Ontwerp en Karakterisering van de Mechanismen van de Precisie Nanometer - de Gegevens van de Leverancier door Queensgate Instruments

AZoNano - Nanotechnologie - het Embleem van instrumenten Queensgate

Besproken Onderwerpen

Samenvatting

Inleiding

De Filosofie van het Ontwerp van de Mechanismen van de Precisie Nanometer (NanoMechanisms)

Mechanismen

De Sensor van de Positie van de Capacitieve Weerstand

Controlemechanisme

De Concepten van het Ontwerp en Overwegingen

Gecoördineerd Systeem

Het Plaatsen Nauwkeurigheid: Het Concept Trueness

Resolutie en Lawaai

Lineariteit en Afbeelding

Parasitische Moties en Fouten

Dynamische Kenmerken

Materialen

Sommige Voorbeelden van Apparaten NanoMechanism

Nps-z-15A/B

Nps-x-y-100A

Conclusies

Erkenning

Verwijzing

Samenvatting

Om de eisen van en ultra-precisie te ontmoeten die plaatst aftast, is een reeks precisie plaatsende mechanismen ontwikkeld onlangs bij Instrumenten Queensgate, die technologieën Queensgate piezoelectric en NanoSensor in multi-axis instelmechanismen combineert die de capaciteit om met sub-nanometric nauwkeurigheid hebben te plaatsen. In dit document worden de ontwerpfilosofie en enkele die technologieën in de ontwikkeling van deze mechanismen wordt gebruikt geïntroduceerd en besproken om te verklaren hoe een metrologisch vermogen op het nanometer of zelfs sub-nanometerniveau kan worden bereikt. Sommige aanvankelijke resultaten zijn inbegrepen, waarin de stadia met 0.01% lineariteitfout, sub-nanometerhysterese, zeer lage hoekige parasitische moties en goede dynamische reactie, enz. worden aangetoond.

Inleiding

De laatste jaren, als resultaat van snelle ontwikkelingen op divers gebied van precisietechniek, is er een grote verhoging van de behoefte aan precisie plaatsende en aftastende systemen geschikt voor nanometer of, soms, zelfs sub-nanometerresolutie en herhaalbaarheid geweest. Deze tendens zou moeten groeien, vereisend nieuwe ontwerpconcepten en technieken voor exploratie van nieuwere apparaten om de eisen van diverse toepassingen te ontmoeten. Bijvoorbeeld, wafeltje maken steppers siliciumchepen met lijnbreedten neer aan 200 NM; De Microscopen van de Sonde van het Aftasten worden gebruikt om hoe goed te vestigen worden dergelijke spaanders gemaakt; en de introductie van M. hoofdtechnologie staat 5 Gigabyte schijven toe om de norm te worden. Deze machines, en machines die deze machines maken, combineren geavanceerd optisch ontwerp met de geavanceerde technologie van de motiecontrole, die componenten aan een nauwkeurigheid van een nanometer kan plaatsen of beter.

Om de uitdaging van deze ontwikkelingen te ontmoeten, ontwikkelt de Instrumenten Queensgate een ultra-precisie het plaatsen technologie die piezoelectric Queensgate combineert en technologie NanoSensor in multi-axis instelmechanismen met de capaciteit om met sub-nanometeric nauwkeurigheid te plaatsen. Dit systeem is samengesteld uit een reeks stadia, genoemd NanoMechanisms, met inbegrip van enige asstadia, x-y stadia en overhellende stadia enz. De combinaties deze stadia kunnen drie, vier, vijf of zes graad vrijheids plaatsende eenheden verstrekken.

De Filosofie van het Ontwerp van de Mechanismen van de Precisie Nanometer (NanoMechanisms)

Mechanismen

Piezo-electric apparaten hebben het potentieel die stadia met de resolutie en de stijfheid te bewegen voor nanometerprecisie het plaatsen wordt vereist. Nochtans, omdat piezo-electric apparaten niet-lineair zijn en hysterese tentoonstellen, wordt een externe sensor vereist om hun positie te controleren. De capacitieve weerstandsmicrometer is ideaal gezien geschikt voor deze taak, die klein en eenvoudig met een intrinsiek resolutievermogen is dat effectief oneindig is. Om zuivere één enkele asmotie te bereiken, wordt een buigings leidend mechanisme gebruikt, dat beperkingen aan om het even welk van asmoties uitvoert en piezo actuator en sensor samen combineert om een integraal stadiumsysteem te vormen. De buigingen zijn normaal monolithisch gesneden in de stadia die het machinaal bewerken EDM gebruiken, die een zeer hoge precisie in prestaties geeft.

Figuur 1 is een typisch gesloten het blokdiagram van de lijncontrole van dit soort systeem. In het diagram, wordt de motie door de sensor wordt gemeten gevoed terug naar het controlemechanisme, dat het stadium beweegt om het verschil tussen de ontdekte motie en het bevel te minimaliseren dat. In dit geval, wordt de het plaatsen precisie in de metrologielijn hoofdzakelijk bepaald door de mogelijkheden van de sensor en het controlemechanisme.

AZoNano - Nanotechnologie - het diagram van het Blok van één enkel systeem van de ascontrole van NanoMechanism.

Figuur 1. Het diagram van het Blok van één enkel systeem van de ascontrole van NanoMechanism.

De Sensor van de Positie van de Capacitieve Weerstand

NanoSensor is een hoogst lineair capacitieve weerstands ontdekkend apparaat met lineariteitfouten van < 0.02% over zijn gespecificeerd werkend gamma (normaal tussen 100 ~ 500 µm). Werken over fouten van een de verminderde waaierlineariteit van hieronder 0.01% is mogelijk. NanoSensor heeft een positioneel geluidsniveau in normale verrichting van < 0.005 NM. Herz (RMS) en kan van zeer stabiele materialen zoals Super Invar of Zerodur worden vervaardigd. Het is niet-contact en vrij van hysterese. Het heeft ook de voordelen om, en zonder machtsdissipatie op het punt van meting zeer compact, eenvoudig, goedkoop te zijn. Aldus is het passend aan de nauwkeurige meting van uiterst kleine verplaatsingen.

Controlemechanisme

Wanneer het ontwerpen van een systeem met 0.1 NM- resolutie en waaier 100 µm is de capaciteit om tot dat gamma digitaal onder computercontrole toegang te hebben normaal uiterst moeilijk, aangezien het een dynamische waaier van 1 deel in miljoen, of 20 bits is. Om dit probleem Queensgate aan te pakken een gebaseerd de controlesysteem hebben ontwikkeld (DSP) van het Digitale Signaal Bewerker, dat een intrinsieke resolutie van meer dan 21 bits heeft, en digitaal adresseerbaar is. Men zou moeten opmerken dat dit ver de resolutie van de meeste weldra beschikbare convertors A/D en D/A overschrijdt en onder de geluidsniveaus in de meeste toepassingen is. De Geavanceerde digitale PID controlealgoritmen zijn gebruikt in het systeem. Een blokdiagram van het gesloten lijncontrolemechanisme wordt getoond in Figuur 2. De systeemreactie kan worden verbeterd door de evenredige en differentiële termijnen voor te leggen. De Snelheid koppelt (differentiële termijn) kan zeer in het dempen van mechanische resonanties helpen terug, die regelende tijden verminderen. De het werk bandbreedte kan door computer worden gecontroleerd en de lijnparameters worden bepaald door de gebruiker voor prestatiesoptimalisering.

AZoNano - Nanotechnologie - het diagram van het Blok van PID sloot lijncontrole.

Figuur 2. Het diagram van het Blok van PID gesloten lijncontrole.

Gebruikend zulk een controlemechanisme is het mogelijk om het niet lineair zijn te meten en het te compenseren. Verder zodra de parasitische hoekige moties in dergelijke mechanismen zijn gekenmerkt is het mogelijk om hen in een complex multi-axis systeem te compenseren. De lineariteitfouten kunnen volledig < 0.02% worden gecompenseerd. Onder dat worden de metingen normaal beperkt door de intrinsieke lineariteit van de kaliberbepalingssystemen.

Het gebruik van deze compenserende techniek is zeer belangrijk om een metrologisch vermogen op het nanometerniveau te bereiken. Het is duidelijk dat binnen de controlelijn de sensor niet absoluut lineair is, zodat kan de systeemlineariteit verder door softwarecompensatie worden verbeterd. Ideaal Gezien, zou het mechanisme zuivere orthogonal moties moeten tentoonstellen - d.w.z., moet een x-y apparaat graden van vrijheid langs de x en yassen slechts hebben. In werkelijkheid, er bestaan de ongecontroleerde (parasitische) moties die van vervorming toe te schrijven aan interne krachten en productiebeperkingen het gevolg zijn. De fouten van deze parasitische moties zijn geminimaliseerd door het mechanische ontwerp te optimaliseren en gekund verder door de compensatietechniek worden verminderd. Merk op dat de parasitische fouten slechts kunnen worden gecompenseerd als zij voorspelbaar zijn, d.w.z. moeten de parasitische moties niet alleen meetbaar maar ook herhaalbaar zijn.

De Concepten van het Ontwerp en Overwegingen

Gecoördineerd Systeem

Eerst is het noodzakelijk om te bepalen coördineert gebruikt om posities te beschrijven. Het duidelijke systeem aan gebruik voor het plaatsen van stadia is een orthogonal Cartesiaans Gecoördineerd systeem. Met dit kan een positie met zijn X, Y bepalen, coördineert Z en een willekeurige omwenteling als componenten van omwenteling over de assen van X, van Y en van Z, zoals aangetoond in Figuur 3. Nuttiger kan men een beweging als verandering in X beschrijven, coördineren Y en Z. De Omwentelingen worden beschreven met betrekking tot de assen van X, van Y en van Z in een rechtshandige betekenis. Het de termen hoogte, broodje en de slingering worden vaak gebruikt wanneer het spreken over de omwentelingen. Deze termijnen zijn nuttig wanneer het beschrijven van parasitische die omwentelingen door een lineaire motie worden veroorzaakt, maar de grote zorg moet worden genomen aangezien zij worden doorverwezen naar de richting van motie eerder dan een bepaald assysteem. Voor een vliegtuig tijdens de vlucht, is een omwenteling over een as van vleugelpunt aan vleugelpunt wordt getrokken hoogte die; een omwenteling over een as onderaan de lengte van de fuselage wordt getrokken is broodje en een omwenteling over een verticale as is slingering die. In het bepaalde Cartesiaanse systeem als het „vliegtuig“ langs de positieve richting van X θ vliegt is hoogte, is γ broodje en φ is slingering.

AZoNano - Nanotechnologie - Gecoördineerd systeem.

Figuur 3. Gecoördineerd systeem.

Het Plaatsen Nauwkeurigheid: Het Concept Trueness

Om een stadium te bewegen, wordt een positiebevel verzonden naar het controlemechanisme door een computer. De motie wordt veroorzaakt door piezo actuator en door een sensor gecontroleerd. Gebruiken koppelt signaal, de controlemechanismebewegingen het terug stadium om het verschil tussen de ontdekte motie en het bevel te minimaliseren. Hoe klein kan zijn het verschil hoofdzakelijk wordt bepaald door de controlerende capaciteit van het systeem en kan worden geïnterpreteerd zoals hoe precies het stadium kan worden geplaatst. Het is duidelijk dat de het plaatsen precisie hoofdzakelijk door resolutie (geluidsniveau) reproduceerbaarheid en (afwijking en hysterese) zal beïnvloed worden fout (hoge ordefout van afbeelding) van het systeem in kaart te brengen. Voorts als de stadiummotie met een extern meetinstrument wordt gemeten dat om een perfect systeem wordt verondersteld te zijn, zal er een verschil tussen de gebevolen positie en gewenste positie zijn: hoe dicht zij worden bepaald als het plaatsen trueness zijn. Daarom zou de definitieve het plaatsen nauwkeurigheid door zowel de het plaatsen precisie als het plaatsen trueness, zoals aangetoond in Figuur 4 moeten worden bepaald. Hoe deze behandeld=worden= in ontwerp NanoMechanisn in het volgende van secties zullen worden besproken.

AZoNano - Nanotechnologie - de nauwkeurigheid van de Meting.

Figuur 4. De Nauwkeurigheid van de Meting.

Resolutie en Lawaai

De resolutie van meting of het plaatsen is direct verwant met het geluidsniveau van het systeem. Een piek op piekgeluidsniveau wordt niet gemakkelijk gemeten of geïnterpreteerd, aangezien met om het even welke lawaaidistributie u een grote afwijking kunt krijgen als u lang genoeg wacht. Daarom wordt de rms waarde normaal gebruikt die met standaardapparatuur kan worden gemeten. De distributie van de lawaaiomvang is belangrijk wanneer het bekijken resolutie. Gewoonlijk overheerst Gaussian lawaai en in dit geval is rms gelijkwaardig aan de standaardafwijking, sigma. 68.3% van genomen steekproeven zal binnen één sigma van de gemiddelde waarde zijn. Dat betekent er een 68.3% kans is om twee eigenschappen op te lossen die een afstand apart van sigma twee van het lawaai, zoals aangetoond in figuur 5 zijn, (of 99.7% kans om twee eigenschappen op te lossen die sigma zes apart zijn).

AZoNano - Nanotechnologie die - twee posities Oplost

Figuur 5. Het Oplossen van twee posities.

