Progettazione e Caratterizzazione dei Meccanismi di Precisione di Nanometro - Dati del Fornitore degli Strumenti di Queensgate

AZoNano - Nanotecnologia - Logo degli strumenti di Queensgate

Argomenti Coperti

Estratto

Introduzione

Filosofia di Progettazione dei Meccanismi di Precisione di Nanometro (NanoMechanisms)

Meccanismi

Sensore di Posizione di Capacità

Regolatore

Concetti e Considerazioni di Progetto

Sistema di Riferimento

Precisione di Posizionamento: Il Concetto del Trueness

Risoluzione e Disturbo

Linearità e Mappare

Moti ed Errori Parassitari

Caratteristiche Dinamiche

Materiali

Alcuni Esempi delle Unità di NanoMechanism

NPS-Z-15A/B

NPS-XY-100A

Conclusioni

Ringraziamenti

Riferimento

Estratto

Per rispondere alle esigenze di ultra-precisione che posizionano e che scandiscono, una serie di precisione che posiziona i meccanismi è stata sviluppata recentemente agli Strumenti di Queensgate, che combina Queensgate piezoelettrico e le tecnologie di NanoSensor nei posizionatori multiasse che hanno la capacità di posizionare con accuratezza sotto--nanometric. In questo documento la filosofia di progettazione ed alcune delle tecnologie utilizzate nello sviluppo di questi meccanismi sono introdotte e discusse per spiegare come una capacità metrologica al nanometro o persino al sotto-nanometro livellato può essere raggiunta. Alcuni risultati iniziali sono inclusi, in cui mette in scena con l'errore di linearità di 0.01%, l'isteresi di sotto-nanometro, i moti parassitari angolari molto bassi e la buona reazione dinamica, Ecc. sono dimostrati.

Introduzione

Negli ultimi anni, come risultato degli sviluppi rapidi in vari campi di meccanica di precisione, ha stato un grande aumento nell'esigenza dei sistemi di posizionamento e di scansione di precisione capaci del nanometro o, a volte, anche della risoluzione di sotto-nanometro e della ripetibilità. Questa tendenza è preveduta svilupparsi, richiedendo i nuovi concetti di progetto e tecniche per prospezione delle unità più novelle di rispondere alle esigenze di varie applicazioni. Per esempio, gli steppers del wafer stanno facendo i chip di silicio con la riga larghezze giù a 200 nanometro; I Microscopi di Scansione della Sonda sono utilizzati per stabilire come tali chip sono fatti; e l'introduzione del SIG. la tecnologia della testa permette che i dischi da 5 Gigabyte si trasformino nella norma. Questi commputer ed i commputer che fanno questi commputer, associazione hanno avanzato la progettazione ottica con la tecnologia avanzata di controllo di moto, che può posizionare le componenti su un'accuratezza di un nanometro o migliorare.

Per incontrare la sfida di questi sviluppi, gli Strumenti di Queensgate sta sviluppando una ultra-precisione che posiziona la tecnologia che combina Queensgate piezoelettrico e la tecnologia di NanoSensor nei posizionatori multiasse con la capacità di posizionare con accuratezza sotto--nanometeric. Questo sistema è composto di serie di fasi, chiamata NanoMechanisms, compreso le singole fasi di asse, le fasi di x-y e fasi Ecc. della inclinazione. Le combinazioni di queste fasi possono fornire tre, quattro, cinque o sei gradi di libertà che posizionano le unità.

Filosofia di Progettazione dei Meccanismi di Precisione di Nanometro (NanoMechanisms)

Meccanismi

Le unità Piezoelettriche hanno il potenziale di muovere le fasi con la risoluzione e la rigidezza richieste per il posizionamento di precisione di nanometro. Tuttavia, perché le unità piezoelettriche sono non lineari ed esibiscono l'isteresi, un sensore esterno è richiesto per gestire la loro posizione. Il micrometro di capacità è adatto idealmente a questo compito, essendo piccolo e semplice con una capacità intrinseca di risoluzione che è efficacemente infinita. Per raggiungere un singolo moto puro di asse, un meccanismo guidante di flessione è usato, che applica i vincoli ad affatto fuori dai moti di asse e dalle associazioni azionatore e sensore piezo-elettrici insieme formare un sistema integrale della fase. Le flessioni normalmente monolitico sono incise le fasi facendo uso di EDM che lavora, che dà molto un'alta precisione nella prestazione.

Figura 1 è uno schema a blocchi di blocco di controllo tipico del ciclo chiuso di questo genere di sistema. Nel diagramma, il moto misurato dal sensore è alimentato di nuovo al regolatore, che muove la fase per minimizzare la differenza fra il moto percepito ed il comando. In questo caso, la precisione di posizionamento nel ciclo della metrologia pricipalmente è determinata dalle capacità del sensore e del regolatore.

AZoNano - Nanotecnologia - schema a blocchi Di singolo sistema di controllo di asse di NanoMechanism.

Figura uno schema a blocchi 1. Di singolo sistema di controllo di asse di NanoMechanism.

Sensore di Posizione di Capacità

Il NanoSensor è un rivelatore di capacità altamente lineare con gli errori di linearità < di 0.02% sopra il suo raggio d'azione specificato (normalmente fra 100 il µm del ~ 500). Funzionando sopra gli errori diminuiti di una linearità dell'intervallo inferiore di 0,01% è possibile. Il NanoSensor ha un livello acustico posizionale nell'operazione normale < di 0,005 nanometri. Il Hertz (RMS) e può essere da costruzione dai materiali molto stabili come Invar Eccellente o Zerodur. È senza contatto ed esente da isteresi. Egualmente presenta i vantaggi di essere molto compatto, semplice, economico e senza la dissipazione di potenza sul punto della misura. Così è ben adattato alla misura accurata di spostamenti estremamente piccoli.

Regolatore

Nel progettare un sistema con 0,1 risoluzione di nanometro e µm 100 vari la capacità di accedere a che l'intervallo digitalmente sotto controllo del computer è normalmente estremamente difficile, poiché è una gamma dinamica di 1 parte in milione, o 20 bit. Per affrontare questo problema Queensgate hanno messo a punto un sistema di controllo (DSP) basato Processore di Segnale Digitale, che ha una risoluzione intrinseca di più di 21 bit e sono indirizzabile digitalmente. Dovrebbe essere notato che questo lontano supera attualmente la risoluzione della maggior parte dei moltiplicatori di focale di D/A e di A/D disponibili ed è sotto i livelli acustici nella maggior parte delle applicazioni. Gli algoritmi di controllo digitali Avanzati di PID sono stati utilizzati nel sistema. Uno schema a blocchi del regolatore del ciclo chiuso è indicato nella Figura 2. La risposta di sistema può essere migliorata introducendo i termini proporzionali e differenziali. Il feedback di Velocità (termine differenziale) può notevolmente aiutare nell'ammortizzare le risonanze meccaniche, diminuenti i tempi di sistemazione. La larghezza di banda di lavoro può essere gestita dal computer ed i parametri del ciclo sono definiti dall'utente per l'ottimizzazione della prestazione.

AZoNano - Nanotecnologia - schema a blocchi Di controllo di ciclo chiuso di PID.

Figura schema a blocchi Di 2. di controllo di ciclo chiuso di PID.

Facendo Uso di un tal regolatore è possibile misurare la non linearità e compensarla. Ancora una volta che i moti angolari parassitari in tali meccanismi sono stati caratterizzati è possibile compensarli in un sistema multiasse complesso. Gli errori di linearità possono completamente essere compensati < 0.02%. Sotto quello le misure sono limitate normalmente dalle linearità intrinseche dei sistemi di calibratura.

L'uso di questa tecnica compensante è molto importante da raggiungere una capacità metrologica al livello di nanometro. È ovvio che all'interno del ciclo di controllo il sensore non è assolutamente lineare, in modo dalle linearità del sistema possono più ulteriormente essere migliorate dalla compensazione del software. Nel Migliore Dei Casi, il meccanismo dovrebbe esibire i moti ortogonali puri - cioè, un'unità di x-y deve soltanto avere gradi di libertà lungo la x e le assi y. In realtà, esiste moti (parassitari) incontrollati in seguito alla deformazione dovuto le forze interne e le limitazioni fabbricanti. Gli errori da questi moti parassitari sono stati minimizzati ottimizzando la progettazione meccanica e possono essere diminuiti più ulteriormente dalla tecnica della compensazione. Si Noti che gli errori parassitari possono essere compensati soltanto se sono prevedibili, cioè i moti parassitari devono essere non solo misurabili ma anche ripetibile.

