專(zhuān)利名稱(chēng)：一種無(wú)接觸式粗精動(dòng)疊層六自由度定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種六自由度定位設(shè)備，尤其涉及一種無(wú)接觸式粗精動(dòng)疊層六自由度定位設(shè)備，主要應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻設(shè)備中，屬于超精密加工和檢測(cè)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
具有納米級(jí)運(yùn)動(dòng)定位精度的超精密微動(dòng)平臺(tái)是半導(dǎo)體裝備關(guān)鍵部件之一，如光刻機(jī)中的硅片臺(tái)、掩模臺(tái)等。為實(shí)現(xiàn)超精密定位要求，以氣浮和磁浮約束為支撐方式的執(zhí)行單元作為一種超精密運(yùn)動(dòng)臺(tái)被廣泛應(yīng)用。氣浮約束作為支撐和導(dǎo)向作用時(shí)，減小了機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)引起的摩擦力等作用，提高了系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)定位精度。以直線電機(jī)為驅(qū)動(dòng)單元時(shí)，由通電線圈在永磁陣列氣隙磁場(chǎng)中產(chǎn)生的洛侖茲力提供驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)控制線圈中電流大小來(lái)改變執(zhí)行單元的推力，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。目前光刻機(jī)中掩模臺(tái)通常采用粗精動(dòng)疊層的結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)的粗動(dòng)臺(tái)，和一個(gè)六自由度運(yùn)動(dòng)的微動(dòng)平臺(tái)。兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)之間通過(guò)連接梁連接在一起，其中連接梁與一個(gè)粗動(dòng)臺(tái)固定連接，與另一側(cè)粗動(dòng)臺(tái)通過(guò)柔性鉸鏈連接，微動(dòng)平臺(tái)安裝在連接梁上，實(shí)現(xiàn)定位裝置整體運(yùn)動(dòng)。一方面連接梁增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，較大的質(zhì)量將影響系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)性能，另一方面，當(dāng)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)沿Y軸方向存在位置偏差，由于連接梁的作用，使得兩個(gè)粗動(dòng)平臺(tái)之間產(chǎn)生作用力與反作用力的耦合，使得兩個(gè)粗動(dòng)平臺(tái)的性能相互影響，將影響系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)定位精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于半導(dǎo)體裝備的定位裝置，不僅滿(mǎn)足六自由度運(yùn)動(dòng)定位要求，同時(shí)解決目前掩模臺(tái)粗精動(dòng)疊層結(jié)構(gòu)中由機(jī)械結(jié)構(gòu)耦合作用引起的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)性能相互影響等問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種無(wú)接觸式粗精動(dòng)疊層六自由度定位裝置，所述定位裝置包含基架、一個(gè)微動(dòng)平臺(tái)、兩個(gè)粗動(dòng)平臺(tái)和測(cè)量系統(tǒng)，所述測(cè)量系統(tǒng)包含光柵測(cè)量系統(tǒng)、電渦流傳感器測(cè)量系統(tǒng)和激光尺測(cè)量系統(tǒng)；微動(dòng)平臺(tái)懸浮在兩個(gè)粗動(dòng)平臺(tái)上，兩個(gè)粗動(dòng)平臺(tái)對(duì)稱(chēng)布置在微動(dòng)平臺(tái)兩側(cè)，兩個(gè)粗動(dòng)平臺(tái)懸浮在基架上；粗動(dòng)平臺(tái)包括一個(gè)直線電機(jī)、一個(gè)連接元件、一個(gè)支撐元件和一個(gè)導(dǎo)向元件；粗動(dòng)平臺(tái)在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)下沿Y軸運(yùn)動(dòng)；支撐元件的下表面與基架的上表面正面相對(duì)，支撐元件下表面有氣孔，氣孔軸線沿Z軸方向，在支撐元件與基架之間形成沿Z軸方向的氣浮支撐；導(dǎo)向元件側(cè)面與基架的側(cè)面正面相對(duì)，導(dǎo)向元件的側(cè)面有氣孔，氣孔的軸線沿X軸方向，導(dǎo)向元件與基架之間形成氣浮導(dǎo)向，導(dǎo)向方向沿Y軸方向；光柵測(cè)量系統(tǒng)包含兩個(gè)光柵測(cè)量裝置，每個(gè)光柵測(cè)量裝置包括一個(gè)光柵尺、一個(gè)光柵尺安裝架、一個(gè)讀數(shù)頭和光柵尺調(diào)整裝置；光柵尺調(diào)整裝置固定于基架上，光柵尺安裝架與光柵尺調(diào)整裝置固定連接，通過(guò)調(diào)整光柵尺調(diào)整架使光柵尺安裝架的長(zhǎng)邊方向沿Y軸方向；光柵尺粘貼固定于光柵尺安裝架表面上，光柵條紋沿Y軸方向，光柵讀數(shù)頭與直線電機(jī)連接；電渦流傳感器測(cè)量系統(tǒng)包括安裝在粗動(dòng)臺(tái)上七個(gè)電渦流傳感器，測(cè)量金屬導(dǎo)體安裝在微動(dòng)平臺(tái)上；第一電渦流傳感器和第二電渦流傳感器安裝在第一粗動(dòng)臺(tái)上，并位于沿Y軸的一條直線上，第三電渦流傳感器和第四電渦流傳感器分別安裝在第一粗動(dòng)臺(tái)與第二粗動(dòng)臺(tái)上，并位于一條沿X軸方向的直線上，第五電渦流傳感器和第六電渦流傳感器安裝在第一粗動(dòng)臺(tái)的連接元件上，并位于一條沿Y軸方向的直線上，第七電渦流傳感器安裝在第二粗動(dòng)臺(tái)上，并與第五電渦流傳感器位于一條沿X軸方向的直線上；
激光尺測(cè)量系統(tǒng)安裝在基架上，測(cè)量微動(dòng)平臺(tái)在Y方向的位移。微動(dòng)平臺(tái)包括四個(gè)沿Y軸方向驅(qū)動(dòng)的第一音圈電機(jī)、兩個(gè)沿X軸方向驅(qū)動(dòng)的第二音圈電機(jī)和四個(gè)沿Z軸方向驅(qū)動(dòng)的第三音圈電機(jī)；第一音圈電機(jī)包括上下永磁體組件和位于永磁體組件之間的線圈組件；各線圈組件繞線平面在同一平面，且位于兩個(gè)永磁體組件之間，并保留間隙；每個(gè)永磁體組件包括鐵軛、主永磁體、附永磁體，主永磁體與各附永磁體以Halbach陣列形式粘接固定于鐵軛的表面上；各附永磁體與各主永磁體的磁場(chǎng)方向相互垂直，在第兩個(gè)永磁體組件中形成封閉磁路；四個(gè)第一音圈電機(jī)中的線圈組件固定在粗動(dòng)平臺(tái)上，永磁體組件固定在微動(dòng)平臺(tái)上；第二音圈電機(jī)包括一個(gè)線圈組件和對(duì)稱(chēng)布置在線圈組件兩側(cè)的兩個(gè)永磁體組件；每個(gè)永磁體組件包括主永磁體和鐵軛；各主永磁體以常規(guī)陣列的形式粘接固定在鐵軛表面上；各永磁體組件之間形成封閉磁路；第二音圈電機(jī)中的線圈組件固定在粗動(dòng)臺(tái)上，第二音圈電機(jī)中的永磁體組件固定在微動(dòng)平臺(tái)上；第三音圈電機(jī)包括外磁環(huán)、內(nèi)磁環(huán)、圓柱線圈組件、重力平衡磁柱；外磁環(huán)與內(nèi)磁環(huán)的軸線沿Z軸方向，外磁環(huán)與內(nèi)磁環(huán)充磁方向相同，沿徑向方向且由圓環(huán)外表面指向圓心；圓柱線圈位于內(nèi)磁環(huán)與外磁環(huán)之間，繞線軸線沿Z軸方向；磁柱的軸線沿Z軸方向，充磁方向沿Z軸正方向；第三音圈電機(jī)的圓柱線圈組件固定在粗動(dòng)臺(tái)上。


