PI遵循限定條件提供適合于真空環境的精密定位設備。首先，必須避免真空室因磨損或除氣以及過多的熱量輸入而被顆粒污染。此外，安裝空間通常很有限。PI在真空技術與應用以及高垂直化的制造方面擁有多年經驗。因此PI能夠通過合適的驅動元件、材料選擇、設計和配件以及適當的制造工藝和質量控制而提供專門針對真空應用需求量身打造的標準和定制型產品。

　　標準產品的真空度達10-9百帕，定制解決方案則可達10-12百帕

　　壓電直接驅動器的位置分辨率小于1納米，電動平臺的位置分辨率小于1微米

　　行程為數10微米至100毫米，甚至可選擇更大

　　負載能力高達數百公斤

　　可在磁場和EUV中運行

　　精心選擇材料、元件及配件

　　考慮除氣行為

　　適合真空的制造工藝

　　對材料、元件及最終產品進行測試和質量控制的設備

　　適用于真空環境的定位解決方案

　　PI提供適用于真空應用的各種運動技術：其中包括在強磁場和低溫環境下依然可以工作的壓電陶瓷促動器，行程低于1.5毫米且精度可達亞納米級的壓電系統，在力、動力學和行程方面采用多種設計的壓電電機以及采用專門設計可實現更大行程的直流或步進電機的電動定位器和可在六個自由度上進行定位的并聯運動六足位移臺。

　　01

　　適用于真空環境的定位解決方案

　　行程高達數十微米至數十毫米

　　響應時間為數微秒

　　分辨率處于亞納米范圍

　　不產生磁場

　　陶瓷隔離，除氣率低

　　低磨損

　　無需潤滑

　　PICMA多層促動器兼具高可靠性和長使用壽命。由于采用無機材料(例如用于絕緣和電氣接觸)，因此可以將其加熱至高達150攝氏度。

　　PI提供多種基于壓電陶瓷促動器而開發的產品。壓電陶瓷促動器無需潤滑，也不會造成磨損。其運動基于壓電效應，因此無任何磨損。由于壓電效應存在于電場之中，因此壓電陶瓷促動器既不會產生磁場，也不受磁場影響。即使在接近0開氏度的最低溫度下，依然存在壓電效應。此外，壓電陶瓷對高能輻射不敏感。PICMA全瓷絕緣促動器不需要聚合物絕緣，并且為超高真空應用提供了最佳條件：無除氣且可承受高達150攝氏度的溫度。

　　壓電陶瓷促動器的高剛度可實現高力生成和高動態性。微秒級的快速響應時間得益于其數百千赫茲的高諧振頻率。與線性促動器相比，壓電陶瓷促動器的行程通常介于數十至數百微米之間。而彎曲型促動器則可達到數毫米。壓電陶瓷促動器可達到亞納米級的分辨率。

　　超高真空度可達10-10百帕：S-330壓電偏擺臺可提供亞毫秒級的響應時間，分辨率達20納弧度，光束偏轉達20毫弧度(>1度)。壓電陶瓷促動器的行程通過集成適用于真空的柔性鉸鏈導向而增加。

　　超高真空度可達10-10百帕：N-216 NEXLINE線性驅動器的行程高達20毫米，產生的力高達600牛，并配有適合真空的增量傳感器。

　　超高真空度可達10-10百帕：P-733.3壓電系統在X、Y向上的行程高達100微米×100微米，在Z向上的行程高達10微米。一體式柔性鉸鏈導向免維護、無摩擦、無磨損且無需潤滑。它們百分百真空兼容，可在很廣的溫度范圍內工作。

　　根據配置和控制的不同，壓電陶瓷促動器可用于平移、旋轉運動(偏擺) 或用作電機。驅動原理的選擇取決于相應應用所需的行程、力、分辨率和速度。除驅動類型外，選擇合適的材料和額外的元件對于壓電定位系統的真空兼容性至關重要。因此，請選擇適合真空的殼體、位置傳感器和導向系統，例如電容傳感器或柔性鉸鏈導向。此外，壓電電機無需潤滑油或油脂即可運行。

