Design et Caractérisation des Mécanismes de Précision de Nanomètre - Données de Fournisseur des Instruments de Queensgate

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Sujets Couverts

Résumé

Introduction

Philosophie de Design des Mécanismes de Précision de Nanomètre (NanoMechanisms)

Mécanismes

Capteur de Position de Capacité

Contrôleur

Concepts et Considérations de Construction

Système Du Même Rang

Positionner l'Exactitude : Le Concept du Trueness

Définition et Bruit

Linéarité et Mappage

Mouvements et Erreurs Parasites

Caractéristiques Dynamiques

Matériaux

Quelques Exemples des Dispositifs de NanoMechanism

NPS-Z-15A/B

NPS-XY-100A

Conclusions

Remerciements

Référence

Résumé

Pour satisfaire les exigences de l'ultra-précision positionnant et balayant, une suite de précision positionnant des mécanismes a été développée récent aux Instruments de Queensgate, qui combine Queensgate piézoélectrique et des technologies de NanoSensor dans les positionneurs multiaxes qui ont la capacité de positionner avec la sous-nanometric exactitude. En cet article la philosophie de design et certaines des technologies utilisées dans le développement de ces mécanismes sont introduites et discutées pour expliquer comment une capacité métrologique au nanomètre ou même au sous-nanomètre de niveau peut être réalisée. Quelques premiers résultats sont inclus, dans lesquels stationne avec l'erreur de linéarité de 0.01 %, l'hystérésis de sous-nanomètre, les mouvements parasites angulaires très faibles et la bonne réponse dynamique, Etc. sont expliqués.

Introduction

Ces dernières années, suite aux développements rapides dans les domaines variés de l'ingénierie de précision, là a été une grande augmentation du besoin de systèmes positionnants et de balayages de précision capables du nanomètre ou, parfois, même de la définition de sous-nanomètre et de la répétabilité. Cette tendance est prévue de se développer, exigeant des concepts de construction et des techniques neufs pour l'exploration des dispositifs plus nouveaux de satisfaire les exigences des applications variées. Par exemple, les steppers de disque effectuent des puces de silicium avec la ligne largeurs vers le bas à 200 nanomètre ; Des Microscopes de Balayage de Sonde sont utilisés pour déterminer à quel point de telles puces sont effectuées ; et l'introduction de M. technologie de tête permet à des disques de 5 Gigas de devenir la norme. Ces machines, et les machines qui effectuent ces machines, cartel ont avancé le design optique avec la technologie avancée de contrôle de mouvement, qui peut positionner des composants à une exactitude d'un nanomètre ou les améliorer.

Pour relever le défi de ces développements, les Instruments de Queensgate développe une ultra-précision positionnant la technologie qui combine Queensgate piézoélectrique et la technologie de NanoSensor en positionneurs multiaxes avec la capacité de positionner avec la sous-nanometeric exactitude. Ce système se compose de suite des stades, du NanoMechanisms appelé, y compris les stades uniques d'axe, les stades de x/y et les stades Etc. d'inclinaison. Les combinaisons de ces stades peuvent fournir trois, quatre, cinq ou six degrés de liberté positionnant des ensembles.

Philosophie de Design des Mécanismes de Précision de Nanomètre (NanoMechanisms)

Mécanismes

Les dispositifs Piézoélectriques ont le potentiel de déménager des stades avec la définition et la raideur exigées pour positionner de précision de nanomètre. Cependant, parce que les dispositifs piézoélectriques sont non linéaires et montrent l'hystérésis, un senseur externe est exigé pour régler leur position. Le micromètre de capacité est idéalement adapté à cette tâche, étant petit et simple avec une capacité intrinsèque de définition qui est effectivement infinie. Pour réaliser un mouvement unique pur d'axe, un mécanisme de guidage de flexure est utilisé, qui met en application des contraintes à hors des mouvements d'axe et combine le déclencheur et le senseur piézo-électriques ensemble pour former un système intégral de stade. Les flexures sont normalement monolithiquement coupure dans les stades utilisant EDM usinant, qui donne une précision très haute dans la performance.

