PI遵循限定條件提供適合于真空環(huán)境的精密定位設(shè)備。首先，必須避免真空室因磨損或除氣以及過多的熱量輸入而被顆粒污染。此外，安裝空間通常很有限。PI在真空技術(shù)與應(yīng)用以及高垂直化的制造方面擁有多年經(jīng)驗(yàn)。因此PI能夠通過合適的驅(qū)動(dòng)元件、材料選擇、設(shè)計(jì)和配件以及適當(dāng)?shù)闹圃旃に嚭唾|(zhì)量控制而提供專門針對(duì)真空應(yīng)用需求量身打造的標(biāo)準(zhǔn)和定制型產(chǎn)品。

　　標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的真空度達(dá)10-9百帕，定制解決方案則可達(dá)10-12百帕

　　壓電直接驅(qū)動(dòng)器的位置分辨率小于1納米，電動(dòng)平臺(tái)的位置分辨率小于1微米

　　行程為數(shù)10微米至100毫米，甚至可選擇更大

　　負(fù)載能力高達(dá)數(shù)百公斤

　　可在磁場(chǎng)和EUV中運(yùn)行

　　精心選擇材料、元件及配件

　　考慮除氣行為

　　適合真空的制造工藝

　　對(duì)材料、元件及最終產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試和質(zhì)量控制的設(shè)備

　　適用于真空環(huán)境的定位解決方案

　　PI提供適用于真空應(yīng)用的各種運(yùn)動(dòng)技術(shù)：其中包括在強(qiáng)磁場(chǎng)和低溫環(huán)境下依然可以工作的壓電陶瓷促動(dòng)器，行程低于1.5毫米且精度可達(dá)亞納米級(jí)的壓電系統(tǒng)，在力、動(dòng)力學(xué)和行程方面采用多種設(shè)計(jì)的壓電電機(jī)以及采用專門設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)更大行程的直流或步進(jìn)電機(jī)的電動(dòng)定位器和可在六個(gè)自由度上進(jìn)行定位的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)六足位移臺(tái)。

　　01

　　適用于真空環(huán)境的定位解決方案

　　行程高達(dá)數(shù)十微米至數(shù)十毫米

　　響應(yīng)時(shí)間為數(shù)微秒

　　分辨率處于亞納米范圍

　　不產(chǎn)生磁場(chǎng)

　　陶瓷隔離，除氣率低

　　低磨損

　　無需潤(rùn)滑

　　PICMA多層促動(dòng)器兼具高可靠性和長(zhǎng)使用壽命。由于采用無機(jī)材料(例如用于絕緣和電氣接觸)，因此可以將其加熱至高達(dá)150攝氏度。

　　PI提供多種基于壓電陶瓷促動(dòng)器而開發(fā)的產(chǎn)品。壓電陶瓷促動(dòng)器無需潤(rùn)滑，也不會(huì)造成磨損。其運(yùn)動(dòng)基于壓電效應(yīng)，因此無任何磨損。由于壓電效應(yīng)存在于電場(chǎng)之中，因此壓電陶瓷促動(dòng)器既不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，也不受磁場(chǎng)影響。即使在接近0開氏度的最低溫度下，依然存在壓電效應(yīng)。此外，壓電陶瓷對(duì)高能輻射不敏感。PICMA全瓷絕緣促動(dòng)器不需要聚合物絕緣，并且為超高真空應(yīng)用提供了最佳條件：無除氣且可承受高達(dá)150攝氏度的溫度。

　　壓電陶瓷促動(dòng)器的高剛度可實(shí)現(xiàn)高力生成和高動(dòng)態(tài)性。微秒級(jí)的快速響應(yīng)時(shí)間得益于其數(shù)百千赫茲的高諧振頻率。與線性促動(dòng)器相比，壓電陶瓷促動(dòng)器的行程通常介于數(shù)十至數(shù)百微米之間。而彎曲型促動(dòng)器則可達(dá)到數(shù)毫米。壓電陶瓷促動(dòng)器可達(dá)到亞納米級(jí)的分辨率。

　　超高真空度可達(dá)10-10百帕：S-330壓電偏擺臺(tái)可提供亞毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，分辨率達(dá)20納弧度，光束偏轉(zhuǎn)達(dá)20毫弧度(>1度)。壓電陶瓷促動(dòng)器的行程通過集成適用于真空的柔性鉸鏈導(dǎo)向而增加。

　　超高真空度可達(dá)10-10百帕：N-216 NEXLINE線性驅(qū)動(dòng)器的行程高達(dá)20毫米，產(chǎn)生的力高達(dá)600牛，并配有適合真空的增量傳感器。

　　超高真空度可達(dá)10-10百帕：P-733.3壓電系統(tǒng)在X、Y向上的行程高達(dá)100微米×100微米，在Z向上的行程高達(dá)10微米。一體式柔性鉸鏈導(dǎo)向免維護(hù)、無摩擦、無磨損且無需潤(rùn)滑。它們百分百真空兼容，可在很廣的溫度范圍內(nèi)工作。

　　根據(jù)配置和控制的不同，壓電陶瓷促動(dòng)器可用于平移、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(偏擺) 或用作電機(jī)。驅(qū)動(dòng)原理的選擇取決于相應(yīng)應(yīng)用所需的行程、力、分辨率和速度。除驅(qū)動(dòng)類型外，選擇合適的材料和額外的元件對(duì)于壓電定位系統(tǒng)的真空兼容性至關(guān)重要。因此，請(qǐng)選擇適合真空的殼體、位置傳感器和導(dǎo)向系統(tǒng)，例如電容傳感器或柔性鉸鏈導(dǎo)向。此外，壓電電機(jī)無需潤(rùn)滑油或油脂即可運(yùn)行。

　　無論驅(qū)動(dòng)原理如何，所有壓電電機(jī)均可以在真空中使用，并且是首選的驅(qū)動(dòng)器，尤其在要求毫米級(jí)行程的情況下更是如此。

　　02

　　適用于真空的電動(dòng)定位器

　　標(biāo)準(zhǔn)行程為5毫米至200毫米

　　標(biāo)準(zhǔn)速度高達(dá)10毫米/秒

　　標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載能力高達(dá)10公斤

　　可根據(jù)要求提供與真空兼容的其他產(chǎn)品

　　低除氣率

　　適用于真空的材料和電機(jī)設(shè)計(jì)

　　超高真空度可達(dá)10-9 百帕：精密線性平臺(tái)L-509的行程為26至102毫米，重復(fù)精度為0.1微米。

　　PI為選定的產(chǎn)品系列提供了已適用于高真空(HV)或超高真空(UHV)的特定真空就緒標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。此外，大多數(shù)PI產(chǎn)品都可以根據(jù)要求進(jìn)行改進(jìn)而在真空中使用。PI提供的產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)低至10-9百帕的大氣壓力。在某些情況下，甚至可以達(dá)到10-10百帕。

　　表1示出了為達(dá)到相應(yīng)的真空等級(jí)而采取的不同措施。

　　高真空度可達(dá)10-6百帕：設(shè)計(jì)緊湊的精密Z向位移臺(tái)。通過采用低除氣材料來潤(rùn)滑導(dǎo)軌和傳動(dòng)螺桿，可承受溫度高達(dá)80攝氏度。

　　高真空度可達(dá)10-6百帕：具有無限制行程和高達(dá)20微弧度重復(fù)精度的精密轉(zhuǎn)臺(tái)L-611。

　　高真空度可達(dá)10-6百帕：適用于XY裝置的緊湊型線性平臺(tái)M-110、M-111和M-112。

　　03

　　適用于真空的六足位移臺(tái)

　　六自由度

　　緊湊型設(shè)計(jì)

　　自由定義的樞軸點(diǎn)

　　高剛度

　　適用于真空的驅(qū)動(dòng)技術(shù)

　　多種六足位移臺(tái)系列具有適用于可達(dá)10-6百帕(HV)真空的變體，例如H-811.I2適用于高達(dá)20毫米/秒的速度(左圖)，H-850適用于高達(dá)250千克的有效載荷。

