[发明专利]一种集成旋转变压器的轴系静态真空隔离方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种真空机器人领域的方法，具体涉及一种集成旋转变压器的轴系静态真空隔离方法。

背景技术

随着大规模集成电路产业的迅速发展，其主流技术正由65nm向32nm过渡，而实践证明，0.35μm及其以下尺寸的许多前端工艺，如离子注入、刻蚀、镀膜、沉积、溅射等都必须在超高洁净度的真空环境下进行。为了提高洁净度和生产效率，降低成本，集束型设备已成为半导体前端设备的发展主流。真空机器人是集束型设备中晶圆在各反应工艺腔室之间传输的核心部件，由于真空机器人需要在真空环境下运作，而大气环境与真空环境之间的密封隔离与动力传递正是制约真空机器人性能提高的技术瓶颈。由于电机轴系及其位移测量装置是真空机器人的核心部件，因此处理好电机与位置检测部件的真空隔离问题成为设计真空机器人轴系的关键技术。

大气机器人与真空机器人最核心的区别是它们的动力传递方式不同。大气机器人可以把电机直接安装在关节位置来驱动手臂；而真空机器人的手臂必须在高真空高洁净环境下工作，如果仍将电机直接连接手臂，电机定子电枢表面的塑料绝缘材料在真空环境下释放的微粒与气体将破坏高洁净度高真空环境，此外直接驱动电机的铜损(热功)较大，在真空环境中很难散热，所以必须把电机定子置于大气环境中。因此如何将电机提供的动力从大气环境传递给真空环境中的机械手臂成为了真空机器人研发的技术瓶颈。

常用的真空机械手轴系的隔离方法有：一种属于机械动态密封的磁流体密封，采用磁流体动态密封的方式设计真空机械手，优点是真空腔室没有轴承，可以减少对真空环境的污染，同时电机、传感器、轴承可以采用标准的，从而降低了硬件成本。但是这种密封方式很难达到高的真空度，磁流体在真空环境下易于蒸发，受环境温度的影响比较大，可靠性受到限制。相对于动态密封的隔离方法，静态密封技术可以获得更高的真空度和可靠性，可以在比较恶劣的环境下工作，一般通过磁性联轴器可以实现静态密封，但是也存在以下缺点：轴承在真空环境下，需要采用特殊润滑方式以减少颗粒产生对真空环境的污染；永磁体及粘结胶在真空环境下，会带来一定的气体泄露；电机定子与转子、磁性联轴器主动转子与随动转子之间都存在间隙，给系统的控制增加了复杂性，同时降低了系统的刚性。

在轴系系统中往往还需要实时地检测出电机转子的位置，包括转子的绝对位置和增量式位置，同时还需要计算出电机的转速，以实现对电机的转速、转矩及其位置的高精度控制，以获取良好的性能。用来检测电机转子位置检测传感器主要有光电编码器和旋转变压器。其中光电编码器因其数据处理电路简单，容易实现高分辨率，检测精度高，输出信号平滑，是今天使用最普遍的位置检测传感器，但是需要对电机的动态模型进行精确建模，对电机的参数有较大依赖性，更重要的是它的，内部集成了处理电路，有很多电子元器件，在真空环境下抗干扰性差，易造成性能不稳定；相比较而言，由于旋转变压器是一种电磁式传感器，本质上是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，其内部没有任何电子元件，仅仅由定子和转子组成，结构简单。因此随着对电机自动化控制的要求日益增加，用于转动轴系的电机附带旋转变压器成为常见的配置。

但是由于对用于真空机器人轴系上的电机在重量和空间上较大，现在的结构在布置旋转变压器时，电机轴承与旋转变压器的转子在空间上会有干涉从而导致布置困难，同时由于空间限制，旋转变压器与其它零部件的距离狭小，给设计、制造、维修都会带来较大困难，同时无法解决电机与位移测量装置之间的真空隔离问题，因此在真空轴系中很少采用旋转变压器作为轴系的位移测量装置。

发明内容

本发明的主要目的是为了克服上述已有技术的不足之处，提出一种集成旋转变压器的轴系静态真空隔离方法。

本发明针对的轴系主要由驱动组件、传动组件、密封部件、位置检测部件等部件组成。该轴系采用一种具有磁力直接驱动技术的永磁同步电机作为轴系的驱动与传动组件将运动源从大气环境传递到真空容器中；由于永磁同步电机采用转子磁场定向矢量控制策略，需要选用一种位置检测部件检测电机转子的绝对位置及转速以及电机内磁转子的位置，本发明方法将一种旋转变压器作为电机的位置检测部件，并将它同电机一起集成在真空密封环境下，保证其整个轴系在工作中外界大气环境无法向真空容器内漏气，并能够将电机的位置、速度信号从真空环境传递到大气环境中；密封部件则用来将真空环境下的传动组件、位置检测部件和大气环境下的部件进行隔离，从而保证真空机器人的整个轴系以静态传动的形式运行于真空环境中。

根据轴系的设计，提供一种集成旋转变压器的轴系静态真空隔离方法，技术方案如下：