真空步進(jìn)電機(jī)在真空/高溫/低溫等環(huán)境的應(yīng)用以及真空電機(jī)原理

真空步進(jìn)電機(jī)在真空/高溫/低溫等環(huán)境的應(yīng)用以及真空電機(jī)原理

根據(jù)最近的一份新聞報(bào)道，目前至少有40個(gè)新的晶圓制造廠正處于規(guī)劃階段或正在實(shí)際建設(shè)中。由于每家工廠代表著20億至60億美元的投資，很容易估計(jì)，在未來(lái)3-5年內(nèi)，將有大約2000億美元進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)。在20世紀(jì)80年代，設(shè)備制造商開(kāi)始將他們的半導(dǎo)體制造工藝轉(zhuǎn)移到真空室中。雖然真空環(huán)境可能是特定過(guò)程的一部分，但它也具有不支持粒子運(yùn)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。

在真空區(qū)內(nèi)移動(dòng)或定位樣品或產(chǎn)品以及傳感的能力（一些最常見(jiàn)的要求）是通過(guò)位于真空室外部的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在這種類(lèi)型的控制方案中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)使用密封聯(lián)軸節(jié)的真空室壁傳輸其運(yùn)動(dòng)。這種傳統(tǒng)的真空運(yùn)動(dòng)控制方法有許多缺點(diǎn)，一個(gè)解決方案是，將電機(jī)置于真空室外部，使用磁性或機(jī)械進(jìn)給機(jī)構(gòu)，這迫使工程師使用有限數(shù)量的設(shè)計(jì)配置。例如，使用外部電機(jī)時(shí)，很難在真空室內(nèi)實(shí)現(xiàn)XY雙軸或者多軸運(yùn)動(dòng)（其中一級(jí)在另一級(jí)之上移動(dòng)），因?yàn)橛糜趥鬏旊姍C(jī)功率的機(jī)械部件極大地限制了設(shè)計(jì)的可能性。此外，真空室內(nèi)定位系統(tǒng)的精度、重復(fù)性和分辨率也會(huì)受到影響。


將電機(jī)直接放置在真空中，使工程師可以使用更多的物理布置，因?yàn)殡姍C(jī)電纜可以以任何方式布線，而不會(huì)抑制室內(nèi)的活動(dòng)。通過(guò)將電機(jī)直接耦合到負(fù)載上，精度和其他系統(tǒng)規(guī)格也可以大大提高。最后，由于真空系統(tǒng)的機(jī)械通常與整個(gè)真空電機(jī)一樣昂貴，因此，具有內(nèi)置電機(jī)的系統(tǒng)的成本通常低于外部安裝的替代系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)用于真空的電機(jī)越來(lái)越多，這些電機(jī)需要考慮獨(dú)特的環(huán)境條件，標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)不是真空應(yīng)用的合適選擇。一般來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)馬達(dá)在10^-4托或更低的真空中無(wú)法工作，主要原因是軸承中的潤(rùn)滑劑會(huì)蒸發(fā)，電機(jī)和電纜的絕緣材料也會(huì)蒸發(fā)，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“放氣”。在真空室內(nèi)放氣顯然是非常消極的，除了破壞電機(jī)，蒸發(fā)后的材料凝結(jié)在精密的光學(xué)元件和精密的機(jī)械裝置上，影響了應(yīng)用。石油基潤(rùn)滑脂蒸發(fā)，它們?cè)谡婵帐抑行纬闪苏羝?，其他材料蒸發(fā)得慢，硅酮是一個(gè)噩夢(mèng)，因?yàn)橐坏┱婵帐冶还柰廴?，幾乎不可能把它全部清理干凈，它?huì)繼續(xù)擴(kuò)散到真空室的任何東西。

電機(jī)在真空中冷卻也是一個(gè)問(wèn)題，傳統(tǒng)的電機(jī)是通過(guò)對(duì)流進(jìn)入周?chē)目諝夂捅砻娴膫鲗?dǎo)來(lái)冷卻。當(dāng)電機(jī)在真空中通電時(shí)，對(duì)流冷卻不可用，熱量主要通過(guò)安裝結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)來(lái)耗散。因此，在真空中操作電機(jī)時(shí)，必須為熱交換和更高溫度的操作做好準(zhǔn)備。
泄漏是電機(jī)在真空中運(yùn)行的另一個(gè)問(wèn)題，即使標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)在真空中可能不會(huì)排出氣體污染物，但電機(jī)的存在很可能會(huì)妨礙真空過(guò)程。例如，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，如果處理不當(dāng)，將“泄漏”空氣分子，從電機(jī)疊片、繞組、軸承和金屬表面的微小裂紋中緩慢釋放捕獲或粘附的氣體分子。當(dāng)這些多孔材料的表面未經(jīng)處理時(shí)，會(huì)發(fā)生泄漏，從而導(dǎo)致無(wú)法接受的長(zhǎng)停機(jī)時(shí)間或真空度不足。這種泄漏是一個(gè)機(jī)械問(wèn)題，而不是排氣的材料問(wèn)題。在真空中電動(dòng)機(jī)上的暴露的高壓導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生電暈效應(yīng)，稀薄的空氣很容易電離，電流會(huì)在無(wú)保護(hù)的高壓導(dǎo)體之間流動(dòng)。
放氣、冷卻、泄漏和電暈效應(yīng)——都可以在設(shè)計(jì)合理的真空電機(jī)中找到，例如，如果電機(jī)材料，如軸承潤(rùn)滑脂、紙槽襯墊、保形涂層、繞組絕緣和多種膠水全部或部分汽化，則可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)牟牧蟻?lái)防止放氣。特氟龍是真空應(yīng)用中常用的材料，因?yàn)樗浅７€(wěn)定，具有良好的溫度特性，而且價(jià)格合理。大多數(shù)金屬可在真空中使用（鎘和鋅除外），不銹鋼是真空/電機(jī)應(yīng)用的特別好材料。

一般來(lái)說(shuō)，在大氣壓在10^-4托之間，材料放氣速率并不顯著，在這個(gè)范圍內(nèi)，許多商用塑料是可用的，但潤(rùn)滑油通常需要仔細(xì)選擇。如果真空度在10^-7托范圍內(nèi)，必須消除大多數(shù)天然材料，只能使用有限數(shù)量的塑料。在這個(gè)范圍內(nèi)，真空潤(rùn)滑劑是必不可少的。在10^-9托時(shí)，不包括大多數(shù)塑料，必須使用干潤(rùn)滑劑。排氣也可能是由于電機(jī)清潔度不足造成的。在制造過(guò)程中，電機(jī)材料受到各種污染物的影響，并且總是留下微量材料，如鋼暴露于切削油，塑料在從模具擠出時(shí)被潤(rùn)滑，環(huán)氧樹(shù)脂與溶劑混合，此外，人手控制馬達(dá)會(huì)留下油的殘留物。不同的應(yīng)用需要不同真空純度，如果系統(tǒng)部件沒(méi)有得到適當(dāng)?shù)那鍧?，肯定?huì)有各種污染物釋放到真空室中。真空電機(jī)通過(guò)專(zhuān)有的提取和清潔工藝，進(jìn)入蒸汽脫脂無(wú)法觸及的深縫隙，加速污染物的分子變化，并使它們變得惰性。一般來(lái)說(shuō)，真空環(huán)境的敏感性通常需要使用由非揮發(fā)性材料制成的電機(jī)，經(jīng)過(guò)真空烘烤、加工以提取污染物，然后密封。

高溫除了本身是電機(jī)運(yùn)行的問(wèn)題外，還會(huì)導(dǎo)致加速放氣，為了防止電機(jī)故障和抑制放氣，選擇驅(qū)動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)電壓可以大大降低電機(jī)的工作溫度。高壓脈寬調(diào)制（pulse width modulation，脈沖寬度調(diào)制）驅(qū)動(dòng)比低壓線性驅(qū)動(dòng)更能加熱電機(jī)。雙極驅(qū)動(dòng)器一次使用電機(jī)中的所有銅產(chǎn)生的熱量比單極驅(qū)動(dòng)器使用一半銅產(chǎn)生的熱量少。此外，具有自動(dòng)減少備用電流的驅(qū)動(dòng)器，在電機(jī)不移動(dòng)時(shí)減少電流的伺服系統(tǒng)，也產(chǎn)生較少的熱量。

可使用熱敏電阻、熱電偶或電阻溫度計(jì)（RTD）監(jiān)測(cè)電機(jī)溫度，并可使用該信息調(diào)節(jié)電機(jī)功率的使用，以將溫度保持在安全工作范圍內(nèi)。在必須產(chǎn)生大量電力以及導(dǎo)致溫度升高的情況下，可以考慮使用冷板或冷卻套。
真空/電機(jī)應(yīng)用中的泄漏可以通過(guò)消除裂紋、裂縫和在電機(jī)內(nèi)殘留的氣體的區(qū)域來(lái)克服。如果電機(jī)在真空中安裝前沒(méi)有得到適當(dāng)?shù)奶幚?，疊片、繞組、軸承甚至金屬表面都會(huì)釋放出困在其表面裂紋中的空氣分子。電機(jī)將需要在真空中很長(zhǎng)一段時(shí)間來(lái)釋放其殘留的所有空氣，從而干擾及時(shí)達(dá)到所需真空水平的需要。選擇空氣含量較低的精細(xì)機(jī)械加工面，可將泄漏降至z低。例如，多孔金屬通常需要清潔和密封，機(jī)加工金屬比鑄件更可取，如果鑄件不可避免，則應(yīng)使用機(jī)加工對(duì)其進(jìn)行改性。

半導(dǎo)體業(yè)的真空電機(jī)需要清潔和烘焙，經(jīng)過(guò)萃取過(guò)程以去除污染物，電機(jī)繞組通常采用H級(jí)絕緣，其繞組溫度比其他等級(jí)高50°C，電機(jī)應(yīng)在潔凈室條件下使用新的尼龍手套（即使是干凈的橡膠手套也會(huì)污染電機(jī)）。即使如此，也可能需要根據(jù)所需的真空度進(jìn)行額外的清潔。為進(jìn)一步減少泄漏，應(yīng)將盲孔變成通孔，層壓結(jié)構(gòu)應(yīng)真空浸漬，所有表面應(yīng)使用適當(dāng)?shù)拿芊鈩榱朔乐垢邏寒a(chǎn)生的電暈效應(yīng)，暴露在外的導(dǎo)體必須用適當(dāng)?shù)牟牧辖^緣以防止電弧。


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