六自由度微动台热特性分析与散热设计

    0  引言

    高精度的微动台承担了实现纳米级定位和加工的任务［1］。微动台一般是指行程在毫米尺寸、精度达到1～100纳米的运动平台。在光刻机中，包含一个高精度六自由度微动台，该微动台在水平方向的自由度用于工台精度动态补偿;竖直方向自由度用于调平调焦。

    从热特性分析着手进行微动台优化设计是提高微动台性能的一条重要途径［2］。温升会限制线圈电流大小，从而降低电机推力;会导致环境变化从而影响激光干涉仪测量精度;还会引起热变形及电参数变化从而影响微动台性能的稳定等［3］。

    1  微动台结构模型

    微动台结构如图1所示，它由十字支架和四个两自由度致动器组成。每个两自由度致动器包括沿竖直方向极化的永磁体、水平力线圈和竖直力线圈。永磁体固定于十 字支架的末端，水平力线圈和竖直力线圈分别置于永磁体的侧面和下面，并与永磁体保持间隙。十字支架和四块永磁体组成微动台的动子。水平力线圈和竖直力线圈 分别由骨架固定，组成微动台的定子。微动台的定子固定在微动台的基座上。

    两自由度致动器工作原理如图2所示。永磁体沿竖直方向极化，产生穿过水平线圈和竖直线圈磁场。根据洛仑兹原理，将产生洛仑兹力，且磁感应强度、线圈电流和 洛仑兹力方向相互垂直。水平线圈产生图中电磁力F1和F2，二者合成为一个水平方向驱动力，驱动微动台在水平方向运动;竖直线圈产生图中电磁力F3和 F4，二者合成为一个竖直方向支承力，驱动微动台在竖直方向运动。通过改变四个致动器中线圈电流方向，可以实现微动台动子的转动。

    采用两个上述六自由度微动台，加上X－Y布置两自由度大行程直线电机，可以构成光刻机双硅片台定位系统［4］。

    2  微动台热特性分析

    微动台是一种机电能量转换机构，在能量转换过程中不可避免的要产生损耗，使微动台各部分温度升高［5］。在本文设计的微动台中，热源主要来自于绕组损耗， 其大小与电流平方和电阻成正比。根据微动台设计要求，单个绕组线圈通电电流大小为1安培;经实验测定，单个线圈电阻为11欧姆，因此，单个线圈绕组损 耗:P=I2R=11W。

    热特性计算有解析方法和数值方法。解析法物理概念和数学推理严密，可以清楚看出哪些是影响温场的主要因素和各因素之间的相互关系。数值法以数值计算代替数学推导，其所得到的结果是一序列离散化的温度值［6］。