Sistemi attivi di isolamento dalle vibrazioni per strumenti metrologici ad alte prestazioni (produzione di semiconduttori, microscopia elettronica, scienze della vita, ecc.)

La vibrazione è un movimento meccanico attorno a un punto di equilibrio. In altre parole, è un fenomeno meccanico in cui una forza esterna dinamica viene applicata su strutture o pavimenti, provocando il movimento oscillatorio che si ripete dopo un intervallo di tempo. Tra le fonti di vibrazione, la vibrazione a bassa frequenza non è percepibile durante le attività quotidiane e influisce negativamente sugli strumenti metrologici ad alte prestazioni, ad esempio nei settori dei semiconduttori, display, microscopia elettronica, fotonica e scienze della vita.

Classificazione delle vibrazioni

Il rumore periodico (moto oscillatorio deterministico) è definito come la grandezza nota dell'eccitazione che agisce su un sistema vibratorio in un dato momento. È generalmente causato da macchinari rotanti. Il rumore casuale (moto random) è causato da eccitazioni imprevedibili quali, a titolo di esempio, velocità del vento, asperità della strada, traffico pedonale e veicolare e movimento del suolo durante varie attività.

Fonti di vibrazione

Ci sono tre principali fonti di vibrazione.

• Vibrazioni al suolo - Le vibrazioni al suolo indicano tutti i fattori che causano vibrazioni su un pavimento. I fattori includono traffico pedonale e veicolare, rumori esterni, vento che soffia in un edificio e sistemi HVAC.
• Rumore acustico - I rumori acustici sono i fattori che applicano direttamente una forza a un carico utile, come il movimento d'aria proveniente da ventole (per es. sistema di aerazione).
• Forza diretta applicata a un carico su una piattaforma di isolamento: una forza diretta è una forza applicata direttamente a un carico su una piattaforma, inclusi i cavi che collegano tutte le apparecchiature e gli stage lineari motorizzati

Un sistema di isolamento attivo dalle vibrazioni è essenziale per la ricerca accademica e l'industria avanzata di altissima precisione, per eseguire misurazioni su scala nanometrica. Un sistema di isolamento attivo dalle vibrazioni è costituito da sistemi di controllo feedback e feedforward con sensori e attuatori integrati per isolare le apparecchiature più sensibili dalle vibrazioni a frequenza estremamente bassa, laddove i sistemi di isolamento passivo amplificano le vibrazioni a frequenze di risonanza. I sensori rilevano le vibrazioni in ingresso in tutti i sei gradi di libertà e passano i dati rilevati a un controller digitale, che li elabora. Il controller invia i segnali agli attuatori e gli attuatori annullano le vibrazioni generando una forza uguale e contraria.
Il sistema di isolamento attivo è ampiamente utilizzato nella metrologia di altissima precisione, come a titolo di esempio impianti avanzati di fabbricazione di semiconduttori, display, nanotecnologia e ricerca sulla nanofabbricazione.

Come funziona un sistema di isolamento attivo dalle vibrazioni?

I sensori integrati misurano costantemente le vibrazioni del pavimento e le vibrazioni originate dagli strumenti, e inviano questi dati al processore di segnale digitale (DSP); il DSP elabora i dati in segnali digitali per azionare gli attuatori, che generano un forza uguale e contraria alle vibrazioni in ingresso Poiché il sistema di isolamento riduce le vibrazioni in tempo reale, l'isolamento effettivo si verifica in tutte le bande di frequenza.

Il profilo della linea indica che l'abbattimento del rumore ottenuto con un sistema pneumatico passivo di isolamento dalle vibrazioni è 10 volte maggiore dell'abbattimento ottenuto con un sistema a isolamento attivo.