專利名稱：一種三自由度超精密微動工作臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種精密設(shè)備，具體為一種三自由度超精密微動工作臺， 該工作臺可應(yīng)用于光刻設(shè)備、精密機床、精密測量設(shè)備等高精度系統(tǒng)技術(shù) 領(lǐng)域，亦可用于生物工程設(shè)備。
背景技術(shù)：
納米級微動工作臺為從事納米制造和測量提供了一個精密定位和快速 運動的載物平臺。隨著集成電路制造等超精密加工測量設(shè)備的發(fā)展，對納 米級微動工作臺的需求量在不斷增加，同時對工作臺的性能也提出了很高的要求。目前國際市場上有PI、 Anord、 Feinmess公司可制造微動臺，其中 PI公司所制造的微動臺采用平面電機驅(qū)動，可達到納米級精度，但僅能承 受235g左右的負載；Anord公司所制造的微動臺可進行長行程運動，但精 度較低，僅能達到微米級；Feinmess公司所制造的微動臺，只能進行短行 程，低精度的微動，均不適合應(yīng)用在大負載、高速、高精的場合。
公開號為CN1921026A
公開日為2007年02月28日的中國專利文獻 提供了一種"X-Y-e三自由度微動平臺"，該產(chǎn)品由二級機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)三自由 度運動和控制，使用彈性支撐機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)三軸聯(lián)動，采用三個直線電機 驅(qū)動，X向兩個電機的驅(qū)動力不在同一軸線上，通過彈性支撐將X向運動 傳遞內(nèi)部平臺，Y向運動則由固定在平臺上的Y向電機直接驅(qū)動，該平臺 采用精密光柵傳感器反饋位置信號，形成閉環(huán)運動控制系統(tǒng)，其定位精度 僅為150nm。該平臺定位精度較低，且由于X向運動需要通過彈性支撐進 行傳遞，因此引入了彈性變形的誤差，這種誤差很難進行控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種三自由度超精密微動工作臺，該工作臺具有 大負載、大慣量、小行程、高精度的特點。
本發(fā)明提供的一種三自由度超精密微動工作臺，其特征在于四個圓 形氣浮軸承分別對稱安裝在外框架底部的四角，圓形真空預(yù)緊吸盤內(nèi)嵌在 環(huán)形氣浮軸承中，環(huán)形氣浮軸承與支撐架連接，三者組成帶真空預(yù)緊的氣 足，該氣足安裝在內(nèi)框架的底部以支承微動臺內(nèi)框架，氣足的中心軸與內(nèi) 框架的中心軸重合；
外框架為中空的長方體，內(nèi)框架為位于外框架內(nèi)的四周開有凹槽的長 方體；第一至第四直線電機定子對稱的安裝在外框架內(nèi)部的四個側(cè)壁的幾 何中心上，第一至第四直線電機動子對稱安裝在內(nèi)框架的四個側(cè)壁的幾何 中心上，第一至第四直線電機定子分別懸浮在第一至第四直線電機動子的 凹槽中；
載物平臺安裝在內(nèi)框架上，第一、第二平面鏡粘合在載物平臺上，第 一、第二平面鏡的材質(zhì)和形狀相同，第一平面鏡與載物平臺的一個邊平行， 第一平面鏡和第二平面鏡的中心線呈90度的夾角。
本發(fā)明針對現(xiàn)有超精密運動平臺發(fā)展中遇到的小行程、高精度、大負 載的瓶頸，提供了一種三自由度超精密微動工作臺。本發(fā)明利用了直線電 機大負載的特點，通過協(xié)調(diào)控制4個直線電機的組合，克服了直線電機低 精度、單自由度的缺點，實現(xiàn)了大負載、高精度、3自由度的平面運動。本 發(fā)明提出的工作臺采用單層結(jié)構(gòu)，利用激光干涉儀進行信號的測量和反饋， 由4個直線電機直接驅(qū)動，X和Y向電機在同一個平面上，不存在運動的 傳遞，減小了誤差傳遞，提高了微動臺的精度，定位精度可達5nm。具體 而言，本發(fā)明具備以下的效果和優(yōu)點(1) 采用4個直線電機進行平面三自由度運動，克服了平面電機負載 小的缺點，可用于大負載、多自由度的工作場合；
(2) 氣浮支撐結(jié)構(gòu)保證了垂向的剛度遠大于運動方向，從而使平臺運 動時垂向的波動極小，不影響平臺的平面運動精度；
(3) 直線電機定子固定在外框架上，不參與微動臺的運動，不會增加 微動臺的運動載荷；
(4) 在運動過程中，直線電機定子懸浮在動子的槽中，定子和動子間 沒有直接的機械接觸，沒有磨損，不會因此造成運動誤差。


圖1為本發(fā)明三自由度超精密微動工作臺的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為圖1所示A-A剖視圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合設(shè)計實例和附圖進一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作原理。該設(shè) 計可作為超精密定位設(shè)備中的微動臺，X和Y方向的行程不大于土lmm， 角度方向的調(diào)整范圍小于0.002md。
如圖l、 2所示，本發(fā)明包括以下部件外框架l、第一至第四直線電 機定子2、 11、 17、 19、第一至第四直線電機動子3、 10、 16、 18、內(nèi)框架 4、第一連接板5、第二連接板9、載物平臺6、第一平面鏡7、第二平面鏡 8、氣浮軸承支撐架12、環(huán)形氣浮軸承13、圓形真空預(yù)緊吸盤14、基座15、 第一和第二圓形氣浮軸承20、第三和第四圓形氣浮軸承21 。
四個圓形氣浮軸承20分別對稱安裝在外框架1底部的四角，支承微動 臺外框架1，使外框架1懸浮在基座15上。圓形真空預(yù)緊吸盤14內(nèi)嵌在環(huán) 形氣浮軸承13中，環(huán)形氣浮軸承13采用螺栓與支撐架12連接，三者組成 的帶真空預(yù)緊的氣足穿過外框架1安裝在內(nèi)框架4的底部，支承微動臺內(nèi)框架4，氣足的中心軸與內(nèi)框架4的中心軸重合。外框架1可與其他外界系 統(tǒng)相連，也可固定在基座上。外框架為中空的長方體，第一至第四直線電 機定子2、 11、 17、 19對稱的安裝在外框架1內(nèi)部的四個側(cè)壁的幾何中心 上，如圖2所示。第一至第四直線電機動子3、 10、 16、 18對稱安裝在內(nèi) 框架4的四個外壁的幾何中心上。第一至第四直線電機定子2、 11、 17、 19 分別懸浮在第一至第四直線電機動子3、 10、 16、 18的槽中，定子和動子 間沒有直接的機械接觸。內(nèi)框架4通過第一連接板5、第二連接板9與載物 平臺6相連，第一連接板5、第二連接板9對稱的安裝在內(nèi)框架4頂部，其 中心連線過內(nèi)框架4長邊的中心。用于激光測量的第一平面鏡7和第二平 面鏡8粘合在載物平臺6上，第一平面鏡7和第二平面鏡8材質(zhì)和形狀均 完全相同，安裝時第一平面鏡7與載物平臺6的相應(yīng)邊平行，第一平面鏡7 和第二平面鏡8的中心線呈90度的夾角。
本發(fā)明所提出的微動臺由4個直線電機2-3、 10-11、 16-17、 18-19直 接驅(qū)動，沒有任何中間傳動環(huán)節(jié)，消除了機械誤差，降低了控制難度，容 易實現(xiàn)精密定位。在4個電機2-3、 10-11、 16-17、 18-19的協(xié)調(diào)作用下， 實現(xiàn)微動臺的平面三自由度運動，具體過程為驅(qū)動2個X向直線電機2-3、 10-11產(chǎn)生所需的X向運動，驅(qū)動2個Y向直線電機16-17、 18-19產(chǎn)生所 需的Y向運動，通過4個電機2-3、 10-11、 16-17、 18-19的配合產(chǎn)生所需 的轉(zhuǎn)動角度。在電機驅(qū)動下，第一至第四直線電機動子3、 10、 16、 18帶 動載物平臺6 —起運動，實現(xiàn)載物平臺相對于外框架1和第一至第四直線 電機定子2、 11、 17、 19的微動。由于采用了氣浮系統(tǒng)12、 13、 14、 20支 撐，微動臺垂向的剛度很高，保證了平臺運動時垂向的誤差不會影響運動 精度。平臺由激光干涉儀與驅(qū)動機構(gòu)之間所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)進行檢測、 控制和驅(qū)動，以實現(xiàn)快速精確定位。
三自由度超精密微動工作臺承載著物體進行點到點的具體運動過程如 下當(dāng)上位機所提供的目標(biāo)確定后，X向電機動子3、 10和Y向電機動子16、 18按照控制系統(tǒng)提供的數(shù)值指令相對X向電機定子2、 11和Y向電機 定子17、 19進行運動，直線電機動子3、 10、 16、 18帶動載物平臺6運動 到需要位置；根據(jù)激光干涉儀的反饋信息，系統(tǒng)計算微動臺上硅片的實際 位置及與目標(biāo)位置的誤差，電機接受指令后進行精確定位，消除誤差；閉 環(huán)控制系統(tǒng)重復(fù)檢測和動作，直至定位精度達到5nm和0.25!^rad的要求。
該平臺可以用在超精密數(shù)控機床、光刻機、精密測量設(shè)備、生物芯片 點樣儀和生物芯片掃描儀等生物技術(shù)設(shè)備中。
權(quán)利要求
1、一種三自由度超精密微動工作臺，其特征在于四個圓形氣浮軸承(20)分別對稱安裝在外框架(1)底部的四角，圓形真空預(yù)緊吸盤(14)內(nèi)嵌在環(huán)形氣浮軸承(13)中，環(huán)形氣浮軸承(13)與支撐架(12)連接，三者組成帶真空預(yù)緊的氣足，該氣足安裝在內(nèi)框架(4)的底部以支承微動臺內(nèi)框架(4)，氣足的中心軸與內(nèi)框架(4)的中心軸重合；外框架(1)為中空的長方體，內(nèi)框架(4)為位于外框架(1)內(nèi)的四周開有凹槽的長方體；第一至第四直線電機定子(2、11、17、19)對稱的安裝在外框架(1)內(nèi)部的四個側(cè)壁的幾何中心上，第一至第四直線電機動子(3、10、16、18)對稱安裝在內(nèi)框架(4)的四個側(cè)壁的幾何中心上，第一至第四直線電機定子(2、11、17、19)分別懸浮在第一至第四直線電機動子(3、10、16、1 8)的凹槽中；載物平臺(6)安裝在內(nèi)框架(4)上，第一、第二平面鏡(7、8)粘合在載物平臺(6)上，第一、第二平面鏡(7、8)的材質(zhì)和形狀相同，第一平面鏡(7)與載物平臺(6)的一個邊平行，第一平面鏡(7)和第二平面鏡(8)的中心線呈90度的夾角。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三自由度超精密微動工作臺，該工作臺X、Y和θ方向的運動由四個垂直布置在微動臺外框架和內(nèi)框架的直線電機提供，直線電機的動子安裝在外框架的內(nèi)側(cè)，直線電機定子安裝在內(nèi)框架外側(cè)。外框架由安裝在外框架底部四角的四個圓形氣浮軸承實現(xiàn)垂直方向的支承，內(nèi)框架分別由環(huán)形氣浮軸承和圓形真空預(yù)緊吸盤實現(xiàn)垂向的支承。微動臺的位置信息由垂直安裝在載物平臺上的第一、第二平面配合激光干涉儀測量。本發(fā)明所提出的一種三自由度超精密微動工作臺可實現(xiàn)大負載、大慣量、高精度的運動，該平臺X和Y向的行程為2mm，θ的旋轉(zhuǎn)角度為0.002rad，X和Y向的定位精度可達到5nm，旋轉(zhuǎn)角度精度為0.25μrad。本發(fā)明可用于光刻機、超精密數(shù)控機床、生物芯片掃描儀等設(shè)備中。
文檔編號G12B5/00GK101290808SQ20081004794
公開日2008年10月22日 申請日期2008年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月6日
發(fā)明者葉燚璽, 偉 姜, 曾理湛, 李小平, 欣 羅, 賈文川, 陳學(xué)東, 鮑秀蘭 申請人:華中科技大學(xué)