CC BY
148
УДК 543.271; 533.5.08
В. П. Михайлов, Г. В. Степанов, А. М. Базиненков, А. С. Кузнецов, И. К. Зобов
МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА АКТИВНОЙ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ДЛЯ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Рассмотрены физические модели магнитореологических жидкостей и эластомеров — рабочих сред для виброизолирующих и позиционирующих устройств нанотехнологического оборудования. Описаны конструкции новых активных демпферов на основе магнито-реологических жидкостей и эластомеров. Приведены характеристики и результаты исследований активного демпфера на основе магнитореологического эластомера.
E-mail: [email protected]; [email protected] [email protected]; [email protected]
Ключевые слова: виброизолирующие и позиционирующие системы, маг-
нитореологические жидкости и эластомеры, вязкость, упругость.
Развитие технологий использования наноразмерных элементов (квантовых точек, линий, нанотрубок, нанопленок, объемных структур) для производства перспективных изделий микро- и наноэлектро-ники (новейших поколений современных сверхбольших интегральных микросхем, перспективной электронной компонентной базы и т.д.) требует решения задачи разработки и создания альтернативных сверхпрецизионных систем активной виброизоляции и юстировки оборудования с чрезвычайно жесткими требованиями по точности, быстродействию и стабильности характеристик [1].
К такому оборудованию относятся сканирующие зондовые микроскопы, широко применяемые в настоящее время как для контроля поверхности изделий, так и для локального воздействия при производстве микро- и наноструктур. Для перемещения зонда относительно изделия в этих микроскопах используются механизмы сканирования с погрешностью позиционирования на атомарном уровне (менее 0,1 нм) и постоянной времени около 1 мс [2].
В настоящее время разрабатываются модульные технологические платформы для формирования микро- и нанотехнологических комплексов, включающих технологические установки с возможностями групповых и микро-, нанолокальных методов обработки (в том числе оптических, ионных, электронных, рентгеновских и др.) подложек диаметром до 300 мм [1]. Комплексы ориентированы на то, чтобы в полностью автоматическом режиме подвергать один и тот же образец разного рода воздействиям (таким, которые сейчас используются для
создания микроэлектроники, только с предельным разрешением на один-два порядка больше). Микро- и нанотехнологические комплексы позволяют создавать полнофункциональные микро- и наноструктуры, микро- и наноустройства и системы на их основе.
Одной из составляющих погрешности позиционирования зондов и пучков излучения относительно обрабатываемой подложки является погрешность, возникающая вследствие возмущающих воздействий (вибраций). Существующие механизмы для юстировки и виброзащиты (пьезотрубки, пьезостолбцы) могут обеспечить точностные и динамические требования, но имеют невысокие нагрузочные характеристики и малый диапазон перемещений [2]. Упругие, гидравлические, пневматические, магнитные демпферы работают, как правило, в пассивном режиме и не обеспечивают требуемого качества виброизоляции. Поэтому проблема создания сверхпрецизионных позиционирующих систем реологического типа для активной виброизоляции и юстировки сканирующих зондовых микроскопов, микро- и нанотехнологиче-ских комплексов и другого сверхпрецизионного оборудования является чрезвычайно актуальной.
Магнитореологические (МР) жидкости и эластомеры являются перспективными материалами для создания альтернативных систем активной виброизоляции и юстировки сверхпрецизионного оборудования [2-5]. Для разработки таких устройств, а также для выбора оптимальных режимов регулирования параметров активного демпфирования и микропозиционирования необходимы более точные физические модели поведения МР-жидкостей и МР-эластомеров.
