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洁净室中隔振器的最优选择——负刚度隔振器

作者: 时间:2021-04-16

负刚度的全被动机械系统可提供高精度的振动隔离,在需要完全无尘(洁净室)的环境下,也能与空气隔震系统竞争。

洁净室(无尘车间)广泛用于半导体制造,生物技术,生命科学以及其他对环境污染物(灰尘,空气中的微生物,气溶胶颗粒和化学蒸气)非常敏感的领域,洁净室(无尘车间)为封闭环境提供了可控的污染水平。洁净室(无尘车间)的标准相当严,他会根据国际标准ISO 14644标准来检测环境,即悬浮粒子的浓度这个指标来判断是否合格。

洁净室(无尘车间)内使用的设备必须设计成产生最小的空气污染,包括隔振设备,隔振设备能够选择的有橡胶块,金属弹簧和面包板到高效的空气系统,有源电子隔振系统和负刚度系统。


数十年来,洁净室或无尘室中的主要隔振手段都是气浮工作台,但是现在的技术以及开始推向了纳米领域,对提高隔振精度的需求也相应的提高。

负刚度隔振技术问世之后,气浮台慢慢的开始退居二线。负刚度隔振和气浮隔振相比具有很大的技术优势,负刚度隔振技术的优势在数千种引用中得到了证明,其中有不少有很大挑战性的应用。


负刚度隔振和气浮隔振平台的对比:


1960年代以来,气浮隔振平台(气浮台)就一直用于隔振,并且经常使用在洁净室。但是,随着仪器灵敏度的提高,特别是在亚原子级,需要更精确的振动隔离技术来处理较低的赫兹振动,尽管使用了气浮台,但由于气浮台的特性,反而对隔振效果产生了负面影响。

在评估洁净室应用的隔振设备时,应检查空气工作台与负刚度隔离器之间的关键比较;垂直和水平隔离,低赫兹振动的振动传递率,机械简单性和位置灵活性。

气浮隔振平台确实实现了隔离,但主要是在垂直向量中进行了有限的水平隔离。水平矢量经常被忽略,因为水平建筑物的振动不太明显,但是仍然传递到洁净室仪器中。相比之下,负刚度隔离器可在垂直和水平方向上实现很高的隔离度。


振动传递率曲线图↑


负刚度隔振的低赫兹的振动传递率:

振动传递率是相对于输入振动通过隔离器传递的振动的量度。每个隔离器都会以其谐振频率进行放大,然后开始隔离。

采用空气隔振原理的气浮隔振平台实际上会放大而不是减小振动,因为空气隔振会在固有频率处共振,因此振动通常会在1.53 Hz的典型范围内变化。低频的扰动将直接影响到仪器,空气隔振系统无法隔离到非常低的振动频率。空气系统实际上会放大而不是减小1.53 Hz范围内的振动

负刚度隔离器在0.5 Hz处谐振,在某些情况下在垂直和水平方向上都以较低的频率谐振。在此频率下,几乎没有振动存在,因此在0.5 Hz处发现明显的振动几乎不可能。频率高于0.7 Hz的振动会随着频率的增加而迅速衰减。当调整为0.5 Hz时,负刚度隔离器在2 Hz时可获得约93%的隔离效率;5 Hz时为99; 10 Hz时为99.7%。

负刚度隔振器对低频振动表现非常好,但是对于高频振动的性能会下降,当不需要较低的谐振频率时,负刚度隔离器可以灵活的定制较高谐振频率的规格。


振动的来源和洁净室下隔振设备的要求:

振动可能是由多种因素引起的。每个结构都可能产生噪音。在建筑物内部的供暖和通风系统,风扇,水泵和电梯。一些机械家电。都会产生振动。如果在室外,则会有风或者下雨,飞机等噪音带来的振动。振动的影响大小要看需要隔振的东西敏感程度

2赫兹(Hz)至20,000 Hz范围内的振动会影响敏感设备。但是,这些内部和外部影响主要会导致低频振动,这些振动会传播,从而对精密设备造成强烈干扰。




振动隔离台和工作站需要满足自身的防振动组件必须达到的与洁净室相同的污染标准。一般需要提供完全封闭的隔离模块和排气系统,才能使这些工作站符合洁净室标准。

隔离台的所有表面均应易于清洁,其整体结构应易于擦拭以保持清洁。隔离膜片-用于压缩空气管和电源-应符合指定的除气,不挥发残留物和总质量损失规格,以将分子污染保持在绝对最低限度。


洁净室环境下负刚度隔振器的主要优势:

气动隔离台依靠压缩空气或氮气气源运行。在洁净室环境(ISO 7级及以下)中使用时,需要将供气和排气排出并通过管道排出受控区域,以确保气体不会污染洁净室环境。位于洁净室外部的空气压缩机本身就是低赫兹机械振动的来源,与隔振的本身相悖。而负刚度隔振台无需处理压缩空气或电力,该系统易于安装,易于设置,并且长期运行和维护更可靠。

负刚度隔离器采用完全机械的概念,不需要空气或电力。没有马达,泵或腔室,也无需维护,因为没有任何磨损,它们仅以被动机械模式运行。垂直运动隔离由支撑负重的刚性弹簧与负刚度机制组合提供。使净垂直刚度非常低,而又不会影响弹簧的静态载荷支撑能力。与垂直运动隔离器串联的梁柱可提供水平运动隔离。梁柱的作用就像是弹簧和负刚度机制相结合。

气浮隔振平台大而笨重,相比之下,负刚度隔振系统占用的空间非常小,无疑更适合洁净室宝贵的空间,仪器可以在设施周围放置或移动,而不必担心电源和空气软管的布置。当需要增加工作空间时,也可以使用大型负刚度工作站。

由于其很高的隔离效率,负刚度隔振系统使敏感仪器(例如扫描探针显微镜,激光干涉仪,光学轮廓仪和扫描电子显微镜)可以放置在需要设置无尘室的任何地方,无论是否在地下室或建筑物的六楼。


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