六自由度微动台热特性分析与散热设计.pdf

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1、第3期组合机床与自动化加工技术NO．32011年3月ModularMachineTool&AutomaticManufacturingTechniqueMar．2011文章编号：1001—2265(2011)03—0001—03六自由度微动台热特性分析与散热设计木李广，张呜，朱煜，段广洪，MasayoshiTomizuka(1．清华大学精密仪器与机械学系摩擦学国家重点实验室，北京100084；2．加州大学伯克利分校加利福尼亚州，美国CA94720)摘要：温升是引起微动台精度和环境变化的重要因素，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。论文提出了一种新型纳米精度六自由

2、度微动台结构，给出了微动台的发热热源、定子线圈等效导热系数和自然对流及强制水冷条件下表面散热系数，建立了微动台三维温度场的数学模型。根据热传导理论，完成了微动台定子线圈稳态温度场的理论计算，并采用数值方法计算了微动台在自然对流和强制水冷条件下的三维温度场分布。根据计算和分析结果，完成了微动台冷却系统的设计。结果表明，采用强制水冷后，微动台动子温升不超过1℃，满足微动台工程设计要求。关键词：微动台；热分析；散热设计；光刻机中图分类号：TH128文献标识码：ASix-DOFMicrostageThermalAnalysisandCoolerDesignLIGuang，ZHANGMing，ZHUY

3、u‘，DUANGuanghong，MasayoshiTomizuka(1．TheStateKeyLaboratoryofTribology，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China；2．MechanicalEngineeringDepartment，UniversityofCaliforniaBerkeley，CA94720，USA)Abstract：Therisingtemperatureisasignificantfactortoinfluencethemicrostageprecisionandenvkon。ment．Thereisanimporta

4、ntwaytoimprovethemicrostageperformance，whichisderivedfromthermala。nalysistoachievethemicrostageoptimizationdesign．Thispaperpresentsanewtypeof6-degree-of-free。domnanometerprecisionmicrostagestructure．Themicrostageheatsourcewas百Ven，andtheeffectivethermalconductivityofthestatorcoil，thewaterandnaturalc

5、onditionsconvectionheatcoeficientofthesurfacewascalculated．Furthermore，themicrostagemathematicalmodelofthree·dimensionaltemperaturefieldwasestablished．Accordingtotheheattransfertheory，themicrostagestatorcoiltemperaturefieldtheorycalculationwascompleted．Calculated-bythenumericalmethod，themicrostaget

6、hree-dimensionaltemperaturedistributioninthenaturalconvectionandwatercoolingconditionswasobtained．Accordingtothecalculationandanalysis，anovelpowerfulcoolerisdesigned．Theresultsshowthatafterthewater。cooled．themicrostagemovertemperatureriseslessthan1℃．Theprecisionrequestwassatisfied．Keywords：microsta

7、ge；thermalanalysis；coolerdesign；lithography个高精度六自由度微动台，该微动台在水平方向的0引言自由度用于工件台精度动态补偿；竖直方向自由度高精度的微动台承担了实现纳米级定位和加工用于调平调焦。的任务¨。微动台一般是指行程在毫米尺寸、精度从热特性分析着手进行微动台优化设计是提高达到l～100纳米的运动平台。在光刻机中，包含一微动台性能的一条重要途径。温升会限制线圈电收稿