圖I為本發(fā)明定位裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖(軸測(cè)圖)。圖2為本發(fā)明粗動(dòng)臺(tái)軸測(cè)圖。圖3為本發(fā)明粗動(dòng)臺(tái)側(cè)視圖。圖4為本發(fā)明微動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖(軸測(cè)圖)。圖5為本發(fā)明第一音圈電機(jī)剖視圖。圖6為本發(fā)明第二音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖(軸測(cè)圖)。圖7為第二音圈電機(jī)剖視圖。圖8為本發(fā)明音圈電機(jī)線圈位置示意圖。圖9為本發(fā)明第三音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖(軸測(cè)圖)。圖10為本發(fā)明第三音圈電機(jī)外磁環(huán)圖。圖11為本發(fā)明第三音圈電機(jī)內(nèi)磁環(huán)圖。圖12為本發(fā)明第三音圈電機(jī)磁柱圖。圖13為本發(fā)明水平方向電渦流傳感器位置示意圖。圖14為本發(fā)明垂直方向電渦流傳感器位置示意圖。
圖15為本發(fā)明光柵尺示意圖(軸測(cè)圖)。圖16為本發(fā)明光柵尺主視圖。圖17為本發(fā)明激光尺位置示意圖。圖中001-基架； 100-粗動(dòng)臺(tái)101-直線電機(jī)，102-支撐元件，103-導(dǎo)向元件，104-連接元件2OO-微動(dòng)平臺(tái)210-第一音圈電機(jī)211-第一線圈組件，212-第一永磁體組件，213-第二永磁體組件2121-第一主永磁體,2142-第二主永磁體,2125-第三主永磁體,2131-第四主永磁體，2133-第五主永磁體,2135-第六主永磁體,2122-第一附永磁體,2124-第二附永磁體,2132-第三附永磁體,2134-第四附永磁體,2142-第一鐵軛220-第二音圈電機(jī)221-第二線圈組件，222-第三永磁體組件，223-第四永磁體組件，2221-第七主永磁體，2222-第八主永磁體，2231-第九主永磁體，2232-第十主永磁體，2241-第三鐵軛，2242-第四鐵軛230-第三音圈電機(jī)231-第三線圈組件，232-外磁環(huán)，233-內(nèi)磁環(huán)，234-磁柱401-第一電渦流傳感器，402-第二電渦流傳感器，403-第三電渦流傳感器，404-第四電渦流傳感器，405-第五電渦流傳感器，406-第六電渦流傳感器，407-第七電渦流傳感器300-光柵尺測(cè)量系統(tǒng)301-光柵尺，301-光柵尺安裝架，302-光柵尺調(diào)整裝置，303-光柵尺，304-讀數(shù)頭900-激光尺
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理、結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。圖I為本發(fā)明定位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(軸測(cè)圖)。本發(fā)明定位裝置包括基架001、一個(gè)微動(dòng)平臺(tái)200、兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置在微動(dòng)平臺(tái)兩側(cè)的粗動(dòng)平臺(tái)100。圖2為粗動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)軸測(cè)圖，圖3為粗動(dòng)臺(tái)側(cè)視圖。每個(gè)粗動(dòng)平臺(tái)100包括一個(gè)直線電機(jī)101、一個(gè)連接元件104、一個(gè)氣浮支撐元件102和一個(gè)氣浮導(dǎo)向元件103。連接元件104與直線電機(jī)固接，氣浮支撐元件102與直線電機(jī)固連，氣浮導(dǎo)向元件103與氣浮支撐元件102固連。氣浮支撐元件102的下表面與基架001的上表面正面相對(duì)，支撐元件102下表面有氣孔，氣孔軸線沿Z軸方向，氣浮支撐元件102與基架001之間形成沿Z軸方向的氣浮支撐，氣浮支撐方式采用真空預(yù)載的方式；氣浮導(dǎo)向元件103的側(cè)面與基架001的側(cè)面正面相對(duì)，氣浮導(dǎo)向元件103的側(cè)面有氣孔，氣孔的軸線沿X軸方向，氣浮導(dǎo)向元件103與基架001之間形成氣浮導(dǎo)向，導(dǎo)向方向沿Y軸方向，氣浮方式為真空預(yù)載的方式。
圖4為微動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)軸測(cè)圖，微動(dòng)平臺(tái)200由四個(gè)沿Y軸方向驅(qū)動(dòng)的第一音圈電機(jī)210、兩個(gè)沿X軸方向驅(qū)動(dòng)的第二音圈電機(jī)220和四個(gè)沿Z軸方向驅(qū)動(dòng)的第三音圈電機(jī)230，通過(guò)這十個(gè)音圈電機(jī)實(shí)現(xiàn)微動(dòng)平臺(tái)200的六自由度運(yùn)動(dòng)。圖5為第一音圈電機(jī)210結(jié)構(gòu)剖視圖。第二音圈電機(jī)210包括第一永磁體組件212、第二永磁體組件213、第一線圈組件211。第一線圈組件211位于第一永磁體組件212與第二永磁體組件213之間，并保留間隙。第一永磁體組件212包括第一鐵軛2142與主永磁體、附永磁體，沿X軸方向依次為第一主永磁體2121、第一附永磁體2122、第二永磁體2123、第二附永磁體2124、、第三主永磁體2125，各主永磁體與各附永磁體粘接固定于第一鐵軛2142的表面上。第二永磁體組 件213包括第二鐵軛2142與主永磁體、附永磁體，沿X軸方向依次為第四主永磁體2131、第三附永磁體2132、第五主永磁體2133、第四附永磁體2134、第六主永磁體2135，各主永磁體與各附永磁體粘接固定于第二鐵軛2142的表面上。第一主永磁體2121、第三主永磁體2125、第四主永磁體2131、第六主永磁體2135的充磁方向?yàn)閆軸負(fù)方向，第二主永磁體2123、第五主永磁體2133的充磁方向?yàn)閆軸正方向。第一主永磁體2121的N極面正對(duì)第四主永磁體2131的S極面，第二主永磁體2123的S極面正對(duì)第五主永磁體2133的N極面，第三主永磁體2125的N極面正對(duì)第六主永磁體2135的S極面。第一附永磁體2123、第四附永磁體2134的充磁方向?yàn)閅負(fù)方向，第三附永磁體2124、第三附永磁體2132的充磁方向?yàn)閅正方向。各附永磁體與各主永磁體的磁場(chǎng)方向相互垂直，在第一永磁體組件212與第二永磁體組件213中分別構(gòu)成了 Halbach陣列形式，且形成封閉磁路。如圖12所示，四個(gè)第一音圈電機(jī)210中的第一線圈組件211分別固定在兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)100上，第一永磁體組件212與第二永磁體組件213分別固定在微動(dòng)平臺(tái)200上。線圈通電時(shí)，電流方向與磁場(chǎng)方向垂直，因此將產(chǎn)生洛侖茲力。