Concetti e Considerazioni di Progetto

Sistema di Riferimento

In Primo Luogo è necessario da definire coordina usato per descrivere le posizioni. Il sistema ovvio da usare per il posizionamento delle fasi è un Cartesiano ortogonale Coordina il sistema. Con questo può definire una posizione con la sua X, Y, Coordinata Z e una rotazione arbitraria come componenti di rotazione circa le asce di X, di Y e di Z, secondo le indicazioni di Figura 3. Uno può descrivere Più utilmente un movimento come cambiamento nella X, Y e la Coordinata Z. Le Rotazioni sono descritte riguardo alle asce di X, di Y e di Z in un senso di mano destra. I termini lanciano, laminano e la deviazione della rotta è usata spesso quando parla delle rotazioni. Questi termini sono utili quando descrive le rotazioni parassitarie causate tramite un moto lineare, ma la grande cura deve essere catturata mentre si riferiscono alla direzione di moto piuttosto che un sistema definito di asse. Per un aeroplano in volo, una rotazione circa un asse ricavato dall'estremità alare all'estremità alare è passo; una rotazione circa un asse abbassato la lunghezza della fusoliera è rotolo e una rotazione circa un asse verticale è deviazione della rotta. Nel sistema Cartesiano definito se “l'aereo„ sta volando lungo il θ positivo della direzione di X è passo, il γ è rotolo e il φ è deviazione della rotta.

AZoNano - Nanotecnologia - Sistema di riferimento.

Figura 3. Sistema di riferimento.

Precisione di Posizionamento: Il Concetto del Trueness

Per muovere una fase, un comando di posizione è inviato al regolatore da un computer. Il moto è prodotto da un azionatore piezo-elettrico ed è riflesso da un sensore. Facendo Uso del segnale di ritorno, il regolatore muove la fase per minimizzare la differenza fra il moto percepito ed il comando. Quanto piccolo la differenza può essere pricipalmente è determinato dall'abilità gestente del sistema e può essere interpretato come quanto la fase può essere posizionata precisamente. È ovvio che la precisione di posizionamento pricipalmente sarà influenzata risoluzione (livello acustico), la riproducibilità (deriva ed isteresi) e mappando l'errore (errore di ordine alto di mappatura) del sistema. Inoltre, se il moto della fase è misurato con uno strumento di misura esterno che è presupposto per essere un sistema perfetto, ci sarà una differenza fra la posizione dominante e la posizione desiderata: quanto vicino sono è definito come posizionamento del trueness. Di Conseguenza, la precisione di posizionamento definitiva dovrebbe essere determinata sia dalla precisione di posizionamento che dal trueness di posizionamento, secondo le indicazioni di Figura 4. Come questi si occupano in progettazione di NanoMechanisn sarà discusso nelle seguenti sezioni.

AZoNano - Nanotecnologia - accuratezza di Misura.

Figura 4. Accuratezza di Misura.

Risoluzione e Disturbo

La risoluzione della misura o di posizionamento direttamente è collegata con il livello acustico del sistema. Un livello acustico da picco a picco facilmente non è misurato o non interpretato, poiché con tutta la distribuzione di disturbo potete ottenere una grande deviazione se aspettate abbastanza a lungo. Di Conseguenza lo scarto quadratico medio è usato normalmente che può essere misurato con strumentazione standard. La distribuzione di ampiezza di disturbo è importante quando esamina la risoluzione. Il disturbo Solitamente Gaussiano domina ed in questo caso il rms è equivalente alla deviazione standard, sigma. 68.3% dei campioni prelevati sarà all'interno di un sigma del valore medio. Quello significa che c'è una probabilità di 68.3% di risoluzione delle due funzionalità che sono una distanza del sigma due del disturbo a parte, secondo le indicazioni delle figure 5, (o probabilità di 99.7% di risoluzione delle due funzionalità che sono sei sigmi a parte).

AZoNano - Nanotecnologia - Risolvere due posizioni

Figura 5. che Risolve due posizioni.

Lo spettro di potenza di disturbo è informazione il più importante. Può rivelare le sorgenti di fondo di disturbo - quali i main prenda, che è localizzato a 50 o 60 Hertz. Figura 6 dimostra una misura dello spettro di potenza di disturbo del regolatore basato DSP NPS3000. Ciò mostra un livello acustico di < 10 di sera. Hertz. Nella prova, il regolatore NPS3000 è usato per gestire una singola fase di asse, (il NPS-Z-15B), nel modo a circuito chiuso con una larghezza di banda di lavoro della fase di 100 Hertz. I segnali di disturbo tracciati provengono dalla tensione di controllo di ALTA TENSIONE applicata all'azionatore piezo-elettrico. I main da 50 Hertz selezionano su possono essere veduti chiaramente sebbene molto ad un a basso livello.

AZoNano - Nanotecnologia - Diffonda lo spettro del regolatore NPS3000

Figura 6. spettro di Disturbo del regolatore NPS3000.

Il disturbo nel sistema di NanoMechanism è, composto generalmente di disturbo del sensore, di disturbo piezo-elettrico dell'unità, di disturbo meccanico e di disturbo acustico. Il disturbo del Sensore sarà interpretato dal ciclo di controllo poichè un comando e così si trasforma in in disturbo reale di spostamento. Il segnale di ritorno dal sensore è usato per generare una tensione di controllo da applicarsi agli azionatori piezo-elettrici. Il disturbo Piezo-elettrico di tensione di controllo sarà introdotto in questo trattamento e contribuire alla fase che posiziona il disturbo. L'effetto di questo disturbo può essere individuato dal sensore e, pertanto, parzialmente essere servoed almeno fuori. L'abilità del sistema al servo fuori il disturbo dell'unità dipende dalla larghezza di banda fissata: più alta la larghezza di banda meglio il contributo servoed fuori. Gli input meccanici Esterni quali la vibrazione del terreno ed il disturbo acustico egualmente indurranno la fase a muoversi. Gli effetti di questi input possono essere minimizzati aumentando la rigidezza della fase. Può anche essere servoed fuori se la larghezza di banda di sistema è sufficiente alta. Per il sistema di controllo NPS3000 la larghezza di banda di misura può essere installata a 12 chilocicli ed alla larghezza di banda del ciclo chiuso 2 chilocicli che è dominata normalmente dalle caratteristiche dinamiche dei meccanismi della fase.

Linearità e Mappare

In un mondo ideale, una fase dovrebbe essere perfettamente lineare. Il mondo è quasi ideale ma non abbastanza. In pratica le linearità del sensore di capacità possono essere influenzate da molti fattori quali lo spessore della differenza nominale (o della capacità parassita) e il non parallelismo delle superfici dell'elettrodo, ecc [1]. Per conoscere che cosa il moto o la posizione reale della fase è ed applicare così la compensazione di linearità, il sistema deve essere calibrato contro uno strumento di misura esterno con alta precisione. La posizione di comando, la xc, che rappresenta la posizione ha misurato dal sensore interno e dalla posizione reale, xp, può, fino ad un certo punto, essere riferita con una funzione di mappatura espressa come xp = f (x)c. Il modulo semplice della funzione di mappatura è una serie intera

(1)

Nel Migliore Dei Casi la a0, la a2, a3,4… sarebbe zero ed unità a1; poi il fattore di scala del sensore, a1, è il fattore lineare che descrive la relazione fra la posizione reale della fase come misurato tramite un sensore di posizione accurato ipotetico perfetto e la misura di posizione alimentati di nuovo al computer dell'utente. Il trueness di mappatura è caratterizzato dall'insieme degli errori sui coefficienti della persona “a„. Quando la funzione di mappatura è primo ordine (una linea retta), l'errore di mappatura si trasforma nell'incertezza di fattore di scala. Il residuo fra la posizione reale e una linea retta del migliore adattamento per la misura dà l'errore di linearità (definiamo normalmente l'errore di linearità come martello pneumatico del ½ per selezionare il residuo dal meglio lineare misura). Come esempio, un errore di linearità di 0.05% in un'unità dell'intervallo di 100 µm provoca un'incertezza assoluta di posizione di 50 nanometro fra le 0 posizioni del µm e la posizione di 100 µm quando un'approssimazione lineare è fatta, secondo le indicazioni di Figura 7 (a). Solitamente per NanoSensors la deviazione dalle linearità è approssimativamente parabolica ed in alcuni sistemi questa è facile da compensare elettronicamente senza comprendere il DSP. Il risultato di compensazione dell'uno, leggermente imperfetto, parabola con un altro è solitamente una Curva ad S di ampiezza molto più bassa in modo dall'errore di mappatura è molto più basso, secondo le indicazioni di Figura 7 (b). Ciò è equivalente a usando la a1 e2 termini dell'equazione 1. Se uno fosse di usare i termini di ordine superiore, un risultato ancora migliore potrebbe essere raggiunto. Ciò può essere fatta facilmente nei sistemi su microelaboratore del sensore o esternamente nel computer dell'utente. È stato trovato che c'è piccolo da guadagnare nel passare ad ALTO in quarto luogo ordina, vede Figura 7 (c).

AZoNano - Nanotecnologia - Mappare errore e le linearità

(a)

AZoNano - Nanotecnologia - Mappare errore e le linearità

(b)

AZoNano - Nanotecnologia - Mappare errore e le linearità

(c)

Figura 7. errore e linearità di Mappatura.

Moti ed Errori Parassitari

I moti Parassitari nelle fasi possono essere identificati come l'uno o l'altro angolare: rotazione circa le asce di x, di y e di z; o lineare: da moto, da non ortogonalità e dall'interferenza piani; ed introdurrà gli errori di posizionamento inattesi. I moti parassitari causati dalle deformazioni dell'organismo della fase possono essere minimizzati dall'ottimizzazione di parametro attenta della struttura e di progettazione. Nelle asce costrette la rigidezza dovrebbe essere destinata per essere il più elevato possibile e il più basso possibile nell'asse di moto. Ciò è raggiunta nel NanoMechanisms correttamente sistemando il reticolo di flessione e scegliendo i parametri di flessione con attenzione. Tuttavia, la progettazione di flessione a volte è limitata dalla frequenza di risonanza del sistema che, a causa dell'accoppiamento di modo, richiede la rigidezza in tutte le direzioni di essere alta. L'Analisi agli'elementi finiti FEA può essere usata per predire che le deformazioni locali e globali e quindi la struttura può essere ottimizzata correttamente per disaccoppiare le forze o fare le deformazioni inevitabili annulli. Se questi moti parassitari sono prevedibili poi possono essere compensati. Si Noti che questi moti sono una funzione della posizione della fase, ma non sia necessariamente lineare, piombo alla topografia complessa. Tutta L'isteresi nel moto fa l'impossibile molto duro di previsione se non. Per questo motivo, i cambiamenti della forza nel sistema devono essere altamente lineari e ripetibili. L'Attrito è sempre una sorgente di isteresi, dovuto la direzione cambiante della forza.

Quando gli esemplari sono montati sopra ad un NanoMechanism, gli errori di Abbe devono essere considerati con attenzione dovuto i moti angolari parassitari. I Piccoli errori angolari possono avere una grande influenza al livello di nanometro: per esempio, un'inclinazione di appena 1 µrad con una stampa offset di 1 millimetro dà un 1 errore di posizione di nanometro. Per diminuire questo effetto, gli esemplari dovrebbero essere posizionati vicino come possibile alle asce di misurazione dei sensori. Per esempio, in un sistema giroscopico di NanoMechanism del x-y-z il supporto dell'esemplare è situato al punto che è coincidente con le asce di misurazione del sensore, secondo le indicazioni di Figura 8. Gli effetti degli errori di rotazione della fase di x-y possono essere minimizzati così.

AZoNano - Nanotecnologia - 3D NanoMechanism.

Figura 8. 3D Nanomechanism.

I moti parassitari lineari quali non ortogonalità o l'interferenza pricipalmente sono influenzati dalle tolleranze fabbricanti e dalle deformazioni del telaio della fase se il fotogramma è utilizzato come dato di sensori'. Le asce di due paia dei sensori nella fase di x-y devono essere molto ortogonali l'un l'altro e coincidenti alle asce mobili della piattaforma. Facendo Uso della tecnologia di fabbricazione moderna la deviazione da ortogonalità delle asce del sensore può essere generalmente controllata all'interno di 0,5 mrd che dà un errore di ortogonalità di 0,5 nm/µm (cioè 0.05%) nell'aereo di x-y.

Dal montaggio cinematico, il riferimento di posizione diventa imputabile e le deformazioni da espansione termica e da forza motrice possono essere disaccoppiate. Ciò è importante affinchè la fase abbia capacità metrologica al livello di nanometro. Anche per una fase Eccellente del Invar della dimensione di 100 x 100 millimetri, un mutamentoo di temperatura 1C causerà a 30 il cambiamento di nanometro nella dimensione ( = /Co). Il piegamento del fotogramma della fase causato con la forza motrice è tipicamente nell'ordine dei dieci alle centinaia di nanometro [2]. Senza montaggio cinematico un'incertezza di posizione circa di quelle stesse grandezze ha potuto essere introdotta nel sistema.

Caratteristiche Dinamiche

Oltre alla metrologia ed all'accuratezza di moto, la prestazione dinamica del sistema è egualmente importante perché la stabilità e la velocità sono critiche a molte applicazioni. Non ci sarebbe Nel Migliore Dei Casi ritardo di fase fra il comando e la posizione ed il meccanismo risponderebbe perfettamente ad un input di punto - nessun tempo di aumento, sopra il tiro, o ad un tempo di cassapanca.

Per un sistema meccanico lineare, di secondo ordine, ammortizzare ammortizzare, la frequenza di risonanza è determinata da rigidezza del sistema e dal Massachusetts. In un meccanismo ottimamente progettato, la rigidezza è dominata solitamente dalla rigidezza delle pile piezo-elettriche nel suo asse di traduzione. Per una fase con l'amplificazione di moto, l'efficace rigidezza dell'azionatore piezo-elettrico sarà diminuita come Ke = k/Gp2, dove il Kp è la rigidezza di piezo-elettrico ed il G è l'amplificazione. La Diminuzione della massa può aumentare la frequenza di risonanza del sistema. Tuttavia, mentre la massa della piattaforma diminuisce la prestazione della fase diventa più sensibile all'influenza della massa del caricamento, cioè la frequenza di risonanza cadrà rapido giù come la massa dell'esemplare aumenta. I beni Dinamici del sistema possono anche essere migliorati con altri approcci come introdurre un materiale smorzante adeguato o usando le tecniche avanzate del servocomando. Nella strumentazione, le specifiche di progettazione usano spesso il criterio di tempo di sistemazione, definito come il tempo richiesto affinchè il sistema si sistemino all'interno di determinata percentuale dell'input. Per NanoMechanisms, come altri strumenti, il tempo di sistemazione è una descrizione più diretta della prestazione dinamica che la frequenza di risonanza. Per un NanoMechanism guidato piezo-elettrico, il tempo di sistemazione consiste del momento di vuotamento e del momento spesi affinchè le oscillazioni sonore si decomponga. Il precedente è dominato dalla tariffa di pantano che è determinata dalla capacità delle pile piezo-elettriche e dalla capacità di unità corrente dell'elettronica dell'unità. Per i sistemi di secondo grado il requisito specifica tipicamente una mora massima prima che l'output raggiunga all'interno di 2% del suo valore definitivo dopo un cambiamento dell'input di punto, che cattura una durata di circa quattro costanti di tempo (4τ=4/ξω),n dove il τ è costante di tempo, fattore ammortizzante del ξ e frequenza di risonanzan del ω [3]. Da questo può essere veduto che la risposta di sistema può essere migliorata aumentando sia la frequenza di risonanza che il fattore ammortizzante. Normalmente, le fasi della cerniera di flessione sono altamente sonore con i fattori ammortizzanti molto bassi. Di Conseguenza, ammortizzare extra sarà molto utile e può efficacemente diminuire il tempo di disintegrazione, ma soltanto se può essere introdotto senza attrito, poiché questo può causare l'isteresi. Se questo è fatto all'interno dell'algoritmo di controllo, quindi nessun attrito sarà introdotto.

Materiali

I beni Termici dei materiali da costruzione sono spesso il principale preoccupazione per sia progettazione che uso degli strumenti di precisione. Nell'uso normale, tutte le unità meccaniche incontrano gli input di calore causati tramite il mutamento di temperatura ambientale, la dissipazione di potenza in azionatori, operatore che tratta ecc. L'effetto diretto della perturbazione termica è espansione termica che causerà il cambiamento di dimensione delle componenti meccaniche, con conseguente perdita di accuratezza dello strumento. Il cambiamento dimensionale di un materiale dovuto un cambiamento nella temperatura è caratterizzato dal suo Coefficiente di Espansione Termica (CTE), che varia immensamente con differenti materiali. Per diminuire Generalmente l'effetto termico, i materiali da costruzione con il coefficiente minimo di espansione termica dovrebbero essere usati. Il expansivity termico Tuttavia in alcuni casi basso non è utile quanto la corrispondenza vicina di expansivity fra l'unità ed il suo montaggio. Inoltre, le correzioni da fare fronte ad espansione termica sono possibili con i metodi di controllo: la temperatura può essere misurata ed usata per fornire una correzione. Un Altro problema è gradienti termici. Causano la deformazione della struttura, per cui la compensazione non è possibile. Per evitare gli effetti dei gradienti termici, i materiali possono essere scelti con la conducibilità termica bassa, quali Invar Eccellente e Zerodur, o con l'alta conducibilità, quale Alluminio, in cui il sistema raggiunge rapidamente l'equilibrio termico. Per diminuire gli effetti dell'ambiente molte unità di precisione sono destinate deliberatamente per essere piccole.

Inoltre i beni meccanici dei materiali devono essere considerati con attenzione. Per esempio, il rapporto di concentrazione e del modulo Di Young, /E, limiti l'intervallo massimo che può essere raggiunto dai meccanismi di flessione. Tuttavia, il modulo Di Young basso non può potere fornire una rigidezza sufficiente per il NanoMechanism o il suo fotogramma, che a volte è utilizzato come il dato metrologico. Più Ulteriormente, la rigidezza locale del contatto fra il meccanismo ed i sui azionatori ha un effetto diretto sulla frequenza di risonanza di un sistema meccanico - la frequenza di risonanza può cadere giù a causa di rigidezza insufficiente del contatto. Inoltre la massa di materiale può fare una grande differenza ai beni dinamici di NanoMechanisms. Per esempio il rapporto di densità di Invar e delle leghe di alluminio Eccellenti è circa 3, in modo dalla frequenza di risonanza di un sistema di alluminio può essere periodi √3 più superiore a quello di un sistema Eccellente del Invar se la rigidezza dei sistemi è la stessa.

Alcuni Esempi delle Unità di NanoMechanism

NPS-Z-15A/B

Ciò è una fase di moto lineare di unico asse che è destinata per produrre un moto puro lungo l'asse di z. La fase ha un intervallo del ciclo chiuso di µm 15 e una linearità tipica < di 0.06% (senza compensazione) con risoluzione di sotto-nanometro. Dopo compensazione la non linearità cade tipicamente giù < a 0.02%. Un meccanismo compatto di flessione è destinato nella fase per disaccoppiare il parassitario fuori dai moti di suggerimento-inclinazione e di asse dalle pile piezo-elettriche. Gli errori di inclinazione sono misurati per essere di meno di 1 µrad sopra intero intervallo, (senza meccanismo di flessione gli errori di inclinazione sono normalmente oltre µrad 15). L'isteresi Bassa è un'altra funzionalità importante affinchè la fase raggiunga la capacità metrologica di nanometro. Figura 9 è un risultato tipico di misura della prestazione statica dalla fase NPS-Z-15B, che dimostra un errore di linearità di 0,01% e un'isteresi di sotto-nanometro. La Maggior Parte delle specifiche sono state calibrate facendo uso di un interferometro 1000 di Zygo ZMI. Tuttavia la misura di isteresi di sotto-nanometro diventa difficile facendo uso dell'interferometro - in modo da per quelle misure un Queensgate NanoSensor è stato usato. La frequenza di risonanza della fase è di 2 chilocicli che dà una buona reazione dinamica per la maggior parte delle applicazioni una volta usata con il regolatore NPS3000. Una risposta di punto è indicata nella Figura 10.

AZoNano - Nanotecnologia - Linearità ed isteresi di NPS-Z-15B.

Figura 9. Linearità ed isteresi di NPS-Z-15B.

AZoNano - Nanotecnologia - risposta di Punto di NPS-Z-15B

Figura 10. risposta di Punto di NPS-Z-15B.

NPS-XY-100A

Ciò è una fase di moto lineare di due-asse con un'apertura diaframma da 40 millimetri del diametro nel mezzo (conveniente per le applicazioni di NSOM). Ha una gamma dinamica di µm 100 100 con risoluzione di sotto-nanometro. Dalla lavorazione attenta di precisione e di progettazione, gli errori rotazionali circa l'asse di z (δγz, δθz) sono meno µrad gestito di 10 ed altri errori rotazionali sono irrilevante piccoli sopra l'intero intervallo. L'isteresi è stata misurata come meno di 0.01% dell'intervallo. Figura 11 presenta un risultato tipico di misura della prestazione statica dalla fase NPS-XY-100A. Il meccanismo cinematico Integrale del montaggio contribuisce ad alleviare gli sforzi indotti dalle forze motrici interne e dall'espansione termica, miglioranti la stabilità del sistema. Il meccanismo cinematico del montaggio assicura che il dato del sistema sia al centro della piattaforma della fase su cui l'esemplare o la sonda è situato normalmente, di modo che l'effetto termico può efficacemente essere disaccoppiato. La fase è fatta di Invar Eccellente ed ha una frequenza di risonanza oltre 300 Hertz. Introducendo il supplemento che ammortizza nel sistema, un tempo di cassapanca di 10 spettrografie di massa per la piccola risposta di punto può essere raggiunto, secondo le indicazioni di Figura 12. La Combinazione NPS-XY-100 e del NPS-Z-15 forma un sistema di posizionamento e di scansione di 3D, secondo le indicazioni di Figura 8, che è ideale per le applicazioni metrologiche di SPM.

AZoNano - Nanotecnologia - Linearità ed isteresi di NPS-XY-100A.

Figura 11. Linearità ed isteresi di NPS-XY-100A.

AZoNano - Nanotecnologia - risposta di Punto di NPS-XY-100A

Figura 12. Risposta di Punto di NPS-XY-100A.

Conclusioni

Alcune delle tecnologie utilizzate nei meccanismi di precisione del nanometro di Queensgate sono state introdotte e discusso state per spiegare come una capacità metrologica al nanometro o persino il sotto-nanometro livellato può essere raggiunto con il NanoMechanisms. Alcuni concetti metrologici sono stati chiariti nel modo che sono usati per descrivere la ultra-precisione che posiziona le tecniche. Le considerazioni di progettazione sono state discusse in riferimento ai problemi di risoluzione e diffondono, linearità ed isteresi, deformazione della forza e di espansione termica e moti parassitari come non ortogonalità (interferenza), gli errori di rotazione e gli errori Ecc. di Abbe, che introducono gli errori e l'incertezza di posizionamento al sistema. Alcuni approcci per la prevenzione o la minimizzazione dei questi errori sono stati citati. Ciò comprende entrambe la progettazione ottimizzata e le tecniche avanzate della compensazione. Più informazione dettagliata è disponibile da Queensgate [3]. Una serie di NanoMechanisms, variante dal singolo asse alle multi fasi di asse, è stata progettata e sviluppato stata. La combinazione di queste fasi può fornire i moti di fino a sei gradi di libertà precisione di nanometro. La prova Iniziale ha indicato i risultati di promessa, quali il livello a basso rumore, l'isteresi di sotto-nanometro, i moti parassitari molto piccoli, le alte linearità e la buona risposta di punto. Una valutazione completa delle caratteristiche metrologiche è un progetto complicato ed a lungo termine, particolarmente per i multi sistemi di asse, comprendendo le tecniche metrologiche più specializzate e gli strumenti avanzati. Ulteriori risultati saranno riferiti nell'immediato futuro.

Ringraziamenti

Gli autori vorrebbero esprimere i ringraziamenti a Graham Jones, a Jeremy Russell ed a Philip Rhead per la loro guida nella progettazione, nella costruzione e nelle prove queste NanoMechanisms.

Riferimento

1.      Il Libro di Nanopositioning, Strumenti Ltd, 1997 di Queensgate

2. P.D. Atherton, Y. Xu e M. McConnell, “Nuova fase di x-y per il posizionamento e la scansione„, Atti della Riunione Annuale di SPIE, Agosto 1996, Denver, U.S.A.

3. S.T. Smith e la D.G. Chetwynd, Fondamenta di Progettazione del Meccanismo di Ultraprecision, Gordon e Scienza Publishers, 1992 della Violazione

Autore Primario: Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks e Malachy McConnel.

Sorgente: Strumenti di Queensgate.

Per ulteriori informazioni su questa sorgente visualizzi prego gli strumenti di Queensgate.

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

Last Update: 15. July 2013 16:07

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit