专利名称：一种具有永磁重力支撑结构的微动台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种永磁重力支撑结构的微动台，特别是集成电路加工及检测装备用的超精密工作台，属于超精密加工及测量领域。
背景技术：
在很多工业设备中，需要驱动工件或工件台进行多自由度运动，并对其进行精确定位，例如光刻机中的工件台、掩模台等设备。为实现多自由度运动及其精确定位，如果直接使用驱动电机来提供支承，就会使得驱动电机负载增加，造成电机发热增大。在很多超精密工作台中，电机发热过大，就会影响环境温度，造成非接触式测量误差，最终影响定位精度。采用永磁非接触式的重力补偿结构具有结构简单、零部件表面无需精密加工、适用于真空环境中应用等优点。对于非接触式永磁重力支撑结构，需要固定部分和支承部分之间沿 轴线方向具有较小的刚度和较大的承载力。Sven Antoin Johan Hol 在专利《Lithographic apparatus, magnetic supportfor use therein, device manufacturing method, and device manufactured thereby))(US 6831285 B2 Dec. 2004)提出了一种永磁预载重力支撑结构，但该结构复杂，且加工和装配工艺难度高。随着光刻机技术的发展，硅片台可以更轻，其负载要求也随之降低，但是，随着磁浮工件台的发展和使用，且磁浮工件台大行程运动台含有大的halbach磁钢阵列，产生强磁场，会对工作状态的微动台动子的重力平衡效果产生较大的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有永磁重力支撑结构的微动台，使其动子与定子之间沿轴线方向的刚度接近为零，并具有较大的承载力，同时结构简单，便于加工和维护。本发明的技术方案如下本发明的第一种技术方案是一种具有永磁重力支撑结构的微动台，微动台包括微动台定子和微动台动子，其特征在于该微动台还包括至少三个永磁重力支撑单元，所述的至少三个永磁重力支撑单元绕微动台的Z轴均布在微动台边缘；每个永磁重力支撑单元含有固定部分和支撑部分，所述的固定部分为一个空心圆柱永磁体和一个磁钢芯轴，空心圆柱永磁体粘接在磁钢芯轴上，所述空心圆柱永磁体的充磁方向沿圆柱轴向方向，下底面为S极,上底面为N极；所述支承部分由一个内圆环永磁体、一个外圆环永磁体和一个磁钢骨架组成，所述的两个圆环永磁体同轴粘接在磁钢骨架上，两个圆环永磁体的充磁方向沿半径并指向圆心方向；所述的固定部分的空心圆柱永磁体与内圆环永磁体和外圆环永磁体同轴布置，并位于所述的两个圆环永磁体上方；每一个永磁重力支撑单元的固定部分的空心圆柱永磁体通过磁钢芯轴连接在微动台定子上，该永磁重力支撑单元的支撑部分的内圆环永磁体和外圆环永磁体通过磁钢骨架连接在微动台动子上。本发明的第二种技术方案是一种具有永磁重力支撑结构的微动台，微动台包括微动台定子和微动台动子，其特征在于该微动台还包括至少三个永磁重力支撑单元，所述的至少三个永磁重力支撑单元绕微动台的Z轴均布在微动台边缘；每个永磁重力支撑单元含有固定部分和支撑部分，所述的固定部分为一个空心圆柱永磁体和一个磁钢芯轴，空心圆柱永磁体粘接在磁钢芯轴上，所述空心圆柱永磁体的充磁方向沿圆柱轴向方向，下底面为S极,上底面为N极；所述支承部分由一个内圆环永磁体、一个外圆环永磁体和一个磁钢骨架5组成，所述的两个圆环永磁体同轴粘接在磁钢骨架上，两个圆环永磁体的充磁方向沿半径并指向圆心方向；所述的固定部分的空心圆柱永磁体与内圆环永磁体和外圆环永磁体同轴布置，并位于所述的两个圆环永磁体下方；每一个永磁重力支撑单元的固定部分的空心圆柱永磁体通过磁钢芯轴4连接在微动台定子上，该永磁重力支撑单元的支撑部分的内圆环永磁体和外圆环永磁体通过磁钢骨架连接在微动台动子上。本发明的第三种技术方案是一种具有永磁重力支撑结构的微动台，微动台包括微动台定子和微动台动子，其特征在于该微动台还包括至少三个永磁重力支撑单元，所述的至少三个永磁重力支撑单元绕微动台的Z轴均布在微动台边缘；每个永磁重力支撑单元含有固定部分和支撑部分，所述的固定部分为一个空心圆柱永磁体和一个磁钢芯轴，空心圆柱永磁体粘接在磁钢芯轴上，所述空心圆柱永磁体的充磁方向沿圆柱轴向方向，下底面为N极,上底面为S极；所述支承部分由一个内圆环永磁体、一个外圆环永磁体和一个磁钢·骨架组成，所述的两个圆环永磁体同轴粘接在磁钢骨架上，两个圆环永磁体的充磁方向沿半径并背向圆心方向；所述的固定部分的空心圆柱永磁体与内圆环永磁体和外圆环永磁体同轴布置，并位于所述的两个圆环永磁体上方；每一个永磁重力支撑单元的固定部分的空心圆柱永磁体通过磁钢芯轴连接在微动台定子上，该永磁重力支撑单元的支撑部分的内圆环永磁体和外圆环永磁体通过磁钢骨架连接在微动台动子上。本发明所述的一种具有永磁重力支撑结构的微动台，具有以下优点及突出性效果固定部分是轴向充磁的空心圆柱永磁体，与支撑部分的内、外圆环永磁体同轴布置，在保证固定部分和支承部分之间沿径向和切向方向相互作用力很小的情况下，使固定部分与支承部分之间沿轴线方向的刚度接近为零。另外，本发明具有结构简单，且便于加工等特点。该支撑结构主要应用于光刻机磁浮工件台系统中，升高了固定部分轴向充磁的空心圆柱永磁体，也降低了磁浮工件台halbach永磁阵列强磁场对微动台动子部分重力平衡效果的影响。
图I是本发明所述的第一种永磁重力支撑单元的三维中心剖面示意图。图2是本发明所述的一种具有永磁重力支撑结构的微动台的结构示意图。图3是本发明所述的永磁重力支撑单元的中心截面的磁力线分布图。图4是本发明所述第二种永磁重力支撑单元的三维中心剖面示意图。图5是本发明所述第三种永磁重力支撑单元的三维中心剖面示意图。图中1-空心圆柱永磁体；2-内圆环永磁体；3_外圆环永磁体；4_磁钢芯轴；5-磁钢骨架；6_微动台动子；7_微动台定子。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体结构、机理和工作过程作进一步的说明。
图2是本发明一种具有永磁重力支撑结构的微动台结构示意图，该微动台包括微动台定子、微动台动子以及至少三个永磁重力支撑单元，本实施例中采用三个永磁重力支撑单元,这三个永磁重力支撑单元绕微动台的Z轴均匀布置在微动台边缘；每个永磁重力支撑单元含有固定部分和支撑部分，固定部分为一个空心圆柱永磁体I和一个磁钢芯轴4，空心圆柱永磁体I粘接在磁钢芯轴4上，空心圆柱永磁体I的充磁方向沿圆柱轴向方向，下底面为S极，上底面为N极，如图I所示；支承部分由一个内圆环永磁体2、一个外圆环永磁体3和一个磁钢骨架5组成，两个圆环永磁体同轴粘接在磁钢骨架5上，两个圆环永磁体的充磁方向沿半径并指向圆心方向；固定部分的空心圆柱永磁体I与内圆环永磁体2和外圆环永磁体3同轴布置,并位于两个圆环永磁体上方；每一个永磁重力支撑单兀的固定部分的空心圆柱永磁体I通过磁钢芯轴4连接在微动台定子上，该永磁重力支撑单元的支撑部分的内圆环永磁体2和外圆环永磁体3通过磁钢骨架5连接在微动台动子上。由于固定部分轴向充磁的空心圆柱永磁体I与支撑部分的两个圆环永磁体的磁极相吸，因此，总是与支撑部分的重力方向相反，两相抵消，从而将支撑部分稳定在空间中的某个位置；以固定部分的空心圆柱永磁体与支撑部分的垂向距离进行细分，则根据负载的大小来计算垂向支撑力，设空心圆柱永磁体I高度方向的中心水平截面与两个圆环永磁 体的高度方向的中心水平截面重合，两个截面与Z轴的交点作为参考坐标系的原点，沿Z轴正向为正，相反为负，使得空心圆柱永磁体I沿Z轴正方向平移，得到了一条关于该空心圆柱永磁体I沿Z轴方向受垂向支撑力的曲线，根据不同的固定部分空心圆柱永磁体尺寸参数，可得出较大范围的支撑力。另外，在固定部分的空心圆柱永磁体与支撑部分的内外空心永磁体的垂向距离的零点正负方向上，可以找到绝对值相同的两点，这说明在固定部分的空心圆柱永磁体高于支撑部分的内外空心永磁体或固定部分的空心圆柱永磁体低于支撑部分的内外空心永磁体时可以得到相同大小的支撑力，选择支撑力为正的某一点，这样就为本发明提供了理论依据。图4是本发明所述第二种永磁重力支撑单元的三维中心剖面示意图。根据关于该空心圆柱永磁体I沿Z轴方向受垂向支撑力的曲线，在固定部分的空心圆柱永磁体与支撑部分的内外空心永磁体的垂向距离的零点正负方向上，可以找到绝对值相同的两点，选择与第一种永磁重力支撑单元选取的某一点对称的另一点。与图I所示的第一种永磁重力支撑单元相比较，第二种永磁重力支撑单元的固定部分空心圆柱永磁体I的充磁方向沿圆柱轴向，下底面为S极,上底面为N极；支承部分由两个同轴、沿半径并指向圆心方向充磁的内圆环永磁体2和沿半径并指向圆心方向充磁外圆环永磁体3组成，固定部分的空心圆柱永磁体I与内圆环永磁体2和外圆环永磁体3同轴布置，并位于所述的双层圆环永磁体下方。由于固定部分轴向充磁的空心圆柱永磁体I与支撑部分的双层空心磁环的磁极相斥，因此，总是与支撑部分的重力方向相反，两相抵消，从而将支撑部分稳定在空间中的某个位置。图5是本发明所述第三种永磁重力支撑单元的三维中心剖面示意图。与图I所示的永磁重力支撑结构相比较，固定部分空心圆柱永磁体I的充磁方向沿圆柱轴向，下底面为N极,上底面为S极；支承部分由两个同轴、沿半径并背向圆心方向充磁的内圆环永磁体2和沿半径并背向圆心方向充磁的外圆环永磁体3组成，固定部分的空心圆柱永磁体I与内圆环永磁体2和外圆环永磁体3同轴布置,并位于所述的双层圆环永磁体上方，即所有永磁体充磁方向全部旋转180度。·
权利要求
1.一种具有永磁重力支撑结构的微动台，微动台包括微动台定子和微动台动子，其特征在于该微动台还包括至少三个永磁重力支撑单元，所述的至少三个永磁重力支撑单元绕微动台的Z轴均布在微动台边缘；每个永磁重力支撑单元含有固定部分和支撑部分，所述的固定部分由一个空心圆柱永磁体(I)和一个磁钢芯轴(4)组成，空心圆柱永磁体(I)粘接在磁钢芯轴(4)上，所述空心圆柱永磁体(I)的充磁方向沿圆柱轴向方向，下底面为S极，上底面为N极；所述支承部分由一个内圆环永磁体(2)、一个外圆环永磁体(3)和一个磁钢骨架(5)组成，所述的两个圆环永磁体同轴粘接在磁钢骨架(5)上，两个圆环永磁体的充磁方向沿半径并指向圆心方向；所述的固定部分的空心圆柱永磁体(I)与内圆环永磁体(2)和外圆环永磁体(3)同轴布置,并位于所述的两个圆环永磁体上方；每一个永磁重力支撑单元的固定部分的空心圆柱永磁体(I)通过磁钢芯轴(4)连接在微动台定子上，该永磁重力支撑单元的支撑部分的内圆环永磁体(2)和外圆环永磁体(3)通过磁钢骨架(5)连接在微动台动子上。
2.一种具有永磁重力支撑结构的微动台，微动台包括微动台定子和微动台动子，其特征在于该微动台还包括至少三个永磁重力支撑单元，所述的至少三个永磁重力支撑单元绕微动台的Z轴均布在微动台边缘；每个永磁重力支撑单元含有固定部分和支撑部分，所述的固定部分为一个空心圆柱永磁体(I)和一个磁钢芯轴(4),空心圆柱永磁体(I)粘接在磁钢芯轴(4)上，所述空心圆柱永磁体(I)的充磁方向沿圆柱轴向方向，下底面为S极，上底面为N极；所述支承部分由一个内圆环永磁体(2)、一个外圆环永磁体(3)和一个磁钢骨架(5)组成，所述的两个圆环永磁体同轴粘接在磁钢骨架(5)上，两个圆环永磁体的充磁方向沿半径并指向圆心方向；所述的固定部分的空心圆柱永磁体(I)与内圆环永磁体(2)和外圆环永磁体(3)同轴布置,并位于所述的两个圆环永磁体下方；每一个永磁重力支撑单兀的固定部分的空心圆柱永磁体(I)通过磁钢芯轴(4)连接在微动台定子上，该永磁重力支撑单元的支撑部分的内圆环永磁体(2)和外圆环永磁体(3)通过磁钢骨架(5)连接在微动台动子上。
3.一种具有永磁重力支撑结构的微动台，微动台包括微动台定子和微动台动子，其特征在于该微动台还包括至少三个永磁重力支撑单元，所述的至少三个永磁重力支撑单元绕微动台的Z轴均布在微动台边缘；每个永磁重力支撑单元含有固定部分和支撑部分，所述的固定部分为一个空心圆柱永磁体(I)和一个磁钢芯轴(4),空心圆柱永磁体(I)粘接在磁钢芯轴(4)上，所述空心圆柱永磁体(I)的充磁方向沿圆柱轴向方向，下底面为N极，上底面为S极；所述支承部分由一个内圆环永磁体(2)、一个外圆环永磁体(3)和一个磁钢骨架(5)组成，所述的两个圆环永磁体同轴粘接在磁钢骨架(5)上，两个圆环永磁体的充磁方向沿半径并背向圆心方向；所述的固定部分的空心圆柱永磁体(I)与内圆环永磁体(2)和外圆环永磁体(3)同轴布置,并位于所述的两个圆环永磁体上方；每一个永磁重力支撑单兀的固定部分的空心圆柱永磁体(I)通过磁钢芯轴(4)连接在微动台定子上，该永磁重力支撑单元的支撑部分的内圆环永磁体(2)和外圆环永磁体(3)通过磁钢骨架(5)连接在微动台动子上。
全文摘要
一种具有永磁重力支撑结构的微动台，主要用于光刻机工件台系统中。该微动台包括微动台定子、微动台动子以及至少三个永磁重力支撑单元，所述的至少三个永磁重力支撑单元绕微动台的Z轴均布在微动台边缘；每个永磁重力支撑单元含有固定部分和支撑部分；所述固定部分是空心圆柱永磁体，其空心圆柱永磁体沿轴向充磁下底面为S极，上底面为N极；支承部分由两个同轴，沿半径并指向圆心方向充磁的圆环永磁体组成；固定部分的空心圆柱永磁体与双层圆环永磁体同轴布置，并位于所述的双层圆环永磁体上方。本发明所述支承结构能够降低行程范围内沿轴线方向的刚度，同时提高承载能力。
文档编号G03F7/20GK102944980SQ20121043453
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月2日 优先权日2012年11月2日
发明者张鸣, 朱煜, 刘召, 许玉洁, 李玉洁, 田丽, 张利, 杨开明, 徐登峰, 秦慧超, 王平安, 尹文生, 胡金, 穆海华 申请人:清华大学