高精度定位系统在超高真空中优化性能

精密的、真空兼容的运动设备越来越多地被产品设计师使用，并被纳入越来越广泛的超高真空应用。现在，最新的真空兼容运动控制设备为超高真空系统的OEM设计师提供了更广泛的产品开发能力。

通过Scott Jordan和Stefan Vorndran 2015年12月6日

专为真空安全操作而设计的运动控制产品为当今半导体制造和检测、制造、航空航天、生命科学、医疗、纳米技术、制药、光子学、电信、半导体、天文学和显微学等市场上苛刻的真空应用提供了关键性能。这些系统的关键属性包括选择用于真空，电机和电子组件的材料和组装细节，具有适当的材料和热性能，烘烤兼容性，以及避免污染的清洁制备和运输实践。

真空应用在工业制造和许多研究领域越来越重要。许多工艺只能在真空中进行，如薄膜溅射和离子铣削。以前只用于特殊材料加工的技术正在新的领域中得到应用。此外，摩尔定律(指出集成电路上晶体管的数量每两年翻一番)的发展意味着新类型的设备已经被开发出来，这些设备在以前不存在的系统中强加了真空要求;例如，超高真空(EUHV)电缆照明取代了以前的技术。

指定真空安全设备的五个技巧

当指定在所需的真空水平下使用的设备时，与可以帮助分析应用程序并确保不忽略任何细节的供应商合作是很重要的。以超高真空(UHV)为例，以下因素会影响产品的适用性:

润滑剂:选择、减少或排除
表面积最小化:包括消除粗糙或微空化的涂层和饰面
在特定条件下操作的适用性:例如磁场、抗辐射(粒子辐射、x射线辐射、EUHV)或-269至40摄氏度(-452至104华氏度)的低温环境。
特殊过程:对特定微量物种的敏感性
泵:容量和烘烤实践。

设计特高压系统

特高压的特点是压力低于10左右⁻⁷帕斯卡或100纳米帕斯卡(10⁻⁹mbar, ~ 10⁻⁹托)。为了实现优化、可靠的特高压定位系统的目标，电气和电子设备，如电机、位置反馈传感器和限位/家用开关，必须适合特定的环境，包括紫外线照明和电磁场兼容性等细节。但其他关键因素必须考虑，如材料选择、定位系统设计、排气、热管理以及清洗和组装。面向真空的组件应经过三个阶段的清洗过程:

超声波清洗部件。
将组件放在气候柜中，在氮气环境中干燥。
在洁净室或流动箱中组装舞台。在运输到现场之前，系统应该用真空密封袋包装，防止污物、空气和潮湿。

材料选择

真空兼容材料的要求包括:

无粒子发射
不出气
可烘烤，耐高温。

这限制了任何真空兼容产品主体材料的选择。例如，CuZn(黄铜)合金不能用于真空系统，标准塑料部件必须与聚醚醚酮(PEEK)或金属部件交换，以消除有机污染物的排气。真空定位系统的首选材料是不锈钢、钛、青铜、铝、陶瓷、蓝宝石、Viton、Teflon、PEEK、Kapton和Macor。

对于真空兼容的精密定位工作台，合适的材料是铝合金、不锈钢或钛。表面处理适应真空级;例如，较高真空等级的表面不是涂层，而是电抛光。零件的阳极氧化通常被消除，因为在微观尺度上其复杂的表面空化可以将零件的有效表面积增加六倍，并且用于给普通零件着色的染料可以产生显著的排气。

真空压力与残余材料

压力水平本身并不是唯一的关键参数。晶体学和光学镀膜制造有不同的要求，不仅对整体腔室压力有要求，而且对真空腔中特定的残余材料也有要求。通常，碳氢化物的分压是决定性的。作为润滑剂和塑料的一部分，这些碳氢化合物可能是表面污染的来源。这在紫外线范围内的激光应用中尤其具有破坏性，因为碳氢化合物可以分裂成活性碎片，随后沉积在光学器件上。使用与质谱仪连接的腔室可以验证可能材料的适用性，但在腔室子系统中使用的组件的谨慎选择是至关重要的。

