나노미터 정밀도 기계장치 - Queensgate 계기에 의하여 공급자 데이터의 디자인 그리고 특성

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커버되는 토픽

요약

소개

나노미터 정밀도 기계장치 (NanoMechanisms)의 설계 원리

기계장치

용량 위치 센서

관제사

설계 개념과 고려사항

좌표계

정확도를 두기: 충실의 개념

해결책과 소음

선형성과 지도로 나타내기

기생하는 움직임 및 과실

동 특성

물자

NanoMechanism 장치의 몇몇 보기

NPS-Z-15A/B

NPS-XY-100A

결론

수신 확인

참고

요약

두고 검사하는 매우 정밀도의 요구에 응하기 위하여는, 기계장치를 두는 이하 nanometric 정확도로 두는 기능이 있는 다중 축선 positioners에는으로 압전과 NanoSensor 기술 Queensgate를 결합하는 일련의 정밀도는 Queensgate 계기에 최근에 개발되었습니다. 이 서류에서 설계 원리 및 몇몇은의 이 기계장치의 발달에서 사용된 기술 수평 나노미터 또는 이하 나노미터에 metrological 기능이 어떻게 달성될 수 있는지 설명하기 위하여 소개되고 토론됩니다. 0.01% 선형성 과실, 이하 나노미터 히스테리시스, 아주 낮은 모난 기생하는 움직임 및 좋은 동 반응으로 상연하는 몇몇 처음 결과는 포함됩니다, 등등 설명됩니다입니다.

소개

최근 몇년 사이에, 정밀도 기술설계의 각종 필드에 있는 급속한 발달의 결과로, 거기 가지고 있습니다 이 나노미터 또는, 때때로, 이하 나노미터 해결책 및 반복성 조차 도 할 수 있는 정밀도 두고는 및 검사 시스템을 위한 필요에 있는 큰 증가가. 이 동향은 증가하는 예상되, 각종 응용의 요구에 응할 것을 더 비발한 장치의 탐험을 위한 새로운 설계 개념 그리고 기술이 요구하. 예를 들면, 웨이퍼 steppers는 200 nm에 아래로 선 폭을 가진 실리콘 칩을 만들고 있습니다; 검사 탐사기 현미경은 그 같은 칩이 얼마나 잘 제작되는지 설치하기 위하여 사용됩니다; 그리고 씨 헤드 기술의 소개는 5 기가바이트 디스크가 규범이 되는 것을 허용합니다. 이 기계 및 이 기계를 만드는 기계, 결합은 나노미터의 정확도에 분대를 두거나 나아질 수 있는 향상된 움직임 통제 기술을 가진 광학적인 디자인을 진행했습니다.

이 발달의 어려운 문제를 충족시키기 위하여는, Queensgate 계기는 이하 nanometeric 정확도로 두는 기능에 다중 축선 positioners로 압전 Queensgate를 결합하는 기술과 NanoSensor 기술을 두는 매우 정밀도를 개발하고 있습니다. 이 시스템은 일련의 단계로, 단 하나 축선 단계, x-y 단계를 포함하여 NanoMechanisms이라고, 불러 및 기우 단계 등등 구성됩니다. 이 단계의 조합은 부대를 두는 3개, 4개, 5개 6개 자유도를 제공할 수 있습니다.

나노미터 정밀도 기계장치 (NanoMechanisms)의 설계 원리

기계장치

압전 장치는 나노미터 정밀도 두기를 위해 요구된 해결책 및 뻣뻣함을 가진 단계를 가능성으로 가지고있ㅂ니다. 그러나, 압전 장치가 비선형 이고기 히스테리시스를 전시하기 때문에, 외부 센서는 그들의 위치를 통제할 것을 요구됩니다. 용량 마이크로미터는 이 업무에 이상적으로 적응되어, 효과적으로 무한한 본질적인 해결책 기능에 작고 간단하. 순수한 단 하나 축선 움직임을 달성하기 위하여는, 축선 움직임 떨어져 무엇이든에 제한을 실행하고 완전한 단계 시스템을 형성하기 위하여 piezo 액추에이터 및 센서를 함께 결합하는 굴곡 인도 기계장치는 이용됩니다. 굴곡은 기계로 가공하는 성과에 있는 아주 높은 정밀도를 주는 EDM를 사용하여 단계로 일반적으로 모놀리식으로 삭감됩니다.

숫자 1은 시스템의 이 종류의 전형적인 닫힌 고리 제어 구역 도표입니다. 도표에서는, 센서에 의해 측정된 움직임은 느껴진 움직임과 커맨드의 차이를 극소화하기 위하여 단계를 관제사로 다시 공급됩니다. 이런 경우에, 도량형학 루프에 있는 두는 정밀도는 센서 및 관제사의 기능에 의해 주로 결정됩니다.

AZoNano - 나노 과학 - NanoMechanism의 단 하나 축선 통제 시스템의 구역 도표.

숫자 1. NanoMechanism의 단 하나 축선 통제 시스템의 구역 도표.

용량 위치 센서

NanoSensor는 < 그것의 지정된 운영 범위에 0.02%의 선형성 과실을 가진 높게 선형 용량 느끼는 장치입니다 (일반적으로 100 ~ 500 µm 사이). 0.01% 이하의 감소된 범위 선형성 과실에 작전은 가능합니다. NanoSensor에는 < 0.005 nm의 정상 작동에 있는 위치상 잡음 레벨이 있습니다. Hz (RMS)는 최고 불변강 Zerodur 같이 아주 안정되어 있는 물자에서 날조되고. 그것은 히스테리시스에서 몸의 접촉이 없고습니다 자유롭습니다. 그것에는 또한 측정의 순간에 아주 조밀하고, 간단하고, 싸, 그리고 전력 흩어지기 없이 이점이의 있습니다. 따라서 그것은 극단적으로 작은 진지변환의 정확한 측정에 적절합니다.

관제사

0.1 nm 해결책 및 100 µm 기능을 가진 시스템을 디자인할 경우 1개 부품의 역학 범위에서 백만이기 때문에, 컴퓨터 통제의 밑에 범위가 디지털로 일반적으로 극단적으로 어렵다 또는 20 비트이다 접근하는 구역 수색하십시오. 이 문제 Queensgate를 언급하기 위하여는 21 (DSP) 비트의 본질적인 해결책이 있는, 디지털 신호 처리기 기지를 둔 통제 시스템에는 개발하고 디지털로 어드레스로 불러낼 수 있습니다. 주목해야 한다 이것은 멀리 유효한 대부분의 A/D와 D/A 변환기의 해결책을 곧 초과하고 대부분의 응용에 있는 잡음 레벨의 밑에 있습니다. 향상된 디지털 PID 제어 연산 논리는 시스템에서 사용되었습니다. 폐회로 관제사의 구역 도표는 숫자 2.에서 보입니다. 시스템 반응은 비례 및 미분 기간을 소개해서 향상될 수 있습니다. 각측정속도 의견 (미분 기간)는 정착(settle) 시간을 감소시키는 기계적인 공명을 습기를 빼기에서 매우 도울 수 있습니다. 작동 대역폭은 컴퓨터에 의해 통제될 수 있고 루프 매개변수는 성과 최적화를 위한 사용자에 의해 정의됩니다.

AZoNano - 나노 과학 - PID 닫힌 고리 제어의 구역 도표.

숫자 2. PID 닫힌 고리 제어의 구역 도표.

그런 관제사를 사용하여 비선형성을 측정하고 보상하는 것이 가능합니다. 게다가 일단 그 같은 기계장치에 있는 기생하는 각운동이 성격을 나타내면 복잡한 다중 축선 시스템에서 그(것)들을 보상하는 것이 가능합니다. 선형성 과실은 완전히 0.02% < 보상될 수 있습니다. 그것의 밑에 측정은 구경측정 시스템의 본질적인 선형성에 의해 일반적으로 제한됩니다.

이 보상 기술의 사용은 나노미터 수준에 metrological 기능을 달성하게 아주 중요합니다. 제어 루프 안에서 센서가 절대적으로 선형 이지 않다 명백합니다, 그래서 시스템 선형성은 소프트웨어 대상에 의해 더 향상될 수 있습니다. 이상적으로, 기계장치는 순수한 직각 움직임을 전시해야 합니다 - i.e, x-y 장치에는 단지 x 및 y-축에 따라서 자유도가 있어야 합니다. 사실상, 거기 억제되지 않는 (기생하는) 움직임 내력 및 제조 제한 때문에 찡그림에서 일어나는 존재합니다. 이 기생하는 움직임에서 과실은 기계적인 디자인을 낙관해서 극소화되고 대상 기술에 의해 더 감소될 수 있습니다. 예상할 수 있는 경우에 기생하는 과실이 단지 보상될 수 있다는 것을 유의하십시오, i.e 기생하는 움직임은 또한 반복 가능 뿐만 아니라 합니다.

설계 개념과 고려사항

좌표계

첫째로 정의하는 것이 필요합니다 협조합니다 위치를 기술하기 위하여 사용해. 단계를 두기를 위해 사용할 것이다 명백한 시스템은 직각 직각 좌표계를입니다. 이 것으로 협조합니다 숫자 3.에서 보이는 것처럼 X, Y 및 Z 도끼에 관하여 교체의 분대로 임의 교체는, 그것의 X, Y, Z로 위치를 정의하골. 더 유용하게 사람은 X, Y에 있는 변경으로 운동을 기술할 수 있고 Z는 협조합니다. 교체는 오른손잡이 감에 있는 X, Y 및 Z 도끼에 관하여 기술됩니다. 기간은 투구하고, 구르고 교체에 대해서 이야기할 때 침로에서 벗어남은 자주 사용합니다. 이 기간은 선형 운동에 기인한 기생하는 교체를 기술할 때 유용합니다, 그러나 그(것)들이 정의되는 축선 시스템 보다는 오히려 움직임의 방향이라고 참조되는 때 신중은 취해야 합니다. 비행중에 비행기를 위해, 날개끝에서 날개끝에 인출된 축선에 관하여 교체는 피치입니다; 동체의 길이의 아래 인출된 축선에 관하여 교체는 롤이고 수직 축선에 관하여 교체는 침로에서 벗어남입니다. 정의한 데카르트 철학 시스템에서는 "비행기"가 긍정적인 X 방향 θ에 따라서 이면 피치 비행하는 경우에, γ는 롤이고 φ는 침로에서 벗어남입니다.

AZoNano - 나노 과학 - 좌표계.

숫자 3. 좌표계.

정확도를 두기: 충실의 개념

단계를 위하여는, 위치 커맨드는 컴퓨터에 의해 관제사에 보내집니다. 움직임은 piezo 액추에이터에 의해 일어나고 센서에 의해 감시됩니다. 의견 신호를 사용하여, 관제사는 느껴진 움직임과 커맨드의 차이를 극소화하기 위하여 단계를. 방법 작은 다름이 일 수 있는 방법 정확하게 단계가 있을 수 있는 주로 시스템의 통제 능력에 의해 결정되고 것과 같이 해석될 수 있습니다. 두는 정밀도가 해결책 (잡음 레벨), 재현성 (편류와 히스테리시스) 및 시스템의 과실 (지도로 나타내기의 고위 과실)를 지도로 나타내서 주로 영향을 받을 명백합니다. 더욱, 단계 움직임이 완벽한 시스템이고 외부 측정기로 측정되는 경우에 가정되고, 명령한 위치와 요구한 위치의 차이가 있을: 방법 가까운 그(것)들이 인 충실을 두기로 정의됩니다. 그러므로, 마지막 두는 정확도는 숫자 4.에서 보이는 것처럼 두는 정밀도 및 두는 충실 둘 다에 의해, 결정되어야 합니다. 이들이 NanoMechanisn 디자인에서를 취급되는 방법 뒤에 오는 단면도에서 토론될 것입니다.

AZoNano - 나노 과학 - 측정 정확도.

숫자 4. 측정 정확도.

해결책과 소음

측정 두기의 해결책은 시스템의 잡음 레벨과 직접 관련있습니다. 잡음 레벨을 뾰족해지는 첨단은 쉽게 충분히 길게 기다리는 경우에 어떤 소음 배급든지로 큰 편차를 얻기 수 있기 때문에, 측정되지 않거나 해석되지 않습니다. 그러므로 표준 장비로 측정될 수 있는 rms 가치는 일반적으로 사용됩니다. 소음 진폭 배급은 해결책을 볼 때 중요합니다. 일반적으로 가우스 소음은 지배하고 이 경우에는 rms는 표준 편차, 시그마와 동등합니다. 취한 견본의 68.3%는 평균값의 1 시그마 안에 있을 것입니다. 그것은 숫자 5인 2개의 특징 해결의 68.3% 기회가 있다는 것을 의미합니다, (또는 따로따로 6 시그마인) 2개의 해결의 99.7% 기회에서 보이는 것처럼 소음의 2 시그마의 따로따로 거리, 특징.

AZoNano - 나노 과학 - 2개의 위치 해결

2개의 위치를 해결하는 숫자 5.

잡음 파워 스펙트럼은 정보의 가장 중요한 피스입니다. 그것은 50 60 Hz에 지방화되는 소음의 근본적인 근원을 위로 보여줄 수 있습니다 - 요점과 같이 - 픽업하십시오. 숫자 6은 DSP에 기지를 둔 NPS3000 관제사의 잡음 파워 스펙트럼의 측정을 설명합니다. 이것은 < 10 pm의 잡음 레벨을 보여줍니다. Hz. 시험에서는, NPS3000 관제사는 100개 Hz의 단계 작동 대역폭을 가진 닫힌 루프 최빈값에서 단 하나 축선 단계를, (NPS-Z-15B), 통제하기 위하여 이용됩니다. 음모를 꾸민 소음 신호는 piezo 액추에이터에 적용된 HV 드라이브 전압에서 입니다. 50 Hz 요점은 위로 명확하게 보일 수 있습니다 아주 저수준에 선택합니다.

AZoNano - 나노 과학 - NPS3000 관제사의 스펙트럼을 소문내십시오

숫자 6. NPS3000 관제사의 소음 스펙트럼.

NanoMechanism 시스템에 있는 소음은, 센서 소음, piezo 드라이브 소음, 기계적인 소음 및 청각적인 소음으로 일반적으로 구성해 입니다. 센서 소음은 제어 루프에 의해 때문에 커맨드 해석되고기 이렇게 실제적인 진지변환 소음이 되기. 센서에서 의견 신호는 piezo 액추에이터에 적용될 드라이브 전압을 생성하기 위하여 이용됩니다. Piezo 드라이브 전압 소음은 이 프로세스에서 소음을 두는 단계에 기여하기 위하여 소개되고. 이 소음의 효력은 센서에 의해 검출되, 그러므로, 적어도 부분적으로 밖으로 servoed 할 수 있습니다. 밖으로 자동 귀환 제어 장치에 시스템의 능력은 놓인 대역폭에 드라이브 소음 달려 있습니다: 더 높은 대역폭 잘 기여금은 밖으로 servoed. 지상 진동과 청각적인 소음과 같은 외부 기계적인 입력은 또한 단계가 움직이는 원인이 될 것입니다. 이 입력의 효력은 단계의 뻣뻣함을 증가해서 극소화될 수 있습니다. 그것은 또한 시스템 대역폭이 충분히 높은 경우에 밖으로 servoed 할 수 있습니다. 통제 시스템 NPS3000를 위해 측정 대역폭은 12 kHz 및 단계 기계장치의 동 특성에 의해 일반적으로 지배되는 폐회로 대역폭에 2개 kHz 설치될 수 있습니다.

선형성과 지도로 나타내기

이상적인 세계에서는, 단계는 완벽하게 선형 이어야 합니다. 세계는 확실히 거의 이상적 그러나입니다. 실제로 용량 센서의 선형성은 명목상 간격 (무숙자 용량)의 간격 및 전극 표면 etc. [1]의 비 평행과 같은 많은 요인에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 단계의 실제적인 움직임 또는 위치가 및 이렇게 선형성 대상을 적용하기위하여인 무슨 알고 있기 위하여는, 시스템은 고정확도를 가진 외부 측정기에 대하여 측정되어야 합니다. 커맨드 위치,c 로 표시된 사상 함수로 내부 센서 및 실제적인 위치, x에 의하여p 위치를 나타내는 x 의, 어느 정도까지, 관련될 수 있습니다, x =p f (x) 측정했습니다c. 사상 함수의 간단한 형식은 지수 급수입니다

(1)

이상적으로 a0, a2,3 a는4… 영과 a1 단일성일 것입니다; 그 후에 센서 척도 인자, a1는 사용자의 컴퓨터로 다시 공급된 가설적으로 완벽한 정확한 위치 센서 및 위치 측정에 의해 측정되는 것과 같이 실제적인 단계 위치 사이 관계를 기술하는 선형 요인입니다. 지도로 나타내는 충실은 개별 "a" 계수에 과실의 세트이 특징입니다. 사상 함수가 첫번째 명령 (직선)일 때, 지도로 나타내는 과실은 척도 인자 불확실이 됩니다. 측정을 위한 실제적인 위치와 최고 적합 직선 사이 잔류는 선형성 과실 (일반적으로 적합했던 선형 베스트에서 잔류를 선택하기 위하여 우리는 ½ 후비는 물건으로 선형성 과실을 정의합니다)를 줍니다. 한 예로, 100개의 µm 범위 장치에서 0.05%의 선형성 과실은 0개의 µm 위치와 100개의 µm 위치 사이 50 nm 절대적인 위치 불확실 숫자 7 (a)에서 보이는 것처럼 선형 근사가 할 때 귀착됩니다. 보통 NanoSensors를 위해 선형성에서 편차는 대략 비유적이고 몇몇 시스템에서 이것은 DSP를 관련시키기 없이 전자로 보상하기 쉽습니다. 불완전한 1개, 경미하게 보상의 결과, 또 다른 한개를 가진 포물선은 일반적으로 매우 더 낮은 진폭의 S자 곡선입니다 그래서 지도로 나타내는 과실은 숫자 7 (b)에서 보이는 것처럼 매우 더 낮습니다. 이것은 a 사용과 동등합니다1 방정식2 1.의 기간. 사람이 고위 기간을 사용하기 위한 것인 경우에, 더 나은 결과 조차 달성될 수 있었습니다. 이것은 마이크로 프로세서에 근거한 센서 시스템 또는 외면적으로 사용자의 컴퓨터에서 쉽게 행해질 수 있습니다. 간다는 것은에서 얻을는다는 것은 약간이 높이 보다는 네 번째 명령한다는 것은 있다는 것은 것을, 봅니다 숫자 7 (c)를 발견되었습니다.

AZoNano - 나노 과학 - 과실과 선형성을 지도로 나타내기

(a)

AZoNano - 나노 과학 - 과실과 선형성을 지도로 나타내기

(b)

AZoNano - 나노 과학 - 과실과 선형성을 지도로 나타내기

(c)

숫자 7. 지도로 나타내는 과실 및 선형성.

기생하는 움직임 및 과실

단계에 있는 기생하는 움직임은 모난 어느 쪽이든으로 확인될 수 있습니다: x, y 및 z 도끼에 관하여 교체; 또는 선형: 편평한 움직임, 비 직교성 및 누화에서; 그리고 예상치 않은 위치 오차를 소개할 것입니다. 단계 바디의 찡그림에 기인한 기생하는 움직임은 주의깊은 디자인과 구조물 매개변수 최적화에 의해 극소화될 수 있습니다. 강요한 도끼에서는 뻣뻣함은 움직임의 축선에 가능한한 높게, 그리고 가능한한 낮게 있기 위하여 디자인되어야 합니다. 이것은 NanoMechanisms에서 제대로 굴곡 패턴을 배열하고 굴곡 매개변수를 주의깊게 선택해서 달성됩니다. 그러나, 굴곡 디자인은, 최빈값 연결 때문에, 뻣뻣함이 높을 사방팔방으로 요구하는 시스템 공명 주파수에 의해 때때로 제한됩니다. 유한 성분 분석 FEA는 이용될 수 있습니다 현지와 글로벌 찡그림을 예상하기 위하여 및 그러므로 군대를 분리하기 위하여 구조물이 제대로 낙관될 수 있거나 불가피한 찡그림을 만들기 위하여 취소하십시오. 이 기생하는 움직임이 예상할 수 있는 경우에 그 후에 보상될 수 있습니다. 이 움직임이 단계 위치의 기능이다는 것을 유의하고, 그러나 반드시 선형으로서 이어, 복잡한 지세에 지도하. 예측이 움직임에 있는 어떤 히스테리시스에 의하여 아주 단단한 시킵니다 - 만일 불가능한. 이런 이유로, 시스템에 있는 군대 변경은 높게 선형 및 반복 가능 이어야 합니다. 마찰은 항상 군대의 변경 방향 때문에 히스테리시스의 근원 입니다.

견본이 NanoMechanism에 위에 거치될 때, Abbe 과실은 기생하는 각운동에게 주의깊게 치러야하는 여겨져야 합니다. 작은 모난 과실에는 나노미터 수준에 큰 영향이 있을 수 있습니다: 예를 들면, 1개 mm의 오프셋을 가진 다만 1개의 µrad의 경사는 nm 위치 오차 1개 줍니다. 이 효력을 감소시키기 위하여는, 견본은 센서의 측정 도끼에 되도록 근접하여 있어야 합니다. 예를 들면, x-y-z 3 축선 NanoMechanism 시스템에서 견본 홀더는 센서 측정 도끼에 일치하는 점에 숫자 8.에서 보이는 것처럼 있습니다. x-y 단계의 교체 과실의 효력은 이렇게 극소화될 수 있습니다.

AZoNano - 나노 과학 - 3D NanoMechanism.

숫자 8. 3D Nanomechanism.

비 직교성 누화와 같은 선형 기생하는 움직임은 단계 프레임의 제조 공차 그리고 찡그림에 의해 주로 프레임이 센서로' 자료 이용되는 경우에 영향을 받습니다. x-y 단계에 있는 센서의 2개 쌍의 도끼는 플래트홈의 이동하는 도끼에 서로에게 아주 직각 및 일치해야 합니다. 현대 제조 기술을 사용하여 센서 도끼의 직교성에서 편차는 x-y 비행기에서 0.5 nm/µm (i.e 0.05%)의 직교성 과실을 주는 0.5 mrd 안에서 일반적으로 통제될 수 있습니다.

운동학 설치에 의하여, 위치 참고는 트레이스 할 수 있게 되고 열 확장과 원동력에서 찡그림은 분리될 수 있습니다. 이것은 단계가 나노미터 수준에 metrological 기능이 있도록 중요합니다. 100개 x 100개 mm의 규모의 최고 불변강 단계를 위해 조차, 1Co 온도 변화는 30에게 차원에 있는 nm 변경을 일으키는 원인이 될 것입니다 ( = /Co). 원동력에 기인한 단계 프레임 구부리는 것은 nm [2]의 수백에 10의 범위 안에 전형적으로 입니다. 운동학 설치 없이 대략 그 동일 크기의 위치 불확실은 시스템으로 소개될지도 모릅니다.

동 특성

움직임의 도량형학 그리고 정확도를 제외하고, 시스템의 동적 성과는 또한 안정성 및 속도가 많은 응용에 중대하기 때문에 중요합니다. 이상적으로 커맨드와 위치 사이 단계 래그가 없고, 기계장치는 단계 입력 - 오름 시간, 싹에, 또는 정착(settle) 시간에 완벽하게 반응할 것입니다.

선형, 이차, 감쇠하 자유로운 기계 시스템을 위해, 공명 주파수는 시스템 뻣뻣함과 질량에 의해 결정됩니다. 최적으로 디자인된 기계장치에서는, 뻣뻣함은 일반적으로 그것의 번역 축선에 있는 piezo 더미의 뻣뻣함에 의해 지배됩니다. 움직임 확대를 가진 단계를 위해, piezo 액추에이터의 효과적인 뻣뻣함은 k가 piezo의e 뻣뻣함p2이고 G가p 확대인 곳에, 로 k = k/G 감소될 것입니다. 질량을 감소시키는 것은 시스템 공명 주파수를 증가할 수 있습니다. 그러나, 플래트홈의 질량이 줄이는 때 단계 성과는 짐 질량의 영향에 더 과민하게 됩니다, i.e 견본의 질량이 증가하는 만큼 공명 주파수는 급속하게 아래로 투하할 것입니다. 시스템의 동적 성질은 또한 적당한 감쇠 물자를 소개하거나 향상된 서보 조종 장치 기술 사용하기와 같은 그밖 접근을 통해 향상될 수 있습니다. 기계 사용에서는, 디자인 논고는 수시로 시스템이 입력의 특정 백분율 안에 침전하도록 정의된 정착(settle) 시간의 표준을 요구된 시간 사용합니다. NanoMechanisms를 위해, 그밖 계기 같이, 정착(settle) 시간은 공명 주파수 보다는 동적 성과의 직접 묘사입니다. piezo 몬 NanoMechanism를 위해, 정착(settle) 시간은 부패하기 위하여 걸린 울리는 진동을 위한 돌리 시간 그리고 시간으로 이루어져 있습니다. 이전은 piezo 더미의 용량 및 드라이브 전자공학의 현재 드라이브 기능에 의해 결정되는 회전 비율에 의해 지배됩니다. 두번째 명령 시스템을 위해 필수품은 전형적으로 τ가 시간 상수, ξ 감쇠 인자 및 ω 공명 주파수 [3] 곳에, 산출이 대략 4개 시간 상수 (4τ=4/ξω)의 내구를 취하는n 단계 입력 변경 후에 그것의 마지막 가치의 2% 안에 도달하기 전에n 최대 지연을 지정합니다. 이것에서 시스템 반응이 공명 주파수 및 감쇠 인자를 둘 다 증가해서 향상될 수 있다는 것을 보일 수 있습니다. 정상적으로, 굴곡 경첩 단계는 아주 낮은 감쇠 인자에 높게 울립니다. 그러므로, 여분 감쇠는 단지 마찰 없이 소개될 수 있어야만 아주 도움이 되고, 그러나, 때문에 이것 히스테리시스를 일으키는 원인이 되기 수 있기 효과적으로 붕괴 시간을 감소시킬 수 있습니다. 이것이 제어 연산 논리 안에 행해지는 경우에, 아무 마찰도 소개되지 않을 것입니다.

물자

건축자재의 열 속성은 수시로 디자인 둘 다를 위한 주요한 관심사 및 정밀 기계의 사용입니다. 일반적인 사용에서는, 모든 기계 장치는 환경 온도 변화, 액추에이터에 있는 전력 흩어지기, etc로 취급해 통신수에 기인한 열 입력에 직면합니다. 열 소요의 직접 효과는 계기 정확도의 손실의 결과로 기계 분대의 차원 변경을 일으키는 원인이 될 열 확장 입니다. 온도에 있는 변경 물자 여러가지 굉장히 변화하는 열 확장 (CTE)의 그것의 계수이 때문에 물자의 차원 변경은 특징입니다. 일반적으로 열 효력을 감소시키기 위하여, 최소 열 확장 계수를 가진 건축자재는 이용되어야 합니다. 아무리 어떠한 경우에는 낮게 열 expansivity는 장치와 그것의 설치 사이 가까운 expansivity 일치 만큼 유용하지 않습니다. 더욱, 열 확장을 극복할 것이다 개정은 제어 방법을 통해 가능합니다: 온도는 개정을 제공하기 위하여 측정되고 이용될 수 있습니다. 또 다른 문제는 열 기온변화도입니다. 그(것)들은 대상이 가능하지 않은 구조물 찡그림을 일으키는 원인이 됩니다. 열 기온변화도의 효력을 피하기 위하여는, 물자는 낮은 열 전도도로 최고 불변강 및 Zerodur와 같이 또는 높은 전도도로 시스템이 열 평형을 빨리 도달하는 알루미늄과 같은 선택될 수 있습니다. 환경의 효력을 감소시키기 위하여 많은 정밀도 장치는 작 도록 신중하게 디자인됩니다.

또한 물자의 기계적 성질은 주의깊게 고려되어야 합니다. 예를 들면, 병력과 Young 계수, /E 의 한계의 비율 굴곡 기계장치에 의해 달성될 수 있는 최대 범위. 그러나, 낮은 Young 계수는 NanoMechanism 또는 metrological 자료로 때때로 이용되는 그것의 프레임을 충분한 뻣뻣함을 제공할 수 없을지도 모릅니다. 추가로, 기계장치와 그것의 액추에이터 사이 현지 접촉 뻣뻣함에는 기계 시스템의 공명 주파수에 대한 직접 효과가 있습니다 - 공명 주파수는 부족한 접촉 뻣뻣함 때문에 아래로 투하할 수 있습니다. 또한 물자의 질량은 NanoMechanisms의 동적 성질에 큰 효과를 낼 수 있습니다. 최고 불변강 그리고 알루미늄 합금의 예를 들면 조밀도 비율은 대략 3입니다, 그래서 시스템의 뻣뻣함이 동일하 경우에 알루미늄 시스템의 공명 주파수는 높이 √3 시간 최고 불변강 시스템의 그것 보다는일 수 있습니다.

NanoMechanism 장치의 몇몇 보기

NPS-Z-15A/B

이것은 z 축선에 따라서 순수한 움직임을 일으키기 위하여 디자인되는 단 하나 축선 선형 운동 단계입니다. 단계에는 15 µm의 폐회로 범위 및 < 이하 나노미터 해결책에 0.06%의 전형적인 선형성이 (대상 없이) 있습니다. 대상 후에 비선형성은 < 0.02%에 전형적으로 아래로 투하합니다. 조밀한 굴곡 기계장치는 단계로 piezo 더미에서 축선과 끝 경사 움직임 떨어져 기생하는 것 분리하기 위하여 디자인됩니다. 기우는 과실은 전체적인 범위에 1개 µrad 이하 이기 위하여 측정됩니다, (굴곡 기계장치 없이 기우는 과실은 15 µrad 이상 일반적으로 있습니다). 낮은 히스테리시스는 나노미터 metrological 기능을 달성하는 단계를 위한 또 다른 중요한 특징 입니다. 숫자 9는 0.01%의 선형성 과실 및 이하 나노미터 히스테리시스를 설명하는 단계 NPS-Z-15B에서 정체되는 성과의 전형적인 측정 결과입니다. 논고의 대부분은 Zygo ZMI 1000년 간섭계를 사용하여 측정되었습니다. 그러나 이하 나노미터 히스테리시스의 측정은 간섭계를 사용하여 어렵게 됩니다 - 그래서 그 측정을 위해 Queensgate는 NanoSensor 사용되었습니다. NPS3000와 관제사 함께 사용될 때 대부분의 응용을 위한 좋은 동 반응을 주는 단계의 공명 주파수는 2개 kHz입니다. 단계 반응은 숫자 10.에서 보입니다.

AZoNano - 나노 과학 - NPS-Z-15B의 선형성 그리고 히스테리시스.

NPS-Z-15B의 숫자 9. 선형성과 히스테리시스.

AZoNano - 나노 과학 - NPS-Z-15B의 단계 반응

숫자 10. NPS-Z-15B의 단계 반응.

