專利名稱：六自由度微動(dòng)臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密微控領(lǐng)域，尤其關(guān)于一種六自由度微動(dòng)臺(tái)。
背景技術(shù)：
光刻是指將一系列掩模版上的芯片圖形通過(guò)曝光系統(tǒng)依次轉(zhuǎn)印 到硅片相應(yīng)層上的復(fù)雜工藝過(guò)程，在光刻設(shè)備中，工件臺(tái)精密定位一 般采用粗微定位方式，大行程驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)微動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)高速高加速度 的長(zhǎng)距粗定位，而由微動(dòng)臺(tái)最終完成精密定位。在光刻機(jī)中，微動(dòng)臺(tái) 的作用是承載硅片，并對(duì)硅片進(jìn)行精確定位，這種精確定位包括垂向
和水平向的6自由度精密調(diào)整和定位。微動(dòng)臺(tái)和粗動(dòng)臺(tái)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn) 大行程運(yùn)動(dòng)和納米級(jí)的精密定位。
專利US5204712公開了一種6自由度的微動(dòng)臺(tái)，該微動(dòng)臺(tái)通過(guò)點(diǎn)接 觸的三組凸輪機(jī)構(gòu)，通過(guò)一個(gè)柔性機(jī)構(gòu)連接到承片臺(tái)上。通過(guò)簧片導(dǎo) 向，共同驅(qū)動(dòng)承片臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)垂向(Z， Rx， Ry)的調(diào)平調(diào)焦功能。 水平向通過(guò)Y1-Y2-X三組洛侖茲電機(jī)實(shí)現(xiàn)X、 Y和Rz三自由度的微調(diào)。
專利US6054784公開了一種6自由度的微動(dòng)臺(tái)，該微動(dòng)臺(tái)水平向通 過(guò)呈120度等間隔布置的三組洛侖茲電機(jī)實(shí)現(xiàn)X、 Y和Rz三自由度的微 調(diào)，其中為了縮減體積，使結(jié)構(gòu)更緊湊，三組120°等間隔布置的洛 侖茲電機(jī)被集成一體并呈三角形。三組垂向執(zhí)行器共同驅(qū)動(dòng)承片臺(tái)， 從而實(shí)現(xiàn)垂向(Z， Rx， Ry)的調(diào)平調(diào)焦功能兼具垂向減振功能。從對(duì)己有的微動(dòng)臺(tái)技術(shù)分析，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有6自由度微動(dòng)臺(tái)普遍 采用水平向三組和垂向三組微執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)微動(dòng)臺(tái)的6自由度精密定 位。而且水平向和垂向的微執(zhí)行器具有不同結(jié)構(gòu)特征，甚至驅(qū)動(dòng)原理 也不盡相同，這就造成微動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置的裝配安裝工藝復(fù)雜，對(duì)于新 型微動(dòng)臺(tái)的開發(fā)，需要開發(fā)兩種不同形式的驅(qū)動(dòng)器，這就延長(zhǎng)了開發(fā) 周期，增加了開發(fā)成本。

發(fā)明內(nèi)容
為滿足精密微動(dòng)臺(tái)的各向微控需求，本發(fā)明提供了一種六自由度 微動(dòng)臺(tái)，包括至少三個(gè)兩自由度微驅(qū)動(dòng)裝置，呈等同的夾角，水平平 均地設(shè)置于圓形微動(dòng)承載臺(tái)的圓周上；所述兩自由度微驅(qū)動(dòng)裝置包括 兩對(duì)電磁鐵， 一個(gè)設(shè)有電磁銜鐵的微執(zhí)行器動(dòng)子；所述兩對(duì)電磁鐵， 一對(duì)水平， 一對(duì)垂直呈十字形對(duì)稱設(shè)置；所述微執(zhí)行器動(dòng)子固定在圓 形微動(dòng)承載臺(tái)上，設(shè)置于十字形電磁鐵中心。
電磁鐵呈"E"字形，電磁鐵線圈設(shè)置于"E"字形結(jié)構(gòu)中央，"E"
字形結(jié)構(gòu)右側(cè)作為電磁鐵的磁極面對(duì)微執(zhí)行器動(dòng)子；微執(zhí)行器動(dòng)子在 水平和垂直方向上對(duì)應(yīng)電磁鐵的磁極均設(shè)有電磁銜鐵，動(dòng)子在電磁銜 鐵和電磁鐵之間電磁力的作用下可在十字形電磁鐵中心處作六自由 度的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)電磁鐵對(duì)微執(zhí)行器動(dòng)子的可控高精度微動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn) 對(duì)微動(dòng)承載臺(tái)的六自由度微動(dòng)。
本發(fā)明只需設(shè)計(jì)一種微驅(qū)動(dòng)裝置，便可實(shí)現(xiàn)六自由度的微動(dòng)臺(tái)微 動(dòng)，其結(jié)構(gòu)以及裝配安裝工藝簡(jiǎn)單，開發(fā)周期短。


圖1為本發(fā)明所述微驅(qū)動(dòng)裝置的工作原理圖2為本發(fā)明所述兩自由度微驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)圖3為本發(fā)明所述的六自由度微動(dòng)臺(tái)的側(cè)視圖4位本發(fā)明所述的三微驅(qū)動(dòng)裝置的六自由度微動(dòng)臺(tái)俯視圖5位本發(fā)明所述的四微驅(qū)動(dòng)裝置的六自由度微動(dòng)臺(tái)俯視圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)說(shuō)明書附圖，詳細(xì)闡述本發(fā)明的具體實(shí)施例 如附圖l所示，本發(fā)明采用電磁鐵的工作原理，將兩組電磁鐵并 排放置，電磁鐵線圈固定放置作為微執(zhí)行器的定子，銜鐵部分固定安 裝(機(jī)械聯(lián)結(jié)或粘結(jié))在微驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)子上。當(dāng)左右電磁鐵線圈2、
5通電時(shí)，電磁吸力分別通過(guò)電磁銜鐵3、 4作用在微執(zhí)行器動(dòng)子7 上，將兩電磁鐵磁極l、 6對(duì)應(yīng)銜鐵吸力相等的動(dòng)子位置作為平衡位 置。通過(guò)控制線圈電流的大小，微調(diào)線圈磁極對(duì)銜鐵的電磁吸力，從 而控制微執(zhí)行器的動(dòng)子7在兩磁極1、 6間的相對(duì)位置，并滿足位置 的快速調(diào)節(jié)和精密定位的功能。
其中，線圈對(duì)銜鐵的電磁引力大小的計(jì)算公式為-
丄2 4"0AV
式中K為磁路常數(shù)；
//。為真空磁導(dǎo)率；
^為空氣對(duì)真空的相對(duì)磁導(dǎo)率；
7V為線圈匝數(shù)；^為磁極面積； /為線圈電流；
丄為線圈磁極與動(dòng)子銜鐵的間隙距離。 電磁引力F與線圈電流/以及間隙距離Z成非線性關(guān)系，需要進(jìn) 行線性化處理，如下<formula>formula see original document page 6</formula> 式中F。為初始位置的的電磁吸力；
i^為電磁力偏移系數(shù)；
《,為電磁力電流系數(shù)。
在圖l中，如果兩對(duì)電磁鐵水平向放置，動(dòng)子的動(dòng)力學(xué)方程為:<formula>formula see original document page 6</formula>
式中M為微執(zhí)行器動(dòng)子的質(zhì)量；
^為微執(zhí)行器動(dòng)子的水平向加速度； A為電磁磁極6對(duì)銜鐵4的電磁引力； F2為電磁磁極1對(duì)銜鐵3的電磁引力。
如果兩對(duì)電磁鐵垂向放置，，那么，動(dòng)子的動(dòng)力學(xué)方程為<formula>formula see original document page 6</formula>式中M為微執(zhí)行器動(dòng)子的質(zhì)量；
2為微執(zhí)行器動(dòng)子的垂向加速度； g為重力加速度；巧為電磁磁極6對(duì)銜鐵4的電磁引力；
F2為電磁磁極1對(duì)銜鐵3的電磁引力。 如附圖2所示，如果將兩組如圖l所示裝置分別一組水平向布置， 一組垂向布置，并共同作用于同一個(gè)動(dòng)子，那么就形成如圖2所示的 本發(fā)明的具有特殊結(jié)構(gòu)的兩自由度微驅(qū)動(dòng)裝置8。該驅(qū)動(dòng)裝置可以同 時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)子的水平向和垂向運(yùn)動(dòng)，且水平向和垂向運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，沒(méi) 有機(jī)械耦合。在兩組如圖1所示裝置組合一體形成的微驅(qū)動(dòng)裝置8中， 水平向的電磁鐵線圈和垂向電磁鐵線圈的微小漏磁會(huì)影響到該為驅(qū) 動(dòng)裝置的定位精度，因此，在納米級(jí)高精密定位精度下，需要對(duì)水平 向和垂向的電磁鐵線圈進(jìn)行磁隔離，降低磁干擾，以提高其定位精度。 實(shí)施例一
如附圖4所示，將三組具有如圖2的特殊結(jié)構(gòu)的微驅(qū)動(dòng)裝置8成 120°等圓周布置在微動(dòng)臺(tái)內(nèi)部，且將三組驅(qū)動(dòng)裝置的幾何中心與微 動(dòng)臺(tái)的重心重合。微驅(qū)動(dòng)裝置8的4個(gè)電磁鐵線圈安裝在大行程驅(qū)動(dòng) 基座上，動(dòng)子直接與微動(dòng)承載臺(tái)相聯(lián)。這樣可以盡量減小電磁鐵線圈 產(chǎn)生的熱量對(duì)微動(dòng)臺(tái)的干擾。對(duì)動(dòng)子的位置控制可以使用電容傳感器 或LVDT等納米級(jí)位置傳感器作為測(cè)量傳感器。
實(shí)施例二
如附圖5所示，也可以采用四組具有如圖2的特殊結(jié)構(gòu)的微驅(qū)動(dòng)裝 置8相互垂直布置在微動(dòng)臺(tái)內(nèi)部，使四組該驅(qū)動(dòng)裝置的幾何中心與微 動(dòng)臺(tái)的重心重合。該種布局方式在垂向和水平向各存在一個(gè)冗余自由 度，給控制帶來(lái)難度和復(fù)雜度，但這種方式具有驅(qū)動(dòng)力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)。
如圖3所示，本發(fā)明所述的六自由度微動(dòng)臺(tái)還包括一個(gè)微動(dòng)承載 臺(tái)安裝基座9，連接固定微動(dòng)承載臺(tái);還連接有長(zhǎng)行程驅(qū)動(dòng)裝置10， 用于長(zhǎng)行程低精度移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)初步的粗略定位。
以上介紹的僅僅是基于本發(fā)明的兩個(gè)較佳實(shí)施例，并不能以此來(lái) 限定本發(fā)明的范圍。任何對(duì)本發(fā)明的機(jī)制作本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熟知的部件 的替換、組合、分立，以及對(duì)本發(fā)明實(shí)施步驟作本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熟知的 等同改變或替換均不超出本發(fā)明的揭露以及保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 一種六自由度微動(dòng)臺(tái)，其特征在于包括至少三個(gè)兩自由度微驅(qū)動(dòng)裝置，呈等同的圓周夾角，平均設(shè)置于微動(dòng)承載臺(tái)的邊緣；所述兩自由度微驅(qū)動(dòng)裝置包括兩對(duì)電磁鐵，一個(gè)設(shè)有電磁銜鐵的微執(zhí)行器動(dòng)子；所述兩對(duì)電磁鐵，一對(duì)水平、一對(duì)垂直對(duì)稱設(shè)置呈十字形；所述微執(zhí)行器動(dòng)子固定在圓形微動(dòng)承載臺(tái)上，設(shè)置于十字形的中心。
2、 如權(quán)利要求1所述的六自由度微動(dòng)臺(tái)，其特征在于所述兩自 由度微驅(qū)動(dòng)裝置的電磁鐵呈"E"字形，電磁鐵線圈設(shè)置于"E"字形 結(jié)構(gòu)中央，"E"字形結(jié)構(gòu)右側(cè)作為電磁鐵的磁極，面對(duì)微執(zhí)行器動(dòng)子。
3、 如權(quán)利要求l所述的六自由度微動(dòng)臺(tái)，其特征在于所述微執(zhí) 行器動(dòng)子在水平和垂直方向上，對(duì)應(yīng)電磁鐵的磁極，均設(shè)有電磁銜鐵。
4、 如權(quán)利要求l、 2、 3所述的六自由度微動(dòng)臺(tái)，其特征在于所 述微執(zhí)行器動(dòng)子在電磁銜鐵和電磁鐵之間電磁力的作用下，在十字形 電磁鐵中心處作六自由度的運(yùn)動(dòng)。
5、 如權(quán)利要求1所述的六自由度微動(dòng)臺(tái)，其特征在于所述微動(dòng) 承載臺(tái)呈圓形，兩自由度微驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)置在微動(dòng)承載臺(tái)的圓周上。
6、 如權(quán)利要求1所述的六自由度微動(dòng)臺(tái)，其特征在于所述微動(dòng) 臺(tái)還包括一個(gè)微動(dòng)承載臺(tái)安裝基座，與微動(dòng)承載臺(tái)連接，兩自由度微 驅(qū)動(dòng)裝置的"E"字型電磁鐵安裝在微動(dòng)承載臺(tái)安裝基座上。
7、 如權(quán)利要求1所述的六自由度微動(dòng)臺(tái)，其特征在于所述微動(dòng) 臺(tái)連接長(zhǎng)行程驅(qū)動(dòng)裝置用于長(zhǎng)行程低精度移動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種六自由度微動(dòng)臺(tái)，包括至少三個(gè)兩自由度微驅(qū)動(dòng)裝置，呈等同的夾角，水平平均設(shè)置于圓形微動(dòng)承載臺(tái)的圓周上；所述兩自由度微驅(qū)動(dòng)裝置包括兩對(duì)電磁鐵，一個(gè)設(shè)有電磁銜鐵的微執(zhí)行器動(dòng)子；兩對(duì)電磁鐵，一對(duì)水平，一對(duì)垂直呈十字形對(duì)稱設(shè)置；微執(zhí)行器動(dòng)子固定在圓形微動(dòng)承載臺(tái)上，設(shè)置于十字形電磁鐵中心。通過(guò)電磁鐵對(duì)微執(zhí)行器動(dòng)子的高精度控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)微動(dòng)承載臺(tái)的六自由度微動(dòng)。本發(fā)明只需設(shè)計(jì)一種微驅(qū)動(dòng)裝置，其微動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)以及裝配安裝工藝簡(jiǎn)單，開發(fā)周期較短。
文檔編號(hào)B23Q1/00GK101290476SQ200810037649
公開日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2008年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月20日
發(fā)明者嚴(yán)天宏, 王天明, 袁志揚(yáng) 申請(qǐng)人:上海微電子裝備有限公司