一般禁止在真空室内使用普通塑料，这意味着传统的布线(带塑料绝缘)不能用于真空兼容的运动硬件，无论是外部电缆还是内部布线。电缆管理系统的结构和材料通常使用聚四氟乙烯绝缘电线以及使用包括PEEK在内的各种材料的专用电连接器。其他电缆和连接选项可根据应用要求。

定位系统设计

经验丰富的运动控制供应商将深入研究真空应用的各个方面，以确保所有细节都得到考虑。首先，真空室提供的空间有限，需要紧凑的设计。电子子系统，如控制器和放大器，将无法在真空环境下使用，因此它们必须放置在真空室之外，这就需要考虑引线和布线设计。不可避免地，一些电子元件，如电机、终端开关和家用开关，以及编码器读取头必须安装在腔室中，并且必须专门为真空兼容性而设计，并适合在腔室使用期间遇到的广泛温度变化。

除了材料和表面光洁度的基本选择外，定位台的主体在组装时还必须强调消除滞留的空气袋。被困住的气穴会缓慢地放出气体。这些被称为虚拟泄漏，可以大大延迟，甚至不可能产生稳定的真空。孔和螺丝需要排气。当用螺栓连接在一起时，必须避免在表面之间形成口袋(例如当带有加劲肋的结构用螺栓连接到板上时)，或者必须包含用于快速疏散口袋的设施(例如钻孔通风口)。

选择合适的元件，特别是驱动元件，是非常重要的。特别是，考虑到运行过程中产生的热量是至关重要的，因为只有在真空下才能非常困难地散热。因此，了解计划的工作周期对选择是有用的。这允许预先测试所选单个部件的热行为。

Vacuum-compatible汽车

电动化提供了腔内元件的随时可调性，并允许执行扫描、寻找和模式运动操作。根据应用程序对诸如绝对定位精度、最小增量运动、双向可重复性和位置稳定性等方面的要求，最佳运动系统类型将是显而易见的。因此，与具有广泛而深入的运动技术工具包的运动子系统提供商合作是至关重要的。

步进电机是一种通用类型的磁电机，不需要有刷换向，在真空应用中排气和电机寿命的优势。它们提供了一个原生的握力，并可以根据应用需求在许多模式下操作。步进电机真空级通常采用特殊的两相步进电机，运行可靠高达10⁹hPa和消除真空不兼容的结构细节常见的日常步进电机。例如，用于真空操作的两相步进电机通常使用不锈钢外壳，主动加热到120 C (248 F)用于排气，当然，塑料和其他不兼容的元素被排除。

其他常见类型的电机不太适合在室内使用。例如，由于不可避免的电刷电弧，有刷直流伺服电机通常是一个糟糕的选择，这有助于放气，并可能在电晕状态下呈现危险的电流路径。类似地，磁直线电机在真空使用中存在显著的热管理问题，通常是避免的。

润滑油的减少或消除意味着，在一般情况下，电动真空级提供较低的速度和较短的使用寿命，而不是配置为实验室或制造用途的等效模型。

压电技术提供了另一类特别适合真空使用的运动驱动，因为压电驱动元件(以及它们经常部署的柔性机构)不需要任何润滑剂即可运行。例如，压电驱动器在低温范围内(低至-271 C (-456 F))显示出可控的纳米级位移。这是压电纳米定位堆栈的一个例子，它是由金属电极之间的特殊陶瓷薄层烧结而成的陶瓷结构。这些驱动器消除了通常应用于压电堆栈的真空不兼容聚合物绝缘，取而代之的是天生真空兼容的高级陶瓷封装。这些堆叠是许多超精密应用(如微光刻)的核心，因为电压的应用产生了快速的材料膨胀，可以在纳米级以下精确控制，尽管旅行范围必然很小。

压电驱动器单轴和多轴扫描级结合了纳米精度的分辨率和最小的串扰引导精度。这使得它们特别适用于计量学、微观过程、干涉测量或半导体芯片生产的检测系统中的参考应用。

除了常见的压电陶瓷堆，压电陶瓷还被配置在各种新颖的电机设计中，从而消除了小行程的缺点。这些压电电机中的一些提供了许多毫米的行程，但保留了亚纳米的位置分辨率，这是压电堆栈著名的。

无论驱动原理如何，所有压电电机都可以配置为在真空环境中使用，只需简单注意电线绝缘等细节。压电电机还可以用于高场应用，如磁共振成像(MRI)，因为它们不会产生磁场，也不受磁场的影响。压电电机是特高压的使能器，特别是当需要在毫米范围内抗辐射和旅行范围时。

步进驱动是一种完全基于一根杆上几个压电驱动器的静摩擦接触的压电电机。对于前馈，执行机构从杆上抬起，最大限度地减少磨损和磨损。这些驱动器具有不到1纳米的高分辨率。它们的小尺寸使它们非常适合作为低至10的真空中级和执行器的驱动系统⁹hPa，使它们能够用于六轴六足系统，例如为高场应用而构造的专门单元。

真空中的多轴运动

多轴运动可以通过使用经典的单个线性和旋转平台堆栈(串行运动学)或更紧凑和优雅的并行运动学方法来完成。常见的两种基本设计是:六足定位器(希腊语为“六条腿”)和SpaceFabs。六足动物也被称为Stewart Gough平台。

一个特别苛刻的应用是低温光谱学，使用由大型同步加速器提供的超短波长探测束。它们是地球上最明亮的光源，有助于更深入地研究微电子材料和生物标本的复杂结构。通常在多个自由度上进行重大的移动是必要的。在这些和其他应用中，提供稳定、高分辨率、6自由度定位的流行方法是SpaceFab机构。这是三支柱组件，固定长度的支柱在一个共同平面上由三个XY堆叠的超精密工作台驱动。该组件可以在XY平面上进行长时间的横向运动，并通过级堆的差分驱动在三个角轴和Z轴上进行精确调节。该机制的一个值得注意的功能是可以选择将旋转中心点放置在空间的任何地方，例如焦点或其他光学甜点。有了这种灵活、模块化和可扩展的原理，可以利用各种各样的运动技术，包括特高压兼容的磁性和压电步进电机。

与SpaceFab相比，六足机器人的平面XY行程更少，但具有更高的刚度、更大的负载能力、更大的角度范围和更小的表面积。SpaceFab的共同优点包括虚拟旋转中心点。一些制造商集成了特别整洁的电缆管理，消除了移动/清扫电缆。一个例子是六轴微定位和对准系统，它提供了高分辨率，亚微米运动在六个自由度。它被设计为在真空中工作，并提供高达45毫米(线性)和25度(旋转)。

与传统的六轴级堆栈相比，六脚的最大优势是其紧凑的尺寸，这一事实在真空室的应用中尤其有利，因为空间非常宝贵。许多都有通孔，便于光学设计。典型应用集中在半导体技术、光学多轴对准、x射线显微镜和x射线单色仪。

热管理和除气

热管理是真空系统的关键，因为该系统不能依靠对流或风扇从电机、电子子系统和轴承中去除热量。如果没有仔细的热管理，舞台性能、可靠性和寿命会显著降低。热隔离方法以及被动和主动冷却技术的发展有助于最大限度地提高冷却的传导方式，并减少或消除腔内的热源。

同样，排气也是创造和维持清洁、高真空环境的挑战。NASA有一个列表low-outgassing材料用于航天器，因为脱气产品可以凝结在光学元件、热辐射器或太阳能电池上并使其模糊。通常不被认为是吸附性的材料可以释放足够轻的分子来干扰工业或科学的真空过程。即使是金属和玻璃也会从裂缝或杂质中释放气体，但水分、密封剂、润滑剂和粘合剂是最常见的来源。温度越高，排气速率越快，因为蒸汽压和化学反应速率都增加了。对于大多数固体材料，制造和制备方法可以显著降低放气水平。在使用前清洗表面或烘烤单个组件或整个组件可以赶走挥发性物质。

真空水平

真空的定义是低于正常大气压力的压力。根据DIN28400-1:1900-5规定的真空范围如下: