gezeigt wurde, dass dieses die Ausregelzeit während bestimmter Bestückungsabläufe vermindern kann. Jedoch hängt die Wirksamkeit dieser Reibungsblöcke von der genauen Abstimmung der Normalkraft (oder Vorspannung) ab. Die Reibungsblöcke neigen zur schnellen Abnutzung, die deren Wirksamkeit stark beeinträchtigt und den Rest der Maschine mit Partikeln kontaminiert. Des Weiteren arbeitet der Reibungsblock gegen Bewegungen starrer Körper, wobei dies zu einem langsameren Betrieb der Anlage führt. Das Schwingungssteuersystem der vorliegenden Erfindung, welches eine Aktuatoranordnung umfasst, kann den gesamten Reibungsblock ersetzen, wobei die Ausregelzeit verbessert wird, oder alternativ gemeinsam mit dem Reibungsblock betrieben werden, wobei die Genauigkeit oder die Geschwindigkeit verbessert wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden gepackte elektroaktive Elemente, wie hierin beschrieben, eingesetzt.
Dementsprechend sind Verbesserungen in der Art, in der die Schwingung in Systemen zur Herstellung von elektronischen Komponenten kontrolliert wird, sowie in der Art, mit der der Aktuator an der Anlage angebracht ist, erstrebenswert.
Ein Schwingungssteuersystem ist bereitgestellt, das eine Aktuatoranordnung und einen Sensor zum Erfassen eines Bewegungs- oder Leistungsparameters umfasst. Das Schwingungssteuersystem, welches zur Schwingungskontrolle in Systemen zur Herstellung von elektronischen Komponenten eingesetzt wird, umfasst ein oder mehrere Gerüstanordnungen, Kopfanordnungen und/oder bewegliche Plattformen oder Komponenten.
Patent Abstracts of Japan, Bd. 1997, Nr. 4, 30. April 1977, der Schrift JP-A-11-8181 offenbart ein Herstellungssystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Herstellungssystem, das durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 charakterisiert ist und ein Verfahren zur Schwingungskontrolle eines Gerüsts, wie in Anspruch 18 beansprucht. Optionale Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
Vorgesehen sind Systeme zur Herstellung von elektronischen Komponenten, wobei die Systeme ein Linsensystem, eine Waferplattform und eine Stützstruktur für das Linsensystem und die Waferplattform umfassen, worin das Linsensystem ein Abbild auf der Waferplattform bildet, wie dies in der fortschrittlichen Photolithographie verwendet wird.
In einer Ausführungsform umfasst ein aktives Schwingungssteuersystem zur Verwendung in einem Photolithographieherstellungssystem die folgenden Komponenten: Ein Sensor, der das Verlagerungsniveau an Schlüsselpunkten misst, oder Informationen bereitstellt, aus denen diese Informationen geschätzt werden können; ein Digital- oder Analogprozessor, der ein Kontrollsignal basierend auf der Sensoreingabe berechnet, und ein Aktuator, der eine elastische Verlagerung in der Struktur induzieren kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein für ein aktives Schwingungssteuersystem, das in Verbindung mit Photolithographiewerkzeugen eingesetzt werden kann, zweckmäßiger Aktuator nicht-reaktiv und benötigt keine Rückabstützung (Aktuatoren, die eine Rückabstützung benötigen, können elastische Schwingungen in der Stützstruktur anregen, welche auf das Werkzeug zurück übertragen werden können) und hat ein niedriges Verzerrungsprofil (eine Aktuatoranordnung, die entworfen wurde, um die strukturellen Schwingungen bei einer vorgegebenen Frequenz oder einem vorgegebene Frequenzbereich zu kontrollieren, darf nicht bei einer Schwingung außerhalb dieses Frequenzbereichs angeregt werden).
Gemäß der Erfindung wirkt ein induzierter Spannungsaktuator direkt auf den Spannungszustand der Struktur und weist virtuell keine Verzerrung auf. Ein derartiger Aktuator kann nur durch die elastischen Schwingungsmodi der gesteuerten Struktur angeregt werden, wobei nur diese gesteuert werden, wohingegen andere Schwingungsmodi (beispielsweise die Modi der verschiedenen Gehäusestrukturen der Anlage, usw.) ungesteuert bleiben. Dies trägt zur Einfachheit und Robustheit des Kontrollsystems bei.
Das Schwingungssteuersystem weist weiterhin eine in elektrischer Verbindung mit der Aktuatoranordnung und dem Sensor stehende Schaltung auf. Der Sensor leitet Informationen über Bewegungen an die Schaltung, welche als Antwort darauf dem Aktuator signalisiert, die Schwingungen zu steuern. Die Schwingungen des Systems, für die die vorliegende Erfindung geeignet ist, können auf externe Störungen oder auf inhärente Störungen, die durch das System selbst erzeugt wurden, zurückzuführen sein.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Schwingungssteuersystem des Weiteren eine elektrische Verbindung zum Herstellungssystem. Die elektrische Verbindung kann für das Herstellungssystem die Möglichkeit bereitstellen Informationen, wie ein Einschalt- oder Abschaltsignal, ein Systemstatussignal oder ein Störungs-/Fehlersignal, an das Schwingungssteuersystems zu senden oder von diesem zu empfangen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung weiterhin ein Steuersystem, welches zumindest einen Controller umfasst. Ein derartiger Controller kann ein Auto-Tuning, eine Verstärkungssteuerung, eine externe Verstärkungsregelung ermöglichen oder es kann eine lineare Vorwärtsschubsteuerung sein oder es dient als weitere Möglichkeit zur Rückwärtsschubsteuerung.
In einer Ausführungsform der Erfindung, in der das Schwingungssteuersystem eine Auto-Tuning-Steuerung aufweist, koppelt das Steuersystem vor dem Betrieb ein oder mehrere Versuchssignale in das System ein und misst die Antwort. Die gemessene Antwort wird zur Verfeinerung eines internen Models der Anlage eingesetzt, wobei die Steuerverstärkungen entsprechend verändert werden. Die Steuerverstärkungen werden beim Schließen der Schleife konstant gehalten.
In einer Ausführung der Erfindung, in der das Schwingungssteuersystem eine Verstärkungssteuerung aufweist, sind die Controller für mehrere unterschiedliche Betriebspunkte konzipiert. Im Falle einer Bestückungsmaschine können diese Punkte an verschiedenen Punkten des Bestückungskopfes angeordnet sein. Die Controller sind im Speicher des digitalen Steuersystems gespeichert. Während des Betriebs senden Sensoren Informationen zum Controller, die die Konfiguration der Maschine in Echtzeit beschreiben. Während das System durch jeden Betriebspunkt fährt, schaltet das Steuersystem auf die optimalen Steuerverstärkungen für diesen Punkt. Eine Variante dieser Vorgehensweise besteht darin, dass die Steuerverstärkungen, die zu jedem Zeitpunkt verwendet werden, eine lineare Interpolation der Verstärkungen von einigen Controllern darstellen, die im Speicher für mehrere benachbarte Betriebspunkte gespeichert sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung, in der das Schwingungssteuersystem eine externe Verstärkungsregelung aufweist, umfasst das Steuersystem einen Eingang, welcher mit dem Computersystem verbunden ist, welches die Gesamtleistung der Maschine überwacht. Der zu jedem Zeitpunkt implementierte Controller hat eine Verstärkung, die proportional zu diesem Signal ist. Das Überwachungssystem verändert diese Verstärkung bis eine optimale Leistung erreicht ist. Falls die Leistung anfängt sich außerhalb der Spezifikation aufgrund langsamer Zeitvariationen zu bewegen, kann das Überwachungssystem die Verstärkungsoptimierungssequenz wiederholen.
In einer Ausführungsform der Erfindung, in der das Schwingungssteuersystem zusätzlich zur Rückwärtsschubsteuerung (Controller, die durch Signale angesteuert werden, die von Sensoren stammen, die strukturelle Schwingungen überwachen) eine Vorwärtsschubsteuerung aufweist, wird ein zusätzliches Signal an den Controller bereitgestellt, welches mit einer harmonischen Störung (wie zum Beispiel eine Motorrotation) in Phase ist. Die Verstärkungen, die die Stärke und Phase der Vorwärtsschubsteuerung relativ zum Störsignal abgleichen, werden adaptiv angepasst, um den Einfluss der Störung auf die Leistung zu minimieren.
In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung kann die Aktuatoranordnung einen piezokeramischen Spannungsaktuator, einen elektroaktiven Stapelaktuator oder mindestens zwei Aktuatoren aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Aktuatoranordnung in elektrischer Verbindung mit dem Sensor.
In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung kann der Sensor auch einen Laserverlagerungssensor, ein Laserinterferometer oder mindestens zwei Sensoren umfassen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Sensor mindestens zwei Sensoren umfassen, die mindestens zwei unterschiedliche Signale messen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Schwingungssteuersystem eine elektronische Verbindung oder ein Kabel, welches Informationen über den Bewegungsablauf des Gerüsts und des Kopfes bereitstellt.
Eine für die vorliegende Erfindung zweckmäßige Aktuatoranordnung kann ein oder mehrere Spannungselemente, wie zum Beispiel eine piezoelektrische oder elektrostriktive Platte, Schale, Faser oder Verbundelement; ein Gehäuse, das einen Schutzkörper für das Element bildet; und elektrische Kontakte umfassen, die im Gehäuse befestigt und mit den Spannungselementen verbunden sind, wobei diese Teile eine flexible Baugruppe bilden. Zumindest eine Seite dieser Anordnung umfasst eine dünne Schicht, die an eine Hauptfläche des Spannungselements angebracht ist, wobei eine starre, scherfreie Kopplung zwischen dem Objekt und dem Spannungselement in dem Gehäuse durch Verbinden der Außenseite der Schicht an ein Objekt erhalten wird.
In einer bevorzugten Anordnung sind die Spannungselemente piezokeramische Platten, die ziemlich dünn, vorzugsweise zwischen etwas weniger als ein achtel Millimeter und einige Millimeter dick sind, und die eine relativ große Oberfläche aufweisen, wobei entweder die Länge, die Breite oder beide eine Dimension aufweisen, die mindestens zehn- oder hundertfach größer ist als die Dickendimension. Ein metallisierter Film bildet den Elektrodenkontakt, wobei ein Haftvermittler und ein Isolationsmaterial das Bauelement gegen Delaminierung, Rissbildung und Umwelteinflüsse hermetisch verschließen. Der verwendete Haftvermittler kann ein Epoxidharz, wie zum Beispiel ein B-Stufen- oder C-Stufen-Epoxidharz, ein Thermoplast oder jedes andere Material sein, das zum Verbinden von der piezokeramischen Platte, dem metallisieren Film und dem Isolationsmaterial zweckmäßig ist. Der spezifisch eingesetzte Haftvermittler ist von der beabsichtigten Verwendung des Bauteils abhängig. In einer bevorzugten Ausführungsform sind sowohl der metallisierte Film als auch das Isolationsmaterial in einer flexiblen Schaltung aus strapazierfähigem Polymermaterial bereitgestellt, welches dementsprechend eine robuste mechanische und elektrische Kopplung an die angeschlossenen Elemente zur Verfügung stellt. Alternativ kann der metallisierte Film direkt auf der piezokeramische Platte angeordnet sein, wobei das Isolationsmaterial elektrische Kontakte aufweisen kann.
Zur Veranschaulichung beschreibt ein nachfolgendes Beispiel eine Konstruktion, die rechtwinklige PZT-Platten, die eine Dicke von einem viertel Millimeter sowie eine Länge und Breite von jeweils ein bis drei Millimeter aufweisen, so dass jedes Element eine aktive Spannung erzeugende Fläche von einem bis zehn Quadratzentimeter aufweist. Die PZT-Platten sind auf oder zwischen den Schichten eines starren, festen Polymers, zum Beispiel Polyimid einer Dicke von einem halben, einem oder zwei Mils, welches auf einer oder beiden Seiten mit Kupfer kaschiert ist, und eine geeignete leitfähige Elektrodenstruktur in der Kupferschicht zur Kontaktierung der PZT-Platten aufweist. Verschiedene Abstandshalter umgeben die Platten, wobei die gesamte Struktur mit Strukturpolymer zu einer wasserfesten, isolierten, verschlossenen Baugruppe mit einer Dicke, die etwa der der Plattendicke entspricht, beispielsweise 30 bis 50 mm, verbunden ist. Derart gekapselt kann die Baugruppe geknickt, gedehnt und verbogen werden, und kann einem harten Aufprall ausgesetzt werden, ohne dass die zerbrechlichen PZT-Elemente zerbrechen, die darin enthalten sind. Selbst bei einer Bildung von Rissen im PZT-Element werden darüber hinaus die Elektroden nicht abgetrennt, da die Leitungsstruktur fest an die Polyimidschicht gebunden ist, wodurch auch ein Fortschreiten der Rissbildung über die gesamte Fläche der Baugruppe oder ein anderer bemerkenswerter Abfall der Leistung verhindert wird.
Die dünne Baugruppe bildet eine vollständige modulare Einheit in Form einer kleinen „Karte", vervollständigt mit Elektroden. Diese Baugruppe kann dann in geeigneter Weise durch Bindung an eine Fläche an eine Struktur angebracht werden, so dass die Spannung von dem eingeschlossenen Spannungselement und der Struktur gekoppelt wird. Dies kann zum Beispiel durch einfaches Anbringen der Baugruppe mit einem Klebstoff erfolgen, wodurch eine dünne, sehr scherstabile Kopplung mit den PZT-Platten gebildet wird, wobei eine minimale Masse dem Gesamtsystem hinzugefügt wird. Die Platten können Aktuatoren, die Energie in die angefügte Struktur einkoppeln, oder Sensoren sein, die auf Spannungen antworten, die von der angefügten Struktur ausgekoppelt werden.
In verschiedenen Anordnungen werden insbesondere Elektrodenstrukturen selektiv auf der Schicht gebildet, um die PZT-Platten entweder in Ebene oder quer zur Ebene zu polen, und mehrere Schichten von PZT-Elementen können in einer einzigen Karte angeordnet oder aufgeschichtet werden, die zu Verbiege- oder Scher- und auch speziellen Torsionsbewegungen führen.
Schaltelemente können in, oder zusammen mit, dem Schwingungssteuersystem gebildet werden, um die durch die PZT-Elemente erzeugten Signale zu filtern, parallel zu schalten oder zu verarbeiten, um die mechanische Umgebung zu erfassen, oder auch um lokal Schaltungen oder Leistungsverstärkungen zum Betreiben der Aktuatorelemente bereitzustellen. Das Aktuatorbauelement kann mit vorgeformten PZT-Elementen, wie zum Beispiel Halbzylinder, zu modular oberflächenmontierbaren Gehäusen gebildet werden, die zum Anfügen an eine Röhre, einen Stab oder eine Achse geeignet sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere wünschenswerte Eigenschaften der Erfindung werden anhand der detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen näher erläutert, wobei:
1A eine systematische Darstellung eines Aktuators des Standes der Technik ist;
1B und 1C korrespondierende Darstellungen von zwei, für die vor liegende Erfindung zweckmäßigen Systemen sind;
2A und 2B und eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht eines einfachen Aktuators oder einer einfachen Sensorkarte nach der vorliegenden Erfindung zeigen;
2C einen Aktuator oder eine Sensorkarte mit Schaltelementen zeigt;
3 eine andere Karte zeigt;
4A und 4B Querschnitte durch die Karte der 3 zeigen;
5 und 5A Einzelheiten der Schichtstruktur der Karte von 3 zeigen;
6 Ein Aktuatorbauteil mit Kammelektroden für Stellbewegungen in der Ebene zeigt;
7 Ein die Karten gemäß 6 verwendendes Torsionsaktuatorbauteil zeigt;
8A und 8B Aktuatoren zeigt, die als Oberflächen montierte Aktuatoren auf einer Oberfläche bzw. einem Stab befestigt sind;
9 Aktuatoren zeigt, die als mechanische Elemente befestigt sind;
10 Ein Blockdiagramm eines elektroaktiven Schwingungssteuersystem für ein Gerüst gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 eine simulierte Frequenzantwort eines Bestückungskopfes an der Spitze eines Gerüsts mit und ohne elektroaktive Schwingungssteuerung zeigt;
12 die simulierte Zeitantwort eines Bestückungskopfes mit und ohne elektroaktive Schwingungssteuerung zeigt;
13 die Energiedichte der Dehnungsspannung zeigt;
14 die Ergebnisse eines geschlossenen Schleifenversuchs auf die Frequenzantwort einer Bestückungsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
15 die Ergebnisse eines geschlossenen Schleifenversuchs auf die Verstärkungssteuerung einer Bestückungsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
16 die spektrale Leistungsdichte eines Fehlersignals zeigt, das durch ein Lasermesssystem in einer Lithographieanlage aufgenommen wurde;
17–20 verschiedene Ausführungen der Herstellsysteme gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen; und
21 ein Herstellsystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Anmelder haben ein Schwingungssteuersystem entwickelt, das insbesondere zur Steuerung von Schwingungen in einem System zur Herstellung von elektronischen Komponenten geeignet ist. Das Schwingungssteuersystem der vorliegenden Erfindung ist sowohl zur Steuerung von extern erzeugten Schwingungen in dem System zur Herstellung von elektronischen Komponenten als auch von denen die intern oder inhärent im System entstehen, geeignet. Interne Schwingungen können durch verschiedene Motoren, wie zum Beispiel Schritt- oder Gleichstrommotoren, oder hydraulische oder pneumatische Aktuatoren, die in einem Herstellsystem verwendet werden, entstehen.
Ein in der vorliegenden Erfindung einsetzbares Schwingungssteuersystem kann elektroaktive Aktuatoren und Sensoren aufweisen, die im Herstellsystem integriert sind. Die Steuer- und Leistungselektronik können abgetrennte Einheiten sein, die benachbart zur Ausrüstung angeordnet und mit den Aktuatoren und Sensoren durch geeignete Verbindungskabel verbunden sind. Alternativ kann die Steuer- und Leistungselektronik ein vollständig in das Herstellsystem integriertes System darstellen.
Der elektroaktive Aktuator kann an oder innerhalb des Herstellsystems auf verschiedene Weisen befestigt werden. Zum Beispiel kann der Aktuator an eine Stelle mit einer Schraube 414 fixiert werden, die gegen oder durch den Aktuator ge führt wird, wie in den 17, 19 und 20 gezeigt. Alternativ kann der Aktuator durch Reibung, Spannung oder einen anderen Klemmsitz gesichert werden. In einer Ausführungsform wird der Aktuator mit einer Platte 412 verklebt, die wiederum an eine Komponente des Herstellsystems mit Schrauben 414, 414', 414'' und 414''' verschraubt ist, wie in 18 gezeigt. In einer weiteren Ausführungsform ist der Aktuator mit einer Platte verklebt, die an eine zweite Platte geschraubt ist, und die zweite Platte weiterhin an eine Komponente des Herstellsystems geschraubt ist. In einer weiteren Ausführungsform ist die Aktuatoranordnung abnehmbar an das Schwingungssteuersystem oder an eine Komponente des Schwingungssteuersystems gesichert.
21 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform umfasst das Herstellsystem eine Waferplattform 400, eine Maskenanordnung 402, Laserinterferometer 404, 404', 404'' und 404''' mit X&Y-Spiegeln und eine Stützstruktur 406. Die Stützstruktur 406 trägt eine Linsenanordnung 410. Die Interferometer 404, 404', 404'' und 404''' sind auf der Waferplattform 400, der Maskenanordnung 402 und auf der Linsenanordnung angeordnet. Auf der Stützstruktur 406 sind zwei Aktuatoren 408 und 408' befestigt, die zum Beispiel ein elektroaktives Element umfassen. Jeder der Aktuatoren 408 und 408' steht in elektrischer Verbindung mit einer Schaltung. Signale der Laserinterferometer 404, 404', 404'' und 404''' werden durch einen analogen SBC Eingabe/Ausgabekanal und Verstärker an die Aktuatoren 408 und 408' weitergeleitet, welche als Antwort Schwingungen innerhalb des Herstellsystems steuern. Durch die Steuerung der Schwingung innerhalb des Herstellsystems können die Positionierungsgenauigkeit und die absolute Größe der metallisierten Bahnen in dem Halbleiter auf der Waferplattform verbessert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Durchsatz des Herstellsystems ohne Abfall der Genauigkeit verbessert werden.
Elektroaktive Aktuatoranordnungen sind für diese Erfindung geeignet. 1A erläutert schematisch das Verfahren und die Gesamtanordnung einer oberflächenmontierten, piezoelektrischen Aktuatoranordnung 10 des Standes der Technik. Eine Struktur 20, die ein Struktur- oder ein Maschinenelement, eine Platte, ein Flügel oder eine andere interaktive Schicht, eine Vorrichtung oder ein Teil hiervon sein kann, weist eine hierauf durch Kombinationen von Strukturpolymeren und leitfähigen Polymeren 14, 16 angeklebte Schicht 12 eines aktiven Werkstoffs (Smart Material) auf. Ein Isolator 18, der vollständig oder teilweise aus dem Strukturpolymer gebildet sein kann, umschließt und schützt den aktiven Werkstoff, während leitfähige Anschlüsse oder Oberflächenelektroden durch das leitfähige Polymer gebildet oder befestigt werden. Ein externes Steuersystem 30 stellt Steuersignale über die Leitungen 32a, 32b, an den aktiven Werkstoff bereit und kann Messsignale von der oberflächenmontierten Messtechnik, wie zum Beispiel einem Spannungsmesser 35, empfangen, von denen geeignete Steuersignale abgeleitet werden. Verschiedene Steuerungsformen sind möglich. Der Spannungsmesser kann so eingestellt sein, dass die Anregungen einer natürlichen Resonanz erfasst werden, und das Steuersystem 30 kann einfach das PZT-Element als Antwort auf eine Sensorausgabe ansteuern, um die Struktur zu versteifen, wodurch die Resonanzfrequenz verschoben wird. Alternativ kann eine Schwingung, die von einem Sensor erfasst wurde, als berechnetes Phasen verzögertes Steuersignal zurückgeführt werden, um ein sich entwickelnden dynamischen Zustand auszulöschen, oder der Aktuator kann zur Bewegungssteuerung angesteuert werden. In einem besser verstandenen mechanischen System kann der Controller so programmiert werden, dass erfahrungsgemäße Bedingungen, beispielsweise aerodynamische Zustände oder Ereignisse, erkannt und besondere Steuerregeln ausgewählt werden, die die Verstärkung und Phase des Steuersignals für jeden Aktuator spezifizieren, um eine gewünschte Änderung zu erzielen.
Für all diese Anwendungen ist viel Aufwand notwendig, um die rohen PZT-Platten an die jeweilige Steuerplatte und das Werkstück anzuschließen, und viele Einbauschritte sind Fehler behaftet, oder, falls eine quantitative Steuerung gewünscht wird, können eine umfassende Modellierung der Baugruppe nach dem Zusammenbau erfordern, um Steuerparameter für eine zweckmäßige Betriebsweise festzulegen, die für die spezifische Dicke und mechanische Steifheit, die im Herstellverfahren erzielt wurden, geeignet sind. Ein Vorteil, der durch das Verpacken eines elektroaktiven Elements bei einer Bindung an die Platte erzielt werden kann, besteht darin, dass eine elektrische Isolation oder eine kapazitive Entkopplung von der Platte, Struktur oder jedem Teil des Herstellsystems erzielt werden kann.
1B zeigt eine Aktuatoranordnung, die in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zweckmäßig ist. Wie gezeigt, ist dies eine modulare Baugruppe oder Karte 40, die einfach an eine Struktur 20 mit einem schnell härtenden Klebstoff, wie beispielsweise ein fünf Minuten Epoxidharz 13, angefügt ist, oder in einer anderen Konfiguration an einem Punkt oder einer Naht angefügt ist. Der Sensor- oder Steuerbetrieb profitiert daher von einer einfacher installierbaren und einheitlicher modellierbaren Aktuatorstruktur. Insbesondere weist die modulare Baugruppe 40 eine Kartenform auf, eine starre, jedoch biegsame Platte, mit einem oder mehreren elektrischen Anschlussstücken, vorzugsweise in Form von Kontaktstellen, die an der Kante (nicht gezeigt) lokalisiert sind, um einen Sockel mit mehreren Stiften anzustecken, so dass sie mit einem vereinfachten Steuersystem 50 verbunden werden kann. Die modulare Baugruppe 40 kann auch ebene oder gering profilierte Schaltelemente enthalten, die Signalverarbeitungselemente umfassen können, wie beispielsweise Bewertungs- oder Nebenschlusswiderstände, Impedanzanpassungselemente, Filter und Signalanpassungsvorverstärker, und weiterhin Schalttransistoren und andere Elemente umfassen können, die unter unmittelbarer Digitalsteuerung betrieben werden, so dass die einzig extern notwendigen, elektrischen Verbindungen, die zu einem Mikroprozessor oder Logikcontroller sowie einer Spannungsquelle sind, wie dies detaillierter nachfolgend mit Bezug auf 2C ausgeführt wird.
In einer weiteren Ausführungsform, die insbesondere in einigen Steuerungssituationen bei geringer Energie anwendbar ist, kann eine modulare Baugruppe 60, wie in 1C gezeigt, seine eigene Stromquelle, wie zum Beispiel eine Batterie oder eine Kraftzelle, enthalten und einen Controller, wie zum Beispiel einen Mikroprozessorchip oder ein programmierbares Logikfeld, um bauteileigene Treiber und Parallelwiderstände zu betreiben, wodurch eine vollständige Gruppe von Erfassungs- und Steuervorgänge ohne jede externe Schaltverbindung bewirkt wird.
Die Aktuatoranordnung betrifft insbesondere piezoelektrische Polymere und Materialien, wie zum Beispiel gesinterte Metallzirkonate, Niobatkristalle oder ähnliche piezokeramische Materialien, die starr und daher häufig ziemlich spröde sein können. Sie betrifft auch elektrostriktive Materialien. Wie in den Ansprüchen spä ter verwendet, werden sowohl piezoelektrische als auch elektrostriktive Elemente, in denen das Material der Elemente eine elektromechanische Eigenschaft hat, als elektroaktive Elemente bezeichnet. Hohe Steifigkeit ist wesentlich für eine effiziente Übertragung von Spannung über die Oberfläche des Elements an die Außenseite der Struktur oder des Werkstücks, üblich aus Metall oder einem harten Strukturpolymer hergestellt, und hinsichtlich des Aktuators berücksichtigt die vorliegende Erfindung im Allgemeinen keine weichen piezoelektrischen Polymermaterialien. Da die Begriffe „steif" und „weich" relativ sind, wird in diesem Zusammenhang unter Steifigkeit, wie diese in Bezug auf den Aktuator verwendet wird, jene verstanden, die näherungsweise der eines Metalls, eines gehärtetem Epoxidharz, Hightechverbundes oder anderen steifen Materialien mit einem Youngmodul von größer als 0,1 × 10⁶, vorzugsweise 0,2 × 10⁶, entspricht. Wenn Sensoren anstatt von Aktuatoren konstruiert werden, berücksichtigt die Erfindung auch die Verwendung von piezoelektrischen Materialien mit geringer Steifigkeit, wie zum Beispiel Polyvinylidendifluorid Filme (PVDF) und die Substitution von Bindungs- oder Klebemitteln mit niedriger Härtungstemperatur. Die grundsätzlichen Konstruktionsherausforderungen treten jedoch mit einem zuvor dargelegten, erstklassigen Piezomaterial auf, wobei diese nun beschrieben werden.
Im Allgemeinen umfasst das Herstellsystem der vorliegenden Erfindung neue Aktuatorformen und Verfahren zur Herstellung dieser Aktuatoren, wobei unter dem Begriff „Aktuator" eine vollständige und mechanisch zweckmäßige Einheit verstanden werden soll, die bei Energiezufuhr eine Kraft, eine Bewegung oder ähnliches in ein Objekt oder eine Struktur koppelt. Beispielsweise sind rohe elektroaktive, piezoelektrische Materialien oder „Elemente" allgemein in einer Vielfalt von halbverarbeiteten Massenwarenarten erhältlich, umfassend rohe piezoelektrische Materialien in Grundformen, wie zum Beispiel Folien, Ringen, Scheiben, Zylinder, und Platten, sowie in komplexen oder zusammengesetzten Arten, wie zum Beispiel Stapel, oder Hybridarten, die eine Massenware mit einem mechanischen Element, wie zum Beispiel einen Hebel umfassen. Diese Materialien oder Rohelemente können auf einer oder mehreren Oberflächen mit Metall beschichtet sein, um als elektrischen Kontakt zu fungieren, oder können metallfrei sein. In der nachfolgenden Erörterung werden die piezoelektrischen Materialien exemplarisch diskutiert, und all diese Arten von Rohmaterialien werden als „Elemente", „Mate rialien" oder „elektroaktive Elemente" bezeichnet. Wie zuvor dargelegte umfasst die Erfindung zusätzlich Strukturen oder durch diese Verfahren hergestellte Bauteile, die eher als Überträger, denn als Aktuator zur Erfassung einer Spannung, Schwingung, Position oder anderer physikalische Eigenscharten arbeiten, so dass der Begriff „Aktuator", wo nachfolgend anwendbar, auch Messfühler umfassen kann.
Ausführungsformen der Erfindung können diese starren elektrisch angesteuerten Materialien in dünnen Schichten – Scheiben, Ringe, Platten, Zylinder oder Schalen – verwenden, die eine Dicke unterhalb einiger Millimeter aufweisen, die beispielsweise etwa einfünftel bis einviertel Millimeter beträgt. Vorteilhaft ermöglicht diese dünne Abmessung das Erzielen einer hohen elektrischen Feldstärke quer zu einem Abstand, der zur Dickenabmessung der Platte vergleichbar ist, bei einem vergleichsweise geringen Gesamtpotentialunterschied, so dass die volle piezoelektrische Ansteuerung mit Ansteuerungsspannungen von zehn bis fünfzig Volt oder weniger erzielt werden kann. Eine solch geringe Dickenabmessung ermöglicht auch, dass das Element an ein Objekt angebracht werden kann, ohne dass die strukturelle oder physikalische Antwortcharakteristik des Objekts wesentlich verändert wird. Im Stand der Technik sind diese dünnen Elemente jedoch zerbrechlich und können aufgrund von ungleichmäßigen Spannungen bei der Handhabung, beim Zusammenbauen oder Härten brechen. Selbst der Aufprall aus einer Fallhöhe von wenigen Zentimetern kann eine piezokeramische Platte zerbrechen und nur sehr geringe Biegeauslenkungen werden vor einem Bruch toleriert.
Dünne, elektrisch angesteuerte Elemente können von Schichten aus starrem Isolationsmaterial umschlossen sein, von denen zumindest eine ein strapazierfähiger Film darstellt, auf welchem strukturierte Leiter auf einer oder beiden Oberflächen aufgebracht sind und der dünner als das Element selbst ist. Ein Bauteil wird aus den Piezoelementen, Isolationsschichten und verschiedenen Abstandshaltern oder Strukturfüllmaterial zusammengefügt, so dass die Elektroden, Piezoelemente und Umgebungsfilme oder -schichten eine abgedichtete Karte mit einer im Vergleich zu der des blanken Aktuatorelements nicht wesentlich größeren Dicke bilden. Wo Elemente in verschiedenen Schichten aufgebracht sind, wie nachfolgend beschrie ben, ist die Bauteildicke nicht bemerkenswert größer als die Summer der Dicke der gestapelten Aktuatorelemente.
2A veranschaulicht einen für die Erfindung zweckmäßigen Basisaktuator 100. Ein dünner Film 110 eines hoch isolierenden Materials, wie zum Beispiel ein Polyimidmaterial, ist auf mindestens eine Seite metallisiert, üblich mit Kupfer kaschiert, und bildet ein Rechteck, das flächengleich mit oder etwas größer als das fertige Aktuatorbauteil ist. Ein zur Verwendung bei der Herstellung von mehrschichtigen Schaltplatten geeignetes Material wird von Rogers Corporation, Chandler Arizona als Flex-I-Mid-3000 klebstofffreies Schaltungsmaterial vertrieben und besteht aus einem Polyimidfilm, der aus einer gewalzten Kupferfolie gebildet ist. Ein Größenbereich von Metallfolien, die eine Dicke von 18 bis 70 Mikrometer aufweisen, die integral mit einem Polyimidfilm einer Dicke von 13 bis 50 Mikrometer beschichtet sind, ist kommerziell erhältlich. Andere Dicken können hergestellt werden. In diesem kommerziellen Material sind die Folie und der Polymerfilm ohne Klebstoffe direkt miteinander verbunden, so dass die Metallschicht mit üblichem Maskieren und Ätzen strukturiert werden kann und mehrere strukturierte Schichten können zu einer Mehrschichtplatte in einer Weise aufgebaut werden, die nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, ohne dass verbleibender Klebstoff die Baugruppe schwächt oder eine Delamination verursacht. Die gewalzte Kupferfolie stellt eine hohe Zugfestigkeit in der Ebene bereit, wobei der Polyimidfilm eine starke, strapazierfähige und fehlerfreie elektrische Isolationsbarriere bietet.
In nachfolgend beschriebenen Konstruktionen stellt der Film nicht nur eine Isolation für die Elektroden dar, sondern auch für die äußere Oberfläche des Bauteils. Daher ist es notwendig eine hohe Durchschlagsfestigkeit, eine hohe Scherfestigkeit, eine Wasserbeständigkeit und die Fähigkeit zu haben, an andere Oberflächen zu binden. Hohe Wärmebeständigkeit ist aus Sicht einer im bevorzugten Herstellverfahren verwendeten thermischen Härtung notwendig und ist auch aufgrund der Umgebung einiger Anwendung notwendig. Im Allgemeinen wurde die Zweckmäßigkeit von Polyamiden/Polyimiden festgestellt, jedoch können auch andere Materialien, wie zum Beispiel Polyester oder Thermoplaste mit ähnlichen Eigenscharten eingesetzt werden.
In den vorliegenden Konstruktionen wird die Folienschicht durch konventionelle Maskierungs- und Ätztechniken (beispielsweise Fotoresist-Maskierung und -Strukturierung, gefolgt von einer Eisenchloridätzung) strukturiert, um Elektroden für das Verbinden der Oberfläche der Piezoplattenelemente zu bilden. Alternativ kann eine duktilere, dünne, leitfähige Schicht verwendet werden. Zum Beispiel kann eine dünne leitfähige Schicht auf den Polymerfilm oder direkt auf das piezoelektrische Element unter Verwendung von leitfähiger Silbertinte gedruckt werden. In 2A stehen die Elektroden 111 über einer oder mehreren Unterabschnitten des Inneren des Rechtecks und führen zu verstärkten Kontaktstellen oder Anschlussflächen 111a, 111b, die über die Kante des Bauteils ragen. Die Elektroden sind derart in einem Muster angeordnet, dass ein piezoelektrisches Element entlang einer stark gekrümmten Bahn verbunden wird, welcher die gesamte Länge und Breite des Elements kreuzt und daher sicher stellt, dass das Element trotz dem Auftreten einiger Risse oder örtlicher Brüche in der Elektrode oder in dem Piezoelement verbunden bleibt. Rahmenelemente 120 werden entlang des Umfangs der Schicht 110 angeordnet und zumindest ein piezoelektrisches Plattenelement 112 wird im Zentralbereich angebracht, so dass diese mit den Elektroden 111 verbunden sind. Die Rahmenelemente dienen als Kantenbindung, so dass die dünnen Laminierungen nicht über die Kante hinausragen, und diese wirken auch als Dickenabstandshalter für das Heißpressverfahren, das nachfolgend zusätzlich beschrieben wird, und als Positionsmarkierungen, welche die Lage der Piezoplatten definieren, die während der Anfangsschritte des Zusammenbaus des laminierten Bauteils eingefügt werden.
2A ist eine in soweit etwas schematische Ansicht, als dass nicht die Schichtstruktur des Bauteils gezeigt wird, die den Zusammenhalt sichert, einschließlich einer weiteren, halbtransparenten Deckschicht 116 (2B), welche in der Praxis über die Platte 112 hinausragt und zusammen mit Abstandshaltern 120 und der Schicht 110 die Anordnung abdichtet. Eine ähnliche Schicht 114 mit Ausschnitten, die ein zweckmäßiges Kontaktieren der Elektroden 111 mit dem Element ermöglichen, wird unter dem Piezoelement angebracht. Die Schichten 114, 116 sind bevorzugt aus einem härtbaren Epoxidharzschichtmaterial gebildet, welches eine gehärtete Dicke aufweist, die gleich der Dicke der Metall elektrodenschicht ist, und die als Klebeschicht zum Verbinden des Materials wirkt, das auf beiden Seiten mit diesem verbunden ist. Nach der Härtung bildet dieses Epoxidharz den Strukturkörper des Bauteils und versteift die Anordnung, wobei dieses insgesamt über einen wesentlichen Teil der Oberfläche des Piezoelements ragt, um das Element zu verstärken und um ein Wachstum von Rissen zu verhindern, wodurch die Langlebigkeit erhöht wird. Des Weiteren wird das Epoxidharz dieser Schicht in einem mikroskopisch dünnen, jedoch sehr diskontinuierlichen Film, etwa 0,0025 mm dick, über die Elektroden verteilt, wodurch diese fest an die Piezoplatte gebunden werden, jedoch mit einer ausreichenden Zahl an Leerstellen oder Hohlräumen, so dass ein direkter elektrischer Kontakt zwischen den Elektroden und den Piezoelementen über eine essentielle und verteilte Kontaktfläche auftritt.
2B zeigt eine nicht maßstabsgerechte Querschnittsansicht eines Aktuators gemäß 2A. Bei abgeschätzten Proportionen, wobei die Dicke piezoelektrische Platte 112 ca. 0,2 bis 0,25 Millimeter betragen kann, ist der Isolationsfilm 110 viel dünner, nicht mehr als ein zehntel bis ein fünftel der Plattendicke, und die leitfähige Kupferelektrodenschicht 111 kann typisch eine Dicke von 10 bis 50 Mikrometer aufweisen, obwohl der letzte Bereich keine strenge Begrenzung darstellt, sondern einen zweckmäßiger Bereich der Elektrodendicke, die elektrisch zweckmäßig, einfach herstellbar und nicht so dick ist, dass entweder eine wirksame Spannungsübertragung beeinträchtigt oder Delaminationsprobleme verursacht werden. Das strukturbildende Epoxidharz 114 füllt die Abstände zwischen den Elektroden 111 in jeder Schicht und hat näherungsweise die gleiche Dicke wie die Elektroden, so dass das gesamte Bauteil einen festen Block bildet. Die Abstandshalter 120 sind aus einem relativ kompressiblen Material mit einem geringen Elastizitätsmodul gebildet, wie zum Beispiel einem relativ unvernetzten Polymer. Wenn zusammen mit einem pressgehärteten Epoxidharz verwendet, wie nachfolgend beschrieben, weisen vorzugsweise eine Dicke auf, die in etwa der Dicke der piezokeramischen Platte oder dem Stapel der Elemente entspricht, so dass diese eine Kantenbindung mit den anderen Komponenten zwischen der Deck- und der Bodenschicht des Films 110 bilden.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung umfasst das Anwenden von Druck auf das gesamte Bauteil, während die Schicht 116 härtet. Die Anstandshalter 120 dienen zum Abgleich der piezokeramischen Platten und jedes Schaltelements, wie nachfolgend mit Bezug auf die 3 bis 5 beschrieben, und sie bilden einen Rahmen, der leicht während des Zusammenfügens in dem Härtungsschritt komprimiert wird, wobei eine Deformation zum Abdichten der Kanten auftreten kann, ohne dass Spannungen oder Unregelmäßigkeiten zurück bleiben. Die Komprimierung eliminiert Leerstellen und stellt ein dichtes und rissfreies festes Medium bereit, wobei die Härtungswärme einen hohen Vernetzungsgrad bewirkt, der zu einer hohen Festigkeit und Steifheit führt.
Ein Verfahren für den Zusammenbau der Ausführungsform gemäß 2A, 2B verläuft wie folgt. Ein oder mehrere kupferkaschierte Polyimidfilmteile, jedes insgesamt etwa 0,025 bis 0,05 Millimeter dick, werden auf eine Größe etwas größer als die Abmessung des endgültigen Aktuatorbauteils geschnitten. Die Kupferseite des Films wird maskiert und strukturiert, um die gewünschte Elektrodenform zum Verbinden eines Piezoelements mit den leitfähigen Anschlüssen und jeder benötigten Anschlussfläche oder jedem notwendigen Anschlussstück zu bilden. Ein gabelförmiges Elektrodenmuster mit drei Ausläufern ist gezeigt, welche zum Verbinden des Zentrums und beiden Seiten einer Fläche eines Piezoelements angeordnet sind, jedoch wird in andere Ausführungsformen eine H- oder eine Kammform eingesetzt. Die Strukturierung kann durch Maskieren, Ätzen und Reinigen erfolgen, wie dies aus der Schaltplatten- oder Halbleiterverarbeitungstechnologie bekannt ist. Das Maskieren wird durch Fotolackstrukturierung, Rasterung, Bandmaskierung, oder andere geeignete Verfahren bewirkt. Jede dieser Elektrodenteile des Polyimidfilms, wie bei einer klassischen Leiterplatine, definiert die Position eines Schaltelements oder Aktuatorteils, und wird nachfolgend einfach als einen „Schaltanschluss" bezeichnet. Jedoch betrifft die Erfindung eher Verfahren und Vorrichtungen unter Verwendung eines verbundenen Piezoelements, eines Isolators und elektrischen Kontakten, als einen „Schaltanschluss".
Als nächstes wird eine ungehärtete Schicht Epoxidmaterial mit etwa der gleichen Dicke wie oder etwas dicker als die Elektrodenfilmschicht geschnitten, optional mit durchgehenden Öffnungen, die auf das das Elektrodenmuster abgestimmt sind, um einen nach dem Zusammenfügen verbesserten Kontakt zu ermöglichen, und wird über jeden Schaltanschluss gelegt, so dass dieses an den Schaltanschluss haftet und eine Ausgleichschicht zwischen und um die Elektrodenabschnitte bildet. Die Unterschicht wird anschließend von den an den Schaltanschlüssen anhafteten Epoxidschichten entfernt und vorgefertigte Abstandshalter 120 werden in Positionen an den Ecken und Kanten des Schaltanschlusses platziert. Die Abstandshalter bilden einen Rahmen, der sich über der Elektrodenebene erstreckt und ein oder mehrere Vertiefungen definiert, in die die Piezoelemente in den nachfolgenden Zusammenbauschritten einzupassen sind. Das Piezoelement oder die Piezoelemente werden anschließend in die durch die Abstandshalter definierten Vertiefungen gebracht und ein zweiter Elektrodenfilm 111, 112 mit seiner eigenen Ausgleichs/Bindungsschicht 114 wird über dem Element in einer Position zur Bildung der Elektrodenkontakte der Deckschicht des Piezoelements platziert. Falls das Bauteil mehrere Piezoelement-Schichten aufweisen soll, wie dies für einige Biegeaktuatoren der Fall ist, werden diese Zusammenbauschritte für jeden zusätzlichen Elektrodenfilm und jede piezoelektrische Platte wiederholt, wobei zu berücksichtigen ist, dass ein beidseitig mit Kupfer kaschierter und strukturierter Polyimidfilm bei der Bildung der Elektrodenzwischenschicht eingesetzt werden kann, um die Elektrodenelemente unterhalb und oberhalb der Zwischenschicht zu verbinden.
Nachdem alle Elemente platziert sind, wird die vollständige schichtförmige Anordnung von strukturierten Schaltanschlüssen, Piezoschichten, Abstandshalter und härtbaren, strukturierten Epoxidschichten in eine Presse zwischen geheizte Platten gelegt und bei einer erhöhten Temperatur und unter Druck gehärtet, um die Anordnung zu einer steifen, rissfreien Aktuatorkarte zu härten. In einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Härtungszyklus von dreißig Minuten bei 350°F und 50 bis 100 psi Druck verwendet. Das Epoxidharz wird so ausgewählt, dass dieses eine Härtungstemperatur unterhalb der Depolarisationstemperatur des Piezoelements, jedoch einen hohen Steifheitsgrad aufweist.
Die obige Konstruktion veranschaulicht eine einfache Aktuatorkarte mit einer einzigen Piezoplatte, die von zwei Elektrodenfilmen umgeben ist, so dass die Platte Scherspannung effizient über einen dünnen Film auf die Oberfläche der Aktua torkarte übertragen kann. Der Anteil an Übertragungsleistung, der durch den Schermodul dividiert durch die quadratische Schichtdicke gegeben ist, und als Gamma (Γ) bezeichnet wird, hängt von den Modulen und den Dicken des Epoxidharzes 114, der gewalzten Elektroden 111 und des Polyimidfilms 110 ab. In einer beispielhaften Ausführung, in der das Epoxidharz und die Kupferelektrodenschicht 1,4 Mils dick sind und das Epoxidharz einen Modul von 0,5 × 10⁶ hat, wird ein Gamma von näherungsweise 9 × 10¹⁰ Pound/Inch⁴ erzielt. Bei Verwendung einer dünneren Epoxidharzschicht und einem Film mit 0,8 Mils Folie wird ein wesentlich höheres Γ erzielt. Im Allgemeinen ist das Gamma der Elektroden/Epoxidharz-Schicht größer als 5 × 10¹⁰ Pound/Inch⁴, während das des Films größer als 2 × 10¹⁰ Pound/Inch⁴ ist.
Es ist zu bemerken, dass eine Karte mit zwei gestapelten PZT-Platten und drei Schaltanschluss-Elektrodenschichten (die mittlere ist eine doppelt kaschierte, um beide Platten zu verbinden) unter Verwendung von 10 Mils dicken PZT Aktuatorplatten eine Gesamtdicke von 28 Mils aufweist, lediglich 40 Prozent mehr als die der Platten allein. Bezüglich der Massengewichtung beträgt das Gewicht der Aktuatorelementen 90% des Gesamtgewichts dieser Anordnung. In anderen Konstruktionen beanspruchen die Platten im Allgemeinen fünfzig bis siebzig Prozent der Bauteildicke und bilden siebzig bis neunzig Prozent der Masse desselben. Dementsprechend ermöglicht der Aktuator seinerseits eine gute theoretische Leistungsmodellierung. Diese Konstruktion bietet auch einen hohen Grad an Einsatzflexibilität zur Implementierung von Biegeanordnungen (wie gerade beschrieben) sowie an Stapeln oder Feldern von Einzelschichten.
Ein weiterer zweckmäßiger Leistungsindex des gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierten Aktuators ist das hohe Verhältnis von Aktuatorspannung zur Spannung des freien Piezoelements A, das näherungsweise (0,8) für die hierin beschriebene zweischichtige Ausführungsform und im Allgemeinen größer als (0,5) beträgt. Ähnlich beträgt das Verhältnis von Bauteilkrümmung zu der des freien Elements, K, näherungsweise 0,85 bis 0,90 für die hierin beschriebene Konstruktion und ist im Allgemeinen größer als 0,7.
Dementsprechend verringert das Verpacken, das bei der Konstruktion eines Piezoelements eingebettet in einen Schaltanschluss sein Gewicht und seine elektromechanischen Betriebseigenschaften weit unter 50% bzw. lediglich um 10%, während die Härte und die mechanische Betriebsbereiche andererseits grundlegend verbessert werden. Während beispielsweise die Beifügung von Schichtpackungsstrukturen zum Grundelement nahe legt, dass die erreichbare Krümmung abnimmt, ergibt die Konstruktion der Anschlusskarte in der praktischen Anwendung Biegepiezokonstruktionen mit einer wesentlich größeren Ablenkung, da große Plattenstrukturen hergestellt werden können und starke Biegungen wiederholt übertragen werden können, ohne dass Rissbildung oder andere Arten des mechanischen Versagens auftreten. Einige Figuren veranschaulichen die Vielzahl von Konstruktionen, auf welche die verbesserten physikalischen Eigenschaften angewandt werden.
Zunächst stellt die Struktur eines zwischen zwei Schaltanschlüsse eingebetteten elektroaktiven Elements stellt nicht nur eine vereinheitlichte mechanische Struktur geringer Masse mit vorhersagbaren Antworteigenschaften zur Verfügung, sondern ermöglicht auch den Einbau von Schaltelementen in oder auf die Aktuatorkarte. 2C zeigt eine Draufsicht einer Einheit 70 dieser Art mit den Bereichen 71, 73, die jeweils breite elektroaktive Schichten enthalten, während der Zentralbereich 72 Schalt- oder Energieelemente umfasst, einschließlich eine Batterie 75, eine planare Leistungsverstärkung oder eine Gruppe von Verstärkern, ein Mikroprozessor 79 und eine Vielzahl von Spannungsmessern 78. Andere Schaltelemente 82a, 82b können anderswo an der Peripherie entlang der Schaltleitung 81 angeordnet sein. Entsprechend den anderen Ausführungsformen bestimmen die Abstandshalter 120 das Aussehen und die Abdichtkanten der Einheit, während Elektroden 111 die elektroaktiven Elemente mit der Prozess- und Steuerschaltung verbinden, die nun eingebaut ist. Die Schaltelemente 82a, 82b können Bewertungswiderstände, falls das Bauteil als Sensor arbeitet, oder Nebenschlusswiderstände umfassen, um passive Dämpfungssteuerung zu implementieren. Alternativ können diese Filter-, Verstärkungs-, Impedanzanpassungs- oder Speicherelemente, beispielsweise Kondensatoren, Verstärker oder ähnliches sein. In jedem Fall befinden sich diese Elemente abseits von den elektroaktiven Platten 84. Diese Komponenten können insgesamt Spannung erfassen oder verschiedene Ansprechmuster als Antwort auf festgestellte Bedingungen zur Anwendung bringen, oder andere Erfassungs- oder Steueraufgaben ausführen.
Um auf den Gesichtspunkt des für die Erfindung zweckmäßigen Aktuators zurückzukommen, zeigt 3 eine Draufsicht eines Aktuatorbauteils 200 mit Abmessungen von etwa 1,25 × 9,00 × 0,030 Inches, das aus zwei Schichten piezoelektrischen Platten mit jeweils vier Platten zusammengefügt ist. Eine rechteckige Polyimidfolie mit einer Endzunge 210a trägt eine Elektrode 211 in der Form eines Gitters von H-förmigen, miteinander verbundenen dünnen Kupferlinien und einem einzelnen Ausläufer 211a, der aus der Zunge führt, wodurch eine direkte Verbindung mit einem geringen Widerstand zu den vier rechteckigen Bereichen bereitgestellt ist, die die Piezoplatten halten.
Abstandselemente 220a, 220b mit H-Form oder 220c mit L-Form markieren Ecken und bilden rechteckige Räume zum Plazieren der Piezoplatten 216. In dieser Ausführungsform tritt eine Vielzahl von Lücken 230, nachfolgend beschrieben, zwischen den benachbarten H- oder L-Abstandshalter auf. Wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich wird, ist die Verwendung dieser kleinen, diskreten Abstandshalterelemente (I-, T-, oder O-förmige Abstandshalter können ebenfalls zweckmäßig sein) bevorzugt, weil diese leicht auf der haftenden Epoxidbindungsschicht 114 während des Zusammenfügens platziert werden können, um die Anordnungspositionen zu markieren und Aufnahmevertiefungen für die Piezoelemente zu bilden. Jedoch ist die Abstandshalterstruktur nicht auf eine derartige Ansammlung von diskreten Elementen begrenzt, sondern kann ein einzelnes oder ein paar Rahmenelemente umfassen, die als ein ausgestanztes Folienstück oder als geformter Rahmen gebildet sind, um insgesamt, ein oder mehrere Orientierungs- und/oder Dichtungskanten oder Vertiefungen zum Aufnehmen von Ansteuerungsschaltkomponenten bereitzustellen.
5 stellt eine Draufsicht jeder der drei Schichten dar, die Elektroden- und die Piezoplattenschicht einzeln, wohingegen 5A die allgemeine Schichtabfolge der Film-, Leiter- und Abstandshalter/Piezoschichten darstellt. Wie gezeigt, bilden die Abstandshalter 220 und die Piezoplatten 216 eine einzelne Schicht zwischen jeweils einem Paar von Elektrodenschichten.
4A und 4B (nicht maßstabsgerecht gezeichnet) stellen die Schichtstruktur des zusammengefügten Aktuators entlang der vertikalen Schnitte bei den Positionen „A" und „B" in 3 dar. Wie deutlicher in 4A gezeigt, ist eine strukturierte Bindungsschicht aus Epoxidharzfolie 214 coplanar mit jeder Elektrodenschicht 211 angeordnet und füllt den Raum zwischen den Elektroden, wohingegen der Abstandshalter 220c koplanar mit der Piezoplatte 216 angeordnet ist, und im Wesentlichen die gleiche Dicke wie die Platte aufweist oder geringfügig dicker ist. Beispielhaft ist die Piezoplatte 216 eine PZT-5A Keramikplatte, die kommerziell in einer Dicke von 5 bis 20 Mils erhältlich ist und eine kontinuierlich leitende Schicht 216a aufweist, die jede Fläche bedeckt, um die Elektroden 211 zu kontaktieren. Die Abstandshalter 220 sind aus einem etwas kompressiblen Kunststoff mit einer Erweichungstemperatur von etwa 250°C gebildet. Dies ermöglicht eine ordentliche Anpassung bei der Härtungstemperatur, so dass das Abstandshaltermaterial kleinere Leerstellen 214a (4A) während des Zusammenfügungsprozesses füllen kann. Wie in 4B gezeigt, führen die Lücken 230 (wenn bereitgestellt) zwischen den Abstandshaltern zu Öffnungen 214b, durch welche überschüssiges Epoxidharz von den härtbaren Bindungsschichten 214 entweichen kann, und die mit Epoxidharz während des Härtungsprozesses gefüllt werden. Wie in dieser FIGUR veranschaulicht, tritt eine gewisse Menge an Epoxidharz in die Flicken des Films 215 zwischen den Elektroden 211 und der Piezoplatte 216. Aufgrund der großen und kontinuierlichen Abmessung der Elektrode 211, vermindert dieses flickenartige Austreten des Epoxidharzes nicht den elektrischen Kontakt mit den Piezoelementen und die weiteren Strukturverbindungen sind zweckmäßig zum Verhindern von Delaminierung der Elektrode.
Im Zusammenhang mit den beispielhaften Elektrodenanordnungen ist festzuhalten, dass jedes vertikal gestapelte Piezoplattenpaar gegensätzlich angesteuert werden kann, um Krümmungen zu induzieren, oder mehrere einzelne Elektroden können bereitgestellt werden, um verschiedene Plattenpaare in unterschiedlichen Weisen anzusprechen. Im Allgemeinen, wie zuvor dargelegt, berücksichtigt die Erfindung selbst sehr komplexe Systeme, die viele einzelne Elemente enthält, die in unterschiedlicher Weise angesteuert werden, mit Erfassungs-, Steuer- und Energie- oder Dämpfungselementen, die alle auf der gleichen Karte angebracht sind. In dieser Hinsicht wird eine große Flexibilität in der Anpassung der Karte an praktische Aufgaben durch deren Flexibilität bereitgestellt. Im Allgemeinen weist diese eine geschmeidige Flexibilität auf, die der eines 30 Mils dicken Epoxidstreifen vergleichbar ist, so dass diese ohne Beschädigung gebogen, gestoßen oder erschüttert werden kann. Sie kann auch im Bereich der Zentrallinie CL (3) scharf gebogen oder gekrümmt, wo keine Piezoelemente eingebunden sind, um eine Befestigungsfläche oder -ecke anzupassen. Die Elemente können gepolt werden, um die Abmessungen in Ebene oder quer zur Ebene zu ändern. Die Aktuatoren können daher zur Übertragung von Spannung an eine benachbarte Oberfläche auf eine Weise befestigt werden, die zur Bereitstellung von der zuvor beschriebenen Steuereinwirkung geeignet ist, oder um besondere Wellenformen oder Arten von akustischer Energie auf einer benachbarte Oberfläche zu erzeugen, wie zum Beispiel gebeugte, gescherte oder komprimierte Wellen.
6 zeigt einen anderen Aktuator 300. In dieser schematisch beispielhaft dargestellten Ausführungsform sind die Epoxidharzbindungsschicht, der Film und die Abstandshalterelemente nicht gezeigt, sondern nur die Elektroden- und Piezoschichten sind zur Erläuterung der Arbeitsweise beispielhaft dargestellt. Ein erster Elektrodensatz 340 und ein zweiter Satz 342 sind in der gleichen Schicht bereitgestellt, jeder weist eine Kammform, wobei die zwei Kämme ineinander verschobenen sind, auf, so dass ein elektrisches Ansteuerungsfeld zwischen den Zinken des einen Kamms und den benachbarten Zinken erzeugt wird. In 6 ist ein paralleles Kammpaar 340a, 342a auf der anderen Seite der Piezoschicht bereitgestellt, wobei die Kammelektrode 340 an 340a und die Kammelektrode 342 an 342a gebunden wird, so dass ein durch die Piezoschicht laufendes elektrisches Feld mit Äquipotentiallinien „e" und mit einem In-Ebene-Potentialgradienten zwischen jedem Zinkenpaar unterschiedlicher Kämme erzeugt wird. In der gezeigten Ausführungsform sind die piezokeramischen Platten metallfrei, so dass ein direkter elektrischer Kontakt zwischen jedem Kamm und der Platte hergestellt wird. Die Platten sind durch eine anfängliche Anwendung einer hohen Spannung quer zu den Kämmen in Ebene gepolt, um eine Feldstärke oberhalb von ein, zwei tausend Volt pro Inch in Richtung längs der In-Ebene-Richtung zu erzeugen. Dies richtet die Piezostruktur so aus, dass die nachfolgende Anwendung einer Potentialdifferenz quer zu den Zwei-Kammelektroden zu einer in Ebene(Scher-)An steuerung führt. Dementsprechend stellt der direkte Kontakt der ineinander verschobenen Elektroden für das Piezoelement ein elektrisches Feld bereit, welches im Allgemeinen parallel zur Ansteuerrichtung ausgerichtet ist.
Zusätzlich zur Scheransteuerung kann eine gerichtete Ansteuerung und Dämpfung durch Verwendung von Verfahren oder Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Wie beispielsweise in 7 gezeigt, können zwei dieser Aktuatoren 300 gekreuzt werden, um eine Torsionsansteuerung bereitzustellen.
Bei der Erläuterung der obigen Ausführungen wurde festgestellt, dass die direkte Übertragung von Spannungsenergie durch die Elektroden/Polyimidschicht auf jede angrenzende Struktur ein deutlicher und neuer Vorteil ist. Diese Arbeitsweise kann für Ansteuerungsaufgaben oder verschiedenes, wie Tragflächenformsteuerungseinwirkung und Lärm- oder Schwingungsunterdrückung oder -steuerung eingesetzt werden. 8A und 8B veranschaulichen typische Einbauten von flachen (8A) und halbzylindrischen (8B) Ausführungen 60 des Aktuators, der auf eine flache oder gering gekrümmte Oberfläche bzw. einer Welle aufgebracht ist.
Während die elektromechanischen Materialien dieser Aktuatoren mit Spannungsenergieumwandlung arbeiten, gehen die Anwendungen der vorliegenden Erfindung jedoch über eine Spannungskopplung über die Aktuatoroberfläche hinaus und umfassen zahlreiche spezielle mechanische Konstruktionen, in denen Bewegung, Drehung oder Kraft die durch den Aktuator aufgebracht wird, als Ganzes eingesetzt wird. In jeder dieser Ausführungsformen wird der elementar streifen- oder schalenförmige, abgedichtete Aktuator als ein widerstandsfähiges, elastisches mechanisches Element eingesetzt, das mit ein oder mehreren Punkten entlang seiner Länge befestigt oder verbunden ist. Wie in 9 gezeigt, arbeitet der Streifen, wenn elektrisch angesteuert, allein oder mit anderen Elementen, als ein selbst beweglicher Hebel, Klappe Blattfeder, Stapel oder Balgen. In den Diagrammen der 9(a)–9(q), sind die Elemente A, A', A'' ... Streifen- oder Schichtaktuatoren, wie zum Beispiel in den obigen Figuren dargestellt, während kleine Dreiecke fixierte oder befestigte Punkte anzeigen, die zum Beispiel starre Befestigungspunkte oder Punkte einer Verbindung mit einer Struktur anzei gen. Pfeile zeigen eine Bewegungs- oder Ansteuerungsrichtung an oder ein Verbindungspunkt für eine solche Ansteuerung, während L einen Hebel anzeigt, der an einen Aktuator befestigt ist und S ein Stapelelement oder -aktuator darstellt.
Die Konfigurationen der 9(a)–9(c) können als Stapel, Biegeelement oder befestigtes Biegeelement viele konventionelle Aktuatoren ersetzen. Zum Beispiel kann ein freitragender Stab einen Sift tragen, um einen sehr kontrollierten einachsigen Abstand bereitzustellen, der einen hoch linearen Positionsmechanismus eines Stiftplotters mit einem großen Abstand bildet. Besonders interessante mechanische Eigenschaften und Ansteuercharakteristika werden von den Multi-Elementkonfigurationen 9(d) ff. bereitgestellt, welche schichtförmige Aktuatoren einsetzen, die mechanisch widerstandsfähig sind. Dementsprechend können Stift-Stift-Balgenanordnungen für ausgedehnte und präzise einachsige Z-Bewegungspositionierung zweckmäßig sein, durch einfache Flächenkontaktbewegung, für Anwendungen, wie zum Beispiel Kamerafokussierung; oder können zur Implementierung einer Pumpe vom Peristaltiktyp durch Einsatz der gesamten, vorhandenen Flächenbewegung gegen ein Fluid dienen. Wie in Verbindung mit 3 dargelegt, ist der flexible Schaltkreis sehr nachgiebig, so dass geklappte oder gefaltete Kanten durch einfaches Falten entlang von Positionen, wie zum Beispiel der Zentrallinie in 3 zum Erhalt einer geschlossenen Balgenanordnung implementiert werden können, die mit einer geringen Zahl von großen Multielement-Aktuatoreinheiten erhalten werden können. Die flexiblen Schaltkreiskonstruktionen ermöglichen Streifen oder Schachbrettanordnungen von Aktuatorelementen, die mit Faltlinien zwischen jedem benachbarten Elementpaar ausgelegt sind; die Faltlinien können mit einem dünnen Profil versehen sein, das mit konturierten Pressplatten (z.B. Waffeleisen) während des Härtungsschrittes erhalten wurde. Mit einer solchen Konstruktion kann ein insgesamt nahtloser Balgen oder ein anderer gefalteter Aktuator aus einer einzigen flexiblen Schaltanordnung erzeugt werden.
Wie zuvor ausgeführt, muss das Piezoelement kein starres keramisches Element sein; falls die flexible Schaltung lediglich als Sensor verwendet wird, kann entweder ein Keramikelement oder ein weiches Material, wie zum Beispiel PVDF verwendet werden. In dem Fall des Polymers wird eher ein dünner, biegsamerer Niedrigtemperaturklebstoff zum Verbinden der Elemente benutzt, als eine fest härtbare Epoxidharzbindungsschicht.
Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend beispielhaft dargelegt.
BEISPIEL 1
In diesem Beispiel wird ein Schwingungssteuersystem zur Bestimmung festgelegter Parameter, die funktional für ein System zur aktiven Gerüststeuerung erforderlich sind, entworfen. Die festgelegten funktionalen Erfordernisse umfassen (sind hierauf jedoch nicht begrenzt) die folgenden:

• Genauigkeit
• Ausregelzeit
• Masse, Größe und Ort des Aktuators und des Sensors
• Energie
• Spitzenspannung
• Lebenszeit
• Temperaturbereich
• Einwirkung von Feuchtigkeit und Lösungsmittel
• Kosten
• Schnittstellen mit bestehenden Gerüststeuersystemen

Um die Daten über strukturelle Antworten eines Gerüsts während des Betriebs zu erfassen, wurde das Gerüst mit einem Feld von piezoelektrischen Spannungssensoren und Schwingungssensoren ausgerüstet. Zur Positionierung und Bemessung der piezoelektrischen Aktuatoren werden genaue Informationen über die Form der Spannungsmodi benötigt, die aus diesen Daten erhalten und mit dem Modell der endlichen Elemente (Finite Element Model „FEM") verglichen wurden. Eine wichtige Information, die in dieser Phase des Projekts erhalten wurde, betraf die Wirkung von verschiedenen Kopfpositionen auf die Dynamik. Sowohl der Aktuatorentwurf als auch jeder Entwurf der Steuerungssoftware hingen vom Anwen dungszeitpunkt der Schwingungssteuerung ab, d.h. während der Kopf entlang des Gerüsts bewegt wurde und/oder nachdem dieser an einer beliebigen Stelle des Gerüsts angehalten wurde.
Daten wurden sowohl mit als auch ohne eingebauten Reibungsblock aufgenommen, um zumindest eine analytische Beurteilung des Potentials eines vollständigen Ersatzes des Reibungsblocks durch das elektroaktive Schwingungssteuersystem zu erlauben.
Zusammen mit Informationen, die durch das Modell der endlichen Elemente erhalten wurden, wurde unter Verwendung der oben aufgenommenen Daten die Auslegung des Systemniveaus festgelegt. Die Auslegung umfasste das Auswählen einer Systemarchitektur, einschließlich der Aktuatorpositionierung, des Sensortyps und des Steuerungsalgorithmustyps. Wie zuvor diskutiert, wurde, da der bewegliche Kopf eine signifikante Wirkung auf die Gerüstdynamik hat, die Wirksamkeit des elektroaktiven Schwingungssteuersystems durch die Verwendung der Trajektorieninformation im Bewegungssteuersystem verbessert. Diese Information kann an das Bewegungssteuersystem mit einer einfachen Klammerführung, die an einen geeigneten Punkt im Bewegungssteuerungskreis angebracht ist, weitergeleitet werden. Beispielsweise können Informationen, wie zum Beispiel Verläufe der Motorspannung, die vielfach leicht zugänglich sind, dem Schwingungssteuersystem bereitgestellt werden.
Nach der Festlegung der Systemarchitektur wurde ein analytisches „Eingabe/Ausgabe"-Modell des Systems zur Konzeption des Steueralgorithmus der Schwingungssteuerung und zur Simulation dessen Leistungsfähigkeit entwickelt. Der Systemaufbau wurde mit den funktionalen Erfordernissen verglichen, um deren Einhaltung sicherzustellen. Diese Analyse diente zur Definition der Spezifikationen von verschiedenen Komponenten des Steuerungssystems, insbesondere der Signalkonditionierungselektronik des analogen Sensors, der auf digitaler Signalverarbeitung (DSP) basierenden Steuereinheit und dem Energieverstärker, der zum Bereitstellen der notwendigen Spannung und des Stroms an den Aktuator eingesetzt wird.
Jeder der Komponenten des elektroaktiven Schwingungssteuersystems wurde anschließend entworfen, einschließlich der verschiedenen Elektronikkomponenten. Die elektroaktiven Aktuatoren an sich wurden unter Einsatz der hierin beschriebenen Verfahren hergestellt. Jeder Aktuator wurde unter Verwendung von standardisierten Qualitätskontrollverfahren getestet. Die gesamte Elektronik wurde entsprechend den in der Systementwurfsvorgabe festgelegten Spezifikationen hergestellt und auf Funktionalität untersucht.
Ein wichtiger Gesichtspunkt der Ausgestaltung beinhaltet die Integration des Aktuators und des Sensors in das Gerüst. Beispielsweise kann von einem Aktuator mit einer Dicke von 0,5 mm für ein vorgegebenes Gerüst festgestellt werden, dass eine Interferenz mit der Bewegung des Kopfes entlang des Gerüst unwahrscheinlich ist. Die zum Verbinden des Aktuators und des Sensors, die am Gerüst befestigt sind, mit der elektronischen Ausrüstung verwendeten Kabeltypen wurden anschließend festgelegt.
In diesem besonderen Beispiel wurde das Gerüst einer automatisierten, SMT-Elektronik aufweisenden Bestückungsvorrichtung mit Aktuatoren, Sensoren und Elektronik ausgestattet und unter Verwendung von FEM mit Plattenelementen analysiert. Das grundlegende Konzept, im Blockdiagramm der 10 gezeigt, umfasst elektroaktive Spannungsaktuatoren und Sensoren, die, zusammen mit der notwendigen Energie-, Signal- und digitaler Steuerungselektronik, auf dem Gerüst zur Verringerung von Schwingungen angebracht sind. Für die Zwecke dieser Untersuchung wurde angenommen, dass der Kopf am Ende des Gerüsts fixiert ist. Der Einbau des Aktuators wurde unter Verwendung eines Vakuum-Bindungprozesses durchgeführt.
Versuche mit „offenen Schleifen" wurden anschließend durchgeführt. Versuche mit „offenen Schleifen" umfassen das Einspeisen von Signalen in die Aktuatoren und das Messen der Antwort des Gerüsts, um das analytische Modell zu bestätigen, welches zuvor in dieser Untersuchung entwickelt wurde. Diese Versuche wurden sowohl mit feststehendem Gerüst und Kopf als auch mit Bewegungen entlang einigen „standardisierten" Trajektorien durchgeführt. Das von dem Gerüst und dem Controller der Kopfbewegung auf das Schwingungssteuersystem zu ü bermittelnde Signal(e) wurde auch während dieser Versuche gemessen. Die elektroaktiven Aktuatoren wurden über 10% der Oberfläche des Gerüsts mit einer maximalen Spannungsenergie im ersten natürlichen Spannungsmodus verteilt. Die Wirksamkeit der Aktuatorverteilung bei Anregung der ersten drei Schwingungsmodi wurde mit Entwicklungssoftware modelliert. Zwischen 80–84% der gesamten Spannungsenergie ist in den Plattenelementen gespeichert; zwischen 62–75% der Plattenenergie liegt als Dehnungsspannung vor und kann daher mit elektroaktiven Steuervorrichtungen, die auf der Oberfläche gebunden sind, abgefangen werden. Dementsprechend sind mindestens 52% der Spannungsenergie in einem Modus zugänglich. Ein Teil dieser Energie befindet sich im Rahmen/Träger des beweglichen Kopfes. Die Dehnungsspannungsenergie wurde zur Maximierung der Leistungsfähigkeit eines vorgegebenen Umfangs an elektroaktivem Element klassifiziert.
Eine Dämpfung wurde dem Strukturmodel hinzugefügt. Auftragungen des Kopfes von Beschleunigung gegen Zeit zeigten grob 5% kritische Dämpfung in dem ersten Modus mit einem eingebauten Reibungsblock, nach einer Anregung mit einem Hammer.
Eine Rückwärtsschubsteuerung wurde mit dem standardisierten linearen Zustandsregler (LQR) ausgestaltet, der sicherstellt, dass die piezoelektrischen Ansteuerungskontrollspannungen nicht die Belastungsgrenzen der Aktuatoreinheit übersteigen. Ansteuerungsspannungen in der geschlossenen Rückwärtsschubschleife sind proportional zu den eingegebenen Störkräften, die mit der Bewegung des Gerüsts verknüpft sind. Hierbei wurde angenommen, dass das Gerüst in der y-Richtung (quer zur Gitterachse) mit einer Konstanten von 25 m/s² beschleunigt, bis die maximale Geschwindigkeit von 3 m/s erreicht ist. Die anfängliche, mit einer Masse von 10 kg verbundene D'Alembert-Kraft lag im Schwerpunkt des Kopfes an. Diese Masse beinhaltet 5 kg Kopfmasse und 5 kg wirksame Gerüstmasse.
Nach einer Simulation der Frequenz des schwingungsgesteuerten Systems und der Antwort in der Zeitdomäne wurden anschließend die Verbesserungen der Dämpfung und der Ausregelzeit bestimmt. Frequenzantworten sind in 11 simu liert, gemessen am Punkt unterhalb des Bestückungskopfes, in der y-Richtung. Die Verringerung der dynamischen Antwort auf eine Einheitseingabekraft wird in dieser Figur offensichtlich. Wie in 11 sowie in Tabelle 1 gezeigt, betrug der Modus 1 der geschlossenen Schleifendämpfung etwa 12%, Modus 2 der geschlossenen Schleifendämpfung etwa 11% und Modus 3 der geschlossenen Schleifendämpfung etwa 10%. Zeitantworten an dem gleichen Punkt, in der gleichen Richtung, sind in 12 simuliert. Diese Simulation zeigt eine dramatische Reduktion der Ausregelzeit mit der elektroaktiven Steuerung. Dementsprechend kann eine sehr wirksame Steuerung mit einer sehr geringen zusätzlichen Masse erreicht werden.
Tabelle 1: strukturelle Dynamikparameter des Gerüsts
Die strukturellen Dynamikparameter des Gerüsts/Kopfes gemäß FEM sind in Tabelle 1 gezeigt. Die repräsentative, hierin gestaltete Verteilung von Aktuatoren mit einer Fläche von 330 cm² und einer Masse von weniger als 100 g war 0,5 mm dick. Die modale Dämpfung der geschlossenen Schleife, ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt, betrug zumindest das Doppelte des angenommenen 5%-Wertes, der dem Gerüst mit dem Reibungsblock innewohnt, für alle drei Schwingungsmodi, die in der Analyse eingeschlossen sind. Dementsprechend wurden die Schwingungsamplitude und die Ausregelzeit bemerkenswert verbessert.
Wie in 14 und 15 gezeigt induzierte das Schwingungssteuersystem Änderungen der Frequenzantwort und der Verstärkungssteuerung. In dieser Untersuchung wurde die Dämpfung um mehr als eine Größenordnung verbessert. Diese Verbesserung entspricht einer Steigerung der Platzierungsgenauigkeit von einem Faktor von zehn.
Im Anschluss auf die offenen Schleifenversuche wurden die Daten analysiert und ein endgültiger Steueralgorithmusentwurf wurde ausgeführt. Wenn notwendig wurde die Aktuator- und Sensorhardware modifiziert, um den funktionalen Erfordernisse zu entsprechen. Anschließend kann die Untersuchung der „geschlossenen Schleife" mit dem endgültigen elektroaktiven Schwingungskontrollsystem durchgeführt werden. Eine Untersuchung mit der geschlossenen Schleife wird im Allgemeinen durchgeführt, wenn die Aktuatoren mit zumindest einem Teil der Signale betrieben werden, die durch die Sensoren erzeugt werden.
Diese Studie zeigte, dass eine aktiv wirksame elektroaktive Schwingungssteuerung des Gerüsts möglich ist.
BEISPIEL 2
Eine Lithographieanlage ist ein Schwingungssteuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 16 gezeigt, die die spektrale Energiedichte von Fehlersignalen zeigt, die von einem Lasermesssystem aufgenommen wurde, führt die Verwendung des Schwingungssteuersystems in einer dreifachen Reduktion der Systemantwort im Frequenzbereich von 75 bis 125 Hz. Die Verminderung des Scheitelpunktes durch die Verwendung des Schwingungssteuersystems kann nach Schätzungen zu einer Verminderung der Bildunschärfe des Systems um einen Faktor 2 bis 3 führen, nachdem konventionelle Verfahren zur Verminderung des Scheitelpunktes bei 50 Hz und 225 Hz eingesetzt wurden. Alternativ kann das Schwingungssteuersystem in einigen Fällen auch zur Verminderung der Scheitelpunkte bei 50 Hz oder 225 Hz oder bei anderen Werten eingesetzt werden. Die Verminderung der Bildunschärfe ermöglicht, dass das Herstellsystem feinere Bahnabmessungen und Bauteilgrößen erzeugt und die Genauigkeit der Bauteilplazierung verbessert.
Die vorhergehende Beschreibung von Ausführungsformen und Beispielen der vorliegenden Erfindung sind zur Erläuterung des Konstruktionsbereiches, mit dem sich die Erfindung befasst, ausgeführt. Personen, die auf dem technischen Gebiet Erfahrung haben, werden anerkennen, dass viele Variationen und Modifikationen der Erfindung, wie zuvor beschrieben, erfolgen können, ohne dass der Bereich derselben verlassen wird.

Claims

Herstellungssystem zur Herstellung elektronischer Komponenten aufweisend eine Linsenanordnung (410), eine Waferplattform (400), eine Stützstruktur (406) zum Unterstützen der Linsenanordnung (410) und der Waferplattform (400) und ein Schwingungssteuersystem aufweisend: eine Aktuatoranordnung (408, 408') aufweisend ein elektroaktives Element zur Steuerung der Schwingung, einen Sensor (404, 404', 404'', 404''') zur Ermittlung mindestens eines Parameters einer Verlagerung des Herstellungssystems und zur Erzeugung eines Signals als Antwort darauf und eine Schaltung in elektrischer Verbindung mit der Aktuatoranordnung und dem Sensor, wobei der Sensor bei Ermittlung des mindestens einen Parameters der Verlagerung durch den Sensor ein Signal an die Schaltung abgibt, die als Antwort darauf die Aktuatoranordnung aktiviert, um die Schwingung zu steuern, wobei das Herstellungssystem dadurch gekennzeichnet ist, dass das Schwingungssteuersystem an der Stützstruktur gesichert ist und die Aktuatoranordnung einen Leiter und einen Isolator (110) aufweist, wobei das elektroaktive Element, der Leiter und der Isolator (110) miteinander verbunden sind, so daß eine Spannung in der Ebene des elektroaktiven Elementes scher-gekoppelt von dem elektroaktiven Element zu dem Isolator ist, und wobei der Sensor angeordnet ist, um eine Verlagerung der Linsenanordnung relativ zu der Waferplattform zu ermitteln und dies der Schaltung zu signalisieren, welche in Antwort darauf ein Signal an die Aktuatoranordnung abgibt, so daß die Aktuatoranordnung die Verlagerung verringert.
Herstellungssystem nach Anspruch 1, wobei der Aktuator ein piezokeramischer Spannungsaktuator oder ein elektroaktiver Stapelaktuator ist.
Herstellungssystem nach Anspruch 1, wobei die Aktuatoranordnung mindestens zwei Aktuatoren aufweist.
Herstellungssystem nach Anspruch 1, wobei der Sensor (78) ein Laserverlagerungssensor oder ein Laserinterferometer ist.
Herstellungssystem nach Anspruch 1, wobei der Sensor mindestens zwei Sensoren (78) aufweist.
Herstellungssystem nach Anspruch 5, wobei mittels der mindestens zwei Sensoren mindestens zwei unterschiedliche Signale erzeugbar sind.
Herstellungssystem nach Anspruch 6, wobei die Schaltung die mindestens zwei unterschiedlichen Signale als die Summendifferenz zwischen den beiden unterschiedlichen Signalen interpretiert.
Herstellungssystem nach Anspruch 1, bei dem die elektronischen Komponenten aus Halbleiterchips, Leiterplatten, Flüssigkristallanzeigen und Dünnschichtbauelementen bestehen.
Herstellungssystem nach Anspruch 8, bei dem die Aktuatoranordnung die Schwingung des Herstellungssystems steuert, wodurch die Genauigkeit des Systems zur Herstellung elektronischer Komponenten erhöht ist.
Herstellungssystem nach Anspruch 8, bei dem die Aktuatoranordnung die Schwingung des Herstellungssystems steuert, wodurch die Herstellungsdurch satzleistung des Systems zur Herstellung elektronischer Komponenten erhöht ist.
Herstellungssystem nach Anspruch 1, bei dem das Herstellungssystem ein Bestückungssystem, ein Lithographiesystem oder ein Flüssigkristallanzeigenherstellungssystem ist.
Herstellungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Schwingung durch eine Störung außerhalb des Herstellungssystems zur Herstellung elektronischer Komponenten erzeugt ist.
Herstellungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Schwingung durch eine Störung innerhalb des Herstellungssystems zur Herstellung elektronischer Komponenten erzeugt ist.
Herstellungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Aktuatoranordnung abnehmbar innerhalb des Schwingungssteuersystems gesichert ist.
Herstellungssystem nach Anspruch 1, bei dem das Schwingungssteuersystem ferner eine elektrische Verbindung zum Koppeln des Schwingungssteuersystems mit dem Herstellungssystem aufweist, und bei dem die elektrische Verbindung ein Signal zu oder von dem Schwingungssteuersystem weiterleitet, wobei das Signal ein Einschalt-/Abschaltsignal, ein Systemstatussignal oder ein Störungs-/Fehlersignal ist.
Herstellungssystem nach Anspruch 1 ferner aufweisend ein Steuersystem, das mindestens einen Controller aufweist, der ein Signal erzeugt, und das in elektrischer Verbindung mit der Schaltung steht, wobei die Schaltung die Aktuatoranordnung als Antwort auf das Signal des Controllers aktiviert.
Herstellungssystem nach Anspruch 16, bei dem das Signal von dem Controller die lineare Verlagerung, das Auto-Tuning, die Verstärkungssteuerung, die externe Verstärkungsregelung, die Vorwärtsschubsteuerung oder die Rück wärtsschubsteuerung betrifft.
Verfahren zur Steuerung einer Schwingung eines Herstellungssystems nach Anspruch 1, bei dem die Stützstruktur einem Gerüst entspricht, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: Verbinden des Schwingungssteuersystems, so daß das Schwingungssteuersystem scher-gekoppelt mit dem Gerüst ist und daß Spannungen in der Ebene des elektroaktiven Elementes mechanisch durch den Isolator auf des Gerüst einwirken, wenn dem Leiter ein elektrisches Signal zugeführt wird, und Zuführen eines elektrischen Signals zu dem Leiter.