Физические модели поведения МР-жидкостей и МР-эласто-меров. Рассмотрим поведение МР-жидкости в рабочем щелевом зазоре с гладкими стенками при продольном смещении одной стенки относительно другой. Предположим, что в рабочем зазоре под действием внешнего магнитного поля с индукцией В образована кластерная мембрана (рис. 1) и расход Q рабочей среды равен нулю. Под кластерной мембраной будем понимать объединение в упругую систему цепочек однородных сферических частиц дисперсной фазы,
Рис. 1. Схема образования кластерной мембраны в щелевом зазоре:
В — магнитная индукция; 7 — сдвиг нижней стенки зазора; ¥т, — касательная сила и сила магнитного сцепления между соседними слоями частиц дисперсной фазы
запирающих несущую жидкость, которая удерживается между этими цепочками в результате действия капиллярных сил на границе частица-несущая жидкость. Оценим жесткость упругой кластерной мембраны. Предположим, что под действием внешней силы Е нижняя стенка зазора смещается относительно верхней на Х, при этом сдвиг 7 = Х/к.
Сила магнитного сцепления между соседними слоями частиц дисперсной фазы определяется по формуле Максвелла как = 9,81 х х 1012(В/5000)2$слили как = КВ2$сл, где — коэффициент объемной концентрации частиц; $сл — площадь сечения рабочего зазора, перпендикулярная магнитному потоку. При сдвиге слоев рабочей жидкости возникает касательная сила Ет (см. рис. 1), противодействующая внешней силе Е и равная Ет = tg а = К В2 $сл Х/к. С другой стороны, Ет является упругой силой и согласно закону Гука определяется как Ет = кХ. Таким образом, коэффициент жесткости упругой кластерной мембраны можно записать как
к = КВ2 Ял ^/к = 9,81 • 1012 (В/5000)2 Ял ^/к. (1)
Использование магнитореологического эффекта позволяет регулировать коэффициент жесткости к упругой кластерной мембраны за счет изменения магнитной индукции В и, соответственно, частотные и точностные характеристики устройств активного демпфирования и микропозиционирования.
Если внешняя сила Е превысит силу статического трения, определяемую упругой силой Ет, произойдет разрушение цепочек кластерной мембраны на отдельные составляющие звенья меньшей длины. При таком сдвиговом течении звенья цепочки частиц движутся вместе с жидкостью — носителем, удерживаясь от опрокидывания потоком благодаря ориентированному действию магнитного поля (рис. 2). При этом будет достигнут некий равновесный размер звеньев /р по
1 I I I Iя I I I I \н
Рис. 2. Поведение МР-жидкости при сдвиге стенки щелевого зазора:
Н — напряженность магнитного поля; Ух,2 — скорости перемещения нижней стенки зазора; 1р — равновесный размер звеньев частиц дисперсной фазы
длине зазора к, при котором сдвиговое усилие ^сд будет равно силе сцепления частиц в столбике ^сц (^сд = ^сц):
24m2
r's >
1Р = Пг5 = — г" (2)
7 ктргЗ
где гз — расстояние между центрами частиц по длине зазора; из — число частиц в цепочке по длине зазора; т = 38Уч — магнитный момент частицы; Js — намагниченность насыщения материала частиц; Уч — объем частицы; ктр — коэффициент вязкостного трения (для сферических частиц диаметром а ктр = бпц0а); По — кинематическая вязкость МР-жидкости; 7 — скорость сдвига.
Под влиянием сдвиговой силы ^сд цепочки частиц будут разрушаться (см. рис. 2), если эта сила превысит силу сцепления частиц. В этом случае произойдет релаксация напряжений, созданных диполь-дипольными взаимодействиями в звеньях цепочки. При дальнейшем увеличении сдвиговой силы в конечном итоге может наступить момент, когда звенья цепочек разрушатся до отдельных частиц. При обратном соотношении сил ^сд и ^сц длина цепочек будет увеличиваться за счет продолжающейся направленной магнитной коагуляции — образования и роста звеньев, т.е. произойдет структурирование реологической среды. Время структурирования реологической среды ¿стр и релаксации ¿р сдвиговых напряжений определяется отношением ^экв(Н)/Е, где ^экв(Н) — динамическая эквивалентная вязкость среды; Е — модуль упругости среды. Эти параметры, а также значения времени переходного процесса при изменении гидравлической проводимости рабочего зазора могут регулироваться за счет изменения значения напряженности магнитного поля [3].
Рассмотрим течение МР-жидкости в рабочем щелевом зазоре с неподвижными гладкими стенками (рис. 3) под действием разности давлений АР = Р\ — Р2 и поперечного магнитного поля напряженностью Н.
При действии поперечного магнитного поля напряженностью Н течение МР-жидкости подчиняется закону Бингама для вязко-пластичных жидкостей [6]:
т = То + к-у, (3)
где т — касательные напряжения сдвига, действующие между соседними слоями жидкости; т0 — предел текучести, зависящий от Н; к — показатель консистенции МР-жидкости; 7 — скорость сдвига.
В соответствии с законом Бингама толщина 8 среднего слоя потока МР-жидкости, имеющего равную скорость течения, определяется как
8 = — ЩИ- (4)
| | | | | н
Рис.3. Распределение скорости и сдвиговых напряжений при течении МР-жидкости в щелевом зазоре (модель Бингама):
Н — напряженность магнитного поля; У — скорость течения слоев МР-жидкости; т — касательные напряжения сдвига, действующие между соседними слоями жидкости; т0 — предел текучести МР-жидкости
Уравнение (3) можно переписать в следующем, удобном для инженерных расчетов, виде:
12^Дэкв (Н )Ь
AP = APq (H) +
bh3
(5)
Рис. 4. Схема МР-дросселя с кольцевым рабочим зазором:
1 — электромагнитная катушка;
2 — корпус; 3 — сердечник; 4 — расчетная траектория магнитного потока; 5 — рабочий зазор
где АР — перепад давлений на рабочем зазоре; АР0 (Н) — перепад давлений, необходимый для разрушения структуры неподвижной МР-жидкости (^ = 0); Q — расход рабочей жидкости через зазор; дэкв(Н) — эквивалентная динамическая вязкость рабочей жидкости, зависящая от Н; к,Ь — геометрические параметры рабочего зазора (рис. 4); Ь — длина окружности радиуса Я.
Рассмотрим также модель поведения МР-эластомера в рабочем щелевом зазоре с гладкими стенками при продольном смещении одной стенки относительно другой.
Предположим также, что в рабочем зазоре действует внешнее магнитное поле с индукцией В (см. рис. 1). При этом в рабочем зазоре вдоль силовых линий поля формируются цепочки частиц. Найдем коэффициент жесткости этой упругой кластерной мембраны по аналогии с формулой (1) для МР-жидкости. Предположим также, что под действием внешней силы Е нижняя стенка зазора смещается относительно верхней на величину Х, при этом сдвиг также равен 7 = Х/к.
При сдвиге слоев МР-эластомера возникает касательная сила сопротивления Ет 1, обусловленная магнитным сцеплением между соседними слоями; согласно формуле (1) Ет 1 = tg а = К В2 £сл Х/к.
Кроме того, возникает касательная сила Гт2 = Е$слХ3/к3 вследствие упругих свойств МР-эластомера, представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу, в которой распределены частицы карбонильного железа сферической формы.
Таким образом, суммарный коэффициент жесткости упругой кластерной мембраны МР-эластомера равен
кЕ = ^ [КБ2^+еХ2) = ^ (9,8М012(Б/5000)Ч +еХ), (6)
где Е — модуль упругости МР-эластомера, который может регулироваться за счет изменения значения индукции магнитного поля.
Выбор системы виброизоляции. В прецизионном машиностроении задача виброизоляции решается с использованием традиционных одно- и двухкаскадных пружинных амортизаторов, вязкоупругих подвесок, резинометаллических фундаментов и других элементов с собственной частотой колебаний около 10 Гц [4].
Для защиты технических объектов от вибрации используют, как правило, пассивную виброизоляцию. Также оборудование устанавливают на отдельные массивные фундаменты, которые подвешиваются на стальных пружинах, устанавливаются на резиновых ковриках. Такие фундаменты весьма громоздки и дороги, масса фундаментного блока должна более чем в три раза превышать массу оборудования. Кроме того, уже при амплитудах колебания порядка 0,3 мкм подобные виброизолирующие фундаменты не обеспечивают необходимого уменьшения амплитуды колебаний, что требует применения специальных массивных виброгасящих систем стационарного типа. Однако применение таких стационарных систем, как и фундаментов, оказывается неприемлемым при необходимости монтажа прецизионного оборудования в непосредственной близости от технологических машин на межэтажных перекрытиях производственных корпусов.
Наиболее широко распространенные в настоящее время резиновые, резинометаллические коврики и опоры имеют слишком высокую собственную частоту (10. . . 20 Гц), что не позволяет создать с их помощью достаточно надежную и эффективную систему виброзащиты.
Пьезоэлектрические опоры имеют высокую собственную частоту 100. . . 200 Гц, однако малую нагрузочную способность и небольшой диапазон перемещений. Пневматические виброизолирующие опоры отвечают большинству требований, предъявляемых к средствам защиты прецизионного оборудования, и обладают такими достоинствами, как низкая жесткость, а значит, и низкая собственная частота при высокой несущей способности, малые масса и габаритные размеры. Компенсируя стационарные низкочастотные возмущения объекта, пневмоопора обеспечивает высокую эффективность виброизоляции. Основным недостатком пневмоопоры является невозможность ее
использования в качестве активной системы виброизоляции, что обусловливается высокой сжимаемостью воздуха и большим временем переходного процесса.
Вследствие этого для прецизионного оборудования все более широко применяются опоры, имеющие кроме вязкоупругих элементов систему автоматического регулирования, способную обеспечить заданное положение объекта с высокой точностью [8]. Анализ существующих устройств сверхточного перемещения показал, что для на-нотехнологического и исследовательского оборудования наиболее целесообразно использовать устройства на основе пьезокерамики, МРи ЭР-жидкостей, а также МР-эластомеров. Они в основном применяются для защиты от низкочастотных колебаний.
Комплекс проведенных исследовательских и конструкторских работ позволил разработать варианты активных виброизолирующих и позиционирующих систем на основе как одно-, так и трехкоординат-ных МР-устройств [9]. Эти системы позволяют регулировать собственную частоту колебаний, имеют малые массу и габаритные размеры, а также малое время переходных процессов в МР-элементах. Целесообразным представляется разработка виброизолирующей системы на основе активных МР-демпферов, работающих совместно с пассивными виброизоляторами. В этом случае происходит низкочастотная компенсация стационарных возмущений защищаемого объекта с помощью активных МР-демпферов и обеспечивается пассивная виброзащита в области более высоких частот.
Основным показателем, характеризующим эффективность виброизоляции, является коэффициент передачи амплитуды колебаний Обычно однокаскадные системы с применением массивных элементов обеспечивают коэффициент передачи л = 0,01... 0,05. Для прецизионного оборудования необходимо обеспечить коэффициент передачи Л = 0,001... 0,003 при амплитуде колебаний опорной поверхности 4. . . 5 мкм.
Трехкоординатный активный демпфер на основе МР-жидкости
(рис. 5) содержит пять гидроцилиндров 2 (на схеме показаны два горизонтальных гидроцилиндра из четырех и один — вертикальный), герметизированных сильфонами, подвижную платформу 1, с закрепленными на ней штоками, неподвижный корпус 4, входные и выходные МР-дроссели 5, расположенные попарно в каждом гидроцилиндре, гидравлическую насосную станцию 3. Магнитореологический демпфер работает следующим образом. Рабочая МР-жидкость подается с помощью гидравлической насосной станции 3 в гидроцилиндры 2 через входные МР-дроссели 5 и далее перемещается в сливной бак через выходные МР-дроссели 5. При подаче управляющих сигналов на входные и выходные МР-дроссели 5 меняется динамическая вязкость
Рис. 5. Схема трехкоординатного активного демпфера на основе МР-жидкости:
1 — подвижная платформа; 2 — гидроцилиндры; 3 — гидравлическая насосная станция; 4 — неподвижный корпус; 5 — входные и выходные МР-дроссели
рабочей жидкости и в каждом гидроцилиндре 2 создается определенное давление. Под действием давлений в гидроцилиндрах 2 возникают силы, перемещающие подвижную платформу 1 по осям X, У, Z.
Рассмотрим главный исполнительный элемент демпфера — МР-дроссель. Схема МР-дросселя с кольцевым рабочим зазором приведена на рис. 4. Дроссель состоит из электромагнитной катушки 1, корпуса 2 и сердечника 3 из магнитной стали, которые выполняют функции магнитопровода. Между корпусом 2 и сердечником 3 сформирован рабочий зазор 5, через который протекает МР-жидкость. Магниторео-логический дроссель работает следующим образом. Ток, подаваемый на обмотку катушки, вызывает появление магнитного поля и соответственно магнитного потока 4 через магнитопровод. Магнитный поток 4 воздействует на протекающую через рабочий зазор 5 МР-жидкость и увеличивает ее динамическую вязкость. Поведение МР-жидкости в рабочих зазорах входных и выходных МР-дросселей (см. рис. 4) описывается зависимостями 3, 4 и 5. Разработанная на кафедре МТ-11 МГТУ им. Н.Э. Баумана система активной виброизоляции содержит четыре трехкоординатных МР-демпфера, расположенных по углам платформы, на которой установлено прецизионное оборудование, например
Рис. 6. Схема активного демпфера на основе МР-эластомера:
1 — неподвижная опора; 2 — сердечник; 3 — электромагнитная катушка; 4 — корпус, 5 — мембрана из МР-эластомера с жестким центром; 6 — воздушный зазор; 7 — датчик перемещения; 8 — система управления
сканирующий зондовый микроскоп или модуль микро- и нанотехно-логического комплекса.
Демпфер на основе МР-эластомера. Активный демпфер, схема которого показана на рис.6, содержит неподвижную опору 1, корпус 4, сердечник 2 из магнитного материала, электромагнитную катушку 3, мембрану 5 из МР-эластомера с жестким центром. Между мембраной и сердечником сформирован воздушный зазор 6. Перемещения демпфера измеряются бесконтактным емкостным датчиком 7 с помощью системы управления 8 на основе персонального компьютера. Сигнал от датчика перемещения 7 поступает в систему управления 8, сохраняется и отображается на экране монитора. Поведение МР-эластомера и жесткость мембраны 5 описываются уравнением 6. Устройство работает следующим образом. При подаче управляющего тока от системы управления 8 в электромагнитную катушку 3 в магнитопроводе возникает замкнутое магнитное поле. В мембране 5 формируется радиальное магнитное поле с индукцией, которая имеет максимум вблизи сердечника 2. Под действием этой магнитной индукции мембрана с жестким центром перемещается в осевом направлении в пределах воздушного зазора. Система активной виброизоляции содержит четыре демпфера, расположенных по углам платформы, на которой установлено защищаемое оборудование.
Экспериментальные исследования МЭ-демпфера на основе МР-эластомера. При проведении исследований получены графики переходных процессов при перемещении демпфера (см. рис. 6) для нагрузок 11 Н, 22 Н и входного ступенчатого управляющего сигнала 2А (рис.7). Время переходного процесса при перемещении демпфера из одного положения в другое составляет соответственно 60 мс и 200 мс. При отсутствии нагрузки время переходного процесса при перемещении демпфера составляет около 1 мс. По вертикали на графиках показано перемещение демпфера в микрометрах. Как следует из рис. 7, процесс позиционирования демпфера имеет классический вид колебательного переходного процесса [8], при этом постоянная времени демпфера увеличивается по мере роста нагрузки.
51 41 31 21 11 1
-9 -19 -29 -39 -49
а а. л*
1 А? 1 1 Управляющий сигнал, В -+- Перемещение, мкм
О
50
44 39 34 29 24 19 14 9 4 -1
100
150
t, MC
A t
Кроме того, быстродействие демпфера для заданной нагрузки определяется временем переходных процессов в МР-эластомере. Время структурирования реологической среды £стр и релаксации £р сдвиговых напряжений определяется отношением дэкв(Н)/Е, где дэкв(Н) — динамическая эквивалентная вязкость МР-эластомера; Е — модуль упругости МР-эластомера. Эти параметры, а также время переходных процессов могут регулироваться за счет изменения значения напряженности магнитного поля путем изменения силы тока в катушке [4].
Выводы. 1. Показано, что для нанотехнологического оборудования целесообразно использовать устройства активной виброизоляции и позиционирования на основе МР-жидкостей и МР-эластомеров совместно с пассивными виброизоляторами. В этом случае низкочастотная компенсация возмущений защищаемого объекта (при частотах менее 200 Гц) происходит при помощи активных МР-демпферов, а пассивная виброзащита в области более высоких частот обеспечивается традиционными вязкоупругими демпферами.
2. Рекомендуется осуществлять регулировку частотных и точностных характеристик МР-устройств активного демпфирования и микропозиционирования за счет изменения коэффициента жесткости упругой кластерной мембраны МР-среды путем изменения магнитной индукции.
3. Установлено, что процесс позиционирования демпфера на основе МР-эластомера из одной точки в другую при подаче прямоугольного управляющего сигнала носит классический вид переходного колебательного процесса. Постоянная времени демпфера, значение которой может регулироваться, увеличивается от 1 до 200 мс по мере роста нагрузки от 0 до 22 Н.
■ Управляющий сигнал, В
■ Перемещение, мкм
........I..........................................
0
150 300 450 600 t, мс
Рис.7. График переходного процесса перемещения демпфера при нагрузке 11Н (а) и 22 Н (б):
Д£ — время переходного процесса 60 мс (а) и 200 мс (б); диапазон перемещения 25 мкм
Показано, что быстродействие демпфера на основе МР-эластомера определяется временем переходных процессов в реологической среде. Время структурирования среды и релаксации сдвиговых напряжений определяется отношением ^экв(Н)/Е, где ^экв(Н) — динамическая эквивалентная вязкость среды; Е — модуль упругости среды. Эти параметры могут регулироваться за счет изменения напряженности магнитного поля.
Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы (ГК № П692 от 12 августа 2009 г. с Федеральным агентством по образованию РФ).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. БорисенкоВ. Е., Воробьева А. И., Уткина Е. А. Наноэлектроника - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. - 223 с.
2. Механика и физика точных вакуумных механизмов: Моногр., В 2 т. Т. 2 / А.Т. Александрова, Н.С. Вагин, Н.В. Василенко и др.; Под ред. Е.А. Деулина. -М.: НПК "Интелвак"; Вакууммаш, 2002. - 152 с.
3.Михайлов В. П. Управление трением в элементах прецизионного вакуумного привода // Вакуумная наука и техника: Материалы девятой науч.-техн. конф. с участием зарубеж. спец. - М., 2002. - С. 174-178.
4. Исследование свойств и новое применение магнитных силиконовых композитов / А.И. Горбунов, В.П. Михайлов, Г.В. Степанов и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2008. - № 1 (70). - С. 90-107.
5. М и х а й л о в В. П., Б о р и н Д. Ю., БазиненковА. М. Моделирование магнитореологического дросселя прецизионного привода линейных перемещений // Конверсия в машиностроении. - 2007. - № 3. - С. 37-44.
6. Шульман З. П., Кордонский В. И. Магнитореологический эффект. -Минск: Наука и техника, 1982. - 184 с.
7. К а м ы ш н ы й Н. И., К у р ч а н о в а М. В., Л о г и н о в П. В. Система виброизоляции прецизионного технологического оборудования // Изв. вузов. Машиностроение. - 1988. - № 10. - С. 150-155.
8. Ю р е в и ч Е. И. Теория автоматического управления. 3-е изд. - СПб.: БХВ-Петербург, 2007. - 560 с.
9. Positioning magnetorheological actuator / V. Mikhailov, D. Borin, A. Bazinenkov, I. Akimov // Journal of Physics: Conference Series 149 (2009) 01 2075.
Статья поступила в редакцию
