壹(yi)文(wen)讀懂(dong)振動(dong)：精(jing)密(mi)設備(bei)的(de)“隱形(xing)殺(sha)手”

壹(yi)文(wen)讀懂(dong)振動(dong)：精(jing)密(mi)設備(bei)的(de)“隱形(xing)殺(sha)手"

在精(jing)密(mi)制(zhi)造與前(qian)沿(yan)科研(yan)領(ling)域，振(zhen)動(dong)作(zuo)為壹(yi)種(zhong) “不可(ke)見(jian)的物理幹(gan)擾(rao)"，其危(wei)害常(chang)被(bei)低(di)估卻(que)影響深遠。從(cong)半導體晶圓(yuan)光(guang)刻(ke)的(de)納米級精(jing)度(du)控(kong)制(zhi)，到原(yuan)子(zi)力顯微(wei)鏡(jing)的分(fen)子(zi)級觀測(ce)，甚至(zhi)量(liang)子(zi)比(bi)特(te)的(de)相(xiang)幹(gan)性維持，微(wei)小(xiao)振動(dong)都可(ke)能導致實驗數(shu)據(ju)失(shi)真(zhen)、生(sheng)產(chan)良(liang)率(lv)驟(zhou)降(jiang)，乃(nai)至(zhi)核心(xin)設備(bei)不(bu)可(ke)逆(ni)損壞(huai)。

對抗(kang)振動，始於(yu)精(jing)準(zhun)的(de)認(ren)知，我們需(xu)要(yao)從(cong)振源(yuan)、傳(chuan)遞(di)路(lu)徑到接收(shou)端，建立(li)系統性(xing)理解。今天就(jiu)從(cong)振動的基本(ben)知識(shi)切入(ru)，深(shen)度(du)解析其(qi)物理本(ben)質(zhi)、分(fen)類方(fang)式、測(ce)量(liang)邏(luo)輯(ji)與評(ping)價體系，為後(hou)續隔振(zhen)方(fang)案(an)選(xuan)擇打(da)下基礎。

 壹(yi)、振(zhen)動的(de)物理本(ben)質(zhi)與核心(xin)量(liang)化(hua)參(can)數

振(zhen)動的本(ben)質(zhi)是(shi)物體在平(ping)衡位(wei)置(zhi)附(fu)近的周(zhou)期性往(wang)復(fu)運動，其(qi)核心(xin)是(shi)能(neng)量的傳(chuan)遞(di)與轉(zhuan)化(hua)。對(dui)精(jing)密(mi)設備(bei)的(de)影響需(xu)通(tong)過(guo)位(wei)移（x）、速(su)度（v）、加速(su)度（a） 三大核心(xin)參(can)數精(jing)準(zhun)量(liang)化(hua)，它(ta)們分(fen)別(bie)描述(shu)了振(zhen)動(dong)的不同維度(du)，並通(tong)過(guo)微(wei)積(ji)分(fen)關(guan)系(xi)緊密關(guan)聯(lian)，在頻域(yu)中呈(cheng)現(xian)出(chu)截(jie)然不同的特(te)征(zheng)。這(zhe)些(xie)參(can)數也(ye)是振動評(ping)估與隔振(zhen)方(fang)案(an)設計(ji)的(de)底(di)層依據(ju)。

l                      位(wei)移：描述(shu)物體偏離(li)平(ping)衡位(wei)置(zhi)的距離，單位(wei)為 μm（微(wei)米(mi)）或 nm（納(na)米(mi)），是(shi)振動最(zui)直觀的(de)表(biao)現(xian)。位移在低頻振動中(zhong)占(zhan)主(zhu)導地位，因為它直接關(guan)系(xi)到光(guang)學(xue)平(ping)臺的(de)相(xiang)對(dui)位置(zhi)偏差和精(jing)度(du)。對於(yu)需(xu)要(yao)超(chao)高定(ding)位穩定(ding)的應用，位(wei)移量是關(guan)鍵(jian)指標(biao)。

l                      速(su)度：描述(shu)物體振動(dong)的(de)快慢，是位(wei)移對時間壹(yi)次(ci)導數(shu)（v = dx/dt），常(chang)用(yong)單位(wei)為mm/s。速(su)度是評(ping)估振動(dong)對(dui)壹(yi)般精(jing)密(mi)設備(bei)影響的“核心(xin)指標(biao)"—— 許多設備(bei)的(de)振(zhen)動敏感(gan)性與速(su)度成正比(bi)。國(guo)際(ji)通用的VC振動標(biao)準(zhun)曲(qu)線(xian)即(ji)基於(yu)振(zhen)動速(su)度值(zhi)制(zhi)定(ding)。

l                      加速(su)度：描述(shu)振動(dong)速(su)度的變(bian)化(hua)率(lv)，是(shi)速(su)度對時(shi)間壹(yi)次(ci)導數(shu)（a=dv/dt），單位(wei)為重力(li)加(jia)速(su)度g或m/s²（1g≈9.8m/s²）。加(jia)速(su)度在高頻(pin)振(zhen)動分(fen)析(xi)中尤(you)為重要(yao)，因(yin)為它直接反映振動(dong)產(chan)生(sheng)的慣性力(li)大小(xiao)，這(zhe)些(xie)力會(hui)導致結(jie)構(gou)應力、疲(pi)勞損傷和精(jing)密(mi)部件(jian)的位(wei)置(zhi)偏差。

從(cong)傳播(bo)特(te)性(xing)來(lai)看(kan)，振(zhen)動(dong)通(tong)過固體傳導與空氣(qi)傳(chuan)導作(zuo)用(yong)於設備(bei)，其(qi)中(zhong)固體傳導（如地面、機(ji)架）是主(zhu)要(yao)途(tu)徑，能量(liang)衰減慢、傳(chuan)播(bo)距(ju)離遠。尤(you)為關(guan)鍵(jian)的是，當(dang)振(zhen)動頻率(lv)與設備(bei)的(de)固(gu)有(you)頻率(lv)重合(he)時(shi)，會(hui)引(yin)發 “共(gong)振效(xiao)應"，導致位移、速(su)度、加速(su)度均急(ji)劇放(fang)大（共(gong)振峰(feng)值(zhi)可(ke)達(da)原(yuan)振(zhen)動(dong)的(de) 5-10 倍），這(zhe)是(shi)精(jing)密(mi)設備(bei)振(zhen)動(dong)危(wei)害的(de)核心(xin)來(lai)源(yuan)。

                               位(wei)移、速(su)度、加速(su)度的關(guan)系(xi)

二(er)、       振(zhen)動(dong)的分(fen)類：從(cong)源(yuan)頭(tou)到特(te)征(zheng)的(de)全(quan)面拆解

1、       按振(zhen)源(yuan)分(fen)類：找到幹(gan)擾(rao)的“起(qi)點"

振(zhen)動可(ke)以分(fen)為三大類：地面振動(dong)、聲(sheng)振動和(he)直接對工(gong)作(zuo)面上(shang)的物體施加(jia)的(de)力。

地面振動(dong)：使(shi)裝(zhuang)置(zhi)下的地面振動(dong)的(de)所有(you)振源(yuan)，是(shi)幾乎(hu)所有(you)環境中都存在的(de)基礎性(xing)振(zhen)源(yuan)。常(chang)見(jian)的地面振源(yuan)包(bao)括自(zi)然源(yuan)（如地質(zhi)活(huo)動(dong)、吹向建築的風等(deng)）和人(ren)為源(yuan)（如來(lai)往(wang)行(xing)人、車輛(liang)、建築(zhu)的通風(feng)設備(bei)、設備(bei)運行(xing)等(deng)）。這(zhe)是(shi)zui普(pu)遍(bian)且(qie)能量(liang)集中(zhong)於低頻的(de)振(zhen)動類型(xing)。TMC的隔振(zhen)系(xi)統旨在(zai)zuida程度(du)的(de)減少這(zhe)些(xie)振源(yuan)的(de)影響。

聲振動(dong)：通(tong)過(guo)空氣(qi)介(jie)質(zhi)傳(chuan)遞(di)的壓(ya)力波(bo)，比(bi)如設備(bei)周(zhou)圍的(de)對(dui)話(hua)聲、揚聲(sheng)器(qi)、通風口的氣(qi)流(liu)噪(zao)聲、實驗室或車(che)間內其他(ta)設備(bei)的(de)運行(xing)噪(zao)聲等(deng)。在50 Hz以(yi)上(shang)常(chang)成(cheng)為主(zhu)要(yao)振(zhen)源(yuan)。

直接力幹(gan)擾(rao)：通過(guo)機(ji)械連接（如線纜、管(guan)路(lu)）傳遞(di)，或由(you)設備(bei)自(zi)身(shen)內部運動部(bu)件（如晶圓(yuan)運動平(ping)臺）產(chan)生(sheng)的反作用力(li)。此(ci)類振(zhen)動特(te)性(xing)已(yi)知，可(ke)通過(guo)設計(ji)進(jin)行(xing)針對性(xing)抑(yi)制(zhi)。

需(xu)註(zhu)意(yi)的(de)是，許多振源(yuan)會(hui)同時產(chan)生(sheng)多種振動(dong)：例(li)如實驗臺(tai)旁(pang)的真(zhen)空泵，既會(hui)通(tong)過地面傳遞(di)振動(dong)，也會產(chan)生(sheng)聲振動。但由於(yu)機(ji)械振動的耦(ou)合效(xiao)率(lv)遠(yuan)高於(yu)聲(sheng)振動(dong)，地面振動(dong)與直接力幹(gan)擾(rao)通常(chang)是(shi)影響最大的(de)兩(liang)類振(zhen)源(yuan) —— 因(yin)此將(jiang)真(zhen)空泵放(fang)在(zai)防震墊上(shang)，可(ke)大幅(fu)減少其(qi)振(zhen)動(dong)影響，使(shi)其(qi)與其(qi)他(ta)幹(gan)擾(rao)源(yuan)相(xiang)比(bi)可(ke)忽略(lve)不計(ji)。

2、       按信號(hao)特(te)征(zheng)分(fen)類：識(shi)別振動(dong)的 “規(gui)律"

    周(zhou)期性振(zhen)動(dong)：通常(chang)源(yuan)自(zi)旋轉(zhuan)機(ji)械。信號(hao)具(ju)有(you)恒定(ding)頻率(lv)，頻(pin)譜上(shang)表(biao)現(xian)為離散(san)尖峰(feng)（可(ke)能伴(ban)有(you)諧(xie)波(bo)）。例(li)如風扇勻速(su)旋轉(zhuan)時(shi)，會產(chan)生(sheng)單壹(yi)頻(pin)率(lv)的(de)持續振動(dong)，可(ke)通過(guo)振(zhen)幅(fu)譜進行(xing)分(fen)析(xi)。。

隨機(ji)振動(dong)：由(you)不(bu)可(ke)預測(ce)的(de)振(zhen)源(yuan)（如車輛(liang)通行(xing)、人員走(zou)動）產(chan)生(sheng)，信號(hao)無(wu)固(gu)定(ding)規(gui)律，頻(pin)譜(pu)上(shang)表(biao)現(xian)為連續寬(kuan)帶噪(zao)聲。這(zhe)類振(zhen)動需(xu)用(yong) “振(zhen)幅(fu)譜密度" 量化(hua)分(fen)析(xi)，確保(bao)結(jie)果(guo)與測(ce)量(liang)帶(dai)寬(kuan)無(wu)關(guan)，避(bi)免數據(ju)偏(pian)差。

3、按頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)分(fen)類：匹配設備(bei)的(de) “敏(min)感區"

不(bu)同頻率(lv)的(de)振動在(zai)位(wei)移、速(su)度、加速(su)度上(shang)的組合(he)特(te)性(xing)不(bu)同，對設備(bei)的(de)影響機(ji)制(zhi)也存在顯著差異：

低(di)頻振動（通常(chang)指＜10Hz頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)）：波(bo)長長、能(neng)量大，多(duo)來(lai)自(zi)建(jian)築(zhu)結(jie)構(gou)與遠(yuan)場交通(tong)，通(tong)過地基、樓(lou)板(ban)傳(chuan)遞(di)，衰減慢、傳(chuan)播(bo)遠(yuan)。這(zhe)類振(zhen)動會導致設備(bei)整(zheng)體緩(huan)慢平(ping)移或傾(qing)斜，對(dui)幹涉儀(yi)、光刻(ke)機(ji)等(deng)設備(bei)而(er)言(yan)，相當於基準(zhun)面漂移，直接破壞(huai)疊加精(jing)度(du)與對(dui)準(zhun)精(jing)度(du)。被動(dong)隔振(zhen)系(xi)統（如氣(qi)浮(fu)平(ping)臺）的(de)固(gu)有(you)頻率(lv)多(duo)在 1-3Hz，在此(ci)頻(pin)段可(ke)能放(fang)大振(zhen)動(dong)，因(yin)此(ci)主(zhu)動隔振(zhen)是(shi)低(di)頻振動(dong)控(kong)制(zhi)的shou選(xuan)方(fang)案(an)。。

中(zhong)頻振(zhen)動（通(tong)常(chang)指 10Hz-100Hz範(fan)圍(wei)）：多(duo)來(lai)自(zi)中(zhong)小(xiao)型(xing)機(ji)械（如 HVAC 風機(ji)、水泵、壓(ya)縮機(ji)、電梯、人(ren)員(yuan)走動），既通(tong)過(guo)結(jie)構(gou)傳遞(di)，也通(tong)過空氣(qi)聲(sheng)耦(ou)合影響設備(bei)。振(zhen)動(dong)標準(zhun) VC 曲(qu)線(xian)的(de)主(zhu)要(yao)斜率(lv)變(bian)化(hua)與等(deng)級區分(fen)集(ji)中在中頻(pin)段(duan) —— 這(zhe)是(shi)大多(duo)數(shu)精(jing)密(mi)設備(bei)最(zui)敏(min)感的頻(pin)帶，也是被動(dong)隔振(zhen)技術(shu)效(xiao)果(guo)zuixian著的(de)頻(pin)段，隔振(zhen)效(xiao)率(lv)可(ke)達(da) 99%。。

高頻(pin)振(zhen)動（通(tong)常(chang)指100Hz以(yi)上(shang)）：波(bo)長短、能(neng)量小(xiao)、衰減快，多來(lai)自(zi)設備(bei)內(nei)部(bu)電機(ji)（如高速(su)旋轉(zhuan)的(de)馬達(da)、渦(wo)輪分(fen)子(zi)泵、機(ji)械泵）。這(zhe)類振(zhen)動不會(hui)引(yin)發設備(bei)整(zheng)體運動，卻(que)會導致結(jie)構(gou)表(biao)面局部(bu) “抖(dou)動"，直接影響掃描探(tan)針(zhen)顯微(wei)鏡(jing)的針尖、光(guang)學鏡(jing)頭(tou)的(de)相(xiang)對位(wei)置(zhi)。此時系統的(de)抗(kang)振能力不再(zai)依賴隔振(zhen)，而(er)是(shi)取(qu)決(jue)於內(nei)在(zai)阻尼(ni) —— 高阻尼(ni)能快速(su)吸(xi)收(shou)高頻(pin)能(neng)量，避(bi)免持續振蕩(dang)。

三(san) 振(zhen)動對(dui)精(jing)密(mi)設備(bei)的(de)耦(ou)合機(ji)制(zhi)與影響

振動並非(fei)直接 “破壞(huai)" 設備(bei)，而(er)是(shi)通過多種(zhong)物理路(lu)徑與設備(bei)耦(ou)合，最(zui)終(zhong)引(yin)發功能(neng)異常(chang)：

1.                      直接結(jie)構(gou)傳遞(di)：振動(dong)通過地基、支(zhi)架傳遞(di)至(zhi)設備(bei)本(ben)體，導致整(zheng)體運動，破(po)壞(huai)測(ce)量(liang)或加(jia)工(gong)基準(zhun)。

2.                      聲(sheng)-固(gu)耦(ou)合：聲(sheng)壓波(bo)作用於(yu)設備(bei)外(wai)殼(ke)或隔振(zhen)器(qi)膜片，激(ji)發表(biao)面振動(dong)，進(jin)而(er)影響內部敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)。

3.  反作用力(li)激(ji)勵(li)：設備(bei)內(nei)部(bu)運動平(ping)臺（如半導體設備(bei)中(zhong)的(de)晶圓(yuan)臺(tai)）在(zai)加(jia)速(su)/減速(su)時，其反作用力(li)會(hui)直接作用(yong)於(yu)設備(bei)底(di)座，引(yin)發振(zhen)動(dong)。

這(zhe)些(xie)耦(ou)合機(ji)制(zhi)的最(zui)終(zhong)危(wei)害，表(biao)現(xian)為：光學(xue)成(cheng)像模糊(hu)、定(ding)位精(jing)度(du)喪失(shi)、測(ce)量(liang)信號(hao)信噪(zao)比(bi)下降(jiang)、設備(bei)長(chang)期穩定(ding)性惡(e)化(hua)。在(zai)半導體制(zhi)造等(deng)工業(ye)化(hua)場景(jing)中，振(zhen)動(dong)參(can)數超(chao)限會直接導致生產(chan)良(liang)率(lv)驟(zhou)降(jiang) —— 例(li)如 12 英寸晶圓(yuan)光(guang)刻(ke)時(shi)，20Hz、1μm 的振動會(hui)使(shi)線(xian)寬(kuan)誤差從(cong) ±2nm 擴大至(zhi) ±10nm，良(liang)率(lv)從(cong) 90% 降(jiang)至(zhi) 70%，每(mei)年造成(cheng)數(shu)億(yi)元(yuan)經(jing)濟(ji)損失(shi)。

四、振(zhen)動(dong)評(ping)估標準(zhun)：振(zhen)動(dong)準(zhun)則(ze)（VC）曲(qu)線(xian)

如何(he)判(pan)斷(duan)振(zhen)動(dong)水平(ping)是否達(da)標？業(ye)界廣(guang)泛采用(yong)VC振(zhen)動準(zhun)則(ze)曲(qu)線(xian)。VC曲(qu)線是在20世(shi)紀80年代(dai)早(zao)期由EricUngar和(he)ColinGordon提出(chu)的(de)，旨在(zai)為半導體、醫(yi)療(liao)和生物制(zhi)藥(yao)等(deng)行(xing)業的振(zhen)動敏感(gan)設備(bei)提供通(tong)用(yong)的振(zhen)動標準(zhun)。

該(gai)標(biao)準(zhun)采(cai)用(yong)壹(yi)組(zu)1/3倍頻帶(dai)速(su)度譜（one-third octave band velocity spectra），以(yi)及(ji)國(guo)際(ji)標準(zhun)組(zu)織(zhi)（ISO）關(guan)於(yu)振動對(dui)建(jian)築物中人(ren)的(de)影響判(pan)斷(duan)準(zhun)則(ze)，適(shi)用(yong)於(yu)在垂(chui)直和兩(liang)個(ge)水平(ping)方(fang)向上(shang)測(ce)量(liang)的(de)振(zhen)動。

其中(zhong)，NIST-A標準(zhun)是(shi)為計(ji)量(liang)學(xue)而(er)開發的(de)，近年來(lai)在(zai)納(na)米(mi)技術(shu)界也(ye)廣(guang)受歡(huan)迎。但是，NIST-A準(zhun)則(ze)在(zai)某(mou)些(xie)低頻(pin)振(zhen)動(dong)較(jiao)大的(de)地點很(hen)難(nan)得到滿(man)足。

目前壹(yi)般認(ren)為：VC-M是可(ke)測(ce)得的(de)zui低(di)值(zhi)，現(xian)今還(hai)無(wu)法(fa)在(zai)此(ci)標準(zhun)以(yi)下進行(xing)準(zhun)確(que)的(de)振(zhen)動(dong)測(ce)量(liang)，因(yin)為現(xian)今最(zui)敏感的(de)傳感(gan)器(qi)也因為傳感(gan)器(qi)的內部(bu)噪(zao)聲而(er)降(jiang)低(di)了靈(ling)敏度(du)，無(wu)法(fa)達(da)到VC-M的(de)測(ce)量(liang)基準(zhun)。

森泉提醒：測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)需(xu)與VC曲(qu)線(xian)在(zai)1/3倍頻程中(zhong)心(xin)頻(pin)率(lv)（1-80Hz）上(shang)進行(xing)比(bi)對(dui)，這(zhe)才(cai)是符(fu)合工(gong)程實踐的(de)標(biao)準(zhun)方(fang)法(fa)。

五(wu)、常(chang)見(jian)振源(yuan)的(de)頻率(lv)特(te)征(zheng)與專(zhuan)業(ye)識(shi)別(bie)

準(zhun)確(que)識(shi)別(bie)振(zhen)源(yuan)是(shi)解決振(zhen)動(dong)問(wen)題的前提，盲(mang)目隔振(zhen)不(bu)僅(jin)無(wu)法(fa)達(da)到效(xiao)果(guo)，還會(hui)造成(cheng)成(cheng)本(ben)浪費。

常(chang)見(jian)振源(yuan)的(de)頻率(lv)和(he)振幅:

森泉光(guang)電基於(yu)幾(ji)十年的(de)現(xian)場經驗(yan)，建(jian)立(li)了 “數據(ju)采(cai)集(ji)-頻譜分(fen)析(xi)- 振源(yuan)溯源(yuan) " 的(de)專業(ye)振動檢(jian)測(ce)服(fu)務(wu)，使(shi)用(yong)專(zhuan)業進口檢測(ce)設備(bei)實現(xian)精(jing)準(zhun)振(zhen)源(yuan)定(ding)位，從(cong)而(er)提供高性(xing)能(neng)的隔振(zhen)方(fang)案(an)。

振(zhen)動測(ce)量(liang):使(shi)用(yong)經(jing)校準(zhun)的(de)加(jia)速(su)度計(ji)進(jin)行(xing)數據(ju)采(cai)集(ji)。

頻譜分(fen)析(xi)：通過專業(ye)信號(hao)分(fen)析(xi)軟(ruan)件對采集到的(de)振(zhen)動(dong)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)頻譜分(fen)析(xi)，定(ding)位振(zhen)源(yuan)

振(zhen)源(yuan)溯源(yuan)：通(tong)過 “關(guan)停測(ce)試(shi)" 驗(yan)證振源(yuan)，例(li)如關(guan)閉(bi)空調後(hou)，若 5-30Hz 頻段的(de)位(wei)移從(cong) 8μm 降(jiang)至(zhi) 2μm、速(su)度從(cong) 0.25μm/s 降(jiang)至(zhi) 0.06μm/s，即(ji)可(ke)確認(ren)空調為該頻(pin)段(duan)振源(yuan)。

獲(huo)取(qu)振(zhen)動數(shu)據(ju)後(hou)，森泉光(guang)電工程師(shi)會(hui)結(jie)合(he)地面振動(dong)譜(pu)與隔振(zhen)系(xi)統的(de)隔振(zhen)效(xiao)率(lv)，理論(lun)預測(ce)傳(chuan)遞(di)到精(jing)密(mi)設備(bei)的(de)振(zhen)動水平(ping)，為隔振(zhen)系(xi)統選(xuan)型(xing)設計(ji)提供科(ke)學(xue)依據(ju)。

振(zhen)動(dong)控(kong)制(zhi)是壹(yi)項(xiang)貫(guan)穿設備(bei)全(quan)生(sheng)命(ming)周(zhou)期的系(xi)統工(gong)程。精(jing)準(zhun)的(de)識(shi)別(bie)與量(liang)化(hua)是(shi)成(cheng)功的(de)起(qi)點。森泉光(guang)電提供的(de)不(bu)僅是(shi)產(chan)品(pin)，更是(shi)基於(yu)對(dui)振動(dong)理論(lun)的深刻(ke)理解 “測(ce)量(liang) - 分(fen)析(xi) - 控(kong)制(zhi)" 完整(zheng)解決方(fang)案(an)。願(yuan)以深(shen)厚(hou)的技術(shu)積(ji)累與全(quan)面的產(chan)品(pin)線，成(cheng)為您追(zhui)求ji致精(jing)度(du)路(lu)上(shang)的戰(zhan)略(lve)合作夥伴(ban)。

下壹(yi)篇預告：您是否好(hao)奇VC振曲(qu)線(xian)具體如何(he)使(shi)用(yong)？為什麽(me)使(shi)用(yong)速(su)度值(zhi)作為評(ping)判(pan)標(biao)準(zhun)？為什麽(me)使(shi)用(yong)三(san)分(fen)之(zhi)壹(yi)倍頻程？下壹(yi)篇我們將(jiang)為您帶(dai)來(lai)《VC曲(qu)線(xian)深(shen)度(du)解讀》。