本文關(guān)鍵詞：硅片檢測運動臺系統(tǒng)設(shè)計與動態(tài)特性研究

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【摘要】：作為硅片檢測系統(tǒng)的運動定位載體,精密運動臺是實現(xiàn)硅片檢測的關(guān)鍵設(shè)備。隨著硅片尺寸日趨擴大和特征尺寸的不斷縮小,對精密運動臺及其核心部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和動態(tài)特性提出了嚴峻的挑戰(zhàn),如何提高精密運動臺系統(tǒng)運動精度和檢測效率成為目前業(yè)界亟待突破的瓶頸之一。本文面向國家重大工程需求,依托國家相關(guān)重大科研項目,從硅片檢測運動臺總體方案與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計、運動臺系統(tǒng)及其核心部件動態(tài)特性分析與優(yōu)化、樣機動態(tài)性能測試與試驗驗證等方面展開深入研究,為高性能硅片檢測運動臺的研制提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。針對硅片只能背面吸附進行換片的特殊要求,設(shè)計了無凹槽真空承片臺相對于中間支架垂向升降并吸/放硅片的自主換片新結(jié)構(gòu)構(gòu)型。針對硅片表面螺旋線軌跡高效高精掃描需求,設(shè)計了氣浮支承的旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)和直線導(dǎo)軌支承的水平運動機構(gòu)。針對掃描階段的亞微米級精密定位和換片階段的大行程運動需求,設(shè)計了電磁驅(qū)動與氣缸平衡機構(gòu)并聯(lián)的垂向運動機構(gòu)。基于上述技術(shù),設(shè)計了一種氣浮支承與滾珠導(dǎo)軌并存、電磁驅(qū)動與氣缸平衡機構(gòu)并聯(lián)的新型多自由度精密運動臺。在核心部件氣浮轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計中,為抑制氣浮轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)中存在的動不平衡擾動,通過理論建模--仿真分析--實驗研究相結(jié)合的方法,研究了動不平衡對氣浮轉(zhuǎn)臺動態(tài)特性和氣膜厚度的影響規(guī)律,為氣浮轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。建立了空氣靜壓止推軸承和徑向回轉(zhuǎn)軸承的動力學模型,針對動網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)計算時存在網(wǎng)格扭曲的問題,開發(fā)了一種徑向軸承瞬時流態(tài)網(wǎng)格更新方法。研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)對氣浮軸承動剛度的影響規(guī)律,揭示了氣浮支承動剛度對氣膜擾動頻率、軸承回轉(zhuǎn)速度最為敏感的特點。搭建了徑推聯(lián)合的空氣靜壓軸承動剛度試驗平臺,試驗結(jié)果表明氣浮支承動剛度隨氣膜擾動頻率、軸承回轉(zhuǎn)速度的提高而顯著增大,且仿真與試驗結(jié)果趨勢一致,且誤差小于10%。因此,在氣浮轉(zhuǎn)臺設(shè)計時,設(shè)計氣浮轉(zhuǎn)臺在具有最佳氣膜剛度的同時,應(yīng)充分考慮氣膜的擠壓效應(yīng)對動剛度特性的影響。針對具有固、氣、磁相互作用的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的精密運動臺系統(tǒng),提出了一種子結(jié)構(gòu)等效與簡化的系統(tǒng)多體動力學建模方法。研究了動不平衡和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速對氣浮轉(zhuǎn)臺軸心軌跡的影響規(guī)律,并搭建實驗平臺對其關(guān)鍵動力學參數(shù)進行辨識。根據(jù)多體動力學理論,建立了硅片檢測運動臺的多自由度振動模型。通過仿真分析和實驗研究相結(jié)合的方法,分析了硅片檢測運動臺的固有振動特性。實驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果之間在工作頻域內(nèi)誤差小于10%,驗證了建模方法和動力學模型的正確性,為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運動控制設(shè)計提供了依據(jù)。研制了硅片檢測運動臺原理樣機,開展了原理樣機的機電聯(lián)合仿真分析和動態(tài)特性測試。實驗結(jié)果表明,施加復(fù)合控制方法后,水平運動機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)和垂向運動機構(gòu)的定位精度分別達到±2μm、2arcsec和±0.4μm：通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后的氣浮轉(zhuǎn)臺,最高轉(zhuǎn)速從原始設(shè)計值300rpm提高到了900rpm。測試結(jié)果表明硅片檢測運動臺達到了預(yù)期的技術(shù)要求,且檢測效率提高了2倍。本文的成果為精密氣浮轉(zhuǎn)臺和精密運動臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計和動力學分析提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持,對精密氣浮轉(zhuǎn)臺和多自由度精密運動臺的研發(fā)具有一定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN307

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本文編號：1272979