洛侖茲力方向、通電線圈電流方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相互垂直，使得第一永磁體組件212與第二永磁體組件213在洛侖茲力作用下沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)四個(gè)第一音圈電機(jī)210沿Y軸方向驅(qū)動(dòng)力相同時(shí)，實(shí)現(xiàn)微動(dòng)平臺(tái)200沿Y軸運(yùn)動(dòng)，當(dāng)該四個(gè)第一音圈電機(jī)210沿Y軸方向驅(qū)動(dòng)力不相同時(shí)，實(shí)現(xiàn)微動(dòng)平臺(tái)200繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。圖6為第二音圈電機(jī)220軸測(cè)圖，圖7為第二音圈電機(jī)220剖視圖。第二音圈電機(jī)220包括第三永磁體組件222、第四永磁體組件223和第二線圈組件221。第三永磁體組件222包括第七主永磁體2221、第八主永磁體2222、第三鐵軛2241。第四永磁體組件223包括第九主永磁體2231、第十主永磁體2232、第四鐵軛2242。第七主永磁體2221、第八主永磁體2222固定于第三鐵軛2241上，第九主永磁體2231、第十主永磁體2232固定于第四鐵軛2242上。第八主永磁體2222與第十主永磁體2231的充磁方向沿Z軸正方向，第七主永磁體2221與第九主永磁體2231的充磁方向沿Z軸負(fù)方向。第七主永磁體2221的N極表面與第九主永磁體2231的S極表面正面相對(duì)，第八主永磁體2222的S極表面與第十主永磁體2232的N極表面正面相對(duì)，各永磁體組件之間形成封閉磁路。第二線圈組件221位于第三永磁體組件222與第四永磁體組件223之間，并留有間隙。第二音圈電機(jī)220中的線圈組件221分別固定在兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)100上，第二音圈電機(jī)220中的各永磁體組件固定在微動(dòng)平臺(tái)200上。線圈通電時(shí)，電流方向與線圈有效部分所在區(qū)域的磁場(chǎng)方向垂直，因此將產(chǎn)生洛侖茲力。洛侖茲力方向、通電線圈電流方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相互垂直，使得第三永磁體組件222與第四永磁體組件223在洛侖茲力作用下實(shí)現(xiàn)沿X軸方向運(yùn)動(dòng)，因此驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)200沿X軸方向運(yùn)動(dòng)。圖8為第三音圈電機(jī)230結(jié)構(gòu)軸測(cè)圖。第三音圈電機(jī)230包括外磁環(huán)232、內(nèi)磁環(huán)233、圓柱線圈組件231、重力平衡磁柱234。圖9為第三音圈電機(jī)230中外磁環(huán)232主視圖。圖10為第三音圈電機(jī)230中內(nèi)磁環(huán)233主視圖。圖11為第三音圈電機(jī)230中磁柱234主視圖。外磁環(huán)232與內(nèi)磁環(huán)233的軸線沿Z軸方向，外磁環(huán)232與內(nèi)磁環(huán)233充磁方向相同，沿徑向方向且由圓環(huán)外表面指向圓心。圓柱線圈231位于內(nèi)磁環(huán)233與外磁環(huán)232之間，繞線軸線沿Z軸方向。磁柱234的軸線沿Z軸方向，充磁方向沿Z軸正方向。四個(gè)第三音圈電機(jī)230的圓柱線圈組件231分別固定在粗動(dòng)臺(tái)100兩個(gè)直線電機(jī)上，第三音圈電機(jī)230的外磁環(huán)232、內(nèi)磁環(huán)233和磁柱234固定在微動(dòng)平臺(tái)200上。圓柱線圈231通電時(shí)，通電線圈231與內(nèi)磁環(huán)233、外磁環(huán) 232之間產(chǎn)生洛侖茲力，當(dāng)四個(gè)第三音圈電機(jī)230產(chǎn)生的洛侖茲力大小相同時(shí)，實(shí)現(xiàn)微動(dòng)平臺(tái)200沿Z軸方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)四個(gè)第三音圈電機(jī)230產(chǎn)生的洛侖茲力大小不同時(shí)，實(shí)現(xiàn)微動(dòng)平臺(tái)200繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)與繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈通電時(shí)，通電線圈231與磁柱234之間產(chǎn)生洛侖茲力，改變電流的大小使得產(chǎn)生的洛侖茲力與微動(dòng)平臺(tái)200的重力相等，達(dá)到微動(dòng)平臺(tái)200重力平衡的目的。圖13為水平方向電渦流傳感器位置示意圖，圖14為垂直方向電渦流傳感器位置示意圖。微動(dòng)平臺(tái)200與粗動(dòng)臺(tái)100的相對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)中包括七個(gè)電渦流傳感器，每個(gè)電渦流傳感器安裝在粗動(dòng)臺(tái)100上，測(cè)量金屬導(dǎo)體安裝在微動(dòng)平臺(tái)200上。第一電渦流傳感器401、第二電渦流傳感器402安裝在第一粗動(dòng)臺(tái)100上，并位于沿Y軸的一條直線上，測(cè)量微動(dòng)平臺(tái)200與粗動(dòng)臺(tái)100之間沿X軸方向相對(duì)距離，第一電渦流傳感器401與第二電渦流傳感器402信號(hào)的差動(dòng)可測(cè)量微動(dòng)平臺(tái)200與兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)100之間繞Z軸的相對(duì)轉(zhuǎn)角。第三電渦流傳感器403、第四電渦流傳感器404分別安裝在第一粗動(dòng)臺(tái)100與第二粗動(dòng)臺(tái)100上，并位于一條沿X軸方向的直線上，分別測(cè)量微動(dòng)平臺(tái)200相對(duì)于第一粗動(dòng)臺(tái)100、第二粗動(dòng)臺(tái)100沿Y軸方向的距離。第五電渦流傳感器405、第六電渦流傳感器406安裝在第一粗動(dòng)臺(tái)100的連接元件104上，并位于一條沿Y軸方向的直線上，這兩個(gè)電渦流傳感器用于測(cè)量微動(dòng)平臺(tái)200與第一粗動(dòng)臺(tái)100之間沿Z軸方向距離，這兩個(gè)電渦流傳感器信號(hào)的差動(dòng)可測(cè)量微動(dòng)平臺(tái)200相對(duì)第一粗動(dòng)臺(tái)100的繞X軸的轉(zhuǎn)角。第七電渦流傳感器407安裝在第二粗動(dòng)臺(tái)100上，并與第五電渦流傳感器405位于一條沿X軸方向的直線上，第七電渦流傳感器407測(cè)量微動(dòng)平臺(tái)200與第二粗動(dòng)臺(tái)100沿Z軸方向的距離，第七電渦流傳感器407與第五電渦流傳感器405信號(hào)的差動(dòng)測(cè)量微動(dòng)平臺(tái)200相對(duì)于第一粗動(dòng)臺(tái)100、第二粗動(dòng)臺(tái)100的繞Y軸的轉(zhuǎn)角。圖15為本發(fā)明裝置中光柵尺測(cè)量軸測(cè)圖，圖16為光柵尺測(cè)量裝置主視圖。粗動(dòng)臺(tái)100包括兩個(gè)光柵測(cè)量裝置300，該兩個(gè)光柵測(cè)量裝置300沿X軸方向?qū)ΨQ(chēng)布置在粗動(dòng)臺(tái)100的兩側(cè)。每個(gè)光柵測(cè)量裝置300包括一個(gè)光柵尺303、一個(gè)光柵尺安裝架301、一個(gè)讀數(shù)頭304和光柵尺調(diào)整裝置302。光柵尺調(diào)整裝置302固定于基架001上，光柵尺安裝架301與光柵尺調(diào)整裝置302固定連接，通過(guò)調(diào)整光柵尺調(diào)整架302使光柵尺安裝架301的長(zhǎng)邊方向沿Y軸方向。光柵尺303粘貼固定于光柵尺安裝架301表面上,光柵條紋沿Y軸方向。光柵讀數(shù)頭304與直線電機(jī)101連接，當(dāng)直線電機(jī)101沿Y軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，光柵尺300用來(lái)檢測(cè)粗動(dòng)臺(tái)100直線電機(jī)101沿Y軸方向的位置。 圖17為 激光測(cè)量裝置示意圖，激光尺900測(cè)量微動(dòng)平臺(tái)200沿Y軸方向絕對(duì)位置。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)接觸式粗精動(dòng)疊層六自由度定位裝置，其特征在于所述定位裝置包含基架(001)、一個(gè)微動(dòng)平臺(tái)(200)、兩個(gè)粗動(dòng)平臺(tái)(100)和測(cè)量系統(tǒng)，所述測(cè)量系統(tǒng)包含光柵測(cè)量系統(tǒng)(300)、電渦流傳感器測(cè)量系統(tǒng)和激光尺測(cè)量系統(tǒng)(900);微動(dòng)平臺(tái)(200)懸浮在兩個(gè)粗動(dòng)平臺(tái)(100)上，兩個(gè)粗動(dòng)平臺(tái)(100)對(duì)稱(chēng)布置在微動(dòng)平臺(tái)(200)兩側(cè)，兩個(gè)粗動(dòng)平臺(tái)(100)懸浮在基架(001)上； 所述的粗動(dòng)平臺(tái)(100)包括一個(gè)直線電機(jī)、一個(gè)連接元件、一個(gè)支撐元件和一個(gè)導(dǎo)向元件；粗動(dòng)平臺(tái)(100)在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)下沿Y軸運(yùn)動(dòng)；支撐元件的下表面與基架的上表面正面相對(duì)，支撐元件下表面有氣孔，氣孔軸線沿Z軸方向，在支撐元件與基架之間形成沿Z軸方向的氣浮支撐；導(dǎo)向元件側(cè)面與基架的側(cè)面正面相對(duì)，導(dǎo)向元件的側(cè)面有氣孔，氣孔的軸線沿X軸方向，導(dǎo)向元件與基架之間形成氣浮導(dǎo)向，導(dǎo)向方向沿Y軸方向； 所述的光柵測(cè)量系統(tǒng)包含兩個(gè)光柵測(cè)量裝置(300)，每個(gè)光柵測(cè)量裝置包括一個(gè)光柵 尺、一個(gè)光柵尺安裝架、一個(gè)讀數(shù)頭和光柵尺調(diào)整裝置；光柵尺調(diào)整裝置固定于基架上，光柵尺安裝架與光柵尺調(diào)整裝置固定連接，通過(guò)調(diào)整光柵尺調(diào)整架使光柵尺安裝架的長(zhǎng)邊方向沿Y軸方向；光柵尺粘貼固定于光柵尺安裝架表面上，光柵條紋沿Y軸方向，光柵讀數(shù)頭與直線電機(jī)連接； 所述的電渦流傳感器測(cè)量系統(tǒng)包括安裝在粗動(dòng)臺(tái)上七個(gè)電渦流傳感器，測(cè)量金屬導(dǎo)體安裝在微動(dòng)平臺(tái)上；第一電渦流傳感器和第二電渦流傳感器安裝在第一粗動(dòng)臺(tái)上，并位于沿Y軸的一條直線上，第三電渦流傳感器和第四電渦流傳感器分別安裝在第一粗動(dòng)臺(tái)與第二粗動(dòng)臺(tái)上，并位于一條沿X軸方向的直線上，第五電渦流傳感器和第六電渦流傳感器安裝在第一粗動(dòng)臺(tái)的連接元件上，并位于一條沿Y軸方向的直線上，第七電渦流傳感器安裝在第二粗動(dòng)臺(tái)上，并與第五電渦流傳感器位于一條沿X軸方向的直線上； 所述激光尺測(cè)量系統(tǒng)(900 )安裝在基架(001)上，測(cè)量微動(dòng)平臺(tái)在Y方向的位移。