NPS-XY-100A

이것은 (NSOM 응용을 위해 편리한) 중앙에 있는 직경 40 mm 가늠구멍을 가진 2 축선 선형 운동 단계입니다. 그것에는 이하 나노미터 해결책을 가진 100 100 µm의 역학 범위가 있습니다. 주의깊은 디자인과 정밀도 제조에 의하여, z 축선 (δγ, δθ)에 관하여z회전z과실은 통제한 10 미만 µrad 및 그밖 회전 과실 전체적인 범위에 하찮게 작습니다입니다. 히스테리시스는 것과 같이 범위의 0.01% 미만 측정되었습니다. 숫자 11는 단계 NPS-XY-100A에서 정체되는 성과의 전형적인 측정 결과를 제출합니다. 완전한 운동학 설치 기계장치는 시스템의 안정성을 향상하는 내부 원동력과 열 확장에 의해 유도된 긴장을 구호하는 것을 돕습니다. 운동학 설치 기계장치는 열 효력이 효과적으로 분리될 수 있다 그래야, 시스템 자료가 견본 또는 탐사기가 일반적으로 있는 단계 플래트홈의 센터에 있다는 것을 확인합니다. 단계에는 최고 불변강으로 만들고 300 Hz 이상 공명 주파수가 있습니다. 감쇠하는 시스템으로 여분의 것을 소개해서, 작은 단계 반응을 위한 10명의 Ms 정착(settle) 시간은 숫자 12에서 보이는 것처럼, 달성될 수 있습니다. NPS-XY-100와 NPS-Z-15를 결합하는 것은 metrological SPM 응용에 대하 이상적인 숫자 8에서 보이는 것처럼 3D 두고는 및 검사 시스템을, 형성합니다.

AZoNano - 나노 과학 - NPS-XY-100A의 선형성 그리고 히스테리시스.

NPS-XY-100A의 숫자 11. 선형성과 히스테리시스.

AZoNano - 나노 과학 - NPS-XY-100A의 단계 반응

숫자 12. NPS-XY-100A의 단계 반응.

결론

몇몇은의 Queensgate의 나노미터 정밀도 기계장치에서 사용된 기술 수평 나노미터 NanoMechanisms로 또는 이하 나노미터에 metrological 기능이 어떻게 달성될 수 있는지 설명하기 위하여 소개되고 토론되었습니다. 몇몇 metrological 개념은 기술을 두는 매우 정밀도를 기술하기 위하여 이용되는 방법으로 명백하게 했습니다. 디자인 고려사항은 해결책의 문제에 관하여 토론되고, 비 직교성 (누화), 교체 과실 및 시스템에 위치 오차 및 불확실을 소개하는 Abbe 과실 등등 같이 선형성 및 히스테리시스, 열 확장 및 군대 찡그림 및 기생하는 움직임 소문냅니다. 이 과실 피하거나 극소화하기를 위한 몇몇 접근은 언급되었습니다. 이것은 두 낙관한 디자인 및 향상된 대상 기술을 관련시킵니다. 세부 사항 정보는 Queensgate [3]에서 가능합니다. 단 하나 축선에서 다중 축선 단계에 구역 수색하는 일련의 NanoMechanisms는, 디자인되고 건축되었습니다. 이 단계의 조합은 나노미터 정밀도를 6개까지 자유도의 움직임을 제공할 수 있습니다. 처음 테스트는 저잡음 수준 이하 나노미터 히스테리시스, 아주 작은 기생하는 움직임, 높은 선형성 및 좋은 단계 반응과 같은 유망한 결과를 보여주었습니다. metrological 특성의 포괄적인 평가는 다중 축선 시스템을 위한 복잡한 장기 계획사업, 특히이어, 더 정교한 metrological 기술 및 향상된 계기를 관련시키. 추가 결과는 가까운 장래에 보고될 것입니다.

수신 확인

저자는 NanoMechanisms 디자인하고, 건축하고 이 시험에 있는 그들의 도움을 위한 Graham 죤스, Jeremy 러셀 및 필립 Rhead에게 감사를 표현하고 싶으면.

참고

1.      Nanopositioning 책, Ltd 1997년 Queensgate 계기

2. P.D. Atherton, Y. Xu 및 M. McConnell, 두고 검사 "를 위한" 새로운 x-y 단계, SPIE의 연례 회의, 1996년, 미국 덴버 8월의 절차

3. S.T. 스미스 및 D.G. Chetwynd 의 Ultraprecision 기계장치 디자인의 기초, Gordon 및 개척 과학 Publishers 1992년

1 차적인 저자: Ying Xu, 폴 D Atherton, 토마스 R. Hicks 및 Malachy McConnel.

근원: Queensgate 계기.

이 근원에 추가 정보를 위해 Queensgate 계기를 방문하십시오.

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

Last Update: 15. July 2013 16:13

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