Untuk memenuhi tuntutan ultra-presisi posisi dan scanning, serangkaian mekanisme posisi presisi telah dikembangkan baru-baru ini di Instrumen Queensgate , yang menggabungkan Queensgate yang piezoelektrik dan nanosensor teknologi menjadi multi-sumbu positioner yang memiliki kemampuan untuk posisi dengan sub-nanometric akurasi. Dalam makalah ini filosofi desain dan beberapa teknologi yang digunakan dalam pengembangan mekanisme ini diperkenalkan dan dibahas untuk menjelaskan bagaimana kemampuan metrologi di nanometer atau bahkan tingkat sub-nanometer dapat dicapai. Beberapa hasil awal yang disertakan, di mana tahapan dengan kesalahan linearitas 0,01%, sub-nanometer histeresis, sangat rendah gerakan parasit sudut dan respon dinamik yang baik, dll ditunjukkan. Pengenalan Dalam beberapa tahun terakhir, sebagai hasil dari perkembangan pesat dalam berbagai bidang rekayasa presisi, telah terjadi peningkatan besar dalam kebutuhan untuk penentuan posisi presisi dan sistem pemindaian mampu nanometer atau, kadang-kadang, bahkan sub-nanometer resolusi dan pengulangan. Tren ini diperkirakan akan tumbuh, membutuhkan konsep desain baru dan teknik untuk eksplorasi perangkat novel lebih untuk memenuhi tuntutan berbagai aplikasi. Sebagai contoh, wafer steppers membuat chip silikon dengan lebar garis turun ke 200 nm; Mikroskop Scanning Probe yang digunakan untuk menetapkan seberapa baik chip tersebut dibuat, dan pengenalan teknologi kepala MR memungkinkan 5 Gigabyte disk menjadi norma. Mesin-mesin ini, dan mesin-mesin yang membuat mesin ini, menggabungkan desain optik canggih dengan kontrol gerak teknologi canggih, yang dapat posisi komponen dengan akurasi nanometer atau lebih baik. Untuk memenuhi tantangan dari perkembangan ini, Queensgate Instrumen sedang mengembangkan teknologi ultra-presisi posisi yang menggabungkan Queensgate yang piezoelektrik dan nanosensor teknologi menjadi multi-sumbu positioner dengan kemampuan untuk posisi dengan akurasi sub-nanometeric. Sistem ini terdiri dari serangkaian tahap, disebut NanoMechanisms , termasuk tahap sumbu tunggal, tahap xy dan tahap miring dll kombinasi tahap ini dapat memberikan tingkat tiga, empat, lima atau enam unit posisi kebebasan. Filsafat Desain Mekanisme Presisi Nanometer (NanoMechanisms) Mekanisme Piezo-listrik perangkat memiliki potensi untuk bergerak tahap dengan resolusi dan kekakuan yang diperlukan untuk penentuan posisi presisi nanometer. Namun, karena piezo-listrik perangkat non-linear dan histeresis pameran, sensor eksternal diperlukan untuk mengontrol posisi mereka. Mikrometer kapasitansi ini cocok untuk tugas ini, yang kecil dan sederhana dengan kemampuan resolusi intrinsik yang efektif terbatas. Untuk mencapai gerakan sumbu murni tunggal, sebuah mekanisme lentur membimbing digunakan, yang menerapkan batasan untuk setiap gerakan sumbu off dan menggabungkan aktuator dan sensor piezo bersama untuk membentuk sebuah sistem tahap terpisahkan. Para flexures biasanya monolithically dipotong menjadi tahap menggunakan mesin EDM, yang memberikan presisi yang sangat tinggi dalam kinerja. Gambar 1 adalah kontrol loop tertutup yang khas diagram blok dari sistem semacam ini. Dalam diagram, gerakan diukur oleh sensor diumpankan kembali ke controller, yang bergerak panggung untuk meminimalkan perbedaan antara gerak merasakan dan perintah. Dalam hal ini, ketepatan posisi di loop metrologi terutama ditentukan oleh kemampuan dari sensor dan pengontrol.  Gambar 1. Blok diagram dari sistem kontrol sumbu tunggal NanoMechanism. Kapasitansi Sensor Posisi Para nanosensor adalah perangkat penginderaan kapasitansi sangat linier dengan kesalahan linearitas dari <0,02% selama rentang operasi tertentu nya (biasanya antara 100 ~ 500 pM). Operasi atas berbagai kesalahan linearitas berkurang di bawah 0,01% yang mungkin. Para nanosensor memiliki tingkat kebisingan posisional dalam operasi normal <0,005 nm.Hz - ½ (RMS) dan dapat dibuat dari bahan yang sangat stabil seperti Super Invar atau Zerodur. Ini adalah non-kontak dan bebas dari histeresis. Ini juga memiliki keuntungan menjadi sangat kompak, sederhana, murah, dan tanpa disipasi daya pada titik pengukuran. Jadi cocok untuk pengukuran yang akurat dari pemindahan sangat kecil. Kontroler Ketika merancang sebuah sistem dengan resolusi 0,1 nm dan 100 kisaran pM kemampuan untuk mengakses berbagai digital yang di bawah kontrol komputer biasanya sangat sulit, karena merupakan jangkauan dinamis dari 1 bagian dalam satu juta, atau 20 bit. Untuk mengatasi masalah ini Queensgate telah mengembangkan Digital Signal Processor (DSP) sistem kontrol berbasis, yang memiliki resolusi intrinsik lebih dari 21 bit, dan beralamat digital. Perlu dicatat bahwa ini jauh melebihi resolusi yang paling A / D dan D / A converter yang tersedia saat ini dan di bawah tingkat kebisingan dalam sebagian besar aplikasi. Lanjutan digital PID kontrol algoritma telah digunakan dalam sistem. Diagram blok pengendali loop tertutup ditunjukkan pada Gambar 2. Respon sistem dapat diperbaiki dengan memperkenalkan istilah proporsional dan diferensial. Kecepatan umpan balik (istilah diferensial) dapat sangat membantu dalam redaman resonansi mekanik keluar, mengurangi waktu menetap. Bandwidth kerja dapat dikendalikan oleh komputer dan loop parameter didefinisikan oleh pengguna untuk optimasi kinerja.  Gambar 2. Blok diagram kontrol loop PID tertutup. Menggunakan seperti kontroler adalah mungkin untuk mengukur non-linearitas dan untuk mengkompensasi untuk itu. Selanjutnya gerakan sudut sekali parasit dalam mekanisme tersebut telah ditandai adalah mungkin untuk mengimbangi mereka dalam sistem multi-sumbu kompleks. Kesalahan linearitas dapat sepenuhnya dikompensasi sampai <0,02%. Berikut bahwa pengukuran biasanya dibatasi oleh linearitas intrinsik dari sistem kalibrasi. Penggunaan teknik kompensasi sangat penting untuk mencapai kemampuan metrologi di tingkat nanometer. Hal ini jelas bahwa dalam kontrol loop sensor tidak benar-benar linier, sehingga linearitas sistem dapat lebih ditingkatkan oleh kompensasi perangkat lunak. Idealnya, mekanisme harus menunjukkan gerakan ortogonal murni - yaitu, sebuah perangkat xy hanya harus memiliki derajat kebebasan sepanjang sumbu x dan y. Pada kenyataannya, terdapat tidak terkendali (parasit) gerakan yang timbul dari distorsi karena kekuatan internal dan keterbatasan manufaktur. Kesalahan dari gerakan ini parasit telah diminimalkan dengan mengoptimalkan desain mekanik dan dapat dikurangi lebih lanjut dengan teknik kompensasi. Perhatikan bahwa kesalahan parasit hanya dapat kompensasi jika mereka dapat diprediksi, yaitu gerakan parasit harus tidak hanya terukur tetapi juga berulang. Konsep Desain dan Pertimbangan Sistem Koordinat Pertama adalah perlu untuk menentukan koordinat yang digunakan untuk menggambarkan posisi. Sistem yang jelas akan digunakan untuk tahap posisi adalah Cartesian ortogonal Koordinasi sistem. Dengan yang satu ini dapat menentukan posisi dengan X nya, Y, Z koordinat dan rotasi