TW522293B - Method and device for vibration control - Google Patents

Description

522293 A7 _ ____B7__ 五、發明說明（ί·) 相關申請案 此申請案主張2001年3月9日所申請之美國專利申 請案第09/803302號之權益。 發明背景 在包含用於製造電子裝備或組件之系統的自動化表面 安裝（SMT)電子裝備的現有競爭市場中，精確性及速度 上的改善將爲主要的利益。此裝備常使用於製造例如半導 體晶片，印刷電路板，液晶顯示器，及薄膜裝置，且可具 有多重門架/頭部組件，線性馬達，光成像系統，蝕刻系 統，及/或若干其他技術之特性。本發明有關降低在操作 期間固有於此裝備中之振動的裝置及方法，藉此改善此裝 備之速度及精確性' 例如，現代之光成像術工具需要極高的曝光精確性， 此僅可達成於當工具中之關鍵點的彈性位移位準不會超過 若干奈米。因爲成像術工具含有許多諸如光罩及晶圓台之 移動部件，它們會受到作用於其結構上之暫留的擾動力。 此外，該工具結構會受到諸如地板振動及空氣擾流之環境 干擾。雖然該等干擾之位準可加以降低，但却無法完全地 消除。 存在有若干使用於限制成像術工具之彈性振動之現有 技術，例如可增加支撐諸如透鏡組件之主要元件的剛性， 可使用調諧之質量阻尼器，可整形施加於移動台之信號， 或可利用主動控制之空氣彈簧來隔離地板振動。雖然在降 3 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱1 ' ' 〜 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) # 訂---------線· 522293 A7 ------- - B7_ 五、發明說明（/ ) 低彈性振動中有效’但該等方法常無法符合更先進之光成 像術工具的嚴格要求。 目前控制SMT配置之裝備上振動的努力包含設置摩 擦性阻尼裝置於門架的末端處，此“摩擦體塊，，主要地作 爲使門架及頭部軌跡控制系統安定，且其亦已顯示在若干 fe fa及置放操作期間降低了穩定時間。然而，該摩擦體塊 之有效性會依據正常力（或裝載前）之精準調諧，且該摩 擦體塊易於快速磨損而大大地降低其有效性且以顆粒污染 了機器之其餘處。此外，該摩擦體塊抵抗著剛體之移動而 作業，會造成裝備較緩慢的操作。包含一致動器組件之本 發明的振動控制系統作用爲完全地置換該摩擦體塊而改善 穩定時間，或選擇性地結合該摩擦體塊而操作，提供操作 額外的精確性或速度。 本發明之一觀點有關致動器元件，有用於主動的振動 降低，結構控制，動態測試，精準定位，動作感測及控制 ，及主動的阻尼。諸如壓電，電致伸縮或磁致伸縮材料之 電活化材料係有用於此任務。在本發明—'實施例中，使用 裸露的電活化元件。在另一實施例中，如本文中所述地， 係使用封裝的電活化元件。 因此’改善係企望於其中振動控制於製造電子組件之 系統中的方式中以及企望於其中一致動器係配裝於將控制 之裝備的方式中。 發明槪要 在本發明一實施例中，提供一種振動控制系統，包含 _ 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ' ' ----------------I---訂 *--------I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522293 A7 五、發明說明（4 ) 一致動器組件，以及一感測器，用於感測移動或性能之參 數。尤其，該振動控制系統特別地有用於控制製造電子組 件之常包含一或更多門架組件，頭部組件，及/或移動台 或組件之系統中的振動。所打算之製造電子組件之系統包 含，但未受限於，檢及置放系統，成像術系統，及該等使 用於製造半導體晶片，電路板，液晶顯示器，及薄膜裝置 者。而且，本發明之裝置及方法將有用於製造任一種類之 諸如加工工具裝備，碾磨裝備之系統，或使用於自動化組 裝線中之系統。同時，所打算的是製造電子組件之系統， 其中系統包含一透鏡系統，一晶圓台，及一用於支撐該透 鏡系統及晶圓台之結構，在該結構處該透鏡系統會產生一 諸如將使用於現代光成像術中之影像於該晶圓台之上。 在一實施例中，一種使用於光成像術製造系統之主動 的振動控制系統包含下列組件：一感測器，測量關鍵點處 之位移位準或提供從該感測器可評估此資訊之資訊；一數 位或類比處理器，其可根據該感測器輸入來計算一控制信 號；以及一致動器，其可感應結構中之彈性位移。 尤其，在一較佳實施例中，一有用於結合光成像術使 用之主動的振動控制系統中之致動器係非反應性的且並不 需要背面支撐物（而要背面支撐物之致動器會激勵可再導 入於工具中之彈性振動於支撐結構中），以及具有極低的 失真輪廓（設計控制一給定之頻率或頻帶處之振動的致動 器陣列必須不會激勵任何振動於該頻帶之外）。 在一特定較佳的實施例中，根據本發明之振動控制系 _ 5__ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -· -ϋ H 1-· f— n n n 一-OJ* l n 1 n 線 522293 A7 _____B7_ 五、發明說明（令） 統包含一感應應變之致動器，其直接地作用於該結構之應 變狀態上而實際地不具有失真。此一致動器可激勵且因此 控制僅只於受控制結構之彈性振動模式而非所有其他之未 控制的振動模式（諸如不同之裝備外殼結構等之模式）.， 此將給與該控制系統簡單性及有力性。 在本發明之另一較佳實施例中，該振動控制系統進一 步地包含一電路，電性連擊於該致動器組件及該感測器。 在一實施例中，該感測器中繼有關移動，振動或性能之資 訊至該電路，該電路會響應而發信號於該致動器組件以控 制振動。其中本發明有用之該等系統中之振動可能係由於 外部之擾動或系統本身所產生之固有的擾動所產生的。 在本發明之又一較佳車例中，該振動控制系統進一步 地包含一電性之連接於該製造系統，該電性之連接可提供 製造系統傳送或接收該振動控制系統諸如致能信號或使失 效信號，系統狀態信號，或故障/誤差狀態信號。在另一 實施例中，根據本發明之電路包含一至少具有一控制器之 控制系統，此一控制系統可准許算動調諧，增益排程，外 部增益控制，或其可爲一線性前饋控制，或可作用爲另一 反饋控制之源。 在其中該振動控制系統具有一自動調諧控制之本發明 實施例中，在操作之前，該控制系統會注入一個或更多個 測i式號於該系統內以及測量響應，所測量之響應係使用 於改良設備之內部模型，且藉此修正控制增益。雖然迴路 係閉合的，但控制增益會保持恆常。 __ _ 6 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公H ----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Φ ---訂---------線 522293 a7 ____B7________ 五、發明說明（< ) 本發明之實施例中，其中該振動控制系統具有一增益 排程控制，該等控制器係在若干不同的操作點設計供系統 用。在檢拾及置放機之例子中，該等點將會檢拾及置放器 之不同位置·，該等控制器係儲存於數位控制系統的記憶體 中。在操作期間，感測器會即時地供給描繪該機組態之資 訊至控制器。當系統移動穿過各操作點時，控制系統會切 換到用於該點之最適化的控制增益。此之變化例爲，在時 間中使用於任一點的控制增益係線性地插置來自記憶體中 所儲存之若干控制器的增益供附近一些操作點用。 本發明實施例中，其中該振動控制系統具有一外部增 益控制，該控制系統包含一連接於電腦系統之輸入，該電 腦系統會監視該機器之整個性能。在時間中任一瞬間所實 施之控制器具有成比例於此信號之增益，監視系統會修正 此增益，直到獲得最佳的性能爲止。若性能由於緩慢的時 間變化而開始移到規格外之時，監視系統將重複該增益最 適化的順序。 在本發明之一實施例中，其中該振動控制系統具有一 除了反饋控制（藉源自監視結構性振動之感測器的信號所 驅動之控制器）之外的前饋控制，其將提供一與諧波干擾 (諸如馬達旋轉）同相的額外信號到控制器，該控制器會 前饋此信號一濾波形式，調整前控制相對於干擾信號之大 小及相位的增益會適應性地調整使該干擾在性能上的影響 最小化。 在本發明之若干實施例中，該致動器組件可包含一應 7 ___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ! n I ϋ I— m l I n HI eummmm n n - n en n n n n · n n I 111 -=-1 n I I (請先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁) 522293 A7 ____B7 _ 五、發明說明（l ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 變致動器，一電活化應變致動器，一壓電陶質應變致動器 ，一電活化堆疊致動器，或至少兩個致動器。在本發明之 再一實施例中，該致動器組件係電性地連繫於該感測器。 同時，在本發明之若干實施例中，該感測器可包含一 應變感測器，一過載指示器，雷射位移感測器，雷射干涉 儀，或至少兩個感測器。在本發明之另一實施例中，該感 測器可包含測量至少兩個不同信號之至少兩個感測器。在 一較佳實施中，該感測器會直接地測量某一相關於其中本 發明有用的該等系統之性能的形態。 在本發明一特別優異之實施例中，該振動控制系統包 含一電子連結或電纜，提供有關於門架及頭部軌跡之資訊 0 根據本發明之致動器組件可包含：一個或更多個應變 元件，諸如壓電或電致伸縮板，外殼，纖維或複合物；一 外殼，形成一保護體於該元件周圍；以及電性接點，安裝 於該外殼中及連接於該應變元件；該等部件一起形成一撓 性卡片。該組件之至少一邊包含一薄片，該薄片係配裝於 該應變元件之主要面，且藉接合該薄片之外部於一物體而 取得一剛性無剪力之耦合於該物體與該外殼中的應變元件 之間。 在一較佳實施例中，該等應變元件爲壓電陶質板，其 相當地薄，較佳地在稍微小於八分之一毫米至若干毫米厚 度之間，且其具有寬度或長度尺寸或兩者皆有之尺寸十倍 或百倍大於厚度尺寸之相當大的表面面積。一金屬化之膜 __ 8_________ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)a4規格（210 X 297公釐） 522293 A7 ----------- B7___ 五、發明說明（η ) 製成電極接點，而接合劑及絕緣材料密封該裝置以阻止層 間剝離’破裂及周遭暴露。所使用之接合劑可爲諸如Β級 或C級環氧之環氧，熱塑性，或任何其他有效於接合壓電 陶質板’金屬膜及絕緣材料在一起之材料，所使用之特定 的接合劑將根據該裝置之所打算的應用。在一較佳實施例 中’該金屬膜及絕緣材料均提供於堅靱之聚合物材料的撓 性電路中’藉此提供剛硬的機械及電性耦合於密閉的元件 。選擇性地’該金屬膜可直接地位於該壓電陶質板之上， 以及該絕緣材料可具有電氣接點。 藉由解說之方式，下一實施例將說明一利用矩形ρζτ 板的結構，四分之一毫米厚而具有各爲一至三厘米之長度 及寬度尺寸’因此，各元件具有一面積爲一至十平方厘米 的主動應變產生面。該等ΡΖΤ板係安裝於例如二分之一， 一或二密爾（mil)聚乙醯胺之剛硬聚合物薄片之上或之間 ’該聚合物係銅包蓋於一面或兩面之上且具有一形成該該 銅層中用於接觸PZT板之合適的導電性電極圖案，不同的 間隔物包圍該等板，且整個結構與一結構性聚合物接合爲 一具有厚度約相同於板厚度，例如30至50毫米厚度之防 水，絕緣的密閉封裝。藉此密封，該封裝可彎曲，伸延及 撓曲，以及忍受強烈的衝擊而不會折斷包含於其內之易碎 的PZT元件。進一步地，因爲導體圖案堅固地附著於聚乙 醯胺薄片，甚至該PZT元件破裂並不會作用該等電極，或 即使該PZT元件破裂也會防止致動於該元件之全部區域上 ，否則將有效地使其性能劣化。 _ 9 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 522293 A7 ______ —_B7 _ 五、發明說明（& ) 該薄封裝以一小“卡片，，之方式與電極成整體地形成 完整的模組單元，然後該封裝可便利地藉接合一面於一結 構而配裝，使其耦合該密封之應變元件與該結構間之應變 ，例如此可藉簡卓地以一黏者劑來配裝該封裝以建立一薄 的，咼剪力強度之耦合於PZT板而就整體而言僅添加了最 小的質量於該系統。該等板可爲耦合能量於所配裝結構內 的致動器，或響應於來自所配裝結構所耦合之應變的感測 器。 在不同實施例中，特定之電極圖案係選擇性地形成於 薄片上以共平面地或交叉平面地接極該等ρζτ板，而多重 層之ΡΖΤ元件可以以單一·^片設置或堆疊而造成彎曲或歪 斜，及甚至特定的扭曲致動。 根據本發明之進一步的觀點，電路元件形成於該振動 控制系統中或在一起，而濾波，分路，或處理ΡΖΤ元件所 產生之信號，感測機械性周遭，或甚至局部地執行開關或 功率放大以用於驅動該等致動元件。該致動器封裝可以以 諸如半圓筒體之預成形ΡΖΤ元件來形成在適用於配裝管線 ，棒或軸之模組化表面安裝殼之內。 圖式簡單說明 本發明之該等及其他所企望之性質將從描繪性實施例 之詳細說明予以理解，其中： 第1Α圖係典型之習知技術致動器之系統圖； 第1Β及1C圖係根據本發明之兩系統的相對應圖； __ _ 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .· 訂i •線丨-- 522293 B7 五、發明說明（f ) 第2A及2B圖分別地顯示根據本發明之基本致動器或 感測器卡片之頂部及橫剖面圖；第2C圖描繪具有電路元 件之致動器或感測器卡片； 第3圖描繪另一卡片； 第4A及4B圖顯示穿過第3圖卡片之剖面； 第5及5A圖顯示第3圖卡片之層結構的細節； 第6圖顯示共平面致動之致動器封裝梳狀電極； 第7圖描繪利用第6圖卡片之扭曲的致動器封裝； 第8A及8B圖分別地顯示安裝在一表面上或一棒上當 作表面安裝致動器的致動器； 第9圖顯示安裝爲機械元件之致動器； 第1〇圖顯示用於門架之電活化振動控制系統之實施 例的方塊圖； 第11圖顯示門架尖端處不具有及具有電活化振動控 制之收集及置放器上的模擬頻率響應； 第12圖顯示不具有及具有電活化控制之收集及置放 器的模擬時間響應； 第13圖顯示擴增之應變能量濃度； 第14圖顯示具有根據本發明之振動控制系統之檢拾 及置放機器的頻率響應上閉路測試之結果； 第15圖顯示具有根據本發明之振動控制系統之檢拾 及置放機器的增益控制上閉路測試之結果； 第16圖顯示在成像機中之雷射量測系統所記錄之誤 差信號之功率頻譜密度； ________ _π____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · ϋ n n n n n n )rJ« n n n n n n n 1 A7 522293 五、發明說明（) 第π至20圖顯示如使用於一製造系統之本發明的不 同實施例； 第21圖顯示如使用於一製造系統之本發明的實施例 9 第22圖顯示晶圓台及晶圓台基座之簡化的二維物理 模型； 第23圖顯示控制器結果； 第24圖顯示用於台控制之方塊圖； 第25圖顯示實驗及分析結果；以及 第26圖顯示實驗及分析結果。 元件符號說明 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ---------^---------!^w— 414,414，，414，，，414”， 螺栓 400 晶圓台 402 光罩台 4〇4,404，，404’，，404”， 雷射干涉儀 406 支撐結構 410 透鏡組件 408,4085 致動器 412 板 10 表面安裝式壓電致動器總成 20 結構 12 薄片 14，16 聚合物 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 522293 A7 _^___B7 五、發明說明（丨I ) 18 絕緣物 30 外部控制系統 32a,32b 線 35 應表 13 5分鐘環氧 40 模組化封裝 50 控制系統 60 模組化封裝 100 基本實施例 110 薄膜(薄片） 111 電極 llla，lllb 墊或島狀物 120 框架構件 112 壓電板元件 114,116 層 70 裝置 71，72,73 ί也ΙΕ 75 電池 77 放大器 78 應變表 79 微處理器 81 電路導體 82a，82b 電路元件 84 電活化板 13 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) # 訂---------線—秦 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 522293 A7 ___B7 五、發明說明（/>〇 200 致動器封裝 210 矩形聚乙醯胺薄片 210a 末端翼片 211 電極 211a 單一流道 220a，220b，220c 間隔物元件 216 壓電板 230 縫隙 214a 空穴 214b 開口 214 可硬化接合層 215 膜 300 致動器實施例 340,342 電極 340a，342a 梳 501 晶圓台基座 500 晶圓台 502,503,504 氣力系統 510 微處理器系統 600,601,602 過載指示器 606 信號調整器 607 單一電路板電腦 612a，b，c 電壓信號 613 類比輸出信號 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂 i -線» 522293 A7 五、發明說明（〇 ) 608,609,610,61 1 馬達 603,604 干涉儀 較佳實施例詳細說明 申請人已發展出一種特別有用於控制製造電子組件之 系統中振動的振動控制系統，本發明之振動控制系統有效 於控制外部地產生於製造組件之系統中，或內部地產生於 該系統中，或固有於該系統中之振動。內部振動可由使用 於製造系統中之諸如步進或D.C·馬達之種種馬達，或水壓 或氣壓致動器所造成。 根據本發明之振動控制系統可包含電活化致動器及感 測器，集成於製造系統。控制及電源電子裝置可爲分立之 單元，位在毗鄰於裝備且透過透當的連結電纜連接於致動 器及感測器。選擇地，該控制及電源電子裝置可以與製造 系統爲一完全的集成系統。 電活化致動器可以以不同的方式固定於或在製造系統 之內。例如，如第17，19及20圖中所示，該致動器可藉 一螺栓414，或壓抵著或穿過致動器，而固定於適當處之 內。另一種方式地，該致動器可藉摩擦力，張力或合適力 予以固定。在一貫施例中，如第18圖中所示，致動器接合 於板412，該板依序地以螺栓414，414,，414，，，及414，，, 固定於製造系統之組件。在另一實施例中，致動器係接合 於〜板，該板再以螺栓固定於第二板，而該第二板接著以 螺拴固定於製造組件之組件。在另一實施例中，致動器總 ___ __ 15 t、紙張尺£^用中關家標準（CNS)A4規格（21^Γ297公$ ' -- ---------------·--------訂---------線· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522293 B7 五、發明說明（作） 成可拆卸地固定於振動控制系統之內，或可拆卸地固定於 製造系統之組件。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第21圖顯示使用於製造系統中之本發明的實施例。 在此實施例中，製造系統包含一晶圓台400，一光罩台402 ，具有X及Υ反射鏡之雷射干涉儀404，404’，404”，及 404’’’，以及一支撐結構406，該支撐結構406支撐一透鏡 組件410，該等干涉儀404，404,，404”及404”，係定位於 晶圓台400，光罩台402之上，以及在透鏡組件410之上 ，安裝在該支撐結構406上的是兩個致動器408及408,， 例如該致動器包含電活化元件，各該等致動器408及408, 電性連接於電路，來自干涉儀404，404，，404”，及 4〇4’’’之信號係透過SBC類比式I/O頻道及放大器而中繼 於在響應上以控制製造系統內之振動。藉控制製造系統內 之振動，可改善晶圓台上之半導體中配置的精確性及金屬 踪跡的絕對大小。另一種方式地，或額外地，可增加該製 造系統之輸貫量而不會降低精確性。 在本發明中有用的是電活化致動器組件。第1A圖以 圖式來描繪習知技術表面安裝式壓電致動器組件10之方法 及整個設置，可爲一結構性或機械元件，一板，一翼面， 或其他交互作用薄片，或一裝置或其部件具有一藉導電性 及結構性聚合物14，16之某一組合而接合於該處之精緻材 料薄片12。可整個地或部分地由結構性聚合物16所形成 之絕緣物18密封及保護該精緻材料，而導電性引線或表面 電極則藉導電性聚合物予以形成或配裝。外部控制系統30 —__ 16 衣1气張中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公ί! " 祕 ' 522293 A7 __________B7__ 五、發明說明（（< ) 提供驅動信號沿著線32a ’ 32b到該精緻材料，且可接收來 自諸如應變計35之表面安裝儀器之測量信號，外部控制系 統30會從該測量信號產生適當的驅動信號。種種形式之控 制係可行的，例如該應力計可定位以感測自然諧振之激勵 ，以及該振動系統30可簡單地致動PZT元件來響應感測 器輸出以便使結構變硬且藉此偏移其諧振頻率。另一方式 地，藉感測器所感測之振動可反饋當作處理之相位延遲驅 動信號而使發生之動態狀態無效，或該致動器可驅動用於 移動控制。在較佳理解之機械系統，控制系統可程式規劃 以辨識經驗上之情況，即如空氣動力狀態或事件，而選擇 使驅動信號之增益及相位特化之特別控制法則供各致動器 12用，而達成所企望之改變。 用於所有此等應用，需要主要的作業以配裝裸露之 PZT板於其控制電路及工件，且許多組合步驟會遭遇不良 ，或當企望定量控制時會在其已組合後需要擴增裝置之模 型化以便建立操作之有效模式的控制參數而適用於在製造 過程中所獲得之特定的厚度及機械剛性。當電活化元件接 合於板時，封裝其之好處在於可達成電性隔離或電容性去 観口 賊板’結構或製造系統之任一^部件。 第1B圖顯示有用於本發明一實施例中之致動器組件 。如圖示地’其係簡單地以一諸如5分鐘環氧13之快速設 定黏著劑配裝於結構2〇或在其他組態中配裝於一點或線之 換組化封裝或卡片4〇，因此，感測及控制之操作將有利於 可更1即女裝及均勻模型化之致動器結構。尤其，模組化 本紙張尺度適用中國規格⑵』·--- ------------·τι^-----訂 -----—ά# (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522293 B7 五、發明說明（4 ) 封裝40具有卡片之形式，即，一剛性但可彎曲之板而具有 一或更多個連接器，較佳地以墊之形式定位於其邊緣（未 圖示）以插入該多接腳之插座，使其可連接於一簡單的控 制系統。如參照第2C圖更詳細地解說於下文，該模組化 力寸:40亦可結合平面式或低橫剖面之電路兀件，目亥寺兀件 可包含諸如權衡或分路電阻，阻抗匹配器，濾波器及信號 處理前置放大器之信號處理元件，且可進一步地包含開關 電晶體及其他元件而在直接數位控制下操作，使得僅需外 部電性連接該等微處理器或邏輯控制器，及電源供應器。 尤其，在可應用於若干低功率控制情勢之進一步的實 施例中，如第1C圖中所示之模組化封裝60可包含其本身 之電源，諸如電池或蓄電池，以及可包含一控制器，諸如 微處理器晶片或可程式規劃之邏輯陣列，而操作在板上之 驅動器及分路，藉此實現一完整組合之感測及控制操作而 無需任何外部電路連接。 本發明特定地有關壓電聚合物，以及有關諸如燒結之 金屬銷酸塩，鈮酸塩晶體之材料，或剛硬但會相當易碎之 類似的壓電陶質材料，亦有關電致伸縮材料。如下文申請 專利範圍中所使用之壓電及電致伸縮元件二者將稱爲電活 化元件，其中該等元件之材料具有電機械性質，高剛性會 本質地用於有效地轉移橫跨在元件表面之應變到典型地由 金屬或硬結構聚合物所製成之結構或工件外部，而本發明 在其致動器之觀點中大致地並未考慮軟性聚合物壓電材料 。雖然名詞“剛性”與“軟性”係相對的，但將理解的是 一 18 _ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) t —訂---- 線 522293 A7 B7 五、發明說明（ ，當剛性應用於一致動器時，該剛性係大致地爲具有楊氏 模數（Yo賴g’s modulus)大於〇·1χι〇6且較佳地大於2χ 10ό之金屬，硬化環氧，高科技複合物或其他剛性材料之剛 性。當建構感測器來取代致動器時，本發明亦考慮使用諸 如水偏一'藏乙細（P〇lyvinglidene difluoride ) ( PVDF )膜 之低剛性的壓電材料及低硬化溫度接合或黏著材料.之取代 物。然而，主要結構之要求產生於上述第一級之壓電材料 ，現將說明於下。 大致地’本發明包含新穎形式之致動器及製造此等致 動器之方法，其中“致動器，，係瞭解爲意指一完整的機械 地有用裝置，當加能時，該致動器會耦合力，移動，或類 似者至一物體或結構。在其廣義的形式中，致動器的製造 包含“封裝”未加工的電活化元件以使其機械性地有用。 例如，未加工的電活化壓電材料或“元件，，一般以許多半 處理之巨材料形式存在，包含在基形狀中之未加工的壓電 材料，諸如片狀，環狀，墊圏狀，圓柱狀及板狀，以及更 複雜或複合形式’諸如堆疊狀，或混合形式，包含巨材料 與一 δ者如核桿之機械兀件。該等材料或未加工元件可具有 塗覆於一或更多表面上扮演電性接點之金屬，或可非金屬 化。在下文的解說中，壓電材料將藉由實例予以說明，且 所有該等形式之未加工材料將稱爲“元件”，“材料”， 或“電活化元件”。如上述地，本發明進一步地包含藉該 等方法所製成而操作爲換能器的結構或裝置以感測應變， 振動，位置或其他物理特徵，而非致動，使得可應用於下 19 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） --------------------訂.-------- (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁〕 522293 A7 __ B7 __ 五、發明說明（J ) 文中，該名詞“致動器”可包含感測換能器。 本發明實施例採用該等剛性電性致動材料於薄片__ 碟狀，環狀，板狀及圓柱狀或殼狀中，在厚度上爲若:干毫 米以下，而圖繪地約五分之一至四分之一毫米厚。有利地 ’此薄的尺寸允許在相當低的總電位差時在相當於板的厚; 度尺寸之距離上取得高電場強度，使得全比例上之壓電致 動可以以十至五十伏特，或更小的驅動電壓來達成。此一 薄的尺寸亦允許該元件附著於物體而不會太大地改變該物 體之結構或物理響應特徵。然而，在習知技術中，此等薄 的元件係易碎的且會由於當處理，組裝或硬化時之不規則 應力而破裂，甚至從數厘米掉落之衝擊也會使壓電陶質板 斷裂，而在折斷之前僅能忍受極小的彎曲偏折。 根據本發明，薄的電性致動元件係藉剛性絕緣材料層 予以包封，其中至少一層爲已製作圖案於其表面之堅韌薄 膜且其係比元件本身更薄的硬膜，封裝係由壓電元件，絕 緣層，以及不同的間隔物或結構性充塡材料所組合，使得 電極，壓電元件，及包封膜或層在一起形成一閑度並未實 質地大於裸露的致動元件之厚度。如下文將描述地，當元 件設置於若干層中之時，該封裝厚度並未感覺到此該堆疊 之致動元件之厚度總和更大。 第2Α圖描繪本發明之基本實施例1〇〇，諸如聚乙醯 胺材料之高度絕緣材料的薄膜u〇係金屬化，典型地銅包 蓋於至少一面上，且形成一共延伸於或稍大於完成之致動 封裝的矩形。有效於製造多層電路板中所使用之合適材料 _______ 20 ____ — 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21Q x 297公爱） n n n n n ϋ lm§ i ί ϋ n n ·ϋ n n I— n n 一 · I 1 : n n Hi n I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522293 A7 _____B7 —___ 五、發明說明（/ f ) 係由 Rogers Corporation of Chandler，Arizona 販售爲 Flex- I-Mid 3000無黏著劑電路材料，且包含聚乙醯胺膜形成於 捲筒之銅箔上，大小之範圍係商售有17至70微米厚度之 金屬箔，集成地塗覆有13至50微米厚度之聚乙醯胺膜， 其他厚度亦可製造。在此商用材料中，該箔及聚合物係直 接地配裝而無需黏著劑，使得金屬層可藉習知之光罩法及 蝕刻法予以製作圖案，且可以以下文所更完整地描述之方 式來建構多重製作圖案之層於多層板之內，而不會使殘留 的黏著劑變弱該總成或造成層間剝離。該捲筒之銅箔會提 供高的共平面張力強度，而該聚乙醯胺膜則提供強的，硬 的及無缺陷電性絕緣障壁。 在下文所述的結構中，該膜不僅建構一絕緣物於電極 之上而且建構裝置之外部表面，因此，要求具有高介電強 度，高剪力強度，防水性及接合於其他表面的能力。就使 用於較佳製造過程中之溫度處理而言，高的抗熱性係必須 的，且亦需要某些應用環境。大致地，聚醯胺/乙醯胺已 發現有效，但亦可使用其他諸如具有類似性質之聚酯或熱 塑性之材料。 在本結構中，該箔層係藉習知之光罩及飩刻技術（例 如光阻光罩及製作圖案法，接著藉氧化鐵蝕刻）而形成接 觸壓電板元件之表面的電極。選擇性地，可使用更柔軟， 薄的導電層，例如可使用銀導電性油墨印製薄的導電層於 聚合物膜上或直接地在壓電元件之上。在第2A圖中，電 極111可延伸在矩形內部之一個或更多個子地區之上且引 21 尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐1 " --------------------訂---------«^wi (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522293 A7 ---------—---—_ 五、發明說明（Z) 線到延伸在裝置邊緣處之強化墊或島狀物ma，mb，該 等電極係安排於圖案中而沿著橫跨元件之整個長度及寬度 之廣泛地轉彎的路徑，藉此確保元件維持連接而不管電極 或壓電元件中之小碎裂或局部斷裂之發生。框架構件12〇 係定位圍繞薄片110之周邊，且至少一壓電板元件112係 位於中心區，使得該壓電板元件112可由電極ln接觸。 該框架構件120作用爲邊緣接合，使得薄的疊層不會延伸 到邊緣，且它們亦作用爲下文將進一步描述之熱壓製組合 ί采作之厚度間隔物，以及在組合該疊層封裝之初始階段期 間當作界定所插入之壓電板位置之位置記號。 第2Α圖爲部分不意圖，因爲其並未顯示固定在一起 之包含另一半透明頂部層116 (第2Β圖）之裝置的層結構 ’貫際上該半透明頂部層延伸在板112上且與間隔物120 及薄片110 —起包圍該組件。一類似層η4係位在壓電元 件下方而具有適用之切口以允許電極111接觸元件。較佳 地，層114，116係由可硬化之環氧薄片材料所形成，其具 有硬化之厚度相等於金屬電極層之厚度且其扮演一黏著層 而結合接觸其於各面上之材料在一起。當硬化時，此環氧 建構該裝置之結構體且使該組件剛硬，整個地延伸在壓電 元件之表面的實質部分上而強化該元件及阻止裂痕成長， 藉此增加其壽命。此外，環氧會實際地自此層以極細微地 薄而高度地不連續的膜予以散布在該等電極上大約0.0025 毫米厚，而堅固地接合該等電極於壓電板，且具有足夠數 目之空隙及針孔，使該等電極與壓電元件間之直接電性接 22 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) f 訂----- 線 木纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 522293 __________B7__ 五、發明說明（rl ) 觸仍可發生於實質的及分配的接觸區域之上。 第2B圖顯示第2A圖實施例之橫剖面視圖，但未繪出’ 比例尺。利用槪略的比例，取壓電板112之厚度爲0.2至 0.25毫米，絕緣膜110爲更薄，並未超過板厚度之十分之 一到五分之一，以及導電性銅電極層111可典型地具有10 至50微米的厚度，雖然後者範圍並非一阻限制之範圍，但 代表一可電性服務，便利製造，且並不會太厚而影響應變 轉移或引起層間剝離問題之電極厚度的有效範圍。結構性 環氧114會在各層中充塡電極111間的空間且具有大約相 等於該等電極的厚度，使得整個組件形成固體塊狀物。間 隔物120係由可相對壓縮之材料形成，具有低的彈性模式 ，諸如相對地未交鏈之聚合物，而當使用於如下文所述之 壓力硬化樹脂時，較佳地，厚度槪略地相等於該壓電陶質 板或元件的堆疊，使得它們可形成邊緣接合而包圍膜Π0 之頂部與底部層之間的其他組件。 較佳的製造方法包含當層Π6硬化時施加壓力於整個 封裝，間隔物120作用爲對齊壓電陶質板與任何電路元件 ，如下文參閱第3至5圖中之所述，而其將在組裝期間形 成稍微壓縮之框架於硬化步驟中，此時其可形變以密封邊 緣而不會留下任何應力或不規則性。壓縮會消除空隙而提 供一緊密及無裂痕之固體介質，而硬化之熱量將實現高度 的交鏈，造成高強度及剛性° 第2A，2B圖之實施例的組裝過程係如下所述。各約 0.025至0.050毫米之一片或更多片銅包蓋之聚乙醯胺膜係 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格mo X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) t 訂---------線- 23__ __ 522293 A7 ___ _ B7 __ 五、發明說明.（>/：〇 切割爲稍大於最終之致動器封裝尺寸之大小，該膜之銅側 係遮罩及製作圖案以形成所企望形狀之電極，用於與導電 性引線及任何所企望之陸地或接達端子一起接觸壓電元件 。一耙形電極圖案係顯示具有三叉，定位以接觸壓電元件 之一面的中心及兩側，但在其他實施例中，則使用Η形或 梳狀形。相似於電路板或半導體處理技術，圖案製作法可 藉光罩法，蝕刻法及隨後之淸洗法予以完成。該光罩法可 藉光阻圖案製作法，網印法，帶遮罩法，或其他合適的方 法予以實現。如古典的印刷電路板一樣地，聚乙醯胺膜之 各該等電極件會界定電路元件或致動器薄片的位置，且將 在下文中簡稱爲“撓性電路”。然而，本發明之方法及裝 置除了“撓性電路”外，亦考慮使用電極式壓電元件，絕 緣物，以及電性接點。 然後，以匹配電極圖案之貫穿孔選擇地切割具有相同 厚度或稍大於電極箔層厚度之未硬化的薄片環氧材料，使 得當組裝及置於各撓性電路上之時強化電性接點，所以其 黏著於撓性電路及形成一平面層於電極部分之間且圍繞電 極部分。然後，從附著於該撓性電路之環氧層去除背覆， 以及放置預切割之間隔物於撓性電路之角落及邊緣處之位 置中。該等間隔物會勾勒出框架輪廓，該框架延伸在電極 的平面上以及界定出一個或更多個凹以便在接著之組裝步 驟中配裝壓電元件於內。接著，放置壓電元件於間隔物所 界之凹處中，以及放置一具有其本身之平面/接合層114 之第二電極膜111，Π2於元件上一形成壓電元件頂部電極 24 ___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------^---------^ «.^w— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522293 A7 ____ B7___ 五、發明說明（>)) 接點之位置中。若該裝置具有若干層之壓電元件，例如將 爲某些折彎致動器結構之例子時，則重複該等組裝步驟以 用於各額外之電極膜及壓電板。須注意的是，當形成一中 間電極層，其接觸中間薄片上方及下方之致動器元件時， 可使用包蓋及製作圖案於其兩面之上的聚乙醯胺膜。 一旦所有的元件在適當位置時，則放置製作圖案之撓 性電路’壓電薄片，間隔物及可硬化之製作圖案的環氧層 之完整的夾層組件於加熱平台間之壓機中，且以一升高之 溫度及壓力予以硬化而使該組件固化爲一剛硬，無裂痕之 致動器卡片。在一代表性之實施例中，使用在350°F及50 至lOOpsi，30分鐘的硬化週期。環氧係選擇具有硬化溫度 在壓電元件之去極化溫度之下，但未到達一高度的剛性。 上述結構描繪一簡單的致動器卡片，該致動器卡片具 有一單一之壓電板，夾置於兩電極膜之間，使得該板有效 地透過薄膜來轉移剪力應變到該致動器卡片的表面。藉層 厚度之平方來除剪力模數所獲得之稱爲伽瑪（r)係爲轉 移效率，其之量測係依據環氧114之模數及厚度，滾筒狀 箔電極111，及聚乙醯胺膜110而定。在一代表性之實施 例中，其中環氧及銅電極層爲1.4密爾厚而環氧具有0.5X 1〇6之模數時，可獲得大約9X101()磅/英吋4之伽瑪；利 用較薄之環氧層及具有0.8密爾箔之膜，可獲得實質更高 的T。大致地，電極/環氧層之伽瑪大於5 X 101()磅/英吋4 ，而該膜之伽瑪則大於2X101()磅/英吋4。 應注意的是，利用10密爾厚之PZT致動器板，具有 25 _ 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522293 A7 ^------〜 五、發明說明_(外） 兩片PZT板相互堆疊與三片撓性電路電極膜層（中間層係 兩面包蓋以接觸兩板）之卡片具有2 8密爾之總厚度’僅百 分之五十大於單獨板厚度。就質量負荷而言，致動器元件 之重量代表此組件之總重量的90%。大致地，在其他結_ 中，該等板占有封裝厚度的50至70%且建構該封裝質麾 的70至90%。所以，該致動器本身允許接近理論之性能 模型，此結構同樣地提供了高度的多用途性以用於實現彎 曲物（如方才所述）以及單片堆疊或陣列。 根據本發明所建構之致動器的另一有用的性能指數_ 致動器應變ε對於無壓電元件應變Λ之高比例，其大約（ 0.8)用於本文中所述之兩層實施例，且大致地大於（0.5) 。相似地，封裝對於無元件曲率的比例Κ大約爲0.85 ξ 0.90用於所描述之結構，且大致地大於0.7。 所以’大體上’在建構一'壓電兀件嵌入於燒性電路中 所涉及的封裝會不利其重量及電機械操作特徵在50%以'^ 且小至10%，而在其他重要觀點中却大大地增強其硬度及 機械操作範圍。例如，雖添加薄片封裝結構於基礎元件相: 呈現降低所獲得之Κ，但在實際使用中該撓性卡片結構將 產生壓電彎曲物之結構，其中可達成更大的偏折，因爲可 製造大片板的結構且可重複地致動高曲率而無裂痕故障或 其他機械故障模式產生。若干圖式將描繪產生此等增強物 理特徵之種種結構。 首先，嵌入於撓性電路間之電活化元件之結構不僅提 供一具有可預測響應特徵之低質量的單一機械結構，而且 ___26 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） "~~ ----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Φ--------訂· 線· 522293 A7 _____B7 ___ 五、發明說明（rS ) 允許結合電路元件於致動器卡片之內或之上。第2C圖顯 示此形式之一裝置70的頂視.圖，其中地區71，73各含有 寬廣的電活化薄，而中心地區72則含有電路或功率元件， 包含電池75，平面式功率放大或組合之放大器77，微處理 器79，及複數個應變計78。其他電路元件82a，82b可位 於沿著圍繞周邊之電路導體81之路徑的其他處。例如其他 實施例，間隔物120會界定裝置之布局及密封邊緣，而電 極111會配裝該等電活化元件於現已內建之處理或控制電 路。該等電路元件82a，82b可包含權衡電阻器，若該裝置 操作爲感測器時；或分路電阻器以實施被動阻尼控制。選 擇地，它們可爲濾液，放大，阻抗匹配或儲存元件，諸如 電容器’放大器或類似物。無論如何，該等元件亦係位於 遠離電活化板84。該等組件可共同地感測應變及實施不同 圖案之致動以響應所感測之情形，或執行其他感測或控制 任務。 現回顧本發明之致動器形態，第3圖顯示一致動器封 裝200之頂視圖，該致動器封裝200具有大約1.25X9.00X 0.030英吋之寸且組裝有兩層之各4板的壓電板。具有末端 翼片210a之矩形聚乙醯胺薄片210承載Η形格子形式之薄 銅線之電極211，該等銅線彼此互連且連接於一引線至翼 片之單一流道211a，藉此直接地提供一低阻抗之連接於保 持該等壓電板之各4個矩形地區。 Η形之間隔物元件220a，220b，或L形之間隔物元件 220c會隔開轉角及繪出用於壓電板216位置的矩形空間之 ___ 27 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公" (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂---------- 522293 A7 ___B7____ 五、發明說明（>|^ ) 輪廓。在此實施例中，將進一步地在下文中解說之複數個 縫隙230出現在毗鄰之Η間隔物或L間隔物之間。從下文 說明將明白的是，該等小的，分立的間隔物元件之使用（I ，Τ或0形之間隔物亦係適合的）會增加，因爲它們可立 即地在組裝期間置放於發黏之接合環氧層114之上，而畫 出組件位置及形成一接納凹處供壓電元件用。然而，間隔 物結構並未受限於此一聚集之分立元件，而是可爲單一或 一對框件，形成爲一衝孔薄片或模鑄框架以提供所有或一 個或更多的定向及/或密封邊緣，或用於保持電路組件致 動之凹處。 第5圖分別地描繪各三薄片，電極及壓電板層之頂視 圖，而第5Α圖描繪膜，導體，及間隔物/壓電層之大致 成層之順序。如圖示地，該等間隔物220及壓電板216建 構一單一層於各配對之電極層之間。 第4Α及4Β圖（未依比例尺繪製）描繪第3圖中所組 裝之致動器沿著“Α”及“Β”所示位置處之垂直剖面的層 結構。如第4Α圖中所更詳細顯示地，一製作圖案之環氧 薄片214接合層係共平面於各電極層211且充塡電極間之 空間，而間隔物220c則與壓電板216共平面且實質地與該 板相同厚度或稍微更厚。如圖式地，壓電板216爲一 PZT-5A陶質板，以5至20密爾厚度商售且具有連續的導 電層216a覆蓋各面，用於接觸電極211 ;間隔物220係由 具有軟化溫度約250°C之略可壓縮之塑膠所形成，此允許 相當程度之一致性於硬化溫度，使間隔物材料可在組裝過 28 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) f 訂*丨 ---線' 522293 A7 —____ B7__ 五、發明說明（Μ ) 程期間充塡微小的空穴214a。如第4Β圖中所示地，在間 隔物間之縫隙230 (當配置時）可造成開口 214b，而開口 214b可給與來自可硬化接合層214之過量環氧出口，以及 可在硬化過程期間充塡有環氧。如圖示地，若干量的環氧 亦會流入於電極211與壓電板216間之膜215的補綻之內 ，因爲大量及連續程度之電極211，此補綻洩露之環氧並 不會損害到與壓電元件之電性接觸以及損害到可提供防止 電極層間剝離之額外的結構性連接。 將理解的是，具有所描繪之電極設置，各垂直堆疊配 對的壓電板可相互反抗地致動來引起彎曲，或更多的分立 電極可配置以允許不同配對之板以不同方式來致動。大致 地，如上文所示，本發明甚至考慮到相當複雜的系統，包 含許多以不同方式致動之分立元件以及將感測，控制，功 率或阻尼元件均安裝在同一卡片之上。關於此點，藉其撓 性可進一步地提供使該卡片適合於實際任務之大大的撓性 。大致地，其相較於30密爾厚之環氧條之撓性將具有更易 彎曲的撓性，使其可折彎，敲打或振動而不會損壞，在其 中並未封合壓電元件之中心線（第3圖）的地區中，其亦 可劇烈地折彎或彎曲而順從於配裝表面或轉角。該等元件 亦可極化以改變共平面或橫斷面之尺寸，因此，該等致動 器可以以下述方式配裝而傳輸應變於毗鄰的表面，即，有 效於執行任何上述之控制動作，或發出諸如撓曲，剪力或 壓縮波之特定波形或形式的聲音能量於毗鄰表面之內。 第6圖顯示另一致動器實施例300。在此實施例中所 29 一 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -· n 11 an n n n n J,Ja J n ϋ

m n n n I 線丨擎 522293 B7 五、發明說明（) 示意描繪的’並未顯不运氧接合層’膜及間隔物兀件’而 是僅描繪電極及壓電薄片以表達操作之機制。一第一組之 電極340與第二組之電極340均配置於同一層之中，各具 有梳狀而兩梳互指，使得致動電場會建立於一梳之齒與另 一梳之毗鄰齒之間。在第6圖中，一平行配對之梳340a， 342a係配置於壓電薄片之另一面而具有梳電極340連接於 340a及梳電極342連接於342a ’以建立具有等電位線“e ”延伸穿過壓電薄片之電場及共平面電位梯度於來自不同 梳之各配對的齒之間。在所示實施例中，壓電陶質板並未 金屬化，所以直接的電性連接係完成於各梳與該板之間。 該等板可藉初始地施加一橫跨該等梳之高壓來產生沿著共 平面方向所指向之每英吋在兩千伏特以上的場強度而極化 於共平面。此將定向該壓電結構，使得隨後橫跨該兩梳電 極之電位差的施加將造成共平面（剪力）致動。所以，指 間電極之直接連接會提供一大致平行於致動方向之電場於 壓電元件。 除了剪力致動之外，方向性致動及阻尼可利用本發明 方法或裝置予以實現。例如，如第7圖中所示，兩個此等 致動器300可交叉以提供轉矩致動。 在上文解說實施例中，透過電極/聚乙醯胺層直接轉 移應變能量到任一鄰接結構已確認爲明顯及新穎的優點。 此操作可有效於致動任務或多樣性爲翼面形狀控制致動以 及雜訊或振動抵消或控制。第8A及8B圖描繪分別應用於 扁平或略彎表面，及軸之致動器的扁平（第8A圖）及半 _ _30 _ 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公t ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Φ 訂.------------- 522293 A7 -----— B7_____ 五、發明說明（x/ ) 圓柱（第8B圖）實施例之典型安裝。 然而’雖然該等致動器之電機械材料係藉應變能量轉 換予以操作，但本發明可擴展超越透過致動器表面之應變 耦合而包含許多特定的機械構造，其中就整個而言係使用 藉致動器所施加的動作，轉矩或力。在各該等實施例中， 基本的條形或殼形密封的致動器係使用爲一沿著其長度釘 住或連接於一或更多點之堅固的，有彈力的機械元件。如 第9圖中所示’當電性致動時，則該條會獨自地或與其他 元件一起地作用爲一自行移動式槓桿，襟翼，葉片彈簧， 堆疊或風箱。在第9(a)至9(q)圖之圖式中，元件a，A，， A”，…係諸如顯示於上述圖式中之條或薄片形致動器，而 小的三角形表示相對應於例如連接到結構之剛硬安裝點的 固定或釘住位置，箭頭表示用於此致動之接觸點的移動或 致動方向，L表示一配裝於致動器之槓桿以及s表示一堆 疊元件或致動器。 當作堆疊’彎曲器，或釘住的彎曲器之第9(a)至9(c) 圖之圖形可置換許多習知的致動器，例如一懸臂樑可承載 針筆以提供商度控制之單軸位移而建構一筆繪_器之高度 線性，大位移之定位機制。特別令人感興趣之f幾械性質及 致動特徵可期望於第9(d)圖起之多元件圖形，其利用於具 有薄片程度且係機械性剛硬的致動器之上。所以，如第 9(d)及9(e)圖中所示地，單釘固定（pin-pin)風箱圖形可 藉簡單的面接觸移動而有用於擴增的及精準的簞一軸Z移 動定位，供諸如攝影機聚焦之應用；或可有用於藉使用承 31 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I · n· n flu n n HI ϋ 一 δ, 1 n n ·ϋ I— tn n 1 — 1 522293 A7 ______ B7_______ 五、發明說明（y) 載抵頂著流體之整個面的移動來實現蠕動型泵。如結合第 3圖中所示，該撓性電路係高度地柔順，所以絞鏈的或折 疊的邊緣可藉簡單地沿著諸如第3圖中之中心線位置折疊 而予以實施，使密閉之風箱組件可以以少數大的多元件致 動器單元完成。該撓性電路允許條形或棋盤形之致動器元 件以各毗鄰配對之元件間的折疊線布局，而該等折疊線可 在硬化階段之期間使用輪廓（例如鐵模）壓製平台以薄的 外形來壓印。具有此一結構，可藉一單一之撓性電路組件 來製成完全無接縫風箱或其他折疊式致動器。 如上述地，該壓電元件無需爲一剛性陶質元件，且若 僅使用撓性電路爲感測器，則可使用陶質元件或諸如 PVDF之軟性材料。在聚合物之例子中，係使用更薄更柔 軟之低溫黏著劑以耦合該元件而非可硬化之環氧接合層。 本發明之若干實施例將例示如下： .實例1 在此實例中，振動控制系統係設計來確定門架主動控 制系統之功能性要件之若干參數，所界定之功能性要件包 含（但未受限於）下列： •精確性 •穩定時間 •致動器及感測器之質量，大小及位置 •功率 •峰値應變 •壽命 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) # 訂--------線 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 522293 A7 ____B7 __ 五、發明說明（τΑ ) •溫度範圍 •暴露於溼氣及溶劑 •成本 •具有現有門架控制系統之界面 爲了要在操作期間聚集門架結構響應上之資料，該門 架係裝備有一陣列之壓電應變感測器及過載指示器所需之 壓電致動器之電置及大小會致動應變模式形狀資訊，該資 訊係獲得自此資料且係相比較於有限的元件模型（“FEM ”）。在該計劃之此階段中所獲得之重要資訊包含在動態 裝置上不同頭部位置的效應。致動器設計及任何控制軟體 控制係根據何時施加振動控制，亦即，當頭部正沿著門架 移動，及/或在其已停止於門架上之任意位置之後。 資料係擷取於在適當處具有及不具有摩擦體塊，以允 許至少電位之分析評估供整個地藉電活化振動控制系統來 置換該摩擦體塊。 利用上述所擷取之資料伴隨有限元件模型化資訊來執 行系統位準設計，此設計包含選擇含有致動器配置，感測 器形式，及控制演算式形式的系統架構。如上述地，以具 有有效之效應於門架動態裝置上的移動頭部，該電活化振 動控制系統之有效性係藉由使軌跡資訊有效於移動控制系 統中而改善。此資訊可以以一配裝於移動控制器電路中之 適當點的簡單的夾子引線而中繼至移動控制系統。例如， 諸如常可易於接達之馬達電流之圖表的資訊可提供於振動 控制系統。 33 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) t 訂---— 線· 本紙張尺度適用中國.國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 522293 A7 ______B7 ___ 五、發明說明） 在選擇系統架構之後，發展系統之分析性“輸入/輸 出”模型以設計振動控制之控制演算式及模擬其性能，該 系統設計相比較於功能要件以確保符合。此分析作用爲界 定控制系統不同組件上之規格，特別是類比感測器信號處 理電子裝置，以數位信號處理器（DSP)爲主之控制單元 ，以及使用於提供必要的電壓及電流於電活化致動器之功 率放大器。 接著，設計電活化振動控制系統之各組件，包含不同 的電子組件，該等電活化致動器本身係利用本文中所揭示 之方法製造，各致動器係利用標準的品質控制方法測，所 有電子裝置係製造及測試以用於功能性及用於符合系統設 計任務中所設計之規格。 該設計的重要觀點包含具有門架之致動器與感測器的 集成，例如對於一既定的門架，可確定的是，0.5毫米之致 動器厚度並不會干擾到沿著門架之頭部動作，然後可確定 使用於連接門架上之致動器及感測器於電子裝備之電纜形 式。 在此特定之實例中，自動化SMT電子裝置聚集及置放 裝備係裝備有致動器，感測器及電子裝置，以及利用具有 板元件之FEM來分析。在第10圖之方塊圖中所示的基本 觀念包含接合於門架之電活化應變致動器及感測器，伴隨 著必要的電源，信號及數位控制電子裝置以達成振動降低 。爲此硏討之目的，係假設固定該頭部於門架之末端，致 動器之安裝係利用真空接合程序予以完成。 -_______ 34 _____ 本適用中國國家標準(CNS)A4規格m〇 χ 297公釐f — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂 i I n n n —4— 1 8 A7 522293 ___ B7_______ 五、發明說明（Ή ) 接著，執行“開路”測試，開路測試包含注入信號於 致動器之內及測量門架之響應而實驗地確認較早時於此硏 討中所完成的分析之模型，此測試係以門架及頭部固定以 及沿著若干“標準”的軌跡移動來執行，將從門架及頭部 移動控制器傳遞至振動控制系統的信號同樣地測量於該等 測試期間。該等電活化致動器係分布超過具有在第一自然 振動模式中最大應變能量之門架之百分之十的表面面積， 在激勵第一之三個振動模式時之致動器分布的有效性則利 用設計軟體予以模型化。在80至84%間之所有應變能量 係在板元件之中，而在62至75%間之板的能量爲擴增的 能量，因此有效於藉接合於表面之電活化控制裝置予以捕 獲，所在模式中至少52%之應變能量係有效的，若干之此 能量係在框架/支撐物中以用於移動的頭部。如第13圖中 所示地，擴增之應變能量係分類以使一既定數量之電活化 元件的性能最大化。 阻尼添加於結構性模型，在藉鐵鎚敲擊後，在頭部之 加速相對時間的圖表顯示大約5%之臨界阻尼會在具有摩 擦體塊於適當位置之第一模式中。 反饋控制係利用標準的線性二次調整器（LQR)方式 設計以確保壓電致動控制電壓不會超過致動器裝置之範圍 。在閉合反饋迴路中之致動電壓成比例於相關連門架動作 之輸入的擾動力，此處，假設門架以恆常之25米/秒加速 於Υ方向中（橫切於門架軸）直到最大速度到達3米/秒 爲止，結合有10公斤質量之D’Alembert慣性力施加於頭部 ___35______ 本纸張尺度適罔中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐「 " (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) # II---------線」 522293 A7 B7 — -_- " " _ ' _'_ ' IIM ' _ —— 五、發明說明（4 ) 重心處，此質量包含5公斤之頭部質量加上5公斤之有效 的門架質量。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 接著，在模擬該振動控制系統之頻率及時間域響應之 後中確定阻尼及穩定時間中之改善，頻率響應係模擬於第 11圖中，以Y方向測試於檢拾及置放器之F方面上之一點 處，在此圖中對於單位輸入力之動態響應中的降低係明顯 的。如第11圖及第1表中所示地，模式1閉路阻尼約爲 12%，模式2閉路阻尼約爲11%，以及模式3閉路阻尼爲 10%。在相同方向中之相同點處之時間響應則模擬於第12 圖中，此模擬顯示大量降低於具有電活化控制之穩定時間 中，所以可以以很少的額外質量來達成很有效的控制。 第1表：門架結構性動態參數 模式 說 明 頻率 固有之阻尼比 具有壓電控制之阻尼比 (Hz) (臨東之％) (% ) 1 圍繞門架軸扭轉 46 5 12 2 彎曲於xy (掃描）面 93 5 11 3 配對之彎曲/扭轉 136 5 10 來自FEM:門架/頭部結構性之態性質顯示於第1表 之中，此處所設計之代表性致動器分布爲0.5毫米厚，具 有330平方公分的面積以及小於1〇〇公克之質量。亦顯示 於第1表中之閉路模型阻尼係至少兩倍於固有於具有摩擦 體塊之門架之所假設的5%値以用於此分析中所包含之所 ί紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公i 36 _ 522293 A7 _____B7_______ 五、發明說明（) 有三個振動模式，所以振動振幅及穩定時間係有效地降低 Ο 如第14及15圖中所示，振動控制系統會引起頻率響 應及增益控制中的改變。在此硏討中，阻尼係增加超過絕 對値大小，此增加相對應於10之因子的配置準確性中之增 加。 緊隨著開路測試，分析資料及執行最後的控制演算式 。若需要時，可修正致動器及感測器硬體以確保符合功能 性要件。然後，可執行最後的電活化振動控制系統的“閉 路”測試。大致地，閉路測試係於當致動器至少部分地藉 感測器所產生之信號驅動之時。 此硏討顯示出門架之有效的主動式電活化振動控制可 行。 實例2 根據本發明之振動控制系統使用於微成像機器中。如第 16圖中所示，其顯示藉雷射測量系統所記錄之誤差信號的功 率譜密度，振動控制系統的使用造成在頻帶75至125Hz中 之系統響應降低三倍。在使用習知方法降低在50Hz及 225Hz之峰値後，使用振動控制系統在峰値中之降低將預期 降低系統影像模糊二至三的因子。選擇性地，在若干例子中 ，可使用振動控制系統來降低峰値於50Hz或225Hz或在其 他的位準處，降低影像模糊允許製造系統生產更精細的蹤跡 尺寸及特徵大小以及改善特徵配置的精確性。 37 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂·--------' 522293 A7 _B7______ 五、發明說明（A ) 本發明實施例及實例之上文說明顯示本發明所應用之 結構的範圍，熟習於本項技術之人士將理解的是，上文所 說明之本發明的許多其他修正例及變化例可在不背離其精 神及範疇下完成。 此處所說明之本發明之額外觀點有關主動地以六個自 由度使成像術工具中之晶圓台安定（控制晶圓台之動作） 。第22圖描繪晶圓台基座501及晶圓台500之代表性簡化 的二維模型，此觀念可立即地通用於其中考慮三維之實際 系統。 該台及基座之質量相當地類似且各重約200公斤，該 晶圓台基座測量大約1公尺長度XI公尺寬度X0.15公尺 厚度，該晶圓台測量則約爲1.25公尺長度X0.5公尺寬度 χ〇·5公尺厚度，致動器（馬達）之輸入則藉符號Ui表示 ’其中之表示特定的聲音線圏馬達，選擇性之致動器則考 慮包含線性壓電陶質馬達，感測器輸出係藉yi表示，其中 ί表示與聲音線圏輸入並列之雷射位移測量，選擇性之輸 出感測器（包含線性可變之位移換能器（LVDT，s)，過載 指示器）及感測器位置（幾乎地並列，充分地並列）則考 慮於此實例，對於系統之擾動（以di表示）包含電路板上 C §馬達’風扇，及活動關節臂）及電路板外擾動（含地 面振動，氣流，熱變動）。 晶圓台500藉包含空氣軸承之氣動系統502支撐於晶 圓台基座之上，此空氣軸承係配置使晶圓台500相對於晶 圓台基座501幾乎無摩擦地移動，該晶圓台基座501則藉 ______ 38 _ 本氏張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Φ -n tm§ n —i --訂---------' A7 522293 __B7___ 五、發明說明) 空氣裝置503及504之氣力系統支撐於地面上，空氣裝置 之物理性質係藉彈簧（kl)及緩衝筒（cl)表示，空氣軸 承之物理性質則藉彈簧（k2)及緩衝筒（C2)表示，該氣 力系統503及504會相對於地面而偏置晶圓台500及晶圓 台基座501之重量，該氣力系統503及504會提供晶圓台 基座501之直進及傾斜的低頻（約若干Hz)控制。晶圓台 基座501之額外的高頻控制係由聲音線圈馬達ul，u2提供 。典型地，微處理器系統510係使用於感測輸出及命令（ 致動）輸入當作微處理器系統5 10所實施之控制演算式的 函數，系統510會意圖根據成像術系統要件而相對於晶圓 台基座501移動或定位晶圓台500,例如該成像術系統會 需要恆常之晶圓台500掃描動作以執行於影像曝光於晶圓 上之期間。選擇性地，該成像術系統可命令晶圓台500快 速地加速而再定位該晶圓台到一選擇的位置，該晶圓台 5〇〇將需要使該等移動符合速度，精確性，及/或穩定時 間之要件，穩定時間稱爲在絕對位置之某一可允許之變化 內到達一既定位置所需的時間，具有很高加速度（直至2 公克）之該等指定的動作會產生將傳輸到基座之有效的反 應力。此外，該等動作會造成基座台系統的合成重心快速 地改變位置。目前之基座安定性控制係藉微處理器系統 51〇透過六個獨立之單輸入，單輸出（SIS〇)控制器之實 施而達成。典型地，SIS0控制器係使用於特定規格中之自 由度，典型地，三維系統可擁有六個自由度以用於各獨立 控制之系統組件或台。大致地，SISQ控制器易受振動於該 本國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公f )" "一- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) # -ϋ n ϋ n «1· Jgt n I n n 線 A7 522293 ______B7 _ 五、發明說明（朴） 台相對於基座的位置中，此係因爲個別的控制器並未提供 額外的輸出資訊。在一實施例中，本文所描述之本發明使 用多輸入，多輸出控制器（ΜΙΜΟ)以獲得比SISO之實施 更隹的性能，即使該SISO具有台相對於基座之處的振動 。在一 ΜΙΜΟ之實施中，控制係以超過一感測器（輸出） 及致動器（輸入）之輸出及輸入的知識來達成，此外， ΜΙΜΟ控制架構允許現代控制技術的實施，包含但未受限 於線性二次高斯（LQG)，Η—無限，及mu合成，該等技 術無法有效地與SISO架構結合。 第23圖描繪相較於SISO控制器之典型性能（藉 Nominal滾動力矩命令表示），ΜΙΜΟ控制器可隨著（藉 ACX滾動力矩命令表示）一命令之輸入（台節距擾動）於 滾動力矩有多優良。該ΜΙΜΟ控制器循跡極接近於擾動， 所以能很快速反應於擾動力以及從系統將其排除，此改善 了該台之速度，精確性，或輸貫量之若干組合。 在成像術系統之台控制應用的另一實施例中，企望於 減少系統之穩定時間以精確地循跡一命令之位置。第24圖 描繪方塊圖以§兌明該貫施例。在此貫施例中，二個過載指 示器600，601，602係使用爲感測器以用於反饋控制，過 載指示器600及601代表可測量X軸加速度之過載指示器 ，過載指示器602代表可測量y軸加速度之單一的過載指 示器，其大致地成比例於加速之該等測量會傳送到信號調 整器606，該信號調整器會緩衝信號及隨後傳送該等大致 地成比例於該台之加速度的信號到一單一電路板電腦607 40 張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公ϋ ' " (請先閱讀背面之注音心事項再填寫本頁) Φ---- 訂.--- 線 522293 B7 五、發明說明（4 ) 。一'代表性之單一*電路板電腦係型號S B C 6 7 ’由公司位於 Simi Valley，CA 之 Innovative Integration Inc.所供應，此 處理機係高性能獨立式信號處理機單一電路板電腦，其特 徵爲具有類比輸入及輸出能力，電壓信號612a，b，c係供 給於類比輸入之內，然後轉換該等類比輸入爲數位信號而 處理機則接著施加控制演算式或濾波器於該等數位信號， 該演算式會產生一組的數位信號，該數位信號組接著轉換 爲類比輸出信號613a，a，c，d，然後，施加該等輸出信 號到各該四個馬達608，609，610，611，馬達608及609 爲X軸馬達，其在X軸中控制該台的位置，馬達610及 611爲y軸馬達，其在y軸中控制該台的位置，X軸干涉儀 603及y軸干涉儀604係使用於測量該台相對於該台基座 之X及y位置（爲簡化起見，並未在此處說明）。 濾波器（反饋控制演算式）可利用標準的線性二次調 整器方式設計以確保馬達控制信號並不會超過馬達或馬達 放大器範圍。在閉合反饋迴路中的馬達控制信號成比例於 相關連該台之加速度的過載指示器600，601，602信號， 控制設計係藉首先利用公司在Cambridge, Massachusetts之 Active Control Experts，Inc.所商售之 Smart ID™ 系統識別 軟體封裝從轉移功能資料產生一狀態——空間設備模型， 然後，該濾波器（或控制器）透過Fanson及“The Control Handbook (控制手冊），William S. Levine，Editor，CRC Press，1996 )所討論之電腦模擬及技術應用予以設計。 第25及26圖表示此實施例中所應用之ΜΙΜΟ控制的 41 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) t 訂丨 線 522293 A7 ___B7_ 五、發明說明（W) 實驗性及分析結果，該等ΜΙΜΟ結果則相較於其中被取代 使用之多重SISO迴路。第26圖描繪在0.15秒與0.30秒 間之時間週期中所放大的結果，此圖描繪該ΜΙΜΟ控制穩 定於約0.19秒之穩定範圍（在圖表之y軸上大約1〇〇)之 內，而SISO (現有之控制器）僅於大約0.26秒獲得此性 能，此代表在穩定時間中之改善大約爲30%。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) t ·11111 線- 42 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 χ 297公釐y

Claims (1)

1. 522293 Λ8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 · 一種振動控制系統，其係使用於成像術系統，且 該振動控制系統包含： 一晶圓台基座； 至少兩個致動器，其用於控制振動； 至少兩個感測器，其用於偵測該晶圓台基座之位移的 至少一參數，及產生至少兩信號以響應該位移；以及 至少一電路，其電性連接於該致動器及該感測器； 其中當藉該感測器偵測出該位移之至少一參數時，該 感測器會發信號到該電路，該電路響應而激活該致動器’ 使該晶圓台基座安定。 2 ·如申請專利範圍第1項之振動控制系統，其中該 致動器係選擇自一聲音圏馬達及電活化堆疊致動‘器所組成 之群。 3 ·如申請專利範圍第1項之振動控制系統，其中該 感測器係選擇自LVDT，過載指示器，雷射干涉儀，電容 f生位移感測器所組成之群。 4 ·如申請專利範圍第1項之振動控制系統’其中該 電路包含一數位信號處理器° 5 ·如申請專利範圍第1項之振動控制系統’其中該 電路包含： 至少一數位信號處理器； 至少一類比至數位轉換器；以及 至少一數位至類比轉換器。 6 ·如申請專利範圍第1項之振動控制系統，其中該 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) -一σ 線 國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 522293 188895 CBCD 六、申請專利範圍 電路包含一控制技術。 7 .如申請專利範_第6項之振動控制系統，其中該 控制技術係選擇自線性二次高斯，H-無限，& mu合成 所組成之群。 j \如申請專利範_第1項之振動控制系統，其中該 致動益使該晶圓台基較定以密切地緊隨著—命令式輸入。 _ 9 · 一種振動控制系，統，其讎用於微影術系統，且 該振動控制系統包含： 一晶圓台基座； 至少翻麵帛，振動； 1/>胃{@胃胃^ ’其用於偵測該晶圓台基座之位移的 至少一梦數，及產生至少兩信號以響應該位移； 一信號調整器；以及 一單一電路板電腦， 其中當藉該感測器偵測出該位移之至少一參數時，該 感測器會供給一信號到該信號處理器，該信號處理器供給 一信號到該單一板電腦，以及該單一板電腦命令該致動器 以命令該晶圓台基座循跡一所命令之位置。 1 0 ·如申請專利範圍第9項之振動控制系統，其中 該致動器係選擇自聲音線圈馬達及電活化堆疊致動器所組 成之群。 1 1 ·如申請專利範圍第9項之振動控制系統，其中 該感測器係選擇自LVDT，過載指示器，雷射干涉儀，電 容性位移感測器所組成之群。 —--2------------- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁)

   522293 Λ8 B8 C8 D8 申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 1 2 ·如申請專利範圍第9項之振動控制系統，其中 該晶圚台基座係命令以於0.19秒之內循跡一所命令之位置 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐)