[发明专利]高速大行程的气压半悬浮二自由度共基面运动工作台

说明书

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，涉及一种二自由度位移工作台，特别是一种高速大行程的气压半悬浮二自由度共基面运动工作台，该运动工作台可实现平面二维方向宽范围、精密位移定位，主要用于微纳压印装置、集成电路光刻机、精密测量扫描装置等。

背景技术

在集成电路(IC)、微机电系统(MEMS)制造等领域，对运动执行机构具有系统精度高、运动速度快、工作平稳等特点的定位系统的需求日益迫切。目前，在微纳制造领域内精密工作平台主要采用直线电机、滚珠丝杠和磁悬浮等结构形式来实现精密定位。然而直接使用直线电机驱动方式，其结构简单，但需要精密直线电机，控制也非常复杂，磁悬浮技术还不成熟，工业应用还需要解决许多问题。在工业应用中广泛采用精密滚珠丝杠配合高分辨率光栅尺的结构形式来实现位移精密定位，而运用滚珠丝杠实现X、Y二维方向的精密定位主要采用十字交叉迭加型结构，此结构等同于悬臂梁结构，存在Z向的挠度，直接导致微纳光刻压印微纳米级特征尺寸图形的不均一性。随着气体轴承技术日益成熟，气浮工作台也逐渐开始应用在各个领域，气浮导轨是气体轴承的一种应用形式，半悬浮气体导轨是气浮导轨的一种特殊形式，它具有速度快、精度高、刚度大、摩擦磨损小、摩擦力恒定等特点，现已在国外广泛的应用。

发明内容

针对微纳光刻压印图形的微纳米级特征尺寸图形的不均一性以及现有十字交叉迭加型滚珠丝杠位移定位结构Z向挠度的问题，本发明的目的在于，提供一种高速大行程的气压半悬浮二自由度共基面运动工作台，将现有十字交叉迭加型滚珠丝杠位移定位结构进行改进设计，使得工作台与两运动轴的导向面为同一高度平面，不存在Z向挠度，并于位置检测过程中不产生阿贝误差。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种高速大行程的气压半悬浮二自由度共基面运动工作台，包括基座，其特征在于：在基座上安装有X轴运动模块、Y轴运动模块和X、Y向位置检测装置，其中，X轴运动模块位于Y轴运动模块之内；

Y轴运动模块由Y向旋转电机驱动，并由固定于基座之上的直线导轨导向；X轴运动模块由X向旋转电机驱动，Y轴运动模块和X轴运动模块为内外两层分布，同一运动平面；X、Y向位置检测装置用于分别实时控制X轴运动模块与Y轴运动模块的位置信号；并由各自的行程开关控制运动模块运动范围；

所述的X轴运动模块主要由柔性铰链连接板，连接板，螺母，丝杠支撑支座，丝杠固定支座，联轴器，X轴旋转电机，滚珠丝杠，电机固定支架，预压弹簧，工作台，右挡板，左挡板，进气孔，负压腔，气膜腔，第一行程开关，顶板，底板构成；X轴旋转电机通过安装在Y轴左滑块架上的电机固定支架固定，X轴滚珠丝杠由丝杠固定支座、丝杠支撑支座采用一端固定一端游动支撑方式固定在Y轴运动模块上；预压弹簧一端固定在左滑块架上，另一端固定工作台上；

Y轴运动模块主要由Y轴右滑块架，Y轴左滑块架，导轨外侧架，导轨内侧架，左直线导轨，右直线导轨，预压弹簧，Y轴旋转电机，电机固定支架，联轴器，丝杠支撑支座，丝杠固定支座，Y轴滚珠丝杠，螺母，连接板，第二行程开关，X轴左滑动导轨，X轴右滑动导轨构成；旋转电机通过电机固定支架安装于基座上；Y轴滚珠丝杠由丝杠固定支座、丝杠支撑支座采用一端固定一端游动支撑方式固定在基座上；

X、Y向位置检测装置主要由X向光栅尺，X向光栅读数头，Y向光栅尺，Y向光栅读数头构成；其中，Y向光栅尺固定在基座上，Y向光栅读数头固定于Y轴右滑块架下侧；X向光栅尺固定在导轨内侧架上，Y向光栅读数头固定工作台左侧；

所述的第一行程开关固定在导轨外侧架的两侧；工作台与基座采用大基面作为半悬浮工作面，工作台底板与基座之间形成一层气膜，以减小载荷对基座的压力；

所述的第二行程开关固定在基座的两侧；导轨外侧架和导轨内侧架内侧分别安装固定有X轴右滑动导轨和X轴左滑动导轨，预压弹簧一端固定在基座上，另一端固定在导轨外侧架上，以消除模块运动过程中丝杠可能产生的间隙。

本发明的高速大行程的气压半悬浮二自由度共基面运动工作台分别采用旋转电机与滚珠丝杠同步驱动X、Y轴运动模块实现两坐标精确定位以及精密运动。该工作台可用于半导体与超精密加工的光刻技术、微制造、表面形貌测量及超精密坐标测量等方面。其最大行程可到达250mm×250mm，定位精度可以达到5μm，重复定位精度可达1μm，最大速度为0.25m/s。