精密仪器设备的振动标准（上）国外标准

       在所有敏感目标中，精密仪器设备的振动标准是相对最客观和可量化的。人的个体差异导致对振动敏感程度不同，但对具体某一台仪器来说，何种程度的振动会影响其正常工作毋庸置疑是确定的。在上一篇微文中，我们详细介绍了振动对精密仪器设备的影响；本文主要讨论国内外针对精密仪器的振动标准及这些标准的确定方法。

       一般来说，精密仪器设备的生产厂家应该在说明书中说明该仪器设备的允许振动值，如果没有，使用者一般是通过试验来确定，也有一些仪器设备是通过长期的工作实践和普查得到的。少数设备如单晶炉，影响其正常工作的因素很多，容许振动限值难以测定，只能从多方面进行观察分析。工程实践中，对仪器给出统一的振动标准是很困难的，实际规范和文献包含的规定通常是一般限值或者一定使用范围内的限值。另外，精密仪器本身具有一定的固有振动特性，所以不同频率的振动对精密仪器的影响程度是不一样的。通常情况下，精度要求越高，容许振动限值越严。

       国际上使用最广泛的一套精密仪器振动标准是基于三分之一倍频程频域建立的通用振动标准（也称为VC标准，generic vibration critieria），它的前身是Ungar和Gordon于1983年提出的BBN标准[1-2]。上世纪末，一批学者曾就精密仪器振动标准的分析域等问题进行了多次讨论[3-9]；此后Amick等（1991）[4]提出了分析比较法，即通过两种方法处理数据：一个是恒定百分比带宽的三分之一倍频程，另一个是固定带宽，然后作比较分析；Medearis（1995）[6]提出了时域方法，但时域方法忽略了精密仪器对频率的敏感性，因此遭到广泛批评；Amick（1997）[8]给出了详细的环境振动测试数据的处理方法，也为三分之一倍频程标准的合理使用奠定了基础。三分之一倍频程标准从理论上讲更合理，因为大多数环境振动信号是随机的，而随机信号采用能量平均要比瞬时幅值代表性强，其原理可以从随机过程的理论找到。目前，VC标准已经成为国际上用于精密仪器分级评估及实验室选址环境振动评价最广泛的标准。

图1 VC标准的创建者

       VC标准最初只有VC-A到VC-D四级，到80年代末新增VC-E级，并由此形成了较为完善的五级VC标准体系（图2）。整个标准建立在三分之一倍频程频域内。其中，8~80Hz由固定速度均方根值控制，4~8Hz由固定加速度均方根值控制。五级体系的VC标准不仅为广大仪器制造厂家所接纳，也被国内外许多标准规范所引用。我国国标GB50463-2008《隔振设计规范》[11]和《电子工业防微振动技术规范》（征求意见稿）[12]中推荐光栅刻线设备类精密仪器采用图2所示的VC振动标准；根据集成电路线宽不同，分别可选用四级容许振动速度，对应于VC振动标准中的VC-B至VC-E四级。

图2 用于精密仪器的五级VC标准和ISO环境振动标准（Gordon,1991）

   近年来，随着仪器精度提高和对振动要求加强，VC-F和VC-G也相继提出，但后两级只作为环境振动的一种评估，不作为为精密仪器强行制定的标准。同时，对于比VC-C更严格的级别，在8Hz以下不再使用加速度标准放宽振动要求，而统一采用同一速度来限定；不仅如此，还将低频范围一直延伸到1Hz，（图3）。之所以低频更加严格，是考虑到近20年来，超精密仪器大多内部采取自身隔振系统（内部被动隔振），这使得在降低高频敏感度的同时，加大了低频的敏感度。因此为了适应这种仪器被动隔振的发展趋势，一些曲线对1~8Hz的低频要求更严。图4和图5是部分对振动极其敏感的电子显微镜的振动标准与VC曲线的比较。可以发现，这些超精密仪器对低频有着更为严格的要求，因此修正后的VC曲线更接近实际曲线。近年来，在评价交通振动对精密仪器影响时，新版VC标准被广泛选用[13-14]。目前，新版VC标准已经作为精密仪器、设备的通用振动标准列入了我国《电子工业防微振动技术规范》（征求意见稿）[12]中。表1是图3中曲线对应的数据和适用范围。

图3 VC标准（2005版）（Amick2005）[15]

图4 三种电子显微镜的振动标准与VC曲线（1991版）比较[16]

图5 某透射式电子显微镜振动标准与VC曲线（2005版）比较[17]

       VC标准在20年来的发展过程中不断完善并逐渐得到广泛认可，主要在于其对控制标准几个关键问题的妥善处理。与其他振动标准一样，确定某一精密仪器的允许振动指标时，需要研究三个问题：（1）数据表达的分析域（即时域还是频域）；（2）物理量（即位移、速度还是加速度）；（3）统计形式（瞬时值还是平均值）。

       （1）VC标准分析域采用的是三分之一倍频程，而非谱值和峰值。三分之一倍频程的每一个频带带宽都是中心频率的23%，它可以很好地和精密仪器的振动标准相统一。在制定精密仪器控制标准的过程中，往往采用单频激振的试验方法来获得特性曲线（反映某仪器在正弦型激励振动作用下，允许振幅与激振频率关系的曲线[18]）。但由此产生了一个无法回避的问题：即如何判断多个频率叠加后是否满足仪器的振动要求。例如，图6是试验得到的二级精密天平的特性曲线[19]，但该曲线不能用于具有较多频率含量的环境振动评价。举例说明，如果某点振动响应是由fa、fb两个频率的简谐振动叠加形成，且在fa、fb两个频率上分别恰好满足振动要求，则该点振动响应是否满足仪器振动需要由fa、fb的相差的数值决定。实践证明，只有当fa、fb两频率相差较大时，该单频激振形成的允许振动曲线才能作为仪器的振动标准；而环境振动是由所有连续的频率构成，因此该类曲线无法作为精密仪器的振动标准。国内隔振设计规范做到这一步之后，采取数学统计方法，在一定保证概率基础下求其均值，最后采用振动峰值作为控制指标[18-20]。而如果振动标准的频率是定义在三分之一倍频程的，也可以较好地解决这一问题。

图6 试验得到的二级精密天平特性曲线

图7 VC标准振动试验及其包络线

（2）VC标准的衡量单位以速度为主，速度指标相对于位移、加速度，对频率敏感性不高，在标准制作上，可以近似处理成一条水平直线。VC标准的建立首先采用单频激振，其次绘制包络线（图7），包络线最下限即是速度，两侧包络线用位移和加速度，这样速度指标能保证对仪器的最严格性和经济性。这种方法在ISO/TS10811-2中有详细介绍[68]。此外，VC标准建立过程中，对光学仪器考虑了“首次出现模糊”和“完全模糊”的两级概念。

（3）VC标准的统计形式为均方根值而非峰值。相对而言，均方根值稳定性更大，随机性更小。

        NIST（USA’s National Institute of Standards and Technology）振动标准体系是美国为了发展更精密的仪器在VC-E基础上限制低频加速度而得到的。主要用于对低频有极高要求的原子力显微镜、扫描电镜、扫描探针显微镜等。该系统包括NIST-A和NIST-A1两条曲线，而两条曲线其实都适用于同一类仪器。两者区别在于，当NIST-A标准要求的仪器开启自身带有的空气弹簧时，可以达到的更高的防振性能。NIST标准限值见图8[22]，其中NIST-A级振动要求为1~20Hz内位移不超过25nm，20~100Hz内速度不超过3.1μm/s。我国《电子工业防微振动技术规范》（征求意见稿）[12]中采用类似NIST标准作为纳米装置容许振动标准的推荐限值：将NIST-A级振动要求调整为：1～12.5Hz内位移不超过25nm，12.5～100Hz内速度不超过3μm/s，并将其作为纳米实验装置振动限值；将NIST-A1级振动限值直接引用作为纳米实验装置研发振动限值。

图8 NIST标准

图9 VC标准与NIST标准比较

参考文献

[1] Ungar E. E., Gordon C. G. Vibration challenges in microelectronics manufacturing[J]. Shock and Vibration Inform. Center The Shock and Vibration Bull, 1983:51-58.

[2] Ungar Eric E., Gordon Colin G. Vibration Criteria for Microelectronics Manufacturing Equipment[C]// Proceedings of International Conference on Noise Control Engineering 1983:487-490.

[3] Ungar E. E., Sturz D. H., Amick C. H. Vibration Control Design of High Technology Facilities[J]. Sound and Vibration, 1990,24(7):20-27.

[4] Amick H., Bui S. K. A Review of Several Methods for Processing Vibration Data[C]// Proceedings of SPIE Conference on Vibration Control and Metrology San Jose, CA:1991:253-264.

[5] Gordon C. G. Generic vibration criteria for vibration-sensitive equipment[C]// Proceedings of SPIE Conference on Vibration Control and Metrology San Jose, CA:1991:71-85.

[6] Medearis K. Rational Vibration and Structural Dynamics Evaluations for Advanced Technology Facilities[J]. Journal of the Institute of Environmental Sciences and Technology, 1995,38(5):35.

[7] Gordon C. G. Vibration Prediction and Control in Microelectronics Facilities[C]// Proceedings of International Conference on Noise Control Engineering 1996:149-154.

[8] Amick H. On generic vibration criteria for advanced technology facilities[J]. Journal of the Institute of Environmental Sciences, 1997,40(5):35-44.

[9] Kjell A. Response equivalent peak velocity - a new method for description of vibration environment for sensitive equipment in buildings[C]// Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering 1999:118-125.

[10] BSI British Standards. BS 5228-2:2009 Code of practice for noise and vibration control on construction and open sites - Part 2: Vibration[S]. 2009.

[11] . GB50463-2008 隔振设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社, 2008.

[12] . 电子工业防微振工程技术规范（征求意见稿）[S]. 2006.

[13] Pridham Brad. Assessment of ground-borne vibration impact on sensitive facilities[C]// Proceeding of the IMAC-XXVII Orlando, Florida:2009.

[14] Ma M, Liu W N, Jin H, et al. Prediction of environmental vibrations in buildings induced by subway trains and mitigation measures analysis[A]// 1st International Conference on Railway Engineering (ICRE2010) [C] Beijing:China Railway Publishing House,2010:666-672.

[15] Amick H, Gendreau M, Busch T, et al.  Evolving criteria for research facilities: I- Vibration[A]// Proceedings of SPIE Conference 5933: Buildings for Nanoscale Research and Beyond [C] San Diego, CA, USA:2005:16-28.

[16] Gordon C. G. Generic Criteria for Vibration-Sensitive Equipment [C]// Proceedings of International Society for Optical Engineering (SPIE) San Jose:1999:71-85.

[17] Ma M, Liu W N, Markine V L, et al. Measurement of vibrations induced by road traffic and subway trains in laboratory[A]// 8th International Conference on Structural Dynamics (EURODYN2011) [C] Leuven, Belgium:2011:834-838.

[18] 振动计算与隔振设计组. 振动计算与隔振设计——工厂设计中的防振问题[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1976.

[19] 中国船舶工业公司第九设计研究院等. 隔振设计手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1986.

[20] 徐建. 隔振设计规范理解与应用[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2009.

[21] International Standard. ISO/TS10811-2:2000 Mechanical vibration and shock - Vibration and shock in buildings with sensitive equipment - Part 2: Classification[S]. 2000.

[22] Amick H., Gendreau M., Gordon C. G. Facility vibration issues for nanotechnology research[C]// Symposium on Nano Device Technology Hsinchu:2002.

微信扫一扫
关注该公众号