基于气流粘性牵引机理的完全无接触输运与定位方法研究

Fabrication of silicon wafer in the new generation requires a non-contact mode during the conveying process in order to keep the surface clean and prevent any scratch. Transport and positioning on an air film using viscous traction generated by airflow is expected to completely avoid mechanical contact. In this research, to accurately, effectively and reliably control the motion of the workpiece, we start with the phenomenon of viscous traction, and conduct investigations on the basic flow characteristics, modeling and simulation of the system, and the control method. Theoretical model indicating airflow properties in the gap is established, and an efficient method is proposed to calculate the pressure distribution under the combined effect by multiple actuating cells. Influences on viscous traction from geometry parameters, supply pressure, flow matching, etc. are investigated. The theoretical model is corrected according to the experimental results, and an optimization design method for the air conveyor device is provided. A nonlinear system model, considering the effects of dynamic response of the valves, pipe time delay and kinetic characteristics of the workpiece, is established. On the basis of the model, distributed robust control method using multiple valves with coordinating mechanisms is studied. Main factors that influence system control performance are clarified, and unstable problems which might be caused by airflow disturbances are solved by improving air supply method. The present research enriches the implementation of contactless transport and positioning, and has vast importance to the development of the semiconductor related technologies.

新一代硅片制造要求其在生产传输过程中必须采用无摩擦非接触的方式以确保表面清洁无损伤。基于空气流动的粘性牵引效果构建的气浮输运与定位方式可望实现真正意义上的完全无接触。本项目从气流粘性牵引现象出发，以实现对物件运动状态进行准确、高效和可靠的控制为目标，开展基础流动特性解析、系统建模仿真及控制方法研究。建立悬浮间隙内气流特性的理论模型，针对多驱动单元复合作用的工况提出气膜压力分布的高效计算方法，分析结构参数、供气压力和流量匹配等对粘性驱动力的影响规律，根据实验结果对模型进行修正并建立气浮装置的优化设计方法。建立包含阀动特性、气管时延和工件动力学特性在内的系统非线性模型，在此基础上研究多阀协调分布式鲁棒控制策略，揭示影响控制系统性能的主要因素，通过改善供气方式解决气流扰动可能导致的系统稳定性问题。本项目对于丰富无接触输运与定位的实现方式，推进半导体制造业相关配套技术的发展具有重要意义。

新一代硅片制造要求其在生产传输过程中必须采用无摩擦非接触的方式以确保表面清洁无损伤。基于空气流动的粘性牵引效果构建的气浮输运与定位方式能够实现真正意义上的完全无接触，避免物件表面出现刮痕、裂纹、污染。本项目从气流粘性牵引现象出发，开展了基础流动特性解析、系统建模仿真及控制方法研究。.项目主要研究内容和重要结果如下：. 1）对气浮驱动单元间隙内空气流动特性建立了准确的理论模型。针对多驱动单元复合作用的工况提出了基于改进的雷诺方程的气膜压力分布高效计算方法。通过试验验证了压力分布测试结果表明，仿真模型能够准确预测实测结果。. 2）建立了气流粘性力的简化模型。提出了一种基于区域分块细化的气流粘性力快速求解方法，极大地提高了计算效率，能够对粘性驱动力进行快速计算，适应不同供给流量、不同高度，计算误差小于3%。. 3）提出了一种驱动力幅值与方向独立控制的方法。通过电磁阀切换驱动单元进气孔和出气孔压力以同时改变驱动力方向和大小的控制方法存在缺陷，换向阀需要频繁地切换导致极易产生气流扰动现象，造成轻薄物件在运动过程中产生振动。为解决此问题，将吸气流量作为一可调节变量，引入比例阀调整驱动力的方式能够极大地抑制气流扰动现象。. 4）设计了鲁棒控制器并验证其有效性。开发了一种简单的H∞回路成形鲁棒控制设计方法。当采用H∞回路成形设计程序时，设计人员可以通过基于相位/增益条件的权重对开环传递函数进行整形，极大地简化了控制器设计过程。. 5）提出了一种基于压力反馈的轻薄物件形变预测方法。采用实测值融合算法弱化了压力场模型和物件形变模型之间的耦合度。以直接测量压力场的关键/特征位置的压力值（多点）作为目标值，计算模型的结果作为反馈量，利用两者的差来修正边界条件，将物件形变按照二次/三次曲线进行拟合修正，同时观测气膜压力偏差从而实现对物件形变的预测。