多自由度短行程超精密平面電機的應用

1超精密平面電機的發(fā)展光刻機是集成電路行業(yè)最重要、最復雜的關鍵關鍵設備?？梢詫崿F(xiàn)的特點尺寸、套裝精度和產(chǎn)率直接反映了一個國家的制造技術和技能。超精密定位平臺作為光刻機系統(tǒng)中的多自由度精密定位及矯正補償機構(gòu),是實現(xiàn)光刻標準線寬、獲得高質(zhì)量光刻圖形的首要條件,決定了光刻機最終的光刻分辨率,是實現(xiàn)納米級精密定位的核心部件。隨著精密加工、數(shù)字控制等技術的迅速發(fā)展,各種應用場合對超精密定位平臺的需求量也在不斷增加,同時對它的定位精度、運行速度、運動維數(shù)及可靠性等方面都提出了更高的要求。為了實現(xiàn)納米級的定位精度,傳統(tǒng)的驅(qū)動方式和傳動方式已不再適用。比如,傳統(tǒng)的定位裝置往往采用伺服電機驅(qū)動和精密絲杠傳動的方案,由于螺紋空程和傳動摩擦的存在,其定位精度一般只能達到微米級。隨著直線電機技術的迅速發(fā)展,精密定位裝置開始采用直線電機。為實現(xiàn)多自由度定位運動,一般將兩臺或多臺直線電機進行組合,形成層疊式結(jié)構(gòu)間接實現(xiàn)平面定位,但是這種結(jié)構(gòu)無疑增加了系統(tǒng)的復雜性,存在擾動變量多、系統(tǒng)體積大、成本高等缺點,而且仍然沒有擺脫“低維運動機構(gòu)疊加成高維運動機構(gòu)”的模式。平面電機是一種僅利用一個運動部件就能夠?qū)崿F(xiàn)平面運動的新型電機,由于摒棄了絲杠、螺桿等傳動裝置,有效減少了傳動環(huán)節(jié)中的誤差傳遞,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),具有響應速度快、定位精度高、結(jié)構(gòu)強度好、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,因此,近年來受到了國內(nèi)外學者的廣泛關注。根據(jù)電磁力的產(chǎn)生原理,平面電機分為變磁阻型、感應型、永磁同步型和直流型四大類。其中,前三種均屬于宏動電機,用于實現(xiàn)大行程、低精度的定位運動。而直流型平面電機屬于微動電機,用于實現(xiàn)短行程、高精度的定位運動,因此,也可稱之為短行程超精密平面電機或洛倫茲平面電機,本文僅對該類平面電機進行綜述。超精密平面電機由多組直流直線驅(qū)動單元集成得到,利用電磁力直接驅(qū)動,通過閉環(huán)控制位于磁場中通電線圈的電流大小和方向,實現(xiàn)精密定位運動。從原理角度分析,該類電機的推力波動很小,理論上具有無限分辨率,影響定位精度的主要因素是電流紋波以及位置檢測裝置。因此,具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、頻響高、慣量小等特點。隨著納米時代的到來,多自由度短行程超精密平面電機在半導體光刻加工、超精密測量、掃描探針顯微鏡、生物芯片技術、精密機械制造等領域均有著廣泛的應用前景。近年來,無論是在前沿科學研究還是尖端工業(yè)應用中,多自由度短行程超精密平面電機所占據(jù)的地位日益重要,在國內(nèi)外重要期刊和國際會議上經(jīng)常有相關文獻出現(xiàn),其各項技術指標已成為衡量國家先進技術發(fā)展和制造技術水平的重要標準[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。本文總結(jié)了近十幾年來出現(xiàn)的典型結(jié)構(gòu)的多自由度短行程超精密平面電機,并介紹了各自的特點。結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,總結(jié)了多自由度短行程超精密平面電機的主要研究內(nèi)容與關鍵技術,并針對目前存在的問題,探討了多自由度短行程超精密平面電機的發(fā)展趨勢。2動態(tài)長環(huán)境線超精密平面電機的發(fā)展現(xiàn)狀目前,國際上正在從事多自由度短行程超精密平面電機相關技術研究的各大高校和科研機構(gòu)主要集中在日本、韓國、荷蘭和美國,如日本東京工業(yè)大學、日本東北大學、韓國科學技術院、韓國延世大學、荷蘭埃因霍溫科技大學、美國麻省理工學院等。近年來,隨著我國對集成電路產(chǎn)業(yè)的高度重視,越來越多的高校和企業(yè)開始進行多自由度短行程超精密平面電機及其相關技術的研究。在國內(nèi),清華大學、華中科技大學、浙江理工大學、華南理工大學、西安交通大學、天津大學、哈爾濱工業(yè)大學、中科院電工研究所、長春光機所等單位均開展了相關研究工作,并取得了一定成果。一般來說,六自由度的定位運動包括平面定位和調(diào)平調(diào)焦,平面定位用于產(chǎn)生x向、y向以及繞z軸偏轉(zhuǎn)的運動,由三自由度平面電機即可實現(xiàn);調(diào)平調(diào)焦用于產(chǎn)生z向運動、繞x軸偏轉(zhuǎn)以及繞y軸偏轉(zhuǎn)的運動,實現(xiàn)方式主要有電磁鐵、洛倫茲線圈、重力補償器三種方式。下面分別對三自由度氣浮型超精密平面電機和具有調(diào)平調(diào)焦能力的六自由度磁浮型超精密平面電機(一般也稱為六自由度磁浮型超精密微動臺)的研究現(xiàn)狀進行介紹。2.1自由度超精密平面電機的結(jié)構(gòu)及動態(tài)特性日本東京工業(yè)大學的H.Shinno等人在2004年和2007年分別提出兩代用于實現(xiàn)x-y-θ納米定位精度的超精密平面電機。第一代平面電機由6組直流直線驅(qū)動單元集成得到,如圖1a所示,實驗驗證該平面電機在x、y和θ方向上的定位分辨率分別為2nm、2nm和0.2μrad。為了同時滿足質(zhì)量輕和剛度高的要求,主要零部件的結(jié)構(gòu)材料選用氧化鋁陶瓷。利用四個高剛度空氣靜壓軸承和一個能夠產(chǎn)生吸力作用的真空泵相互配合,平面電機的運動部分可以定位在陶瓷基板上的任意期望位置上。第二代平面電機由8組直流直線驅(qū)動單元集成得到,如圖1b所示,整個系統(tǒng)關于驅(qū)動軸對稱分布,減小了非線性和位置依賴性的影響,質(zhì)心較低,推力波動較小。為了盡量避免運動平臺的熱變形,將線圈及其軛部固定在基板上。由于整個系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)對稱性,所有驅(qū)動力均作用在平面電機運動部分的質(zhì)心,因此各驅(qū)動軸之間相互影響非常小。這兩種平面電機的缺點是每個線圈僅有一個有效邊可以產(chǎn)生有效推力,另外三個邊均處于空氣中,線圈繞組沒有得到充分利用。韓國延世大學的Dong-JuLee等人在2005年提出一種應用在光刻機中的三自由度超精密平面電機,運動部分通過氣浮軸承進行支撐,結(jié)構(gòu)如圖2所示。文獻中,建立了平面電機的有限元模型,對其進行了模態(tài)仿真和實驗。為了提高電機的動態(tài)特性,進行了磁路改進以縮短響應時間,通過增加平衡質(zhì)量和加固結(jié)構(gòu)來調(diào)整動子使得一階彈性模態(tài)轉(zhuǎn)移到高頻段。通過改進設計,系統(tǒng)的動態(tài)特性得到改善,頻帶加寬、加速度加大,實驗驗證系統(tǒng)的定位分辨率為±50nm,帶寬為100Hz。清華大學的朱煜等人在2007年提出一種三自由度超精密平面電機,由4組直流直線驅(qū)動單元集成得到,如圖3所示。其中兩個驅(qū)動單元是獨立的,當這兩個驅(qū)動單元中的線圈通以相同方向電流時,電機實現(xiàn)y方向平動;當這兩個驅(qū)動單元中的線圈通以相反方向電流時,電機實現(xiàn)繞z軸的偏轉(zhuǎn)。另外兩個驅(qū)動單元對角布置,線圈串聯(lián)或獨立,用以實現(xiàn)x方向平動。平面運動支撐方式采用氣體靜壓軸承,平移范圍4mm×4mm,轉(zhuǎn)角范圍±0.01rad。文獻中,建立了平面電機的動力學模型和控制模型,分析了各直流直線驅(qū)動單元之間的耦合關系,得到平面電機的力平衡方程。通過電磁力的分配實現(xiàn)控制系統(tǒng)的解耦,對解耦后的單入單出系統(tǒng)設計了雙環(huán)PD控制器,并進行位置伺服控制實驗。為保證電機的工作壽命及適應半導體裝備的應用背景,設計了水冷散熱管道。華中科技大學的陳學東等人在2010年提出一種懸臂式宏微結(jié)合氣浮工件臺方案,宏動電機采用直線電機,微動電機采用洛倫茲平面電機。其中,洛倫茲平面電機由5組直流直線驅(qū)動單元集成得到(4組驅(qū)動y方向,1組驅(qū)動x方向),具有x向、y向和θz三個自由度,電機行程為x=±1.5mm,y=±1.5mm,最大偏轉(zhuǎn)角度θz=±1.5mrad。這種洛倫茲平面電機的線圈在x方向和y方向為非對稱布置,x向線圈位于4組y向線圈之間,可應用于x向驅(qū)動力與y向驅(qū)動力指標不同的場合,結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了降低線圈發(fā)熱,定子采用浸泡式水冷結(jié)構(gòu)。在文獻中,對洛倫茲平面電機的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性進行了詳細的研究,建立了平面電機的數(shù)學模型、電磁動力學模型以及振動模型,對電機動態(tài)特性的影響因素進行了分析,并利用實驗驗證了理論分析的正確性。哈爾濱工業(yè)大學的寇寶泉等人在2011年提出了一種集成繞組結(jié)構(gòu)洛倫茲平面電機方案,如圖5所示,電機平動行程為4mm×4mm。這種平面電機采用雙邊動次級結(jié)構(gòu),利用4組正方形線圈驅(qū)動單元進行組合驅(qū)動,通過合理布置各個線圈有效邊與永磁體的相對位置,使得無論電機處于何種運動狀態(tài),所有線圈始終同時工作,無閑置線圈。因此具有損耗及發(fā)熱量小、熱量分布均勻等優(yōu)點,從而減小溫度梯度對一些精密位移檢測設備及系統(tǒng)環(huán)境的影響。除了上述利用直流直線驅(qū)動單元集成得到的超精密平面電機方案,也可以利用其它形式的驅(qū)動單元進行集成。日本東北大學的WeiGao等人在2004年提出了一種三自由度平面電機,由四組兩相無刷直流驅(qū)動單元集成驅(qū)動,動子利用4個氣足支撐,可以實現(xiàn)三自由度定位運動,電機結(jié)構(gòu)如圖6所示。與利用外圍傳感器檢測電機動子位置的方式不同,這種平面電機將平面位置測量裝置集成到定子與動子之間,實現(xiàn)了平面電機的小型化。平面位置測量裝置由兩個二維角度傳感器和一個表面上帶有二維正弦波形的角度網(wǎng)格所組成,這個角度網(wǎng)格固定在利用空氣軸承懸浮起來的動子平臺的下方,角度傳感器和空氣軸承發(fā)射臺安裝在定子基板上,使得動子平臺的移動不會受到通電導線以及空氣管道的影響。實驗驗證系統(tǒng)所能達到的定位分辨率為200nm,偏轉(zhuǎn)角度分辨率為1′′。2.2更加彰顯的對于半導體制造、精密測量等超精密定位場合,隨著工件尺寸的不斷增大,其表面不平度、厚度偏差等因素對焦深提出了更加苛刻的要求。此外,超精密平面定位裝置在運動過程中,不可避免地會產(chǎn)生垂直于運動方向的偏移量或俯仰偏轉(zhuǎn)量,投影物鏡受熱變形也會引起焦面偏移,因此對工件進行調(diào)平調(diào)焦就變得非常必要。2.2.1浮微動臺的結(jié)構(gòu)美國俄亥俄州立大學的XiminShan和ChiaHsiangMenq等人在2000年提出了一種磁懸浮微動臺方案,平動行程為4mm×4mm×2mm,偏轉(zhuǎn)角度超過1°。作者建立了六自由度非線性電磁力模型,對高精密磁懸浮運動系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)進行了研究。這種六自由度磁懸浮微動臺采用10組電磁鐵進行懸浮和驅(qū)動,其中4組用于調(diào)平調(diào)焦,6組用于平面定位,結(jié)構(gòu)如圖7所示。由于這種磁懸浮微動臺基于變磁阻原理工作,電磁力與電流的平方成正比,與氣隙的平方成反比,使得微動臺的運動控制較為復雜,運動平臺不能在全工作行程內(nèi)實現(xiàn)一致的定位穩(wěn)定性。除此之外,微動臺的損耗和溫升較大。圖8所示為荷蘭代爾夫特理工大學提出的磁懸浮驅(qū)動單元。上下兩個E形電磁鐵提供氣隙磁場,用于實現(xiàn)磁懸浮功能,同時,為實現(xiàn)水平運動,動子上纏繞次級線圈。通過次級線圈的電流與氣隙磁場相互作用,產(chǎn)生動子的驅(qū)動力。利用這種結(jié)構(gòu),同一磁場實現(xiàn)了兩個自由度的運動。圖9為利用3組磁懸浮驅(qū)動單元組成的磁懸浮微動臺,中間的驅(qū)動板上包括三個動子鐵心,上面分別繞有次級線圈,微動臺運動行程為10mm。2.2.2結(jié)構(gòu)磁懸浮微動臺美國A&M大學的Won-jongKim等人在2002年提出一種Δ形結(jié)構(gòu)六自由度磁懸浮微動臺方案,如圖10所示。微動臺由3個法向執(zhí)行機構(gòu)和3個水平執(zhí)行機構(gòu)組成,運動部分為一個三角形非磁性平板,6組執(zhí)行機構(gòu)均由洛倫茲線圈和永磁體組成,永磁體安裝在三角板上,6個線圈固定在定子上。裝配體中無鐵心部件,使得執(zhí)行機構(gòu)具有較高的帶寬,不受飽和與磁滯的影響。三角形平板頂部為分別為鋁片層、粘彈性層與約束層。三層的裝配增加了系統(tǒng)的被動阻尼,減小結(jié)構(gòu)振動并增強了穩(wěn)定性。該微動臺的缺點是運動范圍受到電磁執(zhí)行機構(gòu)行程的限制,且由于洛倫茲線圈利用率較低使得負載能力較低。2006年,Won-jongKim等人又提出了一種新結(jié)構(gòu)磁懸浮微動臺,用Y形的懸浮動子取代了Δ形懸浮動子,如圖11所示。與第一代的Δ形微動臺相比,第二代微動臺克服了非質(zhì)心驅(qū)動的缺點,在運行范圍、負載能力、機械設計的簡單化以及功率損耗等方面都有著明顯的優(yōu)勢。除此之外,Y形動子可以從整體框架中移出,任何定子部件都不會對其產(chǎn)生干擾。通過實驗驗證,這種Y形懸浮微動臺運行范圍可以達到5mm×5mm,定位分辨率可以達到3nm。清華大學的朱煜等人在2010年提出了一種十字型結(jié)構(gòu)磁懸浮微動臺,其結(jié)構(gòu)原理與Y形微動臺相似,也可實現(xiàn)六個自由度,如圖12所示。十字型結(jié)構(gòu)磁懸浮微動臺由一個十字支架和4個兩自由度執(zhí)行機構(gòu)組成,每個執(zhí)行機構(gòu)由沿豎直方向充磁的永磁體、驅(qū)動線圈和懸浮線圈組成,永磁體固定于十字支架的末端,驅(qū)動線圈和懸浮線圈分別布置于永磁體的側(cè)面和下面,運動范圍±0.5mm。在文獻中,應用解析方法(磁荷法)建立了微動臺磁場模型并計算了特定結(jié)構(gòu)約束下的磁場分布,對微動臺電磁力-位移特性進行了分析。在文獻中,采用數(shù)值方法計算了微動臺電磁單元繞組損耗引起的溫升,給出了微動臺的發(fā)熱熱源、定子線圈等效導熱系數(shù)和自然對流及強制水冷條件下表面散熱系數(shù),建立了微動臺三維溫度場的數(shù)學模型。根據(jù)熱傳導理論,完成了微動臺定子線圈穩(wěn)態(tài)溫度場的理論計算,并采用數(shù)值方法計算了微動臺在自然對流和強制水冷條件下的三維溫度場分布。該研究對全面認識微動臺內(nèi)部溫升情況及冷卻結(jié)構(gòu)設計都具有一定的指導意義。2.2.3磁懸浮重力補償器除了利用電磁鐵和洛倫茲線圈實現(xiàn)調(diào)平調(diào)焦兩種方式外,近幾年,又出現(xiàn)了一種磁懸浮重力補償器的調(diào)平調(diào)焦方案。磁懸浮重力補償器有兩個作用:(1)動態(tài)調(diào)平調(diào)焦及隔振;(2)對利用永磁體之間的作用力對微動臺的運動質(zhì)量進行補償,以減小調(diào)整線圈的電流和發(fā)熱量。荷蘭埃因霍溫科技大學的SvenAntoinJohanHol等人在2006年提出一種圓筒型磁懸浮重力補償器結(jié)構(gòu)方案,如圖13所示。動子由兩個徑向充磁的永磁環(huán)組成,定子由內(nèi)外兩個軸向充磁的永磁環(huán)以及位于動子永磁體之間的線圈組成。根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理可以判斷:動子永磁體與定子永磁體上表面具有吸力作用,與定子永磁體下表面具有斥力作用,即定子永磁體與動子永磁體之間會產(chǎn)生一個向上的懸浮力,用于抵消負載的質(zhì)量。需要動態(tài)調(diào)整時,位于動子磁場中的定子線圈通入電流,即可產(chǎn)生一個動態(tài)補償力。圖14為圓筒型重力補償器在微動臺底部的布置方案。韓國科學技術院的Young-ManChoi等人在2007年提出一種平板型Halbach結(jié)構(gòu)的磁懸浮重力補償器,如圖15所示,其最大優(yōu)點在于法向剛度非常小,且相同體積下的出力能力是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的4倍。作者利用解析模型對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)重力補償器和Halbach結(jié)構(gòu)重力補償器的補償特性進行了比較。并通過對Halbach永磁陣列的永磁體高度比進行優(yōu)化,得到懸浮力密度與法向剛度的折中方案。圖16為利用該磁懸浮重力補償器實現(xiàn)六自由度微動臺調(diào)平調(diào)焦的結(jié)構(gòu)示意圖。2.3超精密平面電機測量原理目前,針對多自由度短行程超精密平面電機,已經(jīng)有多種結(jié)構(gòu)被提出,并且各種結(jié)構(gòu)之間的特點也得到的初步的比較,但仍然存在一些問題:首先,絕大多數(shù)對超精密平面電機的研究只是側(cè)重于某一方面,比如電磁特性、溫升、頻響等,并沒有對超精密平面電機進行綜合分析,這樣容易導致超精密平面電機在某一方面的指標變差,對于超精密定位及測量系統(tǒng),這是不允許的。其次,盡管有相關學者已經(jīng)對超精密平面電機的磁場分析、電磁力計算、動力學建模等重要問題進行了研究,但是到目前為止,仍未形成完整的超精密平面電機的設計方法與分析理論。3超精密平面電機的主要技術指標和參數(shù)確定隨著精密加工系統(tǒng)、精密測試系統(tǒng)整機指標的不斷提高,對超精密平面電機的精度、運行速度、頻率響應、溫升、可靠性等方面都提出了更高的要求,同時也決定了超精密平面電機的主要研究方向與關鍵技術。3.1有限元方法解析精度的影響由于超精密平面電機的驅(qū)動是以電磁場為介質(zhì)的,因此電磁場解析和磁路設計是超精密平面電機整體結(jié)構(gòu)設計的前提。目前,磁場的計算方法主要包括:邊界條件法、有限元法、等效電流法、等效磁荷法、鏡像法等。其中,邊界條件法是長行程直線電機磁場解析常用到的方法,賦以邊界條件通過很少的計算量便可以實現(xiàn)對其磁場的解析。但是,邊界條件法僅適用于初級或次級可近似為無限長的情況,并沒有考慮直線電機的縱向端部效應。有限元方法的解析精度依賴于模型的網(wǎng)格形狀及剖分數(shù)目,為了提高磁場的解析精度就要增加剖分的數(shù)量,計算時間大大增加。等效電流法和等效磁荷法是通過對單塊永磁體進行模型等效,進而計算氣隙磁場的解析方法,滿足疊加原理,無需賦邊界條件和進行無限長假設,能夠比較準確地計算電機的端部磁場,但是對于長行程直線電機,這種方法的計算量較大。鏡像法是一種計算處于鐵磁邊界條件下磁場的解析方法,通過原像場與鏡像場的磁場疊加來計算氣隙磁場的實際分布情況。結(jié)合超精密平面電機的結(jié)構(gòu)特點,一般采用等效電流法或等效磁荷法對永磁體進行等效,并利用鏡像法來計算鐵磁邊界對磁場的影響,從而對氣隙磁場進行精確解析。準確的磁場解析對超精密平面電機合理布局、消除邊端效應、降低推力波動、提高電機推力等方面均有指導意義,是超精密平面電機建立準確模型和實現(xiàn)超精密定位運動的理論基礎。3.2高速高精機械系統(tǒng)的設計要點隨著速度與加速度等動態(tài)性能指標要求不斷提高,超精密平面電機的結(jié)構(gòu)設計不能僅停留在靜態(tài)設計的水平上,而必須進行結(jié)構(gòu)動力學建模與動態(tài)特性分析。通常超精密平面電機的設計是指在滿足設計指標要求的條件下,使電機結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)濟合理。從機械系統(tǒng)動力學觀點看,要實現(xiàn)高速度、高精度的目標就必須保證系統(tǒng)具備優(yōu)良的靜、動態(tài)品質(zhì),主要包括:(1)低慣量:在高速高精定位中,驅(qū)動系統(tǒng)的大部分載荷都是慣性的,因此,降低運動部件的質(zhì)量是設計中需要考慮的一個重要問題。(2)高剛度或高固有頻率:來保證系統(tǒng)良好的動態(tài)特性和抗干擾能力。(3)質(zhì)心驅(qū)動:當驅(qū)動力作用中心與平面電機質(zhì)心不重合時,會引起系統(tǒng)的振動,造成振動誤差,導致系統(tǒng)的定位精度下降,因此在設計超精密平面電機時,應盡量保證質(zhì)心驅(qū)動。掌握超精密系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和系統(tǒng)本身的動力學特性,對設備的制造、選擇有效的隔振措施、減小振動的影響及改善系統(tǒng)的動態(tài)性能等都具有重要的指導意義。3.3電機及控制器的熱設計在光刻機等應用背景下,超精密平面電機與外界環(huán)境的熱交換受到嚴格的限制。因此,有效冷卻結(jié)構(gòu)的設計與溫度場分析能夠減小超精密平面電機溫升對光學檢測設備及傳感器定位精度的影響,對實現(xiàn)高精度定位運動具有重要意義。電機運行過程中產(chǎn)生的熱量不僅使線圈電阻增加,給控制系統(tǒng)帶來了時變特性,而且還將導致相關零件的熱變形和空氣的折射率變化,影響高分辨率位置傳感器的檢測精度。首先,應該在結(jié)構(gòu)設計方面采取措施,線圈是電機的主要熱源,若將線圈作為動子,則會出現(xiàn)供電電線和冷卻管路相互干擾的問題,影響系統(tǒng)定位精度。因此,一般將線圈作為定子。其次,利用流動的冷卻劑是解決散熱問題的主要途徑,一般采用水冷方式,通過在線圈周圍設計合理的冷卻水道結(jié)構(gòu)或者是采用浸泡式水冷結(jié)構(gòu),將線圈產(chǎn)生的熱量帶走。另外,為了最大限度地控制電機表面溫升,減小電機發(fā)熱對周圍環(huán)境及其他部件的影響,一般在電機外表面增加隔熱板,切斷熱源傳導路徑。3.4重力補償器的應用在光刻機中,如何使超精密平面電機在曝光過程中免受基礎框架振動的干擾至關重要,如外界振動傳遞到承載硅片的承載臺上,則會影響硅片定位精度,因此,需要采用行之有效的方案對超精密平面電機進行減振和隔振。重力補償器就是在此背景下發(fā)展起來的新型結(jié)構(gòu),通過主動減振與被動隔振結(jié)合的方式,使超精密平面電機系統(tǒng)形成一個獨立的內(nèi)部系統(tǒng)。目前的重力補償器主要分為氣浮與磁浮兩種類型。上海微電子裝備有限公司在文獻中提供一種氣浮型重力補償器,能夠?qū)ξ优_進行調(diào)平調(diào)焦及隔振,且結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn),使用壽命長。清華大學在文獻中提出一種磁浮型重力補償器,具有零部件表面無需精密加工、適用于真空環(huán)境中應用等優(yōu)點,并且能夠降低行程范圍內(nèi)沿軸線方向的剛度,同時提高軸向承載能力。4基于多因素短途汽機的發(fā)展趨勢4.1超精密平面電機的應用超精密平面電機要求質(zhì)量輕、剛度高和熱變形小,因此電機的材料應具備密度小、熱膨脹系數(shù)低、熱傳導率低、彈性模量大等特點。傳統(tǒng)電機的材料仍然為鋼材,其密度大、熱導率與熱膨脹系數(shù)高,使得相關性能受到影響。常用的工程結(jié)構(gòu)陶瓷,如氧化鋁、氮化鋁、碳化硅、氮化硅等,由于具有高強度、高硬度、低密度、耐輻射、抗腐蝕等優(yōu)點,已逐漸成為航空航天、精密機械等尖端領域的關鍵材料,將工程結(jié)構(gòu)陶瓷應用于超精密平面電機是一種發(fā)展趨勢。目前,面臨的主要問題是:由于陶瓷材料自身的特性導致其機加工性能較差、加工難度大、加工周期長、造價高。但是,相信隨著相關加工工藝的不斷完善,該問題會得到解決。另外,在精密定位場合中,減小超精密平面電機對系統(tǒng)環(huán)境溫度的影響也是重點考慮的問題,需要盡量隔斷超精密平面電機與系統(tǒng)環(huán)境之間的溫度傳播途徑,因此,在超精密平面電機中采用特殊的隔熱材料也是當前的一個研究方向。4.2超精密平面電機的特性超精密平面電機的研發(fā)是一項涉及電磁學、傳熱學、機械學等多個學科的科學探索研究工作,需要從系統(tǒng)的角度進行綜合分析,才能發(fā)掘出其最優(yōu)特性。然而,絕大多數(shù)對超精密平面電機的研究只是側(cè)重于某一方面,并沒有從系統(tǒng)角度對其進行綜合分析,目前尚沒有利用多物理場分析超精密平面電機的相關文獻。相信隨著國內(nèi)外學者對超精密定位系統(tǒng)認識的逐步提高、更多跨學科科研機構(gòu)的出現(xiàn)以及對多物理場分析軟件的進一步掌握,利用多物理場分析設計超精密平面電機的方法必將成為一種趨勢。4.3超精密平面電機的設計總結(jié)超精密平面電機的結(jié)構(gòu)框架是電磁驅(qū)動單元和位置檢測單元安裝的主體,是超精密平面電機系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎?，F(xiàn)