2.如權(quán)利要求I中所述的一種無(wú)接觸式粗精動(dòng)疊層六自由度定位裝置，其特征在于微動(dòng)平臺(tái)(200)包括四個(gè)沿Y軸方向驅(qū)動(dòng)的第一音圈電機(jī)、兩個(gè)沿X軸方向驅(qū)動(dòng)的第二音圈電機(jī)和四個(gè)沿Z軸方向驅(qū)動(dòng)的第三音圈電機(jī)； 第一音圈電機(jī)包括上下永磁體組件和位于永磁體組件之間的線圈組件；各線圈組件繞線平面在同一平面，且位于兩個(gè)永磁體組件之間，并保留間隙；每個(gè)永磁體組件包括鐵軛、主永磁體、附永磁體，主永磁體與各附永磁體以Halbach陣列形式粘接固定于鐵軛的表面上；各附永磁體與各主永磁體的磁場(chǎng)方向相互垂直，在第兩個(gè)永磁體組件中形成封閉磁路；四個(gè)第一音圈電機(jī)中的線圈組件固定在粗動(dòng)平臺(tái)上，永磁體組件固定在微動(dòng)平臺(tái)上； 第二音圈電機(jī)包括一個(gè)線圈組件和對(duì)稱(chēng)布置在線圈組件兩側(cè)的兩個(gè)永磁體組件；每個(gè)永磁體組件包括主永磁體和鐵軛；各主永磁體以常規(guī)陣列的形式粘接固定在鐵軛表面上；各永磁體組件之間形成封閉磁路；第二音圈電機(jī)中的線圈組件固定在粗動(dòng)臺(tái)上，第二音圈電機(jī)中的永磁體組件固定在微動(dòng)平臺(tái)上； 第三音圈電機(jī)包括外磁環(huán)、內(nèi)磁環(huán)、圓柱線圈組件、重力平衡磁柱；外磁環(huán)與內(nèi)磁環(huán)的軸線沿Z軸方向,外磁環(huán)與內(nèi)磁環(huán)充磁方向相同,沿徑向方向且由圓環(huán)外表面指向圓心；圓柱線圈位于內(nèi)磁環(huán)與外磁環(huán)之間，繞線軸線沿Z軸方向；磁柱的軸線沿Z軸方向，充磁方向沿Z軸正方向；第三音圈電機(jī)的圓柱線圈組件固定在粗動(dòng)臺(tái)上。
全文摘要
一種無(wú)接觸式粗精動(dòng)疊層六自由度定位裝置，涉及一種超精密六自由度運(yùn)動(dòng)定位裝置。該定位裝置包括一個(gè)微動(dòng)平臺(tái)，和對(duì)稱(chēng)布置在微動(dòng)平臺(tái)兩側(cè)的兩個(gè)粗動(dòng)臺(tái)。每個(gè)粗動(dòng)臺(tái)由直線電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)沿Y軸運(yùn)動(dòng)，微動(dòng)平臺(tái)由十個(gè)音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)。測(cè)量系統(tǒng)包括一個(gè)激光尺、兩個(gè)光柵尺、七個(gè)電渦流傳感器，測(cè)量系統(tǒng)能夠測(cè)量每個(gè)粗動(dòng)平臺(tái)沿Y軸方向的絕對(duì)位置、微動(dòng)平臺(tái)六自由度絕對(duì)位置、粗動(dòng)平臺(tái)與微動(dòng)平臺(tái)之間沿Y軸方向的相對(duì)位置。粗動(dòng)臺(tái)中兩個(gè)直線電機(jī)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，當(dāng)音圈電機(jī)通電時(shí)微動(dòng)平臺(tái)懸浮在粗動(dòng)臺(tái)上方，實(shí)現(xiàn)了粗動(dòng)臺(tái)之間、粗動(dòng)臺(tái)與微動(dòng)平臺(tái)之間的無(wú)接觸式疊層運(yùn)動(dòng)，避免了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中機(jī)械接觸引起的運(yùn)動(dòng)耦合與結(jié)構(gòu)干涉等問(wèn)題。
文檔編號(hào)H01L21/68GK102722089SQ20121018034
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者尹文生, 張鳴, 徐登峰, 朱煜, 李鑫, 楊開(kāi)明, 汪勁松, 田麗, 穆海華, 胡金春, 許巖 申請(qǐng)人:清華大學(xué)