振動主動控制系統

研究背景

 近年來隨著各種高科技產業製程越來越精密,相關的儀器設備對於環境振動隔離的要求也越來越嚴格。在半導體產業有許多設備都必須考慮降低環境振動,如曝光設備scannerstepper,檢驗設備SEMSPMTEM、橢圓偏光儀等等,幾乎每一台設備都需要安裝隔振系統。

 

 傳統被動式隔振系統多半是以氣墊彈簧或者是鋼圈彈簧阻成,有些會再加入阻尼以降低自然頻率的共振效果。適當的設計通常可以隔離頻率在34 Hz以上的振動,而且越高頻率的振動隔離效果越佳,但是卻會放大低頻率的振動,尤其是隔振系統自然頻率的振動。對於結構第一自然頻率超過2030 Hz的多數儀器設備而言,這些無法隔離而傳遞上來的低頻率地板振動在經過設備儀器結構體時,已經大幅衰弱而沒有明顯的影響。然而對於現代微奈米等級的精密設備儀器而言,許多都對23 Hz的低頻率振動十分敏感,變化緩慢的低頻率振動可能對於承載大質量元件的樑結構造成類似靜態彎曲的明顯位移,造成系統內各個元件的相對運動,嚴重影響其定位的精度。例如,對於長行程的雷射量測應用,會產生光程的擾動;對於SPM(Scanning Probe Microscope)會使光學影像模糊;或是造成電子束偏離預期的路徑等等。因此,如何有效隔離低頻率振動,以降低對超精密儀器設備的影響,一直是高科技產業所關切的問題。在整個科技界朝向微小化的過程中,硬碟儲存密度越來越大、半導體製程的線寬越來越小、所有光學系統解析度越來越高,這些發展將使得低頻率微振動的主動控制研究益發顯得重要。因此,國內自行研發一個符合微奈米等級之精密儀器設備振動規範需求的主動式隔振系統,實為高科技產業所迫切需要的。

 

研究方法

  振動的控制方法主要為:被動式(Passive)與主動式(Active)的控制方法。過去傳統中振動問題之防治,大多使用被動式的控制方式,此係將隔振元件與吸振材料之組合體,置於振動源或是對振動敏感的精密儀器設備的基座上,利用吸振材料的吸振性質將振動能量吸收,或由隔振元件予已隔絕。此種方法通常對於中高頻的振動有很好的效果,但對較低頻振動,則因受限於傳統隔振系統的自然頻率的特性,在低於的頻率範圍振動無法予以抑制。

 

 振動與噪音主動控制是應用一些可控制致動器所產生的“第二”振動或噪音場與原始“主要”的擾動場形成破壞性干涉的原理。我們採用傳統被動式隔振平台作為實驗研究之基本模組,將主動控制技術與被動控制技術相互結合。主動控制是針對共振頻率附近的的低頻率振動進行控制研究,並探討應用PZT與音圈致動器的控制效果。