IOP EMVT Elektromagnetische vermogenstechniekGaussmount: vibratie isolatie gebaseerd op elektromagnetisme en besturingstechniek (EMVT 06225)

Een tot de verbeelding sprekend voorbeeld van trillingsisolatie in dit EMVT-project is de isolatie van het metrologische frame in de waferscanners van bijvoorbeeld ASML. De alsmaar kleiner wordende details op de chips die door deze waferscanners worden geprodu-ceerd vereisen een hoge positienauwkeurigheid van de lens die de belichting uitvoert. Passieve oplossingen zijn voor dit soort systemen vaak niet toereikend, omdat een compromis gevonden moet worden tussen confl icterende eisen. Van de ene kant is goede isolatie van een slappe veer vereist voor de isolatie van vloertrillingen. Van de andere kant is een lage gevoeligheid voor krachten die op het platform werken nodig, wat weer een starre veer vereist. In de huidige generatie waferscanners wordt dit metrologisch frame meestal geïsoleerd met behulp van luchtveren die worden bij-gestaan door elektromagnetische actuatoren. Dit heeft onder meer een vrij hoge energieconsumptie en een gelimiteerde isolatie-bandbreedte als gevolg.

DoelHet projectdoel is het ontwerp van een elektromagnetische oplossing die als alternatief kan dienen voor de bestaande isolatie-methoden. De projectnaam ‘Gaussmount’ is gekozen om de voornamelijk elektromagnetische werking van het systeem te benadrukken. Met behulp van passieve krachten tussen sterke permanente magneten wordt het metrologische frame in de lucht gehouden en omdat deze kracht passief is, vermindert het benodigde vermogen. Door een uitgekiend ontwerp is de veerkarakteristiek zodanig ontworpen dat de isolator zich in het werkgebied als een zeer zwaar voorgespannen veer met een zeer lage veerstijfh eid gedraagt. Hierdoor krijgt het massaveersysteem, dat de isolator en

Uitvoerders:TU Eindhoven - faculteit Electrical EngineeringProf. dr. E.A. Lomonova en• Prof. dr. P.P.J. van den BoschDr. J.J.H. Paulides en • Dr. A.A.H. DamenIr. J.L.G. Janssen en • C. Ding MSc.

Partners:ASML Netherlands BV, Singulus Mastering BV, TNO, PDE Automotive BV, SKF R&D Company BV.

Onderzoeksperiode:2007-2011

Elektromagnetische vibratie isolatie met zeer hoge nauwkeurigheid

Mechanische en optische experimenten met een zeer hoge nauwkeurigheid stellen hoge eisen aan de hoogwaardige ophangsystemen die in laboratoria en de industrie worden gebruikt. Deze ophangsystemen zijn vaak gebaseerd op mechanische oplossingen, pneumatiek of hydrauliek. Dit EMVT-project levert een bijzondere oplossing op: een tafel die door middel van elektromagnetisme wordt geïso-leerd van vibraties.

het geïsoleerde platform samen vormen, een zeer lage resonantief-requentie, wat een voordelige eigenschap is bij vibratie-isolatie. De veerstijfheid en demping zijn actief variabel om zo een funda-menteel anders elektromagnetisch vibratie-isolatiesysteem te krijgen. Passief is de verticale krachtcomponent modulair aan te passen. Omdat het gehele ontwerp op elektromagnetisme is gebaseerd zal de isolatiebandbreedte hoog zijn.

AanpakDe kern van het fysisch ontwerp wordt gevormd door de contact-loze, passieve, op permanente magneten gebaseerde veer met zijn hoge voorspanning en lage veerstijfheid. Hier omheen zijn actieve actuatoren ontworpen die per veerpoot twee van de zes graden van vrijheid kunnen controleren en die de veer- en dempingkarakteris-tiek actief beïnvloeden. Met drie van deze veerpoten in een trilling-isolatiesysteem zijn dan alle zes vrijheidsgraden te contro-leren. Dit wordt gedaan met behulp van een geavanceerd regel-systeem dat op basis van de gemeten positie en acceleratie van het geïsoleerde platform de actuatoren aanstuurt. De positielus is hier vereist om de van nature onstabiele passieve veer te stabiliseren en de acceleratielus wordt gebruikt om vibraties op het platform te minimaliseren. Dit alles gebeurt met het oog op een laag energie-gebruik en hoge bandbreedte. Op deze manier wordt in de Gaussmount een nieuw compromis gevonden tussen goede isolatie van vloertrillingen en ongevoelig-heid voor krachten die op het geïsoleerde platform inwerken. Door de terugkoppeling biedt de Gaussmount robuuste stabilisatie, de gewenste veer- en dempingeigenschappen, evenals een zeer laag energiegebruik bij evenwichtsniveau.In dit project is ir. Jeroen Janssen verantwoordelijk voor het elektromagnetische en mechatronische systeemontwerp, en Chenyang Ding Msc. voor de ontwikkeling van het besturingssysteem.

Geen vibratiesDe vergelijking met een zwevend tapijt doemt op bij beschouwing van het Gaussmount-project. “Maar”, stelt prof.dr. Elena Lomonova, “dit gaat niet op voor deze ontwikkeling. Want waar bij het zwevend tapijt een massa continu wordt verplaatst, dat zorgt voor vibraties, is dat in dit project niet het geval. Bij de Gaussmount gaat het om totale isolatie van vibraties op een platform dat vrijwel niet beweegt.”Bij deze ontwikkeling gaat het om het zeer nauwkeurig positioneren van een zwaar platform en dan zijn de meeste vibraties uit de omgeving teveel. “Daarbij komt nog dat er op het platform ook direct krachten kunnen inwerken, bijvoorbeeld door hydraulische of elektrische verbindingen naar apparaten op het platform, terwijl het platform continu zeer nauwkeurig moet blijven gepositioneerd. Dit kan in feite alleen door middel van contactloos bewegen. De geringste beweging geeft een verkeerde positie of beeld, zoals dat geldt voor de lithografie en elektronenmicroscopie. Meestal wordt dit bereikt met een luchtvering in combinatie met elektrische actuatoren, maar dat voldoet niet meer in alle gevallen gezien de alsmaar hogere nauwkeurigheid die wordt vereist”, verduidelijkt Lomonova.

Bandbreedte“We zijn pioniers op dit gebied, niemand anders op de wereld is ermee bezig”, geeft Lomonova aan, “Het ontwerpen van de elektromagnetische topologie is zeer belangrijk en moet daarmee zeer nauwkeurig geschieden. Daarvoor waren geen geschikte tools beschikbaar, dus dat moest het team helemaal uitzoeken, met recht een worsteling. De elektromagnetische componenten zijn zeer snel, maar de schaal voor dergelijke componenten is lastig vast te stellen. Dat betekende dat we een model moesten maken dat dicht bij de ware grootte ligt.” Hiervoor werd een aluminium triltafel geconstru-eerd die rust op drie springveren en die in trilling wordt gebracht door middel van voicecoil-actuatoren. Hierop is een Gaussmount vibratie-isolatiepoot aangebracht die een granieten platform ondersteunt en isoleert. De zeer complexe besturingssoftware wordt nu door een andere groep binnen de TU/e ontwikkeld. “In principe is de Gaussmount voor alles geschikt waarbij een zeer hoge precisie is vereist. Begin 2011 wordt de Gaussmount werkend getoond”, aldus Lomonova.

Dit is een publicatie van:Agentschap NLNL InnovatieJuliana van Stolberglaan 3Postbus 93144 | 2509 AC Den HaagT 088 602 54 96E info@agentschapnl.nlwww.agentschapnl.nl

© Agentschap NL | maart 2011Publicatie-nr. 3IEMV1008

Agentschap NL is een agentschap van het ministerie van Economische Zaken, Landbouw en Innovatie. Agentschap NL voert beleid uit voor diverse ministeries als het gaat om duurzaamheid, innovatie en internationaal. Agentschap NL is hét aanspreekpunt voor bedrijven, kennisinstellingen en overheden. Voor informatie en advies, financiering, netwerken en wet- en regelgeving.

De divisie NL Innovatie helpt ondernemend Nederland bij innovaties. Met geld, kennis en contacten.