超精确度 X - Y 的阶段 - 从 Queensgate 仪器的 NPS-XY-100A 的设计和描述特性

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包括的事宜

摘要

简介

Queensgate NPS-XY-100A 说明

NPS-XY-100A 阶段的说明

Queensgate NPS3000 管理员

度量衡学的对价

弯曲系统

建筑材料

框架和挂接

动力特性和长期稳定性

结论

参考

摘要

本文描述超精确度 X - Y 的确定的和浏览的阶段的设计: Queensgate NPS-XY-100A。 特别重点在实现子毫微米位置解决方法、非常高线性、低迟滞现象、低热扩散和寄生行动的设计观念和度量衡学的对价被安置。 实验数据说明子毫微米解决方法并且展示阶段的长期稳定性。

简介

更高的精度和稳定性的需求导致了确定在半导体、磁盘驱动器,浏览探测显微学和其他研究与开发区的对子毫微米的增加的使用结构。 Queensgate NanoPositioning 产品与 Queensgate NanoSensors® (电容传感器) 和先进多轴的弯曲设计结合压电致动器。 这些技术与 20 年结合在电子和伺服循环设计的经验提供确定阶段以子毫微米准确性、精确度和 repeatability1,2,3。 NPS-XY-100AQueensgate 的技术和设计能力代表。

Queensgate NPS-XY-100A 说明

Queensgate NPS-XY-100A 是与 100 x 100 x 23 mm 信包的一个二轴的闭合电路确定的和浏览的阶段与 40 mm 直径开口的。 全部修建从超级英瓦合金,它提供 > 120 x 120 µm 确定的和浏览的范围。 位置噪声是典型地 0.3 毫微米 (rms),并且线性错误 (补偿与在电子的第 4 个命令多项式) 少于 0.01% 是。 迟滞现象和寄生角动被控制少于 0.005% 和 10 µrad,分别,在整个旅行范围。 这个阶段的第一谐振频率是 > 350 Hz。

NPS-XY-100A 阶段的说明

NPS-XY-100A 包括一个所有权组合压力致动器、 Queensgate NanoSensors® 和弯曲。 二个压力致动器在这个阶段被埋置提供在两个轴的推进驱动。 压力扩展被放大使用 4:1 弯曲/杠杆设计提供非常地比 120 x 120 µm 范围。 Queensgate NanoSensors® 监控程序平台的位置和提供反馈给管理员伺服循环。 一个延长的弯曲系统在 x 和 Y. 引导平台的行动。 弯曲模式特别地被设计使寄生行动减到最小例如循环 (弹道正切角、间距,辊) 和外飞机行动。 要达到此,塑造技术的广泛的 FEA 用于优选这个结构的配置和参数。

Queensgate NPS3000 管理员

Queensgate NPS3000 管理员驱动 NPS-XY-100A 阶段 (DSP 基于数字式闭环控制系统)。 即这个管理员有有效 23 位下午12点数字式解决方法的一个内在解决方法 100 µm 范围。 此性能超出现在可以得到多数 A/D 和 D/A 的交换器的解决方法并且经常在我们遇到多数应用下的噪声级。 先进的数字式 PID 控制算法可能优选各种各样的应用的系统响应。 速度反馈 (有差别的术语) 可能用于阻止机械共鸣,造成显著减少的结算时间。 这个管理员产生这个用户为系统带宽和循环参数的全面控制的工具在原处性能优化的。

度量衡学的对价

非线形性和迟滞现象是沿行动轴的错误术语。 使用一台特殊地被设计的激光干涉仪,要估计这些静态行动错误,阶段被校准,能够解决 0.05 毫微米的行动或在 4. 最初的扫描以下请允许内部电容传感器数位线性化到第四等级。 非线形性少于 0.01% 定期地达到。 在 NPS-XY-100A 和滞后误差评定的剧情线性在表 1. 显示。

图 1. 线性和迟滞现象。

NanoSensors® 和管理员仔细被设计达到一个极低的噪声级下来 < 0.005 毫微米。Hz. 与 23 位数字式解决方法和线性报酬结合,真的子毫微米反复性达到。 图 2 显示光子的强制显微镜的一种位置信号回应 (PFM)对使用 NPS-XY-100A 阶段被生成的 2 毫微米直径圈子。

图 2. NPS-XY-100A 跟踪的Φ2 nm 圈子 [5]。

弯曲系统

弯曲系统设计引导沿这个期望轴的阶段行动并且提供行动高 ‘纯度’。 循环和在平面错误外面被控制对非常低水平,不用对所有有效的报酬的需要。 图 3 显示为在一 100 x 100 µm 的 NPS-XY-100A 评定的外飞机行动浏览的区。 外飞机行动错误实际上被评定在全部的扫描范围的两三 nanometres 内。 再次,此评定包括漂移误差。 这个设计允许的弹道正切角错误调整由在弯曲的制造的容差通常造成。 结果,被评定的弹道正切角错误下来对一些个微型弧度 100 µm 范围在每个轴达到。

图 3. 外计划行动错误。

建筑材料

NPS-XY-100A 由超级英瓦合金,此材料展览极低的热扩散系数 (大约 0.3 x 10-6 K)-1 和长期稳定性制成。 在 Queensgate 的试验证明偏差问题可能发生,如果有在阶段集合用于的组件材料的热量属性的配错。 NanoSensors® 从同样或相似的材料是制作的象阶段机体,但是致动器不能。 压电材料有一个非常低热扩散系数 (- 0.3 到 -0.6 x 10-6 K)-1。 如果这个阶段被建立了更加公用的铝,并且压力栈的长度是 40 mm,这两材料生成的热扩散区别是大约 1.2 µm.K-1 在这个压力末端。 机械放大作用的作用由系数的 4,热扩散生成行动在大约 4.8 µm.K. 的平台结尾。-1 虽然闭合电路控制可能通过驱动压力进一步更正行动,在扫描范围班次和饱和的大 HV 抵销结果在一个末端。 所以,低热扩散材料对避免热量作用是重要的,并且所有 Queensgate NPS-XY-100A 从超级英瓦合金被修建。

框架和挂接

框架畸变由于在阶段找到的驱动力 NPS-XY-100A 的范围可以在级别至一些数百 nanometres。 特殊地壳均衡的挂接模式被设计到阶段分离所有畸变由于上升暖流和强制更改。 此挂接结构再是弯曲系统, EDM 被剪切成这个框架如图 4. 所显示。 此政权不保证常规联络联结和摩擦在这个系统。 弯曲系统是兼容在这个分离的方向和非常僵硬的在其他方向,维护平台的中间位置,无需减少阶段系统的僵硬。 此地壳均衡的挂接结构意味这个阶段在所有材料基础可以被挂接,不用热量符合的关心。

图 4. 地壳均衡的挂接。

动力特性和长期稳定性

NPS-XY-100A 阶段有 350 Hz 谐振频率,并且增加这个被装载的质量的 <15 女士的一个弱信号 2% 结算时间通常有对这个系统的动态性能的大影响,特别是当这个阶段是这样一个袖珍型时。 Queensgate 数字控制器来与软件工具,以便 PID 参数可以由用户容易地调整在原处优选性能。 弯曲 a 在表 5 从一个转存的阶段被计量受优化 PID 参数的控制,曲线 b 显示 100 g 质量如何影响性能被装载在这个阶段上,并且再优化 PID 参数产生期望阶跃响应作为曲线 C。

图 5. 动力特性。

问题的利息是 NPS-XY-100A 的长期稳定性和反复性。 一个这样阶段被发运了给客户并且返回了重新校准在一个以后和半年。 检验结果在前后在表 1. 被列出。 注意再,这些数据包括激光干涉仪测量系统的噪声和漂移误差。

表 1. 长期稳定性检验结果 (NPS-XY-100A,序列没有 50583)。

参数

Spec.

评定在 28/8/97

评定在 2/02/99

X轴

缩放比例演员错误 (%)

< 0.1

0.000

0.067

线性错误 (%)

< 0.01

0.002

0.007

滞后误差 (%)

< 0.01

0.003

0.003

Y轴

缩放比例演员错误 (%)

< 0.1

0.001

0.035

线性错误 (%)

< 0.01

0.002

0.003

滞后误差 (%)

< 0.01

0.004

0.005

结论

从存在的设计评论和测验数据的结论以上如下是;

a. NPS-XY-100A 达到子毫微米反复性、解决方法、准确性和长期稳定性的需求。

b. 象超级英瓦合金的低热扩散材料对编译的子毫微米精确度阶段结构是重要避免热扩散的影响。

c. 先进的数字控制允许在原处性能优化并且改进这个系统的动态性能。

d. 地壳均衡的挂接分离从上升暖流和强制作用的不可避免的框架畸变并且维护度量衡学的准确性。

参考

[1] Ying Xu,保罗 D Atherton、托马斯 R. Hicks 和 Malachy McConnell,毫微米精确度结构 (文件 I), ASPE 1996 年会,蒙特里行动的设计和描述特性。

[2] Ying Xu,保罗 D Atherton、托马斯 R. Hicks 和 Malachy McConnell,毫微米精确度结构 (文件 II), ASPE 1997 年会,诺福克行动的设计和描述特性。

[3] 托马斯 R. Hicks,保罗 D Atherton、 Ying Xu 和 Malachy McConnell, NanoPositioning 书, Queensgate Ltd 仪器, 1997年

[4] 舍去, M.J., Rowley, W.R.C。,精确工程 (1993) 15, 1

[5] 礼貌厄恩斯特路德维格弗罗林,欧洲分子生物学实验室,海得尔堡

作者: Y. Xu、 P.D. Atherton, T.R. Hicks, M. McConnell 和 P. Rhead

来源: Queensgate 仪器

关于此来源的更多信息请参观 Queensgate 仪器

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

Last Update: 15. July 2013 15:46

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