双层气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器属于精密隔振技术领域，隔振器主体的套筒与气浮板通过气浮面润滑与支撑，通过电磁阻尼器衰减振动能量、提高稳定性，气浮板与下安装板、活塞筒与套筒通过气浮面润滑与支撑，上安装板与下安装板之间的水平直线运动自由度通过双层正交气浮导轨解耦，角运动自由度通过二维柔性铰链解耦，音圈电机、位移传感器、限位开关和控制器、驱动器构成位置闭环反馈控制系统，对上、下安装板的相对位置进行精确控制；本发明专利技术具有三维零刚度、高定位精度、直线运动自由度和角运动自由度解耦的特性，可有效解决超精密测量仪器与加工装备、尤其是步进扫描光刻机对高性能隔振器的需求。
【技术实现步骤摘要】
双层气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器
本专利技术属于精密隔振
，主要涉及一种双层气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器。
技术介绍
随着超精密加工与测量精度的不断提高，环境振动成为制约超精密加工装备与测量仪器精度和性能提高的重要因素。尤其是步进扫描光刻机为代表的超大规模集成电路加工装备，技术密集度与复杂度极高，关键技术指标均达到了现有技术的极限，代表了超精密加工装备的最高水平，超精密隔振成为此类装备中的核心关键技术；步进扫描光刻机的线宽已达到22nm及以下，硅片定位精度与套刻精度均达到几纳米，而工件台运动速度达到 lm/s以上，工件台加速度达到重力加速度的几十倍，这对现有的隔振技术提出了新的挑战。 首先，光刻机需要为计量系统与光刻物镜提供“超静”的工作环境，同时又需要驱动工件台以高速度与高加速度运动，这对隔振系统的隔振性能提出了极其苛刻的要求，其三个方向的固有频率均需要达到IHz以下；其次，光刻机各部件之间的相对位置，例如光刻物镜与硅片表面的距离，均具有非常严格的要求，且处于位置闭环反馈控制系统的控制之下，要求隔振器上、下安装板之间的相对位置精度达到10 μ m量级，传统隔振器的定位精度远远不能满足要求。根据隔振理论，被动式隔振器的固有频率与刚度成正比、与负载质量成反比，因此在负载质量一定的前提下，降低隔振器的刚度是降低固有频率、提高低频与超低频隔振性能的有效途径。传统空气弹簧等形式的隔振器存在静态承载能力与刚度的固有矛盾，同时受材料特性、结构刚度等因素制约，要进一步降低其刚度、尤其是水平向刚度十分困难。针对这一问题，研究人员将“摆”式结构引入到空气弹簧隔振器中，达到降低隔振器水平刚度的目的(1. Nikon Corporation. Vibration Isolator With Low Lateral Stiffness. 美国专利公开号US20040065517A1 ；2. U. S. Philips Corporation. Positioning Device with a Force Actuator Systemfor Compensating Center-of-gravity Displacements， and Lithographic Device Provided with Such APositioning Device.美国专利号 US005844664A)。该方法能够在一定程度上降低空气弹簧隔振器的水平刚度，提升其低频隔振性能。该方法存在的问题在于1)受材料特性与结构刚度制约，隔振器垂向与水平向刚度降低的幅度有限；2)空气弹簧隔振器的垂向与水平向定位精度均很差，无法满足光刻工艺的要求；3)要达到较低的水平刚度需要较大的摆长，导致隔振器高度过大，容易发生弦膜共振，稳定性差。通过对现有空气弹簧隔振器技术方案的分析可见，现有空气弹簧隔振器难以满足光刻机对超低刚度与高定位精度的要求。德国IDE公司提出了一种摒弃传统橡胶空气弹簧的隔振器技术方案(1.1ntegrated Dynamics Engineering GmbH.1solatorgeometrie E inesSchwingungs iso Iat ions system.欧洲专利号EP1803965A2 ；2.1ntegrated Dynamics`EngineeringGmbH. Schwingungsisolationssystem Mit Pneumatischem Tiefpassfilter. 欧洲专利号EP1803970A2 ;3· Integrated Dynamics Engineering GmbH. Air Bearing with Consideration of High-Frequency Resonances.美国专利公开号US20080193061A1)。该方案采用垂向与水平向气浮面对各方向的振动进行解耦与隔振，可以达到极低的刚度与固有频率。该方案存在的问题在于1)已公开技术方案中，隔振器无法实现精确定位；2)专利EP1803965A2中，上、下安装板之间不存在绕水平轴旋转的角运动自由度，该方向的角刚度与固有频率都很高；专利EP1803970A2与US20080193061A1采用橡胶块为上、下安装板提供绕水平轴旋转的角运动自由度，但由于橡胶块角刚度很大，无法有效地进行角运动自由度解耦，角运动自由度解耦机构部件之间存在摩擦力而引入附加刚度，制约隔振性能。荷兰ASML公司也提出了类似的隔振器技术方案(1. U. S. Philips Corp, ASM LithographyB. V. Pneumatic Support Device with A Controlled Gas Supply, and Lithographic Device Providedwith Such A Support Device.美国专利号US006144442A ;2·Koninklijke Philips ElectronicsN. V. , ASM Lithography B. V. Lithographic Pneumatic Support Device with Control led Gas Supply. 国际专利公开号W099/22272 ;3. ASML Netherlands B. V. Support Device, LithographicApparatus, and Device Manufacturing Method Employing A Supporting Device, and A PositionControl System Arranged for Use in A Supporting Device. 美国专利号USOO7O8^i956B2 ;4. ASML Netherlands B. V. Support Device, Lithographic Apparatus, and Device ManufacturingMethod Employing A Supporting Device and A Position Control System Arranged for Use in ASupporting Device.欧洲专利号 EP1486825A1)。专利US006144442A与W099/22272中对气源压力进行闭环反馈控制，达到提高隔振器的稳定性与性能的目的；专利US007084956B2与EP1486825A1中在上安装板上设有振动传感器，同时引入参考振动系统，通过控制算法提升隔振器的隔振性能。但所提出技术方案仍然没有解决隔振器的精确定位与上、下安装板的角运动自由度解耦问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对超精密测量仪器与加工装备、尤其是步进扫描光刻机等超大规模集成电路加工装备对隔振器低固有频率、高定位精度的迫切要求，提供一种双层气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器，隔振器在三维均具有近似零刚度与极低的固有频率，上、下安装板之间能够进行精确定位与三维直线运动自由度、角运动自由度解耦，从而本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种双层气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器，由上安装板(1)、下安装板(2)、洁净压缩气源(3)、气管(26)和隔振器主体(4)组成，隔振器主体(4)安装在上安装板(1)与下安装板(2)之间，洁净压缩气源(3)通过气管(26)与隔振器主体(4)连结，其特征在于：所述隔振器主体(4)的结构中，套筒(6)的下表面与气浮板(34)通过轴向承载平面气浮面(21)润滑与支撑，活塞筒(5)倒扣安装在套筒(6)内，并与套筒(6)通过径向承载圆柱气浮面(22)润滑与支撑，二维柔性铰链(7)安装在活塞筒(5)和上安装板(1)之间，X向气浮导轨(29)的下表面与气浮板(34)刚性连接，套筒(6)与X向气浮导轨(29)通过X向导轨气浮面(31)润滑与导向，Y向气浮导轨(30)的下表面与下安装板(2)刚性连接，气浮板(34)与下安装板(2)通过Z向承载气浮面(33)润滑与支撑，气浮板(34)与Y向气浮导轨(30)通过Y向导轨气浮面(32)润滑与导向；Z向音圈电机(10)、Z向位移传感器(13)、Z向限位开关(16)安装在活塞筒(5)与套筒(6)之间，X向音圈电机(8)、X向位移传感器(11)、X向限位开关(14)安装在套筒(6)与气浮板(34)之间，Y向音圈电机(9)、Y向位移传感器(12)、Y向限位开关(15)安装在气浮板(34)与下安装板(2)之间；Z向音圈电机(10)的驱动力方向为竖直方向，X向音圈电机(8)与Y向音圈电机(9)的驱动力方向在水平面内且相互垂直，X、Y、Z向位移传感器(11、12、13)和X、Y、Z向限位开关(14、15、16)的作用线方向与X、Y、Z向音圈电机(8、9、10)的驱动力方向一致；X、Y、Z向位移传感器(11、12、13)和X、Y、Z向限位开关(14、15、16)分别与控制器(19)的信号输入端连接，控制器(19)的信号输出端与驱动器(20)的信号输入端连接，驱动器(20)的信号输出端分别与X、Y、Z向音圈电机(8、9、10)连接；在气浮板(34)上表面侧壁沿X向音圈电机(8)驱动力方向安装X向永磁体(40A)构成X向电磁阻尼器(40)，在气浮板(34)上表面侧壁沿Y向音圈电机(9)驱动力方向安装Y向永磁体(41A)构成Y向电磁阻尼器(41)，在活塞筒(5)外圆柱面侧壁沿Z向音圈电机(10)驱动力方向安装Z向永磁体(42A)构成Z向电磁阻尼器(42)，X、Y向永磁体(40A、41A)的磁极方向垂直于气浮板(34)的上表面，且N、S极交替布置，Z向永磁体(42A)的磁极方向垂直于活塞筒(5)的外圆柱面，且N、S极交替布置，活塞筒(5)与气浮板(34)采用铁磁材料，套筒(6)采用不导磁的良导体材料。...
【技术特征摘要】
1.一种双层气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器，由上安装板(I)、下安装板(2)、洁净压缩气源(3)、气管(26)和隔振器主体(4)组成，隔振器主体(4) 安装在上安装板(I)与下安装板(2)之间，洁净压缩气源(3)通过气管(26)与隔振器主体(4)连结，其特征在于所述隔振器主体(4)的结构中，套筒(6)的下表面与气浮板(34) 通过轴向承载平面气浮面(21)润滑与支撑，活塞筒(5)倒扣安装在套筒￠)内，并与套筒(6)通过径向承载圆柱气浮面(22)润滑与支撑，二维柔性铰链(7)安装在活塞筒(5)和上安装板(I)之间，X向气浮导轨(29)的下表面与气浮板(34)刚性连接，套筒(6)与X向气浮导轨(29)通过X向导轨气浮面(31)润滑与导向，Y向气浮导轨(30)的下表面与下安装板(2)刚性连接，气浮板(34)与下安装板(2)通过Z向承载气浮面(33)润滑与支撑，气浮板(34)与Y向气浮导轨(30)通过Y向导轨气浮面(32)润滑与导向；Z向音圈电机(10)、 Z向位移传感器(13)、Z向限位开关(16)安装在活塞筒(5)与套筒(6)之间，X向音圈电机 ⑶、X向位移传感器(11)、X向限位开关(14)安装在套筒(6)与气浮板(34)之间，Y向音圈电机(9)、Y向位移传感器(12)、Y向限位开关(15)安装在气浮板(34)与下安装板(2) 之间；z向音圈电机(10)的驱动力方向为竖直方向,X向音圈电机⑶与Y向音圈电机(9) 的驱动力方向在水平面内且相互垂直，X、Y、Z向位移传感器(11、12、13)和Χ、Υ、Ζ向限位开关(14、15、16)的作用线方向与X、Y、Z向音圈电机(8、9、10)的驱动力方向一致；X、Y、Z 向位移传感器(11、12、13)和Χ、Υ、Ζ向限位开关(14、15、16)分别与控制器(19)的信号输入端连接，控制器(19)的信号输出端与驱动器(20)的信号输入端连接，驱动器(20)的信号输出端分别与Χ、Υ、Ζ向音圈电机(8、9、10)连接；在气浮板(34)上表面侧壁沿X向音圈电机⑶驱动力方向安装X向永磁体(40Α)构成X向电磁阻尼器(40),在气浮板(34)上表面侧壁沿Y向音圈电机(9)驱动力方向安装Y向永磁体(41Α)构成Y向电磁阻尼器(41)， 在活塞筒(5)外圆柱面侧壁沿Z向音圈电机(10)驱动力...
【专利技术属性】
技术研发人员：王雷，崔俊宁，谭久彬，赵勃，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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