在一个平面上拥有所有的舞台驱动动力学可以防止敏感工件的不良反应力矩，并最大化机器性能，以满足高要求的运动应用。gydF4y2Ba
通过gydF4y2Ba数学te WierikgydF4y2Ba领导系统工程师gydF4y2Ba
Jan威廉RidderinkhofgydF4y2Ba•研发和工程经理|gydF4y2Ba点帐面价值gydF4y2Ba
高端机电运动解决方案激增，因为各个行业都要求比以往任何时候都更高的精度和吞吐量。但这种运动舞台的开发和生产通常不是原始设备制造商和终端用户的核心竞争力，所以通常是外包给运动部件和系统供应商。对于半导体、医疗、光学和分析行业的原始设备制造商来说尤其如此……在这里，工程更专注于专门的生产流程。gydF4y2Ba
对于这些专业的工程oem和终端用户来说，一个新的选择是下一代动态阶段，以适应未来的操作。gydF4y2Ba
设计目标一:高多轴级吞吐量gydF4y2Ba
考虑一个示例申请 - 一个轴的中风的半导体晶片检查过程超过300mm ......但需要在x和y中优于1μm的机械精度。假设加速到2gydF4y2BaggydF4y2Ba在水平面上的速度是2米/秒。还要假设水平面的振动必须保持在25纳米以下，并且该级在一个地板符合VC-C振动规范的洁净室中运行。垂直方向(晶圆片进入光学焦点的方向)的振动不能超过10纳米。快速加速和较短的沉淀时间对于获得足够的盈利能力至关重要。gydF4y2Ba
在一架平面中具有检查阶段的驾驶动态可确保电动机在敏感系统部件上不会产生有害的反应扭矩。这种动态需要对齐所有移动体的质量中心...以及线性轴承和电机力量的位置。实际上，保持一个平面中的所有动态也使线性轴承上的平面外载荷最小化，以便更持久的机械组件随着时间的推移而表现出更少的不准确性。gydF4y2Ba
对于单轴系统来说，在一个平面上设计所有的动态部件相对容易。但除此之外，通常的方法是将第二个轴堆叠在第一个轴上，使其与第一个轴正交。第三个轴堆叠在第二个轴上。gydF4y2Ba
这种轴堆叠的问题是运动质量的重心（COG）的重心被损害为每个轴......因此在加速或减速时发生反应扭矩。这种反应扭矩产生偏航，俯仰和滚动误差。gydF4y2Ba
相比之下，水平箱型框架的舞台，由每个侧面的线性轴承支撑，表现出更好的动力学。带有循环球元素的线性轴承(当正确安装时)足够精确地支持这样的工作台，即使在光学晶圆检测设备中。在这样一个方框中，第二个轴与第一个轴共面。然后一个Zθ模块(用于旋转和垂直运动)集成到第二个轴。只有短行程的垂直运动，所以质量中心和驱动大部分保持在一个平面上。这意味着移动的物体不会表现出杠杆臂的行为，而这反过来又提高了定位精度。gydF4y2Ba
来自Linear-Motion-System Company公司PM B.V的新运动平台。采用这里所示的寮屋阶段布置的形式。该阶段适用于要求诸如光学晶片检查的高精度任务。gydF4y2Ba
设计目标二:多轴阶段拓扑优化gydF4y2Ba
除了优化的宏观设计元素之外，晶圆检查阶段还必须具有高结构刚度的轻质框架。铝制框架是这里的最佳选择 - 特别是在用CAE工具优化时。gydF4y2Ba
考虑一个为良好的动力学和可制造性而优化的盒形框架。恒定的材料厚度交叉成员允许成本效益和准确的制造。主要横梁的大c形轮廓最大限度地提高了整体刚度-重量值，并可以作为线性轴承安装面做双重用途。gydF4y2Ba
这里显示的是一个侧面视图，俯视图，和织女星舞台的x轴交叉成员的c形横断面视图。matlab生成的拓扑分析显示重力和加速度载荷下的位移从小(蓝色)到大(黄色)。gydF4y2Ba
设计目标三：多轴阶段的战略安装的执行器gydF4y2Ba
接下来考虑阶段驱动类型和安排。在这里，最好寻找最佳使用轴承刚度和最小化需要昂贵的磨削公差的表面数量的选项。某些完全优化的阶段基于无铁电机(移动线圈)做这一点有点复杂的结构-但一个确保电机，直线轴承和编码器都安装在其c形轮廓的下部。gydF4y2Ba
点击放大。这是三个选项的舞台驱动类型和安排，以垂直于舞台X轴。(所有这些都包含了本文关于拓扑的第一节中描述的c型概要。)需要昂贵的磨削公差的表面用红色标出。左:一个铁芯电机力对准直线轴承的平面和舞台的齿轮…但电机的吸引力负载轴承。中:双铁芯电机的力与轴承和舞台齿轮对齐，引力相互抵消。右:电机的力与直线轴承和齿轮对齐…并使装配不受引力的影响。gydF4y2Ba
设计目标四：快速安定时间gydF4y2Ba
精密半导体晶圆的高通量需要具有可预测的频率响应函数的级。重新考虑我们的舞台结构在手上有刚性的基础板，直线轴承，和加工金属交叉成员阵列。gydF4y2Ba
复杂的准确转移功能预测的集合是线性轴承动态。基于理想赫斯氏接触理论的常规轴承刚度模型显着高估了使用现实世界轴承的刚度。这就是为什么结合赫兹联系理论和基于组件的测试更好 - 并将实验模态分析应用于具有刚性虚拟负载的轴承。广泛的测试表明，丰富的轴承模型比传统的理想化的赫斯琴联络理论模型更具现实。gydF4y2Ba
振动分析可以采取对轴承进行锤击试验的形式。这揭示了它们在相关自由度中的刚度。PM B.V.的工程师对Vega工作台组件(包括轴承刚度)进行了有限元分析，得出了开环传递函数。这些结果反过来表明织女星级的第一个可观测到的本征模完全高于目标带宽。然后，PM B.V.的工程师围绕这些传递函数对舞台的反馈控制回路建模，以预测舞台的沉降时间(包括它的控制)。然后模拟该沉降时间预测以及完整的运动曲线(基于晶圆检测周期)，以验证机器的最大吞吐量。gydF4y2Ba
苛刻的残留振动要求需要振动隔离系统。特别是高加速度要求在阶段的花岗岩基础上放置高侧向力......因此振动隔离系统必须有效。使用平衡质量消除振动在这里是不可行的，因为这种设计过于笨重。gydF4y2Ba
这是主动隔振平台上织女星舞台的示意图。柔性弹簧防止地板振动传递到舞台。天钩阻尼和先进的楼面前馈算法(绿色箭头)进一步解决了振动问题。在花岗岩上的舞台力(红色箭头)被前馈控制(橙色箭头)抵消。由于隔振系统对台阶沉降时间有很大的影响，PM B.V.的工程师还将其动力学纳入了沉降时间模拟中。gydF4y2Ba
优化阶段的振动隔离需要平衡互相冲突的设计要求。建立时间从僵硬的设置中受益，但柔顺的隔振系统可以最小化残留振动......以及楼层振动的传递能力在隔离系统的第一个特征频率之上迅速减少。gydF4y2Ba
这个新的运动平台被称为Vega，由PM B.V.直线运动系统公司提供，具有本文所描述的所有优化设计特征——刚性花岗岩基座，每个轴的直线电机和直线轴承，以及xy轴中心的z θ模块。晶片位于z θ-模块顶部的黑色圆形板上。同时优化了相互依赖的设计要素。举例来说:对工作台的热稳定性(以及动态稳定性)进行分析，就可以确定其光学编码器的位置。gydF4y2Ba
设计目标五:良好的热管理gydF4y2Ba
所有运动应用都需要热管理。然而，在我们这里考虑的精密应用中，热管理对于满足严格的精度要求是最重要的。毕竟，在晶圆检验中，任何由热引起的机器尺寸变化都可能是灾难性的。gydF4y2Ba
刀具点的位置 - 在晶片上的感兴趣部门 - 必须以单微米的准确性知道，即使系统在其最大吞吐量周期中运行，致动器产生相当大的热量。gydF4y2Ba
因此，这些设计阶段必须考虑从初始概念设计阶段产生的热效应——理想情况下，要有全面的热网络模型，以理解所有设计选择的热影响。精密半导体制造通常避免使用液冷，因为液冷可能会泄漏冷却剂到昂贵的有效载荷上，或者在关键的生产步骤中需要有害的停止。精密制造通常也排除冷却风扇，因为强迫气流会引起级和有效载荷振动。gydF4y2Ba
相比之下，被动冷却(虽然效率有限)可以释放足够的电机热量，特别是当翅片散热器足够大，以防止级子部件的热膨胀。考虑具有这种散热器的阶段，这些散热器在结构上是连接的，但通过热屏障与系统的其余部分在热上隔离。在不牺牲准确性的情况下，增加了硬度。有限元分析证实，热屏障确实有助于热散失，尽管进一步的改进是必要的，以充分减少热诱发阶段变形。gydF4y2Ba
一个互补的选择是gydF4y2Ba不胀钢gydF4y2Ba-一种低热膨胀系数的镍铁合金。这种选择是昂贵的，而且因瓦的刚度重量比比替代材料要低。gydF4y2Ba
更好的选择是策略性地放置的铝弯曲，使阶段结构可自由扩展。然后，热膨胀中心处的一些Invar组件保持组件的中心与温度变化无关。这充分利用昂贵的Invar。gydF4y2Ba
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了下:gydF4y2Ba线性运动技巧gydF4y2Ba
