מערכת שיכוך אקטיבי עבור מערכות מתקדמות בשוק הסמיקונדקטור

מוני ברק, מדיטל קומוטק

רעידות (Vibrations) המכונות "רעש" (noise) מלוות אותנו בכל מקום וברוב המכריע של המקרים הן אינן רצויות. רעידות יכולות להגיע מהסביבה (ground-born), כלומר תוצר לוואי של הסובב אלנו, כלי תחבורה, מנועים, מכונות, כלים, מדחסים, גנרטורים וכו'. בנוסף, רעידות יכולות להגיע גם מכיוון המערכת עצמה (stage-bone) כלומר כתוצאה מהקינמטיקה של המערכת, כאשר הגורם המשמעותי ביותר הוא השפעת ערכי התאוצה של מרכז הכובד של המערכת. על אף שהרעש יכול להגיע ממגוון רחב של מקורות בעלי מאפיינים שונים, המהות של מערכות שיכוך הרעידות היא זהה. ניתן להגדיר שתי מערכות לשיכוך הרעידות, מערכת שיכוך פאסיבית ומערכת שיכוך אקטיבית. מערכת שיכוך פאסיבית כולל לרוב קפיץ ורכיב משכך, כאשר תפקיד הקפיץ הוא לרסן את הרעידות ותפקיד המשכך, הוא לבטל את התנודות הנוצרות במערכת. מערכת שיכוך אקטיבית משתמשת בנוסף לרכיבי המערכת הפאסיבית, גם בחיישנים המודדים את תאוצת המערכת ובבקרי תנועה, המאפשרים שיכוך רעידות של תדרים גבוהים יותר.

כאשר רוצים להסביר בצורה פשוטה ונוחה כיצד עובדת מערכת שיכוך פאסיבית ניתן לקחת לדוגמא מערכת המתלים של המכונית. מערכת המתלים בנויה מחלקים קשיחים משולבים עם חלקים אלסטיים, כגון הקפיצים. בפעולתם המשולבת הם מרסנים הלמים המגיעים לרכב מכיוון הקרקע כלומר תוואי השטח. אלמנט חשוב שנמצא במכלול המתלים הינו בולם הזעזועים, שתפקידו לא רק להסב לנהג נהיגה חלקה ונעימה יותר, אלא גם לשמור על מכלולי הרכב המשמשים ליצירת המגע בין גלגל המכונית לכביש. כאשר מערכת המתלים קשה מדי הדבר יכול לגרום להקפצת הרכב בצורה קשיחה על הכביש, העלול לגרום לחלקים בתוך הרכב להיסדק או אף להשבר. מאידך, אם מערכת המתלים תהיה רכה מידי הרכב יתחיל להתנדנד, דבר שיגרום לאיבוד אחיזה טובה בין גלגלי הרכב והכביש.

על מערכות השיכוך להיות בעלות מאפיינים שונים ובלתי קשורים וזאת על מנת לרסן מקורות רעש שונים באופיים מהכביש. מערכת השיכוך צריכה להיות במקביל גם רכה וגם קשה בכדי להתגבר על מהמורות הדרך. מצד אחד המערכת צריכה להיות רכה, על מנת להבטיח את חווית המשתמש של הנוסע ומצד שני להיות קשה, כדי לרסן בזמן הקצר ביותר את תוצר המהמורות.

ברכבים מסוגים שונים, קרי רכב ועירוני ורכב שטח, משתמשים במתלים שונים וזאת על מנת להתאים את הרכב לתוואי השטח בו הוא צפוי לנסוע. ברכב עירוני יש מתלים "רכים" והוא מיועד לכבישים סלולים נוחים, בעוד שברכבי שטח יש מתלים "קשים", המתאימים לתנאי שטח קשים הכוללים דרכים לא סלולות, בורות ומהמורות.

המערכת גם צריכה להיות כזו שיהיה ניתן לכיילה בקלות מאעי שירותיות.

בתמונה ניתן לראות עקומת היערנות של מערכת שיכוך רעידות פאסיבית עבור שלושה מקדמי ריסון שונים: מקדם ריסון נמוך (קו צהוב), מקדם ריסון בינוני (קו ורוד) ומקדם ריסון גבוה (קו כחול).

ניתן לראות כי כאשר כאשר ערך מקדם הריסון הוא גבוה, מאפייני בידוד הרעידות של המערכת כמעט נעלמו ואילו כאשר ערך מקדם הריסון הוא נמוך, נצפית משרעת תהודה ניכרת. הערך האופטימאלי של הריסון תואם למקרה בו המשרעת התנודה (אמפליטודה) עולה בצורה חסרת משמעות (3dB) בסמוך לתדר התהודה של המערכת. באפליקציות High-end בתעשיית הסמיקונדקטור בה התהליכים כיום דורשים רזולוציות של ננומטר, נדרשים ביצעים מתקדמים בכל הקשור ליציבור במיקום, ריטוט אנכי, זמני תנועה והתכנסות, שגיאת עקיה ועוד. ציוד מכונה מורכב מחובר בצורה כזו או אחרת לשולחן גרניט שהוא חלק אינטגרלי מפלטפורמת ההינע. ככזו, כל רעד שקיים ברמת שולחן הגרניט מתורגם במיישרין לאי דיוקים או זמני התכנסות ארוכים יותר ברמת התהליך של המכונה. מכונות המצריכות ביטול של הפעות "רעש" אלו מצריכות פתרונות מתקדמים שיעזרו לבטל את הרעידות הללו בצורה היעילה ביותר.

מערכת שירוך אקטיבית

במכונות עם מערכות שיכוך אקטיביות יש בדר"כ בנוסף לקפיצים גם רכיב משוב, המכיל מספר מדי האצה מסוג פיאזואלקטרי, מערכת בקרה אנלוגית ומתמר אלקטרומגנטי (לדוגמא מנוע). הקפיץ תומך במשקל החלק העליון של השולחן והמערכת שמונחת עליו. התנועה של החלק העליון של השולחן נמדדת במאצמעות מדי ההאצה מסוג פיאזואלקטרים. מדי ההאצה מייצרים אות אנלוגי המעביר כמשוב את התזוזה שאובחנה, לתוך בקרי תנועה. בקרי התנועה מייצרים תנועה נגדית למנועים היושבים מתחת לחלק העליון של השולחן ולמעשה מייצרים תנועה הפוכה המבטלת את התנועה המקורית. כתוצאה ממערכת המשוב הזו מרסנים את הרעידות, בניגוד למערכת שיכוך פאסיבית.

התמונה הבאה מציגה את עקומות ההיענות לתדר של מערכת אקטיבית לעומת מערכת פאסיבית. שני הקווים המקוטעים מייצגים את ההיענות לתדר במקרה של מערכת השיכוך הפאסיבית. ניתן לראות בקירוב את שני שיאי התהודה בציר האופקי בתדר 2Hz ובתדר 5hz ובציר האנכי בתדר 4.5Hz. הקווים הרציפים מציגים את עקומות ההיענות לתדר במערכת שיכוך אקטיבית. במקרה הזה רואים בבירור, הן בציר האופקי והן בציר האנכי, שאין הגבר תדרים, פרמטר חשוב מאוד במרבית היישומים המעשיים בהם נדרש לבודד את האובייקט הנבדק, מכל המקורות השונים של הרעידות.

מערכת שיכוך אקטיבית חדשה מתוצרת ETEL

חברת ETEL  שוויץ, השיקה את המוצר QuiET, שהוא למעשה מערכת בידוד אקטיבית המבטלת כמעט לגמרי, הן את הרעידות שנוצרות ממקור חיצוני והן את הרעידות שמגיעות מהמערכת עצמה (כתוצאה מהקינמטיקה), לאורך 6 דרגות חופש, המנועים מעבר של ההפרעות לתהליך המתבצע על גבי פלטפומטת ההנע. במרבית המקרים, אפליקציות קצה (High-end) בתעשיית הסמיקונדקטור משלבות ציוד מורכב, שבצורה זו או אחרת, מחובר לשולחן הגרניט של פלטפורמת ההינע. בתור שכזה, כל הרעדה בדרגה של שולחן הגרניט מתורמת לכדי אי דיוקים וזמני התכנסות ארוכים יותר בתהליך המתבצע, במערכת היושבת על שולחן הגרניט. הפתרון של ETEL מאפשר ניטרול הרעידות בצורה היעילה ביותר אי פעם!

קומפקטי, מודולרי וניתן להתאימו אישית

מערכת ה-QuiET שמופיעה בתמונה, תוכננה כך שתהיה מודולרית וברת התאמה למגוון רחב של מכונות. בעת תיכנונה נלקחו בחשבון רכיבים רבים אקטיבים ופאסיבים, ו-ETEL יכולה לספק פתרון אופטימלי, המותאים לצרכים המשתנים של הלקוח. אקטואטורי לורנץ וסנסורים ייעודיים משולבים בארכיטקטורה בעלת גובה נמוך, שתוכננה בצורה אופטימאלית כדי למלא דרישות מערכת שונות ובמקביל לאפשר שירותיות קלה בשטח. בקרי ההינע של מערכת ה-QuiET הם למעשה אותם בקרים של מערכת ההינע עצמה והם כולם שייכים למשפחת הAccurET וממוקמים יחד באותו ארון תקשורת / חשמל.

כלים יעודיים לצורך הטמעה קלה, יעלה ומהירה

המערכת מגיעה עם תוכנת מחשב גראפית ידידותית למשתמש, המתאימה לכל סוגי מערכות הינע והיא כוללת בתוכה: 

כיול אוטומטי של ערכי הקידום (feedforward). 

זיהוי (Identification) של המערכת 

יכולת פילוס (leveling) מובנות

לוקחים את ביצעוי מערכות ההינע צעד אחד קדימה

מערכת ה-QuiET מביאה את אסטרטגיית האינטגרציה הכוללת של ETEL לשלב הבא. מעתה, כל פתרון הינע מתקדם מתוצרת החברה לא רק מכיל מערכת הינע מתקדמת משולבת עם בקרי הינע מתקדמים ביותר, אלא בנוסף יכול להנות ממערכת שיכוך רעשים אקטיבית תוצרת החברה. עובדה זו מציבה את החברה כחברה הבלעדית בעולם המסוגלת לספק את כל מרכיבי פלטפורת ההינע. תודות לגלאי מיוחד הנמצא בשימוש בלעדי בחברה ביחד עם ארכיטקטורת בקת הינע המבוססת על קצבי תעבורת מידע של 1Gb, החברה מצליחה להקטין את זמני ההתכנסות בישמויי move and settle לערכים חסרי תקדים. באמצעות קידום תאוצות, הדיוק המושג הינו יותר מ-99%, כאשר למעשה פחות מאחוז אחד מהאנרגיה הנוצרת ע"י בימת ההינע נשאר בשולחן הגרניט, עובדה זו מאפשרת להקטין ככל שניתן את מסת שולחן הגרניט, וע"י כך גם להקטין את המסה והנדל"ן של הכונה, בעוד ששאר מרכיבי המכונה נהנים מסביבה שקטה יותר.

החברה בנתה לעצמה מוניטין בתחום הבקרה וזאת הודות לפעילותה בתחום למעלה מארבעים שנה, בה היא מספקת ללקוחותיה מוצרים מתקדמים ביותר ומוצרים ייעודיים וייחודיים לבקרת הינע.

החברה הינה ספקית של מערכות הינע והיא שייכת לקבוצת Heidenhain. ככזו היא נהנית מהאפשרות לשילוב בלעדי של מוצרי מטרולוגיה חדשניים ומתקדמים ביותר, פרי פיתוח של קבוצת Heidenhain. כבר למעלה מ-20 שנה חברת ETEL מתקדמת בתכנון, פיתוח בדיקה וייצור סדרתי של פתרונות ייעודיים ליישומים של בקרת תהליך בתעשיית המוליכים למחצה לדוגמא: Lithography, Overlay, Critical, Dimensions, Thin Film, Lase Annealing, Wafer scribing & Dicing.

למידע נוסף: ETEL