从被动到主动：主动隔振技术如何突破精密控制的“低频瓶颈”？

在前几期内容中，我们从振动的危害入手，逐步拆解了被动隔振的原理、TMC 核心被动产品的特性，也对比过不同场景下被动系统的适用边界。但随着精密制造向纳米级、亚埃级突破 —— 比如半导体光刻的线宽逼近 1 nm，冷冻电镜要捕捉分子级生物结构，传统被动隔振逐渐难以应对低频微振动、复杂振动源等挑战。今天，我们就聚焦主动隔振技术，揭开它如何通过“主动感知 + 实时抵消”，突破被动系统的瓶颈，为超精密设备筑起更精准的 “稳定防线”。

一、什么是主动隔振？

主动隔振是相对于被动隔振而言的主动式振动控制技术，它通过“传感器实时感知振动 - 控制器计算抵消策略 - 执行器产生反向力” 的闭环系统，主动抵消传入设备的振动，而非像被动隔振那样仅通过弹簧、阻尼等元件被动过滤振动。

核心区别在于“主动对抗”：

被动隔振是“给设备装减震垫”，只能在振动频率高于自身共振频率时发挥作用；主动隔振则是 “给设备配实时响应的‘稳定管家’”，即使在低频段（如 0.5-2Hz）也能精准抑制振动，且无需妥协 “阻尼 - 隔振” 的两难关系。

二、主动隔振技术的“成长史”

主动隔振的技术根源可追溯至反馈控制系统，但针对振动控制的专用系统发展，大致经历了三个阶段：

1. 技术萌芽期（20 世纪 60-80 年代）：源于国防与航空

反馈控制系统在二战期间因国防需求快速发展（如战斗机操控、导弹制导），而主动隔振脱胎于这一领域的机电控制系统。早在 1960 年代，直升机座椅等场景已开始研发主动振动抵消技术，此时的主动系统更偏向特定场景的定制化设计，尚未形成商业化产品，核心目标是解决军事装备、航空设备的振动舒适性与稳定性问题。

2. 商业化起步期（20 世纪末 - 21 世纪初）：进入精密制造领域

随着半导体、光学等行业对精度要求提升，主动隔振开始向民用领域渗透，但初期普及速度较慢，核心原因在于：

?系统结构复杂，需集成传感器、控制器、执行器，成本远高于被动隔振；

?安装调试难度大，配套电子设备常需手动调试，对操作人员要求高；

?与被动隔振相比，部分场景下性能提升不显著，性价比优势不突出。

3. 快速发展期（近 20 年）：技术突破与需求驱动

两大趋势推动主动隔振进入快速发展阶段：

一方面半导体行业需求激增：晶圆量产效率与成本控制要求提升，光刻、检测工艺中，硅晶圆需通过重型或高速运动平台与光学元件精密对位，即使数毫米的位移，也会因设备解析度逼近 1 纳米而产生致命影响，主动系统可有效抑制此类残余振动；

另一方面数字信号处理技术进步：早期模拟电路主动系统虽低噪声、宽频带，但需手动调节，难以处理非线性场景；数字控制器（基于 DSP、FPGA）的出现，实现了自动校准、复杂算法（如前馈控制）的应用，还可通过软件升级优化性能，更适配半导体设备等 OEM 场景。

三、为什么用主动隔振？

被动隔振的固有局限，使其在超精密场景下“力不从心”，这也是主动隔振成为刚需的核心原因：

1. 低频共振放大：被动系统的“死穴”

被动隔振本质是“质量 - 弹簧 - 阻尼器” 系统，共振频率通常为 1-2Hz，当外界振动频率接近或低于该值时，会出现振动放大（如被动气浮隔振器在 2Hz 左右可能放大振动 10 倍以上）。

而超精密场景中，1Hz 的地面微振动会导致半导体晶圆检测定位偏差，低频 的建筑摇摆会让冷冻电镜成像出现“模糊伪影”，这些都是被动隔振无法应对的。

2. “阻尼 - 隔振” 两难：顾此失彼

被动系统存在固有矛盾：想降低共振放大，需增加阻尼，但会削弱高频隔振效果；想提升高频隔离，需减少阻尼，却会让低频共振更显著。例如原子力显微镜（AFM）观测原子级结构时，既需要抑制 2Hz 左右的人员走动振动，又需要隔离高频环境噪声，被动隔振根本无法同时满足。

3. 复杂振动源场景下被动隔振 “束手无策”

超精密设备常面临多源振动干扰：既有地面微振动，又有设备自身运动（如半导体 XY 工作台、机器人手臂）产生的振动。被动隔振无法区分这些振动源，只能统一过滤，导致部分频段振动超标；而主动隔振可通过 “反馈 + 前馈” 复合控制，同时应对多源干扰。

四、主动隔振的核心组件和原理

主动隔振系统必须具备三个关键组件：传感器、力执行器和控制回路。少一个都不能称之为“真正的主动系统”：

振动传感器：相当于“眼睛”，实时监测振动信号。常见的有加速度计（测惯性振动、高频段灵敏）、地震检波器（速度传感器，低频振动灵敏）、位移传感器（测相对地面位置，精度达纳米级）

控制回路：相当于“大脑”，基于传感器信号计算抵消方案。早期以模拟电路为主（低噪声、宽频带），如今主流是数字控制器（支持复杂算法，可自动校准、软件升级），能处理非线性反馈和前馈逻辑。

力执行器：相当于“手”，根据控制指令产生反向力抵消振动。常见类型有压电陶瓷（PZT，响应快、刚度高，分辨率极高，行程有限）、直线电机 / 音圈电机（动态性能极佳，大行程范围、不支持负载）、气动执行器（成本低，响应速度较慢）。

工作原理：像端着水杯走路一样“实时平衡”

主动隔振的本质是负反馈控制系统，原理其实很直观：当地面或负载产生振动时，传感器先捕捉到振动信号（比如加速度、速度）；信号传入控制单元，控制器通过预设算法（如 PID 控制、自适应控制），算出 “需要多大的反向力” 才能抵消振动；执行器接收指令，产生与振动方向相反、大小相等的力（比如振动向上时，执行器向下施力）；最后，传感器持续监测抵消效果，控制器实时调整输出，直到振动被抑制到目标范围。

这就像你端着一杯水走路，手会主动调整力度抵消身体晃动—— 手是 “执行器”，眼睛和平衡感是 “传感器”，大脑是 “控制器”，最终让水杯保持稳定。主动隔振系统，就是用机械和电子元件实现了这种 “实时平衡”。

五、主动隔振的两大主流技术路线：并联式 vs 串联式

主动隔振系统主要分为 “并联式”和“串联式” 。这里的“并联”和“串联”，是指用于抵消振动的力执行器与支撑负载的弹簧之间的连接方式——并联表示执行器与弹簧平行连接，串联表示执行器与弹簧串联连接

并联式主动隔振 

（1）并联式主动系统

上侧示意图展示的是并联式主动隔振系统：在传统被动“质量 - 弹簧 - 阻尼器”系统基础上，在隔振负载（质量块）上安装了振动传感器（可能是加速度计或速度传感器）。传感器采集的振动信号经处理后，传输至控制器，再通过功率放大器驱动力执行器，产生与振动方向相反、大小相等的抵消力（示意图仅展示了一个方向，实际应用中需通过6个传感器和6个执行器实现六自由度振动控制）。

并联式系统中的执行器通常是某种机械执行器，比如直线电机或音圈电机，这类执行器多基于磁线圈原理工作。需要重点注意的是，音圈电机、直线电机这类执行器本身无法承受系统负载，它们的作用仅仅是提供校正力。因此，在并联式系统中，必须搭配被动部件（与执行器并联）来承受负载。这些被动部件可以是机械弹簧（如模具弹簧），也更常采用空气隔振器。并联式系统的核心结构特点是：被动部件和力执行器在同一平面内对负载施加作用。

并联式是在传统被动“质量 - 弹簧 - 阻尼器” 系统基础上，给隔振负载装了振动传感器（加速度计或速度传感器）。传感器采集信号后，传给控制器，再通过功率放大器驱动力执行器，产生反向抵消力（实际应用中，需要 6 个传感器和 6 个执行器，实现六自由度振动控制）。

这里要注意：并联式的执行器（比如直线电机、音圈电机）本身不能承受系统负载，只能提供校正力，所以必须搭配被动部件（如机械弹簧、空气隔振器）来承重，且被动部件和执行器在同一平面内对负载施力。

不过它有个短板：传感器装在负载上，会同时捕捉到“地板传递的振动” 和 “负载自身的噪声”（比如仪器自身共振、内部运动部件振动、人员操作干扰）。系统没法区分这些信号，只能一起处理，这会导致带宽问题 —— 扩大检测带宽会影响稳定性，降低灵敏度又会影响消振效果，尤其在低频段，受被动部件共振影响较大。

但它也有优势：在“板载运动消振”（比如仪器内部部件运动产生的振动）方面表现出色。比如半导体设备里的工作台，来回运动的质量和加速度是已知的，可提前把参数输入直线电机，让电机预判并抵消振动，消振效果很好

串联式主动隔振

（2）串联式主动系统

串联式在基本组件之外，多了个“中间质量块”（高频特性好的刚性结构），传感器就装在这个质量块上；被动弹簧用的是刚度较大的橡胶弹性隔振器，而非空气隔振器；执行器通常是压电叠堆（大小像一卷硬币，由陶瓷晶体构成，利用 “逆压电效应”—— 通电后会根据电压大小膨胀或收缩），且能同时承重（这和并联式执行器不同）。

它的优势很突出：当地板产生振动时，会先传到执行器，再被中间质量块上的传感器检测到—— 此时振动还没传到负载！传感器把信号传给反馈系统，执行器立刻产生反向力抵消振动。而且被动弹簧能过滤负载自身的噪声，传感器几乎只检测地板振动，所以在宽频带尤其是低频段，消振效果更好。另外，中间质量块和被动弹簧构成的二级隔振结构，还能叠加其他隔振系统。

不过它也有局限：压电叠堆的行程有限，只能在微米级别调节。而且它没法消除负载自身产生的振动。

两者对比：看传递函数曲线更直观

从传递函数曲线（红色是并联式，蓝色是串联式）能清晰看到：

• 并联式在 1Hz 左右，因空气隔振器等软弹簧，会出现明显的振动放大峰，高频段隔振效果虽越来越好，但很难实现宽频带完全隔振；

• 串联式的共振频率极低（由系统带宽调谐参数和滤波器决定，非机械部件共振），在 1-2Hz 以下就能实现出色消振，且曲线更接近 “完全隔振” 的理想状态（接近零值）。

  
  

六、主动隔振能解决哪些“被动解决不了” 的问题？

对比被动系统，主动隔振的优势主要集中在2 个关键场景：

1. 低频微振动抑制：从 “放大” 到 “衰减 90%+”

被动系统在 1-3Hz 容易放大振动，而主动系统（如串联式压电系统）在 0.6Hz 以下就能发挥作用，能把低频振动衰减 90% 以上 —— 比如从 10μm/s 降到 1μm/s 以下，完全满足冷冻电镜、AFM 等原子级设备的需求。

2. 快速稳定：从 “数秒” 到 “几百毫秒”

被动气浮隔振器受扰动后，可能要数秒才能稳定；而主动系统通过反馈控制，稳定时间能缩短到几百毫秒甚至更短。比如半导体检测中，平台移动后需要快速恢复稳定，主动系统能直接提升设备的吞吐量。

七、哪些场景需要主动隔振？

并非所有精密场景都需要主动隔振—— 盲目选择会增加成本，反而可能因系统复杂导致新问题。判断是否需要主动隔振，大致来讲可分为两类不同需求的应用场景：振动敏感型与稳定时间敏感型：

1. 振动敏感型： “高要求” 场景

地面振动噪声过高：比如在结构薄弱或高层建筑中（建筑摇摆效应明显），常规被动系统没法应对低频放大；

设备本征灵敏度极高：比如原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM），它们有原子级分辨率，对微幅振动极为敏感。

这两种情况中，被动系统的隔离性能其实足够，但在 0.7Hz-3Hz 频段会放大地面振动，而主动系统（如惯性反馈方案）刚好能解决这个问题。

2. 稳定时间敏感型：“隔振够了，但等不起”

这类场景的核心问题是：被动气浮隔振系统的隔振性能完全满足要求，但稳定时间太长。

判断方法很简单：如果负载在扰动（如平台运动）停止后，只要等足够久就能稳定工作，那说明只是“稳定时间不够”，用主动系统能大幅缩短稳定时间，提升效率。

随着半导体、生命科学等领域对精度的要求越来越高，主动隔振技术还会不断迭代—— 未来，或许会有更小巧、更智能、成本更低的系统，为更多精密设备筑起 “稳定防线”。值得一提的是，在主动隔振领域，TMC基于数十年的技术积累，提供了完整的解决方案。覆盖了从常规升级到极端苛刻的各种应用场景。

预告：了解了主动隔振的原理，下一步就是认识真正的"实力派选手"，下一期，我们将深入探访TMC主动隔振产品家族。

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