매우 정밀도 X-Y 단계 - Queensgate 계기에서 NPS-XY-100A의 디자인 그리고 특성

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요약

소개

Queensgate NPS-XY-100A 논고

NPS-XY-100A 단계의 묘사

Queensgate NPS3000 관제사

Metrological 고려사항

굴곡 시스템

건축자재

프레임 및 설치

동 반응과 장기 안정성

결론

참고

요약

이 서류는 매우 정밀도 xy 두고는 및 검사 단계의 디자인을 기술합니다: Queensgate NPS-XY-100A. 특별 강조는 이하 나노미터 위치 해결책, 아주 높은 선형성, 낮은 히스테리시스, 낮은 열 확장 및 기생하는 움직임을 촉진하는 metrological 고려사항 및 설계 개념에 둡니다. 실험적인 데이터는 이하 나노미터 해결책을 설명하고 단계의 장기 안정성을 설명합니다.

소개

높은 정밀도 및 안정성을 위한 필수품은 반도체, 디스크 드라이브, 검사 탐사기 현미경 검사법 및 그밖 연구와 개발 지역에 있는 기계장치를 두는 이하 나노미터의 증가한 사용으로 이끌어 냈습니다. Queensgate NanoPositioning 제품은 Queensgate NanoSensors® (용량 센서)와 향상된 다중 축선 굴곡 디자인과 압전 액추에이터를 결합합니다. 이 기술은 전자와 자동 귀환 제어 장치 루프 디자인에 있는 경험 20 년과 단계의 이하 나노미터 정확도, 정밀도 및 repeatability1,2,3를 두를 제공하기 위하여 결합됩니다. NPS-XY-100A는 Queensgate의 기술과 디자인 능력의 담당자입니다.

Queensgate NPS-XY-100A 논고

Queensgate NPS-XY-100A는 직경 40 mm 가늠구멍을 가진 100개 x 100개 x 23 mm의 봉투를 가진 축선 폐회로 두고는 및 검사 단계 2개입니다. 최고 불변강에서 전체적으로 구성해, 그것은 > 120 x 120를 µm 두고는 및 검사 범위 제안합니다. 위치 소음은 전형적으로 0.3 nm (rms)입니다 (전자공학에 있는 제 4 명령 다항식으로 보상되는) 선형성 과실은 0.01% 이하 입니다. 히스테리시스와 기생하는 각운동은 전부 여행 범위에 0.005%와 10 µrad 이하, 각각, 통제됩니다. 단계의 첫번째 공명 주파수는 > 350 Hz입니다.

NPS-XY-100A 단계의 묘사

NPS-XY-100A는 piezo 액추에이터, Queensgate NanoSensors® 및 굴곡을 소유 조합을 함유합니다. 2개의 piezo 액추에이터는 단계에서 두 도끼 전부에 있는 드라이브 발동을 제공하기 위하여 끼워넣어집니다. Piezo 확장은 4:1 굴곡/레버 디자인을 사용하여 제공하기 위하여 120 x 120 이상 µm 범위 증폭됩니다. Queensgate NanoSensors® 모니터는 관제사 자동 귀환 제어 장치 루프에 플래트홈의 위치 의견을 제공합니다. 확장되는 굴곡 시스템은 x와 Y. 둘 다에 있는 플래트홈의 움직임을 인도합니다. 굴곡 패턴은 특히 교체 (침로에서 벗어남 피치, 롤) 및 밖으로 의 비행기 움직임과 같은 기생하는 움직임을 극소화하기 위하여 디자인되었습니다. 이것을 달성하기 위하여는, 기술을 만드는 광대한 FEA는 기계장치의 윤곽 그리고 매개변수를 낙관하도록 이용되었습니다.

Queensgate NPS3000 관제사

NPS-XY-100A 단계는 Queensgate NPS3000 관제사 (DSP에 기지를 두는 디지털 폐쇄형 루프 제어 시스템)에 의해 몹니다. 관제사에는 효과적으로 23 비트 100개의 µm 범위 이상 i.e 12 pm 디지털 해결책의 본질적인 해결책이 있습니다. 이 성과는 현재 가능한 대부분의 A/D와 D/A 변환기의 해결책을 초과하고 우리가 직면하는 대부분의 응용의 잡음 레벨의 밑에 수시로 있습니다. 향상된 디지털 PID 제어 연산 논리는 다양한 응용을 위한 시스템 반응을 낙관할 수 있습니다. 각측정속도 의견 (미분 기간)는 현저하게 감소된 정착(settle) 시간의 결과로 기계적인 공명을, 습기를 빼기 위하여 이용될 수 있습니다. 관제사는 사용자에게 제자리 성과 최적화를 위한 시스템 대역폭과 루프 매개변수의 완전한 통제를 위한 공구를 줍니다.

Metrological 고려사항

비선형성과 히스테리시스는 움직임의 축선에 따라서 과실 기간입니다. 이 정체되는 움직임 과실을 평가하기 위하여는, 단계는 0.05 nm의 움직임 해결 가능한 특별히 디자인된 레이저 간섭계를 사용하여 측정됩니다 또는 4. 처음 검사 이하 내부 용량 센서가 제 4 명령에 디지털로 linearised 허용하십시오. 비선형성은 0.01% 이하 일상적으로 달성됩니다. NPS-XY-100A에서 측정된 선형성 숫자 1.에서와 히스테리시스 과실의 작의는 보입니다.

숫자 1. 선형성과 히스테리시스.

NanoSensors® 및 관제사는 주의깊게 0.005 nm < 최저 잡음 레벨을 아래로 달성하기 위하여 디자인됩니다. Hz. 23 비트 디지털 해결책 및 선형성 대상과 결합해, 확실한 이하 나노미터 반복성은 달성됩니다. 숫자 2는 NPS-XY-100A 단계를 사용하여 생성된 2 직경 nm 원형 (PFM)에 Photonic 군대 현미경의 위치 신호 반응을 보여줍니다.

NPS-XY-100A [5]에 의해 추적되는 숫자 2. Φ2 nm 원형.

굴곡 시스템

굴곡 시스템 설계는 요구한 축선에 따라서 단계 움직임을 인도하고 높은 "움직임의 순수성을" 제공합니다. 편평한 과실에서 교체는 어떤 액티브한 대상든지를 위한 필요 없이 아주 저급에 통제되고. 숫자 3은 100개 x 100개의 µm에 의하여에 NPS-XY-100A를 위해 측정된 밖으로 의 비행기 움직임을 검사된 지역 보여줍니다. 밖으로 의 비행기 움직임 과실은 전체적인 스캐닝 범위에 2 nanometres 가운데 있기 위하여 실제로 측정됩니다. 또 다시, 이 측정은 편류 과실을 포함합니다. 디자인은 굴곡에 제조 공차에 일반적으로 기인하는 침로에서 벗어남 과실의 조정을 허용합니다. 따라서, 측정된 침로에서 벗어남 과실은 아래로 각 축선에 있는 100개의 µm 범위 이상 약간 마이크로 부채각에 달성됩니다.

숫자 3. 밖으로 의 계획 움직임 과실.

건축자재

NPS-XY-100A는 최고 불변강, 이 물자 전시회 최저 열 확장 계수 (대략 0.3 x 10 K) 및 장기-6 안정성-1으로 만듭니다. Queensgate에 시험은 단계 집합에서 이용된 구성요소 물자의 열 속성에 있는 미스매치가 있는 경우에 편류 문제가 발생할 수 있다는 것을 보여주었습니다. NanoSensors®는 단계 바디와 동일 또는 유사한 물자에서 제조 입니다, 그러나 액추에이터는 할 수 있지 않습니다. 압전 물자에는 아주 낮은 열 확장 계수가 있습니다 (- 0.3에서 -0.6 x 10-6 K)-1. 단계가 일반적인 알루미늄의 건설되고, piezo 더미의 길이가 40 mm인 경우에, 이러한 두 종류 물자에 의해 생성된 piezo 끝에 열 확장의 다름은-1 대략 1.2 µm.K일 것입니다. 4의 요인에 의하여 기계적인 확대의 효력으로, 열 확장은 약 4.8 µm.K.의 플래트홈 끝에 움직임을 생성합니다.-1 닫힌 고리 제어가 piezo 추가를 몰아서 움직임을 정정할 수 있더라도, 1개의 끝에 스캐닝 범위 교대 그리고 포화에 있는 큰 HV 오프셋 결과. 그러므로, 낮은 열 확장 물자는 열 효력 피를 위해 필수적이고 모든 Queensgate NPS-XY-100A는 최고 불변강에서 구성됩니다.

프레임 및 설치

단계에서 찾아낸 원동력 때문에 프레임 찡그림은 nanometres의 약간 수백까지 수준에 NPS-XY-100A의 규모 있을 수 있습니다. 특별한 지각 균형설 설치 계획은 단계로 열과 군대 변경 때문에 어떤 찡그림든지 분리하기 위하여 디자인됩니다. 이 설치 기계장치는 다시 굴곡 시스템, 숫자 4.에서 보이는 것처럼 프레임으로 잘린 EDM입니다. 이 정권은 시스템에 있는 전통적인 접촉 연결 그리고 마찰을 지키지 않습니다. 굴곡 시스템은 분리 방향에서 호환되고 단계 시스템의 뻣뻣함을 감소시키기 없이 플래트홈의 중심 위치를 유지하는 그밖 방향 전부에서 아주 뻣뻣합니다. 이 지각 균형설 설치 기계장치는 단계가 열 일치를 위한 관심사 없이 어떤 물자든지의 기지에, 거치될 수 있다는 것을 의미합니다.

숫자 4. 지각 균형설 설치.

동 반응과 장기 안정성

특히 단계가 그 같은 소형 사이즈의 때, NPS-XY-100A 단계에는 350 Hz의 공명 주파수가 있고 적재한 질량을 증가하는 <15 Ms의 작은 신호 2% 정착(settle) 시간에는 일반적으로 시스템의 동적 성과에 대한 큰 충격이 있습니다. Queensgate 디지털 관제사는 소프트웨어 도구로 성과를 제자리의 낙관하기 위하여 PID 매개변수가 사용자에 의해 쉽게 조정될 수 있다 그래야 옵니다. 숫자 5에 있는 a를 측정됩니다 낙관한 PID 매개변수의 감독하에 내려진 단계에서 구부리십시오, 성과가 단계에 적재된 100 g 질량에 의해 어떻게 좌우된지 곡선 b는 보여줍니다, 재 낙관한 PID 매개변수는 곡선 C.로 요구한 단계 반응을 후에 줍니다.

숫자 5. 동 반응.

관심사 적 관점은 NPS-XY-100A의 장기 안정성 그리고 반복성입니다. 1개의 그 같은 단계는 고객에게 발송되고 재 구경측정과 절반 년간 하나 후에 돌려보냈습니다. 시험 결과는 전후에 도표 1.에 목록으로 만들어집니다. 다시 주의하십시오, 이 데이터는 레이저 간섭계 측정 시스템의 소음 그리고 편류 과실을 포함합니다.

도표 1. 장기 안정성 시험 결과 (NPS-XY-100A, Serial 아니오 50583).

매개변수

Spec.

28/8/97에 측정하는

2/02/99에 측정하는

X-축

가늠자 배우 과실 (%)

< 0.1

0.000

0.067

선형성 과실 (%)

< 0.01

0.002

0.007

히스테리시스 과실 (%)

< 0.01

0.003

0.003

Y-축

가늠자 배우 과실 (%)

< 0.1

0.001

0.035

선형성 과실 (%)

< 0.01

0.002

0.003

히스테리시스 과실 (%)

< 0.01

0.004

0.005

결론

상기 제출된 설계 재검토 및 시험 자료에서 결론은 다음과 같이 입니다;

a. NPS-XY-100A는 이하 나노미터 반복성, 해결책, 정확도 및 장기 안정성의 필수품을 달성했습니다.

b. 최고 불변강 같이 낮은 열 확장 물자는 건축 이하 나노미터 정밀도 단계 기계장치가 열 확장의 영향을 피하도록 필수적입니다.

c. 향상된 디지털 통제는 제자리 성과 최적화를 허용하고 시스템의 동적 성과를 향상합니다.

d. 지각 균형설 설치는 열과 군대 효력에서 불가피한 프레임 찡그림을 분리하고 metrological 정확도를 유지합니다.

참고

[1] Ying Xu, 나노미터 정밀도 기계장치 (I) 의 ASPE 1996 연례 회의, 몬트레이의 폴 D Atherton, 토마스 R. Hicks 및 Malachy McConnell, 디자인 및 특성의 절차 종이.

[2] Ying Xu, 나노미터 정밀도 기계장치 (II) 의 ASPE 1997 연례 회의, 노퍽의 폴 D Atherton, 토마스 R. Hicks 및 Malachy McConnell, 디자인 및 특성의 절차 종이.

[3] 토마스 R. Hicks, 폴 D Atherton, Ying Xu, 및 Malachy McConnell 의 NanoPositioning 책, Ltd 1997년 Queensgate 계기

[4] 다운, M.J., Rowley, W.R.C., 정밀도 기술설계 (1993년) 15, 1

[5] 의례 Ernst 루트비히 영국의 2실링 은화, 유럽 분자 생물학 실험실, 하이델베르크.

저자: Y. Xu, P.D. Atherton, T.R. Hicks, M. McConnell 및 P. Rhead

근원: Queensgate 계기

이 근원에 추가 정보를 위해 Queensgate 계기를 방문하십시오.

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

Last Update: 15. July 2013 16:13

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