专利名称：一种无接触式单自由度定位装置及其同步运动控制方法
技术领域：
本发明涉及一种无接触式粗精动叠层结构及定位装置的运动控制方法，主要应用于半导体光刻设备中，属于超精密加工和检测设备技术领域。
背景技术：
具有纳米级运动定位精度的超精密微动台是半导体装备关键部件之一，如光刻机中的硅片台、掩模台等。为实现超精密定位要求，以气浮和磁浮约束为支撑方式的执行单元作为一种超精密运动台被广泛应用。气浮约束作为支撑和导向作用时，减小了机械结构传动引起的摩擦力等作用，提高了系统运动定位精度。以直线电机为驱动单元时，由通电线圈在永磁阵列气隙磁场中产生的洛仑兹力提供驱动力，通过控制线圈中电流大小来改变执行单元的推力，具有结构简单等优点。目前光刻机中掩模台粗动台结构通常包括两个直线电机，两个直线电机之间通过连接梁连接在一起，实现沿Y轴方向的同步运动。一方面连接梁增加了结构设计的复杂性，增加了系统结构质量，较大的质量将影响系统运动响应性能，另一方面，当结构运动时，如果两个粗动台沿Y轴方向存在位置偏差，由于连接梁的作用，使得两个粗动平台之间产生作用力与反作用力的耦合，使得两个粗动平台的性能相互影响，影响系统的运动定位精度。因此采用无连接梁形式的粗动台，并设计出针这种无机械接触的粗动台同步运动控制方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于光刻机掩模台粗动台中种无接触式单自由度定位装置及其同步运动控制方法。本发明的技术如下一种无接触式单自由度定位装置，该定位装置包括两个沿Y轴方向运动的粗动台，同时该两个粗动台之间无机械连接。每个粗动台包括一个直线电机、一个支撑元件和一个导向元件；粗动台在洛仑兹力作用下沿Y轴运动；支撑元件的下表面与基架的上表面正面相对，支撑元件下表面有气孔，气孔轴线沿Z轴方向，在支撑元件与基架之间形成沿Z轴方向的气浮支撑；导向元件的侧面与基架的侧面正面相对，导向元件的侧面有气孔，气孔的轴线沿X轴方向，导向元件与基架之间形成气浮导向，导向方向沿Y轴方向。每个粗动平台各包括一个光栅测量装置，光栅测量装置包括一个光栅尺、一个光 栅尺安装架、一个读数头和光栅尺调整装置；光栅尺调整装置固定于基架上，光栅尺安装架与光栅尺调整装置固定连接，通过调整光栅尺调整装置使光栅尺安装架的长边方向沿Y轴方向；光栅尺固定于光栅尺安装架表面上，光栅条纹沿Y轴方向；光栅读数头与直线电机连接，当直线电机沿Y轴运动时，光栅尺用来检测粗动台直线电机沿Y轴方向的位置。根据所述的无接触式单自由度定位装置采用了一种同步运动控制方法，所述控制方法包括如下步骤
I)在伺服周期开始，设定第一光栅尺测量装置的输出信号为Xltltll,作为第一粗动台的位置反馈，第二光栅尺测量装置的输出信号为X1m2,以第一光栅尺测量装置信号和第二光栅尺测量装置的输出信号的差值作为第二粗动台的位置反馈；2)第一粗动台和第二粗动台均以加速度作为控制器前馈，根据设定的位置反馈信号求解每个电机相应的出力，实现第一粗动台沿Y轴运动，第二粗动台对第一粗动台的跟随运动；电机输出力按以下公式计算
权利要求
1.一种无接触式单自由度定位装置，其特征在于该定位装置包括两个沿Y轴方向运动的粗动台，同时该两个粗动台之间无机械连接；每个粗动台包括一个直线电机(101)、一个支撑元件(102)和一个导向元件(103);粗动台在洛仑兹力作用下沿Y轴运动；支撑元件(102)的下表面与基架(001)的上表面正面相对，支撑元件(102)下表面有气孔，气孔轴线沿Z轴方向，在支撑元件(102)与基架之间形成沿Z轴方向的气浮支撑；导向元件(103)的侧面与基架的侧面正面相对，导向元件(103)的侧面有气孔，气孔的轴线沿X轴方向，导向元件(103)与基架之间形成气浮导向，导向方向沿Y轴方向。
2.如权利要求I中所述的一种无接触式单自由度定位装置，其特征在于每个粗动平台各还包括一个光栅测量装置，光栅测量装置包括一个光栅尺(303)、一个光栅尺安装架(301)、一个读数头(304)和光栅尺调整装置(302);光栅尺调整装置(302)固定于基架(001)上，光栅尺安装架(301)与光栅尺调整装置(302)固定连接，通过调整光栅尺调整装置(302)使光栅尺安装架(301)的长边方向沿Y轴方向；光栅尺(303)固定于光栅尺安装架表面上，光栅条纹沿Y轴方向；光栅读数头(304)与直线电机(101)连接，当直线电机沿Y轴运动时，光栅尺(303)用来检测粗动台直线电机(101)沿Y轴方向的位置。
3.—种如权利要求I所述的无接触式单自由度定位装置的同步运动控制方法，其特征在于所述控制方法包括如下步骤 1)在伺服周期开始，设定第一光栅尺测量装置(3001)的输出信号为Xltltll,作为第一粗动台(1001)的位置反馈，第二光栅尺测量装置(3002)的输出信号为Xltltl2,以第一光栅尺测量装置(3001)信号和第二光栅尺测量装置(3002)的输出信号的差值作为第二粗动台(1002)的位置反馈； .2)第一粗动台(1001)和第二粗动台(1002)均以加速度作为控制器前馈，根据设定的位置反馈信号求解每个电机相应的出力，实现第一粗动台(1001)沿Y轴运动，第二粗动台(1002)对第一粗动台(1001)的跟随运动；电机输出力按以下公式计算
4. 一种如权利要求I所述的无接触式单自由度定位装置的同步运动控制方法，其特征在于所述控制方法包括如下步骤 .1)在伺服周期开始，设定第一光栅尺测量装置(3001)的输出信号为Xltltll,作为第一粗动台(1001)的位置反馈，第二光栅尺测量装置(3002)的输出信号为Xltltl2,以第一光栅尺测量装置(3001)信号和第二光栅尺测量装置(3002)的输出信号的差值作为第二粗动台(1002)的位置反馈； .2)第一粗动台(1001)以加速度作为控制器前馈，第二粗动台(1002)以第一粗动台(1001)的控制器输出作为控制器前馈，根据设定的位置反馈信号求解每个电机相应的出力，实现第一粗动台(1001)沿Y轴运动，第二粗动台(1002)对第一粗动台(1001)的跟随运动；电机输出力按以下公式计算
全文摘要
一种无接触式单自由度定位装置及其同步运动控制方法，该定位装置包括两个沿Y轴方向运动的粗动台，该两个粗动台之间无机械连接。每个粗动台由一个独立驱动的直线电机、一个气浮支撑、一个气浮导向组成。该定位装置的测量装置包括两个光栅尺，能够测量每个粗动台沿Y轴方向的绝对位置。第一粗动台以第一光栅尺为位置反馈，采用非线性控制算法实现沿Y轴运动，第二粗动台以两个光栅尺信号的差值为位置反馈，根据设计的同步控制方法实现第二粗动台与第一粗动台的同步运动。
文档编号G03F7/20GK102722086SQ20121017924
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月1日 优先权日2011年6月28日
发明者余东东, 尹文生, 崔乐卿, 张鸣, 徐登峰, 朱煜, 李鑫, 杨开明, 穆海华, 胡金春 申请人:清华大学