晶圆传输机器人末端运动及晶圆接触状态检测系统研究

摘要

集成电路(IC)产业是推动经济发展的核心力量,晶圆传输机器人是IC产业的关键制造设备,其快速性与稳定性直接决定了IC产业的生产效率。由于串联型非直驱机器人存在的共性特点,使得关节电机位置反馈不能真实反应末端运动情况,同时末端执行器与晶圆会由于加减速运动而产生粘滑现象,都会影响晶圆传输的稳定性、可靠性以及传输效率。针对上述问题,需要利用传感系统来检测。
　　本课题在国家973子课题“复杂环境下大尺寸超薄晶圆的高效稳定传输原理与实现”(编号2009CB724206)的支持下,开展了晶圆传输机器人末端运动及晶圆接触状态检测系统的研究,提出了末端位置、速度及晶圆粘滑检测的解决方案,详细分析了各部分的检测原理,设计并制作了各检测模块,并对各模块进行了原理实验验证。
　　首先,本文建立了晶圆传输机器人模型,并对典型工位下的传输进行了轨迹规划与运动学仿真;提出了检测系统的整体方案,初步分析了各检测模块的基本原理,包括基于粘滑传感器的晶圆接触状态感知,基于二维PSD的末端位置检测和多传感器融合并结合运动学卡尔曼滤波算法的末端速度估计。
　　其次,提出了利用磁铁线圈传感器的粘滑检测方案,设计并制作了粘滑传感器样机,然后对样机进行标定与测试实验,验证了粘滑检测的可行性。
　　分析了二维PSD的传感原理,设计并制作了二维PSD相机位置传感器样机,对样机进行了单点阶跃响应与重复精度测试实验,然后利用精密步进电机平台标定了二维PSD相机,并分析了误差与误差修正方法。
　　设计了以惯性传感器测量作为系统输入、PSD相机作为外部观测的多传感器融合方法,并根据末端执行器的运动学方程,推导了运动学卡尔曼滤波算法,理论上实现了对晶圆传输机器人末端的速度估计。
　　最后,本文搭建了实验系统,对晶圆实际传输过程中的粘滑现象、圆弧插补轨迹的位置及速度信息进行了检测,并评估了晶圆传输机器人末端运动性能。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1课题研究目的和意义

1.2国内外研究现状

1.3课题研究内容

第2章 末端状态检测系统总体设计

2.1引言

2.2晶圆传输机器人运动学建模

2.3检测系统原理及方案设计

2.4末端执行器结构优化设计

2.5粘滑传感器标定和滑移判定实验

2.6本章小结

第3章 基于PSD的末端位置检测

3.1引言

3.2二维PSD位置检测系统原理分析

3.3二维PSD位置检测系统设计

3.4 PSD相机单点测试实验

3.5 PSD相机标定实验

3.6本章小结

第4章 基于KKF的末端速度估计

4.1引言

4.2多传感器融合原理分析

4.3末端运动学方程

4.4运动学卡尔曼滤波算法推导

4.5晶圆传输机器人KKF方程简化

4.6惯性传感器选型

4.7本章小结

第5章 综合实验研究

5.1引言

5.2典型轨迹规划及运动学仿真

5.3晶圆接触状态检测实验

5.4末端位置检测实验

5.5末端速度估计实验

5.6本章小结

结论

参考文献

声明

致谢