Diseño y Caracterización de un Escenario X-Y de la Ultra-Precisión - El NPS-XY-100A de los Instrumentos de Queensgate

AZoNano - Nanotecnología - Logotipo de los instrumentos de Queensgate

Temas Revestidos

Extracto

Introducción

Pliegos De Condiciones de Queensgate NPS-XY-100A

Descripción Del Escenario de NPS-XY-100A

El Controlador Aéreo de Queensgate NPS3000

Consideraciones Metrológicas

El Sistema de la Flexión

Materiales de Construcción

El Bastidor y los Montajes

Reacción Dinámica y Estabilidad A largo plazo

Conclusiones

Referencias

Extracto

Este papel describe el diseño de un escenario de colocación de la ultra-precisión y de exploración xy: el Queensgate NPS-XY-100A. El énfasis Especial se pone en el concepto de diseño y las consideraciones metrológicas que facilitan la resolución de la posición del sub-nanómetro, linearidades muy altas, histéresis inferior, la extensión térmica inferior y movimientos parásitos. Los datos Experimentales ilustran la resolución del sub-nanómetro y demuestran la estabilidad a largo plazo del escenario.

Introducción

Los Requisitos para una precisión más alta y la estabilidad han llevado a un uso creciente del sub-nanómetro que colocaba mecanismos en semiconductor, microscopia de la antena del accionamiento de disco, de la exploración y otras áreas de la investigación y desarrollo. Los productos de Queensgate NanoPositioning combinan los actuadores piezoeléctricos con Queensgate NanoSensors® (sensores de la capacitancia) y diseño multiaxial avance de la flexión. Estas tecnologías se combinan con 20 años de experiencia en diseño electrónico y del servo-bucle para proveer de colocar escenarios exactitud, la precisión y repeatability1,2,3 del sub-nanómetro. El NPS-XY-100A es representante de la tecnología de Queensgate y de la capacidad del diseño.

Pliegos De Condiciones de Queensgate NPS-XY-100A

El Queensgate NPS-XY-100A es un escenario de colocación y de exploración con dos ejes del bucle cerrado con un envolvente de 100 x 100 x 23 milímetros con una apertura de 40 milímetros de diámetro. Construido enteramente del Invar Estupendo, ofrece > 120 x 120 rango de colocación y de exploración del µm. El ruido de la Posición es típicamente 0,3 nanómetros (rms) y el desvío de las linearidades (compensado con un 4to polinomio de la orden en la electrónica) es menos de 0,01%. Se controlan la Histéresis y los movimientos angulares parásitos menos el de µrad 0,005% y 10, respectivamente, sobre el rango del viaje del conjunto. La primera frecuencia resonante del escenario es > 350 Hertz.

Descripción Del Escenario de NPS-XY-100A

El NPS-XY-100A comprende una combinación propietaria de actuadores piezoeléctricos, de Queensgate NanoSensors® y de flexiones. Dos actuadores piezoeléctricos se embuten en el escenario para proporcionar a la actuación del mecanismo impulsor en ambas hachas. La extensión Piezoeléctrica se amplifica usando una flexión del 4:1/un diseño de la palanca para proporcionar rango de mayor de 120 x 120 µm. El monitor de Queensgate NanoSensors® la posición de la plataforma y proporciona a feedback al servo-bucle del controlador aéreo. Un sistema extendido de la flexión conduce el movimiento de la plataforma en x y el Y. El modelo de la flexión se ha diseñado específicamente para disminuir movimientos parásitos tales como rotaciones (guiñada, tono, lista) y movimiento del fuera-de-avión. Para lograr esto, FEA extensos que modelaban técnicas fueron utilizados para optimizar la configuración y los parámetros del mecanismo.

El Controlador Aéreo de Queensgate NPS3000

El escenario de NPS-XY-100A es impulsado por el controlador aéreo de Queensgate NPS3000 (un sistema de mando a circuito cerrado digital basado DSP). El controlador aéreo tiene una resolución intrínseca efectivo 23 de la resolución digital de los dígitos binarios es decir 12 P.M. sobre rango de 100 µm. Este funcionamiento excede la resolución de la mayoría de los transformadores del A/D y de D/A actualmente disponibles y está a menudo debajo del nivel de ruidos de la mayoría de las aplicaciones que encontramos. Los algoritmos de mando digitales Avanzados del PID pueden optimizar la reacción de sistema para una variedad de aplicaciones. El feedback de la Velocidad (término diferenciado) se puede utilizar para amortiguar resonancias mecánicas, dando por resultado tiempos de corrección importante reducidos. El controlador aéreo da a utilizador las herramientas para el control total de los parámetros de la anchura de banda y del bucle de sistema para la optimización in situ del funcionamiento.

