PIMag® Levitazione Magnetica 6-D a Sei Livelli di Libertà

Precisione Nanometrica in Assenza di Frizione

Le soluzioni Air-bearing e i motori lineari magnetici attualmente rappresentano lo stato dell'arte nei sistemi di produzione e ispezione nell'industria dei semiconduttori.

Tuttavia, con i crescenti requisiti per raggiungere la precisione dei nanometri o per applicazioni in atmosfera di vuoto o azoto, tali sistemi raggiungono presto i loro limiti.


Caratteristiche del 6-D PIMag®

Il PIMag®6-D è un sistema di posizionamento elettromagnetico, nel quale la piattaforma passiva levita su un campo magnetico che lo guida in maniera attiva. In questo modo, gli oggetti possono essere mossi linearmente o rotazionalmente su un piano con una precisione di guida mai raggiunta prima.

Il vantaggio principale di questo concetto è l'assenza di qualsiasi contatto meccanico nella trasmissione o nelle guide, di conseguenza, non c'è attrito. Non essendoci attrito, non c'è usura che possa contaminare lo spazio di lavoro. Inoltre, non c'è necessità di aria o grasso per la lubrificazione, rendendo così i sistemi basati su campo magnetico ideali per applicazioni in vuoto o in azoto.


Principio di Funzionamento: Sei Bobine Planari e Array di Halbach

Il sistema di posizionamento 6-D PIMag® è stato sviluppato in cooperazione con l'Istituto per la Microelettronica ed i Sistemi Meccatronici del Dipartimento di Meccatronica dell'Università Ilmenau. Grazie al suo design semplice, offre diverse caratteristiche uniche rispetto agli approcci conosciuti:

La piattaforma levita su un campo magnetico generato da sole sei bobine planari nello statore, mentre il campo magnetico è controllato attivamente da un sensore 6-D. La piattaforma stessa è passiva, quindi non necessita di linee di alimentazione elettrica. Questo offre maggiore libertà di movimento in quanto non ci sono cavi in movimento che impediscano alla piattaforma di muoversi velocemente e con precisione su un'ampia superficie.

La sistemazione ad Halbach dei magneti nella piattaforma passiva rende possibile incrementare la capacità di carico, di minimizzare l'energia richiesta dalle bobine attive nello statore per muovere la piattaforma, e ridurre il carico termico.

Le matrici di Halbach consistono in segmenti magnetici permanenti con le direzioni di magnetizzazione inclinate l'una contro l'altra di 90° in direzione dell'asse longitudinale della matrice. In questo modo le linee di campo si avvicinano da un lato, aumentando così la densità del flusso magnetico. Dall'altro lato, le linee di campo sono meno dense che nel magnete interrotto. Di conseguenza, il campo magnetico è già attenuato a distanza ridotta ed è quindi molto debole.

Al fine di assicurare una stabilità termica nello spazio di lavoro, i dispositivi a bobina nello statore sono circondate da un sistema di raffreddamento piatto a sandwich, che permette una efficiente dissipazione del calore. Durante il funzionamento del sistema, l'aumento di temperatura nella parte superiore della bobina è quindi inferiore a 1 K.


Sistema di Misurazione 6-D Integrato nello Statore

Il sistema di misurazione ad alta risoluzione a sei gradi di libertà, integrato nello statore, è l'elemento chiave del controllo di posizionamento.
La testa del sensore compatta del PIMag® 6-D consiste di elementi ottici e sensori capacitivi e cattura la posizione della piattaforma in tutti e sei i gradi di libertà.

Il sensore ottico incrementale 2-D ha una risoluzione di 10 nm ed è in grado di rilevare rotazioni dell'asse verticale fino a +/- 0.25°. Inoltre la piattaforma non richiede una linea di alimentazione elettrica per il sistema di misurazione.


Precisione Nanometrica: Specifiche

Attualmente il prototipo ha un range di movimento di 100 × 100 × 0,15 mm³ . La traiettoria di movimento può essere eseguita con una accelerazione fino a 2 m/s2 a attualmente ad una velocità fino a 100 mm/s con precisione nanometrica.

Posizionandosi in un punto, attualmente viene raggiunta una deviazione standard < 6 nm nell'asso di traslazione e <250 nrad nell'asse di tilt. L'attuale e avanzato studio di sviluppo del PIMag® Posizioni 6-D con risoluzione di 10 nm. Per esempio, se il sistema si muove su una traiettoria circolare di diametro di 100 nm, la deviazione massima dall linea ideale è di soli pochi nanometri.

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