六自由度PIMag® 6-D磁懸浮

無摩擦、納米級精度

空氣軸承解決方案和磁性線性電機目前代表了半導體工業檢測與制造系統的最高技術水平。 然而,随着對實現納米級精度或者對真空或氮保護氣氛中應用的要求越來越多,此類系統很快就達到了極限。


PIMag® 6-D的特點

PIMag® 6-D是一種電磁定位系統,其中無源平台懸浮在磁場之上,并由其主動導向。利用這種方式,物體可在平面上以之前未達到過的導向精度被沿直線或旋轉移動。 這種理念的主要優點是驅動裝置或導向裝置中無任何物理接觸,因而不會産生摩擦,從而沒有磨損污染工作區域。此外,由于無需空氣或油脂潤滑,基于磁場的系統非常适用于真空或氮氣保護氣氛中的應用。


工作原理:六個平面線圈和海爾貝克陣列

PIMag® 6-D定位系統是PI與微電子和機電系統研究所以及德國伊爾梅瑙工業大學機電系共同研發的。由于其設計簡單,與常用方法相比,這種系統具有一些獨特的特征: 平台懸浮在僅由定子中的六個平面線圈産生的磁場上,一個6-D傳感器被用來對此磁場進行主動控制。由于平台自身是無源的,無需任何供電線路,運動中不存在任何電纜阻礙平台在廣泛的表面區域内進行快速精确的移動,使得運動的自由度更高。 無源平台中磁鐵的海爾貝克排列可增大承載能力,使定子中有效線圈所需的支撐平台的能量最小化,并減小熱負荷。

海爾貝克陣列由永磁體分塊組成,磁化方向在陣列的縱軸方向上互相傾斜成90°,使一側的場力線互相靠近,增大磁通密度。另一側,場力線的密度比未受幹擾的磁鐵中要小。結果,磁場已在短距離上衰減,變得很弱。

為了确保工作區域内的熱穩定性,定子中的驅動器線圈被一個扁平的夾層式冷卻系統環繞,可實現有效散熱,從而使系統操作時線圈上端溫度的升高不超過1K。


集成到定子中的6-D測量系統

六自由度高分辨率測量系統集成在定子中,是定位控制的一個關鍵元件。
PIMag® 6-D的緊湊型傳感探頭由光學和電容傳感元件組成,在六個自由度上獲取平台位置。 增量光學2-D傳感器的分辨率為10nm,可檢測繞垂直軸的轉動,範圍為+/-0.25°。該平台的測量系統也無需供電線路。


納米精度:規格

目前,樣品的運動範圍為100 × 100 × 0,15mm³,可進行加速度高達2m/s2、速度高達100mm/s的軌迹運動,精度達納米級。 定位某一點時,目前可實現的标準偏差為平移軸上6nm、傾斜軸上<250nrad。當前高水平發展研究的PIMag® 6-D可以10nm的分辨率進行定位。例如,若系統在半徑為1µm的環形軌道上移動,與理想線路的最大偏差僅為幾納米。

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