Het spectrum van de lawaaimacht is een belangrijkste stuk van informatie. Het kan de onderliggende bronnen van lawaai tonen - zoals leidingen verbeter, dat bij 50 of 60 Herz gelokaliseerd is. Figuur 6 toont een meting van het spectrum van de lawaaimacht van het DSP gebaseerde controlemechanisme NPS3000 aan. Dit toont een geluidsniveau van < 10 p.m. Herz. In de test, wordt het controlemechanisme NPS3000 gebruikt om één enkel asstadium, (nps-z-15B), op closed-loop wijze met een stadium het werk bandbreedte van 100 Herz te controleren. De in kaart gebrachte die lawaaisignalen zijn van het HV aandrijvingsvoltage op piezo actuator wordt toegepast. 50 de leidingen van Herz verbeteren kunnen duidelijk worden gezien hoewel bij zeer laag.

AZoNano - Nanotechnologie - het spectrum van het Lawaai van controlemechanisme NPS3000

Figuur 6. Het spectrum van het Lawaai van controlemechanisme NPS3000.

Het lawaai in het systeem NanoMechanism is, in het algemeen, uit sensorlawaai wordt samengesteld, piezo aandrijvingslawaai, mechanisch lawaai en akoestisch lawaai dat. Het lawaai van de Sensor zal door de controlelijn als bevel worden geïnterpreteerd en zo wordt daadwerkelijk verplaatsingslawaai. Koppel signaal van de sensor terug wordt gebruikt om een aandrijvingsvoltage te produceren dat op piezo actuators moet worden toegepast. Piezo lawaai van het aandrijvingsvoltage zal in dit proces worden geïntroduceerd en zal bijdragen tot het stadium het plaatsen lawaai. Het effect van dit lawaai kan door de sensor worden ontdekt en bijgevolg servoed minstens gedeeltelijk uit. De capaciteit van het systeem aan servo uit het aandrijvingslawaai hangt van de geplaatste bandbreedte af: hoger de bandbreedte beter de bijdrage uit servoed is. De Externe mechanische input zoals grondtrilling en akoestisch lawaai zal ook het stadium om zich veroorzaken te bewegen. De gevolgen van deze input kunnen worden geminimaliseerd door de stijfheid van het stadium te verhogen. Het kan ook zijn uit servoed als de systeembandbreedte voldoende hoog is. Voor het controlesysteem NPS3000 kan de metingsbandbreedte opstelling zijn aan kHz 12 en gesloten lijnbandbreedte 2 kHz die normaal door de dynamische kenmerken van stadiummechanismen wordt overheerst.

Lineariteit en Afbeelding

In een ideale wereld, zou een stadium volkomen lineair moeten zijn. De wereld is bijna ideaal maar niet helemaal. In de praktijk kan de lineariteit van de capacitieve weerstandssensor door vele factoren zoals de dikte van nominaal hiaat (of afdwalen capacitieve weerstand) en niet-parallellisme van de elektrodenoppervlakten, enz. [1] worden beïnvloed. om te weten wat de daadwerkelijke motie of de positie van het stadium en zo om lineariteitcompensatie zijn toe te passen moet het systeem tegen een extern meetinstrument met hoge nauwkeurigheid worden gekalibreerd. De bevelpositie, xc, dat de positie door de interne sensor wordt gemeten en de daadwerkelijke die positie vertegenwoordigt, xp, kan, in zekere mate, met een afbeeldingsfunctie worden met elkaar in verband gebracht wordt uitgedrukt als xp = F (x datc). De eenvoudige vorm van de afbeeldingsfunctie is een machtsreeks

(1)

Ideaal Gezien zou a0, a2,3 a,4… nul en a1eenheid zijn; dan is de factor van de sensorschaal, a1, de lineaire factor beschrijvend het verband tussen de daadwerkelijke stadiumpositie zoals die door een hypothetisch perfecte nauwkeurige die positiesensor en de positiemeting wordt gemeten terug naar de computer van de gebruiker wordt gevoed. Afbeeldingstrueness wordt gekenmerkt door de reeks fouten op de individuele 'a'coëfficiënten. Wanneer de afbeeldingsfunctie eerste orde (een rechte lijn) is, wordt de afbeeldingsfout de onzekerheid van de schaalfactor. Het residu tussen de daadwerkelijke positie en een beste geschikte rechte lijn voor de meting geeft lineariteitfout (definiëren wij normaal de lineariteitfout als oogst ½ om residu van de lineaire beste pasvorm te plukken). Als voorbeeld, resulteert een lineariteitfout van 0.05% in een 100 µm waaierapparaat in een onzekerheid van de 50 NM absolute positie tussen positie 0 µm en positie 100 µm wanneer een lineaire benadering, zoals aangetoond in Figuur 7 (a) wordt gemaakt. Gewoonlijk voor NanoSensors is de afwijking van lineariteit ruwweg parabolisch en in sommige systemen is dit gemakkelijk om elektronisch te compenseren zonder DSP te impliceren. Het lichtjes onvolmaakte resultaat van het compenseren van één, parabool met een andere is gewoonlijk een S-curve van veel lagere omvang zodat is de afbeeldingsfout veel lager, zoals aangetoond in Figuur 7 (b). Dit is gelijkwaardig aan het gebruiken van a1 en2 termijnen van vergelijking 1. Als men de hogere ordetermijnen moest gebruiken, zou een nog beter resultaat kunnen worden bereikt. Dit kan gemakkelijk in microprocessor gebaseerde sensorsystemen of uiterlijk in de computer van de gebruiker worden gedaan. Men heeft geconstateerd dat er weinig zijn in gaan te bereiken hoger dan vierde orde, Figuur 7 (c) zien.

