Diseño y Caracterización de los Mecanismos de la Precisión del Nanómetro - Datos del Surtidor por los Instrumentos de Queensgate

AZoNano - Nanotecnología - Logotipo de los instrumentos de Queensgate

Temas Revestidos

Extracto

Introducción

Filosofía de Diseño de los Mecanismos de la Precisión del Nanómetro (NanoMechanisms)

Mecanismos

Sensor de Posición de la Capacitancia

Controlador Aéreo

Conceptos y Consideraciones de Diseño

Sistema Coordinado

Colocación de Exactitud: El Concepto de Trueness

Resolución y Ruido

Linearidades y Correspondencia

Movimientos y Desvíos Parásitos

Características Dinámicas

Materiales

Algunos Ejemplos de los Dispositivos de NanoMechanism

NPS-Z-15A/B

NPS-XY-100A

Conclusiones

Acuses De Recibo

Referencia

Extracto

Para cubrir las demandas de la ultra-precisión que colocaban y que exploraban, una serie de precisión que colocaba mecanismos se ha desarrollado recientemente en los Instrumentos de Queensgate, que combina Queensgate piezoeléctrico y las tecnologías de NanoSensor en los posicionadores multiaxiales que tienen la capacidad de colocar con exactitud sub-nanometric. En este papel la filosofía de diseño y algo de las tecnologías usadas en el revelado de estos mecanismos se introducen y se discuten para explicar cómo una capacidad metrológica en el nanómetro o aún el sub-nanómetro nivelado puede ser lograda. Se demuestran Algunos resultados iniciales son incluidos, en los cuales efectúa con desvío de las linearidades del 0.01%, histéresis del sub-nanómetro, movimientos parásitos angulares muy inferiores y la buena reacción dinámica, Etc.

Introducción

Estos últimos años, como resultado de progresos rápidos en diversos campos de la ingeniería de precisión, tiene sido un aumento grande en la necesidad de los sistemas de colocación y de exploración de la precisión capaces de nanómetro o, a veces, incluso de la resolución del sub-nanómetro y de la repetibilidad. Se prevee Esta tendencia de crecer, requiriendo nuevos conceptos de diseño y técnicas para la exploración de dispositivos más nuevos cubrir las demandas de diversas aplicaciones. Por ejemplo, los steppers del fulminante están haciendo chipes de silicio con la línea anchos hacia abajo a 200 nanómetro; Los Microscopios de Exploración de la Antena se utilizan para establecer como de bien se hacen tales virutas; y la introducción de SR. tecnología de la carga permite que los discos de 5 Gigabytes se conviertan en la norma. Estas máquinas, y las máquinas que hacen estas máquinas, cosechadora avance diseño óptico con la tecnología avanzada del mando de movimiento, que puede colocar componentes a una exactitud de un nanómetro o mejorarlos.

Para hacer frente al reto de estos progresos, los Instrumentos de Queensgate están desarrollando una ultra-precisión que coloca la tecnología que combina Queensgate piezoeléctrico y la tecnología de NanoSensor en los posicionadores multiaxiales con la capacidad de colocar con exactitud sub-nanometeric. Este sistema se compone de una serie de escenarios, llamada NanoMechanisms, incluyendo únicos escenarios del eje, escenarios x-y y los escenarios Etc. de la inclinación. Las combinaciones de estos escenarios pueden proporcionar a tres, cuatro, cinco o seis grados de libertad que colocan unidades.

Filosofía de Diseño de los Mecanismos de la Precisión del Nanómetro (NanoMechanisms)

Mecanismos

Los dispositivos Piezoeléctricos tienen el potencial de mover escenarios con la resolución y la rigidez requeridas para la colocación de la precisión del nanómetro. Sin Embargo, porque los dispositivos piezoeléctricos son no lineales y exhiben histéresis, un sensor externo se requiere para controlar su posición. El micrómetro de la capacitancia se adapta idealmente a esta tarea, siendo pequeño y simple con una capacidad intrínseca de la resolución que sea efectivo infinita. Para lograr un único movimiento puro del eje, un mecanismo que conduce de la flexión se utiliza, que ejecuta apremios a de movimientos del eje y combina el actuador y el sensor piezoeléctricos junto para formar un sistema integral del escenario. Las flexiones normalmente se cortan monolítico en los escenarios usando EDM que labra a máquina, que da una precisión muy alta en funcionamiento.

El Cuadro 1 es un diagrama típico del bloque de gestión del bucle cerrado de esta clase de sistema. En el diagrama, el movimiento medido por el sensor se introduce de nuevo al controlador aéreo, que mueve el escenario para disminuir la diferencia entre el movimiento detectado y el mando. En este caso, la precisión de colocación en el bucle de la metrología es determinada principal por las capacidades del sensor y del controlador aéreo.

AZoNano - Nanotecnología - Bloque Diagrama de un único sistema de mando del eje de NanoMechanism.

Cuadro 1. Bloque Diagrama de un único sistema de mando del eje de NanoMechanism.

Sensor de Posición de la Capacitancia

El NanoSensor es un dispositivo que detecta de la capacitancia altamente lineal con desvíos de las linearidades del < 0.02% sobre su rango de operación especificado (normalmente entre 100 el µm del ~ 500). El Operatorio sobre desvíos reducidos de una linearidad del rango de debajo de 0,01% es posible. El NanoSensor tiene un nivel de ruidos posicional en la operación normal de < 0,005 nanómetros. El Hertz (RMS) y se puede fabricar de los materiales muy estables como el Invar Estupendo o Zerodur. Está sin contacto y libre de histéresis. También tiene las ventajas de ser muy compacto, simple, barato, y sin la disipación de potencia actualmente la medición. Así está bien adaptado a la medición exacta de dislocaciones extremadamente pequeñas.

Controlador Aéreo

Al diseñar un sistema con 0,1 resoluciones del nanómetro y µm 100 coloque la capacidad de llegar hasta que el rango digital bajo control informático es normalmente extremadamente difícil, puesto que es un rango dinámico de 1 porción en millón de, o 20 dígitos binarios. Para abordar este problema Queensgate han desarrollado un sistema de mando basado (DSP) del Procesador de Señal Digital, que tiene una resolución intrínseca de más de 21 dígitos binarios, y es direccionable digital. Debe ser observado que éste excede lejos la resolución de la mayoría de los transformadores del A/D y de D/A disponibles actualmente y está debajo de los niveles de ruidos en la mayoría de las aplicaciones. Los algoritmos de mando digitales Avanzados del PID se han utilizado en el sistema. Bloque diagrama del controlador aéreo del bucle cerrado se muestra en el Cuadro 2. La reacción de sistema puede ser mejorada introduciendo los términos proporcionales y diferenciados. El feedback de la Velocidad (término diferenciado) puede ayudar grandemente en el amortiguamiento de las resonancias mecánicas, reduciendo tiempos de corrección. La anchura de banda de trabajo se puede controlar por el ordenador y los parámetros del bucle sean definidos por el utilizador para la optimización del funcionamiento.

AZoNano - Nanotecnología - Bloque Diagrama del mando de bucle cerrado del PID.

Cuadro 2. Bloque Diagrama del mando de bucle cerrado del PID.

Usando tal controlador aéreo es posible medir la ausencia de linealidad y compensarla. Además una vez que los movimientos angulares parásitos en tales mecanismos se han caracterizado es posible compensarlos en un sistema multiaxial complejo. Los desvíos de las linearidades se pueden compensar completo el < 0.02%. Debajo de eso las mediciones son limitadas normalmente por las linearidades intrínsecas de los sistemas de la calibración.

El uso de esta técnica que compensa es muy importante lograr una capacidad metrológica en el nivel del nanómetro. Es obvio que dentro del bucle de mando el sensor no es absolutamente lineal, así que las linearidades del sistema se pueden mejorar más a fondo por la remuneración del software. Idealmente, el mecanismo debe exhibir movimientos ortogonales puros - es decir, un dispositivo x-y debe solamente tener grados de libertad a lo largo de las hachas de x y de y. En realidad, existen los movimientos (parásitos) incontrolados que se presentan de la distorsión debido a las fuerzas internas y a las limitaciones de fabricación. Los desvíos de estos movimientos parásitos han sido disminuidos optimizando el diseño mecánico y se pueden reducir más lejos por la técnica de la remuneración. Observe que los desvíos parásitos pueden ser compensados solamente si son fiables, es decir los movimientos parásitos tienen que ser no sólo mensurables pero también repetible.

Conceptos y Consideraciones de Diseño

Sistema Coordinado

Primero es necesario definir coordina utilizado para describir posiciones. El sistema obvio a utilizar para colocar escenarios es un Cartesiano ortogonal Coordina el sistema. Con éste puede definir una posición con su X, Y, Z coordinada y una rotación arbitraria como componentes de la rotación sobre las hachas de X, de Y y de Z, tal y como se muestra en del Cuadro 3. Uno puede describir Más provechosamente un movimiento como cambio en el X, Y y Z coordinada. Las Rotaciones se describen en cuanto a las hachas de X, de Y y de Z en un sentido derecho. Los términos echan, laminan y la guiñada es de uso frecuente al hablar de las rotaciones. Estos términos son útiles al describir las rotaciones parásitas causadas por un movimiento lineal, pero el gran cuidado debe ser tomado mientras que se refieren la dirección del movimiento bastante que un sistema definido del eje. Para un avión en vuelo, una rotación sobre un eje extraído de punta de ala a la punta de ala es tono; una rotación sobre un eje drenado abajo de la longitud del fuselaje es lista y una rotación sobre un eje vertical es guiñada. En el sistema Cartesiano definido si el “avión” está volando a lo largo del θ positivo de la dirección de X es tono, el γ es lista y el φ es guiñada.

AZoNano - Nanotecnología - sistema Coordinado.

Cuadro 3. sistema Coordinado.

Colocación de Exactitud: El Concepto de Trueness

Para mover un escenario, un mando de la posición es enviado al controlador aéreo por un ordenador. El movimiento es producido por un actuador piezoeléctrico y vigilado por un sensor. Usando la señal de retorno, el controlador aéreo mueve el escenario para disminuir la diferencia entre el movimiento detectado y el mando. Cómo es pequeño la diferencia puede ser es determinado principal por la capacidad que controla del sistema y puede ser interpretado como cómo el escenario puede ser colocado exacto. Es obvio que la precisión de colocación será afectada principal la resolución (nivel de ruidos), la reproductibilidad (desviación e histéresis) y correlacionando el desvío (desvío de categoría alta de la correspondencia) del sistema. Por Otra Parte, si el movimiento del escenario se mide con un aparato de medición externo que se asuma para ser un sistema perfecto, habrá una diferencia entre la posición ordenada y la posición deseada: cómo está cercano son se define como colocación de trueness. Por Lo Tanto, la exactitud de colocación final se debe determinar por la precisión de colocación y el trueness de colocación, tal y como se muestra en del Cuadro 4. Cómo éstos se ocupan en del diseño de NanoMechanisn será discutido en secciones siguientes.

AZoNano - Nanotecnología - exactitud de la Medición.

Cuadro 4. Exactitud de la Medición.

Resolución y Ruido

La resolución de la medición o de la colocación se relaciona directamente con el nivel de ruidos del sistema. Un nivel de ruidos de pico a pico no se mide ni se interpreta fácilmente, puesto que con cualquier distribución del ruido usted puede conseguir una desviación grande si usted espera bastante tiempo. Por Lo Tanto el valor del rms se utiliza normalmente que se puede medir con el equipo estándar. La distribución de amplitud del ruido es importante al observar la resolución. El ruido Generalmente Gausiano domina y en este caso el rms es equivalente a la desviación estándar, sigma. el 68.3% de muestras recogidas estarán dentro de una sigma del valor medio. Eso significa que hay una ocasión del 68.3% de resolver dos características que sean una distancia de la sigma dos del ruido aparte, tal y como se muestra en de cuadro 5, (u ocasión del 99.7% de resolver dos características que son seis sigmas aparte).

AZoNano - Nanotecnología - Resolución de dos posiciones

Cuadro 5. Que Resuelve dos posiciones.

