超精確度 X - Y 的階段 - 從 Queensgate 儀器的 NPS-XY-100A 的設計和描述特性

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包括的事宜

摘要

簡介

Queensgate NPS-XY-100A 說明

NPS-XY-100A 階段的說明

Queensgate NPS3000 管理員

度量衡學的對價

彎曲系統

建築材料

框架和掛接

動力特性和長期穩定性

結論

參考

摘要

本文描述超精確度 X - Y 的確定的和瀏覽的階段的設計: Queensgate NPS-XY-100A。 特別重點在實現子毫微米位置解決方法、非常高線性、低遲滯現象、低熱擴散和寄生行動的設計觀念和度量衡學的對價被安置。 實驗數據說明子毫微米解決方法并且展示階段的長期穩定性。

簡介

更高的精度和穩定性的需求導致了確定在半導體、磁盤驅動器,瀏覽探測顯微學和其他研究與開發區的對子毫微米的增加的使用結構。 Queensgate NanoPositioning 產品與 Queensgate NanoSensors® (電容傳感器) 和先進多軸的彎曲設計結合壓電致動器。 這些技術與 20 年結合在電子和伺服循環設計的經驗提供確定階段以子毫微米準確性、精確度和 repeatability1,2,3。 NPS-XY-100AQueensgate 的技術和設計能力代表。

Queensgate NPS-XY-100A 說明

Queensgate NPS-XY-100A 是與 100 x 100 x 23 mm 信包的一個二軸的閉合電路確定的和瀏覽的階段與 40 mm 直徑開口的。 全部修建從超級英瓦合金,它提供 > 120 x 120 µm 確定的和瀏覽的範圍。 位置噪聲是典型地 0.3 毫微米 (rms),并且線性錯誤 (補償與在電子的第 4 個命令多項式) 少於 0.01% 是。 遲滯現象和寄生角動被控制少於 0.005% 和 10 µrad,分別,在整個旅行範圍。 這個階段的第一諧振頻率是 > 350 Hz。

NPS-XY-100A 階段的說明

NPS-XY-100A 包括一個所有權組合壓力致動器、 Queensgate NanoSensors® 和彎曲。 二個壓力致動器在這個階段被埋置提供在兩個軸的推進驅動。 壓力擴展被放大使用 4:1 彎曲/槓桿設計提供非常地比 120 x 120 µm 範圍。 Queensgate NanoSensors® 監控程序平臺的位置和提供反饋給管理員伺服循環。 一個延長的彎曲系統在 x 和 Y. 引導平臺的行動。 彎曲模式特別地被設計使寄生行動減到最小例如循環 (彈道正切角、間距,輥) 和外飛機行動。 要達到此,塑造技術的廣泛的 FEA 用於優選這個結構的配置和參數。

Queensgate NPS3000 管理員

Queensgate NPS3000 管理員驅動 NPS-XY-100A 階段 (DSP 基於數字式閉環控制系統)。 即這個管理員有有效 23 位下午12點數字式解決方法的一個內在解決方法 100 µm 範圍。 此性能超出現在可以得到多數 A/D 和 D/A 的交換器的解決方法并且經常在我們遇到多數應用下的噪聲級。 先進的數字式 PID 控制算法可能優選各種各樣的應用的系統響應。 速度反饋 (有差別的術語) 可能用於阻止機械共鳴,造成顯著減少的結算時間。 這個管理員產生這個用戶為系統帶寬和循環參數的全面控制的工具在原處性能優化的。

度量衡學的對價

非線形性和遲滯現象是沿行動軸的錯誤術語。 使用一臺特殊地被設計的激光干涉儀,要估計這些靜態行動錯誤,階段被校準,能够解決 0.05 毫微米的行動或在 4. 最初的掃描以下请允許內部電容傳感器數位線性化到第四等級。 非線形性少於 0.01% 定期地達到。 在 NPS-XY-100A 和滯後誤差評定的劇情線性在表 1. 顯示。

圖 1. 線性和遲滯現象。

NanoSensors® 和管理員仔細被設計達到一個極低的噪聲級下來 < 0.005 毫微米。Hz. 與 23 位數字式解決方法和線性報酬結合,真的子毫微米反覆性達到。 圖 2 顯示光子的強制顯微鏡的一種位置信號回應 (PFM)對使用 NPS-XY-100A 階段被生成的 2 毫微米直徑圈子。

圖 2. NPS-XY-100A 跟蹤的Φ2 nm 圈子 [5]。

彎曲系統

彎曲系統設計引導沿這個期望軸的階段行動并且提供行動高 『純度』。 循環和在平面錯誤外面被控制對非常低水平,不用對所有有效的報酬的需要。 圖 3 顯示為在一 100 x 100 µm 的 NPS-XY-100A 評定的外飛機行動瀏覽的區。 外飛機行動錯誤實際上被評定在全部的掃描範圍的兩三 nanometres 內。 再次,此評定包括漂移誤差。 這個設計允許的彈道正切角錯誤調整由在彎曲的製造的容差通常造成。 結果,被評定的彈道正切角錯誤下來對一些個微型弧度 100 µm 範圍在每個軸達到。

圖 3. 外計劃行動錯誤。

建築材料

NPS-XY-100A 由超級英瓦合金,此材料展覽極低的熱擴散系數 (大約 0.3 x 10-6 K)-1 和長期穩定性製成。 在 Queensgate 的試驗證明偏差問題可能發生,如果有在階段集合用於的組件材料的熱量屬性的配錯。 NanoSensors® 從同樣或相似的材料是製作的像階段機體,但是致動器不能。 壓電材料有一個非常低熱擴散系數 (- 0.3 到 -0.6 x 10-6 K)-1。 如果這個階段被建立了更加公用的鋁,并且壓力棧的長度是 40 mm,這兩材料生成的熱擴散區別是大約 1.2 µm.K-1 在這個壓力末端。 機械放大作用的作用由系數的 4,熱擴散生成行動在大約 4.8 µm.K. 的平臺結尾。-1 雖然閉合電路控制可能通過驅動壓力進一步更正行動,在掃描範圍班次和飽和的大 HV 抵銷結果在一個末端。 所以,低熱擴散材料對避免熱量作用是重要的,并且所有 Queensgate NPS-XY-100A 從超級英瓦合金被修建。

框架和掛接

框架畸變由於在階段找到的驅動力 NPS-XY-100A 的範圍可以在級別至一些數百 nanometres。 特殊地殼均衡的掛接模式被設計到階段分離所有畸變由於上升暖流和強制更改。 此掛接結構再是彎曲系統, EDM 被剪切成這個框架如圖 4. 所顯示。 此政權不保證常規聯絡聯結和摩擦在這個系統。 彎曲系統是兼容在這個分離的方向和非常僵硬的在其他方向,維護平臺的中間位置,无需減少階段系統的僵硬。 此地殼均衡的掛接結構意味這個階段在所有材料基礎可以被掛接,不用熱量符合的關心。

圖 4. 地殼均衡的掛接。

動力特性和長期穩定性

NPS-XY-100A 階段有 350 Hz 諧振頻率,并且增加這個被裝載的質量的 <15 女士的一個弱信號 2% 結算時間通常有對這個系統的動態性能的大影響,特別是當這個階段是這樣一個袖珍型時。 Queensgate 數字控制器來與軟件工具,以便 PID 參數可以由用戶容易地調整在原處優選性能。 彎曲 a 在表 5 從一個轉存的階段被計量受優化 PID 參數的控制,曲線 b 顯示 100 g 質量如何影響性能被裝載在這個階段上,并且再優化 PID 參數產生期望階躍響應作為曲線 C。

圖 5. 動力特性。

問題的利息是 NPS-XY-100A 的長期穩定性和反覆性。 一個這樣階段被發運了给客戶并且返回了重新校準在一个以後和半年。 檢驗結果在前後在表 1. 被列出。 注意再,這些數據包括激光干涉儀測量系統的噪聲和漂移誤差。

表 1. 長期穩定性檢驗結果 (NPS-XY-100A,序列沒有 50583)。

參數

Spec.

評定在 28/8/97

評定在 2/02/99

X軸

縮放比例演員錯誤 (%)

< 0.1

0.000

0.067

線性錯誤 (%)

< 0.01

0.002

0.007

滯後誤差 (%)

< 0.01

0.003

0.003

Y軸

縮放比例演員錯誤 (%)

< 0.1

0.001

0.035

線性錯誤 (%)

< 0.01

0.002

0.003

滯後誤差 (%)

< 0.01

0.004

0.005

結論

從存在的設計評論和測驗數據的結論以上如下是;

a. NPS-XY-100A 達到子毫微米反覆性、解決方法、準確性和長期穩定性的需求。

b. 像超級英瓦合金的低熱擴散材料對編譯的子毫微米精確度階段結構是重要避免熱擴散的影響。

c. 先進的數字控制允許在原處性能優化并且改進這個系統的動態性能。

d. 地殼均衡的掛接分離從上升暖流和強制作用的不可避免的框架畸變并且維護度量衡學的準確性。

參考

[1] Ying Xu,保羅 D Atherton、托馬斯 R. Hicks 和 Malachy McConnell,毫微米精確度結構 (文件 I), ASPE 1996 年會,蒙特里行動的設計和描述特性。

[2] Ying Xu,保羅 D Atherton、托馬斯 R. Hicks 和 Malachy McConnell,毫微米精確度結構 (文件 II), ASPE 1997 年會,諾福克行動的設計和描述特性。

[3] 托馬斯 R. Hicks,保羅 D Atherton、 Ying Xu 和 Malachy McConnell, NanoPositioning 書, Queensgate Ltd 儀器, 1997年

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

[5] 禮貌厄恩斯特路德維格弗羅林,歐洲分子生物學實驗室,海得爾堡

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

來源: Queensgate 儀器

關於此來源的更多信息请請參觀 Queensgate 儀器

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

Last Update: 15. July 2013 15:50

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