Projecto e Caracterização de uma Fase X-Y da Ultra-Precisão - O NPS-XY-100A dos Instrumentos de Queensgate

AZoNano - Nanotecnologia - Logotipo dos instrumentos de Queensgate

Assuntos Cobertos

Sumário

Introdução

Especificações de Queensgate NPS-XY-100A

Descrição Da Fase de NPS-XY-100A

O Controlador de Queensgate NPS3000

Considerações Metrological

O Sistema do Flexure

Materiais de Construção

O Quadro e as Montagens

Resposta Dinâmica e Estabilidade A Longo Prazo

Conclusões

Referências

Sumário

Este papel descreve o projecto de uma fase de posicionamento da ultra-precisão e de varredura xy: o Queensgate NPS-XY-100A. A ênfase Especial é colocada no conceito de projecto e nas considerações metrological que facilitam a definição da posição de secundário-nanômetro, linearidades muito altas, a baixa histerese, a baixa expansão térmica e movimentos parasíticos. Os dados Experimentais ilustram uma definição de secundário-nanômetro e demonstram a estabilidade a longo prazo da fase.

Introdução

As Exigências para uma precisão mais alta e uma estabilidade conduziram a um uso aumentado do secundário-nanômetro que posiciona mecanismos no semicondutor, na unidade de disco, na microscopia de varredura da ponta de prova e nas outras áreas da investigação e desenvolvimento. Os produtos de Queensgate NanoPositioning combinam os actuadores piezoeléctricos com o Queensgate NanoSensors® (sensores da capacidade) e projecto avançado do flexure da multi-linha central. Estas tecnologias são combinadas com os 20 anos de experiência no projecto eletrônico e do servo-laço para fornecer o posicionamento de fases a precisão, a precisão e o repeatability1,2,3 de secundário-nanômetro. O NPS-XY-100A é representante da tecnologia de Queensgate e da capacidade do projecto.

Especificações de Queensgate NPS-XY-100A

O Queensgate NPS-XY-100A é fases de posicionamento e de varredura do laço fechado umas de duas linha central com um envelope de 100 x 100 x 23 milímetros com uma abertura de 40 milímetros do diâmetro. Construído completamente do Invar Super, oferece > 120 x 120 escala de posicionamento e de varredura do µm. O ruído da Posição é tipicamente 0,3 nanômetros (rms) e o erro das linearidades (compensado com um 4o polynomial do pedido na eletrônica) é menos de 0,01%. A Histerese e os movimentos angulares parasíticos são controlados menos o de µrad 0,005% e 10, respectivamente, sobre a escala do curso do todo. A primeira freqüência ressonante da fase é > 350 Hertz.

Descrição Da Fase de NPS-XY-100A

O NPS-XY-100A compreende uma combinação proprietária dos actuadores piezo, do Queensgate NanoSensors® e dos flexures. Dois actuadores piezo são encaixados na fase para fornecer a actuação da movimentação em ambos os machados. A expansão Piezo é amplificada usando um flexure do 4:1/projecto da alavanca para fornecer escala de maior de 120 x 120 µm. O monitor de Queensgate NanoSensors® a posição da plataforma e fornece o feedback ao servo-laço do controlador. Um sistema prolongado do flexure guia o movimento da plataforma em x e em Y. O teste padrão do flexure foi projectado especificamente minimizar movimentos parasíticos tais como rotações (guinada, passo, rolo) e movimento do para fora--plano. Para conseguir este, FEA extensivos que modelam técnicas foram usados para aperfeiçoar a configuração e os parâmetros do mecanismo.

O Controlador de Queensgate NPS3000

A fase de NPS-XY-100A é conduzida pelo controlador de Queensgate NPS3000 (um sistema de controlo digital baseado DSP do circuito fechado). O controlador tem uma definição intrínseca eficazmente 23 da definição digital dos bits isto é 12 pm sobre a escala de 100 µm. Este desempenho excede a definição da maioria de conversores do A/D e do D/A actualmente disponíveis e está frequentemente abaixo do nível de ruído da maioria de aplicações que nós encontramos. Os algoritmos de controle digitais Avançados do PID podem aperfeiçoar a resposta de sistema para uma variedade de aplicações. O feedback da Velocidade (termo diferencial) pode ser usado para umedecer para fora ressonâncias mecânicas, tendo por resultado tempos de estabelecimento significativamente reduzidos. O controlador dá ao usuário as ferramentas para o controlo total dos parâmetros da largura de faixa e do laço de sistema para a optimização in situ do desempenho.

Considerações Metrological

as Não-Linearidades e a histerese são termos do erro ao longo da linha central do movimento. Para avaliar estes erros estáticos do movimento, as fases são calibradas usando um interferómetro especialmente projetado do laser, capaz de resolver movimentos de 0,05 nanômetros ou abaixo de 4. varreduras Iniciais permita que os sensores internos da capacidade sejam tornados linear digital ao quarto pedido. a Não-Linearidade menos de 0,01% é conseguida rotineiramente. Um lote das linearidades e dos erros de histerese medidos em um NPS-XY-100A é mostrado em Figura 1.

Figura 1. Linearidade e histerese.

O NanoSensors® e o controlador são projectados com cuidado conseguir extremamente - um nível de baixo nível de ruído para baixo < 0,005 nanômetros. Hertz. Combinado com a definição de 23 bits e a compensação digitais das linearidades, uma repetibilidade verdadeira de secundário-nanômetro é conseguida. Figura 2 mostra uma resposta do sinal da posição do Microscópio Fotónico da Força (PFM) a um círculo do nanômetro do diâmetro 2 gerado usando uma fase de NPS-XY-100A.

Figura 2. círculo de Φ2 nanômetro seguido por NPS-XY-100A [5].

O Sistema do Flexure

O projecto de sistema do flexure guia o movimento da fase ao longo da linha central desejada e fornece uma “pureza alta do movimento”. A Rotação e fora dos erros planos é controlada aos níveis muito baixos sem a necessidade para toda a compensação activa. Figura 3 mostra os movimentos do para fora--plano medidos para um NPS-XY-100A sobre área feita a varredura uns 100 x 100 µm. Os erros do movimento do para fora--plano são medidos realmente para estar dentro de um par nanometres sobre a escala inteira da exploração. Além Disso, esta medida inclui erros de tracção. O projecto permite o ajuste dos erros da guinada que são causados normalmente por tolerâncias de fabricação em flexures. Conseqüentemente, os erros medidos da guinada a alguns micro-radianos sobre a escala de 100 µm em cada linha central são conseguidos para baixo.

Figura 3. erro do movimento do Para fora--Plano.

Materiais de Construção

O NPS-XY-100A é feito do Invar Super, este coeficiente da expansão térmica das exibições do material extremamente - baixo (aproximadamente 0,3 x 10-6 K)-1 e estabilidade a longo prazo. Os Testes em Queensgate mostraram que os problemas da tracção podem ocorrer se há uma má combinação nas propriedades térmicas dos materiais componentes usados no conjunto da fase. O NanoSensors® é manufacturado do mesmo ou dos materiais similares que o corpo da fase, mas os actuadores não podem. O material Piezoeléctrico tem um coeficiente muito baixo da expansão térmica (- 0,3 a -0,6 x 10-6 K)-1. Se a fase estêve construída do alumínio mais comum, e o comprimento da pilha piezo é 40 milímetros, a diferença das expansões térmicas geradas por estes dois materiais seria aproximadamente 1,2 µm.K-1 na extremidade piezo. Com o efeito da amplificação mecânica por um factor de 4, a expansão térmica gera um movimento no fim da plataforma de ao redor 4,8 µm.K.-1 Embora o controle de laço fechado possa corrigir o movimento conduzindo o mais adicional piezo, uma grande ALTA TENSÃO deslocada conduz a uma SHIFT e a uma saturação da escala da exploração em uma extremidade. Conseqüentemente, o baixo material da expansão térmica é essencial para evitar efeitos térmicos e todo o Queensgate NPS-XY-100A é construído do Invar Super.

O Quadro e as Montagens

As distorções do Quadro devido às forças motrizes encontradas na fase o tamanho do NPS-XY-100A podem estar a níveis até algumas centenas de nanometres. Os esquemas isostatic Especiais da montagem são projectados na fase decuplar toda a distorção devido às mudanças do thermal e da força. Este mecanismo da montagem é outra vez um sistema do flexure, EDM cortado no quadro segundo as indicações de Figura 4. Este regime não assegura nenhuns acoplamento e fricção convencionais do contacto no sistema. O sistema do flexure é complacente no sentido de decuplagem e muito duro em todos sentidos restantes, mantendo a posição central da plataforma sem reduzir a rigidez do sistema da fase. Este mecanismo isostatic da montagem significa que a fase pode ser montada em uma base de todo o material, sem interesse para a harmonização térmica.

Figura 4. montagem Isostatic.

Resposta Dinâmica e Estabilidade A Longo Prazo

A fase de NPS-XY-100A tem uma freqüência ressonante de 350 Hertz e uma estadia de estabelecimento pequena do sinal 2% da Senhora <15 que Aumenta a massa carregada tem normalmente um grande impacto no desempenho dinâmico do sistema, especialmente quando a fase é um tamanho tão compacto. Os controladores digitais de Queensgate vêm com uma ferramenta de software de modo que os parâmetros do PID possam facilmente ser ajustados por usuários para aperfeiçoar in situ o desempenho. Curve a em Figura 5 é medido de uma fase descarregada sob o controle de parâmetros aperfeiçoados do PID, a curva b mostra como o desempenho foi influenciado por uma massa de 100 g carregada na fase, e os parâmetros re-aperfeiçoados do PID dão para trás uma resposta de etapa desejada como a curva C.

Figura 5. resposta Dinâmica.

Um ponto do interesse é a estabilidade a longo prazo e a repetibilidade do NPS-XY-100A. Uma tal fase foi enviada a um cliente e retornou pela nova aferição após um e meios anos. Os resultados de teste antes e depois de são alistados na Tabela 1. Note outra vez, estes dados incluem o ruído e os erros de tracção do sistema de medida do interferómetro do laser.

Resultados de teste da estabilidade A Longo Prazo da Tabela 1. (NPS-XY-100A, No. 50583 da Série).

Parâmetro

Especs.

Medido em 28/8/97

Medido em 2/02/99

X-Linha central

Erro do actor da Escala (%)

< 0,1

0,000

0,067

Erro das Linearidades (%)

< 0,01

0,002

0,007

Erro de Histerese (%)

< 0,01

0,003

0,003

Y-Linha central

Erro do actor da Escala (%)

< 0,1

0,001

0,035

Erro das Linearidades (%)

< 0,01

0,002

0,003

Erro de Histerese (%)

< 0,01

0,004

0,005

Conclusões

As Conclusões dos dados da revisão do projecto e de teste apresentados acima são como segue;

a. O NPS-XY-100A conseguiu a exigência de uma repetibilidade de secundário-nanômetro, de uma definição, de uma precisão e da estabilidade a longo prazo.

b. Os Baixos materiais da expansão térmica como o Invar Super são essenciais para que os mecanismos de construção da fase da precisão de secundário-nanômetros evitem a influência da expansão térmica.

c. O controle digital Avançado permite a optimização in situ do desempenho e melhora o desempenho dinâmico do sistema.

d. A montagem Isostatic decupla distorções inevitáveis do quadro dos efeitos do thermal e da força e mantem a precisão metrological.

Referências

[1] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Aldeão e Malachy McConnell, Projecto e Caracterização de Mecanismos da Precisão do Nanômetro (Papel I), Continuações da Reunião Anual de ASPE 1996, Monterey.

[2] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Aldeão e Malachy McConnell, Projecto e Caracterização de Mecanismos da Precisão do Nanômetro (Papel II), Continuações da Reunião Anual de ASPE 1997, Norfolk.

[3] Thomas R. Aldeão, Paul D Atherton, Ying Xu, e Malachy McConnell, O Livro de NanoPositioning, Instrumentos Ltd de Queensgate, 1997

[4] Penas, M.J., Rowley, W.R.C., Engenharia de Precisão (1993) 15, 1

[5] Florim de Ernst-Ludwig da Cortesia, Laboratório de Biologia Molecular Europeu, Heidelberg.

Autor: Y. Xu, P.D. Atherton, T.R. Aldeão, M. McConnell e P. Rhead

Source: Instrumentos de Queensgate

Para obter mais informações sobre desta fonte visite por favor Instrumentos de Queensgate.

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

Last Update: 15. July 2013 16:28

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