技术领域本发明涉及光刻领域，尤其涉及一种六自由度直线电机。
背景技术：
随着光刻技术的进步和半导体工业的快速发展，对于光刻设备有四项基本性能指标：线宽均匀性(CD，CriticalDimensionUniformity)、焦深(Focus)、套刻(Overlay)和产率(Throughput)。为了提高线宽均匀性，工件台或掩模台必须提高水平向精密定位能力；为了提高焦深误差精度，工件台或掩模台必须提高垂向精密定位能力；为了提高光刻机套刻误差精度，工件台或掩模台必须提高其内部模态来提升动态定位特性。此外，光刻设备必须增加产率，因此工件台或掩模台还必须高速运动，快速启动和停止。光刻设备的高速、高加速和高精密的定位能力是相互矛盾的，增加扫描速度需要功率更大的电机，实现大行程和高速度运动，并具有多自由度运动来进行光刻曝光和对准。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置，相比旋转电机具有结构简单、定位精度高以及传动效率高等优势，因此广泛应用于光刻设备的高精度定位平台中。如图1、2所示，传统的直线电机通常包括海尔贝克(Halbach)磁铁阵列101和三相线圈102a、102b、102c，对三相线圈102a、102b、102c通以三相电流之后，Halbach磁铁阵列101与三相线圈102a、102b、102c相互作用形成驱动力，原理如下：设三相线圈102a、102b、102c通入的电流分别ia、ib、ic，直线电机沿Y轴方向的运动位移为y，两块永磁铁之间的磁极矩为τ，相邻两个线圈的中心距离为4τ/3，三相线圈102a、102b、102c沿Y轴方向的磁场磁密Bya、Byb、Byc和沿Z轴方向的磁场磁密Bza、Bzb、Bzc表示如下：Bya=B^y·cos(πyτ)Byb=B^y·cos(πyτ+4π3)Byc=B^y·cos(πyτ+8π3)---(1)]]>Bza=-B^z·sin(πyτ)Bzb=-B^z·sin(πyτ+4π3)Bzc=-B^z·sin(πyτ+8π3)---(2)]]>其中为Halbach磁铁阵列101沿Y轴方向的磁密幅值，为Halbach磁铁阵列101沿z轴方向的磁密幅值。根据三相电机的矢量控制技术，采用直轴交轴(DQ)分解法进行控制，其中直轴电流控制垂向力，交轴电流控制水平向力(即沿XY平面的力)，三相线圈102a、102b、102c的电流ia、ib、ic可以表达为直轴电流id和交流电流iq的函数：ia=iq·cos(πyτ)-id·sin(πyτ)ib=iq·cos(πyτ+4π3)-id·sin(πyτ+4π3)ic=iq·cos(πyτ+8π3)-id·sin(πyτ+8π3)---(3)]]>由此得对直线电机在Y轴和Z轴上产生的力Fy、Fz为：FyFz=ByaBybBycBzaBzbBzc×iaibic---(4)]]>沿Y轴的水平向力Fy和沿Z轴的垂向力Fz使直线电机分别在Y轴和Z轴方向上进行移动。但是光刻设备在进行光刻曝光和对准过程中需要实现六自由度运动，包括沿X轴、Y轴、Z轴方向的直线运动和绕X轴、Y轴、Z轴的微小转动，因此传统直线电机不能很好的满足高精度定位的要求。为了解决以上问题，现有技术提供了一种可以实现六自由度的直线电机，通过4组Halbach型直线电动机的互相配合以产生光刻平台所需要的六自由度运动，然而由于受到磁铁阵列的布局限制，从使得直线电机在水平方向上的运动行程受限，难以实现大行程运动。
技术实现要素：
本发明为了克服以上不足，提供了一种可以同时实现大行程和多自由度运动的六自由度直线电机。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种六自由度直线电机，包括磁铁阵列和位于磁铁阵列上方的线圈绕组，所述磁铁阵列包括第一海尔贝克磁铁阵列和第二海尔贝克磁铁阵列，所述第一海尔贝克磁铁阵列沿XY平面的截面为平行四边形，其中一边平行于Y轴，另一边与Y轴的夹角为θ，所述第二海尔贝克磁铁阵列与第一海尔贝克磁铁阵列关于Y轴镜像对称；所述线圈绕组倾斜设置在所述磁铁阵列上方，且其轴线与Y轴的夹角为θ，线圈绕组包括第一线圈绕组、第二线圈绕组、第三线圈绕组和第四线圈绕组，所述第一线圈绕组与第三线圈绕组关于Y轴镜像对称，所述第二线圈绕组与第四线圈绕组关于Y轴镜像对称。进一步的，所述第一海尔贝克磁铁阵列包括若干个由4块永磁铁沿Y轴方向拼接而成的海尔贝克单元，所述永磁铁沿XY平面的截面为平行四边形。进一步的，所述4块永磁铁依次为S磁铁、H磁铁、N磁铁和H磁铁，所述S磁铁的磁化方向沿Z轴负向，所述N磁铁的磁化方向沿Z轴正向，所述H磁铁的磁化方向沿XY平面指向N磁铁。进一步的，所述第一线圈绕组由三个线圈沿Y轴方向水平排列而成，所述第二、三、四线圈绕组与所述第一线圈绕组结构相同，所述第一线圈绕组与第二线圈绕组沿Y轴方向依次排列。进一步的，所述第二线圈绕组与第一线圈绕组沿Y轴方向的中心线位于同一水平线上。进一步的，所述第二线圈绕组与第一线圈绕组沿Y轴方向的中心线在X轴方向设有间距。进一步的，所述线圈绕组外周设有封装壳。本发明提供的六自由度直线电机，通过沿XY平面的截面为平行四边形的第一Halbach磁铁阵列和第二Halbach磁铁阵列与四个线圈绕组相互作用产生多个沿Z轴的垂向力和多个沿XY平面的水平向力，并通过力的分配控制，从而使直线电机实现六自由度的运动，此外通过调整第一Halbach磁铁阵列和第二Halbach磁铁阵列中Halbach单元的数量，可以实现直线电机在Y轴方向上的长行程运动。附图说明图1是传统直线电机结构示意图；图2是传统直线电机剖视图；图3是本发明实施例1中六自由度直线电机结构示意图；图4是本发明实施例1中Halbach单元的结构示意图；图5是本发明实施例1中线圈绕组分布示意图；图6是本发明实施例2中线圈绕组分布示意图。图1-2中所示：101、Halbach磁铁阵列；102a-102c、三相线圈；图3-6中所示：201、磁铁阵列；201a、第一Halbach磁铁阵列；2011a、Halbach单元；201b、第二Halbach磁铁阵列；2012、S磁铁；2013、N磁铁；2014、H磁铁；202、封装壳；203、第一线圈绕组；203a-203c、第一线圈；204、第二线圈绕组；204a-204c、第二线圈；205、第三线圈绕组；205a-205c、第三线圈；206、第四线圈绕组；206a-206c、第四线圈；θ、夹角；L、间距。具体实施方式下面结合附图对本发明作详细描述：实施例1如图3所示，本发明提供一种六自由度直线电机，包括磁铁阵列201和线圈绕组，磁铁阵列201包括第一Halbach磁铁阵列201a和第二Halbach磁铁阵列201b，第一Halbach磁铁阵列201a沿XY平面的截面为平行四边形，第一Halbach磁铁阵列201a包括一组与Y轴平行的水平边和一组与Y轴的夹角为θ的倾斜边，夹角θ大于0度小于90度，第二Halbach磁铁阵列201b与第一Halbach磁铁阵列201a结构相同，两者关于Y轴镜像对称；线圈绕组倾斜设置在所述磁铁阵列上方，且其轴线与Y轴的夹角为θ，也即线圈绕组的倾斜边与Y轴的夹角为θ，θ大于0度小于90度，包括第一线圈绕组203、第二线圈绕组204、第三线圈绕组205和第四线圈绕组206，所述第一线圈绕组203与第三线圈绕组205关于Y轴镜像对称，所述第二线圈绕组204与第四线圈绕组206关于Y轴镜像对称，且线圈绕组外周设有封装壳202，通过沿XY平面的截面为平行四边形的第一Halbach磁铁阵列201a和第二Halbach磁铁阵列201b与四个线圈绕组相互作用产生多个沿Z轴的垂向力和多个沿XY平面的水平向力，并通过力的分配控制，从而使直线电机实现六自由度的运动。请参照图3和图4，第一Halbach磁铁阵列201a包括若干个由4块永磁铁沿Y轴方向拼接而成的Halbach单元2011a，永磁铁沿XY平面的截面为平行四边形，Halbach单元2011a的数量可根据实际中需要沿Y轴方向的运动行程进行调整，本实施例中Halbach单元2011a的数量为6个，第二Halbach磁铁阵列201b的结构与第一Halbach磁铁阵列201a完全相同，两者沿Y轴镜像对称分布，通过调整第一Halbach磁铁阵列201a和第二Halbach磁铁阵列201b中Halbach单元2011a的数量，可以实现直线电机在Y轴方向上的长行程运动。请重点参照图4，所述4块永磁铁依次为S磁铁2012、H磁铁2014、N磁铁2013和H磁铁2014，其中，S磁铁2012的磁化方向沿Z轴负方向，N磁铁2013的磁化方向沿Z轴正方向，H磁铁2014的磁化方向沿XY平面始终指向N磁铁2013。请重点参照图5，第一线圈绕组203由三个线圈203a、203b、203c沿Y轴方向水平排列而成，第一线圈203a、203b、203c倾斜设置，且第一线圈203a、203b、203c的一组倾斜边与第一Halbach磁铁阵列201的一组倾斜边平行，所述第二、三、四线圈绕组204、205、206与第一线圈绕组203结构相同，第一线圈绕组203与第二线圈绕组204沿Y轴方向依次排列，且第二线圈绕组204与第一线圈绕组203沿Y轴方向的中心线位于同一水平线上。在本发明提供的六自由度直线电机中，磁铁阵列201与线圈绕组相互作用形成驱动力的原理如下：设对每个线圈绕组的三个线圈通入的电流分别为ia′、ib′、ic′，两块永磁铁之间的磁极矩为τ′，相邻两个线圈的中心距离W为4τ′/3或5τ′/3，以4τ′/3为例，第一线圈203a、203b、203c和第三线圈205a、205b、205c沿y′方向的磁场磁密Bya′、Byb′、Byc′和沿Z轴方向的磁场磁密Bza′、Bzb′、Bzc′表示如下：Bya′=B^y′·cos(πy′τ′)Byb′=B^y′·cos(πy′τ′+4π3)Byc′=B^y′·cos(πy′τ′+8π3)---(5)]]>Bza′=B^z′·sin(πy′τ′)Bzb′=B^z′·sin(πy′τ′+4π3)Bzc′=B^z′·sin(πy′τ′+8π3)---(6)]]>第二线圈204a、204b、204c和第四线圈206a、206b、206c沿y′方向的磁场磁密Bya′、Byb′、Byc′和沿Z轴方向的磁场磁密Bza′、Bzb′、Bzc′表示如下：Bya′=B^y′·cos(π(y′+D)τ′)Byb′=B^y′·cos(π(y′+D)τ′+4π3)Byc′=B^y′·cos(π(y′+D)τ′+8π3)---(7)]]>Bza′=B^z′·sin(π(y′+D)τ′)Bzb′=B^z′·sin(π(y′+D)τ′+4π3)Bzc′=B^z′·sin(π(y′+D)τ′+8π3)---(8)]]>其中，为磁铁阵列201沿y′轴方向的磁密幅值，为磁铁阵列201沿Z轴方向的磁密幅值，y′＝直线电机沿Y轴方向的运动位移*sinθ，*为数学乘法运算，D为第一线圈绕组203和第二线圈绕组204之间沿y′轴方向的中心距离。根据三相电机的矢量控制技术，采用直轴交轴(DQ)分解法进行控制，其中直轴电流控制垂向力，交轴电流控制水平向力(即沿XY平面的力)，第一线圈203a、203b、203c和第三线圈205a、205b、205c的电流ia′、ib′、ic′可以表达为直轴电流id和交轴电流iq的函数：ia′=iq·cos(πy′τ′)-id·sin(πy′τ′)ib′=iq·cos(πy′τ′+43)-id·sin(πy′τ′+4π3)ic′=iq·cos(πy′τ′+8π3)-id·sin(πy′τ′+8π3)---(9)]]>第二线圈204a、204b、204c和第四线圈206a、206b、206c的电流ia′、ib′、ic′可以表达为id、iq的函数：ia′=iq·cos(π(y′+D)τ′)-id·sin(π(y′+D)τ′)ib′=iq·cos(π(y′+D)τ′+4π3)-id·sin(π(y′+D)τ′+4π3)ic′=iq·cos(π(y′+D)τ′+8π3)-id·sin(π(y′+D)τ′+8π3)---(10)]]>由此得出直线电机产生的水平向出力Fh以及垂向出力Fv可表示为：FhFv=Bya′Byb′Byc′Bza′Bzb′Bzc′×ia′ib′ic′---(11)]]>将水平向力Fh以及垂向力Fv转换到X、Y、Z轴方向上的力Fx、Fy、Fz为：FxFyFz=sinθ0cosθ001×FhFv---(12)]]>如图5所示，第一线圈绕组203产生沿Z轴方向的垂向力Fv1和沿XY平面的水平向力Fh1；第二线圈绕组204产生沿Z轴方向的垂向力Fv2和沿XY平面的水平向力Fh2；第三线圈绕组205产生沿Z轴方向的垂向力Fv3和沿XY平面的水平向力Fh3；第四线圈绕组206产生沿Z轴方向的垂向力Fv4和沿XY平面的水平向力Fh4，其中，水平向力Fh1、Fh2沿Y轴方向的分量处于同一水平线上，水平向力Fh3、Fh4沿Y轴方向的分量处于同一水平线上。根据力的分配控制原理，沿XY平面的水平向力Fh1、Fh2、Fh3、Fh4控制直线电机沿X轴、Y轴方向移动以及绕Z轴方向的微小转动，垂向力Fv1、Fv2、Fv3、Fv4控制直线电机沿Z轴方向的微小运动以及绕X轴、Y轴的微小转动，从而实现直线电机六个自由度的运动，实现高精度定位。实施例2与实施例1不同的是，本实施例中，所述第二线圈绕组204与第一线圈绕组203沿Y轴方向的中心线沿X轴方向设有间距L，由于第三线圈绕组205与第一线圈绕组203沿Y轴镜像对称分布，第四线圈绕组206与第二线圈绕组204沿Y轴镜像对称分布，因此第四线圈绕组206与第三线圈绕组205沿Y轴方向的中轴线沿X轴方向也存在间距L，如图6所示，第一线圈绕组203产生沿Z轴方向的垂向力Fv1和沿XY平面的水平向力Fh1；第二线圈绕组204产生沿Z轴方向的垂向力Fv2和沿XY平面的水平向力Fh2；第三线圈绕组205产生沿Z轴方向的垂向力Fv3和沿XY平面的水平向力Fh3；第四线圈绕组206产生沿Z轴方向的垂向力Fv4和沿XY平面的水平向力Fh4，其中，水平向力Fh1、Fh2沿Y轴方向的分量沿X轴方向的间距为L，水平向力Fh3、Fh4沿Y轴方向的分量沿X轴方向的间距为L。根据力的分配控制原理，沿XY平面的水平向力Fh1、Fh2、Fh3、Fh4控制直线电机沿X轴、Y轴方向移动以及绕Z轴方向的微小转动，垂向力Fv1、Fv2、Fv3、Fv4控制直线电机沿Z轴方向的微小运动以及绕X轴、Y轴的微小转动，从而实现直线电机六个自由度的运动。通过上述方法布置线圈绕组的位置，可以实现本实施例六自由度直线电机在Y方向上的冗余驱动，需要说明的是，冗余驱动是指用超过运动控制自由度所需数量的执行器参与驱动，从而减少运动过程中的振动提高控制带宽，或者在带宽指标不变的情况下，降低直线电机运动体质量，从而提高直线电机的性能。虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。