[发明专利]振动隔离系统及方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及振动隔离系统，更具体来说，本发明涉及具有非线性控制的振动隔离系统。

背景技术

某些灵敏的制造工艺和仪器操作需要把一定质量(mass)与其周围环境中的振动隔离。灵敏的制造工艺的一个例子是用于生产集成电路的光刻术。在其上制作集成电路的晶片被放置在操作台上，所述操作台对于地面振动非常灵敏。任何振动都会影响所述光刻术的精度，从而会降低所述集成电路的质量。灵敏的仪器操作的一个例子是地震仪器操作，比如地音探听器(geophone)。在地震仪器操作中，把一定质量保持静止，并且测量所述质量相对于其周围环境的速度，以便测量地震活动。所述质量必须自由浮动，以便检测地面振动。在灵敏的仪器操作中的用途的另一个例子是在用于主动振动隔离的有效载荷隔离系统中把一定质量用作参考质量(其中包括惯性参考质量)，正如在授予Vervoordeldonk等人的标题为“Actuator Arrangement forActive Vibration Isolation Comprising an Inertial ReferenceMass(包括惯性参考质量的用于主动振动隔离的致动器设置)”的WIPO国际公开No.WO 2005/024266A1中所描述的那样，其被转让给本申请的受让人并且被合并在此以作参考。所述参考质量提供了用于测量到有效载荷的距离的静止点，比如光刻台。

图1是标准悬挂系统的方框图。该标准模型包括将被隔离的质量M，其中利用刚度k和阻尼d将其支撑在表面上方。在振动隔离应用中，刚度k较小，以便提供低谐振频率。刚度k应当尽可能地小，以便提供最佳的振动隔离，但是这样做导致当所述质量M受到外部扰动的激励时性能欠佳。首先，当受到外力扰动时，所述系统导致较大的时间和空间漂移。其次，在受到外力扰动之后，这种系统展现出软悬挂质量的缓慢稳定行为。一种在发生过度扰动之后减小所述较大漂移的方法是合并物理终点止动装置(end stop)，以便限制所述质量的行程。这样在所述终点止动装置处导致对所述质量的相对较大的扰动力，并且可能导致不可预测的稳定时间。此外，如果软悬挂质量的自由行程受到所述终点止动装置的限制，则对准可能会成为问题。

图2A和2B分别是对应于主动悬挂系统的方框图和刚度k与位置x_ref的关系曲线图。图2A中示出的主动悬挂系统包括质量M，其位置由位置传感器P感测。该位置传感器P生成位置信号，该位置信号被提供到线性控制器C_L。该线性控制器C_L把线性控制信号提供给致动器F，该致动器驱动所述质量M。该控制环路不管位置误差如何都提供相同的刚度和阻尼，从而导致了在上面针对图1所讨论的性能问题。

图2B示出了在尝试以非常低的频率(比如0.5Hz)悬挂一定质量时由于真实致动器中的寄生刚度而导致在主动悬挂系统中出现的稳定性问题。对于0.2kg的质量来说，所述主动悬挂系统的刚度k必须大约是2N/m，这是非常低的。不幸的是，真实致动器的寄生刚度大约是10N/m，这是2N/m的所需刚度的5到10倍。

参照图2B，对应于参考质量的操作范围20大约是在1.5mm的位置x_ref周围的100μm内。曲线A示出致动器F的刚度随着位置x_ref而改变，也就是说，致动器刚度并不是随着位置恒定的。曲线B示出所述控制器C_L的刚度随着位置x_ref而改变，也就是说，控制器刚度并不是随着位置恒定的。曲线C示出了通过组合曲线A的致动器刚度与曲线B的控制器刚度所得到的组合刚度。

在该例中，问题出现在0到1mm之间的位置x_ref处，其中曲线C的组合刚度是负的。在该负区域中，质量M的操作不稳定。如果可以避免所述负区域，则这将不是问题，但是随着所述系统在启动时脱离(undock)并且随着所述质量M移动到操作范围20，所述质量M肯定会经过所述负区域。此外，所述质量M还可能由于来自作用在该质量上的地面振动和外力的过度扰动而进入所述负区域。一种解决所述稳定性问题的方法是向曲线B的控制器刚度添加刚度和/或阻尼，从而使得曲线C的组合刚度在0到1mm之间的位置x_ref处不再是负的。然而，由于振动隔离性能会降低，因此上述做法又会产生附加的问题。

希望有一种能够克服上述缺陷的振动隔离系统和方法。

发明内容