设计用于高真空应用的运动控制和精密定位设备

在科学研究和工业生产中的应用经常要求在真空中运动和定位。有几个因素影响真空环境的质量。其中一个主要的挑战是使用的组件的排气。制造商通过提供标准化的真空准备或定制产品来解决这个问题，满足高真空(HV)和超高真空(UHV)应用的要求。一个专家团队提供支持，选择和配置产品，以满足特定的真空应用．

了解用于真空应用的电动定位器有助于设计、制造和测试要求。当考虑电动定位器时，请仔细检查不同真空等级和可执行的质量控制测量的允许材料。

真空生产应用

由于新技术只能在真空中使用，真空应用变得越来越重要。透镜在光学工业、光纤和激光光学，以及敏感探测器是在真空中制造的。在微电子电路的生产中，真空条件保证了敏感元件的安全处理。航空航天工业和汽车工业都使用电子束工艺来减少微型部件或厚壳工件焊接时的角畸变和横向收缩。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)或x射线断层扫描技术对表面和材料进行分析必须在真空中进行。由于所使用的方法，如离子束聚焦，纳米表征和纳米结构也依赖于真空环境。

超高真空和非常干净的条件是EUV光刻所需要的，旨在进一步允许减少的特征大小半导体行业如果没有真空技术，推进量子计算的量子位元的发展将是不可想象的。

科学研究和制造对这些和其他应用需要不同的真空等级，必须提供适当的设备。

定位系统在真空中的挑战

操作定位系统有明确的挑战。其中之一往往是有限的安装空间。同样重要的是，要避免因磨损或排气而造成的颗粒污染真空室，以及过多的热输入。

在真空技术和应用方面经验丰富的运动控制和精密定位设备制造商可以根据真空应用的要求提供标准的和客户特定的驱动技术(如图1所示)。

这包括带有特殊设计的直流或步进电机的电动定位器，允许大行程范围。压电驱动器，压电系统和压电马达，以及平行运动六脚，也可根据力，动力学和行程范围的不同设计。

定位系统应用要求

重要的是要分析具体应用的需求，以选择所需的真空级别．放气速率是相关的，因为它决定了特定残留组分的分压。由于使用了与真空环境不兼容的油脂或塑料部件，碳氢化合物(hc)可能在无意中被引入真空室。hc会被强烈的紫外线或x射线破坏，因此，它们在紫外线范围内的激光应用和光束应用中尤其重要。HC碎片沉积在光学元件表面，污染甚至损坏真空光学元件或测试样品。

真空等级，测量刻度

真空定义为低于正常大气压力{DIN 28400}的压力，并以[hPa]、[mbar]或[Torr]为单位测量。定义了不同级别的真空等级：精细、高、超高和极端。虽然通常采用高真空和超高真空，但很少需要极高的真空。为了确定所需的真空等级，有必要尽可能了解应用（如表1所示）。

脱气率

放气速率是下一个相关的规格，因为它代表了特定残余组分的分压。脱气是指吸附在材料表面或体积上的挥发性分子的分离。

因为放气速率决定了系统中的压力(与真空泵的能力有关)，放气禁止快速实现低压值。此外，逸出气体的化合物会沉积在光学元件或其他敏感器件的表面，使其模糊不清或损坏。

总的来说，电动定位器需要低排气。残余气体还必须含有很少或不含hc，以及不含高蒸气压的金属，如锌、铅或镉。

真空兼容的运动控制设备

由于排气对于创造和保持洁净的高真空环境是一个挑战，在真空系统的设计和生产中，正确选择材料和处理方法是必须的。

为了实现高真空(HV)或超高(UHV)真空兼容的电动定位器，需要考虑三个主要问题:材料选择、设计以及制造和调试过程。

制造商提供特定的真空准备目录项目的选择产品系列，已经兼容高真空(HV)或超高真空(UHV)，或可以修改要求在真空中使用。以PI产品为例，实现大气压高达10^－9下丘脑-垂体-肾上腺轴的。在某些情况下，是10^－10可以达到hPa。

Vacuum-ready机动定位器

三种特定的标准真空级别是:V6用于高真空规格，V7用于更高的清洁度/压力要求，V9用于超高真空要求。表2展示了为达到相应的真空等级所采取的不同措施。

真空产品中的材料

普通电气和电子设备包含不适合真空应用或受到限制的部件。这些包括电缆、电机、缩放系统、连接器、限位开关和其他。普通电缆通常用PVC绝缘层屏蔽。电机使用润滑脂或油进行润滑，且高蒸气压下含有HCs。电子零件通常嵌入塑料中，排气率很高。

具体的产品功能应该在所有这些上实现，以避免气体从这些组件，有助于一个清洁的真空环境。

用聚四氟乙烯或聚酰亚胺屏蔽编织代替聚氯乙烯电缆简单，但昂贵。聚酰亚胺具有在真空中使用所必需的洁净度，但它吸收了大量的水分子，这增加了泵入时间。因此，在操作定位系统时，只应使用必要的编织数量。编织应尽可能短，理想情况下，真空室也为短电缆设计。

定位系统的温度控制

为真空改造的电机(图3)有几个通风孔，并配备聚酰亚胺屏蔽电机线圈，理想情况下在电机中安装温度传感器。温度控制之所以重要，有两个原因:

• 电机应在过热点以下运行，这意味着建议缓慢驱动。
• 温度控制的烘烤过程必须通过对电机施加电流来完成，至少对于特高压是这样的

特高压级的所有组件必须能够持续升温到一定的温度。例如，PI将有缩放系统的级的温度设置为120°C，没有缩放系统的级的温度设置为150°C。由于电机线圈的线圈数量巨大，聚酰亚胺的含量非常高，这意味着大量的吸附水必须被烘烤出来。特高压产品中采用了特别设计的两相步进电机，如图3所示。

一般的连接器和限位开关不能用于真空超过10^－6hPa由于其高排气塑料组件。它们由低排气塑料(用于高压)或陶瓷、PEEK和金属(用于特高压)组成的组件补充，如图4所示。开关的连接器和触点的引脚不是焊接的，而是夹紧的，卷曲的或激光焊接的。

定位器底盘材料的选择是有限的。例如，铜锌合金不应用于真空系统。如果可能的话，这些材料用青铜代替。特高压产品用PEEK、陶瓷或金属部件代替其他标准塑料件。

Design-for-vacuum

如前所述，用真空相容材料替代标准材料是真空舞台设计的严格要求。另一个要求是定位器表面的缩小和最小化。未涂覆体的表面没有为真空阶段喷砂。真空级通常不需要用于防止污染的盖子。在机械式限位开关的情况下，不需要为电子限位开关设置保护罩。

真空级设计的第三个非常重要的要求是防止虚漏。虚泄漏是一个与腔室的真空侧相连的截留体积。由于与真空室连接的路径狭窄，在此捕获体积中的气体不容易被抽出。这导致缓慢的排气，似乎是真空系统的泄漏。设计不良是造成实际泄漏的主要原因，不仅对定位阶段，而且对真空室和一般真空设备也是如此。

困住的体积通常是由未排气或排气不良的盲孔造成的。它们要么在螺钉的尖端，要么在螺钉头的边缘下。当将定位器安装在底板上或将样品固定在定位器上时，所覆盖的孔通常会导致实际泄漏。

如果实际上是由螺钉引起的泄漏，建议使用通风的螺钉。通风螺钉在螺钉的长度上有一个孔，以避免困住体积(图5)。

这意味着被困的体积可以被排出。螺杆头部有凹槽，保证螺杆头部下方的空腔通气。如果该孔被定位单元覆盖，从而导致实际泄漏，那么它必须有一个穿孔或一个排气槽。

真空制造，调试过程

在组装真空定位器之前，所有纯金属零件都要在超声波浴中进行清洗。电气和电子装置已擦拭干净。标准润滑部件（如轴承和导轨）经过脱脂、清洁，并使用专用真空润滑脂进行润滑。超声波清洗的部件在气候室中干燥。

级的装配是在洁净室或层流系统中进行的。组装完成后，工作台必须在清洁的环境中通过性能测试。每一种类型的阶段都要进行真空测试，并在对产品进行真空临界更改时进行测试。

组装完成后，系统被包装在真空密封袋中，以防止灰尘、空气和湿度:首先，该阶段在气候室中进行烘烤过程。在包装和密封在一个内部真空袋，然后把阶段，然后放入第二个，外部真空袋，然后真空密封完全。

真空准备产品的附件

在真空环境中使用的附件也可以提供在真空版本，如合适的馈通和电缆适配器。进一步的附件，如法兰或连接器可用于真空准备的产品。然而，对于像控制器和放大器这样的电子设备，建议在真空环境之外使用。

定位系统测试和质量控制

可真空的产品通过几种不同的方式进行标准测试。

测试单一组件或测试阶段,小室可用的体积大约10 l。小真空室配备一个泵站组成的400 l / s (N2)涡轮分子泵和压力传感器连续压力感应,这意味着压力低于真空度hPa可以达到。加热设备允许烘烤温度高达200°C。

一个260 l的大腔室(图6)被设计用于长度为800毫米的大台阶、六脚和多轴系统。700升/秒(N₂)涡轮分子泵和压力传感器允许测试到10^－9下丘脑-垂体-肾上腺轴的。烘焙温度高达150°C与集成加热系统。

可对电机电流、线性编码器、限位开关、温度传感器等进行不同尺寸的台阶和法兰的真空运行试验，具有不同的馈线。如果需要进行干涉测量，或者需要对过程进行目视观察，两个腔室都可以配备检查窗口。四极质谱仪可用于1至200 amu之间的实时RGA(残余气体分析)，可安装在两个腔体上。

PI通过真空室中的真空压力测量和RGA(残余气体分析)对真空产品进行分类和验证。根据需要达到的真空水平，腔室和级被相应地烘烤。

与压力测量平行，RGA扫描在真空测试的重要点执行。电离室中剩余的分子在分光计的质量过滤器中被分离。带有次级电子倍增器的下游法拉第杯允许在低压检测极限下进行测量。水、碳氢化合物或其他杂质的逸出可以被确定，但解吸过程也可以被追踪和泄漏可以被检测。

标准高真空试验

作为一个相对较大污染可能性的例子，在真空室中测试线性轴的高真空版本(图7和8)。使用小室(10 l, 400 l/s泵)记录该阶段的泵下压力曲线。在泵压两天后，最后的压力大约是10^－7下丘脑-垂体-肾上腺轴的。

在48小时的泵送时间后进行RGA，并显示以水峰（16至18 amu）为主的光谱，然后是氮信号（28 amu）。所有其他贡献都小于水峰的1%。然而，在整个测量质量范围内观察到HC贡献，并总结为相当大的HC分压。

标准超高真空试验

对于超高真空级，真空室的泵下阶段之后是几个小时或几天的烘烤过程，取决于级的大小。舞台与加热的真空室保持热接触。允许的烘烤温度在80到150°C之间，由组装阶段的组件决定。此外，由于所有的真空电机在运行和电机预热过程中都会排出气体，因此通过对电机线圈施加电流来加热舞台的电机，从而排出大部分残留的挥发性化合物。电机温度应高于整体烘烤温度约40k至50k，并通过集成温度传感器控制。电机在整个烘烤过程中也应缓慢移动。

这样，电机的均匀加热，从而保证了挥发性化合物的连续烘烤。以特高压产品为例，线性阶段的真空测试结果如图9所示。这个测量是在相同的腔室，如前所述(10升，泵400升/秒)。在泵送15小时后，将舞台加热到150°C，持续8小时。

当打开加热器时，真空室的压力几乎增加了两个数量级，并在加热期间缓慢下降。关闭加热器后，烘烤效果可以观察到:真空室的压力下降了三个以上的数量级，压力达到10以下^－9室温下的hPa。

冷却后，生成RGA谱。在图10所示的光谱中，氢(1到2 amu)占主导地位，这是涡轮泵很难去除的。所有其他信号至少要小10倍。氢是例外，而水仍然是残余气体的最大部分。然而，它比其他捐款多出2倍，而不是50倍。hc在91 amu以上有较强的减少，且在光谱中没有显著值。

定位系统:初始启动和运行

在打开产品包装之前，必须将外袋擦拭干净，并在将产品移入清洁区域之前将其取出。然后，在应存放产品的洁净区域打开内袋时，必须佩戴洁净室手套。

在达到所需的真空水平之前，必须根据舞台的真空等级对舞台在真空环境中进行调节。

在高压级的情况下，根据级的大小和真空泵的抽吸能力，通常需要抽几个小时或几天才能达到高压真空水平。电机烘烤，通过运行电机，支持排气过程。高压级的设计温度最高可达80°C。

对于超高真空阶段，泵下阶段应该伴随着加热阶段和真空室，以及通过电流额外烘烤电机

饲料。为了对电机进行温度控制，特高压电机配有温度传感器。加热时，电机温度应高于阶段温度40 ~ 50 K。几个小时或几天的热排出过程也取决于真空阶段的大小和泵的容量。与加热真空室良好的热接触对于良好的烘焙结果是至关重要的。真空室冷却后，达到所需的真空水平。

定制vacuum-compatible定位器

由于在选择之前必须考虑真空应用的许多参数，因此将对技术要求进行彻底的审查，以确定最佳的配合定位器解决方案。

除无油特高压条件下的阶段外，所有真空阶段都有油脂和/或油润滑。无油特高压真空调节可供选择的阶段模型。大多数工作台可配备可选线性编码器(旋转工作台的角编码器)。选用标准真空定位系统，满足应用要求。可为定制应用程序定制替代定制产品。

Stefan Vorndran，营销和战术工程副总裁，PI (物理学Instrumente）.由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE Media and Technology，cvavra@cfemedia.com．

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关键词:高真空，定位器，运动控制

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