真空精密工作台结构设计.docx

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真空精密工作台结构设计

本科学生毕业论文

真空精密工作台结构设计

系部名称：

机电工程学院

专业班级：

机械设计自造及其自动化07-9班

学生姓名：

指导教师：

陈佳莹

职称：

讲师

黑龙江工程学院

二○一一年六月

TheGraduationThesisforBachelor'sDegree

TheStructureDesignofVacuumPrecisionWorktable

Candidate：

GeLipeng

Specialty：

MechanicalDesignand

Manufucture&Atuomation

Class：

07—09

Supervisor：

HeilongjiangInstituteofTechnology

2011-06·Harbin

摘要

光刻机工作时所要达到得很高的精度，对机械系统的传动机构和导轨都有很高的要求，因此，一般的滑动导轨的丝杠都不能满足这些要求。

基于此，本课题采用了具有高精度，高平稳性的空气轴承来代替传统的导轨，传动件则采用精度很高的滚珠丝杠，以滚动代替普通丝杠滑动来提高精度，从而保证光刻机的加工精度。

兼之电子束正常工作时的高真空度给抽真空和密封上带来的高难要求，本课题在设计中力求减少真空体积，并采用蛇皮管提出解决方案。

本课题主要解决了以上问题，故本文主要以总体设计，滚珠丝杠，空气轴承三部分来介绍。

本系统结构简单合理，运行可靠，操作简易完全，无污染，易于使用。

关键词：

导轨；空气轴承；滚珠丝杠；真空；

ABSTRACT

Becausethehighprecisionthatphotoetchingmachinemustachievewhenworkingposesahighstandardforthegearingandguideofmechanicalsystem,neitherordinaryslidingguidenorguidescrewisabletomeetthesedemands.Therefore,inthissubject,theauthoradoptsairbearingwithhighprecisionandstabilitytoreplacethetraditionalguideanduseshallguidescrewastransmissionpartwhichisrollinginsteadofslidinggenerallyadoptedbyordinaryguidescrewtoimproveprecision,thusguaranteestheprocessingprecisionofphotoetchingmachine.Meanwhile,thehighvacuumdegreedemandedbyelectronbeamtoworknormallybringsmanydifficultiestovacuumpumpandsealing.Theauthorstrivestodecreasevacuumvolumewhendesigningthesubjectandadoptsflexibleconduittoproposeasolution.Thispaperisjusttosolvetheabove-mentionedproblemsandisintroducedasfollowsgeneraldesign,ballguidescrewandairbearing.

Thissystemhasasimpleandreasonablestructure,reliablefunction,easyandcompleteoperationandnopollution,thus,itiseasytoadoptthissystem.

Keywords:

Guide;AirBearing;BallGuideScrew;Vacuum;

摘要······························································Ⅰ

Abstract···························································Ⅱ

第1章绪论·······················································11

1.1可控式室内微型移动小车···········································11

1.2可控式室内微型移动小车的分类·····································11

1.3国内外研究现状及发展趋势········································12

第2章机械部分设计··············································13

2.1设计任务··················································13

2.2确定机械传动方案················································13

2.3直流伺服电动机的选择·········································14

2.4联轴器的选择············································17

2.5蜗杆传动设计···········································18

2.6轴的设计·························································21

2.7滚动轴承选择计算·······································28

2.8本章小结·························································33

第3章关键零部件结构设计······································34

3.1控制系统总体方案················································34

3.2鉴向·····························································34

3.3计数的扩展·······················································35

3.4中断的扩展·······················································37

3.5数模转换器的选择·················································39

3.6电机驱动芯片选择················································40

3.7运动学分析·······················································44

3.8控制软件设计·····················································45

3.9本章小结·························································52

结论···································································53

参考文献······························································54

致谢···································································55

第1章绪论

1.1课题背景

在半导体光刻、微型机械、精密测量、超精密加工、需要十分精确的定位和非常精细的运动,随着集成电路集成度的提高,线宽已向着低于亚微米的方向发展,为适应超大规模集成电路器件的发展,微电路图形的特征线宽愈来愈细的特点,发展了电子束光刻而电子束光刻由于其极高的分辨率,可以达到0.1μｍ,这是一种直写的刻划方式,利用电子束的连续偏转在硅片上“书写”出所需的微电路图形。

因此对未来的大规模集成电路器件的制作具有很大的应用潜力。

随之而来的是要有高精度的定位工作台,以保证高精度的定位要求。

针对电子束在真空中工作这一特性,因此开发一种高精度真空工作台,就成为实际的需要。

1.2国内外的发展情况

因为真空精密工作台的主要部分是它的精密工作台部分，所以以下主要针对精密工作台来讲它的当今发展情况。

在半导体光刻、微型机械、精密测量、超精密加工、微型装配、生物细胞操纵和纳米技术等领域,需要十分精确的定位和非常精细的运动,因此高性能的超精密定位工作台成为了这些领域的技术支持。

例如:

随着集成电路集成度的提高,线宽已向着低于亚微米的方向发展,因此在制造过程中对其定位精度有着苛刻的限制。

在机械加工非圆球面时,为了得到精确的形状和高质量的表面,对加工过程中刀具相对工件的运动精度提出了严格的要求。

已有的ＭＥＭＳ加工工艺适宜制造二维或准三维的微型机械结构。

想得到复杂的微型三维结构,目前较可行的方法是采用微装配技术,即将ＭＥＭＳ加工制造的微型结构通过一定的方式装配起来。

要实现微装配,需要结构小巧、在平面内有较大行程的超精密载物工作台。

而为了加大扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）的测量范围,还需要高精度的工作台与测头一起实现大范围超精密定位。

实现亚微米甚至纳米级的定位,常规的驱动和传动方式不再适合。

比如,通常为了实现精密定位,往往采用伺服电机驱动和精密丝杠传动的方案,然而此种定位方式由于螺纹空程和传动摩擦的存在,其定位精度一般只能达到微米级。

因此,寻求特殊的驱动和传动方式,以使工作台具有纳米级的位移分辨率成为了必须。

能够实现亚微米和纳米级定位的超精密工作台大致可分为:

电磁式工作台、直线电机式工作台、压电式工作台、摩擦驱动式工作台、ＭＥＭＳ工作台和其它类型的工作台。

1.2.1电磁式工作台

电磁式工作台利用电磁吸附力对工作台进行驱动,以实现超精密定位。

卡罗来纳大学精密工程小组和麻省理工学院机械工程系联合研制了原子级精密运动控制台。

它依靠六个电磁致动器和六个电容传感器的合理配置,提供控制力和位移反馈,该工作台能实现三维六自由度的精密运动。

重三公斤的平台悬浮于油中以增加电磁支撑的性能。

作为样品的定位平台,它被成功地应用于隧道显微镜（ＳＴＭ）中。

从ＳＴＭ得到的图像表明在5ｓ的时间内,平台定位噪声的峰值小于0.2ｎｍ。

电容传感器的测量显示了平台定位噪声的峰值小于0.1ｎｍ。

由于工作原理的需要,工作台被安置于一个方盒内,仅允许其有100μｍ的立体运动空间。

1.2.2直线电机式工作台

由永磁体阵列和多相位电磁线圈组成的直线电机同样利用电磁力驱动,并具有很高的位移分辨率。

不同的是直线电机的行程要远大于单相电磁线圈驱动。

因此,直线电机式工作台可实现大范围运动。

图1.1表示直线电机的工作原理,此时直线电机处于稳定工作时的动平衡状态。

定子线圈电流为理想化呈正弦分布的电流,其峰值的方向用点和叉表示;并画出了由电流产生的磁场的南极和北极。

磁阵列和定子线圈磁场的同极产生垂直方向的悬浮力（排斥力）以抬起平台。

磁阵列和定子线圈间有正的磁弹性效应,所以直线电机的垂直运动是稳定的。

在水平方向上平衡是不稳定的,需要反馈控制稳定平台在该动平衡附近的运动。

理论上,可以通过改变定子电流的大小来改变垂直力的大小,通过控制相位来控制水平力。

由此可使平台随着线圈电流相位的变化而运动。

图1.1直线电机的工作原理图

1、一维直线电机式工作台

LinearDrives公司开发了一维直线电机式工作台。

电磁元件以特殊的序列排列在管子中组成工作台的定子,在整个运动范围内形成一系列永久的径向电磁场。

柱状的线圈安装在柱状的套管内形成了工作台的动子。

当电流通过线圈时,在定子的长度方向上产生推力。

直线电机的速度从几毫米/秒至几米/秒可调,负载可达几公斤至几百公斤。

利用ＭＥＭＳ技术制作线圈,可以得到非常微小的直线电机。

在硅基底上制作25μｍ厚的金线圈作为定子,在两排线圈的通道中安放永磁铁作为动子。

永磁铁的尺寸为0.7ｍｍ×1.8ｍｍ×0.9ｍｍ。

直线电机的输出力为182μＮ,并能获得24ｃｍ/ｓ的速度。

2、二维直线电机式工作台

直线电机式工作台也可以设计成二维运动一体化的工作台。

驻友重工公司开发的直线电机驱动的Ｘ-Ｙ工作台具有快速运动响应。

2.54ｍｍ的步进运动只需37ｍｓ就可使定位误差在±10μｍ以内。

快速响应对于激光加工和半导体生产是非常关键的。

为了实现平面内的转动而研制了三自由度的二维直线电机式工作台。

定位工作台由三个空气轴承垫在底板上导向,通过合成三个直线电机的驱动力而产生三个自由度（ＸＹθ）的运动。

工作台重5.9ｋｇ,它在Ｘ和Ｙ方向上均具有30ｍｍ的行程。

激光干涉仪用作工作台的定位反馈。

实验测得工作台在Ｘ、Ｙ和θ方向上的定位分辨率分别为15.7ｎｍ、9.5ｎｍ和0.104μｒａｄ,最大速度为150ｍｍ/ｓ,频响宽度为105Ｈｚ。

3、三维直线电机式工作台

麻省理工学院设计了一个高精度的电磁悬浮工作台,它是世界上第一个只用单个电磁悬浮运动件,既实现六自由度精密运动又具有大幅（50ｍｍ×50ｍｍ）平面运动能力的磁悬浮工作台。

工作台的关键部件是在无接触的情况下,提供悬浮力和驱动力的直线电机。

通过调整四个直线电机的作用力,可对工作台进行六自由度的精确控制。

四个直线电机的合力与重5.58ｋｇ平台的重力相平衡。

工作台没有外部导线与平台相连,在Ｘ和Ｙ方向上对称,机械结构十分简单。

平台没有热耗散而使热变形最小。

在Ｘ和Ｙ方向上,工作台的定位噪声均低于5ｎｍ。

工作台的加速度大于1ｇ。

工作台在Ｚ方向有400μｍ的行程,在三个轴向均有毫弧度级的转动范围。

这一定位系统被应用于半导体制造的光刻中。

单一运动件产生所有的六自由度运动以聚焦、准直和定位。

之后,美国北卡罗来纳大学精密测量中心和麻省理工学院机械工程系联合研制了同样类型的六自由度精密运动工作台,其水平定位噪声小于0.6ｎｍ。

1.2.3压电式工作台

压电式工作台利用压电元件的高分辨率和柔性铰链机构的无摩擦、无间隙的高精度传动,可以实现超精密定位。

1、一维压电式工作台

1978年美国国家标准局开发了一个微定位工作台,并被用于光掩模的线宽测量。

为了能在光学和电子显微镜中使用,要求工作台结构紧凑并能在真空中工作。

如图1.2所示,工作台采用了压电元件驱动,柔性铰链机构进行位移放大的方案。

压电元件在低频工作时没有能量耗散,因此工作台没有内部热源。

工作台可在50μｍ的工作范围内,以1ｎｍ或更高的分辨率将物体线性地定位。

工作台还被用于其它显微物体,如生物细胞、空气污染颗粒和石棉纤维等的尺寸精密测量。

图1.2压电驱动高精度工作台

2、二维压电式工作台

扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）测头的运动范围有限,因此有许多科研人员研制了压电驱动柔性铰链机构传动的二维超精密工作台以扩大ＳＴＭ的测量范围。

如美国国家标准和技术局报道了一个有500μｍ×500μｍ视场的扫描隧道显微镜。

携带样品的大范围ＸＹ工作台的核心是铝合金制作的单一柔性铰链机构,每个运动方向均由一个压电块驱动。

柔性铰链机构的位移放大比约为18,工作台与扫描范围为8μｍ×8μｍ的ＳＴＭ测头协同工作,实现大视场测量,该工作台的分辨率约为1ｎｍ。

利用三个压电元件独立驱动,柔性铰链机构传动可实现平面内的三自由度运动。

韩国科学与技术高级研究所和密歇根技术大学联合研制的ＸＹθ纳米级超精密工作台。

由安装于柔性铰链机构内的压电微致动器控制其Ｘ、Ｙ和θ方向的运动。

柔性铰链机构对压电元件有放大作用,工作台沿Ｘ轴的运动范围为41.5μｍ,沿Ｙ轴的运动范围为47.8μｍ,沿Ｚ轴的转动运动范围为1.565ｍｒａｄ。

它被应用于半导体光刻的生产。

国内的科研院所对于二维压电式工作台也进行了研究。

清华大学精密仪器及机械学系研制的亚微米弹性微位移工作台,分别控制两个压电致动器的变形,获得Ｘ方向和Ｙ方向的微位移。

实验结果表明工作台的定位精度达±0.03μｍ。

天津大学精密仪器与光电子工程学院也研制了类似的系统,定位精度达到了0.01μｍ。

3、三维压电式工作台

利用压电驱动和柔性铰链机构传动也可设计三维六自由度的工作台。

利用六个压电块变形的合成,可以使工作台产生六自由度的运动。

1.2.4摩擦驱动式工作台

合理、有效地利用物体间的静摩擦力进行驱动,也可以实现超精密定位。

其运动原理如图1.3所示,当摩擦轮转动时,通过摩擦轮与摩擦杆之间的静摩擦力带动摩擦杆沿着摩擦轮的切线方向运动。

图1.3摩擦轮驱动示意图

1、一维摩擦驱动工作台

Chao等人设计了利用气体支撑的摩擦轮驱动工作台。

工作台在50nm、500nm和10mm的步进运动方式下,定位精度均优于±15nm。

Mekid研制的摩擦驱动工作台重100kg,通过液压支撑,工作台的行程为220mm。

直线工作台的定位精度可达16nm,最大速度为10mm/s。

2、二维摩擦驱动工作台

ＩＢＭ公司设计了利用三个摩擦轮驱动的ＸＹθ工作台,可用于电子束光刻。

通过连接在同一工作平台上的三个摩擦杆运动的合成,工作台在Ｘ、Ｙ和θ方向分别具有260ｍｍ、210ｍｍ和±0.1ｏ的行程。

最大速度可达250ｍｍ/ｓ。

定位精度为0.04μｍ。

3、利用扭轮摩擦驱动

有学者研制了具有埃级分辨率的扭轮摩擦驱动器。

与一般的摩擦驱动不同的是扭轮摩擦驱动的驱动轴和被驱动轴并非正交,而是形成一个很小的角度,因此它的导程可小于0.1ｍｍ,十分适合于超精密定位。

摩擦驱动将ＡＣ伺服电机的旋转运动转化为静压导轨导向的工作台的直线运动。

步进定位的实验表明,工作台的定位分辨率为0.2ｎｍ,行程为几百毫米。

1.2.4MEMS工作台

硅微加工技术制造的精密工作台既有微机械结构,又有集成电路,属于微机电系统（ＭＥＭＳ）的典型应用。

1、一维ＭＥＭＳ工作台

利用微加工工艺制造出如图1.4所示的运动电极阵列和固定电极阵列。

通过改变固定电极和运动电极间的电压,可以改变它们之间的吸引力或排斥力,由此带动与运动电极相连的平台产生运动。

Ｌｅｅ等人研制的一维ＭＥＭＳ工作台重2.8×10-10ｋｇ,当外加电压为140Ｖ时,工作台的位移为1.27μｍ,共振频率为12.7ｋＨｚ。

图1.4MEMS工作台的原理图

2、二维ＭＥＭＳ工作台

康奈尔大学电子工程系研制了基于ＭＥＭＳ技术的二维微动工作台。

用垂直的铝电极侧壁进行驱动,在54.5Ｖ电压下,Ｘ-Ｙ工作台在Ｘ或Ｙ方向上的位移为±1.8μｍ。

在直流偏置电压为10Ｖ,交流电压峰峰值为20Ｖ,频率为10.5ｋＨｚ的电压驱动下,工作台以0.6μｍ的振幅谐振。

工作台大小为340μｍ×340μｍ,重6.2×10-11ｋｇ。

1.2.5其它类型的工作台

其它类型能实现超精密定位的工作台还有冲击式工作台、液压式工作台、差动空气泵式工作台和液体静压螺旋丝杠式工作台。

1、冲击式工作台

冲击式工作台利用摩擦力和由压电块变形产生的冲击力驱动。

如图1.5所示,工作台由运动物体、压电块和反冲物体组成。

工作台的运动原理如下:

ａ　压电块处于伸长状态;ｂ　压电块缓慢收缩,运动物体保持静止;ｃ　压电块突然停止收缩,运动物体获得反冲物体的动量而向左运动;ｄ　压电块快速伸长,由于冲击惯性力使运动物体继续向左运动。

重复以上过程可使运动物体持续向左运动。

改变压电块伸长和收缩的次序可获得运动物体向右的运动。

冲击式工作台结构简单,能以纳米级到微米级的步距进给,并有非常大的运动范围。

图1.5冲击式工作台

2、液体静压螺旋丝杠式工作台

在液体静压螺旋丝杠螺母的内螺纹中开槽,并导入静压液体,使螺母和螺杆不产生直接接触,以避免机械摩擦和空程。

用液体静压螺旋丝杠驱动液体静压滑动工作台,工作台与支撑结构和驱动结构之间没有任何机械接触。

由此,工作台在200mm的行程内定位精度达到10nm,直线偏差小于50nm,角度偏差小于2μrad。

第2章总体方案设计

2.1题目的提出

1、确保能够实现X--Y方向的直线运动和重复定位能力，直线度（x,y）≤5，

垂直度（x,y）≤5

2、载物台的最大速度为10mm/s，行程140mm140mm。

3、保证电子束能工作的直空度

工作真空度：

5×10—9Pa

极限真空度：

1×10—9Pa

2.2解决方案

2.2.1直线运动的实现

直线运动是一种简单的机械运动形式，实现起来容易。

木器那能够实现的机构也很多，如丝杆螺母机构，直线液压马达机构，直线电机，链传动，带传动等。

其中，丝杆螺母机构的特点是，结构简单可靠，能够实现匀速运动，可实现重复定位，传动较大力矩和功率，形成范围大，机构的体积相对小巧，运行平稳，安全可靠无污染。

但它的制造由于在杆和螺母的加工中的精确要求高，材质加工困难而使其工艺性差，且磨损后无法修补，成本高。

丝杆螺母机构可分为滑动的和滚动的两类。

滑动的摩擦阻力大，低速重载将出现爬行现象，摩擦损失的功率多。

滚动的称滚珠丝杆，较好的克服了上述的缺点。

而对于螺母返程间隙误差的造成，消除的办法两种都可以采用双螺母机构实现，稍候详细介绍。

也有采用双丝杆结构的。

它只要考虑了大型机床在间隙消除时的特殊重载情况，对小型精密仪器并不适用，故不详细介绍。

而以液压马达实现直线运动的特点，能够实现高速，高精度，高刚度的定位，而且功率范围大，小至几瓦大到几十千瓦都可行，特别是大型重载如水压机的压下工作则无疑只能选择液压传动形式了。

但它的缺点也是较明显的，它的执行机构小，但作为“动脉”的各个管线偏长，而且布局复杂，并且储油池等一些附件的体积大，对油的温度，粘度，污染等有严格的要求，会因为油的失效而产生性质上较大的差异，或者失去精度。

油路的各连接处的泄漏也可能造成污染，这对于室内严格要求控制污染的光刻机显然不适用。

直线电机是近几年发展起来的高新技术，原理在绪论中也有介绍。

它的优点是做成平面的直线电机实现X--Y两向的直线运动，因为使动力源得到简化。

但是它本身带有先天性的缺点，那就是它是靠磁场来实现运动的，而电子束使一定要避免磁场的，所以是不能被采用的。

但是如果精度达到以后，采用很好的磁屏蔽措施以后，直线或平面电机还是一种很好的选择，因为它大大减少了其间传动机构的繁琐，它的动力源就是执行机构，具有很起那个优点。

综上所述，基于电子束光刻机的特殊条件选择滚珠丝杠运动实现直线运动的传动机构。

滚珠丝杠的原理将在下一章细述。

2.2.2导轨的选择

能否保证实现上述的高直线度和高垂直度，导轨的选择自然也十分重要。

总起来看，导轨有滑动导轨和滚动导轨两大类。

滑动导轨又有矩形，三角形，燕尾形和圆柱形，并可以组合，每种导轨又有凸凹之分。

下面简述