Le Schéma 1 est un tableau typique de bloc de gestion de boucle bloquée de ce genre de système. Dans le tableau, le mouvement mesuré par le senseur est alimenté de nouveau au Contrôleur, qui déménage le stade pour réduire à un minimum la différence entre le mouvement senti et la commande. Dans ce cas, la précision positionnante dans la boucle de métrologie est principalement déterminée par les capacités du senseur et du Contrôleur.

AZoNano - Nanotechnologie - schéma fonctionnel D'un système de contrôle unique d'axe de NanoMechanism.

Le Schéma 1. schéma fonctionnel D'un système de contrôle unique d'axe de NanoMechanism.

Capteur de Position de Capacité

Le NanoSensor est une capacité hautement linéaire sentant le dispositif avec des erreurs de linéarité < de 0.02 % sur sa plage spécifique de fonctionnement (normalement entre 100 le µm de ~ 500). Le Fonctionnement au-dessus des erreurs réduites d'une linéarité de domaine de en-dessous de 0,01% sont possible. Le NanoSensor a un niveau sonore de position en fonctionnement le fonctionnement normal de < 0,005 nanomètres. Hertz (RMS) et peut être fabriqué des matériaux très stables comme l'Invar Superbe ou le Zerodur. Il est de non contact et exempt de l'hystérésis. Il a également les avantages d'être très compact, simple, bon marché, et sans la dispersion d'alimentation électrique au moment où la mesure. Ainsi il est bien adapté à la mesure précise des déplacements extrêmement petits.

Contrôleur

En concevant un système avec 0,1 définitions de nanomètre et µm 100 échelonnez-vous la capacité d'atteindre que le domaine digitalement sous la gestion par ordinateur est normalement extrêmement difficile, puisque c'est une dynamique de 1 part dans million de, ou 20 bits. Pour traiter ce problème Queensgate ont développé un système de contrôle (DSP) basé de Processeur de Signaux Numériques, qui a une définition intrinsèque de plus de 21 bits, et sont adressables digitalement. Il convient noter que ceci dépasse de loin la définition de la plupart des convertisseurs d'A/D et de D/A disponibles actuellement et est ci-dessous les niveaux sonores dans la plupart des applications. Des algorithmes de contrôle digitaux Avancés d'IDENTIFICATION PERSONNELLE ont été utilisés dans le système. Un schéma fonctionnel du Contrôleur de boucle bloquée est affiché sur le Schéma 2. La réaction de système peut être améliorée en introduisant les conditions proportionnelles et différentielles. Le contrôle par retour de l'information de Vitesse (condition différentielle) peut grand aider en amortissant des résonances mécaniques, réduisant des temps de stabilisation. La largeur de bande fonctionnante peut être réglée par ordinateur et des paramètres de boucle soient définis par l'utilisateur pour l'optimisation de performance.

AZoNano - Nanotechnologie - schéma fonctionnel De contrôle de boucle bloquée d'IDENTIFICATION PERSONNELLE.

Le Schéma 2. schéma fonctionnel De contrôle de boucle bloquée d'IDENTIFICATION PERSONNELLE.

Utilisant un tel Contrôleur il est possible de mesurer la non-linéarité et de la compenser. En Outre une fois que des mouvements angulaires parasites dans de tels mécanismes ont été caractérisés il est possible de les compenser dans un système multiaxe complexe. Les erreurs de linéarité peuvent être entièrement compensées < 0.02 %. Ci-dessous cela les mesures sont normalement limitées par la linéarité intrinsèque des systèmes d'étalonnage.

L'utilisation de cette technique compensatrice est très importante pour réaliser une capacité métrologique au niveau de nanomètre. Il est évident que dans la boucle d'avertissement le senseur ne soit pas absolument linéaire, ainsi la linéarité de système peut être encore améliorée par la compensation de logiciel. Dans Le Meilleur Des Cas, le mécanisme devrait montrer des mouvements orthogonaux purs - c.-à-d., un dispositif de x/y doit seulement avoir des degrés de liberté le long du x et des axes des ordonnées. En réalité, là existent des mouvements (parasites) incontrôlés résultant de la déformation due aux forces internes et aux limitations de fabrication. Les erreurs de ces mouvements parasites ont été réduites à un minimum en optimisant le design mécanique et peuvent être réduites davantage par la technique de compensation. Notez que les erreurs parasites peuvent seulement être compensées si elles sont prévisibles, c.-à-d. les mouvements parasites doivent être non seulement mesurables mais également reproductible.

Concepts et Considérations de Construction

Système Du Même Rang

D'abord il est nécessaire de définir combine utilisé pour décrire des positions. Le système évident à utiliser pour positionner des stades est un Cartésien orthogonal Combinent le système. Avec celui-ci peut définir une position avec son X, Y, Z et une rotation arbitraire comme composants de rotation au sujet des haches de X, de Y et de Z, suivant les indications du Schéma 3. Plus utilement on peut décrire un mouvement comme changement du X, Y et Z. Des Rotations sont décrites en ce qui concerne les haches de X, de Y et de Z dans un sens droitier. Les conditions lancent, roulent et le lacet sont employé souvent en parlant des rotations. Ces conditions sont utiles en décrivant des rotations parasites provoquées par un mouvement linéaire, mais des soins grands doivent être pris pendant qu'elles sont mentionnées le sens du mouvement plutôt qu'un système défini d'axe. Pour un avion en vol, une rotation autour d'un axe tiré du saumon au saumon est hauteur de son ; une rotation autour d'un axe baissé la longueur du fuselage est rouleau et une rotation autour d'un axe vertical est lacet. Dans le système Cartésien défini si le « plan » vole le long du θ positif de sens de X est hauteur de son, le γ est rouleau et le φ est lacet.

AZoNano - Nanotechnologie - système Du Même Rang.

Le Schéma 3. système Du Même Rang.

Positionner l'Exactitude : Le Concept du Trueness

Pour déménager un stade, une commande de position est envoyée au Contrôleur par un ordinateur. Le mouvement est produit par un déclencheur piézo-électrique et surveillé par un senseur. Utilisant le signal de retour, le Contrôleur déménage le stade pour réduire à un minimum la différence entre le mouvement senti et la commande. Comment le petit la différence peut être est principalement déterminé par la capacité de réglage du système et peut être interprété comme comment avec précision le stade peut être positionné. Il est évident que la précision positionnante sera principalement affectée définition (niveau sonore), reproductibilité (chassoir et hystérésis) et en traçant l'erreur (erreur d'ordre élevé du mappage) du système. D'ailleurs, si le mouvement de stade est mesuré avec un dispositif de mesure externe on assume qu'est un système parfait, il y aura qui une différence entre la position commandée et la position désirée : comme elles proches sont est défini en tant que positionner le trueness. Par Conséquent, l'exactitude positionnante finale devrait être déterminée par la précision positionnante et le trueness positionnant, suivant les indications du Schéma 4. Comment ceux-ci sont traités en le design de NanoMechanisn sera discuté dans les parties suivantes.

AZoNano - Nanotechnologie - exactitude de Mesure.

Le Schéma 4. Exactitude de Mesure.

Définition et Bruit

La définition de la mesure ou de positionner est directement liée au niveau sonore du système. Un niveau sonore de crête à crête n'est pas facilement mesuré ou n'est pas interprété, puisqu'avec n'importe quelle distribution de bruit vous pouvez obtenir un grand écart si vous attendez assez longtemps. Par Conséquent on utilise normalement la valeur de RMS qui peut être mesurée avec l'équipement standard. La distribution d'amplitude de bruit est importante en regardant la définition. Le bruit Habituellement Gaussien domine et dans ce cas le RMS est équivalent à l'écart-type, sigma. 68.3 % d'échantillons prélevés sera à moins d'un sigma de la moyenne. Cela signifie qu'il y a une possibilité de 68.3 % de résoudre deux caractéristiques techniques qui sont une distance du sigma deux du bruit à part, suivant les indications du schéma 5, (ou occasion de 99.7 % de résoudre deux caractéristiques techniques qui sont six sigmas à part).

AZoNano - Nanotechnologie - Résolution de deux positions

Le Schéma 5. Résolvant deux positions.

Le spectre de puissance de bruit est une information la plus importante. Il peut révéler les sources fondamentales de bruit - telles que des canalisations reprenez, qui est localisé à 50 ou 60 Hertz. Le Schéma 6 explique une mesure du spectre de puissance de bruit du Contrôleur NPS3000 basé de PROTOCOLE DE SYSTÈME D'ANNUAIRE. Ceci affiche un niveau sonore de < 22h. Hertz. Dans le test, le Contrôleur NPS3000 est employé pour régler un stade unique d'axe, (le NPS-Z-15B), en mode en boucle bloquée avec une largeur de bande fonctionnante de stade de 100 Hertz. Les signes de bruit tracés sont de la tension d'entraînement de HT appliquée au déclencheur piézo-électrique. Les canalisations de 50 Hertz sélectionnent peuvent être vues de manière dégagée bien que très à un inférieur.

AZoNano - Nanotechnologie - Ébruitez le spectre du Contrôleur NPS3000

Le Schéma 6. spectre de Bruit du Contrôleur NPS3000.

Le bruit dans le système de NanoMechanism est, généralement composé de bruit de senseur, de bruit piézo-électrique d'entraînement, de bruit mécanique et de bruit acoustique. Le bruit de Senseur sera interprété par la boucle d'avertissement car une commande et devient ainsi bruit réel de déplacement. Le signal de retour du senseur est employé pour produire d'une tension d'entraînement à appliquer aux déclencheurs piézo-électriques. Le bruit Piézo-électrique de tension d'entraînement sera introduit dans ce procédé et contribuer au stade positionnant le bruit. L'effet de ce bruit peut être trouvé par le senseur et, en conséquence, au moins partiellement servoed à l'extérieur. La capacité du système au servo à l'extérieur le bruit d'entraînement dépend de la largeur de bande réglée : plus est élevée la largeur de bande plus la cotisation servoed à l'extérieur mieux. Les puissances d'entrée mécaniques Externes telles que la vibration de terre et le bruit acoustique feront également déménager le stade. Les effets de ces puissances d'entrée peuvent être réduits à un minimum en augmentant la raideur du stade. Il peut également servoed à l'extérieur si la largeur de bande de système est suffisamment élevée. Pour le système de contrôle NPS3000 la largeur de bande de mesure peut être installée à 12 kilohertz et à largeur de bande de boucle bloquée 2 kilohertz qui est normalement dominée par les caractéristiques dynamiques des mécanismes de stade.

Linéarité et Mappage

Dans un monde idéal, un stade devrait être parfaitement linéaire. Le monde est presque idéal mais pas bien. Dans la pratique la linéarité du senseur de capacité peut être affectée par beaucoup de facteurs tels que l'épaisseur de l'écartement nominal (ou de la capacité de bête perdue) et le non-parallélisme des surfaces d'électrode, etc. [1]. Afin de connaître ce qu'est le mouvement ou la position réel du stade et appliquer ainsi la compensation de linéarité, le système doit être étalonné contre un dispositif de mesure externe avec de grande précision. La position de commande, xc, qui représente la position a mesuré par le senseur interne et la position réelle, xp, peut, dans une certaine mesure, être associée avec un fonctionnement de mappage exprimé comme xp = f (x)c. La forme simple du fonctionnement de mappage est des séries entières

(1)

Dans Le Meilleur Des Cas a0, a2, a3,4… serait zéro et l'unité a1 ; puis le facteur de proportionnalité de senseur, a1, est le facteur linéaire décrivant la relation entre la position réelle de stade comme mesuré par un capteur de position précis hypothétiquement parfait et la mesure de position alimentés de nouveau à l'ordinateur de l'utilisateur. Le trueness de mappage est caractérisé par l'ensemble d'erreurs sur coefficients de la personne les « a ». Quand le fonctionnement de mappage est la première commande (une ligne droite), l'erreur de mappage devient l'incertitude de facteur de proportionnalité. Le résiduel entre la position réelle et une ligne droite de l'ajustement normal pour la mesure donne l'erreur de linéarité (normalement nous définissons l'erreur de linéarité comme sélection de ½ pour sélectionner le résiduel de l'ajustement linéaire). Comme exemple, une erreur de linéarité de 0.05 % dans un dispositif de domaine de 100 µm a comme conséquence une incertitude absolue de position de 50 nanomètre entre les 0 positions de µm et la position de 100 µm quand une approximation linéaire est effectuée, suivant les indications du Schéma 7 (a). Habituellement pour NanoSensors l'écart de la linéarité est rugueux parabolique et dans des quelques systèmes il est facile compenser c'électroniquement sans concerner le PROTOCOLE DE SYSTÈME D'ANNUAIRE. Le résultat de compenser un, légèrement imparfait, parabole avec des des autres est habituellement une courbure de S d'amplitude beaucoup inférieure ainsi l'erreur de mappage est beaucoup inférieure, suivant les indications du Schéma 7 (b). C'est équivalent à utiliser l'a1 et2 des conditions de l'équation 1. Si on étaient d'utiliser les termes évolués, un résultat encore meilleur pourrait être réalisé. Ceci peut être fait facilement dans des systèmes sur microprocesseur de senseur ou extérieurement dans l'ordinateur de l'utilisateur. On l'a constaté qu'il y a peu à gagner en passant à 1 passent commande que quatrièmement, voient le Schéma 7 (c).

AZoNano - Nanotechnologie - erreur et linéarité de Mappage

(a)

AZoNano - Nanotechnologie - erreur et linéarité de Mappage

(b)

AZoNano - Nanotechnologie - erreur et linéarité de Mappage

(c)

Le Schéma 7. erreur et linéarité de Cartographie.

Mouvements et Erreurs Parasites

Des mouvements Parasites par stades peuvent être recensés en tant que l'un ou l'autre angulaire : rotation au sujet des haches de x, de y et de z ; ou linéaire : hors du mouvement, de la non-orthogonalité et de l'interférence plats ; et introduira des erreurs positionnantes inattendues. Les mouvements parasites provoqués par des déformations du fuselage de stade peuvent être réduits à un minimum par optimisation de paramètre attentive de design et de structure. Dans les haches contraintes la raideur devrait être conçue pour être aussi élevée comme possible, et aussi bas comme possible à l'axe du mouvement. Ceci est réalisé dans le NanoMechanisms en arrangeant correctement la configuration de flexure et en choisissant les paramètres de flexure soigneusement. Cependant, le design de flexure est parfois limité par la fréquence de résonance de système qui, à cause du couplage de mode, exige de la raideur dans tous les sens d'être élevée. L'analyse par éléments finis FEA peut être employée pour prévoir que des déformations locales et globales et par conséquent la structure peut être correctement optimisée pour découpler les forces ou effectuer les déformations inévitables annulez-vous. Si ces mouvements parasites sont prévisibles puis ils peuvent être compensés. Notez que ces mouvements sont un fonctionnement de la position de stade, mais ne soyez pas forcément linéaire, en menant à la topographie complexe. N'importe Quelle hystérésis en mouvement rend la prévision très dure - sinon impossible. Pour Cette Raison, les changements de force du système doivent être hautement linéaires et reproductibles. La Friction est toujours une source d'hystérésis, due au sens changeant de la force.

Quand des spécimens sont montés en circuit à un NanoMechanism, des erreurs d'Abbe doivent être considérées soigneusement dues aux mouvements angulaires parasites. Les Petits écarts angulaires peuvent avoir un grand affect au niveau de nanomètre : par exemple, une inclinaison de juste 1 µrad avec un décalage de 1 millimètre donne une 1 erreur de position de nanomètre. Pour réduire cet effet, des spécimens devraient être positionnés aussi étroitement comme possible aux haches de mesure des senseurs. Par exemple, dans un système gyroscopique de NanoMechanism de x-y-z le support de spécimen est situé à la remarque qui est coïncidente avec les haches de mesure de senseur, suivant les indications du Schéma 8. Les effets des erreurs de rotation du stade de x/y peuvent être réduits à un minimum ainsi.

AZoNano - Nanotechnologie - 3D NanoMechanism.

Le Schéma 8. 3D Nanomechanism.

Les mouvements parasites linéaires tels que la non-orthogonalité ou l'interférence sont principalement affectés par des tolérances de fabrication et les déformations du cadre de stade si le cadre est utilisé niveau comme senseurs'. Les haches de deux paires de senseurs au stade de x/y doivent être très orthogonales entre eux et coïncidentes aux haches mobiles de la plate-forme. Utilisant la technologie manufacturière moderne l'écart de l'orthogonalité des haches de senseur peut être généralement réglé à moins de 0,5 millirutherfords qui donne une erreur d'orthogonalité de 0,5 nm/µm (c.-à-d. 0.05 %) dans le plan de x/y.

Par le montage cinématique, la référence de position devient décelable et les déformations de l'expansion thermique et de la force d'entraînement peuvent être découplées. C'est important pour que le stade ait la capacité métrologique au niveau de nanomètre. Même pour un stade Superbe d'Invar de la taille de 100 x 100 millimètres, un changement de températureo 1C entraînera à 30 le changement de nanomètre de la cote ( = /Co). La courbure de cadre de stade provoquée par la force d'entraînement est type de l'ordre des dix aux centaines de nanomètre [2]. Sans montage cinématique une incertitude de position environ de ces mêmes grandeurs pourrait être introduite dans le système.

Caractéristiques Dynamiques

Hormis la métrologie et l'exactitude du mouvement, les performances du système dynamiques sont également importantes parce que la stabilité et la vitesse sont critiques à beaucoup d'applications. Dans Le Meilleur Des Cas il n'y aurait aucun retard de phase entre la commande et la position, et le mécanisme répondrait parfaitement à une puissance d'entrée de phase - aucun temps de montée, au-dessus de pousse, ou au temps de stabilisation.

Pour un système mécanique linéaire, de second ordre, mouiller, la fréquence de résonance est déterminée par la raideur de système et le Massachusetts. Dans un mécanisme de façon optimale conçu, la raideur est habituellement dominée par la raideur des piles piézo-électriques à son axe de traduction. Pour un stade avec l'amplification de mouvement, la raideur pertinente du déclencheur piézo-électrique sera réduite en tant que ke = k/Gp2, où kp est la raideur de piézo-électrique et G est l'amplification. La Réduction de la masse peut augmenter la fréquence de résonance de système. Cependant, pendant que la masse de la plate-forme diminue la performance de stade devient plus sensible à l'influence de la masse de charge, c.-à-d. la fréquence de résonance chutera vers le bas rapidement à mesure que la masse du spécimen augmente. Des propriétés Dynamiques du système peuvent également être améliorées par d'autres élans tels qu'introduire un matériau de amortissement correcte ou utiliser des techniques avancées de servocommande. Dans l'instrumentation, les caractéristiques de design utilisent souvent le critère du temps de stabilisation, défini comme le temps nécessaire pour que le système arrange dans un certain pourcentage de la puissance d'entrée. Pour NanoMechanisms, comme d'autres instruments, le temps de stabilisation est une description plus directe de la performance dynamique que la fréquence de résonance. Pour un NanoMechanism piloté piézo-électrique, le temps de stabilisation comprend le moment de pivotement et le moment pris pour que les vibrations résonnantes diminuent. L'ancien est dominé par les tarifs de saut de papier qui sont déterminés par la capacité des piles piézo-électriques et la capacité actuelle d'entraînement de l'électronique d'entraînement. Pour des systèmes du second degré la condition spécifie type un délai maximum avant que la sortie atteigne à moins de 2 % de sa dernière valeur après une modification de puissance d'entrée de phase, qui prend une durée d'approximativement quatre constantes de temps (4τ=4/ξω),n où le τ est constante de temps, facteur d'amortissement de ξ et fréquence de résonancen de ω [3]. De ceci il peut voir que la réaction de système peut être améliorée en augmentant la fréquence de résonance et le facteur d'amortissement. Normalement, les stades de charnière de flexure sont hautement résonnants avec des facteurs d'amortissement très faibles. Par Conséquent, l'amortissement supplémentaire sera très utile et peut effectivement réduire le temps de délabrement, mais seulement s'il peut être introduit sans friction, puisque ceci peut entraîner l'hystérésis. Si ceci est fait dans l'algorithme de contrôle, alors aucune friction ne sera introduite.

Matériaux

Les propriétés Thermiques des matériaux de construction sont souvent la principale préoccupation pour le design et utilisation des instruments de précision. Dans l'utilisation normale, tous les dispositifs mécaniques rencontrent des puissances d'entrée de chaleur provoquées par le changement de température environnemental, dispersion d'alimentation électrique dans des déclencheurs, téléphoniste traitant et ainsi de suite. L'effet direct du bruit thermique est une expansion thermique qui entraînera la modification de cote des éléments mécaniques, ayant pour résultat la perte d'exactitude d'instrument. La modification dimensionnelle d'un matériau dû à un changement de la température est caractérisée par son Coefficient d'Expansion Thermique (CTE), qui varie énormément avec différents matériaux. Réduire Généralement l'effet thermique, des matériaux de construction avec le coefficient minimal d'expansion thermique devraient être utilisés. L'expansivity thermique Néanmoins dans certains cas faible n'est pas aussi utile que la correspondance proche d'expansivity entre le dispositif et son montage. D'ailleurs, les corrections à satisfaire à l'expansion thermique sont possibles par des techniques de contrôle : la température peut être mesurée et employée pour fournir une correction. Un Autre problème est des gradients thermiques. Ils entraînent la déformation de structure, à laquelle la compensation n'est pas possible. Pour éviter les effets des gradients thermiques, les matériaux peuvent être choisis avec la conduction thermique faible, telle que l'Invar Superbe et le Zerodur, ou avec la conductivité élevée, telle que l'Aluminium, où le système atteint l'équilibre thermique rapidement. Pour réduire les effets de l'environnement beaucoup de dispositifs de précision sont délibérément conçus pour être petits.

Également les propriétés mécaniques des matériaux doivent être soigneusement considérées. Par exemple, le taux de la force et du module De Young, /E, limites la portée maximale qui peut être réalisée par des mécanismes de flexure. Cependant, le module De Young faible peut ne pas pouvoir fournir une raideur suffisante pour le NanoMechanism ou son cadre, qui est parfois utilisé comme niveau métrologique. De Plus, la raideur locale de contact entre le mécanisme et ses déclencheurs exerce un effet direct sur la fréquence de résonance d'un système mécanique - la fréquence de résonance peut chuter vers le bas à cause de la raideur insuffisante de contact. Également la masse du matériau peut effectuer une différence importante aux propriétés dynamiques de NanoMechanisms. Par exemple le taux de densité des alliages d'Invar et d'aluminium Superbes est environ 3, ainsi la fréquence de résonance d'un système en aluminium peut être les périodes √3 plus haut que cela d'un système Superbe d'Invar si la raideur des systèmes sont identique.

Quelques Exemples des Dispositifs de NanoMechanism

NPS-Z-15A/B

C'est un stade de mouvement linéaire d'unique-axe qui est conçu pour produire un mouvement pur le long de l'axe de z. Le stade a un domaine de boucle bloquée du µm 15 et une linéarité typique < de 0.06 % (sans compensation) avec la définition de sous-nanomètre. Après compensation la non-linéarité chute type vers le bas < à 0.02 %. Un mécanisme compact de flexure est conçu dans le stade pour découpler le parasite hors des mouvements d'axe et d'extrémité-inclinaison des piles piézo-électriques. Les erreurs de inclinaison sont mesurées pour être moins de 1 µrad sur le domaine entier, (sans mécanisme de flexure les erreurs de inclinaison sont normalement plus de µrad 15). L'hystérésis Faible est une autre caractéristique technique importante pour que le stade réalise la capacité métrologique de nanomètre. Le Schéma 9 est un résultat typique de mesure de performance statique du stade NPS-Z-15B, qui explique une erreur de linéarité de 0,01% et une hystérésis de sous-nanomètre. La Plupart des caractéristiques ont été étalonnées utilisant un interféromètre 1000 de Zygo ZMI. Cependant la mesure de l'hystérésis de sous-nanomètre devient difficile utilisant l'interféromètre - ainsi pour ces mesures un Queensgate NanoSensor a été utilisé. La fréquence de résonance du stade est de 2 kilohertz qui donne une bonne réponse dynamique pour la plupart des applications une fois utilisé avec le Contrôleur NPS3000. Une réaction de phase est affichée sur le Schéma 10.

AZoNano - Nanotechnologie - Linéarité et hystérésis de NPS-Z-15B.

Le Schéma 9. Linéarité et hystérésis de NPS-Z-15B.

AZoNano - Nanotechnologie - réaction de Phase de NPS-Z-15B

Le Schéma 10. réaction de Phase de NPS-Z-15B.

NPS-XY-100A

C'est un stade biaxial de mouvement linéaire avec une ouverture de 40 millimètres de diamètre au milieu (pratique pour des applications de NSOM). Il a une dynamique du µm 100 100 avec la définition de sous-nanomètre. Par fabrication attentive de design et de précision, les erreurs rotationnelles autour de l'axe de z (δγz, δθz) sont moins le µrad de 10 réglé et d'autres erreurs rotationnelles sont de manière insignifiante petites sur le domaine entier. L'hystérésis a été mesurée comme moins de 0.01 % du domaine. Le Schéma 11 présente un résultat typique de mesure de performance statique du stade NPS-XY-100A. Le mécanisme cinématique Intégral de montage aide à détendre les tensions induites par les forces motrices internes et l'expansion thermique, améliorant la stabilité du système. Le mécanisme cinématique de montage s'assure que le niveau de système est au centre de la plate-forme de stade sur lequel le spécimen ou la sonde est normalement situé, de sorte que l'effet thermique puisse être effectivement découplé. Le stade est fait d'Invar Superbe et a une fréquence de résonance plus de 300 Hertz. En introduisant des frais supplémentaires mouillant dans le système, un temps de stabilisation de 10 Mme pour la réaction de petit pas peut être réalisé, suivant les indications du Schéma 12. La Combinaison de NPS-XY-100 et de NPS-Z-15 forme un système positionnant et de balayage de 3D, suivant les indications du Schéma 8, qui est idéal pour des applications métrologiques de SPM.

AZoNano - Nanotechnologie - Linéarité et hystérésis de NPS-XY-100A.

Le Schéma 11. Linéarité et hystérésis de NPS-XY-100A.

AZoNano - Nanotechnologie - réaction de Phase de NPS-XY-100A

Le Schéma 12. Réaction de Phase de NPS-XY-100A.

Conclusions

Certaines des technologies utilisées dans des mécanismes de précision du nanomètre de Queensgate ont été introduites et discutées pour expliquer comment une capacité métrologique au nanomètre ou même le sous-nanomètre de niveau peut être réalisée avec le NanoMechanisms. Quelques concepts métrologiques se sont expliqués de la manière qu'ils sont employés pour décrire l'ultra-précision positionnant des techniques. Les considérations de design ont été discutées concernant les problèmes de la définition et ébruitent, linéarité et déformation d'hystérésis, d'expansion thermique et de force, et mouvements parasites comme la non-orthogonalité (interférence), les erreurs de rotation et les erreurs Etc. d'Abbe, qui introduisent des erreurs positionnantes et l'incertitude au système. Quelques élans pour éviter ou réduire à un minimum ces erreurs ont été mentionnés. Ceci concerne les deux le design optimisé et les techniques avancées de compensation. Plus d'informations détaillées sont fournies par Queensgate [3]. Une suite de NanoMechanisms, s'échelonnant de l'axe unique aux stades multi d'axe, a été conçue et établie. La combinaison de ces stades peut fournir à des mouvements de jusqu'à six degrés de liberté la précision de nanomètre. Le Premier test a donné des résultats prometteurs, tels que le faible niveau de bruit, l'hystérésis de sous-nanomètre, les mouvements parasites très petits, la linéarité élevée et la bonne réaction de phase. Une évaluation globale des caractéristiques métrologiques est un projet compliqué et à long terme, particulièrement pour les systèmes multi d'axe, concernant des techniques métrologiques plus sophistiquées et des instruments avancés. D'autres résultats seront enregistrés dans un avenir proche.

Remerciements

Les auteurs voudraient exprimer des mercis à Graham Jones, à Jeremy Russell et à Philip Rhead de leur aide en modèle, établissement et test ces NanoMechanisms.

Référence

1.      Le Nanopositioning Book, Queensgate Instruments Ltd, 1997

2. P.D. Atherton, Y. Xu et M. McConnell, « stade de x/y Neuf pour positionner et balayer », Démarches de la Rencontre Annuelle de SPIE, Août 1996, Denver, ETATS-UNIS

3. S.T. Smith et D.G. Chetwynd, Fondations de Design de Mécanisme d'Ultraprecision, Gordon et la Science Publishers, 1992 d'Infraction

Auteur Primaire : Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks et Malachy McConnel.

Source : Instruments de Queensgate.

Pour plus d'informations sur cette source visitez s'il vous plaît les instruments de Queensgate.

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

Last Update: 15. July 2013 15:59

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