雙層氣浮正交解耦與滑動關節軸承角度解耦的磁浮隔振器屬于精密隔振技術領域，隔振器主體的套筒與氣浮板之間通過磁浮推力軸承進行承載，氣浮板與下安裝板、活塞筒與套筒之間通過氣浮面進行潤滑與支撐，上、下安裝板之間的水平直線運動自由度通過雙層正交氣浮導軌進行解耦，二者之間的角運動自由度通過滑動關節軸承進行解耦，音圈電機、位移傳感器、限位開關和控制器、驅動器構成位置閉環反饋控制系統，對上、下安裝板的相對位置進行精確控制；本發明專利技術具有三維零剛度、高定位精度、直線運動自由度和角運動自由度解耦的特性，可有效解決超精密測量儀器與加工裝備、尤其是步進掃描光刻機中的高性能隔振問題。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于精密隔振
，主要涉及一種雙層氣浮正交解耦與滑動關節軸承角度解耦的磁浮隔振器。
技術介紹
隨著超精密加工與測量精度的不斷提高，環境振動成為制約超精密加工裝備與測量儀器精度和性能提高的重要因素。尤其是步進掃描光刻機為代表的超大規模集成電路加工裝備，技術密集度與復雜度極高，關鍵技術指標均達到了現有技術的極限，代表了超精密加工裝備的最高水平，超精密隔振成為此類裝備中的核心關鍵技術；步進掃描光刻機的線寬已達到22nm及以下，硅片定位精度與套刻精度均達到幾納米，而工件臺運動速度達到lm/s以上，工件臺加速度達到重力加速度的幾十倍，這對現有的隔振技術提出了新的挑戰。首先，光刻機需要為計量系統與光刻物鏡提供“超靜”的工作環境，同時又需要驅動工件臺以高速度與高加速度運動，這對隔振系統的隔振性能提出了極其苛刻的要求，其三個方向的固有頻率均需要達到IHz以下；其次，光刻機各部件之間的相對位置，例如光刻物鏡與硅片表面的距離，均具有非常嚴格的 要求，且處于位置閉環反饋控制系統的控制之下，要求隔振器上、下安裝板之間的相對位置精度達到10 μ m量級，傳統隔振器的定位精度遠遠不能滿足要求。根據隔振理論，被動式隔振器的固有頻率與剛度成正比、與負載質量成反比，因此在負載質量一定的前提下，降低隔振器的剛度是降低固有頻率、提高低頻與超低頻隔振性能的有效途徑。傳統空氣彈簧等形式的隔振器存在靜態承載能力與剛度的固有矛盾，同時受材料特性、結構剛度等因素制約，要進一步降低其剛度、尤其是水平向剛度十分困難。針對這一問題，研究人員將“擺”式結構引入到空氣彈簧隔振器中，達到降低隔振器水平剛度的目的(1. Nikon Corporation. Vibration Isolator With Low Lateral Stiffness.美國專利公開號US20040065517A I ；2. U. S. Philips Corporation. Positioning Devicewith a Force Actuator Systemfor Compensating Center-of-gravity Displacements，and Lithographic Device Provided with Such APositioning Device.美國專利號US005844664A)。該方法能夠在一定程度上降低空氣彈簧隔振器的水平剛度，提升其低頻隔振性能。該方法存在的問題在于1)受材料特性與結構剛度制約，隔振器垂向與水平向剛度降低的幅度有限；2)空氣彈簧隔振器的垂向與水平向定位精度均很差，無法滿足光刻工藝的要求；3)要達到較低的水平剛度需要較大的擺長，導致隔振器高度過大，容易發生弦膜共振，穩定性差。通過對現有空氣彈簧隔振器技術方案的分析可見，現有空氣彈簧隔振器難以滿足光刻機對超低剛度與高定位精度的要求。德國IDE公司提出了一種摒棄傳統橡膠空氣彈簧的隔振器技術方案(1.1ntegrated Dynamics Engineering GmbH.1solatorgeometrie EinesSchwingungs iso Iat ions system.歐洲專利號EP1803965A2 ；2.1ntegrated DynamicsEngineeringGmbH. Schwingungsisolationssystem Mit Pneumatischem Tiefpassfilter.歐洲專利號ΕΡ1803970Α2 ;3· Integrated Dynamics Engineering GmbH. Air Bearing withConsideration of High-Frequency Resonances.美國專利公開號US20080193061A1)。該方案采用垂向與水平向氣浮面對各方向的振動進行解耦與隔振，可以達到極低的剛度與固有頻率。該方案存在的問題在于1)已公開技術方案中，隔振器無法實現精確定位；2)專利EP1803965A2中，上、下安裝板之間不存在繞水平軸旋轉的角運動自由度，該方向的角剛度與固有頻率都很高；專利EP1803970A2與US20080193061A1采用橡膠塊為上、下安裝板提供繞水平軸旋轉的角運動自由度，但由于橡膠塊角剛度很大，無法有效地進行角運動自由度解耦，角運動自由度解耦機構部件之間存在摩擦力而引入附加剛度，制約隔振性能。荷蘭ASML公司也提出了類似的隔振器技術方案(1. U. S. Philips Corp,ASM LithographyB. V. Pneumatic Support Device with A Controlled Gas Supply,and Lithographic Device Providedwith Such A Support Device.美國專利號US006144442A ;2·Koninklijke Philips ElectronicsN. V. , ASM LithographyB.V.Lithographic Pneumatic Support Device with Controlled Gas Supply.國際專利公開號W099/22272 ;3. ASML Netherlands B. V. Support Device,LithographicApparatus, and Device Manufacturing Method Employing A SupportingDevice, and A PositionControl System Arranged for Use in A Supporting Device.美國專利號USOO7O8^i956B2 ;4. ASML Netherlands B. V. Support Device, LithographicApparatus, and Device ManufacturingMethod Employing A Supporting Device and APosition Control System Arranged for Use in ASupporting Device.歐洲專利號EP1486825A1)。專利US006144442A與W099/22272中對氣源壓力進行閉環反饋控制，達到提高隔振器的穩定性與性能的目的；專利US007084956B2與EP1486825A1中在上安裝板上設有振動傳感器，同時引入參考振動系 統，通過控制算法提升隔振器的隔振性能。但所提出技術方案仍然沒有解決隔振器的精確定位與上、下安裝板的角運動自由度解耦問題。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對超精密測量儀器與加工裝備、尤其是步進掃描光刻機等超大規模集成電路加工裝備對隔振器低固有頻率、高定位精度的迫切要求，提供一種雙層氣浮正交解耦與滑動關節軸承角度解耦的磁浮隔振器，隔振器具有三維近似零剛度與極低的固有頻率，上、下安裝板之間能夠進行精確定位與三維直線運動自由度、角運動自由度解耦，從而有效解決超精密測量儀器與加工裝備、尤其是步進掃描光刻機中的精密隔振問題。本專利技術的目的是這樣實現的一種雙層氣浮本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種雙層氣浮正交解耦與滑動關節軸承角度解耦的磁浮隔振器，由上安裝板(1)、下安裝板(2)、潔凈壓縮氣源(3)、氣管(26)和隔振器主體(4)組成，隔振器主體(4)安裝在上安裝板(1)與下安裝板(2)之間，潔凈壓縮氣源(3)通過氣管(26)與隔振器主體(4)連接，其特征在于：所述隔振器主體(4)的結構是套筒(6)的下表面與氣浮板(34)通過磁浮推力軸承(24)潤滑與支撐，活塞筒(5)倒扣安裝在套筒(6)內，并與套筒(6)通過徑向承載圓柱氣浮面(22)潤滑與支撐，滑動關節軸承(7)安裝在活塞筒(5)和上安裝板(1)之間，X向氣浮導軌(29)的下表面與氣浮板(34)剛性連接，套筒(6)與X向氣浮導軌(29)通過X向導軌氣浮面(31)潤滑與導向，Y向氣浮導軌(30)的下表面與下安裝板(2)剛性連接，氣浮板(34)與下安裝板(2)通過Z向承載氣浮面(33)潤滑與支撐，氣浮板(34)與Y向氣浮導軌(30)通過Y向導軌氣浮面(32)潤滑與導向；Z向音圈電機(10)、Z向位移傳感器(13)與Z向限位開關(16)安裝在活塞筒(5)與套筒(6)之間，X向音圈電機(8)、X向位移傳感器(11)、X向限位開關(14)安裝在套筒(6)與氣浮板(34)之間，Y向音圈電機(9)、Y向位移傳感器(12)、Y向限位開關(15)安裝在氣浮板(34)與下安裝板(2)之間，Z向音圈電機(10)的驅動力方向為豎直方向，X向音圈電機(8)與Y向音圈電機(9)的驅動力方向在水平面內且相互垂直，X、Y、Z向位移傳感器(11、12、13)和X、Y、Z向限位開關(14、15、16)的作用線方向與X、Y、Z向音圈電機(8、9、10)的驅動力方向一致；X、Y、Z向位移傳感器(11、12、13)和X、Y、Z向限位開關(14、15、16)分別與控制器(19)的信號輸入端連接，控制器(19)的信號輸出端與驅動器(20)的信號輸入端連接，驅動器(20)的信號輸出端分別與X、Y、Z向音圈電機(8、9、10)連接。...
【技術特征摘要】
1.一種雙層氣浮正交解耦與滑動關節軸承角度解耦的磁浮隔振器，由上安裝板(I)、 下安裝板(2)、潔凈壓縮氣源(3)、氣管(26)和隔振器主體⑷組成，隔振器主體⑷安裝在上安裝板⑴與下安裝板⑵之間，潔凈壓縮氣源⑶通過氣管(26)與隔振器主體⑷ 連接，其特征在于所述隔振器主體(4)的結構是套筒(6)的下表面與氣浮板(34)通過磁浮推力軸承(24)潤滑與支撐，活塞筒(5)倒扣安裝在套筒(6)內，并與套筒(6)通過徑向承載圓柱氣浮面(22)潤滑與支撐，滑動關節軸承(7)安裝在活塞筒(5)和上安裝板(I)之間，X向氣浮導軌(29)的下表面與氣浮板(34)剛性連接，套筒(6)與X向氣浮導軌(29)通過X向導軌氣浮面(31)潤滑與導向，Y向氣浮導軌(30)的下表面與下安裝板(2)剛性連接，氣浮板(34)與下安裝板(2)通過Z向承載氣浮面(33)潤滑與支撐，氣浮板(34)與Y向氣浮導軌(30)通過Y向導軌氣浮面(32)潤滑與導向；Z向音圈電機(10)、Z向位移傳感器 (13)與Z向限位開關(16)安裝在活塞筒(5)與套筒(6)之間，X向音圈電機⑶、X向位移傳感器(11)、X向限位開關(14)安裝在套筒(6)與氣浮板(34)之間，Y向音圈電機(9)、 Y向位移傳感器(12)、Y向限位開關(15)安裝在氣浮板(34)與下安裝板⑵之間，Z向音圈電機(10)的驅動力方向為豎直方向，X向音圈電機⑶與Y向音圈電機(9)的驅動力方向在水平面內且相互垂直，X、Y、Z向位移傳感器(11、12、13)和Χ、Υ、Ζ向限位開關(14、15、16)的作用線方向與Χ、Υ、Ζ向音圈電機(8、9、10)的驅動力方向一致；Χ、Υ、Ζ向位移傳感器 (11、12、13)和Χ、Υ、Ζ向限位開關(14、15、16)分別與控制器(19)的信號輸入端連...
【專利技術屬性】
技術研發人員：譚久彬，崔俊寧，王雷，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：
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