Ontwerp en Karakterisering van een X-Y Stadium van de ultra-Precisie - Nps-x-y-100A van Instrumenten Queensgate

AZoNano - Nanotechnologie - het Embleem van instrumenten Queensgate

Besproken Onderwerpen

Samenvatting

Inleiding

De Specificaties van Queensgate nps-x-y-100A

Beschrijving van het nps-x-y-100A Stadium

Het Controlemechanisme van Queensgate NPS3000

Metrologische Overwegingen

Het Systeem van de Buiging

Bouwmaterialen

Het Frame en de Steunen

Dynamische Reactie en Stabiliteit Op Lange Termijn

Conclusies

Verwijzingen

Samenvatting

Dit document beschrijft het ontwerp van een ultra-precisie x-y plaatsend en aftastend stadium: Queensgate nps-x-y-100A. De Speciale nadruk wordt gelegd op het ontwerpconcept en de metrologische overwegingen dat de resolutie van de sub-nanometerpositie, zeer hoge lineariteit, lage hysterese, lage thermische uitbreiding en parasitische moties vergemakkelijken. De Experimentele gegevens illustreren sub-nanometerresolutie en tonen stabiliteit op lange termijn van het stadium aan.

Inleiding

De Eisen ten aanzien van hogere precisie en stabiliteit hebben geleid tot een verhoogd gebruik van sub-nanometer plaatsende mechanismen op halfgeleider, diskdrive, de aftastende sondemicroscopie en andere onderzoek en ontwikkelingsgebieden. De producten van NanoPositioning van Queensgate combineren piezoelectric actuators met Queensgate NanoSensors® (capacitieve weerstandssensoren) en geavanceerd multi-axis buigingsontwerp. Deze technologieën worden gecombineerd met 20 jaar ervarings in elektronisch en servo-lijnontwerp om plaatsende stadia van sub-nanometernauwkeurigheid, precisie en repeatability1,2,3 te voorzien. Nps-x-y-100A is representatief voor de technologie van Queensgate en ontwerpcapaciteit.

De Specificaties van Queensgate nps-x-y-100A

Queensgate nps-x-y-100A is een twee as gesloten lijn plaatsend en aftastend stadium met een envelop van 100 x 100 x 23 mm met een 40 mm- diameteropening. Geheel Geconstrueerd van Super Invar, biedt het > 120 x 120 µm plaatsend en aftastende waaier aan. Het lawaai van de Positie is typisch 0.3 die NM (rms) en de lineariteitfout (met een 4de ordeveelterm wordt gecompenseerd in de elektronika) is minder dan 0.01%. De Hysterese en de parasitische hoekige moties worden gecontroleerd aan minder dan 0.005% en 10 µrad, respectievelijk, over de gehele reiswaaier. De eerste resonerende frequentie van het stadium is > 350 Herz.

Beschrijving van het nps-x-y-100A Stadium

Nps-x-y-100A bestaat uit een merkgebonden combinatie piezo actuators, Queensgate NanoSensors® en buigingen. Twee piezo actuators worden ingebed in het stadium om aandrijvingsaandrijving in beide assen te verstrekken. Piezo uitbreiding wordt vergroot gebruikend een 4:1buiging/een hefboomontwerp om groter te verstrekken dan waaier 120 x 120 µm. Queensgate NanoSensors® controleert de positie van het platform en verstrekt terugkoppelt aan de controlemechanisme servo-lijn. Een uitgebreid buigingssysteem leidt de motie van het platform in zowel x als y. Het buigingspatroon is specifiek ontworpen om parasitische moties zoals omwentelingen (slingering, werpen, broodje) en uit-van-vlakke motie te minimaliseren. Om dit te bereiken, werden de uitgebreide FEA modelleringstechnieken gebruikt om de configuratie en de parameters van het mechanisme te optimaliseren.

Het Controlemechanisme van Queensgate NPS3000

Het nps-x-y-100A stadium wordt gedreven door het controlemechanisme van Queensgate NPS3000 (een DSP baseerde digitaal closed-loop controlesysteem). Het controlemechanisme heeft een intrinsieke resolutie van effectief 23 bits d.w.z. 12 p.m. digitale resolutie meer dan waaier 100 µm. Deze prestaties overschrijden de resolutie van de meeste nu verkrijgbare convertors A/D en D/A en zijn vaak onder het geluidsniveau van de meeste toepassingen die wij hebben ontmoet. De Geavanceerde digitale PID controlealgoritmen kunnen systeemreactie voor een verscheidenheid van toepassingen optimaliseren. De Snelheid koppelt (differentiële termijn) kan worden gebruikt om mechanische resonanties te dempen terug, resulterend in beduidend verminderde regelende tijden. Het controlemechanisme geeft de gebruiker de hulpmiddelen voor volledige controle van de van de systeembandbreedte en lijn parameters voor prestatiesoptimalisering in situ.

Metrologische Overwegingen

Het Niet Lineair Zijn en de hysterese zijn foutentermijnen langs de as van motie. Om deze statische motiefouten te beoordelen, zijn de stadia gekalibreerd gebruikend een speciaal ontworpen laserinterferometer, geschikt om moties van 0.05 NM of onder 4 op te lossen. Het Aanvankelijke aftasten laat de interne capacitieve weerstandssensoren toe om digitaal aan de vierde orde worden gelineariseerd. Niet Lineair Zijn minder dan 0.01% wordt uit routine bereikt. Een perceel van lineariteit en hysteresefouten in een nps-x-y-100A worden gemeten wordt getoond in Figuur 1 die.

Figuur 1. Lineariteit en hysterese.

NanoSensors® en het controlemechanisme worden zorgvuldig ontworpen om uiterst te bereiken - laag geluidsniveau neer < 0.005 NM. Herz. Gecombineerd met 23 bit digitale resolutie en lineariteitcompensatie, wordt de ware sub-nanometerherhaalbaarheid bereikt. Figuur 2 toont een reactie van het positiesignaal van de Photonic Microscoop van de Kracht (PFM) op een 2 NM- diameter geproduceerde cirkel gebruikend een nps-x-y-100A stadium.

Figuur 2. Φ2 NMcirkel door NPS-XY-100A [5 die] wordt gevonden.

Het Systeem van de Buiging

Het ontwerp van het buigingssysteem leidt de stadiummotie langs de gewenste as en verstrekt een hoge „zuiverheid van motie“. De Omwenteling en uit vliegtuigfouten wordt gecontroleerd op zeer lage niveaus zonder de behoefte aan enige actieve compensatie. Figuur 3 toont de uit-van-vlakke die moties voor een nps-x-y-100A over µm afgetast gebied 100 worden gemeten x 100. De uit-van-vlakke motiefouten worden eigenlijk gemeten om binnen een paar nanometres over de gehele aftastenwaaier te zijn. Opnieuw, omvat deze meting afwijkingsfouten. Het ontwerp staat aanpassing van slingeringsfouten die toe normaal door productietolerantie op buigingen worden veroorzaakt. Derhalve worden de gemeten slingeringsfouten neer aan een paar micro-radianten meer dan waaier 100 µm in elke as bereikt.

Figuur 3. De motiefout van het uit-van-Plan.

Bouwmaterialen

Nps-x-y-100A wordt gemaakt van Super Invar, stelt dit materiaal uiterst tentoon - lage thermische uitbreidingscoëfficiënt (ongeveer 0.3 x 10-6 K-1) en stabiliteit op lange termijn. De Tests in Queensgate hebben aangetoond dat de afwijkingsproblemen kunnen voorkomen als er een wanverhouding in de thermische die eigenschappen van de componentenmaterialen in de stadiumassemblage is worden gebruikt. NanoSensors® wordt vervaardigd van de zelfde of gelijkaardige materialen zoals stadiumlichaam, maar actuators kunnen niet. Piezoelectric materiaal heeft een zeer lage thermische uitbreidingscoëfficiënt (- 0.3 tot -0.6 x 10-6 K-1). Als het stadium van het gemeenschappelijkere aluminium werd gebouwd, en de lengte van piezo stapel 40 mm is, zou het verschil van thermische die uitbreidingen door deze twee materialen worden geproduceerd ongeveer 1.2 µm.K op-1 het piezo eind zijn. Met het effect van mechanische versterking door een factor van 4, produceert de thermische uitbreiding een motie op het platformeind van rond 4.8 µm.K.-1 Hoewel de gesloten lijncontrole de motie kan verbeteren door piezo verder te drijven, aan de ene kant resulteert een grote compensatie HV in een een verschuiving en verzadiging van de aftastenwaaier. Daarom is het lage thermische uitbreidingsmateriaal essentieel voor het vermijden van thermische gevolgen en al Queensgate nps-x-y-100A wordt geconstrueerd van Super Invar.

Het Frame en de Steunen

Vervormingen van het Frame toe te schrijven aan drijfkrachten vonden in stadium de grootte van nps-x-y-100A op niveaus tot een paar honderden nanometres kan zijn. De Speciale isostatic opzettende regelingen worden ontworpen in het stadium om het even welke vervorming los te koppelen toe te schrijven aan thermische en krachtveranderingen. Dit opzettende die mechanisme is opnieuw een buigingssysteem, EDM in het frame zoals aangetoond in Figuur 4 wordt gesneden. Dit regime verzekert geen conventionele contactkoppeling en wrijving in het systeem. Het buigingssysteem is volgzaam en zeer stijf in de het loskoppelen richting in alle andere richtingen, die de centrumpositie van het platform zonder de stijfheid van het stadiumsysteem te verminderen handhaven. Dit isostatic opzettende mechanisme betekent het stadium op een basis van om het even welk materiaal, zonder zorg kan worden opgezet voor thermische aanpassing.

Figuur 4. Isostatic steun.

Dynamische Reactie en Stabiliteit Op Lange Termijn

Het nps-x-y-100A stadium heeft een resonerende frequentie van 350 Herz en een klein signaal 2% regelende tijd die van <15 Mej. de geladen massa Verhoogt heeft normaal een grote invloed op de dynamische prestaties van het systeem, vooral wanneer het stadium zulk een compacte grootte is. De digitale controlemechanismen Queensgate komen met een softwarehulpmiddel zodat de PID parameters gemakkelijk door gebruikers kunnen worden aangepast om de prestaties in situ te optimaliseren. Buig a in Figuur 5 wordt gemeten van een leeggemaakt stadium onder de controle van geoptimaliseerde PID parameters, toont de kromme B hoe de prestaties door een 100 die gmassa beïnvloed werden op het stadium wordt geladen, en re-geoptimaliseerde PID parameters geeft een terug gewenste stapreactie als kromme c.

Figuur 5. Dynamische reactie.

Een aandachtspunt is de stabiliteit en de herhaalbaarheid op lange termijn van nps-x-y-100A. Één dergelijk stadium werd verscheept aan een klant en terugkeerde re-calibration na één en halve jaren. De testende resultaten vóór en na zijn vermeld in Lijst 1. De Nota opnieuw, deze gegevens omvat de lawaai en afwijkingsfouten van het de metingssysteem van de laserinterferometer.

Lijst 1. Stabiliteits testende resultaten Op Lange Termijn (nps-x-y-100A, Periodiek Nr 50583).

Parameter

Spec.

Gemeten op 28/8/97

Gemeten op 2/02/99

X-as

De acteursfout van de Schaal (%)

< 0.1

0.000

0.067

De fout van de Lineariteit (%)

< 0.01

0.002

0.007

De fout van de Hysterese (%)

< 0.01

0.003

0.003

Y-as

De acteursfout van de Schaal (%)

< 0.1

0.001

0.035

De fout van de Lineariteit (%)

< 0.01

0.002

0.003

De fout van de Hysterese (%)

< 0.01

0.004

0.005

Conclusies

De Conclusies van de van de ontwerptoetsing en test hierboven voorgelegde gegevens zijn als volgt;

a. Nps-x-y-100A heeft het vereiste van sub-nanometerherhaalbaarheid, resolutie, nauwkeurigheid en stabiliteit op lange termijn bereikt.

b. De Lage thermische uitbreidingsmaterialen zoals Super Invar zijn essentieel voor de bouw van het stadiummechanismen van de sub-nanometre-subprecisie om de invloed van thermische uitbreiding te vermijden.

c. De Geavanceerde digitale controle staat prestatiesoptimalisering toe in situ en verbetert de dynamische prestaties van het systeem.

d. Isostatic steun koppelt onvermijdelijke frame vervormingen van thermische en krachtgevolgen los en handhaaft de metrologische nauwkeurigheid.

Verwijzingen

[1] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks en Malachy McConnell, Ontwerp en Karakterisering van de Mechanismen van de Precisie Nanometer (Document I), Werkzaamheden van de Jaarlijkse Vergadering van ASPE 1996, Monterey.

[2] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks en Malachy McConnell, Ontwerp en Karakterisering van de Mechanismen van de Precisie Nanometer (Document II), Werkzaamheden van de Jaarlijkse Vergadering van ASPE 1997, Norfolk.

[3] Thomas R. Hicks, Paul D Atherton, Ying Xu, en Malachy McConnell, het NanoPositioning Boek, Queensgate Instruments Ltd, 1997

[4] Verslaat, M.J., Rowley, W.R.C., Techniek van de Precisie (1993) 15, 1

[5] Florijn van Ernst-Ludwig van de Hoffelijkheid, het Europese Moleculaire Laboratorium van de Biologie, Heidelberg.

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

Bron: De Instrumenten van Queensgate

Voor meer informatie over deze bron te bezoeken gelieve Instrumenten Queensgate.

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

Last Update: 15. July 2013 15:54

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit