Um den Anforderungen der ultra-präzise Positionierung und Scannen, haben eine Reihe von präzise Positionierung Mechanismen vor kurzem an entwickelte Queensgate Instruments , das verbindet Queensgate der piezoelektrischen und Nanosensor Technologien in Multi-Achs-Positionierer, die die Fähigkeit zur Position mit Sub-Nanometer-Genauigkeit haben. In dieser Arbeit werden die Design-Philosophie und einige der Technologien in der Entwicklung dieser Mechanismen verwendet werden vorgestellt und diskutiert, um zu erklären, wie eine messtechnische Leistungsfähigkeit im Nanometer-oder sogar Sub-Nanometer-Ebene erreicht werden kann. Einige erste Ergebnisse enthalten sind, in welchen Stufen mit 0,01% Linearitätsfehler, Sub-Nanometer-Hysterese, sehr niedrigen Winkel parasitäre Bewegungen und hoher Dynamik, etc. gezeigt werden. Einführung In den letzten Jahren als Folge der rasanten Entwicklungen in verschiedenen Bereichen der Feinwerktechnik, hat es einen großen Anstieg der Notwendigkeit für eine präzise Positionierung und Scanning-Systeme in der Lage Nanometer oder manchmal sogar Sub-Nanometer-Auflösung und Wiederholbarkeit worden. Dieser Trend wird sich voraussichtlich wachsen, erfordern neue Konzepte und Techniken für die Exploration von mehr neuartige Geräte an die Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden. Zum Beispiel sind Wafersteppern machen Silizium-Chips mit Linienbreiten bis zu 200 nm; Rastersondenmikroskopen werden verwendet, um festzustellen, wie gut solche Chips hergestellt werden, und die Einführung der MR-Kopf-Technologie ermöglicht es 5 Gigabyte-Festplatten zur Regel werden. Diese Maschinen und die Maschinen, die diese Maschinen zu machen, verbindet fortschrittliche optische Design mit fortschrittlicher Motion-Control-Technologie, die Komponenten mit einer Genauigkeit von einem Nanometer oder besser positionieren können. Um der Herausforderung dieser Entwicklungen Queensgate Instruments entwickelt ein ultra-präziser Ortung, die kombiniert Queensgate der piezoelektrischen und Nanosensor Technologie in Multi-Achs-Positionierer mit der Fähigkeit, mit Sub-nanometeric Genauigkeit zu positionieren. Dieses System besteht aus einer Reihe von Stufen, genannt komponiert NanoMechanisms , darunter Einzel-Achse Stufen, Stufen xy und Kippen Stadien etc. Die Kombination dieser Phasen drei, vier, fünf oder sechs Freiheitsgrade Positioniereinheiten Verfügung stellen können. Design-Philosophie von Nanometer-Präzision Mechanismen (NanoMechanisms) Mechanismen Piezo-elektrische Geräte haben das Potenzial, Stufen mit der Auflösung und Steifigkeit für Nanometer-Präzision Positionierung erforderlich zu bewegen. Da jedoch piezo-elektrischen Geräten nicht-linear und Hysterese aufweisen, ist ein externer Sensor benötigt, um ihre Position zu kontrollieren. Die Kapazität Mikrometer ist ideal für diese Aufgabe geeignet, da klein und einfach mit einer intrinsischen Auflösungsvermögen, die effektiv unendlich ist. Um eine reine einachsige Bewegung, ist ein Festkörperführungen Mechanismus zum Einsatz, die implementiert Einschränkungen zu Off Achsbewegungen und verbindet Piezo-Aktor und Sensor zusammen, um einen integralen Stufen-System zu bilden. Die Biegungen sind in der Regel monolithisch in den Stadien mit EDM-Bearbeitung, die eine sehr hohe Präzision in der Leistung gibt geschnitten. Abbildung 1 ist ein typischer Regelkreis Blockschaltbild eines solchen Systems. In dem Diagramm wird die Bewegung durch den Sensor gemessen an den Controller, der die Bühne bewegt zur Minimierung der Differenz zwischen den gemessenen Bewegungen und das Kommando geführt. In diesem Fall wird die Präzision bei der Positionierung in der Metrologie-Schleife vor allem von den Fähigkeiten der Sensor und Controller bestimmt.  Abbildung 1. Blockschaltbild eines einzelnen Achsen-Steuerung von NanoMechanism. Kapazität Position Sensor Die Nanosensor ist eine sehr lineare Kapazität Abtasteinrichtung mit Linearitätsfehler von <0,02% über dem angegebenen Reichweite (in der Regel zwischen 100 ~ 500 pm). Operating über eine reduzierte Reichweite Linearitätsfehler von weniger als 0,01% sind möglich. Die Nanosensor hat eine positionelle Geräuschpegel im normalen Betrieb von <0,005 nm.Hz - ½ (RMS) und kann aus sehr stabilen Materialien wie Super Invar oder Zerodur gefertigt werden. Es ist berührungslos und frei von Hysterese. Es hat auch den Vorteil, dass sehr kompakt, einfach, billig und ohne Leistungsverlust an der Messstelle. So ist es auch, um die genaue Messung von sehr kleinen Verschiebungen geeignet. Regler Bei der Gestaltung eines Systems mit 0,1 nm Auflösung und 100 &mgr; m-Bereich die Möglichkeit, diesen Bereich digital computergesteuert Zugang ist in der Regel äußerst schwierig, da es einen Dynamikbereich von 1 Teil in einer Million oder 20 Bits. Um dieses Problem anzugehen Queensgate eine Digital Signal Processor (DSP) basierte Steuerung, die eine intrinsische Auflösung von mehr als 21 Bit hat und adressierbare digital entwickelt. Es wird darauf hingewiesen, dass dies weit über die Auflösung der meisten A / D und D / A-Wandler zur Verfügung gegenwärtig und wird unter dem Geräuschpegel in den meisten Anwendungen werden. Erweiterte digitale PID Regelalgorithmen im System verwendet. Ein Blockschaltbild des Reglers ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Reaktion des Systems kann durch die Einführung des Proportional-und Differential-Ebene verbessert werden. Velocity Rückfragen (Differential Begriff) kann stark in dämpft die mechanische Resonanzen zu helfen, reduzieren Einschwingzeiten. Die Arbeiterklasse kann die Bandbreite von Computer-und Loop-gesteuert werden, die der Anwender zur Performance-Optimierung definiert werden.  Abbildung 2. Blockschaltbild der PID-Regelung. Mit einer solchen Steuerung ist es möglich, die Nicht-Linearität zu messen und zu kompensieren. Außerdem einmal parasitäre Winkelbewegungen in solche Mechanismen wurden charakterisiert ist es möglich, für sie in einem komplexen Multi-Achs-System zu kompensieren. Der Linearitätsfehler kann vollständig auf <0,02% ausgeglichen werden. Below, dass die Messungen werden in der Regel durch die intrinsischen Linearität der Kalibrierung Systeme beschränkt. Die Verwendung dieses kompensieren Technik ist sehr wichtig, eine messtechnische Leistungsfähigkeit im Nanometerbereich zu erreichen. Es ist offensichtlich, dass innerhalb des Regelkreises der Sensor nicht absolut linear, so dass das System Linearität weiteren kann durch Software ersetzt, damit verbessert werden. Idealerweise sollte der Mechanismus aufweisen reine orthogonale Bewegungen - das ist ein xy-Gerät muss nur Freiheitsgraden entlang der x-und y-Achse. In Wirklichkeit gibt es unkontrollierte (parasitäre) Bewegungen aus Verzug durch innere Kräfte und Fertigung Einschränkungen. Die Fehler aus dieser parasitären Bewegungen haben durch die Optimierung der mechanischen Konstruktion minimiert worden und kann durch die Kompensation Technik reduziert werden. Beachten Sie, dass die parasitäre Fehler kann nur entschädigt, wenn sie vorhersehbar sind, dh die parasitäre Bewegungen müssen nicht nur messbar, sondern auch wiederholbar sein. Design-Konzepte und Überlegungen Koordinatensystem Zunächst ist es notwendig, die Koordinaten verwendet, um Positionen zu beschreiben definieren. Die offensichtliche System zur Positionierung Stufen verwenden eine orthogonale kartesische Koordinaten-System. Mit diesem kann man eine Position mit seinem X, Y, Z-Koordinaten und eine beliebige Drehung als Komponenten der Rotation um die X-, Y-und Z-Achse, wie