El espectro de potencia de ruido es un fragmento de información más importante. Puede aparecer las fuentes subyacentes del ruido - tales como cañerías maestras tome, que se localiza en 50 o 60 Hertz. El Cuadro 6 demuestra una medición del espectro de potencia de ruido del controlador aéreo basado DSP NPS3000. Esto muestra un nivel de ruidos de < 10 P.M. Hertz. En la prueba, el controlador aéreo NPS3000 se utiliza para controlar un único escenario del eje, (el NPS-Z-15B), en modo a circuito cerrado con una anchura de banda de trabajo del escenario de 100 Hertz. Las señales de ruido trazadas son del voltaje del mecanismo impulsor del ALTO VOLTAJE aplicado al actuador piezoeléctrico. Las cañerías maestras de 50 Hertz escogen hacia arriba se pueden ver sin obstrucción aunque en un muy bajo.

AZoNano - Nanotecnología - Divulgue el espectro del controlador aéreo NPS3000

Cuadro 6. espectro del Ruido del controlador aéreo NPS3000.

El ruido en el sistema de NanoMechanism es, integrado generalmente por ruido del sensor, ruido piezoeléctrico del mecanismo impulsor, ruido mecánico y ruido acústico. El ruido del Sensor será interpretado por el bucle de mando pues un mando y se convierte en así ruido real de la dislocación. La señal de retorno del sensor se utiliza para generar un voltaje del mecanismo impulsor que se aplicará a los actuadores piezoeléctricos. El ruido Piezoeléctrico del voltaje del mecanismo impulsor será introducido en este proceso y contribuir al escenario que coloca ruido. El efecto de este ruido se puede detectar por el sensor y, por lo tanto, por lo menos servoed parcialmente fuera. La capacidad del sistema al servo fuera el ruido del mecanismo impulsor depende de la anchura de banda fijada: más alta es la anchura de banda mejor la contribución servoed fuera. Las entradas de información mecánicas Externas tales como vibración de tierra y ruido acústico también harán el escenario moverse. Los efectos de estas entradas de información pueden ser disminuidos aumentando la rigidez del escenario. Puede también servoed fuera si la anchura de banda de sistema es suficientemente alta. Para el sistema de mando NPS3000 la anchura de banda de la medición se puede fijar a 12 kilociclos y a la anchura de banda del bucle cerrado 2 kilociclos que es dominada normalmente por las características dinámicas de los mecanismos del escenario.

Linearidades y Correspondencia

En un mundo ideal, un escenario debe ser perfectamente lineal. El mundo es casi ideal pero no muy. Las linearidades del sensor de la capacitancia se pueden afectar En la práctica por muchos factores tales como el espesor de la separación nominal (o de la capacitancia de la onda) y no-paralelismo de las superficies del electrodo, del etc [1]. Para conocer cuál es el movimiento o la posición real del escenario y aplicar así la remuneración de las linearidades, el sistema tiene que ser calibrado contra un aparato de medición externo con alta exactitud. La posición del mando, xc, que representa la posición midió por el sensor interno y la posición real, xp, se puede, relacionar hasta cierto punto con una función de correspondencia expresada como xp = f (x)c. El formulario simple de la función de correspondencia es una serie de potencia

(1)

Idealmente a0, a2, a3,4… sería cero y la unidad a1; entonces el factor de posicionamiento del sensor, a1, es el factor lineal que describe el lazo entre la posición real del escenario según lo medido por un sensor de posición exacto hipotéticamente perfecto y la medición de la posición introducidos de nuevo al ordenador del utilizador. El trueness de correspondencia es caracterizado por el conjunto de desvíos en los coeficientes del individuo “a”. Cuando la función de correspondencia es primera orden (una línea derecha), el desvío de correspondencia se convierte en la incertidumbre del factor de posicionamiento. La residual entre la posición real y una línea derecha del mejor ajuste para la medición da el desvío de las linearidades (definimos normalmente el desvío de las linearidades como selección del ½ para escoger la residual del mejor ajuste lineal). Como un ejemplo, un desvío de las linearidades del 0.05% en un dispositivo del rango de 100 µm da lugar a una incertidumbre absoluta de la posición de 50 nanómetro entre las 0 posiciones del µm y la posición de 100 µm cuando se hace una aproximación lineal, tal y como se muestra en del Cuadro 7 (a). Generalmente para NanoSensors la desviación de linearidades es áspero parabólica y en algunos sistemas esto es fácil de compensar electrónicamente sin la participación del DSP. El resultado de compensar uno, ligeramente imperfecto, parábola con otro es generalmente una Curva doble de una amplitud mucho más inferior así que el desvío de correspondencia es mucho más inferior, tal y como se muestra en del Cuadro 7 (b). Esto es equivalente a usar la a1 y2 los términos de la ecuación 1. Si uno era utilizar los términos más de categoría alta, un resultado incluso mejor podría ser logrado. Esto se puede hacer fácilmente en sistemas por microprocesador del sensor o externamente en el ordenador del utilizador. Se ha encontrado que hay poco a ganar en pasar a ALTO que cuarto ordena, véase el Cuadro 7 (c).

