《一種6自由度微動工作檯》是清華大學於2007年6月29日申請的專利，該專利的公布號為CN101078889，申請公布日為2007年11月28日，發明人是朱煜、汪勁松、張鳴、李廣、徐登峰、尹文生、段廣洪、賈松濤。該發明屬於超精密加工和檢測設備技術領域。
《一種6自由度微動工作檯》具有3組布置在水平面內的電磁力驅動單元，驅動微動工作檯在水平面內X、Y、θz3個自由度的運動；同時還具有3個沿豎直方向布置的電磁力驅動單元，用於實現驅動微動工作檯在Z、θx、θy3個自由度的運動。該發明採用電磁力直接驅動，與疊層結構相比，具有結構簡單、緊湊、驅動質心低等優點，因此不存在機械摩擦，無阻尼，具有較高的位移解析度；可用於補償光刻機矽片台的定位誤差並實現光刻機調平調焦的功能，也可用於超精密加工和檢測中以實現6自由度運動；該微動工作檯基於洛倫茲原理工作，輸出推力與輸入電流之間成線性關係，運動控制技術成熟。
2015年11月27日，《一種6自由度微動工作檯》獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種6自由度微動工作檯》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種6自由度微動工作檯
- 申請人：清華大學
- 申請日：2007年6月29日
- 申請號：2007101181305
- 公布號：CN101078889
- 公布日：2007年11月28日
- 發明人：朱煜、汪勁松、張鳴、李廣、徐登峰、尹文生、段廣洪、賈松濤
- 地址：北京市100084信箱82分箱清華大學專利辦公室
- 分類號：G03F7/20(2006.01)
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
具有高精度和快速回響的微動工作檯在現代製造技術中具有極其重要的地位，被視為一個國家高技術發展水平的重要標誌。在超精密工具機中，超精密微動工作檯用於對進給系統進行誤差補償，實現超精密加工；在大規模積體電路製造中，超精密微動工作檯用於光刻設備中進行微定位和微進給；在掃描探針顯微鏡中，超精密微動工作檯用於測量樣品表面形貌，進行納米加工；在生物工程方面，超精密微動工作檯用於完成對細胞的操作，實現生物操作工程化；在醫療科學方面，超精密微動工作檯用於顯微外科手術，以便減輕醫生負擔，縮短手術時間，提高成功率。超精密微動工作檯還被廣泛套用於光纖對接，MEMS系統加工、封裝及裝配，以及電化學加工等領域中。
在半導體光刻設備中，光刻機矽片台和掩模台大多採用粗精疊層結構，包含一個超精密微動工作檯。該微動台疊加於粗動台之上，用於對粗動台進行精度補償。微動工作檯定位精度決定了光刻機的曝光精度，運動速度決定了光刻機的生產效率。因此，美國、日本、歐洲等已開發國家均把超精密微動工作檯技術視為光刻機核心技術之一，對我國相關產品進行嚴格的進口限制。
概括2007年前中國國內外納米級微動工作檯研究現狀，超精密微動台通常有三類，伺服電機通過滾珠絲槓傳動/直線導軌支撐微動工作檯，壓電陶瓷驅動/柔性鉸鏈支撐導向微動工作檯，以及音圈電機或變磁阻電機驅動/氣浮或磁浮支撐微動工作檯。
前兩種微動台由於支撐系統的摩擦阻尼非線性等因素影響，均無法滿足光刻設備高速度、大負載、高動態特性的要求。採用音圈電機/氣浮支撐的微動台可以滿足光刻設備的要求，但存在結構整體性差，台體較厚，質心高等不足，其性能受到一定局限。
該專利申請人在2006年12月29日和2007年4月27日分別申請了一種超薄3自由度平面電機（申請號：200610169826.6）和一種超薄3自由度微動工作檯（申請號：200710098790.1），前者採用單層線圈的超薄結構，避免了採用多個直線電機組合實現3自由度所帶來的結構整體性差等諸多問題。後者採用氣浮或磁浮軸承，提供了一種套用於光刻機掩模台中的3自由度微動工作檯。在以上發明基礎上，該發明旨在提供一種可套用於光刻機矽片台中的6自由度微動工作檯，該微動工作檯用於補償光刻機矽片台的定位誤差並實現光刻機調平調焦的功能。
發明內容
專利目的
該發明的目的是提供一種6自由度微動工作檯，可用於補償光刻機矽片台的定位誤差並實現光刻機調平調焦的功能，也可用於超精密加工和檢測中以實現6自由度運動；同時具有結構簡單、緊湊，驅動質心低，微動台動子慣量小等特點。
技術方案
《一種6自由度微動工作檯》包括微動台定子、微動台動子和微動台基座，該微動工作檯具有3組布置在水平面內的電磁力驅動單元，每組至少包含1個電磁力驅動單元，其中2組驅動單元的驅動軸線平行但不重合，第3組驅動單元的驅動軸線與前2組正交，上述電磁力驅動單元實現微動工作檯在水平面內X、Y、θz3個自由度的運動，其特徵在於：所述的微動工作檯還具有3個沿豎直方向布置的電磁力驅動單元，所述3個沿豎直方向布置的電磁力驅動單元呈三角形布置，驅動微動工作檯在Z、θx、θy3個自由度的運動。
該發明所述水平面內的電磁力驅動單元由在豎直方向極化的平面永磁體和線圈兩部分組成，平面永磁體布置線上圈有效驅動方向的兩個側邊，所述平面永磁體固定在微動台動子中，所述線圈嵌入單層的線圈骨架中，固定在微動台定子上；所述沿豎直方向布置的電磁力驅動單元由沿徑向極化的圓柱形永磁體和線圈組成，所述圓柱形永磁體固定在微動台動子中，線圈固定在微動台定子上。
改善效果
《一種6自由度微動工作檯》所述微動工作檯的優點在於：微動工作檯採用並聯結構實現6自由度運動，與疊層結構相比，具有結構簡單、緊湊、驅動質心低等優點，微動台採用電磁力直接驅動，因此不存在機械摩擦，無阻尼，具有較高的位移解析度；微動工作檯基於洛倫茲原理工作，輸出推力與輸入電流之間成線性關係，運動控制技術成熟。
附圖說明
圖1為該發明提供的一種6自由度微動工作檯的三維結構圖。
圖2為6自由度微動工作檯的驅動單元的布置結構示意圖。
圖3為微動工作檯實現X方向運動的原理圖。
圖4為微動工作檯實現Y方向運動的原理圖。
圖5為微動工作檯實現繞Z轉動的原理圖。
圖6為微動工作檯實現Z方向運動的原理圖。
圖7為微動工作檯實現繞X轉動的原理圖。
圖8為微動工作檯實現繞Y轉動的原理圖。
圖中：1-微動台基座；2-微動台定子；3-微動台動子；11-水平布置的第1驅動單元；12-水平布置的第2驅動單元；13-水平布置的第3驅動單元；14-水平布置的第4驅動單元；21-豎直布置的第1驅動單元；22-豎直布置的第2驅動單元；23-豎直布置的第2驅動單元；30-水平面內的線圈骨架30；40-豎直方向的線圈骨架。
權利要求
1.《一種6自由度微動工作檯》包括微動台定子（2）、微動台動子（3）和微動台基座（1），該微動工作檯具有3組布置在水平面內的電磁力驅動單元，每組至少包含1個電磁力驅動單元，其中2組驅動單元的驅動軸線平行但不重合，第3組驅動單元的驅動軸線與前2組正交，所述3組布置在水平面內的電磁力驅動單元實現微動工作檯在水平面內X、Y、θz3個自由度的運動，其特徵在於：所述的微動工作檯還具有3個沿豎直方向布置的電磁力驅動單元，所述3個沿豎直方向布置的電磁力驅動單元呈三角形布置，驅動微動工作檯在Z、θx、θy3個自由度的運動。
2.按照權利要求1所述的一種6自由度微動工作檯，其特徵在於：所述水平面內的電磁力驅動單元由在豎直方向極化的平面永磁體和線圈兩部分組成，所述平面永磁體布置在所述線圈的有效驅動方向的兩個側邊，並固定在微動台動子（3）中；所述線圈嵌入單層的線圈骨架（30）中，且固定在微動台定子（2）上；所述沿豎直方向布置的電磁力驅動單元由沿徑向極化的圓柱形永磁體和線圈組成，所述圓柱形永磁體固定在微動台動子（3）中，線圈固定在微動台定子（2）上。
實施方式
圖1為《一種6自由度微動工作檯》的三維結構圖。該微動工作檯包括微動台基座1，微動台定子2，以及微動台動子3。該微動工作檯具有3組布置在水平面內的電磁力驅動單元，其中2組驅動單元的驅動軸線平行但不重合，第3組驅動單元的驅動軸線與前2組正交，所述3組布置在水平面內的電磁力驅動單元實現微動工作檯在水平面內X、Y、θz3個自由度的運動；每組至少包含1個電磁力驅動單元，每個電磁力驅動單元由在豎直方向極化的平面永磁體和線圈兩部分組成，該平面永磁體布置線上圈有效驅動方向的兩個側邊，所述平面永磁體固定在微動台動子3中，所述線圈嵌入單層的線圈骨架30中，固定在微動台定子2上。所述的微動工作檯還具有3個沿豎直方向布置的電磁力驅動單元，所述3個沿豎直方向布置的電磁力驅動單元呈三角形布置，每個電磁力驅動單元由線圈和圓柱形永磁體兩部分組成，每個線圈都分別固定在各自的線圈骨架40中。所述3個沿豎直方向布置的電磁力驅動單元驅動微動工作檯在Z、θx、θy3個自由度的運動。
如圖2所示，微動台基座1可以採用U型結構，起支撐微動台定子2作用。微動台定子2包括水平面內的電磁力驅動單元的線圈，水平面內的線圈骨架30，豎直方向驅動單元的線圈，以及豎直方向的線圈骨架40。水平面內的線圈骨架30和豎直方向的線圈骨架40均與微動台基座1固定聯接。微動台動子3包括水平面內的驅動單元的平面永磁體，豎直方向的驅動單元的圓柱形永磁體，以及支撐件。水平面內驅動單元的平面永磁體嵌入動子中，分別布置在驅動單元線圈有效驅動方向的側邊，形成豎直方向穿過線圈的磁場。豎直方向驅動單元的永磁體為圓柱形，形成沿徑向穿過線圈的磁場。
如圖3至圖5所示，微動工作檯基於洛倫茨原理工作。水平面內驅動單元的永磁體產生的磁場方向、微動台定子中線圈電流方向，以及產生的洛倫茨力方向三者相互垂直。當只有水平布置的第1驅動單元11和水平布置的第3驅動單元13通電流時，驅動單元產生X方向洛倫茨力，從而實現微動台動子沿X方向運動。當只有水平布置的第2驅動單元12和水平布置的第4驅動單元14通電流時，驅動單元產生Y方向洛倫茨力，從而實現微動台動子沿Y方向運動。當水平布置的第1驅動單元11和水平布置的第3驅動單元13通相反方向電流時，驅動單元產生兩個相反方向洛倫茨力，從而實現微動台動子繞Z轉動。
如圖6至圖8所示，豎直方向驅動單元產生的洛倫茨力沿上下方向。當豎直布置的第1驅動單元21、豎直布置的第2驅動單元22和豎直布置的第3驅動單元23都通電流時，驅動單元產生Z方向推力，從而實現微動台動子沿Z方向運動。當豎直布置的第1驅動單元21和豎直布置的第2驅動單元22通相同方向電流，而豎直布置的第3驅動單元23通相反方向電流時，驅動單元產生繞X軸力矩，從而實現微動台動子繞X轉動。當豎直布置的第1驅動單元21和豎直布置的第2驅動單元22通相反方向電流時，而豎直布置的第3驅動單元23不通電流時，驅動單元產生繞Y軸力矩，從而實現微動台動子繞Y轉動。
榮譽表彰
2015年11月27日，《一種6自由度微動工作檯》獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。
