Auslegung und Kennzeichnung einer Ultra-Präzision X-YStufe - das NPS-XY-100A von Queensgate-Instrumenten

AZoNano - Nanotechnologie - Queensgate-Instrumente Zeichen

Themen Umfaßt

Zusammenfassung

Einleitung

Bedingungen Queensgate NPS-XY-100A

Beschreibung der NPS-XY-100A Stufe

Der Controller Queensgate NPS3000

Metrologische Erwägungen

Die Biegungs-Anlage

Baumaterialien

Das Feld und die Befestigungen

Dynamische Resonanz und Langzeitstabilität

Schlussfolgerungen

Bezüge

Zusammenfassung

Dieses Papier beschreibt die Auslegung einer Ultrapräzision x-ypositionierungsund scannenden Stufe: das Queensgate NPS-XY-100A. Besondere Betonung wird auf das Konzept des Entwurfes und die metrologischen Erwägungen gelegt, die Unternm Stellungsauflösung, sehr hohe Linearitäten, niedrige Hysterese, niedrige thermische Reihenentwicklung und parasitäre Anträge ermöglichen. Experimentelle Daten stellen Unternm Auflösung dar und zeigen Langzeitstabilität der Stufe.

Einleitung

Anforderungen für höhere Präzision und Stabilität haben zu einen erhöhten Gebrauch von Unternm Stellmechanismen im Halbleiter, in der Laufwerk-, Scannenfühlermikroskopie und in anderen Forschung und Entwicklung Bereichen geführt. Produkte Queensgate NanoPositioning kombinieren piezoelektrische Stellzylinder mit Queensgate NanoSensors® (Kapazitanzfühler) und fortgeschrittene Multiachsenbiegungsauslegung. Diese Technologien werden mit 20 Jahren Erfahrung in der elektronischer und Servo-regelkreis Auslegung kombiniert, um die Positionierung von Stufen mit Unternm Genauigkeit, Präzision und repeatability1,2,3 zu versehen. Das NPS-XY-100A ist Vertreter Queensgates von Technologie und von Auslegungsfähigkeit.

Bedingungen Queensgate NPS-XY-100A

Das Queensgate NPS-XY-100A ist eine mit zwei Achsen Positionierungsund scannende Stufe der Endlosschleife mit einem Umschlag von 100 x 100 x 23 mm mit einer 40-mm-Durchmesser Öffnung. Insgesamt Hergestellt aus SuperInvar, bietet es > 120 x 120 µm Positionierung und Abtastbereich an. Stellungsgeräusche sind gewöhnlich 0,3 nm (Effektivwert) und der Linearitätsfehler (kompensiert mit einem 4. Ordnungspolynom in der Elektronik) ist kleiner als 0,01%. Hysterese und parasitäre Drehbewegungen werden weniger als µrad 0,005% und 10 beziehungsweise über der Ganzarbeitswegreichweite gesteuert. Die erste Eigenfrequenz der Stufe ist > 350 Hz.

Beschreibung der NPS-XY-100A Stufe

Das NPS-XY-100A enthält eine eigene Kombination von den piezo Stellzylindern, von Queensgate NanoSensors® und von den Biegungen. Zwei piezo Stellzylinder werden in der Stufe eingebettet, um Antriebsbetätigung in beiden Äxten zur Verfügung zu stellen. Piezo Reihenentwicklung wird unter Verwendung einer 4:1biegung/einer Hebelauslegung verstärkt, um zur Verfügung zu stellen größer als 120 x 120 µm Reichweite. Das Überwachungsgerät Queensgate NanoSensors® die Stellung der Plattform und stellen Feed-back zum Controller Servo-regelkreis zur Verfügung. Eine erweiterte Biegungsanlage führt den Antrag der Plattform in x und in Y. Das Biegungsmuster ist speziell konstruiert worden, um parasitäre Anträge wie Rotationen (Gierung, Abstand, Rolle) und Aus-vonflugzeug Antrag herabzusetzen. Um dieses zu erzielen, wurden umfangreiche FEA, die Techniken formen verwendet um die Konfiguration und die Parameter der Vorrichtung zu optimieren.

Der Controller Queensgate NPS3000

Die NPS-XY-100A Stufe wird durch den Controller Queensgate NPS3000 getrieben (eine DSP basierte digitale Regelungsanlage). Der Controller hat eine tatsächliche Auflösung effektiv 23 der digitaler Auflösung der Bits d.h. 12 P.M. über 100 µm Reichweite. Diese Leistung überschreitet die Auflösung der meisten zur Zeit verfügbaren A-/D und D-/Aumformer und ist häufig unterhalb des Geräuschpegels der meisten Anwendungen, die wir antreffen. Hoch entwickelte digitale PID-Steueralgorithmen können Systemantwort für eine Vielzahl von Anwendungen optimieren. Geschwindigkeitsfeedback (differenzialer Ausdruck) wird verwendet möglicherweise, um mechanische Resonanzen, mit dem Ergebnis der beträchtlich verringerten Erholungszeiten abzuklingen. Der Controller gibt dem Benutzer die Hilfsmittel für vollständige Kontrolle der Anlagenbandweite- und -regelkreisparameter für in-situleistungsoptimierung.

