Auslegung und Kennzeichnung von Nm-Präzisions-Vorrichtungen - Lieferanten-Daten durch Queensgate-Instrumente

AZoNano - Nanotechnologie - Queensgate-Instrumente Zeichen

Themen Umfaßt

Zusammenfassung

Einleitung

Konstruktionsprinzipien von Nm-Präzisions-Vorrichtungen (NanoMechanisms)

Vorrichtungen

Kapazitanz Stellungsgeber

Controller

Konzepte Des Entwurfes und Erwägungen

Koordinatensystem

Positionierung von Genauigkeit: Das Konzept von Trueness

Auflösung und Geräusche

Linearitäten und Abbilden

Parasitäre Anträge und Fehler

Dynamische Eigenschaften

Materialien

Einige Beispiele von NanoMechanism-Einheiten

NPS-Z-15A/B

NPS-XY-100A

Schlussfolgerungen

Quittungen

Bezug

Zusammenfassung

Um die Nachfragen der Ultrapräzision zu befriedigen in Position bringend und scannend, sind eine Reihe Feinverstellungsvorrichtungen vor kurzem an Queensgate-Instrumenten entwickelt worden, die piezoelektrischen und NanoSensor-Technologien Queensgates in Multiachsenstellwerke kombiniert die die Fähigkeit haben mit unter--nanometric Genauigkeit in Position zu bringen. In diesem Papier werden die Konstruktionsprinzipien und einige der Technologien, die in der Entwicklung dieser Vorrichtungen eingesetzt werden, eingeführt und behandelt, um zu erklären, wie eine metrologische Fähigkeit am nm oder sogar am Unternm waagerecht ausgerichtet erzielt werden kann. Einige Anfangsergebnisse sind enthalten, in denen mit 0.01% Linearitätsfehler, Unternm Hysterese, sehr niedrigen eckigen parasitären Anträgen und guter dynamischer Resonanz positioniert, Usw. werden demonstriert.

Einleitung

In den letzten Jahren als Ergebnis der schnellen Entwicklungen auf den verschiedenen Gebieten der Feinmechanik, hat es eine große Zunahme des Bedarfs an der Feinverstellung und der Abfrage-Systeme, die zum nm oder manchmal sogar zu Unternm Auflösung und zur Wiederholbarkeit fähig sind gegeben. Diese Tendenz wird zu wachsen erwartet und benötigt neue Konzepte des Entwurfes und Techniken für Erforschung von neueren Einheiten, die Nachfragen von verschiedenen Anwendungen zu befriedigen. Zum Beispiel machen Wafer-Stepper Silizium-Chips mit Linienbreiten unten bis 200 nm; Scannende Fühler-Mikroskope werden verwendet, um festzulegen, wie gut solche Chips gemacht werden; und die Einleitung von HERRN Kopftechnologie lässt die 5-Gigabyte-Platten die Norm werden. Diese Maschinen und die Maschinen, die diese Maschinen herstellen, Mähdrescher brachten optische Auslegung mit hoch entwickelter Antragsteuerungstechnik voran, die Bauteile zu einer Genauigkeit eines nm in Position bringen oder verbessern kann.

Um die Herausforderung dieser Entwicklungen anzunehmen, entwickelt Queensgate-Instrumente eine Ultrapräzision, die Technologie in Position bringt die piezoelektrischen Queensgates kombiniert und NanoSensor-Technologie in Multiachsenstellwerke mit der Fähigkeit mit unter--nanometeric Genauigkeit in Position zu bringen. Diese Anlage wird aus einer Reihe Stufen verfasst, genannt NanoMechanisms, einschließlich einzelne Schwerpunktsstufen, x-ystufen und Kippenstufen Usw. Die Kombinationen dieser Stufen können drei, vier, fünf oder sechs Freiheitsgrad zur Verfügung stellen Geräte in Position bringend.

Konstruktionsprinzipien von Nm-Präzisions-Vorrichtungen (NanoMechanisms)

Vorrichtungen

Piezoelektrische Einheiten haben das Potenzial, Stufen mit der Auflösung und der Steifheit zu verschieben, die für nmfeinverstellung benötigt werden. Jedoch weil piezoelektrische Einheiten nichtlinear sind und Hysterese aufweisen, wird ein externer Fühler gefordert, um ihre Stellung zu steuern. Der Kapazitanzmikrometer wird ideal zu dieser Aufgabe entsprochen und ist klein und mit einer tatsächlichen Auflösungsfähigkeit einfach, die effektiv unbegrenzt ist. Um einen reinen einzelnen Schwerpunktsantrag zu erzielen, wird eine leitende Vorrichtung der Biegung verwendet, die Beschränkungen zu irgendwie weg von den Schwerpunktsanträgen einführt und piezo Stellzylinder und Fühler zusammen kombiniert um eine integrale Stufenanlage zu bilden. Die Biegungen werden normalerweise monolithisch in die Stufen unter Verwendung maschinell bearbeitenden EDM geschnitten, das eine sehr hohe Präzision in der Leistung gibt.

