सार परिचय Nanometer प्रेसिजन तंत्र की डिजाइन दर्शन (NanoMechanisms) तंत्र समाई स्थिति सेंसर नियंत्रक डिजाइन अवधारणाओं और विचारों कोआर्डिनेट प्रणाली स्थिति शुद्धता: यथार्थता की संकल्पना स्थिति शुद्धता: यथार्थता की संकल्पना एक चरण ले जाने के के लिए, एक स्थिति नियंत्रक करने के लिए आदेश एक कंप्यूटर द्वारा भेजा है. गति एक piezo actuator द्वारा उत्पादित है और एक संवेदक द्वारा निगरानी की . प्रतिक्रिया संकेत का प्रयोग, नियंत्रक मंच चाल महसूस गति और आदेश के बीच का अंतर कम से कम. कितना छोटा अंतर मुख्य रूप से किया जा सकता है सिस्टम को नियंत्रित करने की क्षमता द्वारा निर्धारित और ठीक कैसे चरण तैनात किया जा सकता है के रूप में व्याख्या की जा सकती है. यह स्पष्ट है कि स्थिति परिशुद्धता मुख्य रूप से (शोर स्तर) संकल्प, reproducibility (बहाव और हिस्टैरिसीस) और प्रणाली की मैपिंग (मानचित्रण के उच्च क्रम त्रुटि) त्रुटि से प्रभावित हो जाएगा. इसके अलावा, अगर चरण गति है जो एक आदर्श व्यवस्था माना जाता है एक बाहरी मापने डिवाइस के साथ मापा जाता है, वहाँ आज्ञा स्थिति और इच्छित स्थान के बीच एक अंतर हो जाएगा: कैसे बंद वे स्थिति यथार्थता के रूप में परिभाषित कर रहे हैं. इसलिए, अंतिम स्थिति सटीकता दोनों स्थिति और सटीक पोजीशनिंग यथार्थता द्वारा निर्धारित किया जाना चाहिए, के रूप में चित्रा 4 में दिखाया गया है. कैसे इन में से निपटा NanoMechanisn डिजाइन निम्नलिखित वर्गों में चर्चा की जाएगी.  चित्रा 4 मापन सटीकता. संकल्प और शोर माप या स्थिति के संकल्प सीधे प्रणाली के शोर के स्तर से संबंधित है. पीक शोर के स्तर के लिए एक चोटी आसानी से या नहीं मापा जाता है व्याख्या, के बाद आप किसी भी शोर वितरण के साथ एक बड़े विचलन यदि आप काफ़ी समय से इंतज़ार कर सकते हैं. इसलिए rms मूल्य सामान्य रूप से प्रयोग किया जाता है जो मानक उपकरण के साथ मापा जा सकता है है. शोर आयाम वितरण महत्वपूर्ण है जब संकल्प को देख. आमतौर पर गाऊसी शोर हावी है और इस मामले में rms मानक विचलन, सिग्मा के बराबर है . नमूने ले लिया 68.3% एक मतलब मूल्य के भीतर सिग्मा हो जाएगा. इसका मतलब है कि वहाँ दो विशेषताएं जो दो सिग्मा के अलावा शोर की दूरी, 5 आंकड़े में दिखाया के रूप में (या दो विशेषताएं है जो छह सिग्मा अलग कर रहे हैं को हल करने के 99.7% मौका) को हल करने के 68.3% मौका है.  5 चित्रा दो पदों हल. शोर शक्ति स्पेक्ट्रम जानकारी के सबसे महत्वपूर्ण टुकड़ा है. यह शोर के अंतर्निहित स्रोतों दिखा सकते हैं - जैसे साधन उठाओ, जो 50 या 60 हर्ट्ज पर स्थानीय है. चित्रा 6 डीएसपी आधारित NPS3000 नियंत्रक के शोर शक्ति स्पेक्ट्रम का एक माप को दर्शाता है. साढ़े - यह <pm.Hz 10 के एक शोर स्तर से पता चलता है. परीक्षण में, NPS3000 नियंत्रक 100 हर्ट्ज की एक मंच बैंडविड्थ के साथ काम बंद लूप मोड में एक एकल अक्ष चरण (एनपीएस Z-15B), नियंत्रण करने के लिए प्रयोग किया जाता है. शोर संकेतों पर प्लॉट किए जाते एचवी ड्राइव piezo actuator के लिए लागू वोल्टेज से हैं . 50 हर्ट्ज साधन उठाओ एक बहुत कम स्तर पर स्पष्ट रूप से हालांकि देखा जा सकता है.  6 NPS3000 नियंत्रक का शोर स्पेक्ट्रम चित्रा.. में शोर NanoMechanism प्रणाली में सामान्य है, सेंसर शोर, piezo ड्राइव शोर, यांत्रिक शोर और ध्वनिक शोर से बना है . सेंसर शोर नियंत्रण पाश द्वारा एक कमांड के रूप में व्याख्या की जा जाएगा और इस प्रकार वास्तविक विस्थापन शोर हो जाता है. संवेदक से प्रतिक्रिया संकेत के लिए एक ड्राइव वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए piezo actuators के लिए लागू किया जा करने के लिए प्रयोग किया जाता है. Piezo ड्राइव वोल्टेज शोर इस प्रक्रिया में पेश किया जाएगा और चरण पोजीशनिंग शोर करने के लिए योगदान. इस शोर के प्रभाव संवेदक द्वारा पता लगाया जा सकता है और, इसलिए, कम से कम आंशिक रूप से बाहर servoed . प्रणाली की ड्राइव शोर बाहर सहायक करने की क्षमता बैंडविड्थ सेट पर निर्भर करता है: उच्च बैंडविड्थ बेहतर योगदान servoed है. भूमि कंपन और ध्वनिक शोर जैसे बाहरी यांत्रिक आदानों भी मंच को स्थानांतरित करने के लिए कारण होगा. इन आदानों के प्रभाव मंच की कठोरता को बढ़ाने के द्वारा कम किया जा सकता है. यह भी बाहर servoed जा सकता है यदि सिस्टम बैंडविड्थ पर्याप्त उच्च है. नियंत्रण प्रणाली के लिए NPS3000 माप बैंडविड्थ 12 kHz और बंद लूप बैंडविड्थ 2 kHz जो सामान्य रूप से मंच तंत्र की गतिशील विशेषताओं द्वारा प्रभुत्व है स्थापित किया जा सकता है. Linearity और मानचित्रण एक आदर्श दुनिया में, एक मंच पूरी तरह से रेखीय होना चाहिए. दुनिया के लगभग आदर्श है, लेकिन काफी नहीं है. अभ्यास में समाई सेंसर के linearity नाममात्र (या भटका समाई) इलेक्ट्रोड सतहों और गैर समानता अंतराल की मोटाई के रूप में कई कारकों से प्रभावित किया जा सकता है है, आदि [1 ]. आदेश में पता करने के लिए वास्तविक या मंच की गति की स्थिति क्या है और इस प्रकार linearity मुआवजा लागू करने के लिए, प्रणाली के लिए उच्च सटीकता के साथ एक बाहरी मापने डिवाइस के खिलाफ calibrated किया गया है. आदेश स्थिति, एक्स ग, जो आंतरिक संवेदक और वास्तविक स्थिति, एक्स पी के द्वारा मापा स्थिति का प्रतिनिधित्व करता है एक निश्चित सीमा तक, एक मानचित्रण समारोह के रूप में व्यक्त के साथ संबंधित हो सकता है है पी एक्स = च (एक्स ग). मानचित्रण समारोह के साधारण से फ़ॉर्म को एक बिजली की श्रृंखला है  (1) आदर्श रूप में एक 0, 2, 3, 4 ... शून्य और a1, एकता होगा, तो सेंसर पैमाने कारक, a1, रैखिक वास्तविक के बीच संबंधों का वर्णन कारक है चरण स्थिति के रूप में एक hypothetically सही सही स्थिति के द्वारा मापा उपयोगकर्ता के कंप्यूटर के लिए सेंसर और स्थिति माप वापस खिलाया . मानचित्रण यथार्थता व्यक्ति 'एक' गुणांक पर त्रुटियों के सेट की विशेषता है. जब मानचित्रण समारोह के पहले के आदेश (एक सीधी रेखा) है, मानचित्रण त्रुटि पैमाने कारक अनिश्चितता हो जाता है . वास्तविक स्थिति और माप के लिए एक सबसे अच्छा फिट सीधी रेखा के बीच अवशिष्ट linearity त्रुटि (आम तौर पर हम linearity त्रुटि के रूप में परिभाषित साढ़े लेने रैखिक सबसे अच्छा फिट से अवशिष्ट लेने) देता है. एक उदाहरण के रूप में 0.05% की एक 0 सुक्ष्ममापी स्थिति और 100 सुक्ष्ममापी स्थिति है जब एक रैखिक सन्निकटन किया जाता है के बीच एक 50 एनएम निरपेक्ष स्थिति अनिश्चितता 7 चित्र में दिखाया के रूप में (क) में 100 सुक्ष्ममापी रेंज डिवाइस परिणाम में त्रुटि linearity. आमतौर पर के लिए nanosensors linearity से विचलन लगभग अणुवृत्त आकार का है और कुछ सिस्टम में इस डीएसपी को शामिल किए बिना इलेक्ट्रॉनिक के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए आसान है. एक compensating, थोड़ा अपूर्ण है, दूसरे के साथ परवलय के परिणाम आमतौर पर बहुत कम आयाम का एक एस वक्र है तो मानचित्रण त्रुटि बहुत कम है, के रूप में 7 चित्रा (ख ) में दिखाया गया है. यह एक 1 और 1 समीकरण के एक 2 शब्दों का उपयोग करने के लिए बराबर है. यदि एक उच्च आदेश शब्दों का उपयोग किया गया, एक और भी बेहतर परिणाम प्राप्त किया जा सकता है . यह उपयोगकर्ता के कंप्यूटर में माइक्रोप्रोसेसर आधारित सेंसर सिस्टम में आसानी से या बाह्य से किया जा सकता है . यह पाया गया है कि वहाँ जाने में चौथे क्रम की तुलना में अधिक लाभ के लिए थोड़ा है, 7 (ग ) चित्रा देखें.  (क)  (ख)  (ग) 7 चित्रा मानचित्रण त्रुटि और linearity. परजीवी प्रस्तावों और त्रुटियाँ चरणों में परजीवी गतियों या तो कोणीय रूप में पहचाना जा सकता है: x, y और z अक्षों के बारे में रोटेशन, या रैखिक: बाहर विमान गति, गैर orthogonality और crosstalk की, और अप्रत्याशित स्थिति त्रुटियों मिलवा देंगे. परजीवी मंच शरीर की विकृतियों के कारण गतियों सावधान डिजाइन और संरचना पैरामीटर अनुकूलन के द्वारा कम से कम किया जा सकता है है. विवश अक्षों में कठोरता के रूप में संभव के रूप में उच्च है, और गति की धुरी में कम के रूप में संभव के रूप में में डिज़ाइन किया गया होना चाहिए. इस में हासिल की है NanoMechanisms ठीक वंक पैटर्न की व्यवस्था और वंक मापदंडों को ध्यान से चुनने के द्वारा. हालांकि, वंक डिजाइन कभी कभी प्रणाली गुंजयमान आवृत्ति है, जो मोड युग्मन के कारण, सभी दिशाओं में कठोरता उच्च करने की आवश्यकता है है द्वारा सीमित है. परिमित तत्व विश्लेषण FEA स्थानीय और वैश्विक विकृतियों की भविष्यवाणी के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है और इसलिए संरचना ठीक बलों दसगुणा या अपरिहार्य विकृतियों एक दूसरे को रद्द करने के लिए अनुकूलित कर सकते हैं. यदि इन परजीवी गतियों अपेक्षित हैं तो वे मुआवजा दिया जा सकता है . ध्यान दें कि इन गतियों चरण स्थिति के एक समारोह कर रहे हैं, लेकिन जरूरी रैखिक नहीं कर रहे हैं जटिल स्थलाकृति के लिए अग्रणी. प्रस्ताव में कोई हिस्टैरिसीस भविष्यवाणी बहुत कठिन बना देता है है - अगर असंभव नहीं है. इस कारण के लिए, सिस्टम में परिवर्तन बल अत्यधिक रैखिक और repeatable होना चाहिए. घर्षण हमेशा हिस्टैरिसीस बल की दिशा बदलने के कारण का एक स्रोत है. जब नमूनों करने के लिए एक पर बढ़ रहे हैं NanoMechanism , 'अब्बे त्रुटियों को ध्यान से परजीवी कोणीय गतियों के कारण माना जा है. छोटे कोणीय त्रुटियों नैनोमीटर स्तर पर एक बड़ा असर पड़ सकता है: उदाहरण के लिए, सिर्फ 1 μrad के झुकाव के साथ एक 1 मिमी की भरपाई 1 एनएम स्थिति त्रुटि देता है . इस प्रभाव को कम करने के लिए, नमूनों सेंसर के मापने अक्षों में संभव के रूप में करीब के रूप में तैनात किया जाना चाहिए है. उदाहरण के लिए, xyz तीन अक्ष में NanoMechanism प्रणाली नमूना धारक बिंदु है जो सेंसर मापने अक्षों के साथ सह - घटना है पर स्थित है, के रूप में 8 चित्र में दिखाया. xy चरण के रोटेशन त्रुटियों के प्रभाव इस प्रकार कम किया जा सकता है.  8 चित्रा 3 डी Nanomechanism. सामग्री निर्माण सामग्री के थर्मल गुणों अक्सर दोनों डिजाइन और परिशुद्धता उपकरणों के उपयोग के लिए मुख्य चिंता का विषय हैं. सामान्य उपयोग में, सभी यांत्रिक उपकरणों पर्यावरण तापमान परिवर्तन, actuators में शक्ति का अपव्यय, ऑपरेटर से निपटने और इतने पर की वजह से गर्मी आदानों मुठभेड़ . थर्मल अशांति का सीधा प्रभाव थर्मल विस्तार है जो यांत्रिक घटकों के आयाम बदलने के कारण, साधन सटीकता के नुकसान में जिसके परिणामस्वरूप है. आयामी सामग्री के तापमान में परिवर्तन के कारण बदलने के थर्मल विस्तार की अपनी गुणांक (सीटीई), जो विभिन्न सामग्रियों के साथ काफी भिन्न होता है की विशेषता है. सामान्य में, कम से कम थर्मल विस्तार गुणांक के साथ थर्मल प्रभाव, निर्माण सामग्री को कम करने के लिए इस्तेमाल किया जाना चाहिए है. हालांकि कुछ मामलों में कम थर्मल क़ब्ज़ा करना के रूप में डिवाइस और उसके बढ़ते के बीच करीब क़ब्ज़ा करना मैच के रूप में उपयोगी नहीं है. इसके अलावा, थर्मल विस्तार के साथ सामना करने के लिए सुधार नियंत्रण विधियों के माध्यम से संभव हो रहे हैं: तापमान और मापा जा सकता है एक सुधार प्रदान करने के लिए इस्तेमाल किया. एक अन्य समस्या थर्मल gradients है. वे संरचना विरूपण कारण है, जिसके लिए क्षतिपूर्ति संभव नहीं है. थर्मल gradients के प्रभाव से बचने के लिए सामग्री कम तापीय चालकता के साथ या तो चुना कर सकते हैं, जैसे सुपर इन्वार और Zerodur, या उच्च चालकता के साथ, जैसे अल्युमीनियम, जहां प्रणाली थर्मल संतुलन जल्दी पहुँचता है. पर्यावरण कई सटीक उपकरणों के प्रभाव को कम करने के लिए जानबूझकर छोटे तैयार हो रहे हैं. इसके अलावा सामग्री के यांत्रिक गुणों को ध्यान से विचार किया है . उदाहरण के लिए, शक्ति और यंग मापांक के अनुपात / ई, अधिकतम सीमा है जो वंक तंत्र द्वारा प्राप्त किया जा सकता है सीमा. हालांकि, कम है यंग मापांक के लिए पर्याप्त कठोरता प्रदान करने में सक्षम नहीं किया जा सकता है NanoMechanism या अपनी सीमा है जो कभी कभी metrological गृहीत के रूप में प्रयोग किया जाता है. इसके अलावा, तंत्र और उसके actuators के बीच स्थानीय संपर्क कठोरता एक यांत्रिक प्रणाली के गुंजयमान आवृत्ति पर एक प्रत्यक्ष प्रभाव पड़ता है - गुंजयमान आवृत्ति नीचे अपर्याप्त संपर्क कठोरता की वजह से ड्रॉप कर सकते हैं. इसके अलावा सामग्री के द्रव्यमान के गतिशील गुणों के लिए एक बड़ा फर्क कर सकते हैं NanoMechanisms. उदाहरण के लिए सुपर इन्वार और एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं के घनत्व अनुपात के बारे में 3, तो एक एल्यूमीनियम प्रणाली के गुंजयमान आवृत्ति √ 3 बार एक सुपर इन्वार प्रणाली की है कि अधिक से अधिक हो सकता है यदि सिस्टम की कठोरता वही कर रहे हैं कर सकते हैं. NanoMechanism उपकरणों के कुछ उदाहरण एनपीएस-Z-15A / B यह एक एकल अक्ष रेखीय गति मंच है जो z अक्ष के साथ एक शुद्ध गति का उत्पादन करने के लिए डिज़ाइन किया गया है. चरण 15 सुक्ष्ममापी की एक बंद लूप रेंज और <0.06% की एक विशिष्ट उप nanometer संकल्प के साथ linearity (क्षतिपूर्ति के बिना) है . मुआवजे के बाद गैर linearity आमतौर पर <0.02% नीचे चला जाता है. एक कॉम्पैक्ट वंक तंत्र चरण में बनाया गया है परजीवी बंद अक्ष और piezo ढेर से टिप झुकाव गतियों दसगुणा. झुकाव त्रुटियों के लिए पूरी रेंज पर कम से कम 1 μrad, (वंक तंत्र के बिना झुकाव त्रुटियों 15 μrad अधिक सामान्य रूप से कर रहे हैं) मापा जाता है. कम हिस्टैरिसीस नैनोमीटर metrological क्षमता हासिल करने के लिए मंच के लिए एक और महत्वपूर्ण विशेषता है. 9 चित्रा मंच से स्थिर प्रदर्शन का एक विशिष्ट माप परिणाम है एनपीएस Z-15B , जो 0.01% की linearity त्रुटि और एक उप नैनोमीटर हिस्टैरिसीस को दर्शाता है. विनिर्देशों के अधिकांश एक Zygo ZMI 1000 interferometer का उपयोग कैलिब्रेटेड थे . हालांकि उप नैनोमीटर हिस्टैरिसीस के माप मुश्किल हो जाता है interferometer का उपयोग है - तो उन मापन के लिए एक Queensgate nanosensor इस्तेमाल किया गया था . मंच के गुंजयमान आवृत्ति 2 kHz है जो सबसे अनुप्रयोगों के लिए एक अच्छा गतिशील प्रतिक्रिया देता है जब इसके साथ प्रयोग किया है NPS3000 नियंत्रक. एक कदम प्रतिक्रिया चित्रा 10 में दिखाया गया है.  9 चित्रा Linearity और एनपीएस Z-15B के हिस्टैरिसीस.  10 चित्रा. एनपीएस-Z-15B के चरण प्रतिक्रिया. एनपीएस-XY-100A इस बीच में एक 40 मिमी व्यास एपर्चर (NSOM अनुप्रयोगों के लिए सुविधाजनक) के साथ एक दो अक्ष रेखीय गति मंच है . यह उप nanometer संकल्प के साथ 100 100 सुक्ष्ममापी के एक गतिशील रेंज है . सावधान डिजाइन और परिशुद्धता निर्माण करके, z अक्ष (घ छ z, घ क्ष z) के बारे में घूर्णी त्रुटियों को नियंत्रित कर रहे हैं कम से कम 10 μrad और अन्य घूर्णी त्रुटियों icantly पूरी श्रृंखला से अधिक छोटे insignif हैं. हिस्टैरिसीस श्रेणी के 0.01% से कम के रूप में मापा गया था. 11 चित्रा मंच से स्थिर प्रदर्शन का एक विशिष्ट माप परिणाम प्रस्तुत एनपीएस-XY-100A . इंटीग्रल कीनेमेटीक्स बढ़ते तंत्र के लिए आंतरिक ड्राइव बलों और थर्मल विस्तार से प्रेरित उपभेदों को राहत देने में मदद करता है, प्रणाली की स्थिरता में सुधार. कीनेमेटीक्स बढ़ते तंत्र सुनिश्चित करता है कि प्रणाली गृहीत जिस पर नमूना जांच या सामान्य रूप से स्थित है मंच मंच के केंद्र पर है, इसलिए है कि थर्मल प्रभाव को प्रभावी ढंग से decoupled किया जा सकता है. मंच सुपर इन्वार से बना है और 300 हर्ट्ज पर एक गुंजयमान आवृत्ति है. सिस्टम में अतिरिक्त भिगोना शुरू करके, एक 10 एमएस छोटा सा कदम की प्रतिक्रिया के लिए समय बस, प्राप्त किया जा सकता है के रूप में चित्रा 12 में दिखाया गया है. एनपीएस-XY-100 मेल और एनपीएस-Z-15 रूपों एक 3 डी स्थिति और स्कैनिंग प्रणाली, के रूप में 8 चित्रा, जो metrological एसपीएम अनुप्रयोगों के लिए आदर्श है में दिखाया गया है.  11 चित्रा Linearity और एनपीएस-XY-100A के हिस्टैरिसीस.  चित्रा 12 एनपीएस-XY-100A के चरण प्रतिक्रिया. निष्कर्ष में प्रयुक्त प्रौद्योगिकियों के कुछ Queensgate 'नैनोमीटर सटीक तंत्र शुरू किया गया है और समझाने की कैसे नैनोमीटर या भी नैनोमीटर उप स्तर पर एक metrological क्षमता के साथ प्राप्त किया जा सकता चर्चा NanoMechanisms. जिस तरह से वे अति सटीक पोजीशनिंग तकनीक का वर्णन किया जाता है में कुछ metrological अवधारणाओं को स्पष्ट किया गया है. डिजाइन विचार, संकल्प और शोर, linearity, और हिस्टैरिसीस, थर्मल विस्तार और बल विरूपण, और गैर - orthogonality जैसे परजीवी गतियों (crosstalk), रोटेशन त्रुटियों और 'अब्बे त्रुटियों आदि है, जो स्थिति त्रुटियों का परिचय और समस्याओं के संदर्भ के साथ चर्चा की गई है प्रणाली के लिए अनिश्चितता. इन त्रुटियों से बचने या कम से कम करने के लिए कुछ दृष्टिकोण का उल्लेख किया गया है. यह दोनों अनुकूलित डिजाइन और उन्नत मुआवजा तकनीक शामिल है. अधिक विस्तृत जानकारी से उपलब्ध है [3] Queensgate . की एक श्रृंखला NanoMechanisms , एकल अक्ष से बहु धुरी चरणों से लेकर, डिजाइन किया गया है और निर्माण. इन चरणों के संयोजन नैनोमीटर परिशुद्धता के साथ आजादी के छह डिग्री तक की गति प्रदान कर सकते हैं. प्रारंभिक परीक्षण कम शोर स्तर, उप नैनोमीटर हिस्टैरिसीस, बहुत छोटे परजीवी गति, उच्च linearity और अच्छा कदम की प्रतिक्रिया के रूप में आशाजनक परिणाम दिखाया गया है. Metrological विशेषताओं का एक व्यापक मूल्यांकन बहु धुरी सिस्टम के लिए विशेष रूप से एक जटिल और लंबी अवधि परियोजना, और अधिक परिष्कृत metrological तकनीक और उन्नत उपकरणों को शामिल है. इसके अलावा परिणाम निकट भविष्य में सूचित किया जाएगा . आभार लेखकों के लिए डिजाइन, निर्माण और इन NanoMechanisms परीक्षण में उनकी मदद के लिए ग्राहम जोन्स, जेरेमी रसेल और फिलिप Rhead धन्यवाद व्यक्त करना चाहते हैं. संदर्भ 1. Nanopositioning बुक, Queensgate इंस्ट्रूमेंट्स लिमिटेड, 1997 2. पीडी आथर्टन, वाई Xu और एम. McConnell, "स्थिति और स्कैनिंग के लिए नई xy मंच" की कार्यवाही SPIE वार्षिक बैठक अगस्त 1996, डेनवर, संयुक्त राज्य अमरीका 3. अनुसूचित जनजाति स्मिथ और महानिदेशक Chetwynd, Ultraprecision तंत्र डिजाइन के आधार, गॉर्डन और ब्रीच विज्ञान प्रकाशक, 1992 |