Kuskil kõige kaasaegsemate pooljuhtlitograafiasüsteemide, vahvlite kontrollitööriistade ja tipptasemel-koordinaatide mõõtmismasinate sees on komponent, mis teeb midagi, mis kõlab peaaegu ebausutavalt: täppislava, mis hõljub vaid mõne mikroni paksusel õhukilel ja liigub põhimõtteliselt nullhõõrdumisega. Graniidist õhklaagrite tööpõhimõtte mõistmine - ja miks just graniit on eelistatud materjal - selgitab palju selle kohta, kuidas saavutatakse ülitäpne liikumisjuhtimine-.
Põhiprintsiip
Õhklaager surub survestatud õhku läbi poorse või avaga{0}}toidetud pinna, luues õhukese pideva õhupadja kahe pinna vahele, mis muidu oleksid füüsilises kontaktis. Koormus - lava, spindel, liikuv laud - hõljub sõna otseses mõttes sellel õhukilel, mille paksus on tavaliselt 5–20 mikronit, olenevalt konstruktsioonist ja koormusnõuetest.
Kuna liikuvate ja liikumatute pindade vahel puudub füüsiline kontakt, puudub ka mehaaniline hõõrdumine, kleepuv{0}}libisemine ja sisuliselt kulumine. See on põhimõtteliselt erinev olukord tavapärasest mehaanilisest laagrist, millel - hoolimata sellest, kui hästi-töödeldud - on oma tööea jooksul alati teatud määral hõõrdumist, mikroskoopilisi pinna ebakorrapärasusi ja järkjärgulist kulumist.
Hõõrdumise ja kinni{0}}libisemise puudumine muudab õhklaagrid ülitäpse{1}}positsioneerimise jaoks väärtuslikuks. Mehaanilised laagrid kipuvad avaldama väikeseid, ettearvamatuid asendihüppeid väga madalatel kiirustel või suuna muutmisel - – nähtus, mida nimetatakse stick-libisemiseks, mis on põhjustatud üleminekust staatilise ja kineetilise hõõrdumise vahel. Enamiku tööstuslike rakenduste puhul pole see oluline. Etapi puhul, mis peab liikuma nanomeetrite sammuga, võib see olla positsioneerimisvea domineeriv allikas.
Miks on eelistatud kandepind graniit?
Õhklaagreid saab teoreetiliselt ehitada erinevatele lamedatele kõvadele materjalidele, kuid graniidist on saanud statsionaarse laagripinna (mida sageli nimetatakse laagriteeks või plaadiks) standardvalik suure täpsusega{0}}rakendustes, ja seda mitmel sarnasel põhjusel.
Tasasuse stabiilsus aja jooksul. Kuna graniidil on töödeldud metalliga võrreldes äärmiselt madal sisepinge (metall säilitab valu- ja töötlemisprotsessist tuleneva jääkpinge, mis võib kuude või aastate jooksul põhjustada järkjärgulisi väikeseid mõõtmete nihkeid), kipub graniidist kandepind oma tasasuse spetsifikatsiooni säilitama palju kauem kui metalli ekvivalent. Õhklaagri puhul, kus kogu jõudlus sõltub ühtlase ja kontrollitud vahe hoidmisest, on see stabiilsus kriitilise tähtsusega.
Madala poorsusega, kontrollitav pinnaviimistlus. Kandepind tuleb viimistleda väga spetsiifilise tasasuse ja karedusega -, mis on piisavalt tasane, et säilitada ühtlane õhukiht, kuid mitte nii sile, et see tekitaks soovimatuid pinnaefekte. Graniiti saab lihvida ja lappida vajaliku spetsifikatsiooni järgi etteaimatavamalt kui paljusid metalle, mis on viimistluse käigus pinna deformatsioonile kalduvamad.
Termiline stabiilsus. Nagu kagraniidist masinate alusedÜldiselt tähendab graniidi suhteliselt madal ja prognoositav soojuspaisumise koefitsient, et laagrivahe püsib väikeste temperatuurikõikumiste korral ühtlasem kui metallplaadil -, mis on otseselt seotud positsioneerimise täpsusega rakendustes, kus ümbritseva õhu temperatuur on kõikuv.
Mitte-magnetiline, elektriliselt inertne. Pooljuhtide ja elektroonikaseadmete tootmiskeskkondades on magnetväljade ja elektrijuhtivuse vältimine tundlike protsesside läheduses sageli raske nõue. Graniit rahuldab selle ilma täiendava töötlemiseta.
Kus graniidist õhklaagrid tegelikult ära harjuvad
Rakenduste loend näeb välja nagu ringkäik tänapäevase tootmise ja kontrolli{0}}kõrgeima täpsusega:
Pooljuhtide litograafia ja vahvlite kontrollimise etapid, kus on vaja sub{0}}nanomeetrilise positsioneerimise korratavust, et objektid plaadil õigesti joondada.
Koordinaatide mõõtemasinad (CMM-id) ja optilised/laser{0}}põhised mõõtesüsteemid, kus mõõtesond või kaamera peab liikuma suurel liikumisulatusel, ilma et see tekitaks oma positsioneerimisviga.
Lineaarsed mootoriastmed ja XY-tabelid, mida kasutatakse täppismontaažis, lasertöötluses (femtosekundilised ja pikosekundilised lasersüsteemid) ja optilise kontrolli seadmetes.
Täppiskuulkruvi ja lineaarse juhiku testimisseadmed, kus võrdlusetapp ise peab olema täpsem kui testitav komponent.
Kompromiss{0}}tasub teada
Õhklaagrid ei ole üldiselt mehaanilistest laagritest paremad - need nõuavad pidevat, puhast ja reguleeritud suruõhuvarustust, mis muudab süsteemi keerukamaks ja suurendab pidevaid kasutuskulusid. Samuti on neil üldiselt väiksem kandevõime pindalaühiku kohta kui samaväärsel mehaanilisel laagril ning õhuvarustuse saastumine või kahjustus võib jõudlust kohe mõjutada. Rakenduste jaoks, mis ei vaja nanomeetri-taseme positsioneerimist, on hästi-disainitud mehaaniline lineaarne juhis sageli praktilisem ja kulusäästlikum.
Otsus kasutada graniidist õhklaagrite süsteemi taandub tavaliselt lihtsale küsimusele: kas rakenduse positsioneerimise tolerantsi nõue langeb allapoole seda, mida mehaanilised laagrid usaldusväärselt saavutavad? Kui jah, on õhklaagrisüsteemi keerukuse suurendamine tavaliselt õigustatud. Kui tolerantsinõue on mõõdukam, jäävad mehaanilised lahendused säästlikumaks valikuks.
Takeaway
Graniidist õhklaagrid on hea näide sellest, kuidas ülitäppistehnika taandub sageli veaallikate ükshaaval kõrvaldamisele - hõõrdumine, kleepumine-libisemine, termiline triiv, jääkpinge -, mitte üksi läbimurdeline tehnoloogia. Õhklaagrite füüsikat on mõistetud aastakümneid; mis paneb kaasaegsed süsteemid saavutama nanomeetri{5}}taseme jõudlust, on selle põhiprintsiibi järgi iga komponendi akumuleeritud täpsus, alustades selle all oleva graniidi pinna tasasest ja stabiilsusest.