sewenang-wenang sebagai komponen rotasi tentang X, Y dan sumbu Z, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Lebih berguna yang dapat menggambarkan suatu gerakan sebagai perubahan di X, Y dan Z koordinat. Rotasi dijelaskan sehubungan dengan X, Y dan sumbu Z dalam arti tangan kanan. Istilah pitch, roll dan yaw sering digunakan ketika berbicara tentang rotasi. Istilah-istilah ini berguna ketika menggambarkan rotasi parasit yang disebabkan oleh gerakan linier, tapi hati-hati harus diambil sebagaimana mereka disebut dengan arah gerak daripada sistem sumbu didefinisikan. Untuk pesawat yang terbang, sebuah rotasi terhadap sumbu ditarik dari ujung sayap ke ujung sayap lapangan, sebuah rotasi terhadap sumbu ditarik panjang pesawat yang roll dan rotasi tentang sumbu vertikal yaw. Dalam sistem Cartesian didefinisikan jika 'pesawat' adalah terbang sepanjang arah positif X q lapangan, g adalah gulungan dan f adalah yaw.  Gambar 3. Mengkoordinasi sistem. Positioning Akurasi: Konsep Trueness Untuk memindahkan panggung, perintah posisi dikirim ke controller oleh komputer. Gerak ini dihasilkan oleh aktuator piezo dan dipantau oleh sensor. Menggunakan sinyal umpan balik, controller bergerak panggung untuk meminimalkan perbedaan antara gerak merasakan dan perintah. Bagaimana perbedaan kecil dapat terutama ditentukan oleh kemampuan mengendalikan sistem dan dapat diartikan sebagai bagaimana tepatnya panggung dapat diposisikan. Jelas bahwa posisi presisi akan terutama terpengaruh oleh resolusi (tingkat kebisingan), reproduktifitas (drift dan histeresis) dan kesalahan pemetaan (urutan kesalahan yang tinggi pemetaan) dari sistem. Apalagi, jika gerakan tahap diukur dengan alat ukur eksternal yang diasumsikan untuk menjadi sistem yang sempurna, akan ada perbedaan antara posisi diperintahkan dan posisi yang diinginkan: seberapa dekat mereka didefinisikan sebagai trueness posisi. Oleh karena itu, akurasi posisi akhir harus ditentukan oleh kedua presisi posisi dan trueness posisi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Bagaimana ini dibahas dalam NanoMechanisn desain akan dibahas dalam bagian berikut.  Gambar 4. Akurasi Pengukuran. Resolusi dan Kebisingan Resolusi pengukuran atau posisi yang secara langsung berkaitan dengan tingkat kebisingan dari sistem. Sebuah puncak ke puncak tingkat kebisingan tidak mudah diukur atau ditafsirkan, karena dengan distribusi suara Anda bisa mendapatkan deviasi besar jika Anda menunggu cukup lama. Oleh karena nilai rms biasanya digunakan yang dapat diukur dengan peralatan standar. Distribusi amplitudo kebisingan penting ketika melihat resolusi. Biasanya kebisingan Gaussian mendominasi dan dalam hal ini rms setara dengan deviasi standar, sigma. 68,3% dari sampel yang diambil akan dalam satu sigma dari nilai rata-rata. Itu berarti ada kemungkinan 68,3% untuk menyelesaikan dua fitur yang merupakan jarak dua sigma kebisingan terpisah, seperti yang ditunjukkan pada gambar 5, (atau 99,7% kemungkinan untuk menyelesaikan dua fitur yang enam sigma terpisah).  Gambar 5. Menyelesaikan dua posisi. Spektrum kekuatan suara adalah bagian paling penting dari informasi. Hal ini dapat muncul sumber-sumber yang mendasari suara - seperti listrik menjemput, yang terlokalisir pada 50 atau 60 Hz. Gambar 6 menunjukkan pengukuran spektrum kekuatan suara dari kontroler berbasis DSP NPS3000. Ini menunjukkan tingkat kebisingan <10 pm.Hz - ½. Dalam pengujian, controller NPS3000 digunakan untuk mengontrol tahap sumbu tunggal, (NPS-Z-15B), di loop tertutup modus dengan bandwidth tahap kerja 100 Hz. Sinyal suara diplot adalah dari tegangan drive HV diterapkan pada aktuator piezo. 