負(fù)剛度與主動(dòng)隔振在臨界納米精度應(yīng)用中的對比

正文

在研究和制造的許多領(lǐng)域中，對納米精度的需求變得越來越重要冯丙，這些領(lǐng)域包括了微電子制造肉瓦，激光/光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用和生物學(xué)研究。

這也意味著需要振動(dòng)隔離技術(shù)胃惜，以便更好地操作敏感儀器泞莉，例如原子力顯微鏡，掃描隧道顯微鏡船殉，激光干涉儀和光學(xué)陀螺儀鲫趁。

氣動(dòng)（氣體或空氣加壓）隔振臺(tái)曾經(jīng)是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界最關(guān)鍵的微型機(jī)械設(shè)備的支柱，但如今在隔離破壞性低頻振動(dòng)方面卻表現(xiàn)不理

想捺弦。在建筑物中將敏感的儀器放置在承受極高振動(dòng)水平的位置上的趨勢正在增長饮寞，這是氣動(dòng)隔振臺(tái)的重要障礙，意味著需要新的隔振解

決方案來替代列吼。

振動(dòng)源

納米級(jí)儀器對由多種因素引起的極小的有效載荷振動(dòng)都表現(xiàn)敏感幽崩。每個(gè)結(jié)構(gòu)（建筑）都會(huì)從內(nèi)部和外部源傳遞振動(dòng)。在建筑物中寞钥、供暖

和通風(fēng)系統(tǒng)慌申、風(fēng)扇、泵和電梯產(chǎn)生的振動(dòng)只是一部分理郑，在建筑物外部蹄溉，附近的道路交通、建筑物您炉、飛機(jī)柒爵、甚至還有其它產(chǎn)生振動(dòng)的機(jī)械

裝置。儀器受振動(dòng)的影響程度取決于儀器在建筑物中的位置以及與振動(dòng)源的距離赚爵。

負(fù)剛度隔離器原理圖

隔振關(guān)鍵應(yīng)用

在過去的25年中棉胀，兩種隔振技術(shù)因其在納米級(jí)儀器隔振能力而受到關(guān)注，即主動(dòng)振動(dòng)隔離（也稱電動(dòng)除振）和負(fù)剛度振動(dòng)隔離（也稱

為作為被動(dòng)隔振）冀膝。

主動(dòng)和負(fù)剛度隔振都是為需要生產(chǎn)或測量小于微米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用而獨(dú)特配置的唁奢，這些技術(shù)提供的功能通常是氣動(dòng)隔振臺(tái)無法實(shí)現(xiàn)的。

主動(dòng)隔振

主動(dòng)隔振系統(tǒng)已經(jīng)使用了半個(gè)多世紀(jì)窝剖，由于更復(fù)雜的電子設(shè)備和控制器的出現(xiàn)麻掸，在1990年代中期開始才廣泛用于精密應(yīng)用。

這些系統(tǒng)使用電子設(shè)備感應(yīng)運(yùn)動(dòng)赐纱，然后施加校正力以抵消振動(dòng)脊奋。它們采用傳感器，變頻器和執(zhí)行器的組合疙描，這些都是由算法控制以減弱

振動(dòng)狂魔。傳感器檢測沿X，Y和Z軸的振動(dòng)淫痰，并將此信息發(fā)送到控制器最楷，然后控制器將信號(hào)發(fā)送到執(zhí)行器以減少振動(dòng)。

主動(dòng)隔振系統(tǒng)使用反饋控制待错，但也可以使用前饋控制來衰減振動(dòng)籽孙。反饋主動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)連續(xù)監(jiān)視所控制的平臺(tái)，并根據(jù)獲取到的振動(dòng)數(shù)

據(jù)修改其輸出火俄。具體來說犯建，它可以測量引起振動(dòng)的力，并將校正信號(hào)發(fā)送到驅(qū)動(dòng)器以減小振動(dòng)瓜客。

前饋主動(dòng)控制系統(tǒng)以預(yù)定義的方式來控制輸入振動(dòng)适瓦。如果可以很好地了解受控力（振動(dòng)）的行為竿开，例如在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，閥門等產(chǎn)生脈沖的

情況下玻熙，則可以部署這種類型的控制系統(tǒng)否彩。前饋主動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)具有了關(guān)振動(dòng)的信息，并可以用所需的力來抵消振動(dòng)嗦随。

反饋主動(dòng)控制系統(tǒng)必須平衡響應(yīng)于傳入振動(dòng)慣性的反饋的復(fù)雜性列荔，以實(shí)現(xiàn)較高的精度。如果將初始反饋水平地應(yīng)用于傳入的低頻振動(dòng)枚尼，

這將具有挑戰(zhàn)性贴浙。反饋和前饋有源控制系統(tǒng)均使用六自由度（DOF）方向，由三個(gè)線性軸和三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸組成署恍。使用水平驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器

（X崎溃，Y和yaw）控制水平自由度，對水平耦合造成了傾斜問題通過加速有效載荷盯质，可能會(huì)產(chǎn)生不良結(jié)果笨奠，從性能下降到實(shí)際增加振

動(dòng)。

使用水平驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器(X唤殴、Y和偏航})控制的水平DOF般婆，當(dāng)有效載荷被水平驅(qū)動(dòng)器橫向推進(jìn)并傾斜時(shí)，會(huì)產(chǎn)生水平耦合傾斜的問題朵逝，慣性

傳感器讀取傾斜并試圖通過加速有效載荷來糾正傾斜蔚袍。這可能會(huì)產(chǎn)生不想要的結(jié)果，可能導(dǎo)致性能下降和增加振動(dòng)配名。

負(fù)剛度隔振器水平運(yùn)動(dòng)圖

負(fù)剛度隔振

負(fù)剛度隔振器于1990年代中期問世啤咽，在臨界震動(dòng)應(yīng)用中應(yīng)用廣泛，這主要是因?yàn)樗鼈兡軌蛴行У馗綦x垂直和水平方向的低頻振動(dòng)渠脉。

這些隔離器的工作方式與主動(dòng)隔振系統(tǒng)完全不同宇整，即以被動(dòng)機(jī)械方式運(yùn)行，不需要使用空氣或電力芋膘，因此不需要使用電路鳞青，電機(jī)或泵。

垂直運(yùn)動(dòng)的負(fù)剛度隔振是通過支撐負(fù)重的剛性彈簧與負(fù)剛度結(jié)構(gòu)組合提供的为朋。在不影響彈簧的靜態(tài)載荷支撐能力的情況下臂拓，使它的凈垂

直剛度非常低。與垂直運(yùn)動(dòng)隔離器串聯(lián)的梁柱可提供水平運(yùn)動(dòng)隔離习寸。梁柱的作用類似于結(jié)合負(fù)剛度結(jié)構(gòu)的剛性彈簧胶惰。

負(fù)剛度隔振器具有很高的性能，這是通過振動(dòng)傳遞曲線測得的霞溪。振動(dòng)傳遞率量度的是相對于輸入振動(dòng)通過隔離器傳遞的振動(dòng)孵滞。

負(fù)剛度隔振器通常在0.5 Hz處諧振中捆。大多數(shù)建筑在該頻率區(qū)域幾乎沒有振動(dòng)。在0.5 Hz處發(fā)現(xiàn)明顯的振動(dòng)將是非常不尋常的坊饶。頻率高于

0.7 Hz的振動(dòng)會(huì)隨著頻率的增加而迅速衰減泄伪。負(fù)剛度隔振器在2 Hz時(shí)達(dá)到大約93％的隔離效率，在5 Hz時(shí)達(dá)到99％的隔離效率幼东，在10

 Hz時(shí)達(dá)到99.7％的隔離效率臂容。

負(fù)剛度隔振器的水平固有頻率為0.5至1.5 Hz（取決于型號(hào)）科雳，而垂直固有頻率為0.5 Hz根蟹。當(dāng)不需要較低的諧振頻率時(shí)，它們可以靈活

