Design et Caractérisation d'un Stade DE X/Y d'Ultra-Précision - Le NPS-XY-100A des Instruments de Queensgate

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Sujets Couverts

Résumé

Introduction

Caractéristiques de Queensgate NPS-XY-100A

Description Du Stade de NPS-XY-100A

Le Contrôleur de Queensgate NPS3000

Considérations Métrologiques

Le Système de Flexure

Matériaux De Construction

Le Cadre et les Montages

Réponse Dynamique et Stabilité À Long Terme

Conclusions

Références

Résumé

Cet article décrit le design d'un stade positionnant d'ultra-précision et de balayage de x/y : le Queensgate NPS-XY-100A. L'Accent particulier est mis sur le concept de construction et les considérations métrologiques qui facilitent la définition de position de sous-nanomètre, la linéarité très élevée, l'hystérésis faible, l'expansion thermique faible et les mouvements parasites. Les Données expérimentales montrent la définition de sous-nanomètre et expliquent la stabilité à long terme du stade.

Introduction

Les Conditions pour une plus haute précision et une stabilité ont mené à une utilisation accrue de sous-nanomètre positionnant des mécanismes dans le semi-conducteur, le lecteur de disque, la microscopie de balayage de sonde et d'autres zones de recherche et développement. Les produits de Queensgate NanoPositioning combinent les déclencheurs piézoélectriques avec Queensgate NanoSensors® (senseurs de capacité) et design multiaxe avancé de flexure. Ces technologies sont combinées avec 20 ans d'expérience de design électronique et de servo-boucle pour fournir à positionner des stades l'exactitude, la précision et le repeatability1,2,3 de sous-nanomètre. Le NPS-XY-100A est préposé du service de la technologie de Queensgate et de la capacité de design.

Caractéristiques de Queensgate NPS-XY-100A

Le Queensgate NPS-XY-100A est un stade positionnant et de balayage biaxial de boucle bloquée avec une enveloppe de 100 x 100 x 23 millimètres avec une ouverture de 40 millimètres de diamètre. Construit complètement de l'Invar Superbe, il offre > 120 x 120 domaine positionnant et de balayage de µm. Le bruit de Position est en général 0,3 nanomètres (RMS) et l'erreur de linéarité (compensée avec un 4ème polynôme de commande dans l'électronique) est moins de 0,01%. L'Hystérésis et les mouvements angulaires parasites sont réglés moins de le µrad 0,005% et 10, respectivement, sur le domaine de course de totalité. La première fréquence de résonance du stade est de > 350 Hertz.

Description Du Stade de NPS-XY-100A

Le NPS-XY-100A comporte une combinaison de propriété industrielle des déclencheurs piézo-électriques, du Queensgate NanoSensors® et des flexures. Deux déclencheurs piézo-électriques sont encastrés dans le stade pour fournir la mise en fonction d'entraînement dans des les deux haches. L'extension Piézo-électrique est amplifiée utilisant une flexure de 4:1/design de manette pour fournir domaine de plus grand que 120 x 120 µm. Le moniteur de Queensgate NanoSensors® la position de la plate-forme et fournissent le contrôle par retour de l'information à la servo-boucle de Contrôleur. Un système étendu de flexure guide le mouvement de la plate-forme dans x et Y. La configuration de flexure a été particulièrement conçue pour réduire à un minimum des mouvements parasites tels que des rotations (lacet, hauteur de son, rouleau) et le mouvement d'à l'extérieur-de-plan. Pour réaliser ceci, vastes FEA modélisant des techniques ont été employés pour optimiser la configuration et les paramètres du mécanisme.

Le Contrôleur de Queensgate NPS3000

Le stade de NPS-XY-100A est piloté par le Contrôleur de Queensgate NPS3000 (un système de contrôle en boucle bloquée digital basé de PROTOCOLE DE SYSTÈME D'ANNUAIRE). Le Contrôleur a une définition intrinsèque de définition digitale de 12h de effectivement 23 bits c.-à-d. sur le domaine de 100 µm. Cette performance dépasse la définition de la plupart des convertisseurs d'A/D et de D/A actuellement disponibles et est souvent ci-dessous le niveau sonore de la plupart des applications que nous rencontrons. Les algorithmes de contrôle digitaux Avancés d'IDENTIFICATION PERSONNELLE peuvent optimiser la réaction de système pour un grand choix d'applications. Le contrôle par retour de l'information de Vitesse (condition différentielle) peut être employé pour amortir des résonances mécaniques, ayant pour résultat des temps de stabilisation sensiblement réduits. Le Contrôleur donne à l'utilisateur les outils pour le contrôle complet des paramètres de largeur de bande et de boucle de système pour l'optimisation in situ de performance.

Considérations Métrologiques

La Non-linéarité et l'hystérésis sont des conditions d'erreur le long de l'axe du mouvement. Pour évaluer ces erreurs statiques de mouvement, les stades sont étalonnés utilisant un interféromètre particulièrement conçu de laser, capable de résoudre des mouvements de 0,05 nanomètres ou en-dessous de 4. échographies Initiales permettez aux senseurs internes de capacité d'être linéarisé digitalement à la quatrième commande. La Non-linéarité moins de 0,01% est par habitude réalisée. Un traçage de la linéarité et des erreurs d'hystérésis mesurées dans un NPS-XY-100A est affiché sur le Schéma 1.

Le Schéma 1. Linéarité et hystérésis.

Le NanoSensors® et le Contrôleur sont soigneusement conçus pour réaliser extrêmement - un faible niveau de bruit vers le bas < 0,005 nanomètres. Hertz. Combiné avec la définition de 23 bits et la compensation digitales de linéarité, la véritable répétabilité de sous-nanomètre est réalisée. Le Schéma 2 expositions une réaction de signe de position du Microscope Photonique de Force (PFM) à un cercle de nanomètre de diamètre 2 produit utilisant un stade de NPS-XY-100A.

Le Schéma 2. cercle de Φ2 nanomètre a tracé par NPS-XY-100A [5].

Le Système de Flexure

Le design de système de flexure guide le mouvement de stade le long de l'axe désiré et fournit une « pureté élevée de mouvement ». La Rotation et hors des erreurs plates sont réglées aux concentrations très faibles sans besoin de n'importe quelle compensation active. Le Schéma 3 affiche les mouvements d'à l'extérieur-de-plan mesurés un NPS-XY-100A au-dessus zone balayée des 100 x 100 par µm. Les erreurs de mouvement d'à l'extérieur-de-plan sont mesurées réellement pour être dans quelques nanomètres sur le domaine entier de lecture. De Nouveau, cette mesure comprend des erreurs de chassoir. Le design permet le réglage des erreurs de lacet qui sont normalement provoquées par des tolérances de fabrication sur des flexures. En Conséquence, des erreurs mesurées de lacet vers le bas à quelques micro-radians sur le domaine de 100 µm à chaque axe sont réalisées.

Le Schéma 3. erreur de mouvement d'À l'extérieur-de-Régime.

Matériaux De Construction

Le NPS-XY-100A est fait d'Invar Superbe, ce coefficient faible d'expansion thermique de documents de matériau extrêmement - (environ 0,3 x 10-6 K)-1 et stabilité à long terme. Les Tests chez Queensgate ont prouvé que les problèmes de chassoir peuvent se poser s'il y a une erreur d'assortiment dans les propriétés thermiques des matières constitutives employées dans l'assemblage de stade. Le NanoSensors® sont manufacturé de la même chose ou des matériaux assimilés que le fuselage de stade, mais les déclencheurs ne peuvent pas. Le matériau Piézoélectrique a un coefficient très faible d'expansion thermique (- 0,3 à -0,6 x 10-6 K)-1. Si le stade étaient établis de l'aluminium plus commun, et la longueur de la pile piézo-électrique est de 40 millimètres, la différence des expansions thermiques produites par ces deux matériaux serait environ 1,2 µm.K-1 à l'extrémité piézo-électrique. Avec l'effet de l'amplification mécanique par un facteur de 4, l'expansion thermique produit d'un mouvement à la fin de plate-forme d'environ 4,8 µm.K.-1 Bien Que le contrôle de boucle bloquée puisse rectifier le mouvement en pilotant l'autre piézo-électrique, de grands résultats d'un décalage de HT dans un décalage et une saturation de domaine de lecture à une extrémité. Par Conséquent, le matériau faible d'expansion thermique est essentiel pour éviter des effets thermiques et tout le Queensgate NPS-XY-100A sont construits de l'Invar Superbe.

Le Cadre et les Montages

Les déformations de Vue dues aux forces d'entraînement trouvées dedans stationnent la taille du NPS-XY-100A peuvent être aux niveaux jusqu'à quelques centaines de nanomètres. Des plans isostatiques Spéciaux de montage sont conçus dans le stade pour découpler n'importe quelle déformation due aux modifications de thermique et de force. Ce mécanisme de montage est de nouveau un système de flexure, coupure d'EDM en cadre suivant les indications du Schéma 4. Ce régime n'assure aucun couplage et friction conventionnels de contact dans le système. Le système de flexure est conforme dans le sens de découplage et très raide dans tous autres sens, mettant à jour la position centrale de la plate-forme sans réduire la raideur du système de stade. Ce mécanisme isostatique de montage signifie que le stade peut être monté sur une base de n'importe quel matériau, sans préoccupation pour apparier thermique.

Le Schéma 4. montage Isostatique.

Réponse Dynamique et Stabilité À Long Terme

Le stade de NPS-XY-100A a une fréquence de résonance de 350 Hertz et un petit temps de stabilisation du signe 2% de Mme <15 Augmentant la masse chargée a normalement une grande incidence sur les performances du système dynamiques, particulièrement quand le stade est une telle taille compacte. Les Contrôleurs digitaux de Queensgate viennent avec un outil logiciel de sorte que les paramètres d'IDENTIFICATION PERSONNELLE puissent être facilement réglés par des utilisateurs pour optimiser la performance in situ. Courbez a sur le Schéma 5 est mesuré à partir d'un stade déchargé sous le contrôle des paramètres optimisés d'IDENTIFICATION PERSONNELLE, la courbure b affiche comment la performance a été influencée par une masse de 100 g chargée sur le stade, et les paramètres re-optimisés d'IDENTIFICATION PERSONNELLE restitue une réaction de phase désirée comme courbure C.

Le Schéma 5. réponse Dynamique.

Un point d'intérêt est la stabilité à long terme et la répétabilité du NPS-XY-100A. Un tel stade a été expédié à une abonnée et est retourné pendant le recalibrage après une et les demi années. Les résultats d'essai avant et après sont indiqués dans le Tableau 1. Notez de nouveau, ces données comprennent le bruit et les erreurs de chassoir du système de mesure d'interféromètre de laser.

Résultats d'essai de stabilité À Long Terme du Tableau 1. (NPS-XY-100A, Numéro 50583 d'Interface Série).

Paramètre

Spec.

Mesuré sur 28/8/97

Mesuré sur 2/02/99

Axe Des Abscisses

Erreur d'acteur d'Échelle (%)

< 0,1

0,000

0,067

Erreur de Linéarité (%)

< 0,01

0,002

0,007

Erreur d'Hystérésis (%)

< 0,01

0,003

0,003

Axe des y

Erreur d'acteur d'Échelle (%)

< 0,1

0,001

0,035

Erreur de Linéarité (%)

< 0,01

0,002

0,003

Erreur d'Hystérésis (%)

< 0,01

0,004

0,005

Conclusions

Les Conclusions de l'étude de conception et des essais présentés ci-dessus sont comme suit ;

a. Le NPS-XY-100A a réalisé la condition de la répétabilité de sous-nanomètre, de la définition, de l'exactitude et de la stabilité à long terme.

b. Les matériaux Faibles d'expansion thermique comme l'Invar Superbe sont essentiels pour que les mécanismes de établissement de stade de précision de sous-nanomètre évitent l'influence de l'expansion thermique.

c. La commande numérique Avancée permet l'optimisation in situ de performance et améliore les performances du système dynamiques.

d. Le montage Isostatique découple des déformations inévitables de cadre des effets de thermique et de force et met à jour l'exactitude métrologique.

Références

[1] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks et Malachy McConnell, Design et Caractérisation des Mécanismes de Précision de Nanomètre (Papier I), Démarches de Rencontre Annuelle 1996, Monterey d'ASPE.

[2] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks et Malachy McConnell, Design et Caractérisation des Mécanismes de Précision de Nanomètre (Papier II), Démarches de Rencontre Annuelle 1997, Norfolk d'ASPE.

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

[4] Bas, M.J., Rowley, W.R.C., Ingénierie de Précision (1993) 15, 1

[5] Florin d'Ernst-Ludwig d'Accueil, Laboratoire de Biologie Moléculaire Européen, Heidelberg.

Auteur : Y. Xu, P.D. Atherton, T.R. Hicks, M. McConnell et P. Rhead

Source : Instruments de Queensgate

Pour plus d'informations sur cette source visitez s'il vous plaît les Instruments de Queensgate.

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

Last Update: 15. July 2013 15:59

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