Конструкция и Характеризация Этапа Ультра-Точности X-Y - NPS-XY-100A от Аппаратур Queensgate

AZoNano - Нанотехнология - Логос аппаратур Queensgate

Покрытые Темы

Конспект

Введение

Спецификации Queensgate NPS-XY-100A

Описание Этапа NPS-XY-100A

Регулятор Queensgate NPS3000

Метрологическое Рассмотрение

Система Сгибания

Конструкционные Материалы

Рамка и Установки

Динамическая Характеристика и Долгосрочная Стабильность

Заключения

Справки

Конспект

Эта бумага описывает конструкцию располагая ультра-точности xy и просматривая этапа: Queensgate NPS-XY-100A. Особый акцент помещен на идее проекта и метрологическом рассмотрении которая облегчают разрешение положения sub-нанометра, очень высокие линеарности, низкий гистерезис, низкое тепловое расширение и паразитные движения. На Экспериментальные данные проиллюстрировано разрешение sub-нанометра и демонстрируют долгосрочную стабильность этапа.

Введение

Требования для более высокой точности и стабилности водили к увеличенной пользе sub-нанометра располагая механизмы в полупроводнике, дисководе, просматривая микроскопии зонда и других зонах научных исследований и разработки. Продукты Queensgate NanoPositioning совмещают пьезоэлектрические приводы с Queensgate NanoSensors® (датчиками емкости) и предварительной конструкцией сгибания multi-оси. Эти технологии совмещены с 20 летами опыта в конструкции электронных и контура сервопривода для того чтобы обеспечить располагать этапы с точностью, точностью и repeatability1,2,3 sub-нанометра. NPS-XY-100A представитель технологии Queensgate и способности конструкции.

Спецификации Queensgate NPS-XY-100A

Queensgate NPS-XY-100A этапа короткозамкнутого витка 2 оси располагая и просматривая с габаритом 100 x 100 x 23 mm с апертурой 40 mm диаметра. Построено всецелло от Супер Инвара, оно предлагает > 120 x 120 ряд µm располагая и просматривая. Шум Положения типично 0,3 nm (rms) и ошибка линеарностей (компенсированная с 4-ым полиномом заказа в электронике) чем 0,01%. Проконтролированы Гистерезис и паразитные угловые движения меньш чем µrad 0,005% и 10, соответственно, над рядом перемещения целого. Первая резонирующая частота этапа > 350 Hz.

Описание Этапа NPS-XY-100A

NPS-XY-100A состоит из приводов собственнического сочетание из piezo, Queensgate NanoSensors® и сгибаний. 2 piezo привода врезаны в этапе для того чтобы обеспечить возбуждение привода в обеих осях. Piezo расширение усилено используя сгибание 4:1/конструкцию рукоятки для того чтобы обеспечить ряд больш чем 120 x 120 µm. Монитор Queensgate NanoSensors® положение платформы и снабубежит обратную связь контур сервопривода регулятора. Выдвинутая система сгибания направляет движение платформы как в x, так и в Y. Картина сгибания специфически была конструирована для того чтобы уменьшить паразитные движения как вращения (рыскание, тангаж, крен) и движение вне--плоскости. Для того чтобы достигнуть этого, обширные FEA моделируя методы были использованы для того чтобы оптимизировать конфигурацию и параметры механизма.

Регулятор Queensgate NPS3000

Этап NPS-XY-100A управляется регулятором Queensgate NPS3000 (основанной DSP цифровой системой регулирования по замкнутому циклу). Регулятор имеет внутреннеприсущее разрешение эффектно 23 разрешения битов т.е. 12 pm цифрового над рядом 100 µm. Это представление превышает разрешение большинств конвертеров A/D и D/A в настоящее время доступных и часто под уровнем шума большинств применений мы сталкиваемся. Предварительные цифровые алгоритмы управления PID могут оптимизировать реакцию системы для разнообразие применений. Обратная связь Скорости (дифференциальная термина) может быть использована для того чтобы амортизировать вне механически резонансы, приводящ к в значительно уменьшенных устанавливая временах. Регулятор дает пользователю инструменты для полного контроля параметров ширины полосы частот и петли системы для в оптимизирования представления situ.

