Die Schwingungsisolierung mit negativer Steifigkeit gewinnt zunehmend an Bedeutung als bevorzugte Lösung für nanotechnologische Anwendungen in Wissenschaft und Industrie

DR. DAVID L. PLATUS, ERFINDER VON SCHWINGUNGSISOLATOREN MIT NEGATIVER STEIFIGKEIT UND PRÄSIDENT UND GRÜNDER DER MINUS K-TECHNOLOGIE

Es ist noch nicht lange her, dass die Entscheidung, wo man ein Rastersondenmikroskop (SPM) anbringt, einfach war; stellen Sie es in den Keller, wo die Umgebungsvibration minimiert ist. Obwohl in jüngster Zeit, mit exponentiell wachsenden Anwendungen in der Nanotechnologie, stellen Wissenschaftler und Ingenieure ihre Geräte an einer Vielzahl von Orten auf, an denen Vibrationslärm signifikant hoch ist. SPMs, Interferometer und Stylus-Profiler werden an Orten platziert, die eine große Herausforderung für die Schwingungsisolierung darstellen.

Um die Kosten so niedrig wie möglich zu halten, sorgen viele Akademiker und Industrieexperten zudem nicht ausreichend für die Schwingungsisolierung der hochempfindlichen Nanogeräte, die in ihren Anlagen installiert werden. Obwohl High-Budget-Installationen (geschätzt in Höhe von Hunderttausenden von Dollar) typischerweise eine ausreichende Schwingungsisolierung beinhalten, ist dies bei vielen Low-Budget-Installationen (die unter 120.000 US-Dollar für Ausrüstungen ausgeben) nicht der Fall, was den Bereich des schnellsten Wachstums im Nanotechnologie-Universum darstellt. Es wird geschätzt, dass 40-50 Prozent dieser Standorte, sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie, mit einer unzureichenden Schwingungsisolierung eingeleitet werden.

Dies wird zum Teil dadurch beeinflusst, dass die für Nanogeräte Verantwortlichen ihre extreme Empfindlichkeit nicht immer vollständig erfassen und dass eine geeignete Standortwahl und Schwingungsisolierung erforderlich ist. Jede Art von Mikroskop - auch ein leistungsstarkes optisches Mikroskop - oder ein anderes Nanoinstrument muss gegen Rauschen isoliert sein, sonst erscheinen die Bilder diffus und unscharf oder manchmal gar nicht.

Schwingungsisolatoren sind eine der Notwendigkeiten, auf die sich der Mensch beim Kauf eines Instruments wie eines Rasterkraftmikroskops (AFM) nicht wirklich konzentriert", erklärt George McMurtry, CEO von NanoAndMore USA, einem Anbieter von AFM-Sonden, -Spitzen und -Auslegern.

Bei größeren Rasterelektronenmikroskopen (REMs) und Transmissionselektronenmikroskopen (TEMs) ist es jedoch anders, da es sich um sehr teure Geräte handelt, die technisch gesehen alle Arten von Isolierung benötigen, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Dann sind sie eher geneigt, im Voraus darüber zu sprechen."

Laser-Interferometer Schwingungsisolierung

McMurtry fuhr fort: "Wenn man in die kleineren Instrumente wie Rasterkraftmikroskope, Weißlichtinterferometer, Laserinterferometer und Taststiftprofilierer einsteigt, dann stößt man auf Probleme bei der Standortvorbereitung. In vielen Fällen wird nicht viel Arbeit vor Ort geleistet, obwohl diese Instrumente im vierten Stock eines Gebäudes stehen können und ohne Isolierung am Ende wirklich schlechte Bilder liefern.

"Kunden fragen uns oft, welche Sonde ein bestimmtes Problem löst, das sie gerade haben. Manchmal wird keine Sonde ihr Problem lösen, da sie zuerst ihr Rauschproblem lösen müssen, und das bedeutet, dass sie sich mit einer Art mechanischer Isolierung befassen muss."

Mit zunehmender Komplexität der Instrumentierung und immer kleineren Messungen dominieren die vorhandenen Schwingungen, und der Bedarf an effektiverer Isolation steigt. Isolatoren wurden von Anfang an mit AFMs in den 1980er Jahren verwendet, aber es gab damals nicht so viele AFMs und die meisten von ihnen befanden sich im Keller. Der Einsatz von Nano-Messgeräten hat dramatisch zugenommen, und die Notwendigkeit einer stärkeren Isolation ist diesem Trend gefolgt.

"Es gibt so viele Menschen, die AFMs in so vielen verschiedenen Umgebungen verwenden, dass Isolatoren häufiger benötigt werden", bestätigte Mark Flowers, Präsident von Nanoscience Instruments, einem Anbieter von mikro- und nanoskaligen Messwerkzeugen. "In den ersten Tagen hast du dein AFM in den Keller gestellt, aber jetzt wollen die Leute es in den oberen Stockwerken benutzen.

Der Keller ist eine viel bessere Umgebung für AFMs und eine, in der sie mit einem einfachen Isolator auskommen konnten: "In vielen Fällen ist sich der Verbraucher der Notwendigkeit der Isolation nicht bewusst.

Wir besprechen mit ihnen die Art der Umgebung, in die die Geräte gehen werden, und welche Anwendungen sie verfolgen, bevor wir bestimmen, was sie in einem Isolator benötigen. Wir sehen ein enormes Wachstum auf dem Bildungsmarkt; es gibt viele Initiativen, um Studenten und Gymnasiasten der Nanotechnologie auszusetzen, aber sie wissen nicht unbedingt, was sie brauchen, um eine angemessene Isolation zu gewährleisten."

Die Vibrationen sind in der Regel sehr subtil. Sie sind beispielsweise nicht durch die Hände oder Füße zu spüren, verursachen aber für ein AFM oder Interferometer erhebliche Geräusche und Störungen.

Vibrationen sind auf eine Vielzahl von Faktoren zurückzuführen, sie stammen nicht von nur einem Ort. Die Gebäude selbst schwingen ständig und geben dabei Lärm von sich. Die Intensität dieser Vibrationen variiert je nachdem, wie alt das Gebäude ist und wie hoch über dem Boden die Geräte stehen.

"WENN DIE INSTRUMENTIERUNG IMMER KOMPLEXER WIRD UND DIE MESSUNGEN IMMER KLEINER UND KLEINER WERDEN, DOMINIEREN DIE VORHANDENEN VIBRATIONEN, UND DER BEDARF AN EFFEKTIVERER ISOLIERUNG STEIGT"

Hinzu kommen die Faktoren im Gebäude, wie z.B. Heizungs- und Lüftungsanlagen, Ventilatoren, nicht ordnungsgemäß isolierte Pumpen und Aufzüge. Diese mechanischen Vorrichtungen sind für eine enorme Menge an Vibrationen verantwortlich und je nachdem, wie weit die Instrumente von ihnen entfernt sind, können sie beeinträchtigt werden oder nicht.

Schließlich sind auch die gebäudeexternen Faktoren wie Nachbarverkehr, Bau und Wetter zu berücksichtigen. Zum Beispiel verursacht eine Brise eine geringe Bewegung, aber die Schwankung der Brise allein beträgt etwa 2 Hz und kann zu erheblichen Resonanzen führen. Ein Zug in der Nähe des Gebäudes verursacht Bewegung in der Zementplatte, nichts, was mit bloßem Auge sichtbar ist oder tatsächlich zu spüren ist, aber es hat verheerende Folgen für die Instrumentierung. Diese internen und externen Einflüsse verursachen niederfrequente Vibrationen und verursachen verheerende Auswirkungen auf die Nanotechnologie.

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, nur wenige Angström oder Nanometer der Verschiebung mit einem Instrument auf einer nicht vollständig stabilen Oberfläche zu messen. Alle Vibrationen, die auf die mechanische Struktur des Instruments übertragen werden, verursachen vertikale Geräusche und führen im Wesentlichen dazu, dass diese Art von hochauflösenden Merkmalen nicht gemessen werden können.

Ein Schwingungsisolator wird verwendet, um das Problem zu lösen, aber wie schlimm das Problem ist, bestimmt die Art des benötigten Isolators. Lufttische werden seit den 1960er Jahren eingesetzt. Sie sind im Grunde genommen Luftdosen und bleiben die beliebtesten Isolatoren. Lufttische bieten jedoch Resonanzfrequenzen von 2 bis 2,5 Hz und können daher typischerweise nur Schwingungen bis etwa 8 bis 10 Hz verarbeiten, was für eine optimale Leistung moderner Nanogeräte nicht ausreicht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit bei Interferometern und SPMs sind Lufttische eine ineffiziente Isolationslösung. Sie waren ausreichend, bis vor einem Jahrzehnt, als eine bessere Isolation erforderlich wurde.

Die Leser werden sich vielleicht daran erinnern, dass die Forscher in den ersten Jahren der Nanotechnologie ihre sehr teuren AFMs an von der Decke hängenden Bungee-Seilen suspendierten, um eine akzeptable Schwingungsisolierung aufrechtzuerhalten. Obwohl einige noch immer mit dieser Technik arbeiten, nimmt ihre Zahl ab; die Mehrheit ist nicht bereit, das Risiko schlechter Bildgebung und Datensätze einzugehen und hat daher auf den Einsatz seriöser Schwingungsisoliersysteme umgestellt.

Ein solches System ist die aktive Isolation, auch bekannt als elektronische Kraftunterdrückung. Die aktive Isolierung verwendet Elektronik, um die Bewegung zu erfassen, und setzt dann elektronisch die gleichen Bewegungsmengen ein, um sie zu kompensieren, wodurch die Bewegung effektiv aufgehoben wird. Ihre Effizienz ist für die neuesten Anwendungen der Nanotechnologie in Ordnung, da sie bereits ab 0,7 Hz isolieren können, also völlig ausreichend, um die tiefen Frequenzen zu isolieren, die für die Bildklarheit bei SPMs und Interferometern so schädlich sind.

Wenn die Instrumentierung jedoch mechanisch isoliert werden kann, aber nicht auf Strom angewiesen ist, ist dies eine Einschränkung weniger, die in der Schwingungsisolationsgleichung berücksichtigt werden muss. Tatsächlich ist das Negativ-Steifigkeitssystem gerade aus diesem Grund eine beliebte Wahl geworden. Es ist nicht nur eine hochgradig funktionsfähige Lösung, sondern bietet auch die Flexibilität und Portabilität, die andere Schwingungsisoliersysteme nicht bieten.

Negative Steifigkeitsisolatoren bieten einen passiven Ansatz zur Erreichung vibrationsarmer Umgebungen und zur Isolierung gegen Sub-Hz-Schwingungen. Sie ermöglichen den Einsatz von schwingungsempfindlichen Instrumenten wie Mikrohärteprüfgeräten, REMs und SPMs in Umgebungen mit starken Vibrationen, wie beispielsweise in oberen Stockwerken von Gebäuden und Reinräumen. Die erzeugten Bilder und Daten sind um ein Vielfaches besser als die mit pneumatischen Isolatoren.

Negative Steifigkeitsisolatoren basieren auf einem einzigartigen und vollständig mechanischen Konzept in der niederfrequenten Schwingungsisolierung und bestehen sowohl aus einem vertikalen Bewegungsisolator mit negativem Steifigkeitsmechanismus (NSM) als auch aus einem horizontalen Bewegungsisolator NSM. Eine steife Feder, die eine Gewichtsbelastung trägt, wird mit einem NSM zum Vertikalisolator kombiniert. Die vertikale Nettosteifigkeit ist sehr gering, ohne die statische Tragfähigkeit der Feder zu beeinträchtigen. Die Trägerstützen werden in Reihe mit dem Vertikal-Bewegungsisolator zum Horizontal-Bewegungsisolator geschaltet.

Die horizontale Steifigkeit der Trägerstützen wird durch den Trägerstützeneffekt reduziert. Eine Trägerstütze verhält sich in Kombination mit einem NSM wie eine Feder. Das Ergebnis ist ein kompakter passiver Isolator, der in der Lage ist, sehr niedrige vertikale und horizontale Eigenfrequenzen und sehr hohe interne Strukturfrequenzen zu erreichen.

"WAS NEGATIV-STEIFIGKEITSISOLATOREN BIETEN, IST WIRKLICH EINZIGARTIG AUF DEM GEBIET DER NANOTECHNOLOGIE. DIE ÜBERTRAGBARKEIT ÜBER LUFT ODER AKTIVE ISOLATIONSSYSTEME WESENTLICH VERBESSERT WIRD."

"Eine verbesserte Schwingungsisolierung korreliert direkt mit einer verbesserten Instrumentenleistung", sagte Patrick O'Hara, ehemaliger Präsident und CEO von Ambios Technology, einem Hersteller von SPMs, Stylus-Profilern und optischen Interferometern in der Nanotechnologie (inzwischen von KLA-Tencor übernommen). "Wenn Sie versuchen, Merkmale im atomaren Maßstab zu messen, sind mechanisch stabile Stützstrukturen von entscheidender Bedeutung. Bis zur Einführung von Sondenmikroskopen und einigen anderen sehr hochauflösenden Bildgebungs- und Datenerfassungstechniken waren Luftfedern für die meisten Anwendungen ausreichend, aber sie sind es nicht mehr."

Fuhr O'Hara fort: "Was Negativ-Steifigkeitsisolatoren bieten, ist in der Nanotechnologie wirklich einzigartig. Ich beziehe mich insbesondere auf ihre Übertragbarkeit. Das ist die Schwingung, die durch den Isolator übertragen wird, gemessen als Funktion der Bodenschwingungen. Die Übertragungseigenschaften über Luft oder aktive Isolationssysteme werden erheblich verbessert."

"WAS NEGATIV-STEIFIGKEITSISOLATOREN BIETEN, IST WIRKLICH EINZIGARTIG AUF DEM GEBIET DER NANOTECHNOLOGIE. INSBESONDERE BEZIEHE ICH MICH AUF IHRE ÜBERTRAGBARKEIT. DAS IST DIE SCHWINGUNG, DIE DURCH DEN ISOLATOR ÜBERTRAGEN WIRD, GEMESSEN ALS FUNKTION DER BODENSCHWINGUNGEN. DIE ÜBERTRAGBARKEIT ÜBER LUFT ODER AKTIVE ISOLATIONSSYSTEME WESENTLICH VERBESSERT WIRD."

Negative Steifigkeitsisolatoren schwingen bei 0,5 Hz mit. Bei dieser Frequenz ist fast keine Energie vorhanden. Es wäre sehr ungewöhnlich, eine signifikante Vibration bei 0,5 Hz zu finden. Vibrationen mit Frequenzen über 0,7 Hz (bei denen Isolatoren mit negativer Steifigkeit mit der Isolierung beginnen) werden mit zunehmender Frequenz schnell abgeschwächt. Luftfedern können Schwingungsisolationsprobleme verschlimmern, da sie eine Resonanzfrequenz haben, die der von Bodenschwingungen entsprechen kann.

Bei Einstellung auf 0,5 Hz erreichen Negativsteifigkeitsisolatoren einen Isolationswirkungsgrad von etwa 93 Prozent bei 2 Hz, 99 Prozent bei 5 Hz und 99,7 Prozent bei 10 Hz.

Fortschritte in der Schwingungsisolierung haben es der Fertigung und Forschung ermöglicht, Präzisionswerte zu erreichen, die früher nicht möglich waren, wenn die pneumatische Isolierung die einzige Option war. Sowohl aktive als auch negativ steife Schwingungsisoliersysteme haben sich in den letzten 20 Jahren weiterentwickelt und ermöglichen es nun, dass Präzisionsinstrumente auf Nanoebene mit bisher unerreichter Genauigkeit funktionieren.