AZoNano - Nanotechnologie - de fout en de lineariteit van de Afbeelding

(a)

AZoNano - Nanotechnologie - de fout en de lineariteit van de Afbeelding

(b)

AZoNano - Nanotechnologie - de fout en de lineariteit van de Afbeelding

(c)

Figuur 7. De fout en de lineariteit van de Afbeelding.

Parasitische Moties en Fouten

De Parasitische moties in stadia kunnen als hoekig één van beiden worden geïdentificeerd: omwenteling over x, y en zassen; of lineair: uit vliegtuigmotie, niet-rechthoekigheid en overspraak; en onverwachte het plaatsen fouten zal introduceren. De parasitische die moties door vervormingen van het stadiumlichaam kunnen worden veroorzaakt door zorgvuldige ontwerp en structuurparameteroptimalisering worden geminimaliseerd. In de beperkte assen zou de stijfheid moeten zo hoog mogelijk worden ontworpen om te zijn, en zo laag mogelijk in de as van motie. Dit wordt bereikt in NanoMechanisms door het buigingspatroon behoorlijk te schikken en de buigingsparameters zorgvuldig te kiezen. Nochtans, wordt het buigingsontwerp soms beperkt door de systeem resonerende frequentie die, wegens wijzekoppeling, de stijfheid in alle richtingen om hoog vereist te zijn. De Eindige elementenanalyse FEA kan worden gebruikt om lokale en globale vervormingen te voorspellen en vandaar kan de structuur behoorlijk worden geoptimaliseerd om de krachten los te koppelen of de onvermijdelijke vervormingen te maken elkaar annuleren. Als deze parasitische moties toen voorspelbaar zijn kunnen zij worden gecompenseerd. Merk noodzakelijk op dat deze moties een functie van de stadiumpositie zijn, maar zijn niet lineair, leidend tot complexe topografie. Om Het Even Welke hysterese in motie maakt de voorspelling zeer hard - als niet onmogelijk. Om deze reden, moeten de krachtveranderingen in het systeem hoogst lineair en herhaalbaar zijn. De Wrijving is altijd een bron van hysterese, wegens de veranderende richting van de kracht.

Wanneer de specimens op een NanoMechanism worden opgezet, moeten de fouten Abbe zorgvuldig wegens de parasitische hoekige moties als worden beschouwd. De Kleine hoekige fouten kunnen grote affect op het nanometerniveau hebben: bijvoorbeeld, geeft een schuine stand van enkel 1 µrad met een compensatie van 1 mm de fout van de a1NM positie. Om dit effect te verminderen, zouden de specimens moeten worden geplaatst zo dicht mogelijk aan de het meten assen van de sensoren. Bijvoorbeeld, in XYZ drie wordt het systeem van asNanoMechanism de specimenhouder gevestigd op het punt dat met de sensor die assen, zoals aangetoond in Figuur 8 meet samenvallend is. De gevolgen van omwentelingsfouten van het x-y stadium kunnen zo worden geminimaliseerd.

AZoNano - Nanotechnologie - 3D NanoMechanism.

Figuur 8. 3D Nanomechanism.

De lineaire parasitische moties zoals niet-rechthoekigheid of overspraak worden hoofdzakelijk beïnvloed door productietolerantie en de vervormingen van stadiumframe als het frame als sensoren' gegeven wordt gebruikt. De assen van twee paren sensoren in het x-y stadium moeten aan elkaar aan de bewegende assen van het platform zeer orthogonal en samenvallend zijn. Gebruikend moderne productietechnologie kan de afwijking van rechthoekigheid van de sensorassen over het algemeen binnen 0.5 mrd worden gecontroleerd die een rechthoekigheidsfout van 0.5 nm/µm (d.w.z. 0.05%) in het x-y vliegtuig geeft.

Door kinematische steun, wordt de positieverwijzing traceable en de vervormingen van thermische uitbreiding en stuwende kracht kunnen worden losgekoppeld. Dit is belangrijk voor het stadium om metrologisch vermogen op het nanometerniveau te hebben. Zelfs voor een Super stadium Invar van de grootte van 100 x 100 mm, zal een 1Co temperatuurverandering 30 NM- veranderings in afmeting (= /C )o veroorzaken. Stadiumframe buigen veroorzaakt door de stuwende kracht is typisch in de waaier van tientallen aan honderden NM [2]. Zonder kinematische steun zou een positieonzekerheid van ongeveer die zelfde omvang in het systeem kunnen worden geïntroduceerd.

Dynamische Kenmerken

Ongeacht de metrologie en de nauwkeurigheid van motie, zijn de dynamische prestaties van het systeem ook belangrijk omdat de stabiliteit en de snelheid aan vele toepassingen kritiek zijn. Ideaal Gezien zou er geen fasevertraging tussen bevel en positie zijn, en het mechanisme zou volkomen aan een ingevoerde stap - geen stijgingstijd, over spruit, antwoorden of zou tijd regelen.

Voor een lineair, second-order, bevochtiging-vrij mechanisch systeem, wordt de resonerende frequentie bepaald door systeemstijfheid en massa. In een optimaal ontworpen mechanisme, wordt de stijfheid gewoonlijk overheerst door de stijfheid van piezo stapels in zijn vertaalas. Voor een stadium met motieversterking, zal de efficiënte stijfheid van piezo actuator worden verminderd als ke = k/Gp2, waar kp de stijfheid van piezo en G is de versterking is. Het Verminderen van de massa kan de systeem resonerende frequentie verhogen. Nochtans, aangezien de massa van het platform vermindert worden de stadiumprestaties gevoeliger voor de invloed van de ladingsmassa, d.w.z. zal de resonerende frequentie neer snel dalen aangezien de massa van het specimen stijgt. De Dynamische eigenschappen van het systeem kunnen ook door andere benaderingen worden verbeterd zoals het introduceren van een juist bevochtigingsmateriaal of het gebruiken van geavanceerde servobesturingstechnieken. In instrumentatie, gebruiken de ontwerpspecificaties vaak het criterium van regelende die tijd, als tijd wordt gedefinieerd voor het systeem wordt vereist binnen een bepaald percentage van de input te regelen. Voor NanoMechanisms, zoals andere instrumenten, is de regelende tijd een directere beschrijving van de dynamische prestaties dan resonerende frequentie. Voor een piezo gedreven NanoMechanism, bestaat de regelende tijd uit de zwenkende die tijd en de tijd voor de resonerende schommelingen aan bederf wordt gevergd. De eerstgenoemde wordt overheerst door zwenkt tarief dat door de capacitieve weerstand van de piezo stapels en het huidige aandrijvingsvermogen van de aandrijvingselektronika wordt bepaald. Voor tweede ordesystemen specificeert het vereiste typisch een maximumvertraging alvorens de output binnen 2% van zijn definitieve waarde na een verandering van de stapinput bereikt, die een duur van ongeveer vier tijdsconstanten (4τ=4/ξω) vergt,n waar τ tijdsconstante, ξ bevochtigingsfactor en resonerende frequentie ωn [3] is. Van dit kan men zien dat de systeemreactie kan worden verbeterd door zowel de resonerende frequentie als de bevochtigingsfactor te verhogen. Normaal, zijn de stadia van de buigingsscharnier hoogst resonerend met zeer lage bevochtigingsfactoren. Daarom zal de extra bevochtiging zeer nuttig zijn en kan de bederftijd effectief verminderen, maar slechts als het zonder wrijving kan worden geïntroduceerd, aangezien dit kan hysterese veroorzaken. Als dit binnen het controlealgoritme wordt gedaan, dan zal geen wrijving worden geïntroduceerd.

Materialen

De Thermische eigenschappen van bouwmaterialen zijn vaak de belangrijkste zorg voor zowel ontwerp als gebruik van precisieinstrumenten. In normaal gebruik dat, ontmoeten alle mechanische apparaten hitteinput door milieutemperatuurverandering wordt veroorzaakt, machtsdissipatie in actuators, exploitant etc. behandeling. Het directe effect van de thermische storing is thermische uitbreiding die afmetingsverandering van mechanische componenten zal veroorzaken, resulterend in het verlies van instrumentennauwkeurigheid. De dimensionale verandering van een materiaal toe te schrijven aan een verandering in temperatuur wordt gekenmerkt door zijn Coëfficiënt van Thermische Uitbreiding (CTE), die enorm met verschillende materialen varieert. In het algemeen, om het thermische effect te verminderen, zouden de bouwmaterialen met minimale thermische uitbreidingscoëfficiënt moeten worden gebruikt. Nochtans in sommige gevallen is lage thermische expansivity niet zo nuttig zoals de dichte expansivitygelijke tussen het apparaat en zijn steun. Voorts zijn de correcties om aan thermische uitbreiding het hoofd te bieden mogelijk door controlemethodes: de temperatuur kan worden gemeten en worden gebruikt om een correctie te verstrekken. Een Ander probleem is thermische gradiënten. Zij veroorzaken structuurvervorming, waarvoor de compensatie niet mogelijk is. Om de gevolgen van thermische gradiënten te vermijden, kunnen de materialen of met laag warmtegeleidingsvermogen, zoals Super Invar en Zerodur, of met hoog geleidingsvermogen, zoals Aluminium worden verkozen, waar het systeem thermisch evenwicht snel bereikt. Om de gevolgen van het milieu te verminderen worden vele precisieapparaten doelbewust ontworpen klein zijn.

Ook moeten de mechanische eigenschappen van materialen zorgvuldig worden overwogen. Bijvoorbeeld, beperkt de verhouding van sterkte en de modulus van Jongelui, /E, de maximumwaaier die door buigingsmechanismen kan worden bereikt. Nochtans, kan de modulus van lage Jongelui niet een voldoende stijfheid voor NanoMechanism of zijn frame kunnen verstrekken, dat soms als metrologisch gegeven wordt gebruikt. Verder, hebben de lokale contactstijfheid tussen het mechanisme en zijn actuators een direct effect op de resonerende frequentie van een mechanisch systeem - de resonerende frequentie kan neer wegens ontoereikende contactstijfheid dalen. Ook kan de massa van materiaal een groot verschil aan de dynamische eigenschappen van NanoMechanisms uitmaken. Bijvoorbeeld is de dichtheidsverhouding van de Super legeringen van Invar en van het aluminium ongeveer 3, zodat kan de resonerende frequentie van een aluminiumsysteem √3 tijden zijn meer hoog dan dat van een Super systeem Invar als de stijfheid van de systemen het zelfde is.

Sommige Voorbeelden van Apparaten NanoMechanism

Nps-z-15A/B

Dit is een stadium van de enig-as lineair motie dat wordt ontworpen om een zuivere motie langs de zas te veroorzaken. Het stadium heeft een gesloten lijnwaaier van 15 µm en een typische lineariteit van < 0.06% (zonder compensatie) met sub-nanometerresolutie. Na compensatie laat vallen het niet lineair zijn typisch < neer 0.02%. Een compact buigingsmechanisme wordt ontworpen in het stadium om parasitisch van as en uiteinde-schuine stand moties van de piezo stapels los te koppelen. De het overhellen fouten worden gemeten om minder dan 1 µrad over gehele waaier te zijn, (zonder buigingsmechanisme zijn de het overhellen fouten normaal meer dan 15 µrad). De Lage hysterese is een andere belangrijke eigenschap voor het stadium om nanometer metrologisch vermogen te bereiken. Figuur 9 is een typisch metingsresultaat van statische prestaties van het stadium nps-z-15B, dat een lineariteitfout van 0.01% en een sub-nanometerhysterese aantoont. De Meeste specificaties waren gekalibreerd gebruikend een interferometer van Zygo ZMI 1000. Nochtans wordt de meting van sub-nanometerhysterese moeilijk gebruikend de interferometer - zo voor die metingen werd een Queensgate NanoSensor gebruikt. De resonerende frequentie van het stadium is kHz 2 die een goede dynamische reactie voor de meeste toepassingen wanneer gebruikt met controlemechanisme NPS3000 geeft. Een stapreactie wordt getoond in Figuur 10.

AZoNano - Nanotechnologie - Lineariteit en hysterese van nps-z-15B.

Figuur 9. Lineariteit en hysterese van nps-z-15B.

AZoNano - Nanotechnologie - de reactie van de Stap van nps-z-15B

Figuur 10. De reactie van de Stap van nps-z-15B.

Nps-x-y-100A

Dit is een twee-as lineair motiestadium met een 40 mm- diameteropening in het geschikte midden (voor toepassingen NSOM). Het heeft een dynamische waaier van 100 100 µm met sub-nanometerresolutie. Door zorgvuldige ontwerp en precisievervaardiging, worden de rotatiefouten over zas (δγz, δθz) gecontroleerd minder dan 10 µrad en andere rotatiefouten zijn onbetekenend klein over de gehele waaier. De hysterese werd gemeten als minder dan 0.01% van de waaier. Figuur 11 stelt een typisch metingsresultaat van statische prestaties van het stadium nps-x-y-100A voor. Het Integrale kinematische opzettende mechanisme helpt die de spanningen te verlichten die door interne aandrijvingskrachten en thermische uitbreiding worden veroorzaakt, de stabiliteit van het systeem verbeteren. Het kinematische opzettende mechanisme zorgt ervoor dat het systeemgegeven op het centrum van stadiumplatform is op wie het specimen of de sonde normaal worden gevestigd, zodat het thermische effect effectief kan worden losgekoppeld. Het stadium wordt gemaakt van Super Invar en heeft een resonerende frequentie meer dan 300 Herz. Door extra bevochtiging in het systeem te introduceren, regelt Mej. 10 tijd want de kleine stapreactie, zoals aangetoond in Figuur 12 kan worden bereikt. Combinerend nps-x-y-100 en nps-z-15 vormen een 3D plaatsend en aftastend systeem, zoals aangetoond in Figuur 8, die voor metrologische toepassingen SPM ideaal is.

AZoNano - Nanotechnologie - Lineariteit en hysterese van nps-x-y-100A.

Figuur 11. Lineariteit en hysterese van nps-x-y-100A.

AZoNano - Nanotechnologie - de reactie van de Stap van nps-x-y-100A

Figuur 12. De reactie van de Stap van nps-x-y-100A.

Conclusies

Enkele die technologieën in de mechanismen van de nanometerprecisie van Queensgate worden gebruikt zijn geïntroduceerd en besproken om te verklaren hoe een metrologisch vermogen op nanometer of zelfs sub-nanometerniveau met NanoMechanisms kan worden bereikt. Sommige metrologische concepten zijn verduidelijkt op de manier zij worden gebruikt om ultra-precisie het plaatsen technieken te beschrijven. De ontwerpoverwegingen zijn besproken met betrekking tot de problemen van resolutie en lawaai, lineariteit en hysterese, thermische uitbreiding en krachtvervorming, en parasitische moties zoals niet-rechthoekigheid (overspraak), omwentelingsfouten en Abbe fouten enz., die het plaatsen fouten en onzekerheid aan het systeem introduceren. Sommige benaderingen voor het vermijden van of het minimaliseren van deze fouten werden vermeld. Dit impliceert zowel geoptimaliseerd ontwerp als geavanceerde compensatietechnieken. De meer gedetailleerde informatie is beschikbaar bij Queensgate [3]. Een reeks die van NanoMechanisms, zich van enige as aan multiasstadia, uitstrekt is ontworpen en gebouwd. De combinatie deze stadia kan moties van zelfs zes graden van vrijheid van nanometerprecisie voorzien. Het Aanvankelijke testen heeft veelbelovende resultaten, zoals niveau met geringe geluidssterkte, sub-nanometerhysterese, zeer kleine parasitische moties, hoge lineariteit en goede stapreactie getoond. Een uitvoerige beoordeling van metrologische kenmerken is een ingewikkeld en op lange termijn project, vooral voor multiassystemen, die verfijndere metrologische technieken en geavanceerde instrumenten impliceren. De Verdere resultaten zullen in de nabije toekomst worden gemeld.

Erkenning

De auteurs zouden dankzij Graham Jones, Jeremy Russell en Philip Rhead voor hun hulp willen uitdrukken in het ontwerpen van, de bouw van en het testen van deze NanoMechanisms.

Verwijzing

1.      Het Nanopositioning Boek, Queensgate Instruments Ltd, 1997

2.      P.D. Atherton, Y. Xu en M. McConnell, „Nieuw x-y stadium voor het plaatsen en het aftasten“, Werkzaamheden van de Jaarlijkse Vergadering van SPIE, Augustus 1996, Denver, de V.S.

3.      S.T. Smith en D.G. Chetwynd, Stichtingen van de Uitgevers van de Wetenschap van het Ontwerp, van Gordon en van de Breuk van het Mechanisme Ultraprecision, 1992

Primaire auteur: Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks en Malachy McConnel.

Bron: De instrumenten van Queensgate.

Voor meer informatie over deze bron te bezoeken gelieve instrumenten Queensgate.

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

Last Update: 15. July 2013 15:54

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit