Designen och Characterisationen av en X-Y Ultra-Precision Arrangerar - NPSEN-XY-100A från Queensgate Instrumenterar

AZoNano - Nanotechnology - Queensgate instrumenterar Logo

Täckte Ämnen

Abstrakt begrepp

Inledning

Queensgate NPS-XY-100A Specifikationer

Beskrivningen av NPSEN-XY-100A Arrangerar

Den Queensgate NPS3000 Kontrollanten

Metrological Överväganden

FlexureSystemet

KonstruktionsMaterial

Inrama och Beslagen

Dynamiskt Svar och Långsiktig Stabilitet

Avslutningar

Hänvisar till

Abstrakt begrepp

Detta pappers- beskriver designen av ultra-precision en xy positionering, och scanningen arrangerar: Queensgaten NPS-XY-100A. Special betoning förläggas på designbegreppet, och metrological överväganden, som gör under-nanometer lättare, placerar upplösning, mycket kicklinjäritet, låg hysteresis, låg termisk utvidgning och parasitic vinkar. Experimentella data illustrerar under-nanometer upplösning och visar långsiktig stabilitet av arrangera.

Inledning

Krav för högre precision och stabilitet har ledde till ett ökande bruk av under-nanometeren positioneringmekanism i halvledare, diskdrev, scanningsondmicroscopy och andra forskning och utvecklingsområden. Piezoelectric utlösare för Queensgate NanoPositioning produktsammanslutning med Queensgate NanoSensors® (kapacitensavkännare) och avancerad mång--axel flexuredesign. Dessa teknologier kombineras med 20 år erfar i elektroniskt och servo-kretsar design för att ge positionering arrangerar med under-nanometer exakthet, precision och repeatability1,2,3. NPSEN-XY-100A är representativ av Queensgates teknologi och designkapacitet.

Queensgate NPS-XY-100A Specifikationer

Queensgaten NPS-XY-100A är två som den stängda axeln kretsar positionering, och scanningen arrangerar med ett kuvert av en mm 100 x 100 x 23 med en diameteröppning för en mm 40. Konstruerat helt från Toppen Invar, erbjuder den positionering för > 120 x 120 µm, och scanningen spänner. Position stojar är typisk 0,3 nm (rms), och linjäritetsfelet (som kompenseras med 4th, beställa polynomialen i elektroniken), är mindre än 0,01%. Hysteresis och parasitic vinkelformigt vinkar kontrolleras mindre, än µrad 0,005% och 10, respektive, över helheten reser spänner. Den första resonant frekvensen av arrangera är > 350 Hertz.

Beskrivningen av NPSEN-XY-100A Arrangerar

NPSEN-XY-100A består av en privat kombination av piezo utlösare, Queensgate NanoSensors® och flexures. Två piezo utlösare bäddas in i arrangera för att ge drevaktivering i båda yxor. Piezo utvidgning förstärks genom att använda en 4:1flexure/använder påtryckning design för att ge mer stor, än µm 120 x 120 spänner. Queensgaten NanoSensors® övervakar placera av plattformen och ger återkoppling till kontrollanten servo-kretsar. Ett fördjupat flexuresystem vägleder vinka av plattformen i både x och Y. Flexuren mönstrar har specifikt planlagts att minimera parasitic vinkar liksom rotationer (gir, grad, rulle), och ut-av-plant vinka. Att uppnå denna, var omfattande FEA som modellerar tekniker, van vid optimerar konfigurationen och parametrarna av mekanismen.

Den Queensgate NPS3000 Kontrollanten

NPSNA-XY-100A arrangerar är drivande vid den Queensgate NPS3000 kontrollanten (en DSP som baserade digitala stängd-kretsar, kontrollerar systemet). Kontrollanten har en inneboende upplösning av effektivt 23 digital upplösning för bitar dvs. 12 pm över µm 100 att spänna. Denna kapacitet överskrider upplösningen av mest för närvarande tillgängliga A-/D och D-/Aomformare och är ofta nedanför stoja som är jämn av mest applikationer oss mötet. Avancerad digital PID kontrollerar algoritmer kan optimera systemsvaret för en variation av applikationer. Hastighetsåterkoppling (differensen benämner), kan vara van vid mekaniska resonansar för fukt ut och att resultera, i markant förminskande att sätta tider. Kontrollanten ger den användaren bearbetar för färdigt kontrollerar av systembandbredden och kretsar parametrar för i situkapacitetsoptimisation.

Metrological Överväganden

Non-Linjäriteter och hysteresis är felet benämner längs axeln av vinkar. Att bedöma dessa vinkar statisk elektricitet fel, arrangerar kalibreras genom att använda en special planlagd laser-interferometer som är kapabel av att lösa, vinkar av 0,05 nm eller nedanföra 4. Initiala bildläsningar låter de inre kapacitensavkännarna lineariseds digitalt till fourthen beställer. Non-Linjäritet mindre än 0,01% uppnås rutinmässigt. En täppa av linjäriteter och hysteresisfel som mätas i en NPS-XY-100A, visas in Figurerar 1.

Figurera 1. Linjäriteter och hysteresis.

NanoSensors®en och kontrollanten planläggs försiktigt för att uppnå extremt - lowen stojar jämnt besegrar < 0,005 nm. Hertz. Kombinerat med 23 bet digital upplösning, och linjäritetskompensation, riktig under-nanometeren repeatability uppnås. Figurera 2 shows som en placera signalerar svar av det Photonic StyrkaMikroskopet (PFM) till en diameter för 2 nm cirklar frambragt genom att använda en NPS-XY-100A arrangerar.

Figurera 2. Φ2 nm cirklar spårat av NPS-XY-100A [5].

FlexureSystemet

Flexuresystemdesignen vägleder arrangera vinkar längs den önskade axeln och ger en kick ”renhet av vinkar”. Rotation och ut ur plana fel kontrolleras till mycket låg nivå utan behovet för någon aktivkompensation. Figurera 3 shows som detplant vinkar mätt för en NPS-XY-100A över en 100 x 100 µm avläst område. Detplant vinkar fel mätas faktiskt för att vara inom en koppla ihop av nanometres över den hela scanningen spänner. Igen inkluderar denna mätning drivafel. Designen låter justering av girfel som orsakas normalt av fabriks- toleranser på flexures. Därför besegrar mätte girfel till några mikro-radians över 100 som µm spänner i varje axel uppnås.

Figurera 3. Ut-av-Planera vinkar fel.

KonstruktionsMaterial

NPSEN-XY-100A göras av Toppen Invar, samverka (omkring 0,3 x 10 K) och långsiktig stabilitet för denna materiella utvidgning-6 för utställningar-1 extremt - låga termiska. Testar på Queensgate har visat att drivaproblem kan uppstå, om det finns en mismatch i den termiska rekvisitan av de del- materialen som används i arrangeraenheten. NanoSensors®en tillverkas från samma eller de liknande materialen som arrangerar förkroppsligar, men utlösare kan inte. Piezoelectric materiellt har en samverka mycket låg termisk utvidgning (- 0,3 till -0,6 x 10-6 K-1). Om arrangera byggdes av det mer allmänningaluminiumet, och längden av den piezo bunten är en mm 40, är skillnaden av termiska utvidgningar som frambrings av dessa två skulle material, omkring 1,2 µm.K-1 på det piezo avslutar. Med verkställa av den mekaniska förstärkningen vid en dela upp i faktorer av 4 frambringar den termiska utvidgningen en vinka på plattformen avslutar av omkring 4,8 µm.K.-1 Kontrollera kan korrigera vinka, genom att köra det piezo mer ytterligare, Även Om de stängda kretsar, spänner stora offset- resultat för en HV i en scanning förskjutningen, och saturation på en avslutar. Därför är materiell låg termisk utvidgning nödvändig för att undvika thermalen verkställer, och alla Queensgate NPS-XY-100A konstrueras från Toppen Invar.

Inrama och Beslagen

Inrama drivkrafter för distorsioner som in finnas, arrangerar tack vare storleksanpassa av NPSEN-XY-100A kan vara på jämnar upp till några hundratals nanometres. Speciala isostatic beslagintriger planläggs in i arrangera för att decouple någon thermal för distorsion tack vare och att tvinga ändringar. Denna beslagmekanism är igen ett flexuresystem, EDM-snitt in i inrama, som visat in Figurera 4. Detta styre ser till ingen konventionell kontaktkoppla ihop och friktion i systemet. Flexuresystemet är eftergivent i den decoupling riktningen, och mycket styvt sammanlagt placerar andra riktningar som underhåller centrera, av plattformen utan förminskande styvheten av arrangerasystemet. Hjälpmedlet för Denna kan det isostatic beslagmekanism arrangera monteras på en basera av any materiellt, utan bekymmer för termiskt matcha.

Figurera 4. Isostatic beslag.

Dynamiskt Svar och Långsiktig Stabilitet

NPSNA-XY-100A arrangerar har en resonant frekvens av 350 Hertz och ett litet att signalera 2% sätta tid av msen <15. Ökande laddade samlas har normalt ett stort att få effekt på den dynamiska kapaciteten av systemet, när speciellt arrangera är en sådan överenskommelse storleksanpassar. Queensgate de digitala kontrollanterna kommer med en programvara bearbetar, så att PID-parametrarna kan lätt justeras av användare för att optimera kapaciteten i situ. Bukta a Figurerar in 5 mätas från ett olastat arrangerar under kontrollera av optimerade PID-parametrar, buktar b-shows hur kapaciteten påverkades av 100 som G samlas laddat på arrangera, och beträffande-optimerade PID-parametrar ger önskad kliver tillbaka svar som buktar C.

Figurera 5. Dynamiskt svar.

En peka av intresserar är den långsiktiga stabiliteten och repeatabilityen av NPSEN-XY-100A. Sådan Man arrangerar sändes till en kund och gick tillbaka för beträffande-kalibrering efter en och halva år. De testa resultaten för och efter listas in Bordlägger 1. Notera igen, inkluderar driver dessa data stoja och fel av systemet för laser-interferometermätningen.

Bordlägga 1. Långsiktig stabilitet som testar resultat (NPS-XY-100A, FöljetongNr. 50583).

Parameter

Specifikation.

Mätt på 28/8/97

Mätt på 2/02/99

X-Axel

Fjällskådespelarefel (%)

< 0,1

0,000

0,067

Linjäritetsfel (%)

< 0,01

0,002

0,007

Hysteresisfel (%)

< 0,01

0,003

0,003

Y-Axel

Fjällskådespelarefel (%)

< 0,1

0,001

0,035

Linjäritetsfel (%)

< 0,01

0,002

0,003

Hysteresisfel (%)

< 0,01

0,004

0,005

Avslutningar

Avslutningar från designen granskar och testar data som över framläggas, är som följer;

a. NPSEN-XY-100A har uppnått kravet av under-nanometeren repeatability, upplösning, exakthet och långsiktig stabilitet.

b. Är Toppen Invar för den Låga materialnågot liknande för termisk utvidgning nödvändig för byggande under-nanometre som precision arrangerar mekanism för att undvika påverkan av termisk utvidgning.

c. Avancerade digitala kontrollerar låter i situkapacitetsoptimisation och förbättrar den dynamiska kapaciteten av systemet.

d. Det Isostatic beslag decouples ofrånkomligt inramar distorsioner från thermalen, och styrka verkställer och underhåller den metrological exaktheten.

Hänvisar till

[1] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks och Malachy McConnell, Design och Characterisation av NanometerPrecisionMekanism (Skyla över brister I), Förfaranden av det ASPE-1996 Årsmötet, Monterey.

[2] Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks och Malachy McConnell, Design och Characterisation av NanometerPrecisionMekanism (Skyla över brister II), Förfaranden av det ASPE-1997 Årsmötet, Norfolk.

[3] Thomas R. Hicks, Paul D Atherton, Ying Xu och Malachy McConnell, NanoPositioningen Bokar, Queensgate Instrumenterar AB, 1997

[4] Besegrar M.J., Rowley, W.R.C., Precision som Iscensätter (1993) 15, 1

[5] ArtighetErnst-Ludwig Silvermynt värt 2 shilling, Molekylärt BiologiLabb för Europé, Heidelberg.

Författare: Y. Xu, P.D. Atherton, T.R. Hicks, M. McConnell och P. Rhead

Källa: Queensgate Instrumenterar

För mer information på denna källa behaga besök Queensgate Instrumenterar.

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

Last Update: 15. July 2013 16:40

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit