在振动水平较高的位置，许多半导体制造工具中的内部气动隔振系统可能不足以隔振，从而需要使用额外的隔振系统 - 通常安装在底层地面平台下方。这可能是由于工具内部系统使用了“主动”消振。这些系统使用安装在支撑基架和隔离有效载荷之间的直线电机（洛伦兹力电机，有时称为“音圈”电动机），以提高工具的产量和分辨率。安装在有效载荷上的传感器可用于反馈回路，以改善系统的动态响应和隔振性能，来自系统工作台运动控制器的信息可用于前馈路径，以减少由工作台运动引起的有效负载反应。本文将证明这种系统可以安全地安装在由“硬安装”STACIS压电隔振系统1支撑的底层地面平台上，而不会对工具的内部隔振系统产生任何不利影响。因此，STACIS是适用于其他“软安装”底层地面主动系统的“无主动-主动”经验法则的一个例外。
前言
“无主动-主动”是一个经验法则，它规定任何采用主动隔振（内部）的机床都不能安装在同样使用主动振动控制的平台上。然而，该法则并不完全正确，因为它仅适用于某些类型的主动隔振系统。
之所以存在“无主动-主动”法则，是因为主动隔振系统之间可能会相互影响。这涉及两种机制。首先，两个质量-弹簧系统的联接产生了一个具有不同（和更复杂）“正常模式”频率的新系统 - 系统在干扰后振荡的频率。这可能会改变控制系统中的环路传递函数，并可能导致性能不稳定或不佳。这种机制不是两个系统中控制回路之间的联接，而是两个具有相似刚度的系统联接的结果。这也可以通过将带有主动气动系统的工具放置在被动气动平台的顶部来实现。STACIS主动隔振系统具有比典型气动系统高100倍的刚度，可避免这种情况。
第二种机制是工具内部的控制系统和支撑平台中系统之间的实际联接。下面是两个堆叠在一起的电动气动主动隔振系统的示意图（简化为一个自由度）：
每个系统都支持（气动）弹簧（K）上的质量（M1和M2）。这里M1表示工具和工具框架的底层地面平台。M2是工具中内部隔振的有效负载。这两个质量大致相等，K也是如此。每个主动系统都有一个传感器（s）、一个补偿系统和放大器（f）以及力致动器（F）。第二种机制涉及形成一个包含两个（名义上独立的）系统的不稳定或不合需要的控制回路。例如，M2上的干扰会在顶部传感器中产生信号，从而在顶部致动器中产生力。但顶部致动器也会推动低质量的M1。这导致在下部传感器中产生信号，并且在下部致动器中产生响应，从而导致力经由其支撑弹簧传递到M2。这样就形成了一个回路。这样的回路可能稳定也可能不稳定，但它们不受欢迎。
STACIS通过完全分离这两个控制回路来避免这些问题，如下图所示：
这里M1、M2和K表示与之前相同的元件，但下部弹簧、传感器和致动器由STACIS压电隔振系统代替。它由一个安装在小质量（m）（通常只有几公斤重）上的传感器（s）组成。传感器的输出被过滤并驱动PZT堆栈，该堆栈使高带宽伺服（通常为200 Hz）中的传感器输出无效。质量M1由比弹簧（K）硬100多倍的弹簧（Klarge）支撑。
工具的内部主动隔振系统不受STACIS系统存在的影响。
质量M2的正常振动模式不变，因为（系列）刚度仍然以K（Klarge>>K）为主。结果表明，工具控制系统的环路传递函数不变，其性能不受影响。直观地说，这是合理的：STACIS隔振器（Klarge）上的工具和平台的共振频率约为20 Hz - 这与大多数框架结构甚至许多地面结构中的最低共振相当。
此外，STACIS隔振系统完全不受现有工具主动系统的影响。这主要是因为PZT堆栈的刚度非常高（通常为数亿N/m）。任何通过（Klarge）传递到（m）的力实际上不会产生小质量的运动。这打破了任何潜在的“主动-主动”反馈循环。这也为STACIS提供了一个“即插即用”的特性 - 在大多数安装中，系统几乎不需要调整。
测试结果
为了证明STACIS支撑主动气动隔振系统的能力，我们在由STACIS隔振器支撑的平台上建立了一个ElectroDamp II系统。
ElectroDamp II是一款基于有效载荷式振动传感器、高力直线电机和基于DSP的控制系统的六自由度、高性能主动隔振系统。它利用传感器测量有效载荷运动，并施加补偿力以改善减振和隔振效果。此外，它还可以使用工作台运动控制器的信息来应用多轴前馈信号。它用于半导体制造设备，是典型的电动气动隔振系统。下面是系统的照片。ElectroDamp主动隔振器如A所示。整个系统占地约1.5平方米。隔振的有效载荷B是一个重达1650公斤的钢铸件。框架C采用焊接钢结构，重约500公斤，高1米。在它下面是一个标准的TMC底层地面平台D，它由环氧树脂粘合钢板和不锈钢外壳中的刚性阻尼层组成。它的重量约为850公斤。四个中等承重能力的STACIS隔振器E在浇筑的混凝土地面上支撑整个系统。基于DSP的STACIS控制器如F所示。
系统建立后，打开STACIS和ElectroDamp这两个系统。这两个系统都不需要任何调整就能正常工作和满足规格要求。然后运行ElectroDamp系统中的自动调谐算法来优化系统，这是其标准安装过程的一部分。自动调谐正常运行，只进行微小的增益调整（大约几dB）。这种适度的增益调整是典型安装的标志。
为了帮助理解ElectroDamp对现有的STACIS系统有多么不敏感，请查看ElectroDamp系统中的开环传递函数。通过“断开”控制系统回路、在断开的“输入”一半处注入测试信号以及在断开的“输出”一半处测量响应的幅度和相位来测量这些开环传递函数。
伺服工程师使用这些曲线来确定系统的稳定性和动态响应。它们显示了X、Z和θ-X（绕水平X轴旋转）自由度的开环传递函数。在每个图中，标记为A的曲线是使用直接放置在混凝土地面上的ElectroDamp框架测量得到的环路传递函数。标记为B的曲线是使用放置在STACIS平台上的系统测量得到的环路传递函数，其中STACIS处于激活（打开）状态。
在大多数区域，A和B曲线非常接近，很难区分它们。最重要的是，请注意，在STACIS平台上安装ElectroDamp系统不会改变每个DOF中主要振荡模式的幅度和频率。在20-50 Hz范围内看到的共振由焊接框架和铸件引起。
重要的是要记住环路传递函数正在测量的内容。安装在基架上的直线电机将力施加到有效载荷上，而有效载荷上的振动传感器将测量对该力的响应。这些曲线表明，频率响应与控制系统的细节无关，并不受STACIS的影响。特别是，任何在0.5 Hz至100 Hz带宽内工作的控制系统的频率响应都不会因STACIS而发生变化。
这一论点同样适用于使用前馈来消除对工作台运动作出有效载荷反应的系统：施加在前馈系统中的力将导致相同的有效载荷反应，而与STACIS的存在无关。原则上，这是一个比必要更严格的要求。在一个设计得当的前馈系统中，由工作台加速度产生的矢量力被直线电机产生的力抵消 - 如果这种抵消非常精确，那么有效载荷动态特性或频率响应并不重要。不会产生任何运动。
STACIS系统的好处
STACIS使工具制造商能够在对工具来说过于嘈杂的环境中安装设备。为了证明这一点，下图显示了安装STACIS上的底层地面平台上的TMC ElectroDamp系统的垂直振动传递函数。然而，我们没有将STACIS系统置于地面上，而是将其放置在由高承重能力STACIS隔振器支撑的第二地面平台（重1730千克）上。在测试中使用了第二个系统，以提供约1 μm振幅的受控地面激励。
在图中，曲线A是系统的振动传递函数，其中ElectroDamp和STACIS系统都处于关闭状态（仅限被动气动隔振器）。曲线B是仅使用ElectroDamp时的振动传递函数，C是两个主动系统同时运行时的振动传递函数。测量中使用的传感器是具有100x前置放大器的Kinemetrics型SS-1地震检波器。
从测量中可以看出，STACIS在10 Hz时的隔振度增加了近30 dB，总衰减量接近60 dB（C中的噪声是测量水平非常低的结果 - 约1 nm）。在2 Hz范围内（许多建筑物具有高噪声水平），系统可提供10 dB的隔振度 - 比单独的空气隔振器（曲线A）要好一个数量级。
结论
这些数据最终表明，使用直线电机来增强被动气动隔振系统性能的“软安装”主动隔振系统可以安装在基于STACIS的平台上，而不会影响其性能。
STACIS隔振系统对安装在其顶部的主动系统也不敏感，因为其控制回路的动态特性由PZT致动器和支撑地面的刚度决定，而这两者的刚度都比主动气动系统中的任何元件要大几个数量级。Klarge还帮助将STACIS控制系统与有效载荷上产生的力隔离开来。
STACIS为工具制造商和最终用户提供了更大的灵活性，使他们能够更灵活地安装使用主动系统的工具。例如，许多工具有安装现场的地面振动标准，工具必须达到这些标准以满足其性能规格。如果现场不符合此规范，则必须将工具移动到其他位置，或者将其放置在底层地面隔振系统上。与“软安装”隔振系统不同，STACIS可用于这些情况，而不会对工具产生任何不利影响。
作者：TMC副总裁兼首席技术官Peter G. Nelson博士
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