Για να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις της θέσης υπερ-ακριβείας και σάρωσης, μια σειρά από μηχανισμούς εντοπισμού θέσης ακριβείας έχουν αναπτυχθεί πρόσφατα στο Queensgate Οργάνων , η οποία συνδυάζει Queensgate του πιεζοηλεκτρικά και nanosensor τεχνολογιών σε πολυ-άξονα τοποθέτησης τα οποία έχουν την ικανότητα να θέση με υπο-νανομετρικών ακρίβεια. Στην εργασία αυτή η φιλοσοφία του σχεδιασμού και μερικές από τις τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη αυτών των μηχανισμών, έχουν ενταχθεί και να συζητηθεί για να εξηγήσει πώς μια μετρολογικού δυνατότητα στο νανομέτρων ή ακόμα και υπο-nanometer επίπεδο μπορεί να επιτευχθεί. Ορισμένα πρώτα αποτελέσματα περιλαμβάνονται, κατά την οποία αποδεικνύεται στάδια με γραμμικό σφάλμα 0,01%, υπο-nanometer υστέρηση, πολύ χαμηλή γωνιακή παρασιτικές κινήσεις και καλή δυναμική απόκριση, κ.λπ.. Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια, ως αποτέλεσμα των ραγδαίων εξελίξεων σε διάφορους τομείς της μηχανικής ακρίβειας, υπήρξε μια μεγάλη αύξηση στην ανάγκη για τοποθέτηση ακριβείας και σάρωσης συστήματα ικανά να νανομέτρων, ή, μερικές φορές, ακόμη και υπο-nanometer ψήφισμα και την επαναληψιμότητα. Η τάση αυτή αναμένεται να αυξηθεί, απαιτώντας νέες έννοιες του σχεδιασμού και τεχνικές για την εξερεύνηση των πιο νέων συσκευών, να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις των διαφόρων εφαρμογών. Για παράδειγμα, στεπ πλακιδίων κάνουν τα τσιπ πυριτίου με πλάτη γραμμή προς τα κάτω στα 200 nm? Τα μικροσκόπια με κεφαλή σάρωσης χρησιμοποιηθούν για να αποδειχθεί πόσο καλά γίνονται αυτά τα τσιπ? Και η εισαγωγή της τεχνολογίας κεφάλι MR αφήνει 5 δίσκους Gigabyte για να γίνει ο κανόνας. Τα μηχανήματα αυτά, και τα μηχανήματα που κάνουν αυτές τις μηχανές, συνδυάζουν την προηγμένη οπτική σχεδίαση με την προηγμένη τεχνολογία ελέγχου κίνησης, που μπορεί να θέση συστατικά με ακρίβεια του νανομέτρου ή καλύτερη. Για να ανταποκριθεί στην πρόκληση αυτών των εξελίξεων, Queensgate Όργανα αναπτύσσει μια υπερ-ακριβείας τεχνολογία εντοπισμού θέσης που συνδυάζει Queensgate του πιεζοηλεκτρική και nanosensor τεχνολογία σε πολυ-άξονα τοποθέτησης με τη δυνατότητα να θέση με υπο-nanometeric ακρίβεια. Το σύστημα αυτό αποτελείται από μια σειρά από στάδια, που ονομάζεται NanoMechanisms , συμπεριλαμβανομένων και μόνο τα στάδια άξονα, xy στάδια και κλίση στάδια κλπ. Οι συνδυασμοί από αυτά τα στάδια μπορεί να παρέχει βαθμό τρία, τέσσερα, πέντε ή έξι από τις μονάδες τοποθέτησης ελευθερία. Η φιλοσοφία σχεδιασμού των μηχανισμών ακρίβεια νανομέτρου (NanoMechanisms) Μηχανισμοί Πιεζοηλεκτρικός συσκευές έχουν τη δυνατότητα να κινηθούν τα στάδια με το ψήφισμα και την ακαμψία που απαιτείται για την τοποθέτηση ακρίβεια νανομέτρων. Ωστόσο, επειδή πιεζοηλεκτρικά συσκευές είναι μη γραμμική και παρουσιάζουν υστέρηση, έναν εξωτερικό αισθητήρα είναι απαραίτητη για τον έλεγχο της θέσης τους. Το μικρόμετρο χωρητικότητα είναι ιδανική για αυτό το έργο, είναι μικρά και απλά με την εγγενή δυνατότητα ψήφισμα που είναι ουσιαστικά άπειρο. Για να επιτευχθεί μια καθαρή και μόνο κίνηση του άξονα, μια κάμψη κατευθυντήριες μηχανισμός χρησιμοποιείται, η οποία εφαρμόζει περιορισμούς σε οποιαδήποτε από κινήσεις άξονα και συνδυάζει πιεζοηλεκτρικών ενεργοποιητών και αισθητήρων μαζί για να σχηματίσουν ένα ολοκληρωμένο σύστημα στάδιο. Οι πτυχών, κανονικά μονωμένες κοπεί σε όλα τα στάδια που χρησιμοποιούν EDM μεταλλοτεχνίας, η οποία δίνει μια πολύ μεγάλη ακρίβεια στην απόδοση. Το σχήμα 1 είναι ένα τυπικό έλεγχο κλειστού βρόχου διάγραμμα αυτού του είδους του συστήματος. Στο διάγραμμα, η κίνηση μετριέται από τον αισθητήρα τροφοδοτείται πίσω στον ελεγκτή, η οποία κινείται στη σκηνή για να ελαχιστοποιηθεί η διαφορά μεταξύ της αίσθησης κίνησης και την εντολή. Σε αυτή την περίπτωση, η ακρίβεια εντοπισμού θέσης στο βρόχο μετρολογίας καθορίζεται κυρίως από τις δυνατότητες του αισθητήρα και του ελεγκτή.  Σχήμα 1. Block διάγραμμα ενός ενιαίου συστήματος ελέγχου άξονα NanoMechanism. Χωρητικότητα αισθητήρα θέσης Η nanosensor είναι μια εξαιρετικά γραμμική χωρητικότητα αισθητήρια διάταξη με λάθη γραμμικότητα του <0.02% πάνω από συγκεκριμένη περιοχή λειτουργίας του (συνήθως μεταξύ 100 ~ 500 μm). Λειτουργίας κατά τη διάρκεια μιας μειωμένα σφάλματα γραμμικότητα φάσμα κάτω από 0,01% είναι πιθανή. Η nanosensor έχει θέσης επίπεδο θορύβου κατά τη συνήθη λειτουργία του <0,005 nm.Hz - ½ (RMS) και μπορεί να κατασκευαστεί από πολύ σταθερά υλικά όπως το Super invar ή Zerodur. Είναι χωρίς επαφή και χωρίς υστέρηση. Έχει επίσης τα πλεονεκτήματα του είναι πολύ μικρό, απλό, φθηνό, και χωρίς κατανάλωση ισχύος κατά τη στιγμή της μέτρησης. Έτσι, είναι κατάλληλη για την ακριβή μέτρηση της εξαιρετικά μικρό μετατοπίσεις. Ελεγκτής Κατά το σχεδιασμό ενός συστήματος με ανάλυση 0,1 nm και 100 σειρά μm η δυνατότητα πρόσβασης που κυμαίνονται ψηφιακά υπό τον έλεγχο του υπολογιστή είναι συνήθως εξαιρετικά δύσκολη, δεδομένου ότι είναι ένα δυναμικό εύρος 1 μέρος στο εκατομμύριο, ή 20 bits. Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα Queensgate έχουν αναπτύξει μια ψηφιακή επεξεργασία σήματος (DSP) με βάση το σύστημα ελέγχου, το οποίο έχει μια εγγενή ικανότητα πάνω από 21 bits, και είναι προσπελάσιμη ψηφιακά. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι αυτή υπερβαίνει κατά πολύ την επίλυση των πιο A / D και D / A μετατροπείς διαθέσιμες σήμερα και είναι κάτω από τα επίπεδα του θορύβου στις περισσότερες εφαρμογές. Έχουν Προηγμένη ψηφιακή αλγορίθμους ελέγχου PID έχουν χρησιμοποιηθεί στο σύστημα. Ένα διάγραμμα του κλειστού βρόχου ελεγκτή φαίνεται στο Σχήμα 2. Η απόκριση του συστήματος μπορεί να βελτιωθεί με την εισαγωγή του αναλογικού και διαφορικού όρους. Ανατροφοδότηση Velocity (όρος διαφορικό) μπορούν να συμβάλουν σημαντικά στην απόσβεση από μηχανικοί συντονισμοί, μειώνοντας τη διευθέτηση φορές. Η εργατική εύρος ζώνης μπορεί να ελεγχθεί από τον υπολογιστή και βρόχο παράμετροι ορίζονται από το χρήστη για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης.  Σχήμα 2. Σχηματικό διάγραμμα του PID έλεγχο κλειστού βρόχου. Χρησιμοποιώντας ένα τέτοιο ελεγκτή είναι δυνατό να μετρηθεί η μη-γραμμικότητα και να αντισταθμίσει αυτό. Επιπλέον, έχουν μία παρασιτική γωνιακό κινήσεις σε αυτούς τους μηχανισμούς χαρακτηρίστηκε είναι δυνατό να αντισταθμίσει τους σε ένα σύνθετο πολλαπλών άξονα του συστήματος. Τα σφάλματα γραμμικότητα μπορεί να αποζημιώνονται πλήρως για <0,02%. Κάτω από αυτό οι μετρήσεις συνήθως περιορίζεται από την εγγενή γραμμικότητα των συστημάτων βαθμονόμησης. Η χρήση της τεχνικής αυτής αποζημίωσης είναι πολύ σημαντικό να επιτευχθεί μια μετρολογικού ικανότητα στο επίπεδο νανομέτρου. Είναι προφανές ότι στο βρόχο ελέγχου ο αισθητήρας δεν είναι απολύτως γραμμική, οπότε η γραμμικότητα του συστήματος μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω με την αποζημίωση του λογισμικού. Στην ιδανική περίπτωση, ο μηχανισμός θα πρέπει να παρουσιάζει καθαρά ορθογώνιες κινήσεις - δηλαδή, μια συσκευή xy πρέπει μόνο να έχουν βαθμούς ελευθερίας κατά μήκος του Χ και Υ άξονες. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν ανεξέλεγκτες (παρασιτική) κινήσεις που προκύπτουν από την παραμόρφωση λόγω των εσωτερικών δυνάμεων και των περιορισμών παραγωγής. Τα λάθη από αυτές τις παρασιτικές κινήσεις έχουν μειωθεί στο ελάχιστο με τη βελτιστοποίηση του μηχανολογικού σχεδιασμού και μπορεί να μειωθεί περαιτέρω από την τεχνική αποζημίωση. Σημειώστε ότι το παρασιτικό λάθη μπορεί να αντισταθμιστεί μόνο εάν είναι προβλέψιμο, δηλαδή το παρασιτικό κινήσεις πρέπει να είναι όχι μόνο μετρήσιμο αλλά και επαναλαμβανόμενη. Έννοιες Σχεδιασμός και Προβληματισμοί Σύστημα συντεταγμένων Πρώτον, είναι αναγκαίο να καθοριστούν οι συντεταγμένες χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν θέσεις. Η προφανής σύστημα που θα χρησιμοποιηθεί για τα στάδια τοποθέτηση είναι ένα ορθογώνιο καρτεσιανό σύστημα συντεταγμένων. Με αυτό μπορεί κανείς να καθορίσει την θέση του με Χ, Υ, Ζ συντονίζει και μια αυθαίρετη περιστροφή ως συνιστώσες της περιστροφής για το Χ, Υ και Z άξονες, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Πιο χρήσιμο μπορεί κανείς να περιγράψει ένα κίνημα ως αλλαγή στο Χ, Υ και Ζ συντεταγμένες. Περιστροφές περιγράφονται σε σχέση με το Χ, Υ και Z άξονες σε ένα δεξιόχειρας αίσθηση. Το γήπεδο όρους, διατοιχισμού και εκτροπής χρησιμοποιούνται συχνά όταν μιλάμε για το περιστροφές. Αυτοί οι όροι είναι χρήσιμες κατά την περιγραφή παρασιτική περιστροφές που προκαλούνται από μια γραμμική κίνηση, αλλά η μεγάλη προσοχή πρέπει να ληφθεί ως έχουν αναφέρθηκε στην κατεύθυνση της κίνησης αντί για ένα καθορισμένο σύστημα αξόνων. Για ένα αεροπλάνο κατά την πτήση, μια περιστροφή γύρω από άξονα που προέρχονται από πτέρυγα άκρη σε άκρη της φτερούγας είναι γήπεδο? Μια περιστροφή γύρω από άξονα που κάτω από το μήκος της ατράκτου είναι ρολό και μια περιστροφή γύρω από έναν κάθετο άξονα είναι εκτροπής. Στο ορίζεται καρτεσιανό σύστημα αν το "αεροπλάνο" είναι πετούν κατά μήκος της θετική κατεύθυνση Χ q είναι η πίσσα, g είναι ρολό και f είναι εκτροπής.  Σχήμα 3. Συντεταγμένων του συστήματος. Ακρίβεια Θέσης: Η έννοια της Ορθότητα Για να μετακινήσετε ένα στάδιο, μια εντολή θέση αποστέλλεται στον ελεγκτή από έναν υπολογιστή. Η κίνηση παράγεται από έναν πιεζοηλεκτρικό ενεργοποιητή και παρακολουθείται από έναν αισθητήρα. Χρησιμοποιώντας το σήμα ανάδρασης, ο ελεγκτής κινείται στη σκηνή για να ελαχιστοποιηθεί η διαφορά μεταξύ της αίσθησης κίνησης και την εντολή. Πόσο μικρή η διαφορά μπορεί να καθορίζεται κυρίως από τον έλεγχο της ικανότητας του συστήματος και μπορεί να ερμηνευθεί ως το πώς ακριβώς το σημείο μπορεί να τοποθετηθεί. Είναι προφανές ότι η ακρίβεια εντοπισμού θέσης θα πρέπει να επηρεάζεται κυρίως από ανάλυση (στάθμη θορύβου), την αναπαραγωγιμότητα (drift και υστέρηση) και το λάθος χαρτογράφηση (υψηλό σφάλμα σειρά χαρτογράφηση) του συστήματος. Επιπλέον, εάν η κίνηση στάδιο μετριέται με μια εξωτερική συσκευή μέτρησης η οποία υποτίθεται ότι είναι ένα τέλειο σύστημα, θα υπάρχει μια διαφορά μεταξύ του διέταξε τη θέση και την επιθυμητή θέση: πόσο κοντά είναι ορίζεται ως αληθότητα τοποθέτηση. Ως εκ τούτου, η τελική ακρίβεια εντοπισμού θέσης θα πρέπει να καθορίζεται τόσο από την ακρίβεια εντοπισμού θέσης και την ορθότητα τοποθέτησης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Πώς αυτά αντιμετωπίζονται με NanoMechanisn σχεδιασμό θα συζητηθούν σε επόμενες ενότητες.  Σχήμα 4. Ακρίβεια των μετρήσεων. Ανάλυση και θορύβου Το ψήφισμα της μέτρησης ή τοποθέτηση σχετίζεται άμεσα με το επίπεδο θορύβου του συστήματος. Ένα από κορυφή σε κορυφή επίπεδο θορύβου δεν είναι εύκολο να μετρηθεί ή να ερμηνευθεί, αφού με οποιαδήποτε διανομή θόρυβο μπορείτε να πάρετε μια μεγάλη απόκλιση εάν περιμένετε αρκετό καιρό. Επομένως, η τιμή rms χρησιμοποιείται συνήθως η οποία μπορεί να μετρηθεί με στάνταρ εξοπλισμό. Η κατανομή του πλάτους του θορύβου είναι σημαντικό κατά την εξέταση ψήφισμα. Συνήθως Gaussian θόρυβος κυριαρχεί και σε αυτή την περίπτωση ο rms είναι ισοδύναμη με την τυπική απόκλιση, σίγμα. 68,3% των δειγμάτων που λαμβάνονται θα είναι μέσα σε ένα σίγμα της μέσης τιμής. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει 68,3% πιθανότητα για την επίλυση των δύο χαρακτηριστικών τα οποία είναι σε απόσταση δύο σίγμα του θορύβου, εκτός, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, (ή 99,7% πιθανότητα επίλυσης δύο χαρακτηριστικά τα οποία είναι εκτός Six Sigma).  Σχήμα 5. Επίλυση δύο θέσεις. Το φάσμα ισχύος του θορύβου είναι ένα πολύ σημαντικό κομμάτι των πληροφοριών. Μπορεί να δείξει μέχρι και τις υποκείμενες πηγές θορύβου - όπως το ηλεκτρικό δίκτυο pick up, το οποίο εντοπίζεται στα 50 ή 60 Hz. Σχήμα 6 δείχνει μια μέτρηση του φάσματος ισχύος του θορύβου του DSP που βασίζεται NPS3000 ελεγκτή. Αυτό δείχνει το επίπεδο θορύβου <10 pm.Hz - ½. Στη δοκιμή, ο NPS3000 χειριστήριο χρησιμοποιείται για να ελέγχει ένα μόνο στάδιο άξονα, (το NPS-Z-15B), σε κλειστού βρόχου λειτουργία με ένα στάδιο εργασίας εύρος ζώνης των 100 Hz. Τα σήματα απεικονίζονται θόρυβος είναι από το HV τάση κίνησης που εφαρμόζεται στον ενεργοποιητή piezo. 50 Hz δικτύου pick up μπορεί να δει καθαρά αν και σε πολύ χαμηλό επίπεδο.  Σχήμα 6. Φάσμα θορύβου των NPS3000 ελεγκτή. Ο θόρυβος στο NanoMechanism σύστημα είναι, σε γενικές γραμμές, αποτελείται από το θόρυβο του αισθητήρα, piezo θόρυβος κίνησης, μηχανικό θόρυβο και ακουστικό θόρυβο. Θόρυβος αισθητήρων θα ερμηνευθεί από το βρόχο ελέγχου ως εντολή και έτσι γίνεται πραγματική μετατόπιση του θορύβου. Το σήμα ανάδρασης από τον αισθητήρα χρησιμοποιείται για να παράγει τάση προσπάθεια για να εφαρμοστεί στην ενεργοποιητές piezo. Piezo θόρυβο τάσης αυτοκίνητο θα εισαχθεί σε αυτή τη διαδικασία και να συμβάλουν στον θόρυβο τοποθέτηση στάδιο. Η επίδραση αυτού του θορύβου μπορεί να ανιχνευθεί από τον αισθητήρα και, ως εκ τούτου, τουλάχιστον εν μέρει servoed έξω. Η ικανότητα του συστήματος να servo από το θόρυβο της κίνησης εξαρτάται από το εύρος ζώνης που: όσο υψηλότερο είναι το εύρος ζώνης τόσο καλύτερη είναι η συμβολή είναι servoed έξω. Εξωτερικά μηχανικά εισροές, όπως δονήσεις του εδάφους και ηχορύπανσης που θα προκαλέσει το στάδιο να προχωρήσουμε. Οι επιπτώσεις αυτών των εισροών μπορούν να ελαχιστοποιηθούν με την αύξηση της ακαμψίας του σταδίου. Μπορεί επίσης να servoed εάν το εύρος ζώνης του συστήματος είναι αρκετά υψηλό. Για το σύστημα ελέγχου NPS3000 το εύρος ζώνης της μέτρησης μπορεί να ρυθμιστεί έως 12 kHz και κλειστού βρόχου εύρος ζώνης 2 kHz που κανονικά κυριαρχείται από τα δυναμικά χαρακτηριστικά των μηχανισμών στάδιο. Γραμμικότητα και Χαρτογράφηση Σε έναν ιδανικό κόσμο, ένα στάδιο θα πρέπει να είναι απόλυτα γραμμική. Ο κόσμος είναι σχεδόν ιδανική, αλλά όχι αρκετά. Στην πράξη, η γραμμικότητα του αισθητήρα χωρητικότητας μπορεί να επηρεαστεί από πολλούς παράγοντες, όπως το πάχος της ονομαστικής κενό (ή αδέσποτων χωρητικότητα) και των μη παραλληλισμός των επιφανειών ηλεκτρόδιο, κλπ. [1]. Για να ξέρουν ποια είναι η πραγματική κίνηση ή τη θέση της σκηνής είναι και, συνεπώς, να εφαρμόσει την αποζημίωση γραμμικότητα, το σύστημα πρέπει να βαθμονομείται σε σχέση με μια εξωτερική συσκευή μέτρησης με υψηλή ακρίβεια. Η θέση της διοίκησης, x C, η οποία αντιπροσωπεύει τη θέση που μετράται από το εσωτερικό του αισθητήρα και την πραγματική θέση, x p, μπορεί, σε κάποιο βαθμό, να σχετίζεται με τη λειτουργία αντιστοίχισης εκφράζεται ως x p = f (x γ). Η απλή μορφή της συνάρτησης χαρτογράφηση είναι μια σειρά δύναμης  (1) Ιδανικά a 0, a 2, 3, 4 ... θα είναι μηδενική και Α1 ενότητα? Τότε ο αισθητήρας συντελεστή κλίμακας, Α1, είναι ο γραμμικός συντελεστής που περιγράφει τη σχέση μεταξύ της πραγματικής θέση στάδιο, όπως μετράται με υποθετικά τέλεια ακριβή θέση αισθητήρα και τη θέση μέτρησης τροφοδοτούνται πίσω στον υπολογιστή του χρήστη. Η ορθότητα χαρτογράφηση χαρακτηρίζεται από το σύνολο των σφαλμάτων στην «Α» συντελεστές του ατόμου. Όταν η λειτουργία χαρτογράφησης είναι πρώτης τάξεως (σε ευθεία γραμμή), το λάθος χαρτογράφηση γίνεται η αβεβαιότητα συντελεστή κλίμακας. Το υπόλοιπο μεταξύ της πραγματικής θέσης και μια καλύτερη ταιριάζει ευθεία γραμμή για τη μέτρηση δίνει σφάλμα γραμμικότητας (συνήθως ορίζουμε το γραμμικό σφάλμα ως ½ πάρει για να πάρει υπολείμματα από τη γραμμική βέλτιστη προσαρμογή). Για παράδειγμα, ένα σφάλμα γραμμικότητας του 0,05% σε 100 αποτελέσματα συσκευή μm σειρά σε 50 nm απόλυτη αβεβαιότητα θέση μεταξύ του θέση 0 μm και τα 100 μm θέση όταν μια γραμμική προσέγγιση γίνεται, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7 (α). Συνήθως για νανοαισθητήρες την απόκλιση από τη γραμμικότητα είναι περίπου παραβολικά και σε μερικά συστήματα αυτό είναι εύκολο να αντισταθμιστεί με ηλεκτρονικά μέσα χωρίς τη συμμετοχή του DSP. Το αποτέλεσμα της αντιστάθμισης ενός, ελαφρώς ατελή, παραβολή με μια άλλη είναι συνήθως μια καμπύλη S του πολύ χαμηλότερο εύρος, ώστε το λάθος χαρτογράφηση είναι πολύ μικρότερη, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7 (β). Αυτό ισοδυναμεί με τη χρήση του A 1 και 2 όσον αφορά την εξίσωση 1. Αν κάποιος ήθελε να χρησιμοποιήσει το μεγαλύτερο όρους τάξης, ένα ακόμα καλύτερο αποτέλεσμα θα μπορούσε να επιτευχθεί. Αυτό μπορεί να γίνει εύκολα σε συστήματα που βασίζονται σε μικροεπεξεργαστή αισθητήρων ή εξωτερικά στον υπολογιστή του χρήστη. Έχει διαπιστωθεί ότι δεν υπάρχει μεγάλο κέρδος σε περίοδο ομαλής λειτουργίας υψηλότερη από ό, τι τέταρτη τάξη, βλέπε διάγραμμα 7 (γ).  (Α)  (Β)  (Γ) Σχήμα 7. Λάθους χαρτογράφηση και τη γραμμικότητα. Παρασιτικές Προτάσεις και Λάθη Παρασιτικές κινήσεις σε στάδια μπορεί να προσδιοριστεί είτε ως γωνιακή: περιστροφή για x, y και z άξονες? Ή γραμμική: από κίνηση αεροπλάνο, μη ορθογωνιότητα και στιχομυθία? Και θα εισαγάγει μη αναμενόμενα σφάλματα τοποθέτησης. Η παρασιτική κινήσεις που προκαλούνται από τις στρεβλώσεις του σώματος στάδιο μπορεί να μειωθεί με προσεκτικό σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων δομής. Στο περιορίζεται άξονες την ακαμψία θα πρέπει να σχεδιαστεί ώστε να είναι όσο το δυνατόν υψηλότερη, και όσο το δυνατόν χαμηλότερα στον άξονα της κίνησης. Αυτό επιτυγχάνεται με την NanoMechanisms από σωστή προετοιμασία της μοτίβο κάμψη και την επιλογή των παραμέτρων κάμψη προσεκτικά. Ωστόσο, ο σχεδιασμός κάμψης είναι μερικές φορές περιορίζεται από το σύστημα συντονισμού συχνοτήτων οι οποίες, λόγω της σύζευξης λειτουργία, απαιτεί την ακαμψία σε όλες τις κατευθύνσεις να είναι υψηλό. Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων FEA μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προβλέψει τις τοπικές και παγκόσμιες στρεβλώσεις και ως εκ τούτου, η δομή μπορεί να είναι σωστά βελτιστοποιημένη για να αποσυνδέσουμε τις δυνάμεις ή να κάνετε τις αναπόφευκτες στρεβλώσεις αλληλοεξουδετερώνονται. Εάν αυτές οι παρασιτικές κινήσεις είναι προβλέψιμες, τότε μπορούν να αποζημιωθούν. Σημειώστε ότι αυτές οι κινήσεις είναι συνάρτηση της θέσης στάδιο, αλλά δεν είναι απαραίτητα γραμμική, οδηγώντας σε σύνθετη τοπογραφία. Οποιαδήποτε υστέρηση σε κίνηση κάνει την πρόβλεψη πολύ δύσκολο - αν όχι αδύνατο. Για το λόγο αυτό, οι αλλαγές που ισχύουν στο σύστημα πρέπει να είναι εξαιρετικά γραμμική και επαναλαμβανόμενη. Η τριβή είναι πάντα μια πηγή υστέρηση, λόγω της αλλαγής κατεύθυνσης της δύναμης. Όταν τα δείγματα τοποθετούνται σε ένα NanoMechanism , Abbe λάθη πρέπει να εξεταστούν προσεκτικά λόγω των παρασιτικών γωνιακή κινήσεις. Μικρά σφάλματα γωνιακής μπορεί να έχει ένα μεγάλο επηρεάσει σε επίπεδο νανομέτρου: για παράδειγμα, μια κλίση της μόλις 1 μrad με ένα offset του 1 χιλιοστού δίνει 1 λάθος θέση nm. Για να μειώσετε το σκοπό αυτό, τα δείγματα πρέπει να τοποθετούνται όσο το δυνατόν πλησιέστερα με τις μετρήσεις άξονες των αισθητήρων. Για παράδειγμα, σε μια XYZ τρεις άξονες NanoMechanism σύστημα ο κάτοχος δείγμα βρίσκεται στο σημείο που είναι συν-περιστατικό με τον αισθητήρα μέτρησης αξόνων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 8. Οι επιπτώσεις των λαθών περιστροφής του σταδίου xy μπορεί έτσι να ελαχιστοποιηθούν.  Σχήμα 8. 3D Nanomechanism. Οι γραμμικές παρασιτικών κινήσεις, όπως η μη ορθογωνιότητα ή στιχομυθία επηρεάζεται κυρίως από κατασκευαστικές ανοχές και τις στρεβλώσεις του πλαισίου στάδιο, εάν το πλαίσιο χρησιμοποιείται ως δεδομένο αισθητήρες ». Οι άξονες των δύο ζευγάρια των αισθητήρων στο στάδιο xy πρέπει να είναι πολύ ορθή γωνία μεταξύ τους και συν-περιστατικό με τα κινητά τους άξονες της πλατφόρμας. Χρησιμοποιώντας σύγχρονη τεχνολογία κατασκευής της απόκλισης από την ορθογωνιότητα των αξόνων αισθητήρας μπορεί να είναι γενικά ελέγχονται εντός 0,5 MRD η οποία δίνει μια λάθος ορθογωνιότητα της τάξης του 0,5 nm / μm (δηλαδή 0,05%) στο επίπεδο XY. Με την κινηματική τοποθέτηση, η αναφορά γίνεται θέση ανιχνεύσιμα και οι στρεβλώσεις από την θερμική διαστολή και η κινητήρια δύναμη μπορεί να αποσυνδεθεί. Αυτό είναι σημαντικό για το στάδιο να έχουν μετρολογικές ικανότητα στο επίπεδο νανομέτρου. Ακόμη και για ένα έξοχο στάδιο invar το μέγεθος των 100 x 100 mm, 1 o C αλλαγή της θερμοκρασίας θα προκαλέσει αλλαγή κατά 30 nm σε διάσταση (  =  / O C). Το πλαίσιο στάδιο κάμψη που προκαλείται από την κινητήρια δύναμη είναι χαρακτηριστικά στη σειρά των δεκάδες έως εκατοντάδες nm [2]. Χωρίς κινηματική τοποθέτηση ενός αβεβαιότητα θέση του για τα ίδια αυτά μεγέθη θα μπορούσαν να εισαχθούν στο σύστημα. Δυναμικά χαρακτηριστικά Εκτός από τη μετρολογία και την ακρίβεια της κίνησης, τις δυναμικές επιδόσεις του συστήματος είναι επίσης σημαντικό, διότι η σταθερότητα και η ταχύτητα είναι ζωτικής σημασίας για πολλές εφαρμογές. Στην ιδανική περίπτωση δεν θα υπήρχε καμία καθυστέρηση φάσης μεταξύ της διοίκησης και τη θέση, και ο μηχανισμός θα ανταποκριθεί πλήρως σε μια είσοδο βήμα - χωρίς χρόνο ανόδου, πάνω από πυροβολούν, ή να τακτοποιήσει χρόνο. Για μια γραμμική, δεύτερης τάξης, χωρίς απόσβεση μηχανικού συστήματος, η συχνότητα συντονισμού καθορίζεται από την ακαμψία του συστήματος και τη μάζα. Σε ένα άριστα σχεδιασμένο μηχανισμό, η ακαμψία είναι συνήθως κυριαρχείται από την ακαμψία των πιεζοηλεκτρικών στοίβες με άξονα τη μετάφρασή της. Για μια σκηνή με ενίσχυση κίνηση, την αποτελεσματική ακαμψία του ενεργοποιητή πιεζοηλεκτρικών θα μειωθεί ως k e = k p / G 2, όπου k p είναι η ακαμψία των πιεζοηλεκτρικών και G είναι η ενίσχυση. Η μείωση της μάζας μπορεί να αυξήσει τη συχνότητα συντονισμού του συστήματος. Ωστόσο, όπως τη μάζα του πλατφόρμα μειώνει την απόδοση στάδιο γίνεται πιο ευαίσθητα στην επίδραση της μάζας του φορτίου, δηλαδή η συχνότητα συντονισμού θα πέσει κάτω γρήγορα, όπως τη μάζα του δείγματος αυξάνει. Δυναμικές ιδιότητες του συστήματος μπορεί επίσης να βελτιωθεί μέσω άλλες προσεγγίσεις όπως η εισαγωγή ενός σωστή απόσβεση υλικού ή τη χρήση προηγμένων τεχνικών ελέγχου servo. Στο όργανα, τις προδιαγραφές σχεδιασμού που χρησιμοποιούν συχνά το κριτήριο της ικανοποίησης του χρόνου, που ορίζεται ως ο χρόνος που απαιτείται για το σύστημα να εγκατασταθούν μέσα σε ένα ορισμένο ποσοστό των εισροών. Για NanoMechanisms , όπως και άλλα μέσα, τη διευθέτηση του χρόνου είναι μια πιο άμεση περιγραφή των δυναμικών επιδόσεων από ό, τι συχνότητα συντονισμού. Για ένα piezo οδηγείται NanoMechanism , τον χρόνο αποκατάστασης αποτελείται από περιστρεφόμενο τμήμα του χρόνου και ο χρόνος που απαιτείται για την ηχηρή ταλαντώσεις στη φθορά. Ο πρώην κυριαρχείται από το ρυθμό περιστροφής που καθορίζεται από τη χωρητικότητα των πιεζοηλεκτρικών στοίβες και η δυνατότητα παραγωγής ρεύματος της ηλεκτρονικής μονάδας δίσκου. Για δεύτερη συστήματα για την απαίτηση καθορίζει συνήθως μια μέγιστη καθυστέρηση πριν από την παραγωγή φτάνει στο 2% της τελικής αξίας της μετά από μια αλλαγή βαθμιδωτό σήμα εισόδου, το οποίο λαμβάνει διάρκειας περίπου τέσσερις χρονικές σταθερές (4 τ = 4 / ξω n), όπου τ είναι σταθερή ώρα, ξ συντελεστής απόσβεσης και ω ν συχνότητα συντονισμού [3]. Από αυτό μπορεί να δει ότι η απόκριση του συστήματος μπορεί να βελτιωθεί με την αύξηση τόσο την ηχηρή συχνότητα και η απόσβεση παράγοντας. Κανονικά, κάμψης στάδια μεντεσές είναι ιδιαίτερα ηχηρή με πολύ χαμηλή απόσβεση παράγοντες. Ως εκ τούτου, επιπλέον απόσβεσης θα είναι πολύ χρήσιμη και μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά το χρόνο αποσύνθεσης, αλλά μόνο αν μπορεί να εισαχθεί χωρίς τριβές, δεδομένου ότι αυτό μπορεί να προκαλέσει υστέρηση. Εάν αυτό γίνεται εντός του αλγορίθμου ελέγχου, τότε δεν υπάρχει τριβή θα εισαχθεί. Υλικά Θερμικές ιδιότητες των υλικών κατασκευής είναι συχνά το κύριο μέλημα τόσο για το σχεδιασμό και τη χρήση των οργάνων ακριβείας. Σε κανονικές συνθήκες χρήσης, όλα τα μηχανικά συστήματα αντιμετωπίζουν εισροές θερμότητα που προκαλείται από τις περιβαλλοντικές μεταβολές της θερμοκρασίας, κατανάλωση ισχύος σε κινητήρες, το χειρισμό φορέα και ούτω καθεξής. Το άμεσο αποτέλεσμα της θερμικής διαταραχής είναι η θερμική διαστολή που θα προκαλέσει αλλαγή διάστασης των μηχανικών μερών, με αποτέλεσμα την απώλεια της ακρίβειας του οργάνου. Η αλλαγή διαστάσεων ενός υλικού που οφείλεται σε αλλαγή της θερμοκρασίας χαρακτηρίζεται από το συντελεστή θερμικής διαστολής (ΣΤΕ), το οποίο διαφέρει παρά πολύ με διαφορετικά υλικά. Σε γενικές γραμμές, για τη μείωση της θερμικής ισχύος, δομικών υλικών με ελάχιστες συντελεστή θερμικής διαστολής θα πρέπει να χρησιμοποιούνται. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις, χαμηλή θερμική διαστολή δεν είναι τόσο χρήσιμη όσο η στενή αντιστοιχία διαστολή μεταξύ της συσκευής και την εγκατάστασή του. Επιπλέον, οι διορθώσεις για να αντιμετωπίσουν με θερμική διαστολή είναι δυνατή μέσω μέθοδοι ελέγχου: η θερμοκρασία μπορεί να μετρηθεί και να χρησιμοποιηθεί για να παρέχει μια διόρθωση. Ένα άλλο πρόβλημα είναι η θερμική κλίσεις. Μπορούν να προκαλέσουν παραμόρφωση δομή, για τις οποίες υπολογίζεται η αντιστάθμιση δεν είναι δυνατή. Για να αποφύγετε τις επιπτώσεις της θερμικής κλίσεις, τα υλικά που μπορεί να επιλεγεί είτε με χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, όπως Σούπερ invar και Zerodur, ή με υψηλή αγωγιμότητα, όπως αλουμίνιο, όπου το σύστημα φτάνει θερμική ισορροπία γρήγορα. Για να μειωθούν οι επιπτώσεις της στο περιβάλλον πολλών συσκευών ακριβείας είναι σκόπιμα σχεδιαστεί ώστε να είναι μικρό. Επίσης, οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών πρέπει να εξεταστούν προσεκτικά. Για παράδειγμα, ο λόγος της δύναμης και μέτρο ελαστικότητας του Young, / E, περιορίζει τη μέγιστη εμβέλεια που μπορεί να επιτευχθεί με μηχανισμούς κάμψη. Ωστόσο, το μέτρο χαμηλά του Young μπορεί να μην είναι σε θέση να παρέχει επαρκή ακαμψία για την NanoMechanism ή το πλαίσιό του, το οποίο μερικές φορές χρησιμοποιείται ως τις μετρολογικές δεδομένο. Περαιτέρω, η τοπική ακαμψία επαφή μεταξύ του μηχανισμού και ενεργοποιητές, έχει άμεση επίδραση στην συχνότητα συντονισμού του ένα μηχανικό σύστημα - η συχνότητα συντονισμού μπορεί να πέσει κάτω, λόγω της ανεπαρκούς ακαμψία επαφής. Επίσης, η μάζα του υλικού μπορεί να κάνει μια μεγάλη διαφορά στη δυναμική ιδιότητες των NanoMechanisms . Για παράδειγμα, ο δείκτης πυκνότητας της Σούπερ invar και κράματα αλουμινίου είναι περίπου 3, οπότε η συχνότητα συντονισμού του συστήματος αλουμινίου μπορεί να είναι √ 3 φορές μεγαλύτερη από αυτή ενός συστήματος Σούπερ invar αν η ακαμψία του συστήματος είναι τα ίδια. Μερικά παραδείγματα των συσκευών NanoMechanism NPS-Z-15A / B Αυτό είναι ένα ενιαίο άξονα γραμμική φάση κίνησης που έχει σχεδιαστεί για να παράγει μια καθαρή κίνηση κατά μήκος του άξονα z. Η σκηνή έχει ένα κλειστό βρόχο εύρος των 15 μm και ένα τυπικό γραμμικότητα του <0.06% (χωρίς αποζημίωση) με ανάλυση υπο-νανομέτρων. Μετά την αποζημίωση της μη-γραμμικότητα πέφτει συνήθως κάτω για να <0,02%. Μια συμπαγής μηχανισμός κάμψη έχει σχεδιαστεί στο στάδιο να αποσυνδεθεί η παρασιτική άξονα off και άκρη-κλίση κινήσεις από τις στοίβες piezo. Οι κλίση λάθη μετρηθεί να είναι λιγότερο από 1 μrad σε όλο το εύρος, (χωρίς μηχανισμό κάμψης της κλίσης λάθη είναι συνήθως πάνω από 15 μrad). Χαμηλή υστέρηση είναι ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό για το στάδιο για την επίτευξη νανόμετρο μετρολογικές ικανότητα. Το σχήμα 9 είναι ένα τυπικό αποτέλεσμα της μέτρησης της στατικής απόδοση από το στάδιο του NPS-Z-15B , η οποία δείχνει ένα σφάλμα γραμμικότητας του 0,01% και μια υπο-nanometer υστέρηση. Οι περισσότερες από τις προδιαγραφές ήταν βαθμονομείται με τη χρήση Zygo ZMI 1000 συμβολομέτρου. Ωστόσο, η μέτρηση της υστέρησης υπο-nanometer γίνεται δύσκολη τη χρήση του συμβολόμετρο - τόσο για εκείνους μετρήσεις ανά Queensgate nanosensor χρησιμοποιήθηκε. Η συχνότητα συντονισμού του σταδίου είναι 2 kHz, η οποία δίνει μια καλή δυναμική απάντηση για τις περισσότερες εφαρμογές, όταν χρησιμοποιείται με NPS3000 ελεγκτή . Μια απάντηση βήμα φαίνεται στο Σχήμα 10.  Σχήμα 9. Γραμμικότητα και την υστέρηση των NPS-Z-15B.  Σχήμα 10. Βήμα απάντηση του NPS-Z-15B. NPS-XY-100A Αυτό είναι ένα δύο αξόνων γραμμική φάση κίνησης με άνοιγμα διαμέτρου 40 mm στη μέση (βολικό για εφαρμογές NSOM). Διαθέτει ένα δυναμικό εύρος 100 100 μm με ανάλυση υπο-νανομέτρων. Με προσεκτικό σχεδιασμό και την κατασκευή ακρίβεια, είναι η εκ περιτροπής λάθη περίπου z άξονα (δ ζ z, δ ιζ z), που ελέγχεται λιγότερο από 10 μrad και άλλα περιστροφής λάθη insignif icantly μικρό σε όλη την κλίμακα. Η υστέρηση αυτή μετράται ως ποσοστό μικρότερο του 0,01% του φάσματος. Το σχήμα 11 παρουσιάζει ένα τυπικό αποτέλεσμα της μέτρησης της στατικής απόδοση από το στάδιο του NPS-XY-100A . Integral κινηματικό μηχανισμό στήριξης βοηθά να ανακουφίσει τις πιέσεις που προκαλούνται από εσωτερικές δυνάμεις οδήγησης και θερμικής διαστολής, τη βελτίωση της σταθερότητας του συστήματος. Η κινηματική μηχανισμός στήριξης διασφαλίζει ότι το δεδομένο σύστημα βρίσκεται στο κέντρο της πλατφόρμας φάση κατά την οποία το δείγμα ή ο καθετήρας βρίσκεται συνήθως, έτσι ώστε η θερμική επίδραση μπορεί να είναι αποτελεσματικά αποσυνδεδεμένη. Το στάδιο είναι κατασκευασμένο από Σούπερ invar και έχει μια ηχηρή συχνότητα άνω των 300 Hz. Με την εισαγωγή επιπλέον απόσβεση στο σύστημα, μόλις 10 ms διευθέτηση του χρόνου για τις μικρές απάντηση βήμα μπορεί να επιτευχθεί, όπως φαίνεται στο Σχήμα 12. Συνδυάζοντας NPS-XY-100 και NPS-Z-15 αποτελεί ένα 3D θέσης και σύστημα σάρωσης, όπως φαίνεται στην εικόνα 8, η οποία είναι ιδανική για τα μετρολογικά εφαρμογές SPM.  Σχήμα 11. Γραμμικότητα και την υστέρηση των NPS-XY-100A.  Σχήμα 12. Απάντηση Βήμα του NPS-XY-100A. Συμπεράσματα Ορισμένες από τις τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται σε Queensgate 's μηχανισμούς ακρίβεια νανομέτρου έχουν εισαχθεί και συζητηθεί για να εξηγήσει πώς ένα μετρολογικό δυνατότητα στο νανομέτρων ή ακόμα και υπο-nanometer επίπεδο μπορεί να επιτευχθεί με την NanoMechanisms . Ορισμένα μετρολογικές έννοιες έχουν διευκρινιστεί ο τρόπος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει εξαιρετικά ακρίβειας τεχνικές εντοπισμού θέσης. Οι εκτιμήσεις του σχεδιασμού συζητήθηκαν με αναφορά στα προβλήματα του ψηφίσματος και του θορύβου, γραμμικότητα και την υστέρηση, θερμική διαστολή και παραμόρφωση δύναμη, και παρασιτικές κινήσεις όπως η μη ορθογωνιότητα (στιχομυθία), τα σφάλματα εκ περιτροπής και Abbe κλπ. λάθη, οι οποίες εισάγουν σφάλματα θέσης και αβεβαιότητα για το σύστημα. Μερικές προσεγγίσεις για την αποφυγή ή την ελαχιστοποίηση αυτών των λαθών αναφέρθηκαν. Αυτό περιλαμβάνει τόσο βελτιστοποιημένη σχεδίαση και προηγμένες τεχνικές αποζημίωση. Πιο αναλυτικές πληροφορίες είναι διαθέσιμες από Queensgate [3]. Μια σειρά από NanoMechanisms , που κυμαίνονται από έναν άξονα με πολλαπλά στάδια άξονα, έχουν σχεδιαστεί και κατασκευαστεί. Ο συνδυασμός αυτών των σταδίων μπορεί να παρέχει κινήσεις μέχρι και έξι βαθμούς ελευθερίας με ακρίβεια νανομέτρων. Οι αρχικές δοκιμές έχει δείξει ελπιδοφόρα αποτελέσματα, όπως το χαμηλό επίπεδο θορύβου, υπο-nanometer υστέρηση, πολύ μικρή παρασιτική κινήσεις, υψηλή γραμμικότητα και καλή ανταπόκριση βήμα. Μια συνολική αξιολόγηση των μετρολογικά χαρακτηριστικά είναι ένα περίπλοκο και μακροπρόθεσμο έργο, ειδικά για τα συστήματα πολλαπλών άξονα, με τη συμμετοχή πιο εξελιγμένες μετρολογικές τεχνικές και προηγμένα μέσα. Περαιτέρω τα αποτελέσματα θα ανακοινωθούν στο εγγύς μέλλον. Ευχαριστίες Οι συγγραφείς θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες προς Graham Jones, Jeremy Russell και Philip Rhead για τη βοήθειά τους στο σχεδιασμό, την κατασκευή και τη δοκιμή αυτών των NanoMechanisms. Αναφορά 1. Η nanopositioning βιβλίο, Queensgate Instruments Ltd, 1997 2. Π.Δ. Atherton, Γ. Xu και Μ. McConnell, «Νέα xy στάδιο για την τοποθέτηση και σάρωσης", Πρακτικά Ετήσια Συνάντηση SPIE, το Αύγουστο του 1996, Denver, ΗΠΑ 3. ST Smith και της ΓΔ Chetwynd, Θεμελιώδεις Σχεδιασμού Μηχανισμού Ultraprecision, Gordon και Παραβίαση Science Publishers, 1992 |