Projektanci różnego typu rozwiązań przeznaczonych do zastosowań w wysokiej próżni sięgają coraz częściej po zaawansowane urządzenia sterowania ruchem, dostosowane właśnie do warunków próżniowych. Najnowsze modele tych urządzeń jeszcze bardziej rozszerzają możliwości rozwoju produktu dla projektantów OEM w zakresie systemów bardzo wysokiej próżni.
Specjalistyczne produkty z dziedziny sterowania ruchem, bezpiecznie działające w warunkach próżniowych, zapewniają kluczowe funkcje w obecnych zastosowaniach próżniowych z dużymi wymaganiami – w takich sektorach, jak: wytwarzanie i kontrola półprzewodników, produkcja modułów i elementów, sektor lotniczy i kosmiczny, nauki przyrodnicze, medycyna, nanotechnologia, sektor farmaceutyczny, fotonika, telekomunikacja, półprzewodniki, astronomia i mikroskopia. Najważniejsze cechy wyróżniające te systemy to: materiały oraz parametry montażu, wybrane do użycia w warunkach próżniowych, a w szczególności silnik oraz podzespoły elektroniczne, cechujące się odpowiednimi parametrami wytrzymałościowymi materiału i odpornością termiczną, zgodność z metodą usuwania gazu poprzez wygrzewanie (bake-out) oraz praktyki czystego przygotowywania i wysyłania w celu uniknięcia skażenia.
Projektowanie systemów pozycjonowania
Doświadczony dostawca urządzeń i systemów z branży sterowania ruchem powinien dogłębnie rozważyć wszystkie aspekty danej aplikacji próżniowej, aby upewnić się, że uwzględniono wszystkie parametry. Po pierwsze, trzeba pamiętać, że komory próżniowe cechują się ograniczoną przestrzenią i wymagają kompaktowych wymiarów. Podzespoły elektroniczne, takie jak regulatory czy wzmacniacze, nie przetrwają w warunkach próżni, zatem należy je umieścić poza komorą próżniową, co wiąże się z uwzględnieniem w projekcie przepustów i okablowania. Część komponentów elektronicznych – takich jak silniki, wyłączniki krańcowe i pozycjonujące oraz głowice odczytu kodera – powinna się znajdować wewnątrz komory, a ich konstrukcja musi być zgodna z wymaganiami zastosowań próżniowych oraz przystosowana do szerokiego zakresu zmiennych temperatur panujących w komorze.
Oprócz podstawowego doboru materiałów i sposobu wykończenia powierzchni, korpus stolika do pozycjonowania należy zmontować ze zwróceniem szczególnej uwagi na to, by nie dopuścić do powstania kieszeni uwięzionego powietrza. Kieszenie powietrzne mogą ulegać powolnemu wygazowaniu. Nazywa się je wirtualnymi wyciekami i mogą opóźnić, a nawet uniemożliwić wytworzenie warunków stabilnej próżni. Ponadto należy odpowietrzyć otwory i śruby. Nie powinno się dopuścić do powstania kieszeni uwięzionego powietrza pomiędzy powierzchniami podczas ich dokręcania (np. podczas dokręcania do płyty konstrukcji z usztywniającymi żebrami) – lub należy zapewnić sposoby opróżniania takich kieszeni (np. otwór odpowietrzający).
Bardzo ważny jest wybór odpowiednich komponentów, zwłaszcza elementów napędowych. W szczególności należy wziąć pod uwagę aspekt wytwarzania przez nie ciepła podczas pracy, gdyż odpływciepła jest niezwykle utrudniony w warunkach próżni. Zatem przy wyborze tych elementów przydatna jest znajomość planowanych cykli pracy. Pozwala to na badanie własności cieplnych i zachowania poszczególnych części układu pod wpływem ciepła.
Silniki zgodne z wymaganiami zastosowań próżniowych
Wykorzystanie silników pozwala na szybkie ustawianie elementów wewnątrz komory i umożliwia wykonanie skanowania, przeszukiwania i przeprowadzenie sekwencji ruchowych. Wybór optymalnego typu układu napędu i ruchu będzie zależeć od wymagań związanych z danym zastosowaniem: dokładności absolutnej pozycjonowania, minimalnego ruchu przyrostowego, dwukierunkowej powtarzalności czy stabilności w danej pozycji. W przygotowaniu takich aplikacji kluczowa jest zatem współpraca z dostawcą podsystemów sterowania ruchem, który zapewni dostęp do szerokiej gamy narzędzi z branży technologii przemieszczeń.
Silniki krokowe to uniwersalny typ silnika magnetycznego, który nie wymaga komutacji z użyciem szczotek, co stanowi zaletę w przypadku odgazowywania i wydłużenia eksploatacji silnika w zastosowaniach próżniowych. Silniki te zapewniają wewnętrzną siłę podtrzymywania i mogą być obsługiwane w różnych trybach, w zależności od potrzeb danej aplikacji. Stoliki próżniowe z silnikami krokowymi zwykle wykorzystują specjalne dwufazowe silniki krokowe, które działają niezawodnie w warunkach ciśnienia do 109 hPa i są pozbawione parametrów konstrukcyjnych niezgodnych z wymaganiami do zastosowań próżniowych, występujących powszechnie w typowych silnikach krokowych. Przykładowo, dwufazowe silniki krokowe do zastosowań próżniowych zwykle mają obudowę ze stali nierdzewnej, aktywnie podgrzewaną do 120°C (248°F) w celu odgazowania, i oczywiście bez elementów z tworzywa sztucznego i innych materiałów niespełniających wymagań.
Inne powszechne typy silników w mniejszym stopniu nadają się do zastosowania wewnątrz komory. Przykładowo, szczotkowe serwosilniki DC stanowią zwykle nie najlepszy wybór ze względu na nieuniknione wyładowania łukowe na szczotkach, co ma wpływ na proces odgazowania i może prowadzić do powstania niebezpiecznych ścieżek prądu w koronie. Podobnie ewentualne wykorzystanie magnetycznych silników liniowych wiąże się z poważnymi problemami w zakresie gospodarki cieplnej w zastosowaniach próżniowych i zwykle unika się ich implementacji.
Zmniejszenie stopnia smarowania środkami smarnymi lub całkowite ich wyeliminowanie oznacza, że stoliki próżniowe z napędami silnikowymi oferują niższe prędkości oraz krótszy okres eksploatacji w porównaniu z równoważnymi modelami, których parametry zostały dostosowane do celów laboratoryjnych lub produkcyjnych.
Technologia piezoelektryczna oferuje kolejną klasę napędów dla branży sterowania ruchem, a co do zasady klasa ta jest wyjątkowo dobrze dostosowana do użytku w warunkach próżniowych ze względu na brak konieczności stosowania środków smarnych w elementach napędu piezo (ani elastycznych przegubów, w których są montowane). Na przykład aktuator (element wykonawczy) piezoelektryczny wykazuje poprawność sterowania przemieszczeniem w zakresie nanoskali nawet w warunkach kriogenicznych, aż do temperatury 271°C (456°F).
Aktuatory te pozwoliły wyeliminować izolację polimerową, którą zwykle stosowano w przypadku stosów piezoelektrycznych, a która nie jest przeznaczona do warunków próżniowych – zastąpiono ją zaawansowaną obudową ceramiczną, z natury dostosowaną do warunków próżniowych. Stosy te stanowią podstawę w wielu zastosowaniach wymagających najwyższej precyzji, np. w mikrolitografii – jako że przyłożenie napięcia powoduje szybkie odkształcenie materiału, którym można precyzyjnie sterować znacznie poniżej nanoskali, choć zakres przemieszczenia jest z konieczności niewielki.
Stoliki do skanowania z jedną lub wieloma osiami i aktuatorem piezoelektrycznym stanowią połączenie rozdzielczości na poziomie nanometrów, z precyzją prowadzenia przy zminimalizowanym przeniku. Dzięki temu szczególnie dobrze nadają się do zastosowań referencyjnych w metrologii, do procesów mikroskopowych, interferometrii lub do systemów kontroli przy produkcji półprzewodnikowych układów scalonych.
Oprócz znanych stosów piezoelektrycznych, ceramikę piezoelektryczną wykorzystuje się także w konstrukcjach nowoczesnych silników, eliminując wady w postaci niewielkiego przesuwu. Niektóre z silników piezoelektrycznych oferują wielomilimetrowy przesuw, a przy tym zachowują rozdzielczość pozycjonowania poniżej nanometrów, z której słyną stosy piezoelektryczne.
Niezależnie od zasady napędu, wszystkie silniki piezoelektryczne można skonfigurować do użycia w warunkach próżni przez proste zwrócenie uwagi na elementy konstrukcyjne, jak np. izolacja przewodów. Silniki piezoelektryczne można wykorzystać do zastosowań z wysokim natężeniem pola magnetycznego, takich jak obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI), ponieważ nie powodują wytworzenia pola magnetycznego, ani też pola magnetyczne nie wywierają na nie wpływu. Silniki piezoelektryczne są modułami uruchamiającymi w warunkach bardzo wysokiej próżni, szczególnie gdy wymagana jest odporność na promieniowanie i zakres przemieszczania w skali milimetrów.
Napędy krokowe to typ silnika piezoelektrycznego opartego wyłącznie na zjawisku tarcia statycznego między stykami kilku aktuatorów piezoelektrycznych na pręcie. Aby zrealizować sprzężenie w przód (dodatnie), aktuatory są fizycznie podnoszone z pręta, co minimalizuje ich zużycie i ścieranie. Takie napędy cechują się wysoką rozdzielczością poniżej jednego nanometra. Ich niewielkie rozmiary sprawiają, że doskonale nadają się jako systemy napędowe do stolików i aktuatorów w warunkach próżni do ciśnienia 109 hPa, umożliwiając ich użycie w sześcioosiowych systemach tzw. heksapodów – np. w specjalistycznych urządzeniach do zastosowań z wysokim natężeniem pola magnetycznego.
Ruch wieloosiowy w próżni
Ruch wieloosiowy można uzyskać przez zastosowanie klasycznych stosów pojedynczych stolików liniowych i obrotowych (kinematyka szeregowa) lub z wykorzystaniem bardziej kompaktowej i estetycznie wyglądającej kinematyki równoległej. W tym zakresie znane są dwa podstawowe rozwiązania: nastawniki sześcionożne (po grecku heksapod = sześcionóg) oraz SpaceFab. Sześcionogi znane są również jako platformy Stewarta Gougha.
Heksapody cechują się mniejszym przemieszczeniem w płaszczyźnie XY w porównaniu ze SpaceFab, ale mają większą sztywność, większą obciążalność, większy zasięg kątowy i zajmują mniejszą powierzchnię. Do głównych zalet rozwiązania SpaceFab należy wirtualnypunkt środka obrotu. Niektórzy producenci dodają też wyjątkowo staranne zarządzanie okablowaniem, co eliminuje problem z przesuwaniem kabli.
Przykładem może być sześcioosiowy system do mikropozycjonowania i wyrównywania, który zapewnia ruch rzędu poniżej jednego mikrona w sześciu stopniach swobody, z wysoką rozdzielczością. Jest on skonstruowany do pracy w próżni i zapewnia do 45 mm (ruch liniowy) i 25 stopni (ruch obrotowy).
Największą zaletą sześcionogów są ich niewielkie rozmiary w porównaniu z tradycyjnymi sześcioosiowymi stosami stolikowymi. Jest to szczególnie korzystne w komorach próżniowych, w których ilość miejsca pozostaje mocno ograniczona. Wiele modeli ma również otwory przesłonowe, ułatwiające wykorzystanie w optyce. Typowe zastosowania dotyczą głównie technologii półprzewodników, wieloosiowej regulacji w optyce, mikroskopii rentgenowskiej oraz monochromatorów wykorzystujących promieniowanie rentgenowskie.
Autor: Scott Jordan jest dyrektorem ds. nanotechnologii w automatyce w firmie Physik Instrumente, a Stefan Vorndran pracuje tam jako wiceprezes ds. marketingu.
Tekst pochodzi z nr 4/2017 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.