Progettazione e Caratterizzazione di una Fase DI X-Y di Ultra-Precisione - Il NPS-XY-100A dagli Strumenti di Queensgate

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Estratto

Introduzione

Specifiche di Queensgate NPS-XY-100A

Descrizione Della Fase di NPS-XY-100A

Il Regolatore di Queensgate NPS3000

Considerazioni Metrologiche

Il Sistema di Flessione

Materiali Da Costruzione

Il Fotogramma ed i Montaggi

Reazione Dinamica e Stabilità A Lungo Termine

Conclusioni

Riferimenti

Estratto

Questo articolo descrive la progettazione di una fase di posizionamento di ultra-precisione e di scansione di x-y: il Queensgate NPS-XY-100A. L'importanza particolare È collocata sul concetto di progetto e sulle considerazioni metrologiche che facilitano la risoluzione di posizione di sotto-nanometro, le linearità molto alte, l'isteresi bassa, l'espansione termica bassa ed i moti parassitari. I dati Sperimentali illustrano la risoluzione di sotto-nanometro e dimostrano la stabilità a lungo termine della fase.

Introduzione

I Requisiti di più alta precisione e della stabilità piombo ad un uso aumentato del sotto-nanometro che posiziona i meccanismi in semiconduttore, nell'unità disco, nella microscopia di scansione della sonda ed in altre aree di ricerca e sviluppo. I prodotti di Queensgate NanoPositioning combinano gli azionatori piezoelettrici con Queensgate NanoSensors® (sensori di capacità) e concezione multiasse avanzata di flessione. Queste tecnologie si combinano con 20 anni di esperienza di progettazione del servo-ciclo ed elettronica per fornire il posizionamento delle fasi accuratezza, precisione e repeatability1,2,3 di sotto-nanometro. Il NPS-XY-100A è rappresentante della tecnologia di Queensgate e dell'abilità di progettazione.

Specifiche di Queensgate NPS-XY-100A

Il Queensgate NPS-XY-100A è fasi di posizionamento e di scansione del ciclo chiuso le di due asse con una busta di 100 x 100 x 23 millimetri con un'apertura diaframma da 40 millimetri del diametro. Costruito interamente da Invar Eccellente, offre > 120 x 120 intervallo di posizionamento e di scansione del µm. Il disturbo di Posizione è di in genere 0,3 nanometri (rms) e l'errore di linearità (compensativo con un quarto polinomio di ordine nell'elettronica) è di meno di 0,01%. L'Isteresi ed i moti angolari parassitari sono gestiti meno di µrad 0,005% e 10, rispettivamente, sopra l'intervallo di viaggio di tutto. La prima frequenza di risonanza della fase è > di 350 Hertz.

Descrizione Della Fase di NPS-XY-100A

Il NPS-XY-100A comprende una combinazione privata gli azionatori piezo-elettrici, Queensgate NanoSensors® e flessioni. Due azionatori piezo-elettrici sono incassati nella fase per fornire l'attuazione dell'unità in entrambe le asce. L'espansione Piezo-elettrica è ampliata facendo uso di una flessione di 4:1/progettazione della leva per fornire un intervallo di più maggior di 120 x 120 µm. Il video di Queensgate NanoSensors® la posizione della piattaforma e fornisce il feedback al servo-ciclo del regolatore. Un sistema esteso di flessione guida il moto della piattaforma sia nella x che nel Y. Il reticolo di flessione specificamente è stato destinato per minimizzare i moti parassitari quali le rotazioni (deviazione della rotta, passo, rotolo) ed il moto dell'fuori de aereo. Per raggiungere questo, estesi FEA che modellano le tecniche sono stati usati per ottimizzare la configurazione ed i parametri del meccanismo.

Il Regolatore di Queensgate NPS3000

La fase di NPS-XY-100A è determinata dal regolatore di Queensgate NPS3000 (un sistema di controllo a circuito chiuso digitale basato DSP). Il regolatore ha una risoluzione intrinseca di risoluzione digitale di mezzanotte di efficacemente 23 bit cioè oltre un intervallo di 100 µm. Questa prestazione supera la risoluzione della maggior parte dei moltiplicatori di focale di D/A e di A/D attualmente disponibili ed è spesso sotto il livello acustico della maggior parte delle applicazioni che incontriamo. Gli algoritmi di controllo digitali Avanzati di PID possono ottimizzare la risposta di sistema per varie applicazioni. Il feedback di Velocità (termine differenziale) può essere usato per ammortizzare le risonanze meccaniche, con conseguente tempi di sistemazione significativamente diminuiti. Il regolatore dà all'utente gli strumenti per controllo completo dei parametri di larghezza di banda e del ciclo di sistema per l'ottimizzazione in situ della prestazione.

Considerazioni Metrologiche

La Non Linearità e l'isteresi sono termini di errore lungo l'asse di moto. Per valutare questi errori statici di moto, le fasi sono calibrate facendo uso di un interferometro laser specialmente progettato, capace di risoluzione dei moti di 0,05 nanometri o inferiore a 4. scansioni Iniziali permetta che i sensori interni di capacità siano linearizzati digitalmente al quarto ordine. La Non Linearità di meno di 0,01% è raggiunta ordinariamente. Un diagramma delle linearità e degli errori di isteresi misurati in un NPS-XY-100A è indicato nella Figura 1.

Figura 1. Linearità ed isteresi.

Il NanoSensors® ed il regolatore sono destinati con attenzione per raggiungere estremamente - un basso livello acustico giù < 0,005 nanometri. Hertz. Combinato con una risoluzione digitale di 23 bit e la compensazione di linearità, la vera ripetibilità di sotto-nanometro è raggiunta. Figura 2 mostra una risposta del segnale di posizione del Microscopio Fotonico della Forza (PFM) ad un cerchio di nanometro del diametro 2 generato facendo uso di una fase di NPS-XY-100A.

Figura 2. cerchio di Φ2 nanometro rintracciato da NPS-XY-100A [5].

Il Sistema di Flessione

La progettazione di sistema di flessione guida il moto della fase lungo l'asse desiderato e fornisce un'alta “purezza di moto„. La Rotazione e dagli errori piani è gestita ai livelli molto bassi senza l'esigenza di tutta la compensazione attiva. Figura 3 mostra i moti dell'fuori de aereo misurati per un NPS-XY-100A sopra area scandita i 100 x 100 µm. Gli errori di moto dell'fuori de aereo realmente sono misurati per essere all'interno di una coppia di nanometri sopra l'intero intervallo di scansione. Di Nuovo, questa misura comprende gli errori di deriva. La progettazione permette l'adeguamento degli errori della deviazione della rotta che sono causati normalmente dalle tolleranze fabbricanti sulle flessioni. Di Conseguenza, gli errori misurati della deviazione della rotta giù ad alcuni micro-radianti oltre un intervallo di 100 µm in ogni asse sono raggiunti.

Figura 3. errore di moto di Fuori de Pianificazione.

Materiali Da Costruzione

Il NPS-XY-100A è fatto di Invar Eccellente, questo coefficiente basso di espansione termica delle mostre del materiale estremamente - (circa 0,3 x 10-6 K)-1 e stabilità a lungo termine. Gli Esami a Queensgate hanno provato che i problemi della deriva possono accadere se c'è un disadattamento nei beni termici dei materiali componenti utilizzati nell'assembly della fase. Il NanoSensors® è fabbricato dallo stesso o dai simili materiali dell'organismo della fase, ma gli azionatori non possono. Il materiale Piezoelettrico ha un coefficiente molto basso di espansione termica (- 0,3 - -0,6 x 10-6 K)-1. Se la fase fosse sviluppata dell'alluminio più comune e la lunghezza della pila piezo-elettrica è di 40 millimetri, la differenza delle espansioni termiche generate da questi due materiali sarebbe circa 1,2 µm.K-1 all'estremità piezo-elettrica. Con l'effetto dell'amplificazione meccanica da un fattore di 4, l'espansione termica genera un moto alla conclusione della piattaforma di circa 4,8 µm.K.-1 Sebbene il controllo di ciclo chiuso possa correggere il moto guidando l'ulteriore piezo-elettrico, risultati di derivazione grandi di un'ALTA TENSIONE in uno spostamento ed in una saturazione dell'intervallo di scansione ad un'estremità. Di Conseguenza, il materiale basso di espansione termica è essenziale per la prevenzione degli effetti termici e tutto il Queensgate NPS-XY-100A è costruito da Invar Eccellente.

Il Fotogramma ed i Montaggi

Le deformazioni del Fotogramma dovuto le forze motrici trovate dentro mettono in scena la dimensione del NPS-XY-100A possono spettare ai livelli ad alcune centinaia di nanometri. Gli schemi isostatici Speciali del montaggio sono destinati nella fase per disaccoppiare tutta la deformazione dovuto i cambiamenti della forza e del termale. Questo meccanismo del montaggio è ancora un sistema di flessione, EDM incide il fotogramma secondo le indicazioni di Figura 4. Questo regime non assicura accoppiamento ed attrito convenzionali del contatto nel sistema. Il sistema di flessione è compiacente nella direzione di disaccoppiamento e molto rigido in tutte le altre direzioni, mantenenti la posizione centrale della piattaforma senza diminuire la rigidezza del sistema della fase. Questo meccanismo isostatico del montaggio significa che la fase può essere montata su una base di tutto il materiale, senza preoccupazione per la corrispondenza termica.

Figura 4. montaggio Isostatico.

Reazione Dinamica e Stabilità A Lungo Termine

La fase di NPS-XY-100A ha una frequenza di risonanza di 350 Hertz e un piccolo tempo di sistemazione del segnale 2% di Spettrografia di massa <15 che Aumenta la massa caricata ha normalmente un grande impatto sulla prestazione dinamica del sistema, particolarmente quando la fase è così dimensione compatta. I regolatori digitali di Queensgate vengono con un software tool in moda da potere essere i parametri di PID facilmente regolato dagli utenti per ottimizzare la prestazione in situ. Curvi la a nella Figura 5 è misurato da una fase scarica sotto il controllo dei parametri ottimizzati di PID, la curva b mostra come la prestazione è stata influenzata dalla massa di 100 g caricata sulla fase ed i parametri ri-ottimizzati di PID restituisce una risposta di punto desiderata come curva C.

Figura 5. reazione Dinamica.

Un punto di interesse è la stabilità a lungo termine e la ripetibilità del NPS-XY-100A. Una tale fase è stata spedita ad un cliente ed ha ritornato per ricalibratura dopo uno ed i mezzi anni. I risultati della prova prima e dopo sono quotati in Tabella 1. Noti ancora, questi dati comprendono il disturbo e gli errori di deriva del sistema di misura dell'interferometro laser.

Risultati della prova di stabilità A Lungo Termine della Tabella 1. (NPS-XY-100A, No. 50583 di Pubblicazione Periodica).

Parametro

Spec.

Misurato su 28/8/97

Misurato su 2/02/99

Ascissa

Errore dell'attore del Disgaggio (%)

< 0,1

0,000

0,067

Errore di Linearità (%)

< 0,01

0,002

0,007

Errore di Isteresi (%)

< 0,01

0,003

0,003

Asse y

Errore dell'attore del Disgaggio (%)

< 0,1

0,001

0,035

Errore di Linearità (%)

< 0,01

0,002

0,003

Errore di Isteresi (%)

< 0,01

0,004

0,005

Conclusioni

Le Conclusioni dai dati di prova e della revisione disegno presentati sopra sono come segue;

a. Il NPS-XY-100A ha raggiunto il requisito di ripetibilità di sotto-nanometro, di risoluzione, di accuratezza e della stabilità a lungo termine.

b. I materiali Bassi di espansione termica come Invar Eccellente sono essenziali affinchè i meccanismi di costruzione della fase di precisione di sotto-nanometro evitino l'influenza di espansione termica.

c. Il comando digitale Avanzato permette l'ottimizzazione in situ della prestazione e migliora la prestazione dinamica del sistema.

d. Il montaggio Isostatico disaccoppia le deformazioni inevitabili del fotogramma dagli effetti della forza e del termale e mantiene l'accuratezza metrologica.

Riferimenti

[1] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks e Malachy McConnell, Progettazione e Caratterizzazione dei Meccanismi di Precisione di Nanometro (Documento I), Atti della Riunione Annuale 1996, Monterey di ASPE.

[2] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks e Malachy McConnell, Progettazione e Caratterizzazione dei Meccanismi di Precisione di Nanometro (Documento II), Atti della Riunione Annuale 1997, Norfolk di ASPE.

[3] Thomas R. Hicks, Paul D Atherton, Ying Xu e Malachy McConnell, Il Libro di NanoPositioning, Strumenti Ltd, 1997 di Queensgate

[4] Bassi, M.J., Rowley, W.R.C., Meccanica di Precisione (1993) 15, 1

[5] Fiorino di Ernst-Ludwig di Cortesia, Laboratorio di Biologia Molecolare Europeo, Heidelberg.

Autore: Y. Xu, P.D. Atherton, T.R. Hicks, M. McConnell e P. Rhead

Sorgente: Strumenti di Queensgate

Per ulteriori informazioni su questa sorgente visualizzi prego gli Strumenti di Queensgate.

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

Last Update: 15. July 2013 16:07

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