超精密 X-Y 段階 - Queensgate の器械からの NPS-XY-100A のデザインそして性格描写

AZoNano - ナノテクノロジー - Queensgate の器械のロゴ

カバーされるトピック

概要

導入

Queensgate NPS-XY-100A の指定

NPS-XY-100A の段階の記述

Queensgate NPS3000 のコントローラ

度量衡の考察

たわみシステム

建築材

フレームおよび土台

動的応答および長期にわたる安定性

結論

参照

概要

このペーパーは超精密 X-Y 置き、スキャンの段階のデザインを記述します: Queensgate NPS-XY-100A。 特別な強調は副ナノメーターの位置の解像度、非常に高い直線性、低いヒステリシス、低い熱拡張および寄生動きを促進する度量衡の考察および設計思想に置かれます。 実験データは副ナノメーターの解像度を説明し、段階の長期にわたる安定性を示します。

導入

高精度および安定性のための条件は半導体、ディスク・ドライブ、スキャンのプローブの顕微鏡検査および他の研究開発領域のメカニズムを置く副ナノメーターの高められた使用の原因となりました。 Queensgate NanoPositioning の製品は Queensgate NanoSensors® (キャパシタンスセンサー) および高度の複数の軸線のたわみデザインと圧電気のアクチュエーターを結合します。 これらの技術は電子およびサーボループデザインの経験 20 年のと段階を副ナノメーター正確さ、精密および repeatability1,2,3 を置くことに与えるために結合されます。 NPS-XY-100A は Queensgate の技術およびデザイン能力の代表です。

Queensgate NPS-XY-100A の指定

Queensgate NPS-XY-100A は直径 40 の mm の開口との 100 つ x 100 つ x 23 の mm のエンベロプが付いている二軸の閉じたループの置き、スキャンの段階です。 極度のアンバーから完全に組み立てられて、それは > 120 x 120 を µm の置き、スキャンの範囲提供します。 位置の騒音は普通 0.3 nm (rms) であり、直線性のエラーは (電子工学の第 4 順序の整式と償われる) 0.01% よりより少しです。 ヒステリシスおよび寄生角動きは全体旅行範囲上のより少しにより 0.005% および 10 µrad、それぞれ、制御されます。 段階の最初の共振周波数は > 350 の Hz です。

NPS-XY-100A の段階の記述

NPS-XY-100A は piezo アクチュエーター、 Queensgate NanoSensors® およびたわみで専有組合せを構成します。 2 つの piezo アクチュエーターは段階で両方の斧の駆動機構の作動を提供するために埋め込まれます。 Piezo 拡張は 4:1 のたわみ/レバーデザインを使用して提供するために 120 x 120 以上の µm の範囲増幅されます。 Queensgate NanoSensors® のモニタはコントローラのサーボループにプラットホームの位置フィードバックを提供し。 拡張たわみシステムは x および Y. 両方にプラットホームの動きを導きます。 たわみパターンはとりわけ回転 (ヨーイング、ピッチ、ロール) およびの平面の動きのような寄生動きを最小化するように設計されていました。 これを達成するためには、技術を模倣する広範な FEA がメカニズムの構成そしてパラメータを最適化するのに使用されました。

Queensgate NPS3000 のコントローラ

NPS-XY-100A の段階は Queensgate NPS3000 のコントローラ (DSP によって基づくデジタル閉ループ制御システム) によって操作されます。 コントローラに効果的に 23 ビット 100 つの µm の範囲上のすなわち 12 pm デジタル解像度の本質的な解像度があります。 このパフォーマンスは現在利用できるほとんどの A/D および D/A のコンバーターの解像度を超過し、私達が出会うほとんどのアプリケーションの騒音レベルの下に頻繁にあります。 高度のデジタル PID の制御アルゴリズムはいろいろなアプリケーションのためのシステム応答を最適化できます。 速度のフィードバック (差動ターム) がかなり減らされた演算時間に終って機械共鳴を、弱めるのに使用されるかもしれません。 コントローラはユーザーにそのままのパフォーマンス最適化のためのシステムの帯域幅およびループパラメータの完全な制御のためのツールを与えます。

度量衡の考察

非直線性およびヒステリシスは動きの軸線に沿うエラータームです。 これらの静的な動きのエラーを査定するためには、段階は 0.05 nm の動きを解決することができる特に設計されていたレーザーの干渉計を使用して目盛りが付いていますまたは 4. の最初のスキャンの下で内部キャパシタンスセンサーが第 4 等級にデジタル式に一直線に並べられるようにして下さい。 非直線性はより少しより 0.01% 定期的に達成されます。 NPS-XY-100A で測定される直線性およびヒステリシス差のプロットは図 1. で示されています。

図 1. 直線性およびヒステリシス。

NanoSensors® およびコントローラは注意深く 0.005 nm 極端に低い騒音レベルを達成するように < 設計されています。Hz. 23 ビットデジタル解像度および直線性の補償と結合されて、本当の副ナノメーターの反復性は達成されます。 図 2 は NPS-XY-100A の段階を使用して生成される 2 直径 nm の円 (PFM)への光通信力の顕微鏡の位置のシグナルの応答を示します。

NPS-XY-100A [5] によってトレースされる図 2. Φ2 nm の円。

たわみシステム

たわみのシステム設計は望ましい軸線に沿う段階の動きを導き、高い 「動きの純度を」提供します。 平らなエラーからの回転は実行中の補償のための必要性なしで非常に低水準に制御され。 図 3 は 100 つ x 100 つの µm によって上の NPS-XY-100A のために測定されるの平面の動きをスキャンされる領域示します。 の平面の動きのエラーは全スキャンの範囲上の幾つかの nanometres の内であるために実際に測定されます。 再度、この測定はドリフト・エラーが含まれています。 デザインはたわみの製造の許容によって普通引き起こされるヨーイングのエラーの調節を可能にします。 その結果、測定されたヨーイングのエラーは各軸線の 100 つの µm の範囲上の少数のマイクロラジアンに達成されます。

図 3. の計画の動きのエラー。

建築材

NPS-XY-100A は極度のアンバー、この材料の展示品の極端に低い熱拡張係数 (約 0.3 x 10 K) および-6 長期にわたる安定性-1から成っています。 Queensgate のテストは段階アセンブリで使用される構成材料の熱特性に不適当な組み合わせがあればドリフト問題が発生するかもしれないことを示しました。 NanoSensors® は段階ボディと同じまたは同じような材料から製造されたですが、アクチュエーターはありません。 圧電気材料に非常に低い熱拡張係数があります (- 0.3 から -0.6 x 10-6 K)-1。 段階が共通アルミニウムの構築され、 piezo スタックの長さが 40 の mm なら、これら二つの材料によって生成された piezo 端に熱拡張の相違は-1 約 1.2 µm.K です。 4 の要因による機械拡大の効果によって、熱拡張はおよそ 4.8 µm.K. のプラットホームの終わりに動きを生成します。-1 閉じたループ制御が piezo それ以上の運転によって動きを訂正できるが 1 つの端にスキャンの範囲のシフトそして彩度の大きい HV のオフセットの結果。 従って、低い熱拡張材料は熱効果を避けるために必要であり、すべての Queensgate NPS-XY-100A は極度のアンバーから組み立てられます。

フレームおよび土台

段階で見つけられる駆動力によるフレームのゆがみは少数の何百もの nanometres までレベルで NPS-XY-100A のサイズある場合もあります。 特別な地殻均衡土台スキームは段階に上昇温暖気流および力の変更によるゆがみを結合解除するために組み込まれています。 この土台のメカニズムは再度たわみシステム、図 4. に示すようにフレームに切られる EDM です。 この政体はシステムの慣習的な接触のカップリングそして摩擦を保障しません。 たわみシステムは結合解除の方向で対応および段階システムの剛さを減らさないでプラットホームのセンター・ポジションを維持する他のすべての方向で非常に堅いです。 この地殻均衡土台のメカニズムは段階が熱一致についての心配なしにあらゆる材料のベースに、取付けることができることを意味します。

図 4. 地殻均衡土台。

動的応答および長期にわたる安定性

特に段階が非常に小型のとき、 NPS-XY-100A の段階に 350 の Hz の共振周波数があり、ロードされた大容量を高める <15 氏の小さいシグナル 2% の演算時間に普通システムの動的パフォーマンスの大きい影響があります。 Queensgate のデジタル制御装置はソフトウエアツールによってパフォーマンスをそのままで最適化するために PID パラメータがユーザーによって容易に調節することができるように来ます。 図 5 の a を測定されます最適化された PID パラメータの管理下で荷を下された段階から曲げて下さい、パフォーマンスが段階にロードされた 100 g の大容量によってどのように影響を及ぼされた再最適化された PID パラメータはカーブ C. として望ましいステップ応答を与えますかカーブ b は示し。

図 5. 動的応答。

興味のポイントは NPS-XY-100A の長期にわたる安定性そして反復性です。 1 つのそのような段階は顧客に出荷され、再口径測定および半分年の間 1 の後で戻りました。 試験結果はの前後の表 1. にリストされています。 再度注意して下さい、これらのデータはレーザーの干渉計の測定システムの騒音そしてドリフト・エラーが含まれています。

表 1. の長期にわたる安定性の試験結果 (NPS-XY-100A、シリアル NO 50583)。

パラメータ

Spec.

28/8/97 で測定される

2/02/99 で測定される

X 軸

スケール俳優のエラー (%)

< 0.1

0.000

0.067

直線性のエラー (%)

< 0.01

0.002

0.007

ヒステリシス差 (%)

< 0.01

0.003

0.003

Y軸

スケール俳優のエラー (%)

< 0.1

0.001

0.035

直線性のエラー (%)

< 0.01

0.002

0.003

ヒステリシス差 (%)

< 0.01

0.004

0.005

結論

上で示される設計審査およびテストデータからの結論は次の通りです;

a. NPS-XY-100A は副ナノメーターの反復性、解像度、正確さおよび長期にわたる安定性の条件を達成しました。

b. 極度のアンバーのような低い熱拡張材料は構築の副ナノメーターの精密段階のメカニズムが熱拡張の影響を避けることができるように必要です。

c. 高度のデジタル制御はそのままのパフォーマンス最適化を可能にし、システムの動的パフォーマンスを改善します。

d. 地殻均衡土台は上昇温暖気流および力の効果からの避けられないフレームのゆがみを結合解除し、度量衡の正確さを維持します。

参照

[1] Ying Xu、ナノメーターの精密メカニズム (I) の ASPE 1996 の年次総会、モンテレーのポール D Atherton、トマス R. Hicks および Malachy McConnell、デザインおよび性格描写の進行ペーパー。

[2] Ying Xu、ナノメーターの精密メカニズム (II) の ASPE 1997 の年次総会、ノーフォークのポール D Atherton、トマス R. Hicks および Malachy McConnell、デザインおよび性格描写の進行ペーパー。

[3] トマス R. Hicks、ポール D Atherton、 Ying Xu、および Malachy McConnell の NanoPositioning の本、 Ltd 1997 年 Queensgate の器械

[4] 羽毛、 M.J.、 Rowley、 W.R.C。、精密工学 (1993 年) 15、 1

[5] 礼儀のエルンストルートビッヒの Florin、ヨーロッパの分子生物学の実験室、ハイデルベルク

著者: Y. Xu、 P.D. Atherton、 T.R. Hicks、 M. McConnell および P. Rhead

ソース: Queensgate の器械

このソースのより多くの情報のために Queensgate の器械を訪問して下さい。

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

Last Update: 15. July 2013 16:10

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