Dieses Papier beschreibt den Aufbau eines Ultra-Präzisions-xy Positionierung und Scanningtisch: die Queensgate NPS-XY-100A . Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf dem Design-Konzept und messtechnischen Überlegungen, die Sub-Nanometer-Ortsauflösung zu erleichtern, eine sehr hohe Linearität, geringe Hysterese, geringe Wärmeausdehnung und parasitäre Bewegungen gelegt. Experimentelle Daten zeigen, Sub-Nanometer-Auflösung und Nachweis der langfristigen Stabilität der Bühne. Einführung Voraussetzungen für eine höhere Präzision und Stabilität haben zu einem erhöhten Einsatz von Sub-Nanometer-Positionierung Mechanismen in der Halbleiter-, Laufwerks-LED, Rastersondenmikroskopie und anderen Forschungs-und Entwicklungsbereichen. Queensgate Nanopositionierung Produkte kombinieren Piezoaktoren mit Queensgate Nanosensoren ® (kapazitive Sensoren) und Fortgeschrittene mehrachsige Biegung Design. Diese Technologien sind mit 20 Jahren Know ience in elektronischer und Servo-Loop-Design zur Positionierung Stufen mit Sub-Nanometer-Genauigkeit, Präzision und Wiederholbarkeit1, 2,3 liefern kombiniert. Der NPS-XY-100A ist repräsentativ für Queensgate der Technologie und Design Fähigkeit. Queensgate NPS-XY-100A Technische Daten Die Queensgate NPS-XY-100A ist ein Zwei-Achsen-Closed-Loop Positionier-und Scanning-Tisch mit einem Umschlag von 100 x 100 x 23 mm mit einem Durchmesser von 40 mm Apertur. Vollständig aus Super-Invar gebaut, bietet es> 120 x 120 μ m Positionierung und Reichweite. Position Lärm ist in der Regel 0,3 nm (rms) und li nearity Fehler (kompensiert mit einem Polynom 4. in der Elektronik) weniger als 0,01%. Hysterese und parasitäre Winkelbewegungen sind weniger als 0,005% vom Unternehmen kontrolliert und 10 μ rad bzw. über den gesamten Stellweg. Die erste Resonanzfrequenz der Bühne ist> 350 Hz. Beschreibung Der NPS-XY-100A Bühne Der NPS-XY-100A besteht aus einer speziellen Kombination von Piezo-Aktuatoren, Queensgate Nanosensoren ® und Beugen. Zwei Piezo-Aktuatoren sind in die Bühne zu fahren Betätigung in beiden Achsen sorgen eingebettet. Piezo exp Ansion wird verstärkt mit einem 4:1-Biegung / Hebel-Design auf mehr als 120 x 120 μ m Reichweite bieten. Die Queensgate Nanosensoren ® überwacht die Position der Plattform und Feedback an die Steuerung Servo-Schleife. Eine erweiterte Biegung System führt den motio n der Plattform in x und y. Die Biegung Muster wurde speziell zur Minimierung parasitärer Bewegungen wie Rotationen (Gieren, Stampfen, Rollen) und out-of-Plane-Bewegungen. Um dies zu erreichen, wurden umfangreiche FEA Techniken verwendet, um die Konfiguration und die Parameter des Mechanismus zu optimieren. Die Queensgate NPS3000-Controller Der NPS-XY-100A Stufe wird durch die angetriebene Queensgate NPS3000 Controller (a DSP-basierte digitale Regelungs-System). Der Regler verfügt über eine intrinsische Auflösung von effektiv 23 Bit, dh 12.00 Uhr digitalen Auflösung über 100 μ m-Bereich. Diese Leistung übertrifft die Auflösung der meisten A / D und D / A-Wandler derzeit zur Verfügung und wird oft unter dem Geräuschpegel der meisten Anwendungen, die wir stoßen. Erweiterte digitale PID Regelalgorithmen können System-Antwort für eine Vielzahl von Anwendungen zu optimieren. Velocity Rückfragen (Differential Begriff) kann verwendet werden, um Feuchtigkeit aus mechanischen Resonanzen, die sich in deutlich reduzierten Einstellzeiten werden. Die Steuerung gibt dem Anwender die Werkzeuge für die vollständige Kontrolle über das System-Bandbreite und Loop-Parameter für in situ-Performance-Optimierung. Messtechnische Überlegungen Non-Linearität und Hysterese sind Fehlerterme entlang der Achse der Bewegung. Um zu beurteilen, diese statischen Bewegung Fehlern, sind die Stufen vom Anwender mit einem speziell entwickelten Laser-Interferometer, auflösen können Bewegungen von 0,05 nm oder unter 4. Erste Scans erlauben die interne Kapazität Sensoren digital zur vierten Ordnung linearisiert werden. Non-Linearität weniger als 0,01% wird routinemäßig erreicht. Ein Grundstück von Linearität und Hysterese Fehler in einem gemessenen NPS-XY-100A ist in Abbildung 1 dargestellt.  Abbildung 1. Linearität und Hysterese. Die Nanosensoren ® und Kontrolle er sind sorgfältig entworfen, um einen extrem niedrigen Geräuschpegel unten zu erreichen <0,005 nm.Hz - ½. Kombiniert mit 23-Bit Digital-Auflösung und Linearität Entschädigung gilt Sub-Nanometer-Wiederholbarkeit erreicht. Abbildung 2 zeigt ein Positionssignal Reaktion des Photonic Force Microscope (PFM) zu einer 2 nm Durchmesser Kreis erzeugt mit Hilfe eines NPS-XY-100A Bühne.  Abbildung 2. F 2 nm Kreis von NPS-XY-100A zurückzuführen [5]. Die Flexure-System Die Biegung System-Design führt die Etappe Bewegung entlang der gewünschten Achse und bietet eine hohe "Reinheit der Bewegung". Rotation und out-of-Ebene Fehler werden in einem sehr niedrigen Niveau ohne die Notwendigkeit für eine aktive Kompensation gesteuert. Abbildung 3 zeigt die out-of-plane Bewegung für eine gemessene NPS-XY-100A über ein 100 x 100 μ m gescannten Bereichs. Die Out-of-Plane-Bewegungen Fehler tatsächlich gemessen werden, um innerhalb von ein paar Nanometer über den gesamten Scan-Bereich liegen. Auch hier schließt diese Messung Driftfehler. Das Design ermöglicht die Einstellung der Gierfehler, die normalerweise durch Fertigungstoleranzen auf Biegungen verursacht werden. Folglich sind gemessen Gierfehler bis auf wenige Mikro-Bogenmaß über 100 μ m Reichweite in jede Achse erreicht.  Abbildung 3. Out-of-Plan motion Fehler. Baustoffe Der NPS-XY-100A von Super Invar gemacht wird, zeigt dieses Material extrem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (etwa 0,3 x 10 -6 K -1) und Langzeitstabilität. Tests bei Queensgate haben gezeigt, dass Drift Probleme können auftreten, wenn es eine Abweichung in der thermischen Eigenschaften der Komponenten-Materialien in das Stadium der Montage eingesetzt. Die Nanosensoren ® sind aus dem gleichen oder ähnlichen Materialien als Bühne Körper hergestellt, aber Aktoren kann es nicht. Piezoelektrische Material hat eine sehr niedrige thermische Ex pansion Koeffizient (-0,3 bis -0,6 x 10 -6 K -1). Wenn die Bühne der häufigsten Aluminium gebaut, und die Länge des Piezo-Stack ist 40 mm, die Differenz der thermischen Ausdehnungen von diesen beiden Materialien erzeugt würden etwa 1,2 μ mK -1 bei den Piezo-Ende sein. M it den Effekt der mechanischen Verstärkung um den Faktor 4, erzeugt die thermische Ausdehnung einer Bewegung an der Plattform Ende des rund 4,8 μ mK -1. Obwohl die Regelung kann die Bewegung durch Antreiben der Piezo weiter korrigieren, einen großen HV Offset ergibt sich eine Reichweite und Sättigung an einem Ende. Daher ist geringer thermischer Ausdehnung Material wesentlich zur Vermeidung von thermischen Effekten und alle Queensgate NPS-XY-100A sind aus Super Invar gebaut. Die Rahmen und Ständer, Rahmen Verzerrungen aufgrund von treibenden Kräfte in der dritten Stufe der Größe der gefundenen NPS-XY-100A kann auf einem Niveau von bis zu einigen hundert Nanometern. Spezielle isostatische Montage Systeme sind in das Stadium entwickelt, um eine Verzerrung aufgrund thermischer und Kraft Veränderungen zu entkoppeln. Diese Montage-Mechanismus ist wieder eine Biegung System, Drahterodieren in den Rahmen, wie in Abbildung 4 dargestellt. Dieses Regime sichergestellt, dass keine herkömmlichen Kontakt-Kopplung und der Reibung im System. Die Biegung ist konform in die Entkopplung Richtung und sehr steif in allen anderen Richtungen, die Aufrechterhaltung der mittleren Position der Plattform ohne Verringerung der Steifigkeit der Stufen-System. Das isostatische Montage Mechanismus auch bedeutet, die Bühne auf einem Sockel aus beliebigem Material montiert werden kann, ohne Rücksicht auf thermische Anpassung.  Abbildung 4. Isostatic Montage. Dynamic Response und Langzeitstabilität Der NPS-XY-100A Stufe hat eine Resonanzfrequenz von 350 Hz und ein kleines Signal 2% Einschwingzeit von <15 ms. Die Erhöhung der geladenen Masse hat normalerweise einen großen Einfluss auf das dynamische Verhalten des Systems, vor allem wenn die Bühne wie eine kompakte Größe ist. Die Queensgate digitalen Controllern mit einem Software-Tool zu kommen, so dass die PID-Parameter einfach vom Benutzer angepasst werden, um die Leistung in situ zu optimieren. Die Kurve a in Abbildung 5 ist aus einem unbelasteten Bühne unter der Kontrolle von optimierten PID-Parameter gemessen werden, zeigt die Kurve b, wie die Leistung von einem 100 g Masse auf die Bühne geladen und neu optimiert PID-Parameter beeinflusst wurde gibt wieder eine gewünschte Sprungantwort Kurve c.  Abbildung 5. Dynamisches Verhalten. Eine Sehenswürdigkeit ist die Langzeitstabilität und Reproduzierbarkeit der NPS-XY-100A. Ein solcher Schritt wurde an einen Kunden ausgeliefert und kehrte zur Re-Kalibrierung nach eineinhalb Jahren. Die Testergebnisse vor und nach sind in Tabelle 1 aufgeführt. Beachten Sie wieder, sind diese Daten die Lärm-und Drift-Fehler der Laser Interferometer System. Tabelle 1. Langzeitstabilität Testergebnisse (NPS-XY-100A, Serial Nr. 50583). | X-Achse | Scale-Schauspieler Fehler (%) | <0,1 | 0,000 | 0,067 | Linearitätsfehler (%) | <0,01 | 0,002 | 0,007 | Dlin (%) | <0,01 | 0,003 | 0,003 | Y-Achse | Scale-Schauspieler Fehler (%) | <0,1 | 0,001 | 0,035 | Linearitätsfehler (%) | <0,01 | 0,002 | 0,003 | Dlin (%) | <0,01 | 0,004 | 0,005 |
Schlussfolgerungen Schlussfolgerungen aus der Design-Review und Test oben dargestellten Daten sind wie folgt; a. Der NPS-XY-100A ist das Erfordernis der Sub-Nanometer-Wiederholbarkeit, Auflösung, Genauigkeit und Langzeitstabilität erreicht. b. Geringe Wärmeausdehnung Materialien wie Super Invar sind wesentlich für den Aufbau Sub-Nanometer-Präzision Bühne Mechanismen, um den Einfluss der thermischen Ausdehnung zu vermeiden. c. Erweiterte digitale Steuerung ermöglicht in situ Performance-Optimierung und verbessert die Dynamik des Systems. d. Isostatic Montage entkoppelt unvermeidlichen Verzerrungen Rahmen von thermischen und Krafteinwirkungen und pflegt die messtechnische Genauigkeit. Referenzen [1] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks und Malachy McConnell, Design und Charakterisierung von Nanometer-Präzision Mechanismen (Paper I), Proceedings of ASPE Jahresbericht 1996 Meeting in Monterey. [2] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks und Malachy McConnell, Design und Charakterisierung von Nanometer-Präzision Mechanismen (Paper II), Proceedings of ASPE Jahresversammlung 1997 in Norfolk. [3] Thomas R. Hicks, Paul D Atherton, Ying Xu, und Malachy McConnell, Die Nanopositionier Book, Queensgate Instruments Ltd, 1997 [4] Downs , MJ, Rowley, WRC, Precision Engineering (1993) 15, 1 [5] Courtesy Ernst-Ludwig Florin, European Molecular Biology Lab, Heidelberg . |