六自由度PIMag® 6-D磁悬浮

无摩擦、纳米级精度

空气轴承解决方案和磁性线性电机目前代表了半导体工业检测与制造系统的最高技术水平。 然而,随着对实现纳米级精度或者对真空或氮保护气氛中应用的要求越来越多,此类系统很快就达到了极限。


PIMag® 6-D的特点

PIMag® 6-D是一种电磁定位系统,其中无源平台悬浮在磁场之上,并由其主动导向。利用这种方式,物体可在平面上以之前未达到过的导向精度被沿直线或旋转移动。 这种理念的主要优点是驱动装置或导向装置中无任何物理接触,因而不会产生摩擦,从而没有磨损污染工作区域。此外,由于无需空气或油脂润滑,基于磁场的系统非常适用于真空或氮气保护气氛中的应用。


工作原理:六个平面线圈和海尔贝克阵列

PIMag® 6-D定位系统是PI与微电子和机电系统研究所以及德国伊尔梅瑙工业大学机电系共同研发的。由于其设计简单,与常用方法相比,这种系统具有一些独特的特征: 平台悬浮在仅由定子中的六个平面线圈产生的磁场上,一个6-D传感器被用来对此磁场进行主动控制。由于平台自身是无源的,无需任何供电线路,运动中不存在任何电缆阻碍平台在广泛的表面区域内进行快速精确的移动,使得运动的自由度更高。 无源平台中磁铁的海尔贝克排列可增大承载能力,使定子中有效线圈所需的支撑平台的能量最小化,并减小热负荷。

海尔贝克阵列由永磁体分块组成,磁化方向在阵列的纵轴方向上互相倾斜成90°,使一侧的场力线互相靠近,增大磁通密度。另一侧,场力线的密度比未受干扰的磁铁中要小。结果,磁场已在短距离上衰减,变得很弱。

为了确保工作区域内的热稳定性,定子中的驱动器线圈被一个扁平的夹层式冷却系统环绕,可实现有效散热,从而使系统操作时线圈上端温度的升高不超过1K。


集成到定子中的6-D测量系统

六自由度高分辨率测量系统集成在定子中,是定位控制的一个关键元件。
PIMag® 6-D的紧凑型传感探头由光学和电容传感元件组成,在六个自由度上获取平台位置。 增量光学2-D传感器的分辨率为10nm,可检测绕垂直轴的转动,范围为+/-0.25°。该平台的测量系统也无需供电线路。


纳米精度:规格

目前,样品的运动范围为100 × 100 × 0,15mm³,可进行加速度高达2m/s2、速度高达100mm/s的轨迹运动,精度达纳米级。 定位某一点时,目前可实现的标准偏差为平移轴上6nm、倾斜轴上<250nrad。当前高水平发展研究的PIMag® 6-D可以10nm的分辨率进行定位。例如,若系统在半径为1µm的环形轨道上移动,与理想线路的最大偏差仅为几纳米。

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