Development of a Mini-Environment Chamber with High Precision Active Vibration Isolation and Constant Temperature Control

有鑑於微奈米技術的發展，無論是量測或加工過程都需要一個穩定的環境，來提高精度與良率，環境之控制包含了溫度與振動控制這兩個重要的關鍵。因此，本研究研製一套小型之恆溫、抗震的環境箱，提供微奈米量測或加工之用。研究成功的研製出一分離式小型環境箱，搭配半導體製冷晶片作為製冷元件，能夠有效降低製冷元件所造成之振動，也能有效的控制溫度。主動式振動隔振系統，包含了自行研發之光學式加速度計與VCM致動器。利用市售之DVD光學讀取頭作為感測元件，搭配感震質量結構，完成光學式加速度計；利用市售喇叭單體改制成所需之VCM致動器，以並聯方式將彈簧元件與VCM致動器結合成隔振致動器，整合光學式加速度計與隔振致動器，研製出主動式振動隔振模組。本研究所提出恆溫、抗震之小型環境箱皆自行開發，不僅能有效降低成本，也能提供微奈米研究領域之使用。With the progress of Hi-Tech industry, the products have already reached the level of micro/nano-meter. During the processing or measuring course of micro/nanotechnology, we must consider the environmental effect that have a fundamental influence on the temperature and vibration control. The aim of this thesis is to develop a mini-environment chamber with high precision active vibration isolation and constant temperature control.he environment chamber is designed as the separation type that can separate the operational vibration from the cooling chamber. The temperature of the chamber is controlled by the thermoelectric cooling units. The temperature control method employs the PI control. This design can not only reduce the vibration from the cooling elements but also obtain the good constant temperature control of chamber. he active vibration isolation system consists of the active vibration isolation unit, spring and platform. The main components of the active vibration isolation unit are the self-developed optical accelerometer, and VCM actuator. In this system, the commercial DVD pickup head is used as the sensor which combines the special designed seismic structure to form an optical accelerometer. The voice coil motor (VCM) is taken from the loudspeaker as the actuator that paralleled with the spring to form an anti-vibration actuator. The optical accelerometer and anti-vibration actuator are integrated into an active vibration isolation unit. Moreover, the vibration control algorithm employs the optimal independent modal space control (Optimal IMSC) to obtain optimal feedback force command. The mini environment chamber with the high precision active vibration isolation and constant temperature control is developed in this work. This innovation not only reduces the cost but also benefits further researches in the field of micr/nano-meter.致謝 i要 iibstract iii錄 v目錄 vii目錄 x一章 緒論 1-1 研究動機 1-2 文獻回顧 3-2-1溫度控制箱研究之相關文獻 3-2-2 振動控制之相關文獻 8-2-3振動感測器之相關文獻 11-3 研究目的與內容概要 14二章 分離式恆溫環境箱之研製 16-1製冷晶片之原理與驅動 16-1-1熱電致冷晶片簡介 16-1-2西伯克效應 18-1-3湯姆遜效應 18-1-4帕爾貼效應 18-2 分離式恆溫環境箱之機械結構設計 20-3 恆溫環境箱系統數學模型之建立 22-3-1恆溫環境箱動態系統識別 22-3-2系統識別實驗 25-3-3 PID控制及參數調整 28-4恆溫環境腔之實驗架設與量測結果 32-4-1 實驗架設 32-4-2 量測結果 33三章 光學式加速度計之研製 48-1 光學讀取頭之介紹與感測原理 48-1-1光學讀取頭內部元件之簡介 50-1-2光學讀取頭之光學原理 57-2 加速度計之基礎原理 64-3 加速度計之設計、分析與製作 69-3-1 懸臂樑形式之感震結構的設計 70-3-2 音圈馬達形式之感震結構的設計 73-4 光學式加速度計之實驗架設與量測結果 76-4-1 實驗架設 77-4-2 實驗結果 78四章 主動式振動隔振系統之研製 85-1音圈馬達的簡介與原理 85-1-1音圈馬達之簡介 85-1-2音圈馬達之作動原理及相關參數 86-1-3 音圈馬達之磁路形式 94-1-4 音圈馬達之驅動電路設計 98-2 主動式振動隔振系統之設計與製作 99-2-1 主動式隔振模組之研製 100-2-2 主動式振動隔振系統之相關參數 104-3 最佳化獨立模態控制法 106-3-1 運動方程式 106-3-2 狀態方程式 107-3-3 獨立模態控制 108-3-4 最佳化控制 110-4 實驗結果 112-4-1 實驗架設 112-4-1 音圈致動器之量測 113-4-2 數值模擬之結果 114-4-3 系統之性能測試 117五章 結論與未來展望 121-1 結論 121-2 未來展望 123考文獻 125文著作 13