六自由度微動裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路制造領(lǐng)域，特別涉及一種六自由度微動裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在光刻機(jī)中，為了補(bǔ)償長行程粗動臺的控制精度，需要在粗動臺之上加入超精密微動臺，微動臺的定位精度和定位速度一定程度上決定了光刻機(jī)的曝光精度和生產(chǎn)效率，因此微動臺逐漸成為光刻機(jī)核心技術(shù)之一。
[0003]目前國內(nèi)外的納米級微動臺主要分為三類:借助絲杠傳動的伺服電機(jī)微動臺、壓電陶瓷微動臺以及音圈電機(jī)驅(qū)動的磁浮微動臺。前兩種微動臺由于機(jī)械摩擦阻尼非線性等因素很難滿足光刻機(jī)高精度、高加速度、高度響應(yīng)特性等要求，但采用音圈電機(jī)驅(qū)動微動臺的方式可以滿足以上要求。但現(xiàn)存的微動臺所采用的音圈電機(jī)驅(qū)動方式中，線圈多采用漆包線繞制的方式，因此尺寸很難做到與設(shè)計值完全一致，且只能采用線圈各自封裝的動子或定子結(jié)構(gòu)，因此電機(jī)整體可靠性不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種六自由度微動裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)中微動裝置中電機(jī)可靠性不高的問題。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種六自由度微動裝置，包括:上、下背板、設(shè)置在所述上、下背板之間且間隔設(shè)置的水平向音圈電機(jī)和垂向音圈電機(jī)，所述水平向音圈電機(jī)和垂向音圈電機(jī)均采用PCB線圈，使得微動裝置的多個音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸更加接近設(shè)計值，從而減小了因結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計值存在偏差而導(dǎo)致的推力波動與推力干擾。由于PCB線圈的工藝限制，使微動裝置中電機(jī)在同等條件下相對于漆包繞制的傳統(tǒng)電機(jī)推力常數(shù)小，減少額為30%左右。
[0006]較佳的，所述水平向音圈電機(jī)和垂向音圈電機(jī)的PCB線圈設(shè)置在一塊PCB板上，使得微動裝置中音圈電機(jī)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性增加。
[0007]較佳的，所述水平向音圈電機(jī)的PCB線圈中心位置設(shè)置有重力補(bǔ)償磁鐵，減少了水平向電機(jī)的出力發(fā)熱，同時可以將水平向出力電機(jī)做得更小，使微動臺結(jié)構(gòu)更加緊湊。
[0008]較佳的，所述垂向音圈電機(jī)的PCB線圈中心位置設(shè)置有重力補(bǔ)償磁鐵，減少了垂向電機(jī)的出力發(fā)熱，同時可以將垂向出力電機(jī)做得更小，使微動臺結(jié)構(gòu)更加緊湊。
[0009]較佳的，所述水平向音圈電機(jī)為平板型音圈電機(jī)，所述垂向音圈電機(jī)為圓筒型音圈電機(jī)。
[0010]較佳的，所述平板型音圈電機(jī)包括:設(shè)置在所述PCB線圈上下兩側(cè)的一維磁鋼陣列，還包括上、下導(dǎo)磁背鐵，用于固定設(shè)置在所述PCB線圈上下兩側(cè)的一維磁鋼陣列。
[0011]所述一維磁鋼陣列包括:沿一維方向交替排列的S磁鐵和N磁鐵和位于磁鐵N和磁鐵S之間的磁鐵H。所述上、下導(dǎo)磁背鐵上的對應(yīng)磁鐵的極性相反。
[0012]較佳的，所述平板型音圈電機(jī)設(shè)置偏離所述六自由度微動裝置質(zhì)心。
[0013]較佳的，所述上、下背板上分別設(shè)置有與所述平板型音圈電機(jī)對應(yīng)的矩形槽。
[0014]較佳的，所述圓筒型音圈電機(jī)包括分別設(shè)置在PCB線圈上下兩側(cè)的磁鐵S和磁鐵
N0
[0015]較佳的，所述上、下背板上分別設(shè)置有用于容納所述圓筒型音圈電機(jī)的圓柱形槽。
[0016]較佳的，所述PCB線圈的制作過程為:將兩面均有銅層的芯板上蝕刻各層的導(dǎo)線設(shè)計分布圖形，然后在各層芯板之間填充樹脂，最后將交替排列的樹脂和芯板在加熱的同時壓制成形。
[0017]較佳的，所述樹脂為玻璃纖維環(huán)氧樹脂。
[0018]較佳的，所述水平向音圈電機(jī)和垂向音圈電機(jī)的數(shù)目分別為N個，N為大于等于3的整數(shù)。
[0019]較佳的，所述PCB線圈包括多層線圈，且多層線圈串聯(lián)。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的六自由度微動裝置，包括:上、下背板、設(shè)置在所述上、下背板之間且間隔設(shè)置的水平向音圈電機(jī)和垂向音圈電機(jī)，所述水平向音圈電機(jī)和垂向音圈電機(jī)均采用PCB線圈，使得微動裝置的多個音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸更加接近設(shè)計值，從而減小了因結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計值存在偏差而導(dǎo)致的推力波動與推力干擾。由于PCB線圈的工藝限制，使微動裝置中電機(jī)在同等條件下相對于漆包繞制的傳統(tǒng)電機(jī)推力常數(shù)小，減少額為30%左右。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明一【具體實施方式】中微動裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明一【具體實施方式】中微動裝置的組裝示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明一【具體實施方式】中音圈電機(jī)陣列分布意圖；
[0024]圖4為本發(fā)明一【具體實施方式】中下背板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖5為本發(fā)明一【具體實施方式】中重力補(bǔ)償磁鐵的分布示意圖；
[0026]圖6為本發(fā)明一【具體實施方式】中PCB線圈的外觀示意圖；
[0027]圖7為本發(fā)明一【具體實施方式】中第一 PCB線圈各層線圈排布不意圖；
[0028]圖8為本發(fā)明一【具體實施方式】中第二 PCB線圈各層線圈排布示意圖；
[0029]圖9為本發(fā)明一【具體實施方式】中平板型音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖10為本發(fā)明一【具體實施方式】中平板型音圈電機(jī)重力補(bǔ)償示意圖；
[0031]圖11為本發(fā)明一【具體實施方式】中圓筒型音圈電機(jī)重力補(bǔ)償不意圖(方案I)；
[0032]圖12為本發(fā)明一【具體實施方式】中圓筒型音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)不意圖(方案2);
[0033]圖13為本發(fā)明一【具體實施方式】中圓筒型音圈電機(jī)水平向運(yùn)動時的出力仿真圖；
[0034]圖14為本發(fā)明一【具體實施方式】中圓筒型音圈電機(jī)作垂向運(yùn)動時的出力仿真圖。
[0035]圖中:
[0036]I 1a-上背板、I 1b-下背板、111-矩形槽、112-圓柱形槽；
[0037]120-PCB 線圈、121-第一 PCB 線圈、122-第二 PCB 線圈、
[0038]1201、1202、1203、1204_ 孔；
[0039]130-水平向音圈電機(jī)、131-導(dǎo)磁背鐵、1311-上導(dǎo)磁背鐵、1312-下導(dǎo)磁背鐵、132-水平向磁鐵、1321-磁鐵N、1322-磁鐵S、1323-磁鐵H ；
[0040]140-垂向音圈電機(jī)、141-垂向磁鐵、1411-主磁極磁鐵S、1412-主磁極磁鐵N ;
[0041]151-第一重力補(bǔ)償磁鐵、152-第二重力補(bǔ)償磁鐵。
【具體實施方式】
[0042]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細(xì)的說明。需說明的是，本發(fā)明附圖均采用簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。
[0043]如圖1?5所示，本發(fā)明的六自由度微動裝置，包括:上、下背板110a、IlOb和設(shè)置在上、下背板IlOaUlOb之間且間隔設(shè)置的水平向音圈電機(jī)130和垂向音圈電機(jī)140。
[0044]請重點參照圖2，所述水平向音圈電機(jī)130包括:第一 PCB線圈121、導(dǎo)磁背鐵131和水平向磁鐵132 ;所述垂向音圈電機(jī)140包括:垂向磁鐵141和第二 PCB線圈122 ;所述第一、第二 PCB線圈121、122共同形成在一塊PCB板上以形成一整體的PCB線圈120。
[0045]請參照圖2?5，所述水平向音圈電機(jī)130為平板型音圈電機(jī)，所述垂向音圈電機(jī)140為圓筒型音圈電機(jī)。對應(yīng)的，第一 PCB線圈121、導(dǎo)磁背鐵131均為長方體形，所述水平向磁鐵132為方形框；而所述垂向磁鐵141為圓柱形，所述第二 PCB線圈122為圓環(huán)狀。
[0046]進(jìn)一步的，所述上、下背板IlOaUlOb上分別設(shè)有與所述導(dǎo)磁背鐵131和水平向磁鐵132對應(yīng)的矩形槽111，以及與所述垂向磁鐵141對應(yīng)的圓柱形槽112。所述導(dǎo)磁背鐵131和水平向磁鐵132分別粘接為一個整體后，分別嵌入上、下背板IlOaUlOb上的矩形槽111內(nèi)；垂向磁鐵141嵌入上、下背板IlOaUlOb上的圓柱形槽112內(nèi)。
[0047]本實施例中，水平向音圈電機(jī)130和垂向音圈電機(jī)140的數(shù)目分別為3個，其排布方式如圖3所不。水平向音圈電機(jī)130通電后產(chǎn)生X向推力、Y向推力、Rz轉(zhuǎn)矩；垂向音圈電機(jī)140通電后產(chǎn)生Z向推力、Rx、Ry轉(zhuǎn)矩。通過將上述微動裝置與電機(jī)控制算法結(jié)合，可以產(chǎn)生任意水平方向的推力(不僅僅是X向、Y向)以及任意水平軸向的轉(zhuǎn)矩(不僅僅是Rx > Ry)，即實現(xiàn)六自由度運(yùn)動。
[0048]請重點參照5，所述微動裝置具有重力補(bǔ)償功能。具體地，所述第一 PCB線圈121內(nèi)安裝有第一重力補(bǔ)償磁鐵151、所述第二 PCB線圈122內(nèi)安裝有第二重力補(bǔ)償磁鐵152。需要說明的是，圖5中所示的第一、第二重力補(bǔ)償磁鐵151、152均位于PCB線圈120的內(nèi)部，PCB線圈120以印刷電路的形式分層布線，重力磁鐵內(nèi)嵌在PCB線圈120中心位置。
[0049]優(yōu)選地，根據(jù)實際需要，可以以所述上、下背板IlOaUlOb為定子，中間的電機(jī)為動子；也可以以上、下背板IlOaUlOb作為動子，而電機(jī)作為定子。本實施例以電機(jī)為動子為例說明，則電機(jī)線圈為定子線圈，均采用PCB印刷電路的形式，所以可以將定子線圈陣列做成一整體(即PCB線圈120)。
[0050]整體的PCB線圈120的外觀如圖6所示，所述PCB線圈120的表面設(shè)有若干孔，每一孔對應(yīng)一層PCB線圈120，孔主要分為兩種:引接線孔和層間連接孔。其中，引接線孔只與第一層或最后一層PCB線圈120短接，層間連接孔則短接第一層與最后一層之間的相鄰的某兩層(如第二層和第三層、第三層和第四層)。圖6中:孔1201代表水平向電機(jī)的PCB線圈120層間連接孔；孔1202代表垂向電機(jī)的PCB線圈120層間連接孔；孔1203代表水平向電機(jī)的引接線孔，兩孔分別接第一層和最后一層；孔1204代表垂向電機(jī)的引接線孔。
[0051]當(dāng)然，PCB線圈120采用分層設(shè)計，圖7示意了平板型音圈電機(jī)的第一 PCB線圈121內(nèi)部排布方式，實際應(yīng)用中線圈的具體層數(shù)可以根據(jù)需要增加或減少。本實施例以四層線圈為例，第一層導(dǎo)線起始端對應(yīng)一個引接線孔，然后沿逆時針方向(或者順時針)排布至中心位置，再在第一 PCB線圈121上做通孔，連接至第二層，第二層導(dǎo)線再以逆時針方向從里向外排布至外圍，與第三層連接，第三層再以與第一層相同的方式連接第四層，如此依次類推，直至最底層，