Erfolgsgeschichte Nanotechnologie

Bodenvibrationen um den Faktor 1.000 reduziert

Binnig and Rohrer Nanotechnology Center von IBM: kombinierte Schall- und Schwingungsisolierung für Noise-free Labs

Detailaufnahme Isolierungen mit Bilz AIS™ Active Isolation System für Binnig und Rohrer Nanotechnology Center von IBM und ETH Zürich

Detailaufnahme Isolierungen mit AIS™ Active Isolation System für Binnig and Rohrer Nanotechnology Center von IBM und ETH Zürich

Keyfacts
  • Vibrationen v Zielwert (Frequenzbereich   < 10 Hz): v < 1 μm/s
    Vibrationen v Messwert (Frequenzbereich < 10 Hz): v < 0,3 μm/s
  • Vibrationen v Zielwert (Frequenzbereich   > 10 Hz): v < 0,5 μm/s
    Vibrationen v Messwert (Frequenzbereich > 10 Hz): v < 0,1 μm/s
  • Schall p Zielwert: p < 55 dBC
    Schall p Messwert: p < 22 dBC

Hintergrund

Im Binnig and Rohrer Nanotechnologiezentrum von IBM in Zürich arbeitet man an der Förderung der Nanowissenschaften. Hier werden kleinste Strukturen im Nanometerbereich untersucht, um neue Materialien für die Informations- und Halbleitertechnologie zu generieren. Es liegt auf der Hand, dass an diese Forschungslabore außergewöhnliche Anforderungen gestellt werden.

Neues Laborkonzept für Nanotechnologie

Die sechs Noise-free Labore des Nanotechnologiezentrums liegen acht Meter unter der Erde. Hier sind die empfindlichsten und anspruchsvollsten Forschungsexperimente auf der Nanoskala möglich.

Zuvor mussten alle für die Nanotechnologie relevanten Störgrößen, nämlich Vibrationen, elektromagnetische Felder, Temperatur, Feuchtigkeit und Schall gleichzeitig berücksichtigt und möglichst ausgeschlossen werden. Diese Ziele erforderten ein neues Laborkonzept.

Wir waren bereits in der Planungsphase im Team des Noise-free Labs von IBM Research dabei. Unsere kompetente technische Beratung war für das Projekt entscheidend. Nach erfolgreichen Tests haben wir die Lösung für die unterirdischen Labore entwickelt: die Isolierung gegenüber Bodenvibrationen und die Isolierung gegenüber Schall.

Highlight

Wir entwickelten die Lösung für Akustik und Bodenvibrationen aus einer Hand.

Die Illustration zeigt einige der wichtigsten Maßnahmen zur Reduktion externer Störeinflüsse in dem Noise-free labs des Binnig und Rohrer Nanotechnology Centers von IBM und ETH Zürich

Die Illustration zeigt einige der wichtigsten Maßnahmen zur Reduktion externer Störeinflüsse in den „Noise-free Labs“ des Binnig and Rohrer Nanotechnology Centers von IBM und ETH Zürich.

Die Skizze zeigt das Ergebnis der perfekten Isolierung mit Bilz Lösungen zur Schwingungsisolierung im Binnig und Rohrer Nanotechnology Centers von IBM und ETH Zürich

Die Skizze zeigt das Ergebnis der perfekten Isolierung mit Bilz-Lösungen zur Schwingungsisolierung im Binnig and Rohrer Nanotechnology Centers von IBM und ETH Zürich.

Aufgaben

Das Planungsziel für die sechs geräuschfreien Labore war es, dass sich die Raumbedingungen im Laborbetrieb nur minimal verschlechterten. Denn oft stellen die verschiedenen technischen Geräte eines Experiments große Störfaktoren dar: etwa mechanische Pumpen zum Vakuumaufbau oder die Wärmeentwicklung und elektromagnetische Abstrahlung von Netz- und Kontrollgeräten. Bei herkömmlichen Experimenten reicht es aus, einzelne Parameter abzuschirmen, zum Beispiel die Temperatur. Mit den messtechnischen Entwicklungen in der Nanotechnologie gibt es aber Experimente, die empfindlich gegenüber mehreren oder sämtlichen fünf Störgrößen sind. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Vibrationen, Schall, elektromagnetische Felder sollten daher gleichzeitig abgeschirmt werden. Diese Herausforderungen konnten nur bei der Betrachtung des Gesamtsystems erfolgreich gemeistert werden.

Aufgabe 1: Bodenvibrationen

Zu Beginn der Projektphase wurden verschiedene hochempfindliche Experimente evaluiert und dabei Mess- und Fabrikationsgeräte mit den höchsten Anforderungen berücksichtigt. Diese hochempfindlichen Instrumente, zum Beispiel Elektronenstrahlschreiber, Transmissions-Elektronenmikroskope und spinpolarisierte Rastertunnelmikroskope mussten nun schwingungsfrei gelagert werden.

CAD Zeichnung der Isolierungen mit Bilz AIS™ Active Isolation System für Binning und Rohrer Nanotechnology Center von IBM und ETH Zürich

CAD Zeichnung der Isolierungen mit Bilz AIS™ Active Isolation System für Binnig and Rohrer Nanotechnology Center von IBM und ETH Zürich

Lösung 1: Luftgelagerte Fundamentblöcke

In jedem Labor wurde ein luftgelagerter Betonsockel von möglichst großer Masse installiert. Die Eigenresonanz der Luftlager liegt im Bereich von 1,2 – 2,4 Hz. Durch das Luftlager werden die Isolatoren aktiv geregelt. Auf diesen 34 bis 80 Tonnen schweren Sockeln stehen die Experimente; der Benutzer hingegen bewegt sich auf einem schwingungstechnisch entkoppelten Boden.

Zum Einsatz kam hier ein neues Bilz-Produkt: AIS™ Active Isolation System High Performance, unsere aktive elektronisch-pneumatische Schwingungsisolierung für höchste Anforderungen an Isolierwirkung, Abklingzeit und Niveaukonstanz.

Highlight

Unter den Laboren fahren Züge mit Hochgeschwindigkeit vorbei. Die Experimente sind so gut abgeschirmt, dass es keinen Einfluss auf die Messungen gibt.

Aufgabe 2: Luftschall

In den Noise-free Labs werden kleinste Strukturen im Nanometerbereich erforscht, wie zum Beispiel einzelne Moleküle oder Atome. Selbst Bedingungen unter Reinraumumgebung wären für diese Arbeiten noch zu „laut“.

Bilz Erfolgsgeschichte: Einbau akustisches Dämmmaterial im Experimentierraum Binning und Rohrer Nanotechnology Center (IBM Research Zürich)

Einbau Akustisches Dämmmaterial von Bilz im Experimentierraum Binnig and Rohrer Nanotechnology Center (IBM Research Zürich)

Bilz Erfolgsgeschichte: Querschnitt-Abbildung der Isolierungen mit Bilz AIS™ Active Isolation System für Binning und Rohrer Nanotechnology Center von IBM und ETH Zürich

Querschnitt-Abbildung der Isolierungen mit Bilz-Schwingungsisolierung für Binnig and Rohrer Nanotechnology Center von IBM und ETH Zürich

Lösung 2: Schallisolierung und optimierte Raumakustik

Bilz Akustikelemente aus Noppenschaumstoff ermöglichen hier eine optimierte Raumakustik und Luftschalldämmung. Unsere Lösungen zur Absorption von Schallenergie zeichnen sich durch maximale Schalldämmung oder Schallisolierung und Minimierung der auftretenden Schalldruckpegel sowie der resultierenden Nachhallzeiten aus. Das Ergebnis: eine extrem leise Umgebung mit drastisch reduzierter Störung.

Sounds of IBM: Noise-free Labs
Video Sounds of IBM: Noise-free Labs - Schall- und Schwingungsisolierung von Bilz Vibration Technology AG

Quelle: IBM Research

Bei der Ausstattung von Forschungslaboren zeigt sich besonders unsere Stärke als innovativer und verlässlicher Projektpartner. Wir konnten in den vergangenen Jahren ähnliche Projekte mit großem Erfolg realisieren und haben weitere in der Planung.
Dipl.-Wirt.-Ing. Ulf Motz
Projektleiter Bilz Vibration Technology AG

Weitere Bilz Anwendungen in der Forschung

  • Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart
  • Zentrum für Angewandte Quantentechnologie (ZAQuant) in Stuttgart
  • Advanced Research Center for Nanolithography (ARCNL) in Amsterdam
  • TU Delft – Faculty of Civil Engineering and Geosciences in Delft
  • Radboud University – Institute for Molecules and Materials (IMM) in Nijmegen
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