地定制較高的諧振頻率糟秘。

*請注意简逮，對于固有頻率為0.5 Hz的隔離系統(tǒng)，隔離始于0.7 Hz尿赚，隔振效果隨著振動(dòng)頻率的增加而提高散庶。固有頻率更常用于描述系統(tǒng)性能。

負(fù)剛度隔振器垂直運(yùn)動(dòng)圖

Minusk負(fù)剛度被動(dòng)隔振

系統(tǒng)的比較

主動(dòng)隔振系統(tǒng)和負(fù)剛度隔振器都具有各自的操作特性和功能凌净，這可能會(huì)使其中一種更適合于某種應(yīng)用悲龟。以下是要考慮的一些其他比較。

動(dòng)態(tài)范圍

主動(dòng)隔振系統(tǒng)的電機(jī)范圍有限冰寻，它會(huì)漏掉太大或太小的振動(dòng)輸入须教，太大的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入正反饋狀態(tài)，而太小的振動(dòng)甚至可能無法

檢測到斩芭。

負(fù)剛度隔振器具有很大的動(dòng)態(tài)范圍轻腺，也就是說，它在整個(gè)頻譜的大部分范圍內(nèi)都具有較高的隔離度划乖。根據(jù)模型贬养，它可以處理從零到大約

+/- 0.1 英寸，或更大的振幅的振動(dòng)琴庵。

負(fù)剛度隔振器可以放在任何典型的實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上误算，而不會(huì)影響其隔振能力。

組件噪聲

有源隔振系統(tǒng)受反饋回路中每個(gè)組件的噪聲影響迷殿。這包括傳感器尉桩，變頻器，執(zhí)行器贪庙，放大器等蜘犁。這限制了主動(dòng)隔振系統(tǒng)在低振動(dòng)環(huán)境中

的運(yùn)行能力，最終限制了其隔振能力止邮。

負(fù)剛度隔振器不使用任何上述部件这橙，因此不受同樣的限制奏窑。

負(fù)剛度被動(dòng)隔振

桌面主動(dòng)隔振

電纜

主動(dòng)隔振系統(tǒng)可以通過異常堅(jiān)硬的電纜來傳遞振動(dòng)。處理電纜始終很重要屈扎。大多數(shù)電纜埃唯，如果運(yùn)行正常不會(huì)造成問題，但有時(shí)電纜會(huì)很

硬或不能靈活地運(yùn)行鹰晨。負(fù)剛度隔振器可能有助于去除某些特定的振動(dòng)墨叛。

調(diào)整有效負(fù)載

主動(dòng)隔振系統(tǒng)在打開時(shí)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行大部分有效負(fù)載調(diào)整。負(fù)剛度隔離器需要在有效載荷發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行簡單的手動(dòng)調(diào)整模蜡。

位置的靈活性

主動(dòng)隔振系統(tǒng)必須在剛性非常大的結(jié)構(gòu)上才能發(fā)揮其理論上的最佳性能漠趁。例如，如果把它放在一個(gè)100磅輕的實(shí)驗(yàn)室桌子上忍疾，上面有一

個(gè)250磅的儀器闯传，則隔振可能會(huì)出現(xiàn)問題。主動(dòng)隔振系統(tǒng)的工作原理是向有效載荷施加力卤妒，以減少振動(dòng)甥绿。當(dāng)有效載荷的重量超過工作臺(tái)

的重量和/或工作臺(tái)的剛性不是很高時(shí)，工作臺(tái)將在施加校正力時(shí)移動(dòng)则披。這可能會(huì)導(dǎo)致性能下降共缕。

負(fù)剛度隔振器可以放在任何典型的實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上，而不會(huì)影響其隔振能力士复。對于垂直和水平矢量中的低頻振動(dòng)图谷，它提供了很高的隔離

效率，使敏感的儀器可以放置在生產(chǎn)設(shè)備或?qū)嶒?yàn)室的任何地方判没，無論是在地下室還是在震動(dòng)嚴(yán)重的第六層蜓萄。

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