压电陶瓷微位移驱动器在IC封装设备中的应用研究0电动执行器

压电陶瓷微位移驱动器在IC封装设备中的应用研究

压电陶瓷微位移驱动器在IC封装设备中的应用研究 2011年12月09日 来源： 1引言 随着我国在应用电子技术方面的不断发展，各行各业对IC芯片的需求量越来越大。据统计，2000年我国集成电路需求量达到232亿块。目前IC芯片的生产技术已经非常成熟，但IC封装设备的生产效率相对较低，制约了IC芯片的批量生产。美国ETP公司在《世界IC封装（2001年版）》的调查统计报告中预测：全世界包括自制和转包加工在内的IC组装市场，2000年为208亿美元。但在2000年，我国集成电路封装业的销售收入为130亿元，与国际水平和国内市场需求相比，还存在很大差距。因此，提高我国目前IC封装设备的技术水平，从而提高IC封装效率和封装质量，成为我国当前芯片生产业需要迫切解决的一个问题。 鉴于以上情况，我们对目前的IC封装工作台进行了测试，发现工作台的直线导轨偏摆误差是造成工作台末端定位精度降低的主要原因，该偏摆在40角秒左右，在200mm工作梁的末端会造成±20μm的定位误差，为此设计了带有压电陶瓷微位移补偿系统的IC封装工作台，利用压电陶瓷微定位系统的高精度和高分辨率，对直线导轨的偏摆进行补偿，仿真和实验证明，采用这种技术能够提高末端点的控制精度，同时缩短系统的稳定时间。2导轨直线误差补偿系统的理论分析 我们设计的工作台采取了基于平面的两自由度的工作方式，使用滚珠丝杠作为传动机构，由于导轨的装配问题，导轨在运动过程中的变形和导轨的直线性等原因，工作台在运动过程中会在X、Y两个方向上发生偏摆。为了测量该偏摆，在工作台上的X、Y导轨的两个侧面安装了电涡流传感器，并在导轨上安装了一块平尺，平尺相对导轨固定，该平尺的平面度的设计精度为万分之四，从而保证测量基准的变化在允许的范围内。在运动过程中，电涡流传感器的测头测量到平尺的距离。因为在每个方向上都安装了两个传感器，由几何关系就可以计算出X、Y两个垂直方向上的偏摆角度，将测量出的两个方向的偏摆作代数相加，就可以得到总的偏摆，进而计算出伸出梁末端的偏移误差，为陶瓷补偿提供误差数据。 以X轴为例，如图1所示，定义工作台在零位时，两个电涡流传感器检测到的间距值为Ｘ１o，Ｘ２o。当工作台运动一定距离后，两个电涡流传感器检测到的距离值为Ｘ１Ｃ，Ｘ２Ｃ。从图中可以看出，导轨的扭摆并不在一条直线上，此时偏摆θ1由以下公式计算得到： 式中L为工作梁的长度。 因为θ１和θ2是角秒集的量，所以δＸ可能的范围在几十纳米左右，在实际补偿过程中可以忽略不计。 由于安装的原因，平尺与导轨之间存在着夹角α。我们的测量目标是导轨的偏摆，但实际上测量的是平尺的偏摆角度。由于平尺和导轨是相对固定的，所以平尺和导轨在运动过程中的偏摆角度相同，因此可以不考虑该夹角造成的测量误差。 由于导轨是不断运动的，电涡流传感器的测量点也是不断变化的，测量基准面的变化也会引起测量误差。该误差主要由平尺的平面度决定，假设平尺的平面度误差为Ｅp，那么在最恶劣的情况下，由平面度误差造成的末端测量误差E为： 3微位移原理及结构设计 压电陶瓷作为微位移器件，具有结构简单、体积小、分辨率小、没有发热问题等优点，是理想的微位移器件。柔性铰链是一种新出现的弹性导轨形式，具有体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高、加工简单等优点，尤其适合亚微米以至纳米级微定位机构。因此以压电陶瓷微定位驱动器，柔性铰链为弹性导轨是实现精度微定位的有效途径［1，2］。 陶瓷的开环控制有滞环特性，会给微动系统带来很大的定位误差，为了提高控制精度，微动系统采用了闭环控制方法，用陶瓷表面贴装的应变片作为微位移反馈传感器，进行闭环控制。在实际的控制系统中取得了比较理想的控制效果，陶瓷闭环控制曲线如图2所示。4系统电气结构设计及工作过程 系统主要由宏微两部分组成。宏动部分主要负责驱动两个电机，进行系统的宏定位。宏动系统采用光栅作为位置反馈元件，将光栅安装在工作台的两侧，这样就扩大了闭环控制的范围，消除了由于导轨、轴承、滚轴丝杠等传动系统带来的误差，提高了宏动系统的定位精度。微动部分如图3所示?主要包含驱动回路和传感器反馈回路，考虑到将要进行的

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