Abbildung 1 ist ein typisches Regelungskennblockdiagramm dieser Art der Anlage. Im Diagramm wird der Antrag, der durch den Fühler gemessen wird, zurück zu dem Controller geführt, der die Stufe verschiebt, um den Unterschied zwischen dem ermittlten Antrag und dem Befehl herabzusetzen. In diesem Fall wird die Positionierungspräzision im Metrologieregelkreis hauptsächlich durch die Fähigkeiten des Fühlers und des Controllers bestimmt.

AZoNano - Nanotechnologie - Santendiagramm eines einzelnen Schwerpunktskontrollsystems von NanoMechanism.

Abbildung 1. Santendiagramm eines einzelnen Schwerpunktskontrollsystems von NanoMechanism.

Kapazitanz Stellungsgeber

Das NanoSensor ist ein in hohem Grade linearer Kapazitanzfühler mit Linearitätsfehlern von < 0.02% über seinem festgelegten Arbeitsbereich (normalerweise zwischen 100 ~ 500 µm). Das Bedienen über Fehlern einer verringerten Reichweitenlinearität von unter 0,01% sind möglich. Das NanoSensor hat einen Positionsgeräuschpegel im Normalbetrieb von < 0,005 nm. Hz (EFFEKTIVWERT) und kann von den sehr stabilen Materialien wie SuperInvar oder Zerodur fabriziert werden. Es ist berührungsfrei und von der Hysterese frei. Es hat auch die Vorteile des Seins sehr kompakt, einfach, billig und ohne Verlustleistung im Augenblick des Maßes. So ist es zum genauen Maß von extrem kleinen Distanzadressen gut angepasst.

Controller

Wenn Sie eine Anlage mit 0,1 nm-Auflösung und µm 100 konstruieren, erstrecken Sie sich die Fähigkeit zuzugreifen, dass Reichweite digital unter Rechnersteuerung normalerweise extrem schwierig, da es Dynamikwerte 1-teiligen in Million ist, oder 20 Bits ist. Um dieses Problem Queensgate anzusprechen haben ein Digitaler Signalprozessor basiertes (DSP) Kontrollsystem entwickelt, das eine tatsächliche Auflösung von mehr als 21 Bits hat, und sind digital adressierbar. Es sollte beachtet werden, dass dieses weit die Auflösung der meisten A-/D und D-/Aumformer überschreitet, die momentan erhältlich sind und unterhalb der Geräuschpegel in den meisten Anwendungen ist. Hoch entwickelte digitale PID-Steueralgorithmen sind in der Anlage verwendet worden. Ein Santendiagramm des Controllers der Endlosschleife wird in Abbildung 2. gezeigt. Die Systemantwort kann durch das Vorstellen der proportionalen und differenzialen Ausdrücke verbessert werden. Geschwindigkeitsfeedback (differenzialer Ausdruck) kann im Abklingen von den mechanischen Resonanzen groß helfen und Erholungszeiten verringern. Die Arbeitsbandweite kann durch Computer gesteuert werden und Regelkreisparameter werden vom Benutzer für Leistungsoptimierung definiert.

AZoNano - Nanotechnologie - Santendiagramm von PID-Regelung.

Abbildung 2. Santendiagramm von PID-Regelung.

Unter Verwendung solch eines Controllers ist es möglich, die Nichtlinearität zu messen und sie auszugleichen. Außerdem, sobald parasitäre Drehbewegungen in solchen Vorrichtungen gekennzeichnet worden sind, ist es möglich, sie in einer komplexen Multiachsenanlage auszugleichen. Die Linearitätsfehler können völlig kompensiert werden < 0.02%. Unter dem werden die Maße normalerweise durch die tatsächlichen Linearitäten der Kalibrierungsanlagen begrenzt.

Der Gebrauch von dieser Kompensationstechnik ist sehr wichtig, eine metrologische Fähigkeit auf dem nmniveau zu erzielen. Es liegt auf der Hand, dass innerhalb des Regelkreises der Fühler nicht absolut linear ist, also können die Anlagenlinearitäten durch Software-Ausgleich weiter verbessert werden. Ideal sollte die Vorrichtung reine orthogonale Anträge aufweisen - d.h. muss eine x-yeinheit Freiheitsgrade entlang den x- und o-Äxten nur haben. In Wirklichkeit existieren die unbeaufsichtigten (parasitären) Anträge, die aus der Verzerrung wegen der internen Kräfte und der Herstellungsbeschränkungen sich ergeben. Die Fehler von diesen parasitären Anträgen sind herabgesetzt worden, indem man die mechanische Auslegung optimierte und können durch die Ausgleichstechnik weiter verringert werden. Beachten Sie, dass die parasitären Fehler nur kompensiert werden können, wenn sie vorhersagbar sind, d.h. müssen die parasitären Anträge nicht nur messbar sein aber auch wiederholbar.

Konzepte Des Entwurfes und Erwägungen

Koordinatensystem

Zuerst ist es notwendig, zu definieren koordiniert verwendet, um Stellungen zu beschreiben. Die offensichtliche für die Positionierung zu verwenden Anlage, von Stufen ist Koordinieren Anlage ein orthogonales Kartesisches. Mit diesem kann eine Stellung mit seinem X, O, Z definieren koordiniert und eine willkürliche Rotation als Bauteile der Rotation über die X-, O- und Z-Äxte, wie in Abbildung 3. gezeigt. Nützlicher kann man eine Bewegung als Änderung im X, O beschreiben und Z koordiniert. Rotationen werden in Bezug auf die X-, O- und Z-Äxte in einer rechtshändigen Richtung beschrieben. Die Ausdrücke neigen, rollen und Gierung sind häufig benutzt, wenn sie mit den Rotationen sich befasst. Diese Ausdrücke sind nützlich, wenn man die parasitären Rotationen beschreibt, die durch einen linearen Antrag verursacht werden, aber große Sorgfalt muss angewendet werden, während ihnen die Bewegungsrichtung eher als ein definiertes Achssystem angesprochen werden. Für ein Flugzeug im Flug, ist eine Rotation über einen Schwerpunkt, der von Randbogen zu Randbogen gezeichnet wird, Abstand; eine Rotation über einen Schwerpunkt, der hinunter die Länge des Rumpfs gezeichnet wird, ist Rolle und eine Rotation über einen vertikalen Schwerpunkt ist Gierung. In der definierten Kartesischen Anlage, wenn das „Flugzeug“ entlang das positive X-Richtung θ ist Abstand fliegt, ist γ Rolle und φ ist Gierung.

AZoNano - Nanotechnologie - Koordinatensystem.

Abbildung 3. Koordinatensystem.

Positionierung von Genauigkeit: Das Konzept von Trueness

Um eine Stufe zu verschieben, wird ein Stellungsbefehl zum Controller durch einen Computer geschickt. Der Antrag wird durch einen piezo Stellzylinder produziert und geüberwacht durch einen Fühler. Unter Verwendung des Nachlaufsignals verschiebt der Controller die Stufe, um den Unterschied zwischen dem ermittlten Antrag und dem Befehl herabzusetzen. Wie klein der Unterschied sein kann, wird hauptsächlich durch die Steuerungsfähigkeit der Anlage bestimmt und kann wie geübersetzt werden, wie genau die Stufe in Position gebracht werden kann. Es liegt auf der Hand, dass die Positionierungspräzision hauptsächlich beeinflußt wird, indem man Auflösung (Geräuschpegel) Reproduzierbarkeit, (Antrieb und Hysterese) und Fehler (höherwertig Fehler des Abbildens) abbilden der Anlage. Außerdem wenn der Stufenantrag mit einem externen Messgerät gemessen wird, das angenommen wird, um eine perfekte Anlage zu sein, es einen Unterschied zwischen der befohlenen Stellung und gewünschter Stellung geben wird: wie nah sie sind, wird als Positionierung von Trueness definiert. Deshalb sollte die abschließende Positionierungsgenauigkeit durch die Positionierungspräzision und den Positionierungstrueness, wie in Abbildung 4. gezeigt bestimmt werden. Wie mit diese in NanoMechanisn-Auslegung beschäftigt werden, wird in folgenden Kapiteln behandelt.

AZoNano - Nanotechnologie - Maßgenauigkeit.

Abbildung 4. Maß-Genauigkeit.

Auflösung und Geräusche

Die Auflösung des Maßes oder der Positionierung hängt direkt mit dem Geräuschpegel der Anlage zusammen. Ein Spitzen-Spitzengeräuschpegel wird nicht leicht gemessen oder geübersetzt, da mit jeder möglicher Geräuschverteilung Sie eine große Abweichung erhalten können, wenn Sie lang genug warten. Deshalb wird der Effektivwert-Wert normalerweise verwendet, der mit Standardgerät gemessen werden kann. Das GeräuschAmplitudendichtespektrum ist wichtig, wenn man Auflösung betrachtet. Normalerweise Gaußsche Geräusche herrschen vor und in diesem Fall ist der Effektivwert mit der Standardabweichung, Sigma gleichwertig. 68.3% von den genommenen Proben ist innerhalb eines Sigma des Mittelwerts. Das bedeutet, dass es eine 68.3% Möglichkeit des Lösens von zwei Merkmalen gibt, die ein Abstand von Sigma zwei der Geräusche auseinander, wie in Abbildung 5 sind, (oder 99.7% Möglichkeit des Lösens von zwei gezeigt Merkmalen, die sechs Sigma auseinander sind).

AZoNano - Nanotechnologie - Lösen von zwei Stellungen

Abbildung 5., die zwei Stellungen Löst.

