纳米级微动试验台的隔振设计研究

　　1 引言

　　实现纳米加工离不开纳米测控技术,纳米级驱动技术又是实现纳米级测控的关键。纳米级微动试验台用于纳米级驱动试验,其中的纳米级微驱动装置工作时的针尖与样品间距一般小于1nm,因此,任何微小的振动,如由说话的声音和人的走动所引起的振动都会对仪器的稳定性产生影响。许多样品特别是金属样品,在其恒电流扫描模式中,观察到的起伏通常为0.01nm,因此,好的仪器应具有良好的减振效果,一般由振动所引起的隧道间距变化必须小于0.001nm。鉴于通常的地板振幅为数十到数百纳米(x、y、z3个方向),故纳米级微动试验台减振系统的传递率在z方向要达到10^-6,在x、y方向亦要达到10^-5,方可满足减振要求。建筑物一般在10Hz~100 Hz频率之间摆动,当在实验室附近的机器工作时,可能激发这些振动。通风管道、变压器和马达所引起的振动在6Hz~65Hz之间;房屋骨架、墙壁和地板一般在15Hz~25Hz易产生与剪切和弯曲有关的振动。实验室工作人员所产生的振动(如地板上的行走)频率在1Hz~3Hz范围。因此,纳米级微动试验台减振系统的设计应主要考虑1Hz~100Hz之间的振动。

　　目前实验室较常用的减振系统,采用合成橡胶缓冲垫、弹簧悬挂和磁性涡流阻尼等3种综合减振措施来达到减振目的。需隔振仪器部分放置在一个由多层金属板叠置而成的平台上,每层金属板之间放置3个合成橡胶制成的小圆柱。平台由两级减振(两级框架)悬挂在金属屏蔽箱内或真空室内,在由弹簧悬挂的两级框架底部分别相对装有永久磁铁和铜板,振动微扰会引起铜板在磁铁所形成的磁场中上下运动,这种运动会在铜板内产生涡流,而涡流与磁场的相互作用反过来又会对这种相互运动产生阻尼,从而减小悬挂系统的振动[1]。

　　类似于纳米级微动试验台隔振要求的还包括:超精定位机构、超精密机床等,它们有使用空气弹簧作为隔振方案的[2],也有使用橡胶弹簧与金属螺旋弹簧合成作为一级隔振,再采用单纯的金属螺旋弹簧作为二级隔振方案[3],此处不再列举。上述这些方案针对多方向(x、y、z为主)、宽频域(1Hz~100Hz)外部激扰,实现10^-3~10^-6的超低传递率,起到了一定的作用,作者在此与同行进一步探讨纳米级微动试验台的隔振设计问题。

　　2 隔振系统的动力学分析

　　纳米级微动试验台是针对外部激扰进行隔离,故其为消极隔振系统[4]。超低传递率决定了隔振方案是多级隔振系统(单级隔振无法满足要求),亦为多自由度消极隔振系统^[5]。

　　2.1 二维力学模型及绝对传递率分析

　　首先以z方向为研究对象(x、y方向类似),建立多自由度消极隔振中最简单的两自由度消极隔振系统力学模型,如图1所示。