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主動系統隔振

本章節將幫助工程師和科學家對主動隔振系統有一個大致的了解，它們是如何工作的，什么時候應該應用，以及它們有什么限制。由于半導體制造業在這一領域出現了許多應用，因此得到了特別的關注。

5.5 應用類型

廣義上，有兩種不同類型的應用：振動臨界或穩定時間臨界。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定時間，你應該避免購買一個主動系統來減少振動，反之亦然。

5.5.1 振動臨界的應用程序

振動臨界應用實際上是少數。這意味著需要比被動系統更好的隔振的應用程序數量相當少。TMC的被動隔振系統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，以至于在大多數環境中起作用的儀器變得對地面噪聲敏感。這通常只發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，因為大多數設備（如半導體檢測機）通常帶有一個供應商非常不愿意忽視的“地面規格”。

第 er 類應用是那些具有 極 gao 內在靈敏度的應用。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（如慣性反饋方案）善于消除這種共振放大。再次強調，重要的是要避免主動減振系統，除非您有一個應用程序，您確定有一個隔振問題不能用被動隔振器解決。今 tian 大多數半導體設備都有一個不同的問題：穩定時間。

5.5.2 穩定時間的臨界應用

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

穩定時間。“穩定時間”這個術語是業內被濫用 最 duo 的術語之一，主要是因為它缺乏一個被廣泛接受的定義。物理學家可能會把“穩定時間”定義為系統能量下降1/e的時間。這是一個不錯的、與模型無關的定義。不幸的是，這并不是任何人使用這個術語時的本意。常見的定義是“系統停止運動的時間”。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衰減，這是 無 xian 長的壽命。當在隔振器的情況下，可以認為系統“停止運動”的時間是系統的均方根運動達到一個定值所需要的時間，在這個定值下，系統的運動由地面振動的傳入控制。這既不是人們所說的穩定時間的意思，也不是與模型無關的，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“穩定時間”作為一個單一的規范，在被動或其他情況下可以用來定義系統性能。

這是TMC所使用的定義：穩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行其功能的 最 da 加速水平。穩定時間是擾動后 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部應力，扭曲結構，階段定位，光學等。在這三個數字中，這是需要理解的，因為它從根本上表示了你的儀器的剛性。

對于這個網站上的產品規范，臨界加速和輸入水平是未知的。因此，我們將我們的穩定時間規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

雖然慣性反饋系統可以用來縮短穩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，水平慣性反饋系統的實現受到傾斜到水平耦合問題的強烈限制（章節5.4.2）。另一個問題是，這些系統（除了PZT-Based系統）的位置穩定時間較差。

圖19顯示了 有 xiao 載荷對外部擾動的響應。它是基于一個理想化的1-DOF系統的模型，只是為了定性地演示多自由度系統的性能。這兩條曲線代表同一個主動系統，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。唯 yi 的區別是 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受到擾動時的測量結果。請注意，這些圖表上的星等標度有任意的起源，僅供參考。

結果表明，位置響應以低頻共振為主，加速度響應以高頻峰值為主。注意，開環響應的峰值是相同的。

結果表明，位置響應以低頻共振為主，加速度響應以高頻峰值為主。這是一個反直覺的結果，因為在開環（純被動）響應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，該系統能很好地抑制系統中的開環諧振。事實上，它甚至在0.5-5 Hz的頻率范圍內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。假設加速度的振幅衰減為：

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

第 yi 組曲線說明了這個系統的問題。它們表明在0.1 Hz左右的位置響應是由一個峰值主導的。假設Q與上面相同，這意味著衰減常數t大約是6.5秒！盡管伺服已經設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 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 的位置穩定時間。第二種方式是關閉伺服進行對接。不幸的是，伺服系統不喜歡快速地打開和關閉 - 特別是當它們的名義增益像這里所示的那樣高時。

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