　　無論驅動原理如何，所有壓電電機均可以在真空中使用，并且是首選的驅動器，尤其在要求毫米級行程的情況下更是如此。

　　02

　　適用于真空的電動定位器

　　標準行程為5毫米至200毫米

　　標準速度高達10毫米/秒

　　標準負載能力高達10公斤

　　可根據要求提供與真空兼容的其他產品

　　低除氣率

　　適用于真空的材料和電機設計

　　超高真空度可達10-9 百帕：精密線性平臺L-509的行程為26至102毫米，重復精度為0.1微米。

　　PI為選定的產品系列提供了已適用于高真空(HV)或超高真空(UHV)的特定真空就緒標準產品。此外，大多數PI產品都可以根據要求進行改進而在真空中使用。PI提供的產品可實現低至10-9百帕的大氣壓力。在某些情況下，甚至可以達到10-10百帕。

　　表1示出了為達到相應的真空等級而采取的不同措施。

　　高真空度可達10-6百帕：設計緊湊的精密Z向位移臺。通過采用低除氣材料來潤滑導軌和傳動螺桿，可承受溫度高達80攝氏度。

　　高真空度可達10-6百帕：具有無限制行程和高達20微弧度重復精度的精密轉臺L-611。

　　高真空度可達10-6百帕：適用于XY裝置的緊湊型線性平臺M-110、M-111和M-112。

　　03

　　適用于真空的六足位移臺

　　六自由度

　　緊湊型設計

　　自由定義的樞軸點

　　高剛度

　　適用于真空的驅動技術

　　多種六足位移臺系列具有適用于可達10-6百帕(HV)真空的變體，例如H-811.I2適用于高達20毫米/秒的速度(左圖)，H-850適用于高達250千克的有效載荷。

　　六足位移臺平臺適用于在所有六個自由度(即三條線性軸和三條旋轉軸)實現負載的精準定位和校準。六足位移臺采用并聯結構，即移動平臺由多個促動器同時致動。在并聯運動六足位移臺中，所有驅動器均作用于單個移動平臺，從而使其比堆疊系統的設計更為緊湊。六足位移臺具有較高的剛性，因此可以沿任何方向安裝。由于僅移動一個平臺，因此與堆疊或嵌套的定位系統相比，其整體運動質量較低，從而導致慣性較小，因此所有運動軸的動力學性能均較高。

　　基于其設計，六足位移臺可在任意空間方向上定位數公斤甚至數噸的負載，而獨立于安裝方向且具有亞微米級的精度。設計合理的六足位移臺適合在真空中使用，并且通過采用電動機或壓電驅動器以及適合真空的傳感器技術可適應不同的真空等級。

　　超高真空度可達10-7百帕：一種定制的在X-射線顯微鏡中精密定位聚焦光學器件的6自由度解決方案。

　　專為EUV應用而設計的定制型六足位移臺：驅動器(在這種情況下為電動機)安裝在EUV室外部;內部僅有用于功率傳輸的無源元件。

　　UHV至10-9百帕：定制的小型六足位移臺移動負載高達約1.5千克，線性行程范圍高達1.5毫米，角度高達2度。它可以與適合真空的NEXLINE壓電步進電機驅動器以及集成式增量傳感器一起使用。

　　在真空方面面臨的挑戰：除氣和真空等級

　　01

　　除氣

　　為了確定所需的真空等級，有必要盡量了解應用。例如，EUV光刻、微電子電路生產或使用SEM(掃描電子顯微鏡)進行材料分析不僅對壓力范圍有著不同的要求，而且對真空室內允許的殘余材料也有著不同的要求。因此，除氣速率是另一項相關的規范。HC(碳氫化合物)的分壓往往具有決定性的影響。由于除氣決定了系統中的壓力(以及真空泵的容量)，因此除氣會阻礙達到低壓值的速度。此外，除氣化合物可能沉積在光學元件或其他敏感設備的表面上，并可能掩蓋或損壞它們。因此，殘留氣體必須含有很少的或不含HC，也不得含有鋅、鉛或鎘等蒸氣壓較高的金屬。

　　02

　　真空等級

　　真空表示處于容器中氣體壓力下的氣體狀態，因此顆粒數密度低于外部密度或氣體壓力低于300毫巴，即小于地球表面大氣壓力的最低值{DIN 28400}。其單位為[百帕]、[毫巴]或[托]。定義了五種不同級別的真空等級：低、中、高、超高和極高(如表 2). PI為選定的產品系列提供了已適用于高真空(HV)或超高真空(UHV)條件的標準產品。此外，大多數PI產品都可以根據要求進行改進而在真空中使用。PI提供的產品可實現低至10-9百帕的大氣壓。在某些情況下，甚至可以達到10-12百帕。

　　如何克服真空應用的挑戰

　　由于除氣對于創建和維持清潔的高真空環境是一項挑戰，因此在真空系統的設計和生產中必須合理選擇材料和處理方法。要制造應用于高真空(HV)或超高真空(UHV)的產品，必須考慮以下因素：材料選擇、設計以及制造和裝配工藝。

　　01

　　材料與設計

　　無粒子發射

　　無除氣

　　抗烘烤且耐高溫

　　無虛漏

　　微小表面

　　首選

　　材料

　　不銹鋼、鋁、鈦、青銅、FKM(例如Viton)、陶瓷、藍寶石、PTFE(例如Teflon)、PEEK、聚酰亞胺(例如Kapton)、玻璃陶瓷(例如Macor)

　　該材料無法除氣，因此為克服更高真空等級所必需的耐受溫度，必須具有耐熱性。然而，必須同時保持所需的精度和高位置分辨率以及平面度。

　　例如，常見的電氣和電子設備包含不適合真空應用或僅適于有限真空范圍的元件。其中包括電纜、電機、測量系統、連接器或限位開關。PI為所有這些元件實現了特定的產品功能，以大幅降低其除氣并創建清潔的真空環境。

　　因此，真空定位系統應使用鋁合金、不銹鋼、鈦或青銅等材料。表面處理應適合于真空等級，例如，較高真空等級的表面不得鍍膜而應采用白鋁或電拋光。為應用于高真空和超高真空，應使用專用真空潤滑油。根據需求，潤滑油可以在訂貨時指定。真空電纜絕緣層可采用PTFE或FEP(聚四氟乙烯)，也可以采用聚酰亞胺(Kapton)或PEEK。盡可能減少使用粘合劑。

　　為適合UHV應用而改進的電機：除氣孔、聚酰亞胺屏蔽編織結構和清潔的不銹鋼表面。

　　在真空平臺設計中，嚴格要求采用適合真空的材料替代標準材料。另一項要求是減小并最小化系統表面。此外，由于其行為類似真空中的虛漏，因此務必避免空氣夾雜物。

　　由于只有狹窄的通路連接至真空室，因此無法輕易抽出其中殘留的氣體。這延遲了達到所需真空度的時間。

　　殘留的氣體通常是由不通氣或通氣不暢的螺紋盲孔造成的。盲孔位于螺釘的尖端或螺釘頭的邊緣下方。此外，如果將定位器安裝在基板上或將樣本固定在定位器上，則被覆蓋的盲孔往往會導致虛漏。如果因螺釘而引起虛漏，則建議使用排氣螺釘等部件。

　　02

　　適合真空的制造工藝

　　無塵室制造

　　超潔凈作業場所

　　超聲清洗

　　真空室可達10-10百帕

　　真空定位系統的條件和操作規程與設計原則同等重要。真空平臺在無塵室內安裝。所有元件均在超聲波清洗器中清洗。并通過一種無顆粒的包裝運輸。在裝配真空定位器之前，所有純金屬部件均應在超聲波清洗器中經受清洗工藝。電氣和電子設備均進行擦拭清潔。對軸承和導向裝置等標準潤滑組件進行脫脂、清洗并用專用真空潤滑脂潤滑。在人工氣候室中干燥超聲波清洗過的組件。

　　請遵照嚴格的條例，在規定的無塵室條件下或在流式箱中進行裝配和測試。

　　請在無塵室或流式箱中裝配平臺。裝配后，必須在潔凈的環境中對該平臺進行性能測試。對每種類型的平臺以及在對產品進行真空關鍵性更改時均應進行真空測試。裝配后，請以真空密封袋包裝系統，以防止灰塵、空氣和濕氣進入：首先，該平臺在人工氣候室中經受烘烤工藝。在內部真空袋中包裝并密封該平臺后，將其放入第二個外部真空袋中，然后再將其完全真空密封。

　　如何檢驗在真空中使用的定位解決方案

　　標準測試

　　按需提供定制測試

　　可根據要求提供殘余氣體分析的測量方案

　　不同容積的真空室

　　適合于真空的產品均在PI進行了標準測試。此外，可以安排針對單獨真空應用的定制測試。PI擁有多個具有不同容積的真空室，因此可進行烘烤和殘留氣體分析。

　　為測試單個組件或測試小型平臺，約10升的真空室可供選擇。小型真空室配有由一個400升/秒(N2)渦輪分子泵和一個用于連續壓力感測的壓力傳感器組成的泵實驗臺，這意味著可以達到10-10百帕以下的壓力。加熱裝置允許高達200攝氏度的加熱除氣溫度。

　　容積為260升的大腔真空室專為長達800毫米的大型平臺、六足位移臺和多軸系統而設計。包含700升/秒(N2)渦輪分子泵和壓力傳感器的泵試驗臺允許進行低至10-9百帕的測試。一體式加熱系統可以使加熱除氣溫度達到150攝氏度。

　　PI大型真空室測試設備的容積為260升。

　　對平臺進行真空運行測試時，可以使用不同尺寸的法蘭，以用于帶有各種密封件的電機電流、線性編碼器、限位開關、溫度傳感器等。如果需要進行干涉測量或者需要目視觀察流程，則兩種真空室均可以配備觀察窗。四極質譜儀可用于1 amu至200 amu之間的實時RGA(殘留氣體分析)，并且可以連接到這兩種真空室。

　　PI在真空室中通過真空壓力測量和RGA(殘留氣體分析)對真空產品進行分類和驗證。根據需要達到的真空度，相應地對真空室和平臺進行加熱除氣。

　　六足位移臺(HV)的抽空壓力曲線。抽空兩天后，最終壓力達到10-7百帕。

　　線性平臺L-509在高真空下的典型RGA掃描。除了在18 amu下出現強烈的水峰外，還觀察到了HC占有相當的比重。

　　真空應用

　　由于新技術的工作原理取決于真空環境，因此真空應用變得越來越重要。

　　半導體技術

　　電子產品制造

　　掃描電子顯微鏡(SEM)

　　透射電子顯微鏡(TEM)

　　X射線斷層成像

　　高能束線設備

　　電子束加工

　　納米表征和納米結構

　　EUV光刻

　　材料研究

　　設計用于高真空環境的PI六足位移臺相對于入射X射線進行樣品定位(圖片來源：SURFACE systems+technology GmbH & Co. KG)

　　利用六軸樣本操縱器獲取的真空室內部視圖(圖片來源：由弗拉斯卡蒂INFN LNF的Augusto Marcelli博士和意大利米蘭比可卡大學的Valter Maggi博士提供)

　　集成了PI平臺的真空室的內部視圖(圖片來源：SLAC國家加速器實驗室)