Das Schalleistungsspektrum ist eine wichtigste Information. Es kann sich die zugrunde liegenden Quellen von Geräuschen zeigen - wie Hauptleitungen heben Sie auf, die bei 50 oder 60 Hz lokalisiert wird. Abbildung 6 zeigt ein Maß des Schalleistungsspektrums des DSP basierten Controllers NPS3000. Dieses zeigt einen Geräuschpegel von < 10 P.M. Hz. In der Prüfung wird der Controller NPS3000 verwendet, um eine einzelne Schwerpunktsstufe, (das NPS-Z-15B), im Regelmodus mit einer Stufenarbeitsbandweite von 100 Hz zu steuern. Die Störsignale, die grafisch dargestellt werden, sind von der HOCHSPG-Antriebsspannung, die auf den piezo Stellzylinder zugetroffen wird. 50 Hz-Hauptleitungen wählen können oben offenbar gesehen werden obgleich an einem sehr niedrigen aus.

AZoNano - Nanotechnologie - Lärmen Sie Spektrum des Controllers NPS3000

Abbildung 6. Geräuschspektrum des Controllers NPS3000.

Die Geräusche in der NanoMechanism-Anlage werden im Allgemeinen aus Fühlergeräuschen, piezo Antriebsgeräuschen, mechanischen Geräuschen und akustischen Geräuschen verfasst. Fühlergeräusche werden durch den Regelkreis da ein Befehl geübersetzt und werden folglich tatsächliche Distanzadressegeräusche. Das Nachlaufsignal vom Fühler wird verwendet, um eine auf die piezo Stellzylinder zugetroffen zu werden Antriebsspannung zu erzeugen. Piezo Antriebsspannungsgeräusche werden in diesem Prozess und zur Stufe beizutragen eingeführt, die Geräusche in Position bringt. Die Lärmauswirkung dieses kann durch den Fühler entdeckt werden und deshalb mindestens teilweise heraus servoed. Die Fähigkeit der Anlage zum Servo heraus die Antriebsgeräusche hängt von der eingestellten Bandweite ab: desto höher die Bandweite, desto besser servoed der Beitrag heraus. Externe mechanische Input wie Erdvibration und akustische Geräusche veranlassen auch die Stufe sich zu bewegen. Die Effekte dieser Input können herabgesetzt werden, indem man die Steifheit der Stufe erhöht. Sie kann auch heraus servoed, wenn die Anlagenbandweite genug hoch ist. Für das Kontrollsystem NPS3000 kann die Maßbandweite zu 12 kHz und zur Bandweite der Endlosschleife montiert werden 2 kHz, die normalerweise durch die dynamischen Eigenschaften von Stufenvorrichtungen beherrscht wird.

Linearitäten und Abbilden

In einer idealen Welt sollte eine Stufe tadellos linear sein. Die Welt ist aber nicht durchaus fast ideal. In der Praxis können die Linearitäten des Kapazitanzfühlers durch viele Faktoren wie die Stärke des nominalen Abstandes (oder der Umherirrenderkapazitanz) und Nichtparallelismus der Elektrodenoberflächen, des usw. [1] beeinflußt werden. Um zu kennen was der tatsächliche Antrag oder die Stellung der Stufe und Linearitätsausgleich folglich anzuwenden ist, muss die Anlage gegen ein externes Messgerät mit hoher Genauigkeit kalibriert werden. Die Befehlsstellung, xc, das die Stellung darstellt, maß durch den internen Fühler und die tatsächliche Stellung, xp, kann mit einer abbildenden Funktion bis zu einem gewissen Grad in Verbindung gestanden werden, die als x =p f (x) ausgedrückt wurdec. Das einfache Formular der abbildenden Funktion ist eine Potenzreihe

(1)

Ideal a0, a2, a3,4… würde null und Einheit a1 sein; dann ist der FühlerNormierungsfaktor, a1, der lineare Faktor, der das Verhältnis zwischen der tatsächlichen Stufenstellung beschreibt, wie durch einen hypothetisch perfekten genauen Stellungsgeber und die Lagemessung gemessen, die zurück zu dem Computer des Benutzers geführt werden. Der abbildende Trueness wird durch das Set von Fehlern auf den Koeffizienten der Einzelperson „a“ gekennzeichnet. Wenn die abbildende Funktion erste Ordnung (eine Gerade) ist, wird der abbildende Fehler die Normierungsfaktorungewissheit. Der Rückstand zwischen der tatsächlichen Stellung und einer besten Sitzgerade für das Maß gibt Linearitätsfehler (normalerweise definieren uns den Linearitätsfehler als ½ Auswahl, um Rückstand vom linearen befestigten Besten auszuwählen). Als Beispiel ergibt ein Linearitätsfehler von 0.05% in einer 100 µm Reichweiteneinheit eine 50 nm absolute Stellungsungewissheit zwischen der 0 µm Stellung und der 100 µm Stellung, wenn ein linearer Näherungswert gemacht wird, wie in Abbildung 7 (a) gezeigt. Normalerweise für NanoSensors ist die Abweichung von Linearitäten ungefähr Parabolisch und in einigen Anlagen ist diese einfach, elektronisch auszugleichen, ohne das DSP mit einzubeziehen. Das Ergebnis der Kompensation ein, etwas unvollständig, Parabel mit anderen ist normalerweise eine S-Kurve der viel niedrigeren Amplitude, also ist der abbildende Fehler, wie in Abbildung 7 (b) gezeigt viel niedriger. Dieses ist mit der Anwendung des a und1 Ausdrücke2 von Gleichung 1. gleichwertig. Wenn man, die Ausdrücke zu verwenden höherer Ordnung waren, könnte ein sogar besseres Ergebnis erzielt werden. Dieses kann in den mikroprozessorgesteuerten Fühleranlagen oder außen im Computer des Benutzers leicht getan werden. Es ist, dass es, beim gibt Auf HI gehen zu gewinnen wenig, bestellen als viertens, sieht Abbildung 7 (c) gefunden worden.

AZoNano - Nanotechnologie - Abbilden des Fehlers und der Linearitäten

(a)

AZoNano - Nanotechnologie - Abbilden des Fehlers und der Linearitäten

(b)

AZoNano - Nanotechnologie - Abbilden des Fehlers und der Linearitäten

(c)

Abbildung 7. Abbildender Fehler und Linearität.

Parasitäre Anträge und Fehler

Parasitäre Anträge in den Stufen können als eckiges irgendein gekennzeichnet werden: Rotation über x-, o- und z-Äxte; oder linear: aus flachem Antrag, Nichtorthogonalitât und Übersprechen heraus; und stellt unerwartete Positionierungsfehler vor. Die parasitären Anträge, die durch Verzerrungen des Stufengehäuses verursacht werden, können durch vorsichtige Auslegungs- und Zellenparameteroptimierung herabgesetzt werden. In den begrenzten Äxten sollte die Steifheit so niedrig konstruiert werden, umso hoch zu sein, wie möglich, und wie möglich im Schwerpunkt des Antrages. Dieses wird im NanoMechanisms erzielt, indem man richtig das Biegungsmuster anordnet und sorgfältig die Biegungsparameter wählt. Jedoch wird die Biegungsauslegung manchmal durch die Anlageneigenfrequenz begrenzt, die, wegen der Modenkopplung, die Steifheit in allen Richtungen benötigt, hoch zu sein. Finit-Element-Methode FEA kann verwendet werden, um die lokalen dass und globalen Verzerrungen vorauszusagen und folglich die Zelle richtig optimiert werden kann, um die Kräfte zu entkoppeln, oder, die unvermeidlichen Verzerrungen zu machen sich beenden Sie. Wenn diese parasitären Anträge dann vorhersagbar sind, können sie kompensiert werden. Beachten Sie, dass diese Anträge eine Funktion der Stufenstellung sind, aber seien Sie nicht notwendigerweise linear und zu komplexe Topographie führen. Jede Mögliche Hysterese im Antrag macht die Vorhersage sehr hart-, wenn nicht unmöglich. Aus diesem Grund müssen die Kraftänderungen in der Anlage in hohem Grade linear und wiederholbar sein. Reibung ist immer eine Quelle der Hysterese, wegen der ändernden Richtung der Kraft.

Wenn Probenmaterialien ein zu einem NanoMechanism montiert werden, müssen Abbefehlern sorgfältig als gelten wegen der parasitären Drehbewegungen. Kleine eckige Fehler können einen großen Affekt auf dem nmniveau haben: zum Beispiel gibt eine Neigung von gerade 1 µrad mit einem Ausgleich von 1 mm einen 1 nm-Stellungsfehler. Um diesen Effekt zu verringern, sollten Probenmaterialien so nah in Position gebracht werden wie möglich zu den messenden Äxten der Fühler. Zum Beispiel in einer x-y-z Dreiachsennanomechanism-Anlage befindet sich das Objekttisch am Punkt, der mit den messenden Äxten des Fühlers zusammentreffend ist, wie in Abbildung 8. gezeigt. Die Effekte von Rotationsfehlern der x-ystufe können folglich herabgesetzt werden.

AZoNano - Nanotechnologie - 3D NanoMechanism.

Abbildung 8. 3D Nanomechanism.

Die linearen parasitären Anträge wie Nichtorthogonalitât oder Übersprechen werden hauptsächlich durch Fertigungstoleranzen und die Verzerrungen des Stufenfeldes beeinflußt, wenn das Feld als Fühler' Daten verwendet wird. Die Äxte von zwei Paaren Fühlern in der x-ystufe müssen zu den beweglichen Äxten der Plattform sehr orthogonal und zusammentreffend miteinander sein. Unter Verwendung der modernen Fertigungstechnik kann die Abweichung von Orthogonalitât der Fühleräxte innerhalb 0,5 Millirutherford im Allgemeinen esteuert sein, das einen Orthogonalitâtfehler von 0,5 nm/µm (0.05% d.h.) im x-yflugzeug gibt.

Durch kinematische Befestigung wird der Stellungsbezug nachweisbar und die Verzerrungen von der thermischen Reihenentwicklung und von treibender Kraft können entkoppelt werden. Dieses ist wichtig, damit die Stufe metrologische Fähigkeit auf dem nmniveau hat. Sogar für eine SuperInvarstufe der Größe von 100 x 100 mm, verursacht eino 1C Temperaturwechsel 30 nm-Änderung in der Abmessung ( = /Co). Das Stufenfeldverbiegen verursacht durch die treibende Kraft ist gewöhnlich im Bereich von den zehn zu den Hunderten von nm [2]. Ohne kinematische Befestigung würde eine Stellungsungewissheit möglicherweise ungefähr jener gleichen Größen in die Anlage eingeführt.

Dynamische Eigenschaften

Neben der Metrologie und der Genauigkeit des Antrages, ist die dynamische Leistung der Anlage auch wichtig, weil die Stabilität und die Drehzahl zu vielen Anwendungen kritisch sind. Ideal würde es keine Phasenverzögerung zwischen Befehl und Stellung geben, und die Vorrichtung würde tadellos auf einen Schrittinput - keine Anstiegzeit, über Trieb oder Bankzeit reagieren.

Für eine lineare, zweitrangige, Dämpfung-freie mechanische Anlage wird die Eigenfrequenz durch Anlagensteifheit und Mass. bestimmt. In einer optimal konstruierten Vorrichtung wird die Steifheit normalerweise durch die Steifheit von piezo Stapeln in seinem Übersetzungsschwerpunkt beherrscht. Für eine Stufe mit Antragverstärkung, wird die effektive Steifheit des piezo Stellzylinders als K =e k/G verringertp2, wo Kp die Steifheit von piezo ist und G die Verstärkung ist. Die Verringerung der Masse kann die Anlageneigenfrequenz erhöhen. Jedoch während die Masse der Plattform sich verringert, wird die Stufenleistung für den Einfluss der Belastungsmasse empfindlicher, d.h. fällt die Eigenfrequenz unten schnell ab, wie die Masse des Probenmaterials erhöht. Dynamische Eigenschaften der Anlage können durch andere Anflüge wie Vorstellen eines richtigen Dämpfungsmaterials oder Anwendung von hoch entwickelten Servosteuerungstechniken auch verbessert werden. In der Instrumentierung verwenden die Auslegungsbedingungen häufig das Kriterium der Erholungszeit, definiert wie die Zeit, die damit die Anlage innerhalb eines bestimmten Prozentsatzes des Input benötigt wird, vereinbart. Für NanoMechanisms wie andere Instrumente, ist Erholungszeit eine direktere Beschreibung der dynamischen Leistung als Eigenfrequenz. Für ein piezo getriebenes NanoMechanism besteht die Erholungszeit der Nachlaufenzeit und aus der Zeit, die damit die Resonanzoszillationen genommen werden, verfallen. Das ehemalige wird durch die Anstiegsgeschwindigkeit beherrscht, die durch die Kapazitanz der piezo Stapel und die aktuellen Treibereigenschaften der Antriebselektronik bestimmt wird. Für Anlagen der zweiten Ordnung legt die Anforderung gewöhnlich eine maximale Verzögerung fest, bevor die Ausgabe innerhalb 2% seines Endwerts nach einer Schrittinputänderung erreicht, die eine Dauer von ungefähr vier Zeitkonstanten (4τ=4/ξω) nimmt,n wo τ Zeitkonstante, ξ Dämpfungsfaktor und ω Eigenfrequenz [n3] ist. Von diesem kann es gesehen werden, dass die Systemantwort durch das Erhöhen der Eigenfrequenz und des Dämpfungsfaktors verbessert werden kann. Normalerweise sind Biegungsscharnierstufen mit sehr niedrigen Dämpfungsfaktoren in hohem Grade Resonanz. Deshalb ist die Extradämpfung sehr hilfreich und kann die Ausschwingzeit effektiv verringern, aber nur wenn es ohne Reibung eingeführt werden kann, da dieses kann Hysterese verursachen. Wenn dieses innerhalb des Steueralgorithmus getan wird, dann wird keine Reibung eingeführt.

Materialien

Thermische Eigenschaften von Baumaterialien sind häufig die größte Sorge für Auslegung und Gebrauch der Feinmeßgeräte. Im normalen Gebrauch treffen alle mechanischen Einheiten die Wärmeinput an, die durch Umwelttemperaturwechsel, Verlustleistung in den Stellzylindern, der Operator verursacht werden, der und so weiter handhabt. Die direkte Wirkung der thermischen Störung ist thermische Reihenentwicklung, die Abmessungsänderung von mechanischen Bauteilen verursacht, mit dem Ergebnis des Verlustes der Instrumentgenauigkeit. Die Maßänderung eines Materials wegen einer Änderung in der Temperatur wird durch seinen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) gekennzeichnet, der ungeheuer mit verschiedenen Materialien schwankt. Im Allgemeinen den thermischen Effekt zu verringern, sollten Baumaterialien mit minimalem Koeffizienten der thermischen Reihenentwicklung verwendet werden. Jedoch in einigen Fällen niedrig ist thermisches expansivity nicht so nützlich wie die nahe expansivity Abgleichung zwischen der Einheit und seiner Befestigung. Außerdem sind die Korrekturen, zum mit thermischer Reihenentwicklung fertig zu werden durch Steuermethoden möglich: die Temperatur kann gemessen werden und verwendet werden, um eine Korrektur zur Verfügung zu stellen. Ein Anderes Problem ist thermische Steigungen. Sie verursachen Zellenverzerrung, für die Ausgleich nicht möglich ist. Um die Effekte von thermischen Steigungen zu vermeiden, können die Materialien entweder mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie SuperInvar und Zerodur oder mit hoher Leitfähigkeit, wie Aluminium beschlossen werden, in dem die Anlage thermisches Gleichgewicht schnell erreicht. Um die Effekte der Umgebung zu verringern werden viele Präzisionseinheiten absichtlich konstruiert um klein zu sein.

Auch die mechanischen Eigenschaften von Materialien müssen sorgfältig betrachtet werden. Zum Beispiel das Verhältnis der Stärke und des Elastizitätsmoduls, /E, Grenzen die maximale Reichweite, die durch Biegungsvorrichtungen erzielt werden kann. Jedoch ist möglicherweise niedriges Elastizitätsmodul nicht in der Lage, eine genügende Steifheit für das NanoMechanism oder sein Feld zur Verfügung zu stellen, das manchmal als die metrologischen Daten verwendet wird. Weiter hat lokale Kontaktsteifheit zwischen der Vorrichtung und seinen Stellzylindern eine direkte Wirkung auf die Eigenfrequenz einer mechanischen Anlage - die Eigenfrequenz kann wegen der unzureichenden Kontaktsteifheit unten abfallen. Auch die Masse des Materials kann einen großen Unterschied zu den dynamischen Eigenschaften von NanoMechanisms unterscheiden. Zum Beispiel ist das Dichteverhältnis von SuperInvar- und Aluminiumlegierungen ungefähr 3, also kann die Eigenfrequenz einer Aluminiumanlage Zeiten √3 höher sein als die einer SuperInvaranlage, wenn die Steifheit der Anlagen die selbe sind.

Einige Beispiele von NanoMechanism-Einheiten

NPS-Z-15A/B

Dieses ist eine Einzelschwerpunkt Stufe linearen Antrages, die konstruiert wird, um einen reinen Antrag entlang dem z-Schwerpunkt zu produzieren. Die Stufe hat eine Reichweite der Endlosschleife µm 15 und eine typische Linearität von < 0.06% (ohne Ausgleich) mit Unternm Auflösung. Nach Ausgleich fällt die Nichtlinearität gewöhnlich unten auf < 0.02% ab. Eine kompakte Biegungsvorrichtung wird in die Stufe konstruiert, um das parasitäre weg von den Schwerpunkts- und Spitzeneigungsanträgen von den piezo Stapeln zu entkoppeln. Die Kippenfehler werden gemessen, um kleiner als 1 µrad über ganzer Reichweite zu sein, (ohne Biegungsvorrichtung sind die Kippenfehler normalerweise über µrad 15). Niedrige Hysterese ist ein anderes wichtiges Merkmal, damit die Stufe metrologische Fähigkeit des nm erzielt. Abbildung 9 ist ein typisches Maßergebnis der statischen Leistung von der Stufe NPS-Z-15B, die einen Linearitätsfehler von 0,01% und eine Unternm Hysterese zeigt. Die Meisten Bedingungen wurden unter Verwendung eines Interferometers 1000 Zygo ZMI kalibriert. Jedoch wird das Maß von Unternm Hysterese unter Verwendung des Interferometers schwierig - also für jene Maße wurde ein Queensgate NanoSensor verwendet. Die Eigenfrequenz der Stufe ist 2 kHz, die eine gute dynamische Resonanz für die meisten Anwendungen gibt, wenn sie mit Controller NPS3000 verwendet wird. Eine Sprungantwort wird in Abbildung 10. gezeigt.

AZoNano - Nanotechnologie - Linearitäten und Hysterese von NPS-Z-15B.

Abbildung 9. Linearität und Hysterese von NPS-Z-15B.

AZoNano - Nanotechnologie - Sprungantwort von NPS-Z-15B

Abbildung 10. Sprungantwort von NPS-Z-15B.

NPS-XY-100A

Dieses ist eine mit zwei Achsen Stufe des linearen Antrages mit einer 40-mm-Durchmesser Öffnung in der Mitte (bequem für NSOM-Anwendungen). Es hat Dynamikwerte µm 100 100 mit Unternm Auflösung. Durch vorsichtige Auslegungs- und Präzisionsfertigung sind die Rotationsfehler über z-Schwerpunkt (zδγ, zδθ) gesteuertes weniger µrad als 10 und andere Rotationsfehler sind unbedeutend klein über der ganzen Reichweite. Die Hysterese wurde wie weniger als 0.01% der Reichweite gemessen. Abbildung 11 stellt ein typisches Maßergebnis der statischen Leistung von der Stufe NPS-XY-100A dar. Integrale kinematische Befestigungsvorrichtung hilft, die Spannungen zu entlasten, die durch interne Antriebskräfte und thermische die Reihenentwicklung verursacht werden und verbessert die Stabilität der Anlage. Die kinematische Befestigungsvorrichtung garantiert, dass die Anlagendaten in der Mitte der Stufenplattform sind, auf der das Probenmaterial oder der Fühler normalerweise sitzt, damit der thermische Effekt effektiv entkoppelt werden kann. Die Stufe wird vom SuperInvar gemacht und eine Eigenfrequenz über 300 Hz hat. Indem man die Extrakosten vorstellt, die in die Anlage Dämpfung sind, kann eine Bankzeit mit 10 Frauen für kleine Sprungantwort, wie in Abbildung 12 gezeigt erzielt werden. Die Kombination von NPS-XY-100 und von NPS-Z-15 bildet ein in Position bringendes 3D und Abfrage-System, wie in Abbildung 8 gezeigt, die für metrologische SPM-Anwendungen ideal ist.

AZoNano - Nanotechnologie - Linearitäten und Hysterese von NPS-XY-100A.

Abbildung 11. Linearität und Hysterese von NPS-XY-100A.

AZoNano - Nanotechnologie - Sprungantwort von NPS-XY-100A

Abbildung 12. Sprungantwort von NPS-XY-100A.

Schlussfolgerungen

Einige der Technologien, die Queensgates in den nm-Präzisionsvorrichtungen eingesetzt werden, sind eingeführt worden und behandelt worden, um zu erklären, wie eine metrologische Fähigkeit am nm oder sogar an Unternm waagerecht ausgerichtet mit dem NanoMechanisms erzielt werden kann. Einige metrologische Konzepte sind auf die Art erklärt worden, die sie verwendet werden, um Ultrapräzision Einstelltechniken zu beschreiben. Die Auslegungserwägungen sind mit Bezug auf die Probleme der Auflösung behandelt worden und lärmen, Linearitäten und Hysterese, Verzerrung der thermischen Reihenentwicklung und der Kraft und parasitäre Anträge wie Nichtorthogonalitât (Übersprechen), Rotationsfehler und Abbefehler Usw., die Positionierungsfehler und Ungewissheit zur Anlage vorstellen. Einige Anflüge für die Vermeidung oder die Minderung dieser Fehler wurden erwähnt. Dieses bezieht beides optimierte Auslegung und hoch entwickelte Ausgleichstechniken mit ein. Mehr ausführliche Information ist von Queensgate [3] erhältlich. Eine Reihe von NanoMechanisms, reichend vom einzelnen Schwerpunkt bis zu multi Schwerpunktsstufen, sind konstruiert worden und aufgebaut worden. Die Kombination dieser Stufen kann Anträge von bis sechs Freiheitsgraden mit nmpräzision versehen. Anfangsprüfung hat viel versprechende Ergebnisse, wie lärmarme Stufe, Unternm Hysterese, sehr kleine parasitäre Anträge, hohe Linearitäten und gute Sprungantwort gezeigt. Eine umfassende Einschätzung von metrologischen Eigenschaften ist ein schwieriges und ein Langzeitprojekt, besonders für multi Achssysteme und bezieht hoch entwickeltere metrologische Techniken und hoch entwickelte Instrumente mit ein. Weitere Ergebnisse werden in naher Zukunft gemeldet.

Quittungen

Die Autoren möchten Dank Graham Jones, Jeremy Russell und Philip Rhead für ihre Hilfe bei dem Konstruieren, dem Aufbauen und der dieser Prüfung ausdrücken NanoMechanisms.

Bezug

1.      Das Nanopositioning Book, Queensgate Instruments Ltd, 1997

2. P.D. Atherton, Y. Xu und M. McConnell, „Neue x-ystufe für die Positionierung und das Scannen“, Verfahren Jahresversammlung SPIES Im August 1996 Denver, USA

3. S.T. Smith und D.G. Chetwynd, Basen der Ultraprecisions-Vorrichtungs-Auslegung, Gordon und Bruch-Wissenschaft Publishers, 1992

Hauptautor: Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks und Malachy McConnel.

Quelle: Queensgate-Instrumente.

Zu mehr Information über diese Quelle besuchen Sie bitte Queensgate-Instrumente.

Date Added: Dec 9, 2005 | Updated: Jul 15, 2013

Last Update: 15. July 2013 16:03

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit