[发明专利]水平行程易扩展的气磁混合悬浮平面电机

说明书

一、技术领域：

本发明涉及一种可用于半导体加工产业、高精度绘图仪等领域的平面电机，特别涉及一种水平行程易扩展的单动子结构的气磁混合悬浮平面电机。

二、背景技术：

随着先进制造业的快速发展，高精度定位平台技术得到了深入的研究和发展，在半导体产业、微立体光刻、纳米工作台、高精度绘图仪等领域具有广阔的应用前景，其中最重要的应用是半导体产业中的高精度光刻定位平台。光刻定位平台需在一个近似平面的空间范围内进行精密运动控制(故被称为平面电机)，包括：在水平X轴、Y轴方向实现大行程运动(用于实现晶圆的快速步进和精密扫描)，在垂直Z轴方向实现微小运动及绕X轴、Y轴、Z轴实现微小转动(用于实现调平调焦)。

高精度平面电机的第一个关键技术是平面电机的结构设计，平面电机的结构可划分为多动子结构和单动子结构两大类，其中：多动子结构平面电机的动子平台常采用粗动台和精动台层叠的双层结构，粗动台由直线电机驱动，精动台由音圈电机、压电陶瓷驱动器、电磁铁驱动，用来校正粗动台的定位误差和扭摆误差；单动子结构平面电机的动子平台采用单层结构，一般由若干组永磁同步直线电机和电磁铁驱动。早期的平面电机研究集中在多动子结构上，日本日立公司、荷兰ASML公司、美国ISI公司已经研制出了用于光刻的多动子结构平面电机产品，并申请了相关专利。多动子结构平面电机的机械结构和动力学特性较复杂，电磁执行器数量较多，控制难度大；双层结构的动子平台总体质量较大，且精动台需在粗动台粗定位之后再进行精定位，造成系统定位缓慢，加工效率低。单动子结构平面电机则可以克服多动子结构平面电机的以上缺点，成为目前的研究热点。

高精度平面电机的第二个关键技术是平面电机动子平台的轴承支撑方式，为实现高精度平面电机的快速准确定位，必须实现动子平台的无摩擦悬浮支撑。目前可供选择的悬浮技术主要有以下四种：电动悬浮、超导悬浮、气体悬浮、磁悬浮，其中：利用涡流现象实现的电动悬浮会因散热过大而影响平面电机的定位精度；超导悬浮在目前的技术条件下实现起来昂贵而且复杂；气体悬浮实现方式简单，刚度也较理想，但气体悬浮的工作原理决定其只能用于设置标称悬浮位置，目前还没有动态调节气浮气隙大小的技术；磁悬浮轴承的定位精度主要由气隙传感器的精度决定，对轴承表面的精度要求较低，且能够实现悬浮气隙的快速调节，但一般需要添加若干组电磁铁用作磁悬浮电磁执行器。

高精度平面电机的第三个关键技术是电磁执行器设计，其中：水平大行程电磁执行器一般采用永磁同步直线电机，设计时应尽量减小齿槽力和脉动力；小行程和旋转执行器多由电磁铁实现。普通永磁同步直线电机采用单自由度永磁阵列，单自由度永磁阵列的磁场沿单方向呈周期变化，只能产生该方向的单边力；动磁式(单自由度永磁阵列安装在动子上)普通永磁同步直线电机运行时，永磁阵列不能超出与其配套的推力绕组的边界，否则电磁力将不可控；动圈式(推力绕组安装在动子上)普通永磁同步直线电机运行时，推力绕组不能超出与其配套的单自由度永磁阵列的边界，否则电磁力将不可控。早期的单动子结构平面电机多采用三组以上普通永磁同步直线电机(由呈一定角度安装在动子下表面的单自由度永磁阵列和安装在定子上表面的配套推力绕组构成，或由呈一定角度安装在定子上表面的单自由度永磁阵列和安装在动子下表面的配套推力绕组构成)来驱动水平大行程运动，其水平行程的扩展将以动子平台尺寸的增加为代价，以一种基于4组动磁式普通永磁同步直线电机的平面电机(见美国MIT博士毕业论文《High-precision planar magnetic levitaion》)为例来说明该问题：该平面电机的结构如图1a所示，4个边长为100mm的小正方形虚线框代表动子平台下表面安装的4组单自由度永磁阵列(相邻的单自由度永磁阵列的波长方向正交，用来产生正交的水平电磁力)，4个边长为150mm的大正方形虚线框代表4组推力绕组(波长方向和位于其正上方的配套单自由度永磁阵列的波长方向相同)，平面电机运行时，单自由度永磁阵列不能超出位于其正下方的配套推力绕组的边界，所以X轴行程S_X、Y轴行程S_Y约为50mm，动子平台尺寸约为300mm×300mm；参见图1b，设永磁阵列尺寸不变，如需将水平行程扩展为300mm×300mm，推力绕组的尺寸将增至400mm×400mm，动子平台的尺寸增至约550mm×550mm。

三、发明内容：