Метрологическое Рассмотрение

Нелинейность и гистерезис термины ошибки вдоль оси движения. Для того чтобы определить эти статические ошибки движения, этапы откалибрированы используя специально конструированный интерферометр лазера, способный разрешать движения 0,05 nm или под 4. Начальными развертками позвольте внутренним датчикам емкости быть линеаризованным цифрово к четвертому заказу. Нелинейность чем 0,01% по заведенному порядку достигана. График линеарностей и ошибок гистерезиса измеренных в NPS-XY-100A показан в Диаграмме 1.

Диаграмма 1. Линеарность и гистерезис.

NanoSensors® и регулятор быть осторожным конструированы для того чтобы достигнуть весьма - низкого уровня шума вниз < 0,005 nm. Hz. Совмещено с разрешением 23 битов цифровыми и компенсацией линеарностей, достигана истинная повторимость sub-нанометра. На Диаграмму 2 показано реакцию сигнала положения Фотонного Микроскопа Усилия (PFM) к кругу nm диаметра 2 произведенному используя этап NPS-XY-100A.

Диаграмма 2. круг Φ2 nm трассированный NPS-XY-100A [5].

Система Сгибания

Конструкция системы сгибания направляет движение этапа вдоль пожеланной оси и обеспечивает высокую «очищенность движения». Вращение и из плоских ошибок проконтролировано к очень низшим уровням без потребности для любой активной компенсации. На Диаграмму 3 показано движения вне--плоскости измеренные для NPS-XY-100A над просмотренной площадью 100 x 100 µm. Ошибки движения вне--плоскости фактически измерены для того чтобы находиться внутри несколько nanometres над всем рядом скеннирования. Опять, это измерение включает ошибки смещения. Конструкция позволяет регулировке ошибок рыскания которые нормально причинены путем изготовляя допуски на сгибаниях. Следовательно, измеренные ошибки рыскания вниз к немного микро--радианов над рядом 100 µm в каждой оси достиганы.

Диаграмма 3. ошибка движения Вне--Плана.

Конструкционные Материалы

NPS-XY-100A сделано Супер Инвара, этого коэффициента теплового расширения экспонатов материала весьма - низкого (около 0,3 x 10-6 K-1) и долгосрочной стабильности. Испытания на Queensgate показывали что проблемы смещения могут произойти если рассогласование в термальных свойствах компонентных материалов используемых в агрегате этапа. NanoSensors® изготовлено от такого же или подобных материалов как тело этапа, но приводы не могут. Пьезоэлектрический материал имеет очень низкий коэффициент теплового расширения (- 0,3 до -0,6 x 10-6 K-1). Если этап был построен более общего алюминия, и длина piezo стога 40 mm, то разница тепловых расширений произведенных этими 2 материалами была бы около 1,2 µm.K-1 на piezo конце. С влиянием механически амплификации фактором 4, тепловое расширение производит движение на конце платформы вокруг 4,8 µm.K.-1 Хотя управление короткозамкнутого витка может исправить движение путем управлять piezo дальнейшим, результаты большие HV смещенные в переносе и сатурации ряда скеннирования на одном конце. Поэтому, низкий материал теплового расширения необходим для во избежание термальные влияния и все Queensgate NPS-XY-100A построено от Супер Инвара.

Рамка и Установки

Искажения Рамки должные к движущим силам найденным в этапе размер NPS-XY-100A могут находиться на уровнях до немного сотни nanometres. Специальные изостатические схемы установки конструированы в этап для того чтобы decouple любое искажение должное к изменениям восходящего потока теплого воздуха и усилия. Этот механизм установки снова система сгибания, EDM отрезанное в рамку как показано в Диаграмме 4. Этот режим не обеспечивает никакие обычные соединение и трение контакта в системе. Система сгибания уступчива в decoupling направлении и очень жестка в всех других направлениях, поддерживая положение центра платформы без уменьшения жесткости системы этапа. Этот изостатический механизм установки значит что этап можно установить на основании любого материала, без заботы для термальный соответствовать.

Диаграмма 4. Изостатическая установка.

Динамическая Характеристика и Долгосрочная Стабильность

Этап NPS-XY-100A имеет резонирующую частоту 350 Hz и малое время сигнала 2% устанавливая Мс <15 Увеличивая нагруженную массу нормально имеет большой удар на динамическом представлении системы, специально когда этап такой компактный размер. Регуляторы Queensgate цифровые приходят с вспомогательной программой так, что параметры PID смогут легко быть отрегулированы пользователями для того чтобы оптимизировать представление в situ. Изогните a в Диаграмме 5 измеряет от расгруженного этапа под контролем оптимизированных параметров PID, кривый b показывает как представление было повлияно на массой 100 g нагруженной на этап, и re-оптимизированные параметры PID дают назад пожеланную реакцию шага как C. кривого.

Диаграмма 5. Динамическая характеристика.

Пункт интереса долгосрочная стабильность и повторимость NPS-XY-100A. Один такой этап был погружен к клиенту и возвратил на повторное калибрование после одного и половинные леты. Результаты испытания перед и после перечислены в Таблице 1. Замечайте снова, эти данные включают шум и ошибки смещения системы измерения интерферометра лазера.

Результаты испытания Долгосрочной стабильности Таблицы 1. (NPS-XY-100A, Номер 50583 Серии).

Параметр

Спецификации.

Измерено на 28/8/97

Измерено на 2/02/99

X-Ось

Ошибка актера Маштаба (%)

< 0,1

0,000

0,067

Ошибка Линеарностей (%)

< 0,01

0,002

0,007

Ошибка Гистерезиса (%)

< 0,01

0,003

0,003

Y-osь

Ошибка актера Маштаба (%)

< 0,1

0,001

0,035

Ошибка Линеарностей (%)

< 0,01

0,002

0,003

Ошибка Гистерезиса (%)

< 0,01

0,004

0,005

Заключения

Заключения от пересмотра конструкции и проверок данных представленных выше следующим образом;

a. NPS-XY-100A достигало требования повторимости, разрешения, точности и долгосрочной стабильности sub-нанометра.

b. Низкие материалы теплового расширения как Супер Инвар необходимы для строя механизмов этапа точности sub-нанометров для того чтобы во избежание влияние теплового расширения.

c. Предварительное цифровое управление позволяет в оптимизировании представления situ и улучшает динамическое представление системы.

d. Изостатическая установка decouples неизбежные искажения рамки от влияний восходящего потока теплого воздуха и усилия и поддерживает метрологическую точность.

Справки

[1] Ying Xu, Паыль D Atherton, Томас R. Запинание и Malachy McConnell, Конструкция и Характеризация Механизмов Точности Нанометра (Бумаги I), Продолжения Ежегодного Собрания 1996, Монтерей ASPE.

[2] Ying Xu, Паыль D Atherton, Томас R. Запинание и Malachy McConnell, Конструкция и Характеризация Механизмов Точности Нанометра (Бумаги II), Продолжения Ежегодного Собрания 1997, Норфолк ASPE.

[3] Томас R. Запинание, Паыль D Atherton, Ying Xu, и Malachy McConnell, Книга NanoPositioning, Аппаратуры Ltd Queensgate, 1997

[4] Спуски, M.J., Rowley, W.R.C., Точность Инджиниринг (1993) 15, 1

[5] Флорин Ernst-Ludwig Учтивости, Европейская Лаборатория Молекулярной Биологии, Гейдельберг.

Автор: Y. Xu, P.D. Atherton, T.R. Запинание, M. McConnell и P. Rhead

Источник: Аппаратуры Queensgate

Для больше информации на этом источнике пожалуйста посетите Аппаратуры Queensgate.

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

Last Update: 15. July 2013 16:31

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit