在高真空(HV)和超高真空(UHV)中定位

请遵循明确限定的条件提供适合于真空环境的精密定位设备。首先,必须避免真空室因磨损或除气以及过多的热量输入而被颗粒污染。此外,安装空间通常很有限。PI在真空技术与应用以及高垂直化的制造方面拥有多年经验。因此,PI能够通过合适的驱动元件、材料选择、设计和配件以及适当的制造工艺和质量控制而提供专门针对真空应用需求量身打造的标准和定制型产品。

标准产品的真空度达10-9百帕,定制解决方案则可达10-12百帕
压电直接驱动器的位置分辨率小于1纳米,电动平台的位置分辨率小于1微米
行程为数10微米至100毫米,甚至可选择更大
负载能力高达数百公斤
可在磁场和EUV中运行
精心选择材料、元件及配件
考虑除气行为
适合真空的制造工艺
对材料、元件及最终产品进行测试和质量控制的设备

适用于真空环境的定位解决方案

PI提供适用于真空应用的各种运动技术:其中包括在强磁场和低温环境下依然可以工作的压电陶瓷促动器,行程低于1.5毫米且精度可达亚纳米级的压电系统,在力、动力学和行程方面采用多种设计的压电电机以及采用专门设计可实现更大行程的直流或步进电机的电动定位器和可在六个自由度上进行定位的并联运动六足位移台。

适用于真空的压电陶瓷运动技术

行程高达数十微米至数十毫米
响应时间为数微秒
分辨率处于亚纳米范围
不产生磁场
陶瓷隔离,除气率低
低磨损
无需润滑

PI提供多种基于>>压电陶瓷促动器而开发的产品。压电陶瓷促动器无需润滑,也不会造成磨损。其运动基于>>压电效应,因此无任何磨损。由于压电效应存在于电场之中,因此压电陶瓷促动器既不会产生磁场,也不受磁场影响。即使在接近0开氏度的最低温度下,依然存在压电效应。此外,压电陶瓷对高能辐射不敏感。>>PICMA全瓷绝缘促动器不需要聚合物绝缘,并且为超高真空应用提供了最佳条件:无除气且可承受高达150摄氏度的温度。

压电陶瓷促动器的高刚度可实现高力生成和高动态性。微秒级的快速响应时间得益于其数百千赫兹的高谐振频率。与线性促动器相比,压电陶瓷促动器的行程通常介于数十至数百微米之间。而弯曲型促动器则可达到数毫米。压电陶瓷促动器可达到亚纳米级的分辨率。

根据配置和控制的不同,压电陶瓷促动器可用于平移、旋转运动(偏摆) 或用作 电机。驱动原理的选择取决于相应应用所需的行程、力、分辨率和速度。除驱动类型外,选择合适的材料和额外的元件对于压电定位系统的真空兼容性至关重要。因此,请选择适合真空的壳体、位置传感器和导向系统,例如>>电容传感器 或>>柔性铰链导向。此外,压电电机无需润滑油或油脂即可运行。

无论驱动原理如何,所有>>压电电机均可以在真空中使用,并且是首选的驱动器,尤其在要求毫米级行程的情况下更是如此。

超高真空度可达10-10百帕:S-330压电偏摆台可提供亚毫秒级的响应时间,分辨率达20纳弧度,光束偏转达20毫弧度(>1度)。压电陶瓷促动器的行程通过集成适用于真空的柔性铰链导向而增加。

超高真空度可达10-10百帕:N-216 NEXLINE线性驱动器的行程高达20毫米,产生的力高达600牛,并配有适合真空的增量传感器。

超高真空度可达10-10百帕:P-733.3压电系统在X、Y向上的行程高达100微米×100微米,在Z向上的行程高达10微米。一体式柔性铰链导向免维护、无摩擦、无磨损且无需润滑。它们百分百真空兼容,可在很广的温度范围内工作。

适用于真空的电动定位器

标准行程为5毫米至200毫米
标准速度高达10毫米/秒
标准负载能力高达10公斤
可根据要求提供与真空兼容的其他产品
低除气率
适用于真空的材料和电机设计

PI为选定的产品系列提供了已适用于高真空(HV)或超高真空(UHV)的特定真空就绪标准产品。此外,大多数PI产品都可以根据要求进行改进而在真空中使用。PI提供的产品可实现低至10-9百帕的大气压力。在某些情况下,甚至可以达到10-10百帕。
表1示出了为达到相应的真空等级而采取的不同措施。

真空等级电机测量系统材料电缆和连接器导轨和主轴排气耐温
达10-6百帕润滑后的电机标准测量系统阳极氧化铝元件;允许使用黄铜;允许使用塑料2米带标准连接器的PTFE电缆涂有真空润滑脂的导轨和主轴部分带有空心螺钉可承受温度最高为80摄氏度
达10-7百帕HV电机HV测量系统铝、坯料;允许使用黄铜;精选塑料2米带UHV连接器的PI或PTFE电缆由不锈钢制成并涂有真空润滑脂的导轨和主轴空心螺钉可承受温度最高为80摄氏度
达10-9百帕带温度传感器的专用UHV电机UHV测量系统铝、坯料;不得使用黄铜;除PEEK或聚酰亚胺外不得使用其他塑料2米带UHV连接器的PI电缆由不锈钢制成并涂有真空润滑脂的导轨和主轴空心螺钉带/不带测量系统的可承受最高温度分别为120摄氏度/150摄氏度

表 1:为达到相应的电动定位器真空等级而采取的不同措施。

适用于真空的六足位移台

六自由度
紧凑型设计
自由定义的枢轴点
高刚度
适用于真空的驱动技术

六足位移台平台适用于在所有六个自由度(即三条线性轴和三条旋转轴)实现负载的精准定位和校准。六足位移台采用>>并联结构,即移动平台由多个促动器同时致动。在并联运动六足位移台中,所有驱动器均作用于单个移动平台,从而使其比堆叠系统的设计更为紧凑。六足位移台具有较高的刚性,因此可以沿任何方向安装。由于仅移动一个平台,因此与堆叠或嵌套的定位系统相比,其整体运动质量较低,从而导致惯性较小,因此所有运动轴的动力学性能均较高。

基于其设计,六足位移台可在任意空间方向上定位数公斤甚至数吨的负载,而独立于安装方向且具有亚微米级的精度。设计合理的六足位移台适合在真空中使用,并且通过采用电动机或压电驱动器以及适合真空的传感器技术可适应不同的真空等级。


在真空方面面临的挑战:除气和真空等级

除气

为了确定所需的真空等级,有必要尽量了解应用。例如,EUV光刻、微电子电路生产或使用SEM(扫描电子显微镜)进行材料分析不仅对压力范围有着不同的要求,而且对真空室内允许的残余材料也有着不同的要求。因此,除气速率是另一项相关的规范。HC(碳氢化合物)的分压往往具有决定性的影响。由于除气决定了系统中的压力(以及真空泵的容量),因此除气会阻碍达到低压值的速度。此外,除气化合物可能沉积在光学元件或其他敏感设备的表面上,并可能掩盖或损坏它们。因此,残留气体必须含有很少的或不含HC,也不得含有锌、铅或镉等蒸气压较高的金属。

真空等级

真空表示处于容器中气体压力下的气体状态,因此颗粒数密度低于外部密度或气体压力低于300毫巴,即小于地球表面大气压力的最低值{DIN 28400}。其单位为[百帕]、[毫巴]或[托]。定义了五种不同级别的真空等级:低、中、高、超高和极高(如表 2). PI为选定的产品系列提供了已适用于高真空(HV)或超高真空(UHV)条件的标准产品。此外,大多数PI产品都可以根据要求进行改进而在真空中使用。PI提供的产品可实现低至10-9百帕的大气压。在某些情况下,甚至可以达到10-12百帕。

真空等级缩写词百帕毫巴
低真空RV300至1300至1225至0.75
中真空FV<1至10-3<1至 10-3<0.75  至 7.5 × 10-4
高真空HV<10-3至10-7<10-3至10-7<7.5 × 10-4至 7.5 × 10-8
超高真空UHV<10-7至10-12<10-7至10-12<7.5 × 10-8至 7.5 × 10-13
极高真空XHV<10-12<10-12<7.5 × 10-13

表 2:真空等级的定义


如何克服真空应用的挑战

由于除气对于创建和维持清洁的高真空环境是一项挑战,因此在真空系统的设计和生产中必须合理选择材料和处理方法。要制造应用于高真空(HV)或超高真空(UHV)的产品,必须考虑以下因素:材料选择、设计以及制造和装配工艺。

材料与设计

无粒子发射
无除气
抗烘烤且耐高温
无虚漏
微小表面

首选材料
不锈钢、铝、钛、青铜、FKM(例如Viton)、陶瓷、蓝宝石、PTFE(例如Teflon)、PEEK、聚酰亚胺(例如Kapton)、玻璃陶瓷(例如Macor)

该材料无法除气,因此为克服更高真空等级所必需的耐受温度,必须具有耐热性。然而,必须同时保持所需的精度和高位置分辨率以及平面度。
例如,常见的电气和电子设备包含不适合真空应用或仅适于有限真空范围的元件。其中包括电缆、电机、测量系统、连接器或限位开关。PI为所有这些元件实现了特定的产品功能,以大幅降低其除气并创建清洁的真空环境。

因此,真空定位系统应使用铝合金、不锈钢、钛或青铜等材料。表面处理应适合于真空等级,例如,较高真空等级的表面不得镀膜而应采用白铝或电抛光。为应用于高真空和超高真空,应使用专用真空润滑油。根据需求,润滑油可以在订货时指定。真空电缆绝缘层可采用PTFEFEP(聚四氟乙烯),也可以采用聚酰亚胺(Kapton)或PEEK。尽可能减少使用粘合剂。

在真空平台设计中,严格要求采用适合真空的材料替代标准材料。另一项要求是减小并最小化系统表面
此外,由于其行为类似真空中的虚漏,因此务必避免空气夹杂物
由于只有狭窄的通路连接至真空室,因此无法轻易抽出其中残留的气体。这延迟了达到所需真空度的时间。
残留的气体通常是由不通气或通气不畅的螺纹盲孔造成的。盲孔位于螺钉的尖端或螺钉头的边缘下方。此外,如果将定位器安装在基板上或将样本固定在定位器上,则被覆盖的盲孔往往会导致虚漏。如果因螺钉而引起虚漏,则建议使用排气螺钉等部件。

适合真空的制造工艺

无尘室制造
超洁净作业场所
超声清洗
真空室可达10-10百帕

真空定位系统的条件和操作规程与设计原则同等重要。真空平台在无尘室内安装。所有元件均在超声波清洗器中清洗。并通过一种无颗粒的包装运输。在装配真空定位器之前,所有纯金属部件均应在超声波清洗器中经受清洗工艺。电气和电子设备均进行擦拭清洁。对轴承和导向装置等标准润滑组件进行脱脂、清洗并用专用真空润滑脂润滑。在人工气候室中干燥超声波清洗过的组件。

请在>>无尘室或流式箱中装配平台。装配后,必须在洁净的环境中对该平台进行性能测试。对每种类型的平台以及在对产品进行真空关键性更改时均应进行真空测试。装配后,请以真空密封袋包装系统,以防止灰尘、空气和湿气进入:首先,该平台在人工气候室中经受烘烤工艺。在内部真空袋中包装并密封该平台后,将其放入第二个外部真空袋中,然后再将其完全真空密封。


如何检验在真空中使用的定位解决方案

标准测试
按需提供定制测试
可根据要求提供残余气体分析的测量方案
不同容积的真空室

适合于真空的产品均在PI进行了标准测试。此外,可以安排针对单独真空应用的定制测试。PI拥有多个具有不同容积的真空室,因此可进行烘烤和残留气体分析。
为测试单个组件或测试小型平台,约10升的真空室可供选择。小型真空室配有由一个400升/秒(N2)涡轮分子泵和一个用于连续压力感测的压力传感器组成的泵实验台,这意味着可以达到10-10百帕以下的压力。加热装置允许高达200摄氏度的加热除气温度。

容积为260升的大腔真空室专为长达800毫米的大型平台、六足位移台和多轴系统而设计。包含700升/秒(N2)涡轮分子泵和压力传感器的泵试验台允许进行低至10-9百帕的测试。一体式加热系统可以使加热除气温度达到150摄氏度。

对平台进行真空运行测试时,可以使用不同尺寸的法兰,以用于带有各种密封件的电机电流、线性编码器、限位开关、温度传感器等。如果需要进行干涉测量或者需要目视观察流程,则两种真空室均可以配备观察窗。四极质谱仪可用于1 amu至200 amu之间的实时RGA(残留气体分析),并且可以连接到这两种真空室。

PI在真空室中通过真空压力测量RGA(残留气体分析)对真空产品进行分类和验证。根据需要达到的真空度,相应地对真空室和平台进行加热除气。

真空应用

由于新技术的工作原理取决于真空环境,因此真空应用变得越来越重要。

半导体技术
电子产品制造
扫描电子显微镜(SEM)
透射电子显微镜(TEM)
X射线断层成像
高能束线设备
电子束加工
纳米表征和纳米结构
EUV光刻
材料研究

相关产品

VT-80 V6 Linear Stage Suitable for Vacuum
通用应用领域的基本版本
H-850.V Vacuum-Compatible 6-Axis Hexapod
For loads to 80 kg
H-824.V Vacuum-Compatible 6-Axis Hexapod
Compact and Precise
L-310 V6 Precision Z Stage Suitable for Vacuum
Can be Compactly Combined with Linear and Rotation Stages

竞争力