50 Hz listrik menjemput dapat terlihat jelas meskipun pada tingkat yang sangat rendah.  Gambar 6. Spektrum Kebisingan dari NPS3000 kontroler. Kebisingan di NanoMechanism sistem, secara umum, terdiri dari sensor noise, kebisingan piezo drive, suara mesin dan kebisingan akustik. Kebisingan sensor akan ditafsirkan oleh kontrol loop sebagai perintah dan dengan demikian menjadi kebisingan perpindahan aktual. Sinyal umpan balik dari sensor digunakan untuk menghasilkan tegangan drive yang akan diterapkan pada aktuator piezo. Piezo hard tegangan kebisingan akan diperkenalkan dalam proses ini dan berkontribusi untuk kebisingan posisi panggung. Efek suara ini dapat dideteksi oleh sensor dan, oleh karena itu, setidaknya sebagian servoed keluar. Kemampuan sistem untuk servo drive yang keluar suara tergantung pada set bandwidth: bandwidth yang semakin tinggi semakin baik kontribusi yang servoed keluar. Eksternal input mekanis seperti getaran tanah dan kebisingan akustik juga akan menyebabkan panggung untuk bergerak. Efek dari masukan ini dapat diminimalkan dengan meningkatkan kekakuan panggung. Hal ini juga dapat servoed keluar jika bandwidth sistem yang cukup tinggi. Untuk sistem kontrol NPS3000 pengukuran bandwidth dapat diatur hingga 12 kHz bandwidth yang tertutup dan loop 2 kHz yang biasanya didominasi oleh karakteristik dinamik dari mekanisme panggung. Linearitas dan Pemetaan Dalam dunia yang ideal, panggung harus sempurna linier. Dunia hampir ideal, tetapi tidak cukup. Dalam prakteknya linearitas dari sensor kapasitansi dapat dipengaruhi oleh banyak faktor seperti ketebalan kesenjangan nominal (atau kapasitansi) dan non-paralelisme dari permukaan elektroda, dll [1]. Dalam rangka untuk mengetahui apa yang sebenarnya gerakan atau posisi dari panggung dan dengan demikian untuk menerapkan kompensasi linearitas, sistem harus dikalibrasi terhadap perangkat pengukuran eksternal dengan akurasi yang tinggi. Posisi perintah, x c, yang mewakili posisi diukur oleh sensor internal dan posisi yang sebenarnya, x p, bisa, sampai batas tertentu, terkait dengan fungsi pemetaan dinyatakan sebagai x p = f (x c). Bentuk sederhana dari fungsi pemetaan adalah deret pangkat  (1) Idealnya 0, 2, 3, 4 ... akan kesatuan nol dan a1, kemudian faktor skala sensor, a1, adalah faktor linear yang menggambarkan hubungan antara aktual posisi panggung yang diukur dengan akurat posisi hipotetis sempurna posisi sensor dan pengukuran makan kembali ke komputer pengguna. Para trueness pemetaan ini ditandai oleh serangkaian kesalahan pada 'a' koefisien individu. Ketika fungsi pemetaan urutan pertama (garis lurus), kesalahan pemetaan menjadi ketidakpastian faktor skala. Sisa antara posisi aktual dan garis lurus paling cocok untuk pengukuran memberikan kesalahan linearitas (biasanya kita mendefinisikan kesalahan linearitas sebagai ½ memilih untuk mengambil sisa dari paling cocok linier). Sebagai contoh, kesalahan linearitas dari 0,05% di kisaran 100 hasil pM perangkat dalam ketidakpastian 50 nm posisi absolut antara posisi pM 0 dan 100 posisi pM ketika aproksimasi linear dibuat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7 (a). Biasanya untuk nanosensors deviasi dari linearitas adalah sekitar parabola dan dalam beberapa sistem ini mudah untuk mengkompensasi elektronik tanpa melibatkan DSP. Hasil dari kompensasi satu, sedikit tidak sempurna, parabola dengan yang lain biasanya merupakan kurva S dari amplitudo yang jauh lebih rendah sehingga kesalahan pemetaan jauh lebih rendah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7 (b). Ini setara dengan menggunakan sebuah 1 dan 2 hal dari persamaan 1. Kalau orang untuk menggunakan istilah tingkat tinggi, hasil yang lebih baik dapat dicapai. Hal ini dapat dilakukan dengan mudah dalam sistem mikroprosesor berbasis sensor maupun eksternal di komputer pengguna. Telah ditemukan bahwa ada sedikit keuntungan dalam akan lebih tinggi dari urutan keempat, lihat Gambar 7 (c).  (A)  (B)  (C) Gambar 7. Pemetaan kesalahan dan linearitas. Gerakan parasit dan Kesalahan Gerakan parasit dalam tahap dapat diidentifikasi sebagai salah satu sudut: rotasi x, y dan sumbu z; atau linier: keluar dari gerakan pesawat, non-ortogonal dan crosstalk, dan akan memperkenalkan kesalahan posisi tak terduga. Gerakan parasit yang disebabkan oleh distorsi dari tubuh tahap dapat diminimalkan dengan desain hati-hati dan optimasi struktur parameter. Pada sumbu dibatasi kekakuan harus dirancang untuk setinggi mungkin, dan serendah mungkin dalam sumbu gerak. Hal ini dicapai dalam NanoMechanisms dengan benar mengatur pola lentur dan memilih parameter lentur hati-hati. Namun, desain lentur kadang-kadang dibatasi oleh frekuensi resonansi sistem yang, karena kopling modus, membutuhkan kekakuan di segala arah akan tinggi. FEA analisis elemen hingga dapat digunakan untuk memprediksi distorsi lokal dan global dan karenanya struktur dapat benar dioptimalkan untuk memisahkan kekuatan atau membuat distorsi membatalkan satu sama lain tak terelakkan. Jika gerakan parasit dapat diprediksi maka mereka dapat dikompensasikan. Perhatikan bahwa gerakan ini adalah fungsi dari posisi panggung, tetapi tidak selalu linier, yang mengarah ke topografi kompleks. Setiap histeresis dalam gerakan membuat prediksi yang sangat sulit - jika tidak mustahil. Untuk alasan ini, perubahan gaya dalam sistem harus sangat linier dan berulang. Gesekan selalu merupakan sumber histeresis, karena mengubah arah gaya. Ketika spesimen dipasang pada sebuah NanoMechanism , kesalahan Abbe harus dipertimbangkan dengan hati-hati karena gerakan sudut parasit. Kesalahan sudut kecil dapat memiliki pengaruh besar di tingkat nanometer: misalnya, kemiringan hanya 1 μrad dengan offset 1 mm memberikan kesalahan posisi 1 nm. Untuk mengurangi efek ini, spesimen harus diposisikan sedekat mungkin dengan sumbu pengukuran dari sensor. Sebagai contoh, dalam tiga sumbu xyz NanoMechanism sistem pemegang spesimen terletak pada titik yang adalah co-insiden dengan sensor pengukuran sumbu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8. Efek dari kesalahan rotasi tahap xy demikian dapat diminimalkan.  Gambar 8. Nanomechanism 3D. Parasit gerakan linier seperti non-ortogonal atau crosstalk terutama dipengaruhi oleh toleransi manufaktur dan distorsi dari frame panggung jika frame digunakan sebagai datum sensor '. Sumbu dari dua pasang sensor dalam tahap xy harus sangat ortogonal satu sama lain dan co-insiden dengan sumbu bergerak dari platform. Menggunakan teknologi manufaktur modern penyimpangan dari orthogonality dari sumbu sensor dapat umumnya dikendalikan dalam 0,5 MRD yang memberikan kesalahan orthogonality dari 0,5 nm / pM (yaitu 0,05%) dalam bidang xy. Dengan me-mount kinematik, referensi posisi menjadi dilacak dan distorsi dari ekspansi termal dan motor dapat dipisahkan. Hal ini penting untuk