專利名稱：一種六自由度磁浮微動臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于超精密加工和半導體制造領域，具體涉及ー種六自由度磁浮微動臺。
背景技術：
高精度、高響應的微動臺是超精密加工和半導體制造裝備的核心部件之一，在現(xiàn)代制造技術中具有極其重要的地位。在超精密加工機床中，超精密微動臺用于對進給系統(tǒng)進行誤差補償，實現(xiàn)精密定位；在大規(guī)模集成電路制造中，超精密微動臺用于光刻設備中進行微定位和微進給；此外，超精密微動臺還被廣泛應用于MEMS系統(tǒng)加工、封裝及裝配，光纖對接，以及原子力顯微鏡等領域中。由于目前超精密加工設備的運動機構大多采用粗精疊層結構，微動臺安裝在粗動臺動子之上，用于對粗動臺進行精度補償，微動臺的定位精度決定了整體系統(tǒng)的運動精度，運動速度決定了設備的生產(chǎn)效率。因此，美歐率先開展了針對微動臺部分的研究，并已應用于光刻機等領域?，F(xiàn)階段納米級微動臺的研究，大體上可以分為三類伺服電機通過滾珠絲杠傳動/直線導軌支撐微動臺；壓電陶瓷驅(qū)動/柔性鉸鏈支撐導向微動臺；以及音圈電機或變磁阻電機驅(qū)動/氣浮或磁浮支撐微動臺。前兩種微動臺由于系統(tǒng)存在摩擦阻尼非線性等因素影響，定位精度和適用范圍有限。而第三種微動臺通常采用單自由度驅(qū)動單元，在實現(xiàn)多自由度運動定位時使得結構復雜，動子質(zhì)量大；目前采用多自由度驅(qū)動單元的微動臺，例如TAMU的Kim教授的Y型微動臺和OSU的孟家祥教授的光盤微動臺，都存在磁場利用率低，發(fā)熱大等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種六自由度磁浮微動臺，可用于超精密加工和半導體制造中補償大行程運動機構的定位誤差；由四組兩自由度電磁力驅(qū)動單元驅(qū)動，具有結構簡単、緊湊，易于安裝調(diào)試，無機械摩擦，位移分辨率高等優(yōu)點；而且其單位電流推力大，可減小線圈匝數(shù)和電感，加之微動臺動子慣量小，可以獲得較高的響應速度。本發(fā)明的技術方案如下ー種六自由度磁浮微動臺，其特征在于，它包括微動臺動子基板和至少三個兩自由度電磁力驅(qū)動單元，每組兩自由度電磁力驅(qū)動單元包含I個粘接永磁體、I個水平環(huán)繞線圈和I個豎直向線圈，粘接永磁體固定在動子基板上，水平環(huán)繞線圈和豎直向線圈固定在定子基座上；所有水平環(huán)繞線圈綜合實現(xiàn)微動臺動子在水平面內(nèi)Χ、Υ、θζ三個自由度的運動，所有豎直向線圈綜合實現(xiàn)微動臺動子的懸浮和Ζ、ΘΧ、0y三個自由度的運動；所述兩自由度電磁力驅(qū)動單元在微動臺動子基板上布置形式為在以微動臺動子基板幾何中心為圓心的ー個圓上等角度間隔布置，并使粘接永磁體粘接面方向垂直或平行于微動臺動子基板幾何中心到粘接永磁體的連線或粘接永磁體粘接面方向與微動臺動子基板幾何中心到粘接永磁體的連線方向呈ー個同向同大小的旋轉(zhuǎn)角度。
本發(fā)明所述磁浮微動臺的優(yōu)點在干整個微動臺結構簡單、緊湊，方便安裝調(diào)試，不存在機械摩擦，具有較高位移分辨率；利用三塊不同極化方向磁體的粘接，形成底部加強，兩側(cè)相反的磁感線分布，有效提高了線圈單位電流下的推力，為減小線圈匝數(shù)和電感帶來可能；微動臺動子質(zhì)量輕，響應速度快，而且具有較高固有頻率；線圈布置在底部定子上，有足夠空間實現(xiàn)水冷散熱。


圖I為本發(fā)明實例提供的ー種六自由度磁浮微動臺的三維結構圖。圖2為本發(fā)明實例的磁浮微動臺的爆炸視圖。圖3為本發(fā)明實例的兩自由度電磁力驅(qū)動單元結構剖視圖。圖4為本發(fā)明實例的磁浮微動臺實現(xiàn)X方向運動的原理圖。 圖5為本發(fā)明實例的磁浮微動臺實現(xiàn)Y方向運動的原理圖。圖6為本發(fā)明實例的磁浮微動臺實現(xiàn)繞Z轉(zhuǎn)動的原理圖。圖7為本發(fā)明實例的磁浮微動臺實現(xiàn)Z方向運動的原理圖。圖8為本發(fā)明實例的磁浮微動臺實現(xiàn)繞X轉(zhuǎn)動的原理圖。圖9為本發(fā)明實例的磁浮微動臺實現(xiàn)繞Y轉(zhuǎn)動的原理圖。圖中1 ー微動臺動子基板；2 —粘接永磁體；3 —水平環(huán)繞線圈；4 ー豎直向線圈；
5 一微動臺定子基座；6 — +Z向磁化的永磁體；7 — +X向磁化的永磁體；8--Z向磁化的
永磁體；9 一 Y向驅(qū)動水平環(huán)繞線圈；10 — X向驅(qū)動水平環(huán)繞線圈；11 一 X向粘接永磁體；12 — Y向粘接永磁體。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進ー步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明是以動子基板為正方形為例予以說明的。如圖I和圖2所示，本發(fā)明實例提供的ー種六自由度磁浮微動臺包括四組布置在動子基板I的四個角的兩自由度電磁力驅(qū)動單元，每組兩自由度電磁力驅(qū)動單元包含I個粘接永磁體2、I個水平環(huán)繞線圈3和I個豎直向線圈4。粘接永磁體由兩塊豎直相反方向磁化的永磁體，夾ー塊水平方向磁化的永磁體構成，兩線圈固定在定子基座5上,其中水平環(huán)繞線圈3提供單方向的水平推力，豎直向線圈4提供垂向支撐カ，兩自由度電磁力驅(qū)動單元中粘接永磁體正下方磁場加強，使豎直向線圈對動子提供更大推力，所述粘接永磁體兩側(cè)面磁感線方向相反，使水平環(huán)繞線圈兩對邊產(chǎn)生同向推力。粘接永磁體2在微動臺動子基板I上的布置形式為對角線上的兩塊粘接面方向一致，邊上相鄰的兩塊粘接面方向垂直，使四組水平環(huán)繞線圈中對角線上的兩個提供X或Y軸線方向同向或反向驅(qū)動力，保證了質(zhì)心驅(qū)動，實現(xiàn)動子χ、γ單向運動或K旋轉(zhuǎn)。所述每組豎直向線圈可通過改變姆個線圈電流大小來改變四角的磁浮支撐力，實現(xiàn)Ζ、θ χ、θγ3個自由度的運動。如圖3所示，粘接永磁體2由兩塊豎直相反方向磁化的永磁體，夾ー塊水平方向磁化的永磁體構成，這種排布使得其頂部磁場削弱，底部磁場增強，平行于粘接方向的兩側(cè)面磁場方向相反。豎直向線圈4上側(cè)電流方向與磁感線方向正交,受到較強向下作用力，而下側(cè)由于磁場急劇衰減而受カ較小，因此整體體現(xiàn)為提供給粘接永磁體2 —個向上的力，實現(xiàn)動子懸浮和垂向位移。水平環(huán)繞線圈3左右兩側(cè)電流方向相反，在粘接永磁體2兩側(cè)磁場作用下，兩側(cè)受力方向相同，體現(xiàn)為給粘接永磁體2 —個X方向的力，實現(xiàn)動子水平面的單向運動。如圖4至圖6所示，微動臺在四個水平環(huán)繞線圈3作用下實現(xiàn)Χ、Υ、θζ3個自由度的運動。Y向粘接永磁體12周圍的X向驅(qū)動水平環(huán)繞線圈10提供X向推力，當對角線上兩個X向驅(qū)動水平環(huán)繞線圈10通同向電流時，產(chǎn)生同向洛倫茲力，實現(xiàn)動子X方向運動。X向粘接永磁體11周圍的Y向驅(qū)動水平環(huán)繞線圈9提供Y向推力，當對角線上兩個Y向驅(qū)動水平環(huán)繞線圈9通同向電流時，產(chǎn)生同向洛倫茲力，實現(xiàn)動子Y方向運動。對角線上兩個Y 向驅(qū)動水平環(huán)繞線圈9通反向電流，或兩個X向驅(qū)動水平環(huán)繞線圈10通反向電流時，驅(qū)動單元產(chǎn)生兩個相反方向洛倫茨力，從而實現(xiàn)動子繞Z軸轉(zhuǎn)動。如圖7至圖9所示，微動臺在四個豎直向線圈4作用下實現(xiàn)Ζ、θχ、0y3個自由度的運動。豎直向線圈4平面與粘接永磁體2的粘接平面平行布置，使粘接永磁體2下方的磁場增強區(qū)域作用在豎直向線圈4上側(cè)邊，獲得較大的Z向推力。當各豎直向線圈4產(chǎn)生的Z向推力大小一致時，可實現(xiàn)微動臺動子沿Z方向運動。當平行于X軸ー側(cè)布置的兩個豎直向線圈4通較大電流,而另ー側(cè)兩個豎直向線圈4通較小電流,可驅(qū)動動子產(chǎn)生繞X軸カ矩，從而實現(xiàn)微動臺動子繞X軸轉(zhuǎn)動。當平行于Y軸ー側(cè)布置的兩個豎直向線圈4通較大電流，而另ー側(cè)兩個豎直向線圈4通較小電流，可驅(qū)動動子產(chǎn)生繞Y軸カ矩，從而實現(xiàn)微動臺動子繞Y軸轉(zhuǎn)動。實際安裝時，豎直向線圈4是先安裝到定子的豎直槽里的，然后水平環(huán)繞線圈3安裝到定子上的4個小凸臺上，然后讓定子的4個粘接永磁體2扣到水平環(huán)繞線圈3的中空部分，并微調(diào)粘接永磁體2的初始位置，使其在線件度較好的小范圍微運動。上述結構可做變化的地方在粘接永磁體中每個塊形狀和數(shù)量，例如中間水平方向磁化的永磁體替換為兩塊呈相互垂直的45°磁化的永磁體；粘接永磁體可以配合十字形，Y型，三角形等多種外形的動子基板布置，等等。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種六自由度磁浮微動臺，其特征在于，它包括微動臺動子基板和至少三個兩自由度電磁力驅(qū)動單元，每組兩自由度電磁力驅(qū)動單元包含I個粘接永磁體、I個水平環(huán)繞線圈和I個豎直向線圈，粘接永磁體固定在動子基板上，水平環(huán)繞線圈和豎直向線圈固定在定子基座上；所有水平環(huán)繞線圈綜合實現(xiàn)微動臺動子在水平面內(nèi)X、Y、0 z三個自由度的運動，所有豎直向線圈綜合實現(xiàn)微動臺動子的懸浮和z、ex、ey三個自由度的運動； 所述兩自由度電磁力驅(qū)動單元在微動臺動子基板(I)上布置形式為在以微動臺動子基板(I)幾何中心為圓心的一個圓上等角度間隔布置，并使粘接永磁體(2)粘接面方向垂直或平行于微動臺動子基板(I)幾何中心到粘接永磁體(2)的連線，或粘接永磁體(2)粘接面方向與微動臺動子基板(I)幾何中心到粘接永磁體(2)的連線方向呈一個同向同大小的旋轉(zhuǎn)角度。
2.按照權利要求I所述的一種六自由度磁浮微動臺，其特征在于微動臺動子基板(I)采用正方形，四組所述兩自由度電磁力驅(qū)動單元布置在動子基板的四個角。
3.按照權利要求I或2所述的一種六自由度磁浮微動臺，其特征在于所述單個粘接永磁體由兩塊豎直相反方向磁化的永磁體，夾一塊水平方向磁化的永磁體粘接而成。
4.按照權利要求3所述的一種六自由度磁浮微動臺，其特征在于所述三塊永磁體形狀是三個長方體，或者兩個梯形柱和一個三角形柱。
5.按照權利要求I或2所述的一種六自由度磁浮微動臺，其特征在于所述4個粘接永磁體在微動臺動子基板上的布置形式為對角線上的兩個粘接永磁體粘接面方向一致，邊上相鄰的兩塊粘接面方向垂直；豎直向線圈環(huán)面與粘接永磁體粘接面方向平行。
6.按照權利要求4所述的一種六自由度磁浮微動臺，其特征在于所述4個粘接永磁體在微動臺動子基板上的布置形式為對角線上的兩個粘接永磁體粘接面方向一致，邊上相鄰的兩塊粘接面方向垂直；豎直向線圈環(huán)面與粘接永磁體粘接面方向平行。
7.按照權利要求6所述的一種六自由度磁浮微動臺，其特征在于單個水平環(huán)繞線圈僅能提供X向或Y向驅(qū)動力，定子對角線上的兩個水平環(huán)繞線圈改變電流方向能夠提供同向或反向驅(qū)動力，實現(xiàn)動子水平面單向運動或旋轉(zhuǎn)。
8.按照權利要求7所述的一種六自由度磁浮微動臺，其特征在于豎直向線圈能夠通過改變每個線圈電流大小，改變四角磁浮支撐力的大小，實現(xiàn)Z、0X、0y3個自由度的運動。
9.按照權利要求I所述的一種六自由度磁浮微動臺，其特征在于所述單個粘接永磁體由兩塊豎直相反方向磁化的永磁體，夾兩塊呈相互垂直的45°磁化的永磁體粘接而成。
10.按照權利要求I所述的一種六自由度磁浮微動臺，其特征在于所述微動臺動子基板(I)為十字形、Y型或三角形形式，配合4組或3組兩自由度電磁力驅(qū)動單元實現(xiàn)六自由度運動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種六自由度磁浮微動臺，包括布置在微動臺動子基板的兩自由度電磁力驅(qū)動單元，驅(qū)動微動臺實現(xiàn)X、Y、Z、θx、θy、θz6個自由度的運動。每個兩自由度電磁力驅(qū)動單元包括粘接永磁體、豎直向、水平環(huán)繞線圈，粘接永磁體由三塊磁化方向不同的永磁體粘接而成，固定在正方形托盤底部；豎直向線圈提供垂向力，水平環(huán)繞線圈提供水平力，二者都固定在定子上。本發(fā)明線圈部分磁通密度大，磁感線方向、電流方向、目標推力方向相互正交，使其在單位電流下獲得較大推力，由電磁力直接驅(qū)動，不存在機械摩擦，具有較高的位移分辨率，而且結構簡單、緊湊，易于安裝調(diào)試，可用于在微米行程實現(xiàn)納米級定位的超精密加工和半導體制造中。
文檔編號G03F7/20GK102681364SQ201210151829
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月16日 優(yōu)先權日2012年5月16日
發(fā)明者張航宇, 汪洋, 陳學東 申請人:華中科技大學