in Abbildung 3 gezeigt wird. Mehr sinnvoll kann man eine Bewegung, als eine Änderung in der X-, Y-und Z-Koordinaten beschreiben. Drehungen sind in Bezug auf die X-, Y-und Z-Achsen in einem rechtshändigen beschriebenen Sinne. Die Begriffe Nick-, Roll-und Gier werden oft verwendet, wenn es um die Rotationen. Diese Begriffe sind wichtig bei der Beschreibung von parasitären Rotationen durch eine lineare Bewegung verursacht, aber große Vorsicht geboten, da sie die Richtung der Bewegung, anstatt eine definierte Achse System bezeichnet werden. Für ein Flugzeug im Flug, ist eine Rotation um eine Achse von Flügelspitze zu Flügelspitze gezogen Tonhöhe, eine Rotation um eine Achse über die gesamte Länge des Rumpfes gezogen wird rollen und eine Drehung um eine vertikale Achse ist Gier. In den definierten kartesischen, wenn die "Ebene" entlang der positiven X-Richtung q Pitch fliegt, ist g rollen und f ist Gier.  Abbildung 3. Koordinatensystem. Positioniergenauigkeit: Das Konzept der Richtigkeit So verschieben Sie eine Bühne, eine Position Befehl an die Steuerung durch einen Computer gesendet. Die Bewegung wird durch einen Piezo-Aktor produziert und überwacht durch einen Sensor. Mit dem Feedback-Signal, bewegt sich der Controller die Bühne zu minimieren die Differenz zwischen den gemessenen Bewegungen und den Befehl. Wie klein der Unterschied ist hauptsächlich durch die Steuerung der Fähigkeit des Netzes bestimmt werden und kann als, wie genau der Bühne positioniert werden kann interpretiert werden. Es ist offensichtlich, dass die Präzision bei der Positionierung vor allem wird durch Beschluss (Schallpegel), Reproduzierbarkeit (Drift und Hysterese) und Mapping-Fehler (hohe Auftragsbestand Fehler Mapping) des Systems beeinträchtigt werden. Außerdem, wenn die Bühne motion mit einem externen Messgerät, das davon ausgegangen, dass ein perfektes System ist, gemessen wird, gibt es einen Unterschied zwischen der Sollposition und der gewünschten Position sein: wie nah sie sind, ist die Positionierung der Richtigkeit definiert. Daher sollte die endgültige Positioniergenauigkeit sowohl von der Präzision bei der Positionierung und der Positionierung Richtigkeit ermittelt werden, wie in Abbildung 4 dargestellt. Wie werden diese mit in ausgeteilt NanoMechanisn Design wird in den folgenden Abschnitten besprochen werden.  Abbildung 4. Messgenauigkeit. Auflösung und Rauschen Die Auflösung der Messung oder Positionierung wird direkt an den Geräuschpegel des Systems zusammen. Ein Gipfel zu Gipfel Geräuschpegel ist nicht leicht zu messen oder zu interpretieren, da mit jedem Geräusch-Distribution eine große Abweichung kann man, wenn man nur lange genug warten. Daher wird die RMS-Wert liegt normalerweise verwendet, die mit Standard-Ausrüstung, gemessen werden. Der Lärm Amplitudenverteilung ist wichtig, wenn man Auflösung. Normalerweise Gaußsches Rauschen dominiert und in diesem Fall die rms entspricht der Standardabweichung Sigma. 68,3% der entnommenen Proben werden innerhalb einer sigma werden der Mittelwert. Das heißt, es ist eine 68,3% Chance zur Lösung von zwei Merkmale, die einen Abstand von zwei sigma des Rauschens voneinander entfernt sind, wie in Abbildung 5 dargestellt, (oder 99,7% Chance zur Lösung von zwei Merkmale, die Six Sigma auseinander).  Abbildung 5. Beheben von zwei Positionen. Der Lärm Leistungsspektrum ist eine sehr wichtige Information. Es kann bis die zugrunde liegende Lärmquellen - wie Netz abholen, das ist bei 50 oder 60 Hz lokalisiert. Abbildung 6 zeigt eine Messung des Lärms Leistungsspektrum der DSP-basierten NPS3000 Controller. Dies zeigt einen Geräuschpegel von <10 pm.Hz - ½. In der Prüfung wird die NPS3000 Controller verwendet werden, um eine einzige Achse Bühne (die NPS-Z-15B) Kontrolle in Closed-Loop-Modus mit einer Bühne arbeiten Bandbreite von 100 Hz. Die Störsignale aufgetragen sind von der HV-Laufwerk Spannung an den Piezo-Aktor. 50 Hz-Netz holen kann deutlich allerdings auf einem sehr niedrigen Niveau zu sehen.  Abbildung 6. Rauschspektrum NPS3000 Controller. Der Lärm in der NanoMechanism System ist in der Regel bestehend aus Sensor Lärm, Piezo-Antrieb, mechanische Lärm und Schall. Sensor Lärm wird durch den Regelkreis als Befehl interpretiert werden und wird so zum eigentlichen Verschiebung Lärm. Das Feedback-Signal aus dem Sensor wird verwendet, um ein Laufwerk Spannung zu erzeugen, um den Piezo-Aktuatoren angewandt werden. Piezo Treiberspannung Lärm wird in diesem Prozess eingeführt werden und dazu beitragen, die Bühne Positionierung Lärm. Die Wirkung dieser Geräusche können durch den Sensor erfasst werden und somit zumindest teilweise servoed aus. Die Fähigkeit des Systems, Servo aus dem Laufwerk Lärm hängt von der Bandbreite festgelegt: Je höher die Bandbreite, desto besser ist der Beitrag servoed aus. Externe mechanische Betriebsmittel wie Boden Vibrations-und Geräuschpegel wird auch dazu führen, die Bühne zu bewegen. Die Auswirkungen dieser Eingänge kann durch Erhöhung der Steifigkeit der Bühne minimiert werden. Es kann auch servoed werden, wenn die Bandbreite des Systems ausreichend hoch ist. Für die Steuerung NPS3000 der Messung kann die Bandbreite bis zu 12 kHz und Closed-Loop-Bandbreite 2 kHz, die normalerweise durch die dynamischen Eigenschaften der Bühne Mechanismen dominiert wird eingestellt werden. Linearität und Mapping In einer idealen Welt sollte eine Bühne völlig linear. Die Welt ist fast ideal, aber nicht ganz. In der Praxis der Linearität der Kapazitäts-Sensor kann durch viele Faktoren wie die Dicke der nominalen Lücke (oder Streukapazität) und Nicht-Parallelität der Elektrodenoberflächen beeinträchtigt werden, etc [1]. Um zu wissen, was die tatsächliche Bewegung oder Position der Bühne ist und damit die Linearität Entschädigung zu beantragen, muss das System gegen ein externes Messgerät mit hoher Genauigkeit kalibriert werden. Der Befehl Position x c, die die Position des internen Sensors und der tatsächlichen Position, x p gemessen darstellt, kann bis zu einem gewissen Grad mit einer Mapping-Funktion, ausgedrückt als zusammenhängen x p = f (x c). Die einfache Form des Mapping-Funktion ist eine Potenzreihe  (1) Idealerweise a 0, a 2, a 3, a 4 ... wäre null und a1 Einheit zu sein, dann den Sensor Skalierungsfaktor, a1, ist den linearen Faktor beschreibt das Verhältnis zwischen dem tatsächlichen Bühne Position als einer hypothetisch perfekten genaue Position gemessen Sensor und die Positionsmessung zurück zu dem Computer des Benutzers zugeführt. Die Zuordnung Richtigkeit wird durch die Menge der Fehler auf die einzelnen 'a' Koeffizienten gekennzeichnet ist. Wenn der Mapping-Funktion erster Ordnung (einer geraden Linie) ist, wird das Mapping Fehler der Skalierungsfaktor Unsicherheit. Die verbleibende zwischen der tatsächlichen Position und eine Ausgleichsgerade für die Messung gibt Linearitätsfehler (in der Regel definieren wir die Linearitätsfehler als ½ holen zu holen von der linearen beste Passform Rest-). Als Beispiel, ein Linearitätsfehler von 0,05% in einem 100 um-Bereich Gerät ergibt sich eine 50 nm absolute Position Unsicherheit zwischen dem 0 um Position und die 100 pm Position, wenn eine lineare Näherung gemacht wird, wie in Abbildung 7 (a) gezeigt. Normalerweise für Nanosensoren die Abweichung von der Linearität ist in etwa parabolischen und in einigen Systemen ist dies leicht zu elektronisch ohne Beteiligung des DSP zu kompensieren. Das Ergebnis der Kompensation ein, etwas unvollkommen, Parabel mit einem anderen in der Regel eine S-Kurve viel niedriger Amplitude, so dass die Zuordnung Fehler ist viel niedriger, wie in Abbildung 7 (b) gezeigt. Dies ist gleichbedeutend mit der Verwendung der A 1 und A 2 Semester der Gleichung 1. Wenn man die Terme höherer Ordnung verwendet wurden, konnte ein noch besseres Ergebnis erzielt werden. Dies kann leicht in Mikroprozessor-basierten Sensor-Systemen oder von außen in den Computer des Benutzers ausgeführt werden. Es hat sich herausgestellt, dass es wenig zu gehen höher als vierter Ordnung zu gewinnen, siehe Abbildung 7 (c).  (A)  (B)  (C) Abbildung 7. Mapping Fehler und Linearität. Parasitäre Anträge und Fehler Parasitäre Bewegungen in Stufen können entweder als Winkel identifiziert werden: Drehung um x, y und z-Achse, oder linear: out of plane Bewegung, Nichtorthogonalität und Übersprechen, und unerwartete Positionierung Fehlern führen. Der parasitäre Bewegungen durch Verzerrungen der Bühne Körper verursacht werden, können durch eine sorgfältige Gestaltung und Struktur Parameteroptimierung minimiert werden. In der eingeschränkten Achsen der Steifigkeit sollten so ausgelegt sein so hoch wie möglich und so niedrig wie möglich in der Achse der Bewegung sein. Dies ist in der erreichten NanoMechanisms durch ordnungsgemäß Anordnung der Biege-Muster und die Auswahl der Biegung Parameter sorgfältig. Allerdings ist die Biegung Design manchmal durch das System Resonanzfrequenz, die aufgrund der Modenkopplung, erfordert die Steifigkeit in allen Richtungen zu hoch sein, beschränkt. Finite-Elemente-Analyse FEA können verwendet werden, um lokale und globale Verzerrungen vorherzusagen und damit die Struktur richtig optimiert werden, um die Kräfte zu entkoppeln oder machen die unvermeidlichen Verzerrungen gegenseitig aufheben. Wenn diese parasitären Bewegungen vorhersehbar sind dann ausgeglichen werden können. Beachten Sie, dass diese Bewegungen in Abhängigkeit von der Bühne Position sind, aber nicht unbedingt linear, was zu komplexen Topographie. Jede Hysterese in Bewegung macht die Vorhersage sehr schwierig - wenn nicht gar unmöglich. Aus diesem Grund muss die Kraft Veränderungen im System als sehr linear und reproduzierbar. Die Reibung ist immer eine Quelle der Hysterese, aufgrund der sich ändernden Richtung der Kraft. Wenn Proben an einem montiert sind NanoMechanism haben Abbe Fehler sorgfältig aufgrund der parasitären Winkelbewegungen in Betracht gezogen werden. Kleine Winkelfehler kann eine große Auswirkungen im Nanometerbereich haben: zum Beispiel eine Neigung von nur 1 mrad mit einem Versatz von 1 mm ergibt eine 1 nm Positionsfehler. Um diesen Effekt zu verringern, sollten die Proben so nah wie möglich an den Messachsen der Sensoren positioniert werden. Zum Beispiel in einem xyz drei Achsen NanoMechanism System der Probenhalter wird an der Stelle, die Co-Vorfall ist der Sensor Messachsen liegt, wie in Abbildung 8 dargestellt. Die Auswirkungen der Rotation Fehler der xy können so minimiert werden.  Abbildung 8. 3D Nanomechanism. Die lineare parasitäre Bewegungen wie Nichtorthogonalität oder Übersprechen sind vor allem durch Fertigungstoleranzen und die Verzerrungen der Bühne Rahmen betroffen, wenn der Rahmen als Sensoren datum verwendet wird. Die Achsen der beiden Paare von Sensoren in der xy-Bühne haben sich als sehr orthogonal zueinander und Co-Vorfall an den beweglichen Achsen der Plattform. Durch den Einsatz moderner Fertigungstechnologie die Abweichung von der Orthogonalität des Sensors Achsen kann in der Regel innerhalb von 0,5 mrd die eine Orthogonalität Fehler von 0,5 nm / um (dh 0,05%) in der xy-Ebene gibt gesteuert werden. Durch kinematische Montage wird die Position Referenz nachvollziehbar und die Verzerrungen von Wärmeausdehnung und treibende Kraft abgekoppelt werden kann. Dies ist für die Bühne wichtig, messtechnische Leistungsfähigkeit im Nanometerbereich haben. Selbst für einen Super-Invar Stadium der Größe von 100 x 100 mm, wird eine 1 o C Temperaturänderung verursachen 30 nm Änderung Dimension (  =  / O C). Die Bühne Rahmen Biegung verursacht durch die treibende Kraft ist in der Regel im Bereich von zehn bis einigen hundert nm [2]. Ohne kinematische Montage einer Position Unsicherheit von etwa dieselben Größenordnungen könnten in das System eingebracht werden. Dynamische Eigenschaften Abgesehen von der Messtechnik und die Genauigkeit der Bewegung wird das dynamische Verhalten des Systems auch wichtig, weil die Stabilität und Geschwindigkeit entscheidend für viele Anwendungen. Im Idealfall gäbe es keine Phasenverschiebung zwischen Befehl und Position, und der Mechanismus würde perfekt zu reagieren, einen Schritt-Eingang - kein Anstieg der Zeit, über zu schießen, oder sich Zeit. Für eine lineare, zweiter Ordnung, Dämpfung-free mechanisches System, ist die Resonanzfrequenz durch das System Steifigkeit und Masse bestimmt. In einem optimal gestalteten Mechanismus ist die Steifigkeit in der Regel durch die Steifigkeit des Piezo-Stapel in seiner Übersetzung Achse dominiert. Für eine Bühne mit Motion-Verstärkung wird die effektive Steifigkeit des Piezo-Aktor als reduziert werden k e = k p / G 2, wobei k p ist die Steifigkeit des Piezo-und G ist die Verstärkung. Die Reduzierung der Masse erhöhen kann das System Resonanzfrequenz. Da jedoch die Masse der Plattform verringert die Bühnenshow wird empfindlicher auf den Einfluss der Last Masse, dh die Resonanzfrequenz wird Dropdown schnell wie die Masse der Probe erhöht. Dynamische Eigenschaften des Systems kann auch durch andere Ansätze wie die Einführung einer richtigen Dämmstoff oder mit Hilfe modernster Servo-Techniken verbessert werden. In Instrumentierung, die Design-Spezifikationen verwenden oft das Kriterium der Einschwingzeit, als die Zeit, bis das System in einem bestimmten Prozentsatz des Eingangs regeln erforderlich definiert. Für NanoMechanisms , wie auch andere Instrumente, Einschwingzeit ist eine direkte Beschreibung des dynamischen Verhaltens als Resonanzfrequenz. Für eine piezogetriebene NanoMechanism besteht die Einschwingzeit der Schwenk-Zeit und die Zeit für die Resonanzschwingungen zu verfallen genommen. Ersteres wird durch die Anstiegsgeschwindigkeit, die durch die Kapazität des Piezo-Stacks und das aktuelle Laufwerk Fähigkeit der Antriebselektronik ermittelt dominiert wird. Für Systeme zweiter Ordnung die Anforderung in der Regel gibt die maximale Verzögerung, bevor der Ausgang erreicht innerhalb von 2% des endgültigen Werts nach einem Sprung der Eingangsgröße Veränderung, die eine Dauer von etwa vier Zeitkonstanten (4 τ = 4 / ξω n) erfolgt, wo τ ist an der Zeit konstant, ξ Dämpfungsfaktor und ω n Resonanzfrequenz [3]. Daraus ist ersichtlich, dass die Reaktion des Systems durch die Erhöhung sowohl die Resonanzfrequenz und die Dämpfung verbessert werden kann. Normalerweise werden die Biegung Scharnier Stufen hoch Resonanz mit sehr niedrigen Dämpfungsfaktoren. Daher werden zusätzliche Dämpfung sehr hilfreich und effektiv reduziert werden kann die Abklingzeit jedoch nur, wenn sie ohne Reibung eingeführt werden, da diese Hysterese hervorrufen können. Wenn dies innerhalb der Regelalgorithmus erledigt ist, dann keine Reibung eingeführt werden. Materialien Thermische Eigenschaften von Baustoffen sind oft die größte Sorge für Gestaltung und Nutzung von Präzisionsinstrumenten. Bei normalem Gebrauch auftreten allen mechanischen Geräten Wärmeeinträge von der Umgebungstemperatur ändern, die Verlustleistung in Aktuatoren, Operator Handhabung und so weiter verursacht. Die unmittelbare Wirkung der thermischen Störung ist die thermische Ausdehnung, die Dimension Änderung der mechanischen Komponenten verursachen, was zu einem Verlust des Instruments Genauigkeit. Die Maßänderung eines Materials durch eine Änderung der Temperatur ist durch seine Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE), der stark variiert mit verschiedenen Materialien aus. Im Allgemeinen sollte die thermische Wirkung, Baustoffe mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten verringern verwendet werden. Doch in einigen Fällen geringer Wärmeausdehnung ist nicht so nützlich wie die enge Expansivität Übereinstimmung zwischen dem Gerät und dessen Einbau. Darüber hinaus sind Korrekturen mit der thermischen Expansion zu bewältigen durch Kontrolle Methoden möglich: die Temperatur gemessen werden kann und verwendet werden, um eine Korrektur geben. Ein weiteres Problem ist thermischen Gradienten. Sie verursachen Struktur Verzerrung, für die eine Entschädigung ist nicht möglich. Um die Auswirkungen des thermischen Gradienten können die Materialien entweder mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit gewählt werden, wie Super Invar und Zerodur oder mit hoher Leitfähigkeit, wie zB Aluminium, wo das System thermisches Gleichgewicht erreicht schnell. Zur Verringerung der Auswirkungen der Umwelt viele Präzisionsgeräte sind bewusst so konzipiert, dass klein. Auch die mechanischen Eigenschaften der Materialien müssen sorgfältig geprüft werden. Zum Beispiel das Verhältnis von Festigkeit und Elastizitätsmodul, / E, begrenzt die maximale Reichweite, die durch Biegung Mechanismen erreicht werden kann. Allerdings können niedrige Elastizitätsmodul nicht in der Lage sein, eine ausreichende Steifigkeit für den bieten NanoMechanism oder am Rahmen, die manchmal als die messtechnische Bezugspunkt verwendet wird. Ferner hat Ansprechpartner vor Ort Steifigkeit zwischen dem Mechanismus und seine Aktoren eine direkte Auswirkung auf die Resonanzfrequenz eines mechanischen Systems - die Resonanzfrequenz kann Dropdown wegen unzureichender Kontakt Steifigkeit. Auch die Masse des Materials kann einen großen Unterschied machen, um die dynamischen Eigenschaften des NanoMechanisms . Zum Beispiel die Dichte-Verhältnis von Super Invar und Aluminium-Legierungen ist etwa 3, so die Resonanzfrequenz des Aluminium-System kann √ 3-mal höher als das eines Super Invar-System, wenn die Steifigkeit des Systems sind die gleichen. Einige Beispiele für NanoMechanism Devices NPS-Z-15A / B Dies ist eine einachsige lineare Bewegung Bühne, die entworfen, um eine reine Bewegung entlang der z-Achse zu erzeugen. Die Bühne ist ein geschlossener Loop-Bereich von 15 um und eine typische Linearität von <0,06% (ohne Kompensation) mit Sub-Nanometer Auflösung. Nach Ausgleich der Nichtlinearität in der Regel sinkt auf <0,02%. Eine kompakte Biegemechanismus ist in das Stadium entwickelt, um die parasitäre off axis und Tip-Tilt-Bewegungen aus dem Piezo-Stapel zu entkoppeln. Die Kipp-Fehler gemessen werden, um weniger als 1 mrad über die ganze Palette, (ohne Biegemechanismus das Kippen Fehler werden in der Regel über 15 mrad) werden. Geringe Hysterese ist ein weiteres wichtiges Merkmal für die Bühne, um Nanometer messtechnische Leistungsfähigkeit zu erreichen. Abbildung 9 ist ein typisches Messergebnis der statischen Leistung von der Bühne NPS-Z-15B , der ein Linearitätsfehler von 0,01% und einem Sub-Nanometer-Hysterese zeigt. Die meisten der Daten kalibriert wurden mit einem Zygo ZMI 1000 Interferometer. Doch die Messung von Sub-Nanometer-Hysterese wird schwierig mit dem Interferometer - so für die Messungen eine Queensgate Nanosensor verwendet wurde. Die Resonanzfrequenz der Bühne 2 kHz, die eine gute Dynamik gibt für die meisten Anwendungen, wenn sie mit verwendet NPS3000 Controller . Eine Sprungantwort ist in Abbildung 10 dargestellt.  Abbildung 9. Linearität und Hysterese von NPS-Z-15B.  Abbildung 10. Sprungantwort des NPS-Z-15B. NPS-XY-100A Dies ist ein Zwei-Achsen-lineare Bewegung der Bühne mit einem Durchmesser von 40 mm Öffnung in der Mitte (praktisch für NSOM Anwendungen). Es hat einen Dynamikbereich von 100 100 um mit Sub-Nanometer Auflösung. Durch sorgfältige Planung und präzise Fertigung sind die Dreh-Fehlern um Z-Achse (d g z, d q z) gesteuert weniger als 10 mrad und anderen Rotations-Fehler sind unbedeutenden icantly kleinen über den gesamten Bereich. Die Hysterese wurde als weniger als 0,01% des Messbereichs gemessen. Abbildung 11 zeigt einen typischen Messergebnis der statischen Leistung von der Bühne NPS-XY-100A . Integral kinematischen Befestigungsmechanismus hilft, die Belastungen, die durch interne Antriebskräfte und Wärmeausdehnung induzierte entlasten, die Verbesserung der Stabilität des Systems. Die kinematische Montage Mechanismus sorgt dafür, dass das System Datum in der Mitte der Bühne, auf der die Probe oder die Sonde normalerweise befindet, so dass die thermische Wirkung effektiv entkoppelt werden. Die Bühne ist der Super-Invar gefertigt und hat eine Resonanzfrequenz über 300 Hz. Durch die Einführung zusätzlicher Dämpfung in das System, siedeln ein 10 ms Zeit für kleine Sprungantwort kann erreicht werden, wie in Abbildung 12 dargestellt. Die Kombination NPS-XY-100 und NPS-Z-15 bildet eine 3D-Positionierung und-Scanning-System, wie in Abbildung 8, die sich ideal für messtechnische Anwendungen SPM wird angezeigt.  Abbildung 11. Linearität und Hysterese von NPS-XY-100A.  Abbildung 12. Sprungantwort NPS-XY-100A. Schlussfolgerungen Einige der Technologien in verwendet Queensgate 's Nanometer-Präzision Mechanismen wurden vorgestellt und diskutiert, um zu erklären, wie eine messtechnische Leistungsfähigkeit im Nanometerbereich oder sogar Sub-Nanometer-Ebene mit der erreicht werden kann NanoMechanisms . Einige messtechnische Konzepte haben in der Art, wie sie verwendet werden, um ultra-präzise Positionierung Techniken beschreiben, sind geklärt. Die Design-Überlegungen haben in Bezug auf die Probleme der Auflösung und das Rauschen, Linearität und Hysterese, thermische Ausdehnung und Kraft Verzerrung und parasitäre Bewegungen wie Nichtorthogonalität (Crosstalk), Rotation Fehler und Abbe-Fehler etc., die Positionierung zu Fehlern führen und diskutiert worden Unsicherheit auf das System. Einige Ansätze zur Vermeidung bzw. Minimierung dieser Fehler erwähnt wurden. Dies betrifft sowohl optimierte Design und fortschrittliche Techniken Entschädigung. Nähere Informationen sind erhältlich von Queensgate [3]. Eine Reihe von NanoMechanisms , vom Einzel-Achse auf mehrachsige Stufen, wurden entworfen und gebaut. Die Kombination dieser Stufen können Bewegungen von bis zu sechs Freiheitsgraden mit Nanometer-Präzision. Erste Tests viel versprechende Ergebnisse, wie niedrige Geräuschpegel, Sub-Nanometer-Hysterese, sehr geringe parasitäre Bewegungen, hohe Linearität und gute Sprungantwort dargestellt. Eine umfassende Beurteilung der messtechnischen Eigenschaften ist ein kompliziertes und langfristiges Projekt, vor allem für mehrachsige Systeme, die mehr anspruchsvollen metrologischen Techniken und fortschrittliche Instrumente. Weitere Ergebnisse werden in naher Zukunft berichtet werden. Danksagungen Die Autoren möchten sich dank Graham Jones, Jeremy Russell und Philip Rhead für ihre Hilfe in Planung, Bau und Erprobung dieser NanoMechanisms. Referenz 1. Die Nanopositionier Book, Queensgate Instruments Ltd, 1997 2. PD Atherton, Y. Xu und M. McConnell, "New xy Bühne für die Positionierung und Scannen", Proceedings of SPIE Jahrestagung, August 1996, Denver, USA 3. ST Smith und DG Chetwynd, Grundlagen der Ultrapräzisions Mechanism Design, Gordon and Breach Science Publishers, 1992 |