panggung untuk memiliki kemampuan metrologi di tingkat nanometer. Bahkan untuk tahap Invar Super ukuran 100 mm x 100, 1 o C perubahan suhu akan menyebabkan perubahan nm 30 dimensi (  =  / O C). Bingkai tahap lentur disebabkan oleh kekuatan pendorong biasanya dalam kisaran puluhan hingga ratusan nm [2]. Tanpa kinematik mounting ketidakpastian posisi tentang orang-besaran yang sama mungkin diperkenalkan ke dalam sistem. Karakteristik Dinamis Selain dari metrologi dan ketepatan gerak, kinerja dinamis dari sistem ini juga penting karena stabilitas dan kecepatan adalah penting untuk banyak aplikasi. Idealnya tidak akan ada fase lag antara perintah dan posisi, dan mekanisme akan merespon sempurna ke input langkah - tidak ada waktu naik, lebih menembak, atau menetap waktu. Untuk, linier orde kedua sistem, redaman mekanik bebas, frekuensi resonansi ditentukan oleh kekakuan sistem dan massa. Dalam mekanisme yang dirancang secara optimal, kekakuan biasanya didominasi oleh kekakuan dari tumpukan piezo dalam sumbu terjemahannya. Untuk panggung dengan amplifikasi gerakan, kekakuan efektif dari aktuator piezo akan berkurang sebagai k e = k p / G 2, di mana k p adalah kekakuan piezo dan G adalah amplifikasi. Mengurangi massa dapat meningkatkan frekuensi sistem resonan. Namun, karena massa dari platform menurun kinerja tahap menjadi lebih sensitif terhadap pengaruh massa beban, yaitu frekuensi resonansi akan drop down dengan cepat sebagai massa meningkat spesimen. Sifat dinamis dari sistem juga dapat ditingkatkan melalui pendekatan lain seperti memperkenalkan bahan peredam yang tepat atau menggunakan teknik servo kontrol maju. Dalam instrumentasi, spesifikasi desain sering menggunakan kriteria waktu penyelesaian, didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan untuk sistem untuk menyelesaikan dalam persentase tertentu dari input. Untuk NanoMechanisms , seperti instrumen lainnya, menetap waktu adalah deskripsi yang lebih langsung dari kinerja dinamis daripada frekuensi resonan. Untuk piezo didorong NanoMechanism , waktu penyelesaian terdiri dari waktu slewing dan waktu yang dibutuhkan untuk osilasi resonan membusuk. Yang pertama didominasi oleh laju perubahan tegangan yang ditentukan oleh kapasitansi dari tumpukan piezo dan kemampuan drive arus drive elektronik. Untuk sistem urutan kedua persyaratan biasanya menetapkan penundaan maksimum sebelum output dalam mencapai 2% dari nilai akhir setelah perubahan masukan langkah, yang membutuhkan durasi sekitar empat konstanta waktu (4 τ = 4 / ξω n), dimana τ adalah waktu yang konstan, faktor redaman dan frekuensi ξ ω n resonansi [3]. Dari sini dapat dilihat bahwa respon sistem dapat ditingkatkan dengan cara meningkatkan frekuensi resonan dan faktor redaman. Biasanya, tahap engsel lentur sangat resonansi dengan faktor redaman yang sangat rendah. Oleh karena itu, redaman tambahan akan sangat membantu dan efektif dapat mengurangi waktu peluruhan, tetapi hanya jika itu dapat diperkenalkan tanpa gesekan, karena hal ini dapat menyebabkan histeresis. Jika hal ini dilakukan dalam algoritma kontrol, maka gesekan tidak akan diperkenalkan. Bahan Sifat termal bahan konstruksi sering perhatian utama bagi baik desain dan penggunaan instrumen presisi. Dalam penggunaan normal, semua perangkat mekanik menemukan input panas yang disebabkan oleh perubahan suhu lingkungan, disipasi daya dalam aktuator, penanganan operator dan sebagainya. Efek langsung dari gangguan termal ekspansi termal yang akan menyebabkan perubahan dimensi komponen mekanik, mengakibatkan hilangnya akurasi instrumen. Perubahan dimensi material akibat perubahan suhu yang ditandai dengan Koefisien Ekspansi Termal (CTE), yang sangat bervariasi dengan bahan yang berbeda. Secara umum, untuk mengurangi efek termal, bahan bangunan dengan koefisien termal ekspansi minimal harus digunakan. Namun dalam beberapa kasus muai termal rendah tidak berguna seperti pertandingan muai erat antara perangkat dan mounting nya. Selain itu, koreksi untuk mengatasi dengan ekspansi termal yang mungkin melalui metode kontrol: suhu dapat diukur dan digunakan untuk memberikan koreksi. Masalah lain adalah gradien termal. Mereka menyebabkan distorsi struktur, kompensasi yang tidak mungkin. Untuk menghindari efek gradien termal, bahan dapat dipilih baik dengan konduktivitas termal rendah, seperti Super Invar dan Zerodur, atau dengan konduktivitas tinggi, seperti aluminium, di mana sistem mencapai kesetimbangan termal dengan cepat. Untuk mengurangi efek dari perangkat presisi lingkungan banyak yang sengaja dirancang untuk menjadi kecil. Juga sifat mekanik bahan harus dipertimbangkan dengan cermat. Sebagai contoh, rasio kekuatan dan modulus Young, / E, membatasi jangkauan maksimum yang dapat dicapai dengan mekanisme lentur. Namun, modulus Young yang rendah tidak mungkin dapat memberikan kekakuan yang cukup untuk NanoMechanism atau frame, yang kadang-kadang digunakan sebagai datum metrologi. Lebih lanjut, hubungi kekakuan lokal antara mekanisme dan aktuator yang memiliki efek langsung pada frekuensi resonansi dari sebuah sistem mekanis - frekuensi resonan bisa drop down karena kekakuan kontak cukup. Juga massa bahan dapat membuat perbedaan besar pada sifat dinamis dari NanoMechanisms . Misalnya rasio kepadatan dari Super Invar dan aluminium paduan adalah sekitar 3, sehingga frekuensi resonansi dari sebuah sistem aluminium dapat √ 3 kali lebih tinggi dari sistem Invar super jika kekakuan sistem adalah sama. Beberapa Contoh Perangkat NanoMechanism NPS-Z-15A / B Ini adalah satu-sumbu gerak linier tahap yang dirancang untuk menghasilkan gerak murni sepanjang sumbu z. Panggung memiliki berbagai loop tertutup dari 15 pM dan linearitas khas <0,06% (tanpa kompensasi) dengan sub-nanometer resolusi. Setelah kompensasi non-linearitas biasanya turun ke bawah untuk <0,02%. Sebuah mekanisme lentur kompak dirancang ke panggung untuk memisahkan sumbu off parasit, dan tip-tilt gerakan dari tumpukan piezo. Kesalahan miring diukur kurang dari 1 μrad selama rentang keseluruhan, (tanpa mekanisme lentur miring kesalahan biasanya lebih dari 15 μrad). Histeresis rendah adalah fitur lain yang penting untuk tahap untuk mencapai kemampuan nanometer metrologi. Gambar 9 adalah hasil pengukuran kinerja statis khas dari tahap NPS-Z-15B , yang menunjukkan kesalahan linearitas dari 0,01% dan histeresis sub-nanometer. Sebagian besar spesifikasi yang dikalibrasi menggunakan Zygo interferometer ZMI 1000. Namun pengukuran sub-nanometer menjadi sulit histeresis menggunakan interferometer - sehingga bagi pengukuran suatu Queensgate nanosensor digunakan. Frekuensi resonansi panggung adalah 2 kHz yang memberikan respon dinamis baik untuk aplikasi yang paling bila digunakan dengan NPS3000 kontroler . Sebuah respon langkah adalah ditunjukkan pada Gambar 10.  Gambar 9. Linearitas dan histeresis dari NPS-Z-15B.  Gambar 10. Langkah respon NPS-Z-15B. NPS-XY-100A Ini adalah dua-sumbu gerak tahap linier dengan aperture diameter 40 mm di tengah (nyaman untuk aplikasi NSOM). Ini memiliki jangkauan dinamis dari 100 100 pM dengan sub-nanometer resolusi. Dengan desain yang cermat dan pembuatan presisi, kesalahan rotasi sekitar sumbu z (d g z, d q z) dikendalikan kurang dari 10 μrad dan kesalahan rotasi lainnya insignif icantly kecil di atas seluruh jajaran. Histeresis diukur kurang dari 0,01% dari jangkauan. Gambar 11 menyajikan hasil pengukuran kinerja statis khas dari tahap NPS-XY-100A . Mekanisme mounting terpisahkan kinematik membantu untuk meringankan strain diinduksi oleh pasukan drive internal dan ekspansi termal, meningkatkan stabilitas sistem. Mekanisme pemasangan kinematik memastikan bahwa sistem datum adalah pusat dari platform panggung di mana spesimen atau probe biasanya terletak, sehingga efek termal dapat secara efektif dipisahkan. Panggung terbuat dari Super Invar dan memiliki frekuensi resonansi lebih dari 300 Hz. Dengan memperkenalkan redaman tambahan ke dalam sistem, 10 ms respon waktu untuk menyelesaikan langkah kecil dapat dicapai, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12. Menggabungkan NPS-XY-100 dan NPS-Z-15 membentuk posisi 3D dan sistem pemindaian, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, yang sangat ideal untuk aplikasi SPM metrologi.  Gambar 11. Linearitas dan histeresis dari NPS-XY-100A.  Gambar 12 Langkah respon NPS-XY-100A.. Kesimpulan Beberapa teknologi yang digunakan dalam Queensgate mekanisme presisi 's nanometer telah diperkenalkan dan dibahas untuk menjelaskan bagaimana kemampuan metrologi di nanometer atau bahkan tingkat sub-nanometer dapat dicapai dengan NanoMechanisms . Beberapa konsep metrologi telah diklarifikasi dalam cara mereka digunakan untuk menggambarkan ultra-presisi teknik posisi. Pertimbangan desain telah dibahas dengan mengacu pada masalah resolusi dan kebisingan, linearitas dan histeresis, ekspansi termal dan distorsi gaya, dan gerakan parasit seperti non-ortogonal (crosstalk), kesalahan rotasi dan Abbe dll kesalahan, kesalahan yang memperkenalkan posisi dan ketidakpastian ke sistem. Beberapa pendekatan untuk menghindari atau meminimalkan kesalahan yang disebutkan. Ini melibatkan baik desain dioptimalkan dan teknik kompensasi canggih. Informasi lebih rinci tersedia dari Queensgate [3]. Serangkaian NanoMechanisms , mulai dari sumbu tunggal untuk tahap sumbu multi-, telah dirancang dan dibangun. Kombinasi dari tahap ini dapat memberikan gerakan hingga enam derajat kebebasan dengan presisi nanometer. Pengujian awal telah menunjukkan hasil yang menjanjikan, seperti tingkat kebisingan rendah, sub-nanometer histeresis, gerakan parasit sangat kecil, linearitas yang tinggi dan respon langkah yang baik. Sebuah penilaian yang komprehensif dari karakteristik metrologi adalah proyek jangka rumit dan panjang, terutama untuk sistem multi-sumbu, melibatkan teknik metrologi lebih canggih dan instrumen canggih. Hasil lebih lanjut akan dilaporkan dalam waktu dekat. Ucapan Terima Kasih Para penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada Graham Jones, Jeremy Russell dan Philip Rhead untuk membantu mereka dalam merancang, membangun dan menguji NanoMechanisms ini. Referensi 1. Buku nanopositioning, Queensgate Instrumen Ltd, 1997 2. PD Atherton, Y. Xu dan M. McConnell, "Baru xy tahap untuk penentuan posisi dan pemindaian", Prosiding SPIE Rapat Tahunan, Agustus 1996, Denver, Amerika Serikat 3. ST Smith dan Ditjen Chetwynd, Yayasan Desain Mekanisme Ultraprecision, Gordon dan Pelanggaran Ilmu Penerbit, 1992 |