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主動系統(tǒng)隔振

本章節(jié)將幫助工程師和科學(xué)家對主動隔振系統(tǒng)有一個大致的了解，它們是如何工作的，什么時候應(yīng)該應(yīng)用，以及它們有什么限制。由于半導(dǎo)體制造業(yè)在這一領(lǐng)域出現(xiàn)了許多應(yīng)用，因此得到了特別的關(guān)注。

5.5 應(yīng)用類型

廣義上，有兩種不同類型的應(yīng)用：振動臨界或穩(wěn)定時間臨界。它們是不一樣的，每個都有不同的解決方案。有些應(yīng)用程序可能兩者都是，但是由于它們的解決方案不是互斥的，因此獨立地考慮這兩種類型是公平的。然而，值得注意的是，由于解決方案是相互獨立的，因此它們的成本也是相互獨立的。因此，如果你所需要的是更快的穩(wěn)定時間，你應(yīng)該避免購買一個主動系統(tǒng)來減少振動，反之亦然。

5.5.1 振動臨界的應(yīng)用程序

振動臨界應(yīng)用實際上是少數(shù)。這意味著需要比被動系統(tǒng)更好的隔振的應(yīng)用程序數(shù)量相當(dāng)少。TMC的被動隔振系統(tǒng)在抑制頻率在幾赫茲以上的地面噪聲方面非常 有 xiao。只有兩種類型的應(yīng)用中，被動隔振器的隔振性能是一個問題。

首先，有可能地面噪聲的水平如此之高，以至于在大多數(shù)環(huán)境中起作用的儀器變得對地面噪聲敏感。這通常只發(fā)生在樓層非常薄弱的建筑中，或者在高層建筑中，建筑的晃動成為一個問題。這是一個不尋常的情況，因為大多數(shù)設(shè)備（如半導(dǎo)體檢測機(jī)）通常帶有一個供應(yīng)商非常不愿意忽視的“地面規(guī)格”。

第 er 類應(yīng)用是那些具有 極 gao 內(nèi)在靈敏度的應(yīng)用。主要的例子是原子力和掃描隧道顯微鏡（AFMs和STMs）。它們具有原子尺度的分辨率，對 最 xiao 的 有 xiao 載荷振動很敏感。

在這兩種情況下，除了0.7 Hz到3Hz的頻率范圍內(nèi)被動底座放大地面運動外，被動底座的減振性能通常是足夠的。這是一個方便的巧合，因為主動系統(tǒng)（如慣性反饋方案）善于消除這種共振放大。再次強(qiáng)調(diào)，重要的是要避免主動減振系統(tǒng)，除非您有一個應(yīng)用程序，您確定有一個隔振問題不能用被動隔振器解決。今 tian 大多數(shù)半導(dǎo)體設(shè)備都有一個不同的問題：穩(wěn)定時間。

5.5.2 穩(wěn)定時間的臨界應(yīng)用

在穩(wěn)定時間的臨界應(yīng)用中，被動氣動減振器的隔振性能是 完 quan 充分的，但隔振器的穩(wěn)定時間是不夠的。很容易確定你的系統(tǒng)是否是這樣一個系統(tǒng)。如果在你讓 有 xiao 載荷從擾動（舞臺運動）穩(wěn)定下來之后，它工作得很好，那么你只有一個穩(wěn)定時間的問題。（見5.8節(jié)）。然而，在繼續(xù)之前，重要的是理解“穩(wěn)定時間”的含義。

穩(wěn)定時間?！胺€(wěn)定時間”這個術(shù)語是業(yè)內(nèi)被濫用 最 duo 的術(shù)語之一，主要是因為它缺乏一個被廣泛接受的定義。物理學(xué)家可能會把“穩(wěn)定時間”定義為系統(tǒng)能量下降1/e的時間。這是一個不錯的、與模型無關(guān)的定義。不幸的是，這并不是任何人使用這個術(shù)語時的本意。常見的定義是“系統(tǒng)停止運動的時間”。這是所有定義中糟糕的，因為它是非物理的，模型和載荷依賴的，主觀的，在其他方面 完 quan 不充分。盡管如此，它可以在一些條件下使用。

理論上，受擾諧振子的運動按指數(shù)衰減，這是 無 xian 長的壽命。當(dāng)在隔振器的情況下，可以認(rèn)為系統(tǒng)“停止運動”的時間是系統(tǒng)的均方根運動達(dá)到一個定值所需要的時間，在這個定值下，系統(tǒng)的運動由地面振動的傳入控制。這既不是人們所說的穩(wěn)定時間的意思，也不是與模型無關(guān)的，因為“停止運動的時間”取決于初始擾動的大小和地面噪聲的水平。事實上，沒有定義“穩(wěn)定時間”作為一個單一的規(guī)范，在被動或其他情況下可以用來定義系統(tǒng)性能。

這是TMC所使用的定義：穩(wěn)定時間是載荷受已知輸入衰減到臨界加速水平以下所需要的時間。這是一個 精 que 的定義，需要三個數(shù)字：已知的輸入是擾動（階段運動）停止后載荷的初始加速度。臨界加速水平是 有 xiao 載荷所能承受并仍能成功執(zhí)行其功能的 最 da 加速水平。穩(wěn)定時間是擾動后 有 xiao 載荷的運動衰減到臨界加速水平以下所需要的時間。注意，我們使用的是臨界加速度水平，而不是 最da 位移。它不是載荷的位移破壞過程，而是加速度，因為加速度是什么引入了載荷的內(nèi)部應(yīng)力，扭曲結(jié)構(gòu)，階段定位，光學(xué)等。在這三個數(shù)字中，這是需要理解的，因為它從根本上表示了你的儀器的剛性。

對于這個網(wǎng)站上的產(chǎn)品規(guī)范，臨界加速和輸入水平是未知的。因此，我們將我們的穩(wěn)定時間規(guī)格報價為初始振蕩幅度減少90%所需的時間。

5.6 慣性反饋的問題

雖然慣性反饋系統(tǒng)可以用來縮短穩(wěn)定時間和提高隔振性能，但它們有幾個明顯的缺點。如前所述，水平慣性反饋系統(tǒng)的實現(xiàn)受到傾斜到水平耦合問題的強(qiáng)烈限制（章節(jié)5.4.2）。另一個問題是，這些系統(tǒng)（除了PZT-Based系統(tǒng)）的位置穩(wěn)定時間較差。

圖19顯示了 有 xiao 載荷對外部擾動的響應(yīng)。它是基于一個理想化的1-DOF系統(tǒng)的模型，只是為了定性地演示多自由度系統(tǒng)的性能。這兩條曲線代表同一個主動系統(tǒng)，除了 第 yi 條曲線表示位移與施加力的比值，第二條曲線表示加速度與施加力的比值，兩者都是頻率的函數(shù)。唯 yi 的區(qū)別是 第 yi個圖乘以頻率的兩次冪得到了第二個圖。這些曲線分別顯示了位置傳感器和加速度計在系統(tǒng)受到擾動時的測量結(jié)果。請注意，這些圖表上的星等標(biāo)度有任意的起源，僅供參考。

結(jié)果表明，位置響應(yīng)以低頻共振為主，加速度響應(yīng)以高頻峰值為主。注意，開環(huán)響應(yīng)的峰值是相同的。

結(jié)果表明，位置響應(yīng)以低頻共振為主，加速度響應(yīng)以高頻峰值為主。這是一個反直覺的結(jié)果，因為在開環(huán)（純被動）響應(yīng)的峰值在兩種情況下頻率相同。

好消息是雙重的。正如所承諾的那樣，該系統(tǒng)能很好地抑制系統(tǒng)中的開環(huán)諧振。事實上，它甚至在0.5-5 Hz的頻率范圍內(nèi)提供了大量的額外隔離。第二個好消息是，加速度曲線由20Hz左右阻尼良好的共振主導(dǎo)。假設(shè)加速度的振幅衰減為：

其中A0為初始振幅，τ= Q /（πv）。如果質(zhì)量因子Q約為2，則τ≈32 ms。不錯。對于任何對加速度敏感的載荷（大多數(shù)是），該伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定時間將提高一個數(shù)量級。

第 yi 組曲線說明了這個系統(tǒng)的問題。它們表明在0.1 Hz左右的位置響應(yīng)是由一個峰值主導(dǎo)的。假設(shè)Q與上面相同，這意味著衰減常數(shù)t大約是6.5秒！盡管伺服已經(jīng)設(shè)計了一個大相位裕度使Q降至2，低頻率的峰值意味著它需要很長時間來確定位置。雖然 有 xiao 載荷對加速度敏感，但有兩個值得注意的情況是，較長的位置穩(wěn)定時間是一個問題。

首先，在 有 xiao 載荷的橫搖或俯仰自由度中，一個很長的位置穩(wěn)定時間可以看起來像一個水平加速度。這是由于愛因斯坦的等效原理：當(dāng) 有 xiao 載荷傾斜時，重力作用于 有 xiao 載荷的方向會從純垂直變化到偏離垂直的某個小角度。原則上，這與有一個水平 有 xiao 載荷是相同的，被加速的量等于尖duan角（弧度）x g。換句話說，傾斜度的每一mrad轉(zhuǎn)化為一mg的水平加速度。許多儀器，如電子顯微鏡，對這一點是敏感的。

另一個重要的問題是對接 有 xiao 載荷。這是一種常見的過程，在這種過程中，載荷須周期性地相對于一個非常 精 que 的離艙物體定位 - 通常是20到200毫米。慣性反饋系統(tǒng)需要很長時間才能定位到這個水平。對此有兩種可能的解決方案。第 yi 種是在較低的增益設(shè)置下運行伺服，犧牲一些減振性能（這可能是不 必 bi 的），以獲得 更 hao 的位置穩(wěn)定時間。第二種方式是關(guān)閉伺服進(jìn)行對接。不幸的是，伺服系統(tǒng)不喜歡快速地打開和關(guān)閉 - 特別是當(dāng)它們的名義增益像這里所示的那樣高時。

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