AZoNano - Nanotecnología - Correspondencia de desvío y de linearidades

(a)

AZoNano - Nanotecnología - Correspondencia de desvío y de linearidades

(b)

AZoNano - Nanotecnología - Correspondencia de desvío y de linearidades

(c)

Cuadro 7. desvío y linearidad de Correspondencia.

Movimientos y Desvíos Parásitos

Los movimientos Parásitos en escenarios se pueden determinar como cualquiera angular: rotación sobre las hachas de x, de y y de z; o lineal: fuera del movimiento, de la no-ortogonalidad y de la diafonía planos; e introducirá desvíos de colocación inesperados. Los movimientos parásitos causados por las distorsiones del cuerpo del escenario se pueden disminuir por la optimización de parámetro cuidadosa del diseño y de la estructura. En las hachas obligadas la rigidez se debe diseñar para ser tan alta como sea posible, y tan bajo como sea posible en el eje del movimiento. Esto es lograda en el NanoMechanisms correctamente arreglando el modelo de la flexión y eligiendo los parámetros de la flexión cuidadosamente. Sin Embargo, el diseño de la flexión es limitado a veces por la frecuencia resonante del sistema que, debido al acoplamiento de modo, requiere la rigidez en todas las direcciones ser alta. El análisis de elemento Finito FEA se puede utilizar para predecir que distorsiones locales y globales y por lo tanto la estructura se puede optimizar correctamente para desemparejar las fuerzas o hacer las distorsiones inevitables cancélese. Si estos movimientos parásitos son fiables entonces pueden ser compensados. Observe que estos movimientos son una función de la posición del escenario, pero no sea necesariamente lineal, llevando a la topografía compleja. Cualquier histéresis en el movimiento hace la predicción muy dura - si no imposible. Por este motivo, los cambios de la fuerza en el sistema deben ser altamente lineales y repetibles. La Fricción es siempre una fuente de la histéresis, debido a la dirección cambiante de la fuerza.

Cuando los especímenes se montan conectado a un NanoMechanism, los desvíos del Abbe tienen que ser considerados cuidadosamente debido a los movimientos angulares parásitos. Los Pequeños desvíos angulares pueden tener una influencia grande en el nivel del nanómetro: por ejemplo, una inclinación de apenas 1 µrad con un desplazamiento de 1 milímetro da un 1 desvío de posición del nanómetro. Para reducir este efecto, los especímenes se deben colocar tan cerca como sea posible a las hachas de medición de los sensores. Por ejemplo, en un sistema de tres ejes de NanoMechanism del x-y-z el casquillo del espécimen está situado en la punta que es coincidente con las hachas de medición del sensor, tal y como se muestra en del Cuadro 8. Los efectos de los desvíos de la rotación del escenario x-y pueden ser disminuidos así.

AZoNano - Nanotecnología - 3D NanoMechanism.

Cuadro 8. 3D Nanomechanism.

Los movimientos parásitos lineales tales como no-ortogonalidad o diafonía son afectados principal por tolerancias de fabricación y las distorsiones del bastidor del escenario si el bastidor se utiliza como dato de sensores'. Las hachas de dos pares de sensores en el escenario x-y tienen que ser muy ortogonales el uno al otro y coincidentes a las hachas móviles de la plataforma. Usando tecnología de fabricación moderna la desviación de la ortogonalidad de las hachas del sensor puede ser generalmente controlada dentro de 0,5 milirutherfordes que dé un desvío de la ortogonalidad de 0,5 nm/µm (es decir el 0.05%) en el avión x-y.

Por el montaje cinemático, la referencia de la posición llega a ser detectable y las distorsiones de la extensión térmica y de la fuerza impulsora pueden ser desemparejadas. Esto es importante para que el escenario tenga capacidad metrológica en el nivel del nanómetro. Incluso para un escenario Estupendo del Invar de la talla de 100 x 100 milímetros, un cambioo de temperatura 1C causará a 30 el cambio del nanómetro en la dimensión ( = /Co). El doblar del bastidor del escenario causado por la fuerza impulsora está típicamente en el rango de diez a los centenares del nanómetro [2]. Sin el montaje cinemático una incertidumbre de la posición de esas mismas magnitudes se pudo introducir alrededor en el sistema.

Características Dinámicas

Independientemente de la metrología y de la exactitud del movimiento, el funcionamiento dinámico del sistema es también importante porque la estabilidad y la velocidad son críticas a muchas aplicaciones. No habría Idealmente retraso de fase entre el mando y la posición, y el mecanismo respondería perfectamente a una entrada de información de paso de progresión - ninguna hora de subida, sobre lanzamiento, o a tiempo de settle.

Para un lineal, la segundo-orden, sistema mecánico amortiguar-libre, la frecuencia resonante es determinada por rigidez del sistema y Massachusetts. En un mecanismo óptimo diseñado, la rigidez es dominada generalmente por la rigidez de pilas piezoeléctricas en su eje de la traslación. Para un escenario con la amplificación del movimiento, la rigidez efectiva del actuador piezoeléctrico será reducida como ke = k/Gp2, donde estáp la rigidez k de piezoeléctrico y G es la amplificación. Reducir la masa puede aumentar la frecuencia resonante del sistema. Sin Embargo, como la masa de la plataforma disminuye el funcionamiento del escenario llega a ser más sensible a la influencia de la masa de la carga, es decir la frecuencia resonante caerá hacia abajo rápidamente como la masa del espécimen aumenta. Las propiedades Dinámicas del sistema se pueden también mejorar con otras aproximaciones tales como introducción de un material que amortigua apropiado o usar técnicas avanzadas del servocontrol. En la instrumentación, los pliegos de condiciones del diseño utilizan a menudo la consideración del tiempo de corrección, definida como el tiempo requerido para que el sistema establezca dentro de cierto porcentaje de la entrada de información. Para NanoMechanisms, como otros instrumentos, el tiempo de corrección es una descripción más directa del funcionamiento dinámico que frecuencia resonante. Para un NanoMechanism impulsado piezoeléctrico, el tiempo de corrección consiste en la época el girar rápidamente y la época llevadas para que las oscilaciones resonantes decaigan. El anterior es dominado por el tipo de ciénaga que es determinado por la capacitancia de las pilas piezoeléctricas y la capacidad de mecanismo impulsor actual de la electrónica del mecanismo impulsor. Para los sistemas de segunda orden el requisito especifica típicamente un retraso máximo antes de que el rendimiento alcance dentro del 2% de su valor final después de un cambio de la entrada de información de paso de progresión, que toma una duración de aproximadamente cuatro constantes de tiempo (4τ=4/ξω),n donde está constante de tiempo, factor de amortiguación del ξ y la frecuencia el τ resonanten del ω [3]. De esto puede ser visto que la reacción de sistema puede ser mejorada aumentando la frecuencia resonante y el factor de amortiguación. Normalmente, los escenarios de la charnela de la flexión son altamente resonantes con factores de amortiguación muy inferiores. Por Lo Tanto, el amortiguar extra será muy útil y puede reducir efectivo el tiempo de extinción, pero solamente si puede ser introducido sin la fricción, puesto que esto puede causar histéresis. Si esto se hace dentro del algoritmo de mando, después no se introducirá ninguna fricción.

Materiales

Las propiedades Térmicas de los materiales de construcción son a menudo la mayor preocupación para el diseño y uso de los instrumentos de precisión. En uso normal, todos los dispositivos mecánicos encuentran las entradas de información de calor causadas por el cambio de temperatura ambiental, disipación de potencia en actuadores, operador que manipula y así sucesivamente. El efecto directo de la dispersión térmica es la extensión térmica que causará el cambio de la dimensión de componentes mecánicos, dando por resultado la baja de la exactitud del instrumento. El cambio dimensional de un material debido a un cambio en temperatura es caracterizado por su Coeficiente de la Extensión Térmica (CTE), que varía enormemente con diversos materiales. Para reducir Generalmente el efecto térmico, los materiales de construcción con coeficiente mínimo de la extensión térmica deben ser utilizados. Al Menos en algunos casos bajo el expansivity térmico no es tan útil como el emparejamiento cercano del expansivity entre el dispositivo y su montaje. Por Otra Parte, las correcciones a hacer frente a la extensión térmica son posibles con métodos de control: la temperatura se puede medir y utilizar para proporcionar a una corrección. Otro problema es gradientes térmicos. Causan la distorsión de la estructura, para la cual la remuneración no es posible. Para evitar los efectos de gradientes térmicos, los materiales se pueden elegir con conductividad térmica inferior, tal como Invar Estupendo y Zerodur, o con alta conductividad, tal como Aluminio, donde el sistema alcanza equilibrio térmico rápidamente. Para reducir los efectos del ambiente muchos dispositivos de la precisión se diseñan deliberadamente para ser pequeños.

También las propiedades mecánicas de materiales tienen que ser consideradas cuidadosamente. Por ejemplo, la relación de transformación de la fuerza y del módulo De Young, /E, límites el alcance máximo que se puede lograr por los mecanismos de la flexión. Sin Embargo, el módulo De Young inferior puede no poder proporcionar a una suficiente rigidez para el NanoMechanism o su bastidor, que se utiliza a veces como la dato metrológica. Además, la rigidez local del contacto entre el mecanismo y sus actuadores tiene un efecto directo sobre la frecuencia resonante de un sistema mecánico - la frecuencia resonante puede caer hacia abajo debido a rigidez escasa del contacto. También la masa del material puede diferenciar grande a las propiedades dinámicas de NanoMechanisms. Por ejemplo la relación de transformación de densidad del Invar y de las aleaciones de aluminio Estupendos es cerca de 3, así que la frecuencia resonante de un sistema de aluminio puede ser las épocas √3 más arriba que el de un sistema Estupendo del Invar si la rigidez de los sistemas es lo mismo.

Algunos Ejemplos de los Dispositivos de NanoMechanism

NPS-Z-15A/B

Éste es un escenario del movimiento lineal de único-AXIS que se diseña para producir un movimiento puro a lo largo del eje de z. El escenario tiene un rango del bucle cerrado del µm 15 y una linearidad típica del < 0.06% (sin la remuneración) con la resolución del sub-nanómetro. Después de la remuneración la ausencia de linealidad cae típicamente hacia abajo al < 0.02%. Un mecanismo compacto de la flexión se diseña en el escenario para desemparejar el parásito de movimientos del eje y de la punta-inclinación de las pilas piezoeléctricas. Los desvíos de inclinación se miden para ser menos de 1 µrad sobre rango entero, (sin mecanismo de la flexión los desvíos de inclinación están normalmente sobre el µrad 15). La histéresis Inferior es otra característica importante para que el escenario logre capacidad metrológica del nanómetro. El Cuadro 9 es un resultado típico de la medición del funcionamiento estático del escenario NPS-Z-15B, que demuestra un desvío de las linearidades de 0,01% y una histéresis del sub-nanómetro. La mayor parte de los pliegos de condiciones fueron calibrados usando un interferómetro 1000 de Zygo ZMI. Sin Embargo la medición de la histéresis del sub-nanómetro llega a ser difícil usando el interferómetro - así que para esas mediciones un Queensgate NanoSensor fue utilizado. La frecuencia resonante del escenario es 2 kilociclos que da una buena reacción dinámica para la mayoría de las aplicaciones cuando está utilizado con el controlador aéreo NPS3000. Una reacción de paso de progresión se muestra en el Cuadro 10.

AZoNano - Nanotecnología - Linearidades e histéresis de NPS-Z-15B.

Cuadro 9. Linearidad e histéresis de NPS-Z-15B.

AZoNano - Nanotecnología - reacción de Paso De Progresión de NPS-Z-15B

Cuadro 10. reacción de Paso De Progresión de NPS-Z-15B.

NPS-XY-100A

Esto es un escenario con dos ejes del movimiento lineal con una apertura de 40 milímetros de diámetro en el centro (conveniente para las aplicaciones de NSOM). Tiene un rango dinámico del µm 100 100 con la resolución del sub-nanómetro. Por manufactura cuidadosa del diseño y de la precisión, los desvíos rotatorios sobre el eje de z (δγz, δθz) son menos el µrad controlado de 10 y otros desvíos rotatorios son insignificante pequeños sobre el rango entero. La histéresis fue medida como menos el de 0.01% del rango. El Cuadro 11 presenta un resultado típico de la medición del funcionamiento estático del escenario NPS-XY-100A. El mecanismo cinemático Integral del montaje ayuda a relevar las deformaciones inducidas por las fuerzas impulsoras internas y la extensión térmica, mejorando la estabilidad del sistema. El mecanismo cinemático del montaje se asegura de que la dato del sistema esté en el centro de la plataforma del escenario en el cual el espécimen o la antena está situado normalmente, para poder desemparejar efectivo el efecto térmico. El escenario se hace del Invar Estupendo y tiene una frecuencia resonante sobre 300 Hertz. Introduciendo el repuesto que amortigua en el sistema, un rato de settle de 10 ms para la pequeña reacción de paso de progresión se puede lograr, tal y como se muestra en del Cuadro 12. Combinar NPS-XY-100 y NPS-Z-15 forma un sistema de colocación y de exploración de 3D, tal y como se muestra en del Cuadro 8, que es ideal para las aplicaciones metrológicas de SPM.

AZoNano - Nanotecnología - Linearidades e histéresis de NPS-XY-100A.

Cuadro 11 Linearidad e histéresis de NPS-XY-100A.

AZoNano - Nanotecnología - reacción de Paso De Progresión de NPS-XY-100A

Cuadro 12. Reacción de Paso De Progresión de NPS-XY-100A.

Conclusiones

Algunas de las tecnologías usadas en los mecanismos de la precisión del nanómetro de Queensgate se han introducido y se han discutido para explicar cómo una capacidad metrológica en el nanómetro o aún el sub-nanómetro nivelado se puede lograr con el NanoMechanisms. Algunos conceptos metrológicos se han clarificado de la manera que se utilizan para describir la ultra-precisión que coloca técnicas. Las consideraciones del diseño se han discutido referente a los problemas de la resolución y divulgan, las linearidades e histéresis, distorsión de la extensión térmica y de la fuerza, y los movimientos parásitos como la no-ortogonalidad (diafonía), los desvíos de la rotación y los desvíos Etc. del Abbe, que introducen desvíos e incertidumbre de colocación al sistema. Algunas aproximaciones para evitar o disminuir estos desvíos fueron mencionadas. Esto implica ambo diseño optimizado y técnicas avanzadas de la remuneración. Una información Más detallada está disponible de Queensgate [3]. Una serie de NanoMechanisms, colocando de único eje a los escenarios multi del eje, se ha diseñado y se ha construido. La combinación de estos escenarios puede proveer de movimientos de hasta seis grados de libertad la precisión del nanómetro. La prueba Inicial ha mostrado resultados prometedores, tales como nivel de poco ruido, histéresis del sub-nanómetro, movimientos parásitos muy pequeños, altas linearidades y buena reacción de paso de progresión. Una evaluación completa de características metrológicas es un proyecto complicado y a largo plazo, especialmente para los sistemas multi del eje, implicando técnicas metrológicas más sofisticadas y los instrumentos avanzados. Otros resultados serán señalados en un futuro próximo.

Acuses De Recibo

Los autores quisieran expresar gracias a Graham Jones, a Jeremy Russell y a Philip Rhead por su ayuda en el diseño, la construcción y la prueba esta NanoMechanisms.

Referencia

1.      El Nanopositioning Book, Queensgate Instruments Ltd, 1997

2. P.D. Atherton, Y. Xu y M. McConnell, “Nuevo escenario x-y para colocar y explorar”, Actas de la Reunión Anual de SPIE, Agosto de 1996, Denver, los E.E.U.U.

3. S.T. Smith y D.G. Chetwynd, Asientos del Diseño del Mecanismo de Ultraprecision, Gordon y Ciencia Publishers, 1992 de la Brecha

Autor Primario: Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks y Malachy McConnel.

Fuente: Instrumentos de Queensgate.

Para más información sobre esta fuente visite por favor los instrumentos de Queensgate.

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

Last Update: 15. July 2013 16:35

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