一種動鐵式無線纜的六自由度磁浮運動平臺的制作方法
【專利摘要】一種動鐵式無線纜的六自由度磁浮運動平臺，該磁浮運動平臺含有基座、定子、動子、載片臺和測量系統(tǒng)。本發(fā)明在動子和載片臺之間的凹槽中設有一個三軸陀螺儀、一個三軸加速度計、電源模塊和無線信號輸出模塊，并將它們集成在一塊線路板上；在定子上設置一個無線信號接收模塊。采用三軸陀螺儀來測量動子的角度，用三軸加速度計來測量動子的線性位移，由激光三角傳感器和電渦流傳感器為三軸陀螺儀和三軸加速度計進行零位標定，并采用可更換電源模塊和無線信號傳輸技術。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，采用無線傳輸技術、無線供電技術和無線纜設計，使動子可在水平面內(nèi)繞打角度自由旋轉，大大提高了工作臺的抗干擾能力，同時提高了控制系統(tǒng)的控制帶寬。
【專利說明】—種動鐵式無線纜的六自由度磁浮運動平臺
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁浮工作臺，尤其涉及一種動鐵式無線纜的六自由度磁浮運動平臺，主要應用于半導體光刻設備中，屬于超精密加工和檢測設備【技術領域】。
【背景技術】
[0002]具有高精度和快速響應的微動工作臺在現(xiàn)代制造技術中具有極其重要的地位，被視為一個國家高技術發(fā)展水平的重要標志。在超精密機床中，超精密微動工作臺用于對進給系統(tǒng)進行誤差補償，實現(xiàn)超精密加工；在大規(guī)模集成電路制造中，超精密微動工作臺用于光刻設備中進行微定位和微進給；在掃描探針顯微鏡中，超精密微動工作臺用于測量樣品表面形貌，進行納米加工；在生物工程方面，超精密微動工作臺用于完成對細胞的操作，實現(xiàn)生物操作工程化；在醫(yī)療科學方面，超精密微動工作臺用于顯微外科手術，以便減輕醫(yī)生負擔，縮短手術時間，提高成功率。超精密微動工作臺還被廣泛應用于光纖對接，MEMS系統(tǒng)加工、封裝及裝配，以及電化學加工等領域中。
[0003]在半導體光刻設備中，光刻機是專門生產(chǎn)制作集成電路的。根據(jù)2005年版的國際半導體技術藍圖，2007年將用193nm的光刻技術生產(chǎn)線寬65nm的集成電路，2010年將生產(chǎn)線寬45nm的集成電路，2013年生產(chǎn)線寬32nm的集成電路；光刻機的分辨率由下式表示:
[_ RES = k'全4 ⑴
[0005]通過將光刻投影系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA和工藝參數(shù)Ic1延伸到其實用極限以及增加浸入式系統(tǒng)，使用波長為193nm準分子光源的光刻系統(tǒng)可以生產(chǎn)65nm線寬的集成電路，人們還希望能夠繼續(xù)使用193nm浸入式系統(tǒng)生產(chǎn)45nm線寬的集成電路。采用現(xiàn)有193nm的技術，無論如何都不能生產(chǎn)32nm線寬的集成電路，必須尋求新的發(fā)展方向，采用波長為
13.5nm光的極紫外光刻可以實現(xiàn)更高分辨率的跨越。
[0006]概括目前國內(nèi)外納米級微動工作臺研究現(xiàn)狀，為了滿足極紫外光刻設備高精度、高速度、大負載、高動態(tài)特性的要求，采用磁浮平面電機的硅片臺技術雖然可以滿足光刻設備的要求，但存在極紫外光刻時，磁浮平面電機的一些灌封膠會釋放一些氣體，會對光源產(chǎn)生一定的影響，并且平面電機上會有大量的電源和傳感器的線纜干擾運動等不足，其性能受到一定局限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在提供一種動鐵式無線纜的六自由度磁浮運動平臺，可應用于極紫外(EUV)光刻機硅片臺的工作臺，也可用于超精密加工和檢測中以實現(xiàn)六自由度運動，具有動子無線纜，超強抗干擾能力，高控制帶寬等特點。
[0008]本發(fā)明的技術方案如下:
[0009]一種動鐵式無線纜的六自由度磁浮運動平臺，該磁浮運動平臺含有基座、定子、動子、載片臺和測量系統(tǒng)，所述的動子含有halbach永磁體陣列和磁鋼背板；所述的定子是由多組線圈單元排列而成的線圈陣列；所述的測量系統(tǒng)包括激光干涉儀測量系統(tǒng)和電渦流傳感器，其特征在于:在所述的動子和載片臺之間的凹槽中設有一個三軸陀螺儀、一個三軸加速度計、電源模塊和無線信號輸出模塊，并在所述的定子上設置一個無線信號接收模塊，所述的三軸陀螺儀、三軸加速度計、電源模塊和無線信號輸出模塊集成在一塊線路板上，所述的三軸陀螺儀分別測量動子繞X軸、Y軸和Z軸旋轉的角度；所述的三軸加速度計分別測量動子沿X軸、Y軸和Z軸的線性加速度；所述的三軸陀螺儀和三軸加速度計的測量信號通過所述的無線信號輸出模塊與設置在定子上的無線信號接收模塊進行無線通信；所述的電渦流傳感器成陣列布置在各線圈單元之間的縫隙中，且使得電渦流傳感器的測頭豎直向上放置；在定子的一個角設有三個激光三角傳感器，其中沿X方向設有兩個激光三角傳感器，沿Y方向設有一個激光三角傳感器，三個激光三角傳感器與所述的電渦流傳感器一起為所述的三軸陀螺儀和三軸加速度計做六自由度的標定。
[0010]本發(fā)明所述的線圈陣列中的多組線圈單元分別沿X方向和Y方向排列，每組線圈單元至少包含三個方形線圈，相鄰兩組線圈單元正交排列。
[0011]本發(fā)明所述的線圈單元采用疊層正交繞制的線圈組，或采用單層長方形線圈由下至上疊層正交排列且水平放置的線圈組，或采用長方形線圈水平放置的線圈組，或采用長方形線圈豎直放置的線圈組，或采用疊層正交印刷PCB電路的線圈組；所述的每個線圈組的數(shù)量為3的倍數(shù)，每個線圈由通電導線和線圈骨架組成。
[0012]本發(fā)明所述的電源模塊采用無線充電電源模塊；該電源模塊采用可更換電池。
[0013]本發(fā)明所述的動子中的永磁體陣列由主永磁體和附永磁體組成,主永磁體與附永磁體以Ha I b a c h 二維陣列形式粘接固定于磁鋼背板的表面上,相鄰的主永磁體與附永磁體的磁場方向相互垂直,在各永磁體之間形成封閉磁路。
[0014]本發(fā)明具有以下優(yōu)點及突出性的技術效果:該六自由度磁浮運動平臺可實現(xiàn)空間六自由度的運動，用激光干涉儀測量系統(tǒng)來實現(xiàn)高精度測量，在激光干涉儀測量系統(tǒng)測量范圍之間時采用在動子和載片臺之間設有集成在線路板上的三軸陀螺儀來測量動子的角度，用三軸加速度計來測量動子的線性位移，并采用可更換電源模塊和無線信號傳輸技術。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，采用無線傳輸技術、無線供電技術和無線纜設計，使動子可在水平面內(nèi)大角度自由旋轉，大大提高了工作臺的抗干擾能力，同時提高了控制系統(tǒng)的控制帶寬。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為發(fā)明提供的一種動鐵式無線纜的六自由度磁浮運動平臺的三維結構圖。
[0016]圖2為本發(fā)明的一種動鐵式無線纜的六自由度磁浮運動平臺的三維爆炸結構圖。
[0017]圖3為三軸陀螺儀、三軸加速度計和電源模塊的安裝位置示意圖。
[0018]圖4為本發(fā)明的六自由度磁浮運動平臺的零點標定流程圖。
[0019]圖5a、圖5b、圖5c、圖5d和圖5e表不出本發(fā)明的線圈單兀米用的幾種不同的結構形式。
[0020]圖6a、圖6b為本發(fā)明動子的兩種永磁陣列結構圖。
[0021]圖中:1 一基座；2 —載片臺；4 一磁鋼背板；5 —二軸陀螺儀；6 —二軸加速度計；7 —電源模塊；8 —線路板；9 —線圈單兀；10 —線圈骨架；11 —電潤流傳感器；12 —激光干涉儀測量系統(tǒng)；13 - halbach永磁體陣列；14 一線圈陣列；15 —激光三角傳感器；16 —第一主永磁體；17 —第二主永磁體；18 —附永磁體；19 一無線信號輸出模塊；20 —無線信號接收模塊。【具體實施方式】
[0022]圖1、圖2為發(fā)明提供的一種動鐵式無線纜的六自由度磁浮運動平臺的三維結構圖，該動鐵式無線纜的六自由度磁浮運動平臺含有基座1、定子、動子、載片臺2和測量系統(tǒng)，所述的動子由halbach永磁體陣列13和磁鋼背板4所組成；所述的定子是由多組線圈單元9排列而成的線圈陣列14 ;所述的測量系統(tǒng)包括激光干涉儀測量系統(tǒng)12、電渦流傳感器11和激光三角傳感器15 ;在所述的動子和載片臺2之間的凹槽中還設有一個三軸陀螺儀5、一個三軸加速度計6、電源模塊7和無線信號輸出模塊19 ;在所述的定子上設置一個無線信號接收模塊20，所述的三軸陀螺儀5、三軸加速度計6和電源模塊7、無線信號輸出模塊19集成在一塊線路板8上，如圖2和圖3所示；所述的三軸陀螺儀5可分別測量動子繞X軸、Y軸和Z軸旋轉的角度；所述的三軸加速度計6可分別測量動子沿X軸、Y軸和Z軸的線性加速度；所述的三軸陀螺儀5和三軸加速度計6的測量信號通過所述的無線信號輸出模塊19與設置在定子上的無線信號接收模塊20進行無線通信；所述的電渦流傳感器11成陣列布置在定子的各線圈單元9之間的縫隙中，且使得電渦流傳感器11的測頭豎直向上放置；在定子的一個角的位置上設有三個激光三角傳感器15，其中沿X方向設有兩個激光三角傳感器15，沿Y方向設有一個激光三角傳感器15，三個激光三角傳感器與所述的電渦流傳感器11 一起為所述的三軸陀螺儀5和三軸加速度計6做六自由度的標定。
[0023]所述的線圈陣列14由多組線圈單元9分別沿X方向和Y方向排列而成，每組線圈單元至少包含3個方形線圈，相鄰兩組線圈單元正交排列。
[0024]圖5表示出本發(fā)明的線圈單元采用的幾種不同的結構形式，共舉出了五種。線圈單元可以采用疊層正交繞制的線圈組(如圖5a)，或采用單層長方形線圈由下至上疊層正交排列成水平放置的線圈組(如圖5b)，或采用長方形線圈水平放置的線圈組(如圖5c)，或采用長方形線圈豎直放置線圈組(如圖5d)，或采用疊層正交印刷PCB電路線圈組(如圖5e);所述的每個線圈組的數(shù)量為三的倍數(shù)，每個線圈由通電導線和線圈骨架10組成。
[0025]圖6表示出本發(fā)明的動子的兩種永磁體陣列結構圖，動子的永磁體陣列由主永磁體和附永磁體18組成，主永磁體(第一主永磁體16、第二主永磁體17)與附永磁體18以Halbach—維陣列形式或二維平面陣列形式粘接固定于磁鋼背板4的表面上，相鄰的主永磁體與附永磁體的磁場方向相互垂直,在各永磁體之間形成封閉磁路。
[0026]本發(fā)明的工作過程如下:
[0027]該磁浮運動平臺的永磁體陣列產(chǎn)生的磁場方向、通電線圈電流方向以及產(chǎn)生的洛倫茲力方向兩者相互垂直；每組線圈單元可同時在永磁體陣列所在平面內(nèi)相互垂直的兩個方向，以及垂直永磁體陣列所在平面方向這三個自由度上提供推力。
[0028]在本實施例中，如圖1所示，首先，該磁浮運動平臺定子線圈上電，由于測量系統(tǒng)的大多數(shù)傳感器都是增量式的測量，此時需要先進行傳感器標定。在磁浮運動平臺定子的一個角的位置設置的三個激光三角傳感器15，以及位于線圈陣列14上的電渦流傳感器11就是用來作為零位進行標定的。其中沿X方向設有兩個激光三角傳感器15，可以分別測量磁浮運動平臺動子的沿X方向的位置和繞Z軸方向轉動的傾斜角度?’沿Y方向設有一個激光三角傳感器15，測量磁浮運動平臺動子沿Y方向的位置；位于線圈陣列14上的電渦流傳感器11陣列則可測量磁浮運動平臺動子沿Y方向的位置，以及繞X軸方向和繞Y軸方向轉動的傾斜角度。當完成以上過程后，即可確定磁浮運動平臺動子位于磁浮運動平臺定子的位置，同時的，也確定了安裝在磁浮運動平臺動子上的三軸陀螺儀5和三軸加速度計6的初始位置，由于三軸陀螺儀5工作一段時間就會發(fā)生漂移，所以需要不斷重復進行以上的零位標定過程，如圖4所示。
[0029]完成了三軸陀螺儀5和三軸加速度計6的初始位置標定后，需要進行激光干涉儀測量系統(tǒng)12的調(diào)整。首先，無線信號輸出模塊19和無線信號接收模塊20不斷的將三軸陀螺儀5和三軸加速度計6的位置信號通知控制系統(tǒng)，無線信號傳輸?shù)臏y量信號可采用WIF1、藍牙或者紅外等方式，通過控制系統(tǒng)不斷地調(diào)整磁浮運動平臺動子在磁場中的位姿，然后調(diào)整激光干涉儀，使其能在允許范圍內(nèi)正常工作，至此完成了激光干涉儀測量系統(tǒng)12的調(diào)整；在磁浮運動平臺正常工作狀態(tài)下都是需要激光干涉儀測量系統(tǒng)12來進行高精度位置測量的。
[0030]三軸陀螺儀5和三軸加速度計6的供電方式采用在線路板8上安裝電源模塊7，該電源模塊7為可更換電源模塊或者可進行無線充電電源模塊，當該磁浮運動平臺運行至激光三角傳感器15和電渦流傳感器11零位標定過程時，利用機械手進行更換電源模塊7或?qū)﹄娫茨K7進行無線充電。綜上所述，該磁浮運動平臺實現(xiàn)了無線纜設計。
【權利要求】
1.一種動鐵式無線纜的六自由度磁浮運動平臺，該磁浮運動平臺含有基座(I)、定子、動子、載片臺(2)和測量系統(tǒng)，所述的動子含有halbach永磁體陣列(13)和磁鋼背板(4)；所述的定子是由多組線圈單元(9)排列而成的線圈陣列(14);所述的測量系統(tǒng)包括激光干涉儀測量系統(tǒng)(12)和電渦流傳感器(11)，其特征在于:在所述的動子和載片臺(2)之間的凹槽中設有一個三軸陀螺儀(5)、一個三軸加速度計(6)、電源模塊(7)和無線信號輸出模塊(19)，并在所述的定子上設置一個無線信號接收模塊(20)，所述的三軸陀螺儀(5)、三軸加速度計(6)、電源模塊(7)和無線信號輸出模塊(19)集成在一塊線路板(8)上；所述的三軸陀螺儀(5)分別測量動子繞X軸、Y軸和Z軸旋轉的角度；所述的三軸加速度計(6)分別測量動子沿X軸、Y軸和Z軸的線性加速度；所述的三軸陀螺儀(5)和三軸加速度計(6)的測量信號通過所述的無線信號輸出模塊(19)與設置在定子上的無線信號接收模塊(20)進行無線通信；所述的電渦流傳感器(11)成陣列布置在各線圈單元(9)之間的縫隙中，且使得電渦流傳感器(11)的測頭豎直向上放置；在定子的一個角的位置上設有三個激光三角傳感器(15 )，其中沿X方向設有兩個激光三角傳感器(15 )，沿Y方向設有一個激光三角傳感器(15)，三個激光三角傳感器(15)與所述的電渦流傳感器(11) 一起為所述的三軸陀螺儀(5 )和三軸加速度計(6 )做六自由度的標定。
2.如權利要求1所述的一種動鐵式無線纜的六自由度磁浮運動平臺，其特征在于:所述的線圈陣列(14)中的多組線圈單元分別沿X方向和Y方向排列,每組線圈單元至少包含三個方形線圈，相鄰兩組線圈單元正交排列。
3.如權利要求1所述的一種動鐵式無線纜的六自由度磁浮運動平臺，其特征在于:所述的線圈單元采用疊層正交繞制的線圈組(5a)，或采用單層長方形線圈由下至上疊層正交排列且水平放置的線圈組(5b)，或采用長方形線圈水平放置的線圈組(5c)，或采用長方形線圈豎直放置的線圈組(5d)，或采用疊層正交印刷PCB電路的線圈組(5e);所述的每個線圈組的數(shù)量為3的倍數(shù)，每個線圈由通電導線和線圈骨架(10)組成。
4.如權利要求1所述的一種動鐵式無線纜的六自由度磁浮運動平臺，其特征在于:所述的電源模塊(7 )采用無線充電電源模塊。
5.如權利要求1所述的一種動鐵式無線纜的六自由度磁浮運動平臺，其特征在于:所述的電源模塊(7)采用可更換電池。
6.如權利要求1所述的一種動鐵式無線纜的六自由度磁浮運動平臺，其特征在于:所述動子中的永磁體陣列由主永磁體和附永磁體組成,主永磁體與附永磁體以Halbach 二維陣列形式粘接固定于磁鋼背板的表面上，相鄰的主永磁體與附永磁體的磁場方向相互垂直，在各永磁體之間形成封閉磁路。
【文檔編號】G03F7/20GK103543613SQ201310450669
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年9月25日 優(yōu)先權日:2013年9月25日
【發(fā)明者】朱煜, 張鳴, 徐登峰, 劉召, 成榮, 楊開明, 張利, 秦慧超, 趙彥坡, 胡清平, 田麗, 葉偉楠, 張金, 尹文生, 穆海華, 胡金春 申請人:清華大學, 北京華卓精科科技有限公司