　　六足位移臺(tái)平臺(tái)適用于在所有六個(gè)自由度(即三條線性軸和三條旋轉(zhuǎn)軸)實(shí)現(xiàn)負(fù)載的精準(zhǔn)定位和校準(zhǔn)。六足位移臺(tái)采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即移動(dòng)平臺(tái)由多個(gè)促動(dòng)器同時(shí)致動(dòng)。在并聯(lián)運(yùn)動(dòng)六足位移臺(tái)中，所有驅(qū)動(dòng)器均作用于單個(gè)移動(dòng)平臺(tái)，從而使其比堆疊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為緊湊。六足位移臺(tái)具有較高的剛性，因此可以沿任何方向安裝。由于僅移動(dòng)一個(gè)平臺(tái)，因此與堆疊或嵌套的定位系統(tǒng)相比，其整體運(yùn)動(dòng)質(zhì)量較低，從而導(dǎo)致慣性較小，因此所有運(yùn)動(dòng)軸的動(dòng)力學(xué)性能均較高。

　　基于其設(shè)計(jì)，六足位移臺(tái)可在任意空間方向上定位數(shù)公斤甚至數(shù)噸的負(fù)載，而獨(dú)立于安裝方向且具有亞微米級(jí)的精度。設(shè)計(jì)合理的六足位移臺(tái)適合在真空中使用，并且通過采用電動(dòng)機(jī)或壓電驅(qū)動(dòng)器以及適合真空的傳感器技術(shù)可適應(yīng)不同的真空等級(jí)。

　　超高真空度可達(dá)10-7百帕：一種定制的在X-射線顯微鏡中精密定位聚焦光學(xué)器件的6自由度解決方案。

　　專為EUV應(yīng)用而設(shè)計(jì)的定制型六足位移臺(tái)：驅(qū)動(dòng)器(在這種情況下為電動(dòng)機(jī))安裝在EUV室外部;內(nèi)部?jī)H有用于功率傳輸?shù)臒o源元件。

　　UHV至10-9百帕：定制的小型六足位移臺(tái)移動(dòng)負(fù)載高達(dá)約1.5千克，線性行程范圍高達(dá)1.5毫米，角度高達(dá)2度。它可以與適合真空的NEXLINE壓電步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及集成式增量傳感器一起使用。

　　在真空方面面臨的挑戰(zhàn)：除氣和真空等級(jí)

　　01

　　除氣

　　為了確定所需的真空等級(jí)，有必要盡量了解應(yīng)用。例如，EUV光刻、微電子電路生產(chǎn)或使用SEM(掃描電子顯微鏡)進(jìn)行材料分析不僅對(duì)壓力范圍有著不同的要求，而且對(duì)真空室內(nèi)允許的殘余材料也有著不同的要求。因此，除氣速率是另一項(xiàng)相關(guān)的規(guī)范。HC(碳?xì)浠衔?的分壓往往具有決定性的影響。由于除氣決定了系統(tǒng)中的壓力(以及真空泵的容量)，因此除氣會(huì)阻礙達(dá)到低壓值的速度。此外，除氣化合物可能沉積在光學(xué)元件或其他敏感設(shè)備的表面上，并可能掩蓋或損壞它們。因此，殘留氣體必須含有很少的或不含HC，也不得含有鋅、鉛或鎘等蒸氣壓較高的金屬。

　　02

　　真空等級(jí)

　　真空表示處于容器中氣體壓力下的氣體狀態(tài)，因此顆粒數(shù)密度低于外部密度或氣體壓力低于300毫巴，即小于地球表面大氣壓力的最低值{DIN 28400}。其單位為[百帕]、[毫巴]或[托]。定義了五種不同級(jí)別的真空等級(jí)：低、中、高、超高和極高(如表 2). PI為選定的產(chǎn)品系列提供了已適用于高真空(HV)或超高真空(UHV)條件的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。此外，大多數(shù)PI產(chǎn)品都可以根據(jù)要求進(jìn)行改進(jìn)而在真空中使用。PI提供的產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)低至10-9百帕的大氣壓。在某些情況下，甚至可以達(dá)到10-12百帕。

　　如何克服真空應(yīng)用的挑戰(zhàn)

　　由于除氣對(duì)于創(chuàng)建和維持清潔的高真空環(huán)境是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因此在真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中必須合理選擇材料和處理方法。要制造應(yīng)用于高真空(HV)或超高真空(UHV)的產(chǎn)品，必須考慮以下因素：材料選擇、設(shè)計(jì)以及制造和裝配工藝。

　　01

　　材料與設(shè)計(jì)

　　無粒子發(fā)射

　　無除氣

　　抗烘烤且耐高溫

　　無虛漏

　　微小表面

　　首選

　　材料

　　不銹鋼、鋁、鈦、青銅、FKM(例如Viton)、陶瓷、藍(lán)寶石、PTFE(例如Teflon)、PEEK、聚酰亞胺(例如Kapton)、玻璃陶瓷(例如Macor)

　　該材料無法除氣，因此為克服更高真空等級(jí)所必需的耐受溫度，必須具有耐熱性。然而，必須同時(shí)保持所需的精度和高位置分辨率以及平面度。

　　例如，常見的電氣和電子設(shè)備包含不適合真空應(yīng)用或僅適于有限真空范圍的元件。其中包括電纜、電機(jī)、測(cè)量系統(tǒng)、連接器或限位開關(guān)。PI為所有這些元件實(shí)現(xiàn)了特定的產(chǎn)品功能，以大幅降低其除氣并創(chuàng)建清潔的真空環(huán)境。

　　因此，真空定位系統(tǒng)應(yīng)使用鋁合金、不銹鋼、鈦或青銅等材料。表面處理應(yīng)適合于真空等級(jí)，例如，較高真空等級(jí)的表面不得鍍膜而應(yīng)采用白鋁或電拋光。為應(yīng)用于高真空和超高真空，應(yīng)使用專用真空潤(rùn)滑油。根據(jù)需求，潤(rùn)滑油可以在訂貨時(shí)指定。真空電纜絕緣層可采用PTFE或FEP(聚四氟乙烯)，也可以采用聚酰亞胺(Kapton)或PEEK。盡可能減少使用粘合劑。

　　為適合UHV應(yīng)用而改進(jìn)的電機(jī)：除氣孔、聚酰亞胺屏蔽編織結(jié)構(gòu)和清潔的不銹鋼表面。

　　在真空平臺(tái)設(shè)計(jì)中，嚴(yán)格要求采用適合真空的材料替代標(biāo)準(zhǔn)材料。另一項(xiàng)要求是減小并最小化系統(tǒng)表面。此外，由于其行為類似真空中的虛漏，因此務(wù)必避免空氣夾雜物。

　　由于只有狹窄的通路連接至真空室，因此無法輕易抽出其中殘留的氣體。這延遲了達(dá)到所需真空度的時(shí)間。

　　殘留的氣體通常是由不通氣或通氣不暢的螺紋盲孔造成的。盲孔位于螺釘?shù)募舛嘶蚵葆旑^的邊緣下方。此外，如果將定位器安裝在基板上或?qū)颖竟潭ㄔ诙ㄎ黄魃希瑒t被覆蓋的盲孔往往會(huì)導(dǎo)致虛漏。如果因螺釘而引起虛漏，則建議使用排氣螺釘?shù)炔考?/p>

　　02

　　適合真空的制造工藝

　　無塵室制造

　　超潔凈作業(yè)場(chǎng)所

　　超聲清洗

　　真空室可達(dá)10-10百帕

　　真空定位系統(tǒng)的條件和操作規(guī)程與設(shè)計(jì)原則同等重要。真空平臺(tái)在無塵室內(nèi)安裝。所有元件均在超聲波清洗器中清洗。并通過一種無顆粒的包裝運(yùn)輸。在裝配真空定位器之前，所有純金屬部件均應(yīng)在超聲波清洗器中經(jīng)受清洗工藝。電氣和電子設(shè)備均進(jìn)行擦拭清潔。對(duì)軸承和導(dǎo)向裝置等標(biāo)準(zhǔn)潤(rùn)滑組件進(jìn)行脫脂、清洗并用專用真空潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。在人工氣候室中干燥超聲波清洗過的組件。

　　請(qǐng)遵照嚴(yán)格的條例，在規(guī)定的無塵室條件下或在流式箱中進(jìn)行裝配和測(cè)試。

　　請(qǐng)?jiān)跓o塵室或流式箱中裝配平臺(tái)。裝配后，必須在潔凈的環(huán)境中對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行性能測(cè)試。對(duì)每種類型的平臺(tái)以及在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行真空關(guān)鍵性更改時(shí)均應(yīng)進(jìn)行真空測(cè)試。裝配后，請(qǐng)以真空密封袋包裝系統(tǒng)，以防止灰塵、空氣和濕氣進(jìn)入：首先，該平臺(tái)在人工氣候室中經(jīng)受烘烤工藝。在內(nèi)部真空袋中包裝并密封該平臺(tái)后，將其放入第二個(gè)外部真空袋中，然后再將其完全真空密封。

　　如何檢驗(yàn)在真空中使用的定位解決方案

　　標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試

　　按需提供定制測(cè)試

　　可根據(jù)要求提供殘余氣體分析的測(cè)量方案

　　不同容積的真空室

　　適合于真空的產(chǎn)品均在PI進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。此外，可以安排針對(duì)單獨(dú)真空應(yīng)用的定制測(cè)試。PI擁有多個(gè)具有不同容積的真空室，因此可進(jìn)行烘烤和殘留氣體分析。

　　為測(cè)試單個(gè)組件或測(cè)試小型平臺(tái)，約10升的真空室可供選擇。小型真空室配有由一個(gè)400升/秒(N2)渦輪分子泵和一個(gè)用于連續(xù)壓力感測(cè)的壓力傳感器組成的泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，這意味著可以達(dá)到10-10百帕以下的壓力。加熱裝置允許高達(dá)200攝氏度的加熱除氣溫度。

　　容積為260升的大腔真空室專為長(zhǎng)達(dá)800毫米的大型平臺(tái)、六足位移臺(tái)和多軸系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。包含700升/秒(N2)渦輪分子泵和壓力傳感器的泵試驗(yàn)臺(tái)允許進(jìn)行低至10-9百帕的測(cè)試。一體式加熱系統(tǒng)可以使加熱除氣溫度達(dá)到150攝氏度。

　　PI大型真空室測(cè)試設(shè)備的容積為260升。

　　對(duì)平臺(tái)進(jìn)行真空運(yùn)行測(cè)試時(shí)，可以使用不同尺寸的法蘭，以用于帶有各種密封件的電機(jī)電流、線性編碼器、限位開關(guān)、溫度傳感器等。如果需要進(jìn)行干涉測(cè)量或者需要目視觀察流程，則兩種真空室均可以配備觀察窗。四極質(zhì)譜儀可用于1 amu至200 amu之間的實(shí)時(shí)RGA(殘留氣體分析)，并且可以連接到這兩種真空室。

　　PI在真空室中通過真空壓力測(cè)量和RGA(殘留氣體分析)對(duì)真空產(chǎn)品進(jìn)行分類和驗(yàn)證。根據(jù)需要達(dá)到的真空度，相應(yīng)地對(duì)真空室和平臺(tái)進(jìn)行加熱除氣。

　　六足位移臺(tái)(HV)的抽空壓力曲線。抽空兩天后，最終壓力達(dá)到10-7百帕。

　　線性平臺(tái)L-509在高真空下的典型RGA掃描。除了在18 amu下出現(xiàn)強(qiáng)烈的水峰外，還觀察到了HC占有相當(dāng)?shù)谋戎亍?/p>

　　真空應(yīng)用

　　由于新技術(shù)的工作原理取決于真空環(huán)境，因此真空應(yīng)用變得越來越重要。

　　半導(dǎo)體技術(shù)

　　電子產(chǎn)品制造

　　掃描電子顯微鏡(SEM)

　　透射電子顯微鏡(TEM)

　　X射線斷層成像

　　高能束線設(shè)備

　　電子束加工

　　納米表征和納米結(jié)構(gòu)

　　EUV光刻

　　材料研究

　　設(shè)計(jì)用于高真空環(huán)境的PI六足位移臺(tái)相對(duì)于入射X射線進(jìn)行樣品定位(圖片來源：SURFACE systems+technology GmbH & Co. KG)

　　利用六軸樣本操縱器獲取的真空室內(nèi)部視圖(圖片來源：由弗拉斯卡蒂INFN LNF的Augusto Marcelli博士和意大利米蘭比可卡大學(xué)的Valter Maggi博士提供)

　　集成了PI平臺(tái)的真空室的內(nèi)部視圖(圖片來源：SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室)