真空平移台的设计安装注意事项

Zaber Technologies厂家目前生产低真空平移台，真空旋转台，和高真空运动轴产品。低真空位移台可在低至 10 -3 Torr 的真空条件下兼容，高真空位移台则可接受低至 10 -6 Torr 的真空压力。而更高水平的10 -9 Torr 的超高真空 (UHV)——本文不会详细讨论 UHV（相对于低真空和高真空具有更严格的要求），因为我们目前在真空系统中的重点是在低真空和高真空压力范围内，

不同的应用需要特定的真空范围。低真空应用包括钎焊、烧结和质谱分析。高真空应用涉及光学设备、薄膜镀膜层、扫描电子显微镜。一些特高压应用包括更大的粒子加速器和光电研究。

当然，也有许多要求不高，如10 -1 Torr 的水平的真空应用，则可以使用标准 Zaber 产品。比如，一些应用包括二氧化碳激光器，制造氖和荧光灯或白炽灯泡

目录如下：

1. Introduction前言
2. What is a vacuum and why it is necessary？什么是真空以及为什么需要它？
3. What to consider when selecting a vacuum compatible positioner? 真空平移台设计时需要考虑什么？
1. Outgassing（材料放气）
2. Material Selection（材料选择）
3. Heat Management（散热/热量管理）
4. Virtual Leaks（虚漏）
5. Set-up As Easy As 1-2-3（3步即可简单设置）
6. Cable Management（电缆走线管理）
7. Cleaning, Handling, and Packaging（清洁，组织，包装）
4. Conclusion（结论）

一  基本介绍

我们中的许多人都在不知不觉中都接触过真空技术。比如，2000年初才使用的大型、笨重的彩色电视机，其需要高真空阴极射线管（CRT），作用是让电子自由飞行而不会与其他分子发生碰撞。

真空最早的重要用途之一是在 1900 年代初期制造阴极射线管，但 CRT 的第一次使用是在称为阴极射线示波器的示波器中。随着技术的进步，真空系统的使用已经蓬勃发展到各种不同的应用中，例如电子管制造和光学镀膜。后来发现，许多应用在真空条件下可以获得比在标准大气压下更好的结果，并且在某些情况下可以实现当时不可能的结果。随着真空应用的激增，我们也看到对真空兼容定位设备的需求也在增加。

本文将概述真空系统的基础知识，并提出在收集应用要求时要牢记的注意事项。

二.   什么是真空以及为什么需要它？

在工程或应用物理学中，真空是指低于标准大气压的区域。 在光子学和光学、工业制造和生命科学等应用中，越来越多的过程必须在真空条件下进行。 理想的真空吸尘器为研究和制造提供清洁和无污染的环境，例如光学镀膜、半导体制造和电子束焊接。

以下是几种压力的标准单位，包括托（Torr）、毫巴 (mBar) 和帕斯卡 (Pa)。 根据标准大气压定义真空压力也很常见。 这些常用单位之间的换算见表 1。

表 1：真空单位的换算关系

三.   真空平移台安装，真空位移台设计时需要考虑什么？

高真空位移台的安装注意：为了达到所需的真空水平以及清洁和无污染的环境，需要考虑几个因素。这些考虑因素包括放气、材料选择、散热管理、虚拟泄漏和电缆的设计走线。本文将介绍真空应用中，运动轴/位移台的设计考量的基本考虑因素以及我们 Zaber 如何优化我们的真空产品系列。

1.材料放气，漏气Outgassing

吸附是在材料表面形成薄膜的分子集合，吸收是指异物“浸入”材料中。物质表面会吸附，吸收（浸入）有水和油等有机化合物。而材料放气是指在真空环境中，物质表面的吸附物会挥发或升华，从而释放出气体。真空中的任何材质表面都被认为是潜在的放气源，因为材料表面是发生吸附和吸收的活跃区域。

在真空位移台设计时，控制材料放气是众多挑战之一。材料放气的气体（蒸汽）会沉积在敏感的光学设备上，在镀膜层中产生杂质，或污染样品。

材料放气速率与抽真空速率相结合，决定了达到所需真空度所需的时间长度以及可达到的真空度。放气率定义为：

（压力 • 体积） ÷ （表面积 • 时间）

材料放气的气体主要包括水蒸气、油脂、油和有机材料。与其他类型的分子（如水蒸气）相比，具有挥发性的可冷凝材料（如碳氢化合物）更难实现放气，碳氢化合物会凝结在光学元件上，而水蒸气通常不会凝结，且被有效地排出真空腔室。

在真空平移台的设计装配时，无论使用何种材料，材料放气率依然是压力x单位表面积每次体积。由于暴露的表面积可以吸附分子薄膜，这会影响排气和抽气时间，因此强烈建议尽可能减少表面积。这成为 UHV超真空平移台系统中最应该考虑因素。

2. 高/低真空平移台装配的材料选择

如Outgassing部分所述，材料本身会漏气（放气）；因此，达到高真空度必须选择放气率较小的材料。

材料有一项参数叫蒸气压。蒸气压，与温度，与封闭系统中蒸气施加的压力有关。如果施加的压力很高，这将限制您的真空系统达到低真空水平。理想材料应具有低蒸气压，从而减少放气，从而降低真空压力。

以下材料具有高蒸气压，应避免在真空位移台中使用的材料：

-      多孔性陶瓷Porous ceramics

-      多孔性金属Porous metals

-      塑料Plastics

-      粘合剂Adhesives

-      标准润滑剂Standard lubricants

-      标准油Standard oils

-      标准润滑脂Organic material

-      有机材料Organic material

以下材料蒸气压低，是真空位移台材料比较好的选择：

-      不锈钢Stainless steel

-      奥氏体钢Austenitic steel

-      铝Aluminum

-      PTFE

-      聚四氟乙烯PTFE

-      卡普顿Kapton

-   黄/青铜*

*黄铜或青铜等合金含有锌，与不锈钢相比，锌的蒸气压相对较高。如果温度升高，Zn锌会大量放出，从而污染真空系统。锌的蒸气压在 50°C 时< 10 -11 Torr，在 ~180°C 时< 10 -6 Torr。这强调了考虑到应用要求的材料选择的重要性。

标准步进电机不适用于真空应用，因为它们的轴承上涂抹了具有高蒸气压的油或油脂，电线也是不适合真空的 PVC 绝缘线。而把 PVC 绝缘电线更换为 PTFE/Teflon 镀膜层电线将有助于减少材料放气。真空电机通常将其绕组替换为高温绕组，并去除油漆和油并用真空兼容润滑脂替换，类似于图 3 所示。

除了电机线外，其他电线（如数据线）也应更换，因为标准电线通常是 PVC 绝缘的。

标准传感器还可能包含 PVC 绝缘电线以及具有高蒸气压的塑料外壳。这些应更换为真空兼容传感器。

在真空中使用步进电机的一个独特优势是它们可以在没有编码器的情况下使用。尽量减少真空腔室中电子设备的数量是一种很好的做法，因为电子设备可能会以多种方式出现故障，包括过热。

在 Zaber，我们仔细检查我们产品中的所有材料。我们用真空兼容步进电机替换我们的电机，这些步进电机使用特氟龙引线、特殊绕组以及真空兼容润滑剂和润滑脂。我们所有的菊花链电缆也使用特氟龙绝缘电线。

当真空腔室中需要电子设备时，例如我们的内置控制器（如图 1 所示），它们必须为预期的真空水平做好准备。我们用钽代替任何电解电容器，并对 PCB 进行特殊处理和制造，以进一步减少放气。图 4 显示了一个高真空 PCB 的示例。

在制造过程中，我们的真空 PCB 使用低残留助焊剂填充，然后在组装前用异丙醇多次清洁。

标准 Zaber 平移台一般采用经过阳极氧化的过程硬化的铝部件。而我们在真空旋转台设计时，采用的是未经过阳极氧化处理的铝，因为阳极氧化层会在铝材料形成了一个多孔表面，从而更容易捕获气体和水分，从而导致更多的材料放气和更长的抽气时间。 图5是未经过阳极氧化的铝。

3. Heat Management真空位移台装配的散热管理

没有空气这种流体介质通过对流散热，真空中的电子元件必须仔细设计和监控，以避免过热。超过电机或 PCB 的额定温度会导致损坏、性能不可靠并限制其使用寿命。

正如在材料选择部分所述，Zaber 的真空电机可以在真空中承受更高的工作温度，但如果不小心谨慎，它们可能会超过额定温度。

Zaber 的真空设备使用传导作为散热的主要来源。将这些设备直接安装到腔室也将有助于更快地散热。

此外，我们还优化了我们的 PCB 和固件，以确保我们的设备保持温度，从而产生可靠的性能和最佳的整体寿命。这包括修改 PCB 外壳以增加散热和修改固件以控制发热。在为您的应用选择真空兼容的 Zaber 设备时，建议您联系我们的应用工程团队之一，以确定合适的占空比和运行电流组合。可以在下面的图 6 中找到运行电流与占空比图的示例。

我们的 X 系列真空设备在其控制器上集成了温度传感器； 但是，也建议在电机上添加一个传感器来监控温度。 例如，可以将 K 型热电偶或其他温度传感器安装到电机上以监控温度，以降低过热风险，如图 7 所示。

4. Virtual Leaks虚漏（虚拟泄漏）

虚漏会导致真空腔室内的压力减小。真空腔室内部存在几乎全完封闭的死空间，而这个封闭的死空间通过一个狭长的通道与腔室内部连通时，死空间内的气体在真空下也会缓慢的释放出来，导致放气或泄漏的现象，通常把这种现象叫做虚漏（虚拟泄漏）。

虚拟泄漏的一个示例是带有未排气的紧固件的螺纹孔。 图 8 显示了盲孔、排气螺钉和通孔之间的区别。

在 Zaber，我们的真空平移台精心设计，以大程度的地减少虚漏。 我们使用的排气螺钉并在螺纹孔中集成排气路径以避免滞留气体。 如果可能，我们使用通孔而不是盲孔。 我们还在控制器的外壳上集成了通风槽，使滞留的气体能够更快地逸出。

5.真空运动轴的电缆走线管理Cable Management

因为我们已经优化了我们的内置控制器以承受低真空和高真空压力，所以它们可以在真空腔室中进行菊花链连接。 这意味着多个设备可以共享一个电源和一个计算机连接，从而减少了馈通的电线数量。

我们的真空设备配有非真空兼容连接器，用于初始测试和设置。 应切断这些连接器，露出飞线，这些飞线可以压接、绑在一起或焊接在一起以形成菊花链。 真空腔室中的多轴运动只需要四根馈通线（2 根电源，2 根数据）。

或者，我们可以提供真空兼容连接器（见图 9）。 请联系我们的应用工程团队了解更多详情。

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6.设置就像 1-2-3 一样简单

在真空腔室中设置和控制多个 Zaber 设备只需要几个步骤（见图 10）。

1.     在计算机和真空腔室之间连接数据线和电源线。

2.     带有内置控制器的设备通过 4 条馈通线在真空腔室中接收电源和数据**。

3.     使用 Zaber 控制台发送说明或自动设置。

**对于 X 系列设备，电源通过 X-PIB 注入。 对于 T 系列设备，电源通过 T-DSUB9-P 注入。 如果您将 X 系列设备与 T 系列设备一起使用，则 T 系列设备将需要额外的 2 条电源线。

7.清洁、处理和包装Cleaning, Handling, and Packaging

随着真空压力的降低，保养和清洁的程度变得越来越重要。暴露在空气中的设备会因表面吸附而受到污染。

处理真空设备时应始终佩戴无尘室手套，因为裸手会带入油、污垢和其他有机材料。这会污染真空腔室并产生不需要的过量材料放气。

Zaber 低真空设备的每个组件都使用异丙醇进行脱脂和清洁，然后使用洁净室手套进行组装。

我们高真空设备的所有组件在组装前都经过超声波清洗。除了对组件进行超声波清洗外，这些设备还在 100 级（ISO 5 级）洁净室中组装。在成品包装好并准备发货之前，零件不会离开洁净室。当我们的高真空设备准备发货时，它们会被包装在我们洁净室内的超低放气率 (ULO®) 聚乙烯袋中，并采用双层袋装，让最终用户在将设备插入洁净室之前可以移除外袋。图 11 显示了一个采用 ULO® 双层包装的高真空设备示例。

图 11：高真空装置双 ULO® 袋装。

四、结论

Zaber Technologies意识到真空系统和应用所需的严格要求。 这些考虑因素已集成到我们的真空产品系列中，以便在不影响真空应用要求的情况下提供精确的运动控制。 我们有信心在低真空和高真空下提供可靠的性能，同时保持我们简化运动控制的设计理念。