关于负劲度震动隔离器的使用

将近40年以来，气动振动隔离器一直是稳定大多数工业及学术上重要的微型工程使用仪器的支柱。在微电子加工、工业激光/光学系统及生物研究领域中，对更加精密的振动隔离的需求每日剧增。这些所谓的"被动系统"风动工作台现在面临着新型的负劲度振动隔离器的严峻挑战。

负劲度振动隔离在工业和实验室环境中迅速得以流行完全是因为其能够有效地在各种各样富有挑战性的环境中进行振动隔离的能力。一只隔离器用于解决一个问题，而且问题的严重性确定了需要何种解决方案。

风动工作台自20世纪60年代以来就一直被用于隔离。基本上是一罐罐的空气，现在他们依然是所使用的最流行的隔离器。但是，共振频率为2至2.5Hz的风动工作台在典型情况下只能处理低到8至10Hz的振动，对于今日之纳米设备最适合的表现来说，它还是不够低。同样，在空气隔离器能够处理的频率范围内也需要更大的隔离功效。

需要更好的隔离作用

尽管数年以前风动系统的表现就已经够用了，但是现在还是需要更好的隔离作用。对于清理扫描探针显微镜和干涉计来说，风动工作台这个解决方案就不够用了。

由于其隔离效率极高，负劲度振动隔离系统能够让诸如扫描探针显微镜、微型硬度测试仪、仿形铣床以及扫描电子显微镜这类的振动敏感仪器在性能最好的风动工作台及其他启动隔离系统都不能起作用的严酷的条件和严峻的振动环境中运行。

完整的机械系统

负劲度振动隔离器使用了一种独特的、完全机械的低频率振动隔离的概念。由一只支持重量负荷的硬弹簧加上负劲度机制来提供垂直运动的隔离。把净垂直劲度弄得很低，不会影响到弹簧的静态负荷支撑的性能。与垂直运动隔离器呈系列连接梁-柱具有水平运动隔离的功能。梁-柱的"梁-柱"劲度是通过"梁-柱"效应来减少的。（梁-柱的作用就是与负劲度机制综合起来的弹簧。）其结果是能够处理极低的垂直和水平自然频率以及极高的内部结构频率的紧凑型被动隔离器。在2Hz的情况下，此隔离器（调整到0.5Hz）能够达到93％的隔离效果；在5Hz的情况下，达到99％；而在10Hz的情况下，达到99.7％。有10个关键点能够显示其好处：

低赫兹微扰所有隔离器均能够增强其共振频率，然后开始进行隔离。所以，在有风动工作台的情况下，所有在此范围内不能够被减轻的振动均能够被放大。这种低周波微扰会径直来到仪器这里。在0.5Hz共振情况下的负劲度隔离器在此频率情况下，几乎没有能量出现。在0.5Hz时，很难发现大的振动。

影像清晰负劲度振动隔离能够降低原子力显微镜中的噪音水平，例如，与性能最好的风动工作台相比，可以降低2至3个因数。这对于亚埃中的噪音水平来说意义尤为重大。其结果是使影像更加清晰，而且其特征与气动隔离系统难分伯仲。

严峻的振动环境由于纳米设备的使用变得越来越普及，实验室场地就愈来愈多地建立在易于发生振动的、严酷的环境之中，诸如在建筑的上层楼板上和清洁的室内等。此类严酷的振动场所对于气动隔离器来说过于极端，所以它无法有效地发挥自己的作用。但是，负劲度隔离器在此类环境中的表现却很好，与性能最佳的风动工作台所能够取得的影像相比，能够产生清晰很多的影像和数据。

严峻的环境—真空、极端的高低温差、辐射。在真空、极端的高低温差、辐射环境下运行时，风动工作台就有些难以适应了。然而在进行研究与试验时经常会需要这些严峻的运行环境，像是在半导体研究中所用的低温室。

所有金属负劲度系统均能够配置得适用于高真空及其他不利的环境之中，诸如极高和极低的温度以及辐射环境等。例如在真空情况下，可以将负劲度隔离器直接用于真空仓内。这使其有了一些诸如有效荷载重量低、系统更加紧凑消除与真空仓馈穿相关的问题这类的优势。

压缩空气风动工作台需要不断地供应压缩空气。这需要有个专用的压缩空气管道垂直连入工作室，一罐加压的气体或一台小型压缩机。即使有了专用的压缩空气管道，工作台的位置还是受你所拥有的气管的长度的限制。要将大罐的压缩空气安装牢固，以便将其危险性将到最低。换气罐很困难，而且很不方便。机械噪音和声学噪音的源头就是压缩机，而且从振动的立场来讲，这种选择也不是很好。

若能够让纳米环境形成机械隔离而不用处理运行振动隔离器的压缩空气，情况就会好很多。负劲度隔离器的好处就是他们不需要压缩空气。他们只是在机械形式下运行。不好的一方面是在建立实验室和在里面工作时总是要担心。

振动敏感设备的选择风动工作台的体积很大，构造庞大，而且会占用很多的实验室空间。而高性能的风动工作台所占用的空间更大。当你在实验室内摆放设备时，这就变成了一种限制因素。负劲度隔离器具有高性能的工作台面上的配置，比气动工作台要紧凑很多，而且便于移动。在需要这些配置的情况下，还可以将他们用作工作站、工作台以及磅秤。

调整负荷低频率被动振动隔离器对于重量负荷上的一些微小变化以及较大的位移有些敏感。气动系统采用调平阀来缓解这个问题。而负劲度隔离器具有一个很简单的手动调节装置来容纳重量负荷中的振动。对于不适用手动负荷调节的应用环境来说，他们提供了一种自动调节系统，可以使隔离器保持在精密的垂直平衡位置上。

扫描探针显微镜扫描探针显微镜（SPM）对振动隔离的要求在度量衡世界里是举世无双的。对于大多数SPM来说，垂直轴是最敏感的。在水平轴的情况下，他们同样对振动十分敏感。为了将噪音程度降到最低，根据亚埃的要求，一定要进行隔离。工作台面上的风动系统所提供从垂直隔离有限，而且水平隔离作用也不是很大。与风动工作台相比，负劲度隔离器的隔离性能提高了很多，便于使用，而且对设施没有要求。负劲度隔离器可以灵活地在垂直和水平方向定制共振频率。

激光/光学设备激光和光学系统、无论是用于学术实验室还是用于工艺环境，都极其容易受到环境的影响。这些仪器几乎是一定要进行振动隔离的。传统上，大型风动工作台是光学系统首选的隔离器，但是负劲度隔离器正越来越变成了一个热门选择。根据振动频率的不同，负劲度隔离器的性能要比风动工作台的性能高高10到100倍。

以激光为基础的干涉计是一种及其敏感的装置，它能分辨纳米级的运动及特征。他们通常会有一个很长的机械路径，这使得他们对振动更加敏感。这些能够产生很高性能的尖端的现代椭圆光度法技术所依赖的是低噪音，以便能够探测到边际运动。适当地对干扰计进行隔离可以让其分辨率做到能有多高就有多高。

光学仿形铣床对振动同样敏感。光学元件系统通常都十分复杂。较长的光学路径会导致振动角度放大。而光学风动工作台会使问题变得更加严重，因为他们的共振频率与地板振动正好相匹配。当风动工作台无法在这些环境中起作用时，负劲度0.5Hz隔离器能够对这些环境进行隔离。

维护及费用由于负劲度隔离器所使用的是简单的弹性结构以及能够变形的黏弹性材料，其隔离性能不会因实验室地板及加工室典型的微运动而退化，而传统的气动隔离器就会发生退化。成本合理的负劲度隔离器是比较着气动隔离器而定价的，而且在很多应用环境中价格是很低廉的。

ytjicky	2011-07-21 11:37
更多关于震动隔离的问题，欢迎与我们交流：tao.yang@zugophotonics.com 1JXa/f+

wym87	2011-11-06 22:42
谢谢楼主的资料，谢谢分享，楼主辛苦了，

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