Consideraciones Metrológicas

La Ausencia De Linealidad y la histéresis son términos del desvío a lo largo del eje del movimiento. Para evaluar estos desvíos estáticos del movimiento, los escenarios se calibran usando un interferómetro especialmente diseñado del laser, capaz de resolver movimientos de 0,05 nanómetros o debajo de 4. exploraciones Iniciales permita que los sensores internos de la capacitancia sean linearizados digital a la cuarta orden. La Ausencia De Linealidad menos de 0,01% se logra rutinario. Un gráfico de las linearidades y de los desvíos de histéresis medidos en un NPS-XY-100A se muestra en el Cuadro 1.

Cuadro 1. Linearidad e histéresis.

El NanoSensors® y el controlador aéreo se diseñan cuidadosamente para lograr extremadamente - un nivel de ruidos inferior hacia abajo < 0,005 nanómetros. Hertz. Combinado con la resolución de 23 dígitos binarios y la remuneración digitales de las linearidades, se logra la repetibilidad verdadera del sub-nanómetro. El Cuadro 2 muestra una reacción de la señal de la posición del Microscopio Fotónico de la Fuerza (PFM) a un círculo del nanómetro de diámetro 2 generado usando un escenario de NPS-XY-100A.

Cuadro 2. círculo de Φ2 nanómetro rastreado por NPS-XY-100A [5].

El Sistema de la Flexión

El diseño de sistema de la flexión conduce el movimiento del escenario a lo largo del eje deseado y proporciona a una alta “pureza del movimiento”. La Rotación y de desvíos planos se controla a los niveles muy bajos sin la necesidad de cualquier remuneración activa. El Cuadro 3 muestra los movimientos del fuera-de-avión medidos para un NPS-XY-100A sobre área explorada 100 x 100 µm. Los desvíos del movimiento del fuera-de-avión se miden real para estar dentro de un par de nanometres sobre el rango entero de la exploración. Una Vez Más esta medición incluye desvíos de desviación. El diseño permite el ajuste de los desvíos de la guiñada que son causados normalmente por tolerancias de fabricación en flexiones. Por Lo Tanto, los desvíos medidos de la guiñada hacia abajo a algunos micro-radianes sobre rango de 100 µm en cada eje se logran.

Cuadro 3. desvío del movimiento del Fuera-de-Plan.

Materiales de Construcción

El NPS-XY-100A se hace del Invar Estupendo, este coeficiente inferior de la extensión térmica de las piezas de convicción del material extremadamente - (cerca de 0,3 x 10-6 K)-1 y estabilidad a largo plazo. Las Pruebas en Queensgate han mostrado que los problemas de la desviación pueden ocurrir si hay una discordancía en las propiedades térmicas de los materiales componentes usados en el ensamblaje del escenario. El NanoSensors® es manufacturado del mismo o de los materiales similares que cuerpo del escenario, pero los actuadores no pueden. El material Piezoeléctrico tiene un coeficiente muy inferior de la extensión térmica (- 0,3 a -0,6 x 10-6 K)-1. Si el escenario fuera construido del aluminio más común, y la longitud de la pila piezoeléctrica es 40 milímetros, la diferencia de las extensiones térmicas generadas por estos dos materiales sería cerca de 1,2 µm.K-1 en el extremo piezoeléctrico. Con el efecto de la amplificación mecánica por un factor de 4, la extensión térmica genera un movimiento en el final de la plataforma de alrededor 4,8 µm.K.-1 Aunque el mando de bucle cerrado pueda corregir el movimiento impulsando el más futuro piezoeléctrico, los resultados descentrados grandes de un ALTO VOLTAJE en una rotación y una saturación del rango de la exploración en un extremo. Por Lo Tanto, el material inferior de la extensión térmica es esencial para evitar efectos térmicos y todo el Queensgate NPS-XY-100A se construye del Invar Estupendo.

El Bastidor y los Montajes

Las distorsiones del Capítulo debido a las fuerzas impulsoras encontradas en escenario la talla del NPS-XY-100A pueden estar en los niveles hasta algunos centenares de nanometres. Los esquemas isostáticos Especiales del montaje se diseñan en el escenario para desemparejar cualquier distorsión debido a los cambios la termal y de la fuerza. Este mecanismo del montaje es otra vez un sistema de la flexión, EDM cortado en el bastidor tal y como se muestra en del Cuadro 4. Este régimen no asegura ningún acoplamiento y fricción convencionales del contacto en el sistema. El sistema de la flexión es obediente en la dirección de desemparejamiento y muy derecho en el resto de las direcciones, manteniendo la posición central de la plataforma sin reducir la rigidez del sistema del escenario. Este mecanismo isostático del montaje significa que el escenario se puede montar en una base de cualquier material, sin la preocupación por corresponder con térmico.

Cuadro 4. montaje Isostático.

Reacción Dinámica y Estabilidad A largo plazo

El escenario de NPS-XY-100A tiene una frecuencia resonante de 350 Hertz y un pequeño tiempo de corrección de la señal el 2% del Ms <15 Que Aumenta la masa cargada tiene normalmente un impacto grande en el funcionamiento dinámico del sistema, especialmente cuando el escenario es una talla tan compacta. Los controladores aéreos digitales de Queensgate vienen con una herramienta de software para poder ajustar fácilmente los parámetros del PID por los utilizadores para optimizar el funcionamiento in situ. Curve a en el Cuadro 5 se mide de un escenario descargado bajo el control de parámetros optimizados del PID, la curva b muestra cómo el funcionamiento fue influenciado por una masa de 100 g cargada sobre el escenario, y los parámetros re-optimizados del PID dan detrás una reacción de paso de progresión deseada como curva C.

Cuadro 5. reacción Dinámica.

Una punta del interés es la estabilidad a largo plazo y la repetibilidad del NPS-XY-100A. Un tal escenario fue expidido a un cliente y volvió por la recalibración después de uno y medios años. Los resultados de la prueba antes y después de se enumeran en el Cuadro 1. Observe otra vez, estos datos incluyen el ruido y los desvíos de desviación del sistema de medición del interferómetro del laser.

Resultados de la prueba de la estabilidad A largo plazo del Cuadro 1. (NPS-XY-100A, No. 50583 de la Serie).

Parámetro

Espec.

Medido en 28/8/97

Medido en 2/02/99

X-AXIS

Desvío del actor de la Escala (%)

< 0,1

0,000

0,067

Desvío de las Linearidades (%)

< 0,01

0,002

0,007

Desvío de Histéresis (%)

< 0,01

0,003

0,003

Y-AXIS

Desvío del actor de la Escala (%)

< 0,1

0,001

0,035

Desvío de las Linearidades (%)

< 0,01

0,002

0,003

Desvío de Histéresis (%)

< 0,01

0,004

0,005

Conclusiones

Las Conclusiones de la revista de diseño y de los datos de prueba presentados arriba están como sigue;

a. El NPS-XY-100A ha logrado el requisito de la repetibilidad del sub-nanómetro, de la resolución, de la exactitud y de la estabilidad a largo plazo.

b. Los materiales Inferiores de la extensión térmica como el Invar Estupendo son esenciales para que los mecanismos constructivos del escenario de la precisión de los sub-nanómetros eviten la influencia de la extensión térmica.

c. El control numérico Avanzado permite la optimización in situ del funcionamiento y mejora el funcionamiento dinámico del sistema.

d. El montaje Isostático desempareja distorsiones inevitables del bastidor de efectos la termal y de la fuerza y mantiene la exactitud metrológica.

Referencias

[1] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks y Malachy McConnell, Diseño y Caracterización de los Mecanismos de la Precisión del Nanómetro (Papel I), Actas de la Reunión Anual de ASPE 1996, Monterey.

[2] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks y Malachy McConnell, Diseño y Caracterización de los Mecanismos de la Precisión del Nanómetro (Papel II), Actas de la Reunión Anual de ASPE 1997, Norfolk.

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

[4] Plumones, M.J., Rowley, W.R.C., Ingeniería de Precisión (1993) 15, 1

[5] Florín de Ernst-Luis de la Cortesía, Laboratorio de Biología Molecular Europeo, Heidelberg.

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

Fuente: Instrumentos de Queensgate

Para más información sobre esta fuente visite por favor los Instrumentos de Queensgate.

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

Last Update: 15. July 2013 16:35

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit