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CN111835177A - 磁浮电机及其控制方法 - Google Patents

磁浮电机及其控制方法 Download PDF

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CN111835177A
CN111835177A CN201910309640.3A CN201910309640A CN111835177A CN 111835177 A CN111835177 A CN 111835177A CN 201910309640 A CN201910309640 A CN 201910309640A CN 111835177 A CN111835177 A CN 111835177A
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coil module
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丛国栋
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Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
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Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
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    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
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  • Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

本发明提供了一种磁浮电机及其控制方法，磁钢阵列模块上具有至少两个线圈模块，每个所述线圈模块均包括至少6个呈矩阵分布的发力体，控制模块实时识别两个线圈模块所处的工况并根据所述线圈模块所处的工况控制其发力体的通电和断电并切换所述线圈模块的工作模式，能够在有限的面积下使至少6个呈矩阵分布的发力体同时使用，在需要时增加所述线圈模块运动的加速度，并且不需要将磁钢阵列模块的尺寸做的足够大。

Description

磁浮电机及其控制方法
技术领域
本发明涉及半导体制备技术领域，尤其涉及一种磁浮电机及其控制方法。
背景技术
在光刻机的工件台和掩模台中，通常采用长行程的直线电机结合短行程的音圈电机，并选用气浮轴承来实现高速、高精密定位。然而，在这种结构方案中，为了获得多个运动自由度，往往需要多个直线电机采用堆叠的方式加以实现。这种结构方案不仅增加了整个系统的复杂度，降低了模态，而且加大了底层直线电机的负载，导致运动台的定位精度、控制带宽和运动速度大幅下降。此外，当运动行程需要增加时，气浮直线导轨的制造成本不但几何上升，而且越来越困难，已经成为大尺寸晶元制造的发展瓶颈。
为了解决上述问题，出现了一种新型结构的电机——磁浮电机。它基于洛伦兹力原理，将产生的电磁力直接施加到工件台上，能够同时提供多轴运动。磁浮电机一般包括磁钢阵列模块和线圈单元模块两大部分，所述磁钢阵列模块中的磁钢阵列单元呈交替排列方式，非常便于拓展，有效解决了大行程设计上的技术瓶颈。而且，通过磁浮技术，降低了对运动面型的约束，工作过程无接触磨损，非常适合大行程、真空、超洁净、超精密定位的需求。
现有的磁浮电机的线圈单元模块通常具有4个发力体提供移动的加速度，总加速较小，为了增加总加速度就需要增加发力体的数量，但是由于磁钢阵列模块在列方向上宽度尺寸无法做到很大，限于尺寸和布局的约束，现有的磁钢阵列模块的面积无法满足6个及其以上的发力体同时使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁浮电机及其控制方法，在磁钢阵列模块在列方向上宽度尺寸有限的情况下，能够满足6个及其以上的发力体同时使用。
为了达到上述目的，本发明提供了一种磁浮电机，包括：
磁钢阵列模块，用于产生磁场；
至少两个线圈模块，位于所述磁钢阵列模块上并能够在平行于所述磁钢阵列模块所在的平面内移动，每个所述线圈模块均包括至少6个呈矩阵分布的发力体；
控制模块，与每个所述线圈模块连接，用于控制所述线圈模块中各发力体的通电和断电并切换所述线圈模块的工作模式。
可选的，所述线圈模块中的发力体包括若干个沿同一方向平行排布的线圈，其中，相邻两个所述发力体的线圈排布方向垂直。
可选的，所述线圈模块中每行发力体的总数量小于每列发力体的总数量。
可选的，所述线圈模块中具有K个发力体，K为大于或等于6的偶数；
当K是3的倍数时，所述线圈模块中线圈排布方向相同的两个所述发力体中心在其线圈排布方向上的间距D均满足如下公式：
Figure BDA0002031034100000021
当K不是3的倍数时，所述线圈模块中线圈排布方向相同的两个所述发力体中心在其线圈排布方向上的间距D均满足如下公式：
Figure BDA0002031034100000022
其中，n为任意正整数，τ为所述磁钢阵列模块的磁极距。
可选的，每个所述线圈模块均包括支撑座，所述发力体设置于所述支撑座内。
可选的，所述磁钢阵列模块上的所述线圈模块在行方向上的宽度尺寸的总和小于所述磁钢阵列模块在行方向上的宽度尺寸；一个所述线圈模块在列方向上的宽度尺寸小于所述磁钢阵列模块在列方向上的宽度尺寸，并且两个所述线圈模块在列方向上的宽度尺寸的总和大于所述磁钢阵列模块在列方向上的宽度尺寸。
本发明还提供了一种所述磁浮电机的控制方法，包括：
控制模块实时识别线圈模块所处的工况；
所述控制模块根据所述线圈模块所处的工况控制其发力体的通电和断电并切换所述线圈模块的工作模式。
可选的，所述线圈模块的工作模式包括少线圈工作模式及全线圈工作模式，在所述少线圈工作模式下，所述控制模块控制所述线圈模块的至少一行发力体断电，剩余行的发力体通电，在所述全线圈工作模式下，所述控制模块控制所述线圈模块的所有发力体通电。
可选的，当所述线圈模块在所述磁钢阵列模块内移动时，所述线圈模块处于测量对准工况，所述控制模块控制所述线圈模块处于全线圈工作模式，当所述线圈模块移动以切换位置时，所述线圈模块处于位置切换工况，所述控制模块控制悬于所述磁钢阵列模块外的发力体断电并控制所述线圈模块处于少线圈工作模式。
可选的，在所述少线圈工作模式下，对于同一个所述线圈模块，所述控制模块每次均控制相同数量和相同位置的发力体断电。
在本发明提供的磁浮电机及其控制方法中，磁钢阵列模块上具有至少两个线圈模块，每个所述线圈模块均包括至少6个呈矩阵分布的发力体，控制模块实时识别两个线圈模块所处的工况并根据所述线圈模块所处的工况控制其发力体的通电和断电并切换所述线圈模块的工作模式，能够在有限的面积下使至少6个呈矩阵分布的发力体同时使用，在需要时增加所述线圈模块运动的加速度，并且不需要将磁钢阵列模块的尺寸做的足够大。
附图说明
图1为本发明实施例提供的线圈模块的剖面示意图；
图2为本发明实施例提供的线圈模块的俯视图；
图3为本发明实施例提供的磁浮电机的平面示意图；
图4-图8为本发明实施例提供的磁浮电机的控制步骤图；
其中，附图标记为：
1-磁钢阵列模块；2-线圈模块；21a-第一线圈模块；21b-第二线圈模块；211-发力体；212-支撑座。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
为了便于描述，本文以平行于纸面向下为X方向(列方向)，平面于纸面向左为Y方向(行方向)，垂直于纸面向外为Z方向，建立XYZ三维坐标系。如图1-图3所示，本实施例提供了一种磁浮电机，包括磁钢阵列模块1、控制模块及至少两个线圈模块2，所述磁钢阵列模块1用于产生磁场，至少两个所述线圈模块2悬浮于磁钢阵列模块1上方，每个所述线圈模块2包括支撑座212及位于所述支撑座212内的至少6个发力体211，每个所述线圈模块2中的发力体211包括若干个沿同一方向平行排布的线圈，其中，相邻两个所述发力体211的线圈排布方向垂直，当在所述发力体211的线圈中通电时，所述线圈模块2能够在平行于所述磁钢阵列模块1所在的平面内移动。所述控制模块与每个所述线圈模块2连接，用于控制所述线圈模块2中各发力体211的通电和断电并切换所述线圈模块2的工作模式。
具体的，如图2及图3所示，本实施例中，所述磁钢阵列模块1上具有两个所述线圈模块2，每个所述线圈模块2中具有6个发力体211(XZ1、XZ2、XZ3、YZ1、YZ2、YZ3)，每个所述发力体211包括3个沿X方向或Y方向平行排布的线圈(XZ1、XZ2、XZ3中的线圈沿X方向平行排布，YZ1、YZ2、YZ3中的线圈沿Y方向平行排布)，并且，相邻两个所述发力体211的线圈排布方向是不同的，即不管是沿X方向还是沿Y方向，线圈排布方向不同的发力体211始终是间隔分布的。
可以理解的是，每个所述发力体211中各线圈产生的Z向力虽然可以产生需要的悬浮力，使所述线圈模块2悬浮在所述磁钢阵列模块1上，但由于到所述发力体211的质心存在转臂，因此所述发力体211的合成转矩不为零，将不可避免产生一个绕X方向或Y方向的伴随转矩，称为间距转矩，产生X向力和Z向力的线圈将存在一个绕Y方向旋转的间距转矩，产生Y向和Z向力的线圈将存在一个绕X方向旋转的间距转矩，因此这些间距转矩是作为干扰存在的，必须加以消除。如图2所示，本实施例中，6个所述发力体211呈3行2列分布，设所述磁钢阵列模块1的磁极距为τ，令XZ2的中心与XZ1的中心在X方向上的的间距为ΔX1，XZ1的中心与XZ3的中心在X方向上的间距也为ΔX2，且ΔX1＝ΔX2＝(5+1/3)*τ，YZ1的中心与YZ3的中心在Y方向上的间距为ΔY1，YZ2的中心与YZ1的中心在Y方向上的间距为ΔY2，且ΔY1＝(4+1/3)*τ，ΔY2＝1/3*τ，则6个发力体211各自产生的间距转矩分别为：
Figure BDA0002031034100000051
其中，
Figure BDA0002031034100000052
TyXZ1、TyXZ2、TyXZ3、TxYZ1、TxYZ2、TxYZ3分别为XZ1、XZ2、XZ3、YZ1、YZ2、YZ3产生的间距转矩，FxXZ1、FxXZ2、FxXZ3分别为XZ1、XZ2、XZ3产生的X向力，FyYZ1、FyYZ2、FyYZ3分别为YZ1、YZ2、YZ3产生的Y向力，FzXZ1、FzXZ2、FzXZ3分别为XZ1、XZ2、XZ3产生的Z向力，FzYZ1、FzYZ2、FzYZ3分别为YZ1、YZ2、YZ3产生的Z向力。
当ΔX1、ΔX2、ΔY1和ΔY2均满足公式
Figure BDA0002031034100000061
其中，D为ΔX1、ΔX2、ΔY1或ΔY2，n为任意正整数，则公式(1)等效为：
Figure BDA0002031034100000062
其中，Tx和Ty分别为X方向上和Y方向上的间距转矩，此时所述磁浮电机处于出力均匀的状态，完成了对间距转矩的结构补偿。也就是说，本实施例中，将所述线圈模块2中线圈排布方向相同的两个所述发力体211中心在其线圈排布方向上的间距D设置为
Figure BDA0002031034100000063
以对磁浮电机的间距转矩进行补偿，使得磁浮电机处于出力均匀的状态。
根据以上方式可以得到，当所述线圈模块2中发力体211的数量K为3的倍数时，所述线圈模块2中线圈排布方向相同的两个所述发力体211中心在其线圈排布方向上的间距D设置为
Figure BDA0002031034100000064
当所述线圈模块2中发力体211的数量K不是3的倍数时(例如为大于等于6的偶数，K＝8、K＝10等)，所述线圈模块中线圈排布方向相同的两个所述发力体中心在其线圈排布方向上的间距D设置为
Figure BDA0002031034100000065
可以理解的是，所述线圈模块2中线圈排布方向相同的每两个所述发力体211中心在其线圈排布方向上的间距D可以相等或不相等，只要满足
Figure BDA0002031034100000066
或
Figure BDA0002031034100000067
即可。
进一步，如图3所示，本实施例中，所述磁钢阵列模块1上的所有所述线圈模块2在Y方向上的宽度尺寸的总和小于所述磁钢阵列模块1在Y方向上的宽度尺寸，一个所述线圈模块2在X方向上的宽度尺寸小于所述磁钢阵列模块1在X方向上的宽度尺寸，以使所述线圈模块2能够在X方向上和Y方向上移动调整位置，两个所述线圈模块2在X方向上的宽度尺寸的总和大于所述磁钢阵列模块1在X方向上的宽度尺寸，这样一来可以将所述磁钢阵列模块1在X方向上的尺寸做小一些，降低了所述磁钢阵列模块1的制造成本。由于所述磁钢阵列模块1在X方向上的尺寸有限，当两个所述线圈模块2移动时，不能很好的利用所述磁钢阵列模块1的空间，特别是难以实现两个所述线圈模块2位置的交换。当两个所述线圈模块2均位于所述磁钢阵列模块1内且仅在固定的范围内运动时(不涉及位置交换)，所述控制模块控制所述线圈模块2中各发力体均通电并切换所述线圈模块2的工作模式至全线圈工作模式(6个发力体同时工作)，当两个所述线圈模块2需要切换位置时，所述控制模块控制所述线圈模块2中的至少一行发力体断电并切换所述线圈模块2的工作模式至少线圈工作模式(4个发力体同时工作)。
基于此，本实施例还提供了一种磁浮电机的控制方法，包括：
步骤S1：控制模块实时识别线圈模块所处的工况；
步骤S2：所述控制模块根据所述线圈模块所处的工况控制其发力体的通电和断电并切换所述线圈模块的工作模式。
具体的，如图4-图8所示，本实施例以所述磁浮电机用于光刻机的工件台中以承载并移动待曝光的基底为例进行说明。
如图4所示，所述磁钢阵列模块1中具有两个工位，分别为曝光工位和测量工位，所述曝光工位和测量工位上方分别为曝光模块和测量模块，所述线圈模块用于承载基底，当所述线圈模块承载所述基底位于曝光工位或测量工位时，所述曝光模块和测量模块对所述基底执行曝光或测量。本实施例中，所述磁钢阵列模块1上分别具有两个线圈模块2，分别为第一线圈模块21a和第二线圈模块21b，初始状态下，两个所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b分别位于曝光工位和测量工位，此时，所述第一线圈模块21a承载的基底正在执行同轴对准、硅片曝光等工作流程，所述第二线圈模块21b承载的基底正在执行工件台调平、工件台对准、硅片面型测量、硅片对准等工作流程，以为曝光做准备，此时两个所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b均处于测量对准工况，两个所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b均需要高加速度以快速实现对准工作，所以此时，所述控制模块控制所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b均处于全线圈工作模式，即所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b的6个发力体均通电，以提供高加速度，进而提高测量和曝光的速度，提高了产率。
进一步，当所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b承载的基底完成测量和曝光后，所述第一线圈模块21a上的基底已经被曝光，需要移动至下片工位去下片，并移动至上片工位上片，上片完毕后再移动至所述测量工位上，所述第二线圈模块21b上的基底已经完成了测量，需要移动至曝光工位去执行曝光。也就是说，所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b需要交换位置。如图5所示，由于所述磁钢阵列模块1在X方向上的尺寸限制，所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b交换位置时，所述第一线圈模块21a的第一行发力体(XZ3和YZ1)和所述第二线圈模块21b的最后一行发力体(XZ3和YZ1)会悬出所述磁钢阵列模块1，所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b均处于位置切换工况，此时在发力体(XZ3和YZ1)悬出所述磁钢阵列模块1之前，所述控制模块控制所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b均处于少线圈工作模式，即所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b的4个发力体通电，虽然此时加速度会降低，但是对于曝光流程来说，在曝光工位和测量工位的对准工作需要几千次频繁的加速减速，所以在曝光工位和测量工位的对准工作才是影响产率的重要因素，在位置切换时降低加速度对产率的影响很小，整体看来，本发明提供的磁浮电机的控制方法仍然极大的提高了产率。
可以理解的是，本实施例中由于所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b均只有6个发力体，尺寸比较小，所以只有一行发力体悬出所述磁钢阵列模块1外，当所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b中有6个以上的发力体以至于所述线圈模块在X方向的尺寸较大时，可以将多行所述发力体悬出所述磁钢阵列模块1，在此不再一一举例说明。
进一步，如图6所示，在所述第一线圈模块21a在少线圈工作模式下移动至所述下片工位，以将曝光完毕的基底移走，此时，所述第二线圈模块21b可以直接在少线圈工作模式下移动至曝光工位上，等待所述第一线圈模块21a就位。接着如图7所示，所述第一线圈模块21a在少线圈工作模式下再移动至所述上片工位进行上片，然后移动至所述测量工位，此时所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b完成了位置交换，结束位置切换工况，开始测量对准工位，所述控制模块控制所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b切换进全线圈工作模式。如图8所示，当所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b上的基底完成测量和曝光后，所述第一线圈模块21a和所述第二线圈模块21b再次交换位置，在所述发力体(XZ3和YZ1)悬出所述磁钢阵列模块1之前，所述控制模块切换少线圈工作模式。通过在切换全线圈工作模式和少线圈工作模式能够在磁钢阵列模块1尺寸有限的情况下使至少6个呈矩阵分布的发力体同时使用，在需要时增加所述线圈模块运动的加速度，并且不需要将磁钢阵列模块的尺寸做的足够大，降低了制造成本。
可以理解的是，在所述少线圈工作模式下，对于同一个所述线圈模块，所述控制模块每次均控制相同数量和相同位置的发力体断电，也就是说，每个所述线圈模块在少线圈工作模式下断电和通电的发力体的数量和位置都是固定的，控制较为简单。
综上，在本发明实施例提供的磁浮电机及其控制方法中，磁钢阵列模块上具有至少两个线圈模块，每个所述线圈模块均包括至少6个呈矩阵分布的发力体，控制模块实时识别两个线圈模块所处的工况并根据所述线圈模块所处的工况控制其发力体的通电和断电并切换所述线圈模块的工作模式，能够在有限的面积下使至少6个呈矩阵分布的发力体同时使用，在需要时增加所述线圈模块运动的加速度，并且不需要将磁钢阵列模块的尺寸做的足够大。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁浮电机，其特征在于，包括：
磁钢阵列模块，用于产生磁场；
至少两个线圈模块，位于所述磁钢阵列模块上并能够在平行于所述磁钢阵列模块所在的平面内移动，每个所述线圈模块均包括至少6个呈矩阵分布的发力体；
控制模块，与每个所述线圈模块连接，用于控制所述线圈模块中各发力体的通电和断电并切换所述线圈模块的工作模式。
2.如权利要求1所述的磁浮电机，其特征在于，所述线圈模块中的发力体包括若干个沿同一方向平行排布的线圈，其中，相邻两个所述发力体的线圈排布方向垂直。
3.如权利要求1或2所述的磁浮电机的控制方法，其特征在于，所述线圈模块中每行发力体的总数量小于每列发力体的总数量。
4.如权利要求2所述的磁浮电机，其特征在于，所述线圈模块中具有K个发力体，K为大于或等于6的偶数；
当K是3的倍数时，所述线圈模块中线圈排布方向相同的两个所述发力体中心在其线圈排布方向上的间距D均满足如下公式：
Figure FDA0002031034090000011
当K不是3的倍数时，所述线圈模块中线圈排布方向相同的两个所述发力体中心在其线圈排布方向上的间距D均满足如下公式：
Figure FDA0002031034090000012
其中，n为任意正整数，τ为所述磁钢阵列模块的磁极距。
5.如权利要求1所述的磁浮电机，其特征在于，每个所述线圈模块均包括支撑座，所述发力体设置于所述支撑座内。
6.如权利要求1所述的磁浮电机，其特征在于，所述磁钢阵列模块上的所有所述线圈模块在行方向上的宽度尺寸的总和小于所述磁钢阵列模块在行方向上的宽度尺寸；一个所述线圈模块在列方向上的宽度尺寸小于所述磁钢阵列模块在列方向上的宽度尺寸，并且两个所述线圈模块在列方向上的宽度尺寸的总和大于所述磁钢阵列模块在列方向上的宽度尺寸。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的磁浮电机的控制方法，其特征在于，包括：
控制模块实时识别线圈模块所处的工况；
所述控制模块根据所述线圈模块所处的工况控制其发力体的通电和断电并切换所述线圈模块的工作模式。
8.如权利要求7所述的磁浮电机的控制方法，其特征在于，所述线圈模块的工作模式包括少线圈工作模式及全线圈工作模式，在所述少线圈工作模式下，所述控制模块控制所述线圈模块的至少一行发力体断电，剩余行的发力体通电，在所述全线圈工作模式下，所述控制模块控制所述线圈模块的所有发力体通电。
9.如权利要求8所述的磁浮电机的控制方法，其特征在于，当所述线圈模块在所述磁钢阵列模块内移动时，所述线圈模块处于测量对准工况，所述控制模块控制所述线圈模块处于全线圈工作模式，当所述线圈模块移动以切换位置时，所述线圈模块处于位置切换工况，所述控制模块控制悬于所述磁钢阵列模块外的发力体断电并控制所述线圈模块处于少线圈工作模式。
10.如权利要求8或9所述的磁浮电机的控制方法，其特征在于，在所述少线圈工作模式下，对于同一个所述线圈模块，所述控制模块每次均控制相同数量和相同位置的发力体断电。
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