CN1921026A - X－Y－θ三自由度微动平台 - Google Patents

Abstract

一种高精度三自由度运动平台，X，Y和θ，运动行程小，精度高。运动行程X，Y小于3mm，θ角度小于5°，分辨率高达20纳米。该平台以二层结构实现三自由度运动为特征，使用弹性支撑直线电机驱动，四个光栅传感器反馈运动信号，侍服闭环运动控制***。

Description

X-Y-θ三自由度微动平台

技术领域  本发明为一种三自由度侍服控制平台，应用于集成电路制造设备和精密测量行业，亦可应用于生物工程设备。

背景技术  为满足集成电路制造微纳米级精度的要求，晶元加工和封装工艺的生产和测试都已达到纳米级水平。现在市场上的精密侍服运动平台大都采用刚性线性轴承结构或者静压空气轴承。对于20纳米分辨率和150纳米重复性精度的运动平台，国内没有查到成型产品，国际市场上有采用静压空气轴承的产品。采用空气轴承结构的平台，价格昂贵，体积和重量都很大，不适合应用在小空间的场合。尤其是部分晶元光刻设备和光电子设备上所需要的X-Y-θ三自由度掩膜板定位***，要求的工作行程在3毫米以下，转动角度小于5°，所提供的安装空间仅有20～40毫米厚。采用静压空气轴承在结构上难于实现，直线滚动轴承又难于达到150纳米重复性精度的要求。

本实用新型设计的目的是针对集成电路设备发展中遇到的小尺寸、微行程和高精度运动平台瓶颈，使用简单的弹性支撑结构，实现尺寸紧凑，达到150纳米重复精度指标的机械结构。

发明内容  本发明的构成是以弹性支撑的微变形产生所需的运动行程和转动角度，以两级机械结构实现三自由度运动。它由光栅位置检测传感器与驱动机构之间所组成的闭环控制***进行检测、控制和驱动，以实现精确重复定位。

机械结构由三部分构成：基础(4)、外部框架(5)、内部平台(6)。***由三个直线电机(1)(2)(3)驱动，所有电机的定子部分都固定在基础(4)上，大大减少了运动载荷。X方向安装两个电机(1)(2)，动子对称地固定在外部框架(5)的同一边或相对方向，要求电机(1)(2)的驱动力方向不能通过同一轴线；Y向安装一个电机(3)，动子通过外部框架上的通孔固定在内部平台(6)上，X和Y向运动的解耦通过Y电机(3)动子的独特设计实现。内部平台(6)通过四个弹性支撑(8)和外部框架(5)连接，在Y电机(3)的驱动下相对于外部框架(5)沿Y方向移动。外部框架(5)通过四个弹性支撑(9)和基础(4)连接，在X电机(1)(2)的驱动下相对于基础(4)沿X方向运动。该结构所使用的弹支撑结构(8)(9)可以采用四支撑，亦可采用二支撑和六支撑，要求是对称分布。

该***使用四套线性光栅编码器(7)(10)(11)(12)。其中两套传感器(11)(12)的读数头安装在基础(4)上，其光栅尺安装在外部框架(5)上读取X向信号；另外两套传感器(7)(10)的读数头安装在外部框架上，其光栅尺安装在内部平台(6)上读取Y向信号。X向传感器(11)(12)测量外部框架(5)相对于基础(4)在X方向的运动变化，同时可以计算出外部框架(5)相对基础(4)的转角θ_x；Y向传感器(7)(10)测量内部平台(6)相对于外部框架(5)在Y方向的运动变化，同时可以计算出内部平台(6)的相对外部框架(5)的转角θ_y。

由于X向传感器(11)(12)相互平行，之间的距离为Lx；Y向传感器(7)(10)亦相互平行，之间的距离为Ly，利用四个传感器的读数可以计算出

X方向运动位移：X＝(传感器11+传感器12)/2

Y方向运动位移：Y＝(传感器7+传感器10)/2

X方向相对角度：θ_x＝arctan(传感器11-传感器12)/Lx

Y方向相对角度：θ_y＝arctan(传感器7-传感器10)/Ly

因此，内部平台相对于基础的转角可以用下列公式计算：

θ＝θ_x+θ_y

对于因弹性支撑(8)(9)变形而引起的测量误差，由于是可预测和可重复的，可以由软件补偿的方法进行补偿，以达到定位精度的要求。

本发明的机械结构和控制装置具备一下效果和优点：

1、运动信息直接反馈。没有机械连接所带来的中间误差

2、采用对称结构，对机械结构的变化(如温度、湿度等条件的变化)带来的误差不敏感

3、弹性支撑结构：简单的二级机构实现三轴联动，没有摩擦和磨损，不需润滑；弹性支撑垂直方向的刚度远大于运动方向，保证平台运动时Z方向的波动很小，达到很高的精度。

4、采用直接线性电机驱动且电机定子固定在平台上不参与运动：运动载荷很小，没有磨损

5、没有轴承传动环节，结构简单，易于加工装配，制造成本低

6、对称结构，温度效应影响低。对于热膨胀所引起的变化有自补偿功能，不需控制补偿

7、在弹性力作用下，具备很好的重复精度，长期结构稳定性，保证***的仿真精度和补偿数据长期有效，可大大减少非测量误差

附图说明  图1，三自由度微动平台结构示意图

          图2，图1所示A-A剖视图

具体实施方式  以下结合设计实例和附图进一步说明本发明的结构和工作原理。该设计为晶元光刻机上的掩膜板承载台，X和Y方向的行程不大于±1.5mm，角度方向的调整范围为小于40mrad。

当上位机所提供的目标位置确定后，X和Y方向的电机(1)(2)(3)按照控制***提供的数值指令动作，驱动外部框架(5)和内部平台(6)运动到需要位置；根据传感器(7)(10)(11)(12)的反馈信息，***计算内部平台(6)的实际位置及与目标位置的误差，电机(1)(2)(3)接受指令后精定位；闭环控制***重复检测和动作，直至定位精度达到150nm和2.5μrad的要求。

外部框架(5)和内部平台(6)均由直线电机(1)(2)(3)直接驱动，没有任何中间传动环节，反应速度快，消除了机械误差，降低了控制难度，容易实现精密定位。在三个电机(1)(2)(3)的协调作用下，通过外部框架(5)和内部平台(6)实现三自由度的运动。由于采用了弹性支撑(8)和(9)，***在X-Y平面内是柔性***，而在X-Y平面的垂直方向Z刚度很高，保证了平台运动时在Z方向的误差很小，可以控制在0.5μm以内。

该平台经过改造可以用在光电子元件的封装设备，如光纤对接平台，还可以应用于生物医学工程领域，作为精密定位平台进行细胞级试验和治疗。

Claims (5)

1.一种待服运动平台，有二级机械结构实现三自由度运动和控制，使用弹性支撑，三个直线电机驱动，四个光栅传感器反馈信号并通过计算控制三轴联动。

2.按照权利要求1所述的运动平台，其特征在于由二层机械结构实现三自由度运动的结构形式。

3.按照权利要求1所述的运动平台，其特征在于使用弹性支撑机械结构实现三轴联动的结构形式。

4.按照权利要求1所述的运动平台，其特征在于使用三个直线电机驱动，X方向两个电机驱动力不通过同一轴线，两级弹性支撑传递运动，精密光栅传感器反馈位置信号的闭环运动控制***。

5.按照权利要求4所述的运动平台，其特征在于直线电机的定子固定在基座上不参与任何方向运动的结构形式。

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