тел: (495) 600-40-84

Пьезоактуаторы для задач активной виброизоляции

Виброизоляция

Вибрация может быть результатом воздействия внешних возмущений на систему или возникнуть из-за несовершенства конструкции механизмов. В большинстве случаев система возвращается в состояние равновесия самостоятельно, однако на практике, длительность времени, за которое это происходит, не всегда является приемлемым. Стоит отметить, что первичная вибрация может стать источником вторичных вибраций на других частотах. Таким образом, система должна быть защищена от источника вибраций. Существуют пассивный и активный методы виброизоляции. Активная виброизоляция является более выигрышной, так как при данном методе, как правило, система возвращается в положение равновесия значительно быстрее, что на практике ведёт к повышению точности измерений, качества производства. Метод активного подавления вибрации широко используется в лабораторных установках, лазерной технике, машиностроении, для оптических измерений, в микроскопии, микрообработке и во многих других сферах. На сегодняшний день для многих технологий обычные методы виброизоляции оказываются неэффективными. Колебания, вызываемые ходьбой, работа вентиляторов и системы охлаждения могут ухудшить качество изделий в процессе микрообработки. Стоит отметить, что традиционные пневматические приводы являются неэффективными при помехах с частотами ниже 2 Гц. На рис.1а представлен типичный пример, как в процессе литографии без виброизоляции полосы толщиной 45 нм не имеют чёткой структуры. На рис.1б приведена фотография образца в случае применения активного метода виброизоляции, где использовалось устройство серии Stacis производства фирмы TMC (США)

Рис.1.JPG

Рис.1 Фотография тестового образца с толщиной полос в 45 нм без (а) и с (б) применением метода активной виброизоляции (источник: Sematech)

Рис.2.JPG

Рис.2 Устройство для активной виброизоляции с контроллером производства TMC (источник: TMC)

Данное устройство позволяет подавлять вибрации с частотами от субгерцового диапазона. На рис.3 приведены графики для сравнения времени установки системы в положение равновесия с использованием систем активной (слева) и пассивной (справа) виброизоляции.

Рис.3.JPG

Рис.3 Зависимость амплитуды колебаний столика для микроскопии от времени в случае использования систем активной (слева) и пассивной (справа) виброизоляции (источник: TMC)

Детектирование и компенсация вибраций

В системах активной виброизоляции предусмотрены датчики ускорения, которые позволяют зарегистрировать вибрации по шести степеням свободы. Встречное (компенсирующее) перемещение пьезоактуаторов контролируется в реальном времени цифровым процессором. Отличная жёсткость, высокая нагрузочная способность, возможность использования в условиях вакуума наряду с отсутствием необходимости в сжатом воздухе позволяет использовать пьезоприводы для интеграции как OEM компоненты в метрологическом оборудовании, системах для фотолитографии, технологии которой позволяют создавать структуры с характерными размерами в нанометровом диапазоне. В системах активной виброизоляции могут совмещаться пьезоприводы с пневмоприводами для улучшения производительности, в особенности, при низких частотах. Одним из главных преимуществ пьезоприводов является их компактность. На рис.4 показан электронный сканирующий микроскоп, в котором внедрена система активной пьезовиброизоляции.

Основной частью активного виброизолятора является пьезоактуатор. Он обладает всеми свойствами, необходимыми для данного приложения: малое время отклика (порядка нескольких микросекунд), разрешение в субнанометровом диапазоне. В то же время, ускорение пьезоактуаторов при перемещении может достигать величин порядка 10000 g. Существуют пьезоактуаторы, способные перемещать нагрузки порядка несколько тонн. Важным преимуществом пьезоактуаторов является то, что они не продуцируют и не зависят от магнитных полей. Незначительные изменения температуры окружающей среды очень мало влияют на пьезоэффект. Отсутствие механических частей, и, следовательно, трения, способствует высокой износостойкости пьезоактуаторов. Ещё одним немаловажным преимуществом является низкое потребление энергии. Стоит отметить, что в статическом режиме потребление электроэнергии отсутствует, даже при воздействии постоянных высоких нагрузок. Специалистами компании Physik Instrumente были проведены эксперименты, подтверждающие надёжность пьезоактуаторов. На рис. 5 приведён график, показывающий зависимость деформации пьезоактуатора от приложенного электрического поля сразу после поляризации и после нескольких миллиардов циклов. Из графика видно, что принципиальные изменения в зависимости с течением времени отсутствуют.

Рис.4.JPG

Рис.4 Система активной виброизоляции на основе пьезоприводов, интегрированная в сканирующий электронный микроскоп (источник: TMC)

Рис.5.JPG

Рис.5 Зависимость перемещения пьезоактуатора серии PICA производства Physik Instrumente от приложенного поля после поляризации и после нескольких миллиардов циклов.