Metrologische Erwägungen

Nichtlinearität und Hysterese sind Fehlerausdrücke entlang dem Schwerpunkt des Antrages. Um diese statischen Antragfehler einzuschätzen, werden die Stufen unter Verwendung eines besonders konstruierten Laser-Interferometers kalibriert, das zum Lösen von Anträgen von 0,05 nm fähig ist oder unterhalb 4. Anfangsscans erlauben Sie dass die internen Kapazitanzfühler digital zur vierten Ordnung linearisiert werden. Nichtlinearität kleiner als 0,01% wird routinemäßig erzielt. Ein Plan von den Linearitäten und von Hysteresefehlern, die in einem NPS-XY-100A gemessen werden, wird in Abbildung 1. gezeigt.

Abbildung 1. Linearität und Hysterese.

Das NanoSensors® und der Controller werden sorgfältig konstruiert, um einen - niedrigen Geräuschpegel extrem zu erzielen unten < 0,005 nm. Hz. Kombiniert mit der digitalen Auflösung mit 23 Bits und Linearitätsausgleich, wird wahre Unternm Wiederholbarkeit erzielt. Abbildung 2 zeigt eine Stellungssignalantwort des Photonischen Kraft-Mikroskops (PFM) zu einem nm-des Durchmessers 2 Kreis, der unter Verwendung einer NPS-XY-100A Stufe erzeugt wird.

Abbildung 2. Kreis Φ2 nm verfolgt durch NPS-XY-100A [5].

Die Biegungs-Anlage

Das Biegungssystemdesign führt den Stufenantrag entlang dem gewünschten Schwerpunkt und liefert eine hohe „Reinheit des Antrages“. Rotation und aus flachen Fehlern heraus werden sehr zu den niedrigen Ständen ohne den Bedarf an jedem aktiven Ausgleich gesteuert. Abbildung 3 zeigt die Aus-vonflugzeug Anträge, die für ein NPS-XY-100A über einem 100 x 100 µm gescannter Bereich gemessen werden. Die Aus-vonflugzeug Antragfehler werden wirklich gemessen, um innerhalb ein paar nanometres über dem ganzen Abtastbereich zu sein. Wieder umfaßt dieses Maß Driftfehler. Die Auslegung erlaubt Einstellung von Gierungsfehlern, die normalerweise durch Fertigungstoleranzen auf Biegungen verursacht werden. Infolgedessen werden gemessene Gierungsfehler unten zu einigen Mikroeinheitswinkeln über 100 µm Reichweite in jedem Schwerpunkt erzielt.

Abbildung 3. Aus-von-Plan Antragfehler.

Baumaterialien

Das NPS-XY-100A wird vom SuperInvar, dieser niedrige Koeffizient der thermischen Reihenentwicklung der Materialausstellungen extrem - gemacht (ungefähr 0,3 x 10-6 K)-1 und Langzeitstabilität. Prüfungen bei Queensgate haben gezeigt, dass Antriebprobleme möglicherweise auftreten, wenn es eine Nichtübereinstimmung in den thermischen Eigenschaften der Teilmaterialien gibt, die in der Stufeneinheit verwendet werden. Das NanoSensors® sind von gleichen oder von den ähnlichen Materialien wie Stufengehäuse hergestellt, aber Stellzylinder können nicht. Piezoelektrisches Material hat einen sehr niedrigen Koeffizienten der thermischen Reihenentwicklung (- 0,3 bis -0,6 x 10-6 K)-1. Wenn die Stufe vom geläufigeren Aluminium aufgebaut wurden und die Länge des piezo Stapels 40 mm ist, würde der Unterschied von den thermischen Reihenentwicklungen, die durch diese zwei Materialien erzeugt wurden, ungefähr 1,2 µm.K-1 am piezo Ende sein. Mit dem Effekt der mechanischen Verstärkung durch einen Faktor von 4, erzeugt die thermische Reihenentwicklung einen Antrag am Plattformende von herum 4,8 µm.K.-1 Obgleich die Regelung den Antrag korrigieren kann, indem sie das piezo weitere treibt, Offsetergebnisse einer große HOCHSPG in einer Abtastbereichschicht und -sättigung bei einem Ende. Deshalb ist niedriges Material der thermischen Reihenentwicklung für die Vermeidung von thermischen Effekten wesentlich und das ganzes Queensgate NPS-XY-100A werden aus SuperInvar hergestellt.

Das Feld und die Befestigungen

Die Feldverzerrungen wegen der treibenden Kräfte, die in der Stufe die Größe des NPS-XY-100A gefunden werden, können auf Niveaus bis zu einigen Hunderten von den nanometres sein. Spezielle isostatic Befestigungsentwürfe werden in die Stufe konstruiert, um jede mögliche Verzerrung wegen der Thermal- und Kraftänderungen zu entkoppeln. Diese Befestigungsvorrichtung ist wieder eine Biegungsanlage, EDM, das in das Feld wie in Abbildung 4. gezeigt geschnitten wird. Diese Einfuhrüberwachung stellt keine herkömmliche Kontaktkupplung und -reibung in der Anlage sicher. Die Biegungsanlage ist konform in der Entkoppelungsrichtung und in allen weiteren Richtungen sehr steif und behält die Mittelposition der Plattform bei, ohne die Steifheit der Stufenanlage zu verringern. Diese isostatic Befestigungsvorrichtung bedeutet, dass die Stufe an einer Basis jedes möglichen Materials, ohne Interesse für das thermische Übereinstimmen montiert werden kann.

Abbildung 4. Isostatic Befestigung.

Dynamische Resonanz und Langzeitstabilität

Die NPS-XY-100A Stufe hat eine Eigenfrequenz von 350 Hz und eine differenzielle 2% Erholungszeit von Frau <15 die belastete Masse Erhöhend hat normalerweise eine große Auswirkung auf die dynamische Leistung der Anlage, besonders wenn die Stufe solch eine kompakte Größe ist. Die Queensgate-Digitalregler kommen mit einem Software-Tool, damit die PID-Parameter von den Benutzern leicht eingestellt werden können, um die Leistung in situ zu optimieren. Kurven Sie a in Abbildung 5 wird gemessen von einer aus dem Programm genommenen Stufe unter Kontrolle optimierter PID-Parameter, zeigt Kurve b, wie die Leistung durch eine 100 g Masse beeinflußt wurde, die auf die Stufe belastet wurde, und wieder-optimierte PID-Parameter gibt zurück eine gewünschte Sprungantwort als Kurve C.

Abbildung 5. Dynamische Resonanz.

Ein Punkt von Zinsen ist die Langzeitstabilität und die Wiederholbarkeit des NPS-XY-100A. Eine solche Stufe wurde zu einem Abnehmer versendet und zurückging für Nachkalibrierung nach einem und helbe Jahre. Die Testergebnisse vor und nach werden in Tabelle 1. ausgedruckt. Beachten Sie wieder, umfassen diese Daten die Geräusche und die Driftfehler der Laser-Interferometermaßanlage.

Tabelle 1. Langzeitstabilitäts-Testergebnisse (NPS-XY-100A, Seriennr. 50583).

Parameter

Spezielles.

Gemessen auf 28/8/97

Gemessen auf 2/02/99

X-Schwerpunkt

Schuppenschauspielerfehler (%)

< 0,1

0,000

0,067

Linearitätsfehler (%)

< 0,01

0,002

0,007

Hysteresefehler (%)

< 0,01

0,003

0,003

O-Schwerpunkt

Schuppenschauspielerfehler (%)

< 0,1

0,001

0,035

Linearitätsfehler (%)

< 0,01

0,002

0,003

Hysteresefehler (%)

< 0,01

0,004

0,005

Schlussfolgerungen

Schlussfolgerungen von den Designprüfungs- und Prüfungsdaten, die oben vorgelegt werden, sind wie folgt;

a. Das NPS-XY-100A hat die Anforderung von Unternm Wiederholbarkeit, Auflösung, Genauigkeit und Langzeitstabilität erzielt.

b. Niedrige Materialien der thermischen Reihenentwicklung wie SuperInvar sind wesentlich, damit aufbauende Unternm Präzisions-Stufenvorrichtungen den Einfluss der thermischen Reihenentwicklung vermeiden.

c. Hoch entwickelte digitale Steuerung erlaubt in-situleistungsoptimierung und verbessert die dynamische Leistung der Anlage.

d. Isostatic Befestigung entkoppelt unvermeidliche Feldverzerrungen von den Thermal- und Krafteffekten und behält die metrologische Genauigkeit bei.

Bezüge

[1] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks und Malachy McConnell, Auslegung und Kennzeichnung von Nm-Präzisions-Vorrichtungen (Papier I), Verfahren von ASPE-1996 Jahresversammlung, Monterey.

[2] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks und Malachy McConnell, Auslegung und Kennzeichnung von Nm-Präzisions-Vorrichtungen (Papier II), Verfahren von ASPE-1997 Jahresversammlung, Norfolk.

[3] Thomas R. Hicks, Paul D Atherton, Ying Xu und Malachy McConnell, das NanoPositioning Book, Queensgate Instruments Ltd, 1997

[4] Abstiege, M.J., Rowley, W.R.C., Feinmechanik (1993) 15, 1

[5] Höflichkeit Ernst-Ludwig-Gulden, Europäisches Molekularbiologie-Labor, Heidelberg.

Autor: Y. Xu, P.D. Atherton, T.R. Hicks, M. McConnell und P. Rhead

Quelle: Queensgate-Instrumente

Zu mehr Information über diese Quelle besuchen Sie bitte Queensgate-Instrumente.

Date Added: Dec 8, 2005 | Updated: Jul 15, 2013

Last Update: 15. July 2013 16:03

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit