Om te voldoen aan de eisen van ultra-nauwkeurige positionering en scannen is een reeks van nauwkeurige positionering mechanismen zijn recent ontwikkeld op Queensgate Instruments , die combineert Queensgate de piëzo-elektrische en nanosensor technologieën in multi-as manipulatoren die de mogelijkheid om positie met sub-nanometrische nauwkeurigheid hebben. In dit artikel de ontwerpfilosofie en een aantal van de gebruikte technologieën voor de ontwikkeling van deze mechanismen zijn geïntroduceerd en besproken om uit te leggen hoe een metrologische capaciteit op de nanometer of zelfs sub-nanometer niveau kan worden bereikt. Enkele eerste resultaten zijn opgenomen, in welke fasen met 0,01% lineariteitsfout, sub-nanometer hysteresis, zeer lage parasitaire hoekige bewegingen en een goede dynamische respons, etc. worden gedemonstreerd. Introductie In de afgelopen jaren, als gevolg van de snelle ontwikkelingen op diverse gebieden van precisie engineering, is er sprake van een grote toename in de behoefte aan nauwkeurige positionering en scannen in staat zijn tot nanometer, of soms zelfs sub-nanometer resolutie en herhaalbaarheid. Deze trend zal naar verwachting groeien, die nieuwe concepten en technieken voor de exploratie van nieuwe apparaten meer aan de eisen van verschillende applicaties te voldoen. Bijvoorbeeld, zijn wafer steppers het maken van silicium chips met line breedtes tot 200 nm; Scanning Probe Microscopen worden gebruikt om vast te stellen hoe goed deze chips worden gemaakt, en de introductie van MR hoofd technologie maakt het mogelijk 5 gigabyte schijven aan de norm geworden. Deze machines, en de machines die deze machines te maken, combineert geavanceerde optische ontwerp met geavanceerde motion control-technologie, welke onderdelen kan positioneren met een nauwkeurigheid van een nanometer of beter. Om te voldoen aan de uitdaging van deze ontwikkelingen, Queensgate Instruments is het ontwikkelen van een ultra-nauwkeurige positionering-technologie die een combinatie Queensgate de piëzo-elektrische en nanosensor technologie in multi-as manipulatoren met de mogelijkheid om positie met sub-nanometeric nauwkeurigheid. Dit systeem is samengesteld uit een reeks van stadia, genaamd NanoMechanisms , inclusief enkele as stadia, xy podia en kantelen podia etc. De combinatie van deze fasen kunnen drie, vier, vijf of zes mate van vrijheid plaatsing units bieden. Ontwerpfilosofie van Nanometer Precision Mechanisms (NanoMechanisms) Mechanismen Piëzo-elektrische apparaten hebben de potentie om etappes te gaan met de resolutie en stijfheid die nodig zijn voor nanometer precisie positionering. Echter, omdat piëzo-elektrische apparaten zijn niet-lineair en vertonen hysteresis, is een externe sensor nodig is om hun positie te controleren. De capaciteit micrometer is bij uitstek geschikt voor deze taak, die klein en eenvoudig met een intrinsieke resolutie van vermogen dat is effectief oneindig. Om een zuivere enkele as beweging, is een buiging leidend mechanisme dat wordt gebruikt, die uitvoering geven beperkingen aan een af asbewegingen en combineert piëzo-actuator en de sensor samen vormen een integrerend fase-systeem. De flexuren worden normaal monolithisch gesneden in de fasen met behulp van EDM bewerking, die een zeer hoge precisie in performance geeft. Figuur 1 is een typisch closed loop controle blokschema van dit soort systeem. In het schema wordt de beweging gemeten door de sensor teruggevoerd naar de controller, die het podium beweegt te minimaliseren van het verschil tussen de waargenomen beweging en de opdracht. In dit geval, is de positionering precisie in de metrologie loop voornamelijk bepaald door de mogelijkheden van de sensor en controller.  Figuur 1. Blokschema van een enkele as controle systeem van NanoMechanism. Capaciteit Position Sensor De nanosensor is een zeer lineair capaciteit sensor met lineariteit fouten van <0,02% ten opzichte van zijn gespecificeerde bereik (normaal tussen 100 ~ 500 pm). Werkt via een beperkt aantal lineariteit fouten van minder dan 0,01% zijn mogelijk. De nanosensor heeft een positioneel geluidsniveau in de normale werking van <0,005 nm.Hz - ½ (RMS) en kan vervaardigd uit zeer stabiel materialen zoals Super Invar of Zerodur worden. Het is non-contact en vrij van hysterese. Het heeft ook de voordelen van een zeer compact, eenvoudig, goedkoop, en zonder vermogensverlies op het moment van de meting. Het is dus zeer geschikt voor de nauwkeurige meting van extreem kleine verplaatsingen. Controleur Bij het ontwerpen van een systeem met 0,1 nm resolutie en 100 micrometer bereik van de mogelijkheid om dat bereik toegang digitaal onder computerbesturing is normaal gesproken zeer moeilijk, want het is een dynamisch bereik van 1 deel op een miljoen, of 20 bits. Om dit probleem Queensgate hebben een Digital Signal Processor (DSP) op basis van controle systeem, dat een intrinsieke resolutie van meer dan 21 bits heeft, en is digitaal adresseerbare. Opgemerkt moet worden dat dit veruit de resolutie van de meeste A / D en D / A converters beschikbaar op dit moment overschrijdt en is lager dan de geluidbelasting in de meeste toepassingen. Geavanceerde digitale PID-regeling algoritmen zijn gebruikt in het systeem. Een blokschema van de gesloten lus controller is weergegeven in figuur 2. De respons van het systeem kan worden verbeterd door de invoering van het proportioneel en differentieel termen. Velocity feedback (differentieel termijn) kan enorm helpen bij de demping van mechanische resonanties, waardoor de afwikkeling tijden. De werking bandbreedte kan worden bestuurd door de computer en loop parameters worden gedefinieerd door de gebruiker voor optimale prestaties.  Figuur 2. Blokschema van de PID-closed-loop controle. Gebruik van een dergelijke controller is het mogelijk om de niet-lineariteit te meten en te compenseren. Verder een keer parasitaire hoekige bewegingen in dergelijke mechanismen zijn gekarakteriseerd het mogelijk is om voor hen te compenseren in een complexe multi-as-systeem. De lineariteit fouten kunnen volledig worden gecompenseerd tot <0,02%. Beneden dat de metingen worden doorgaans beperkt door de intrinsieke lineariteit van de kalibratie-systemen. Het gebruik van deze compensatie techniek is zeer belangrijk voor het bereiken van een metrologische capaciteit op de nanometer niveau. Het is duidelijk dat binnen de regelkring de sensor niet absoluut lineair, zodat het systeem lineariteit kan verder worden verbeterd door software compensatie. Idealiter moet het mechanisme tentoonstelling pure orthogonale bewegingen - dat is een xy-apparaat, moet slechts graden van vrijheid langs de x-en y-as. In werkelijkheid bestaan er ongecontroleerd (parasitaire) bewegingen als gevolg van vervorming ten gevolge van interne krachten en productie beperkingen. De fouten van deze parasitaire bewegingen zijn geminimaliseerd door het optimaliseren van het mechanisch ontwerp en kan verder worden verminderd door de vergoeding techniek. Merk op dat de parasitaire fouten alleen kan worden gecompenseerd als ze voorspelbaar zijn, dat wil zeggen de parasitaire bewegingen moeten niet alleen meetbaar zijn, maar ook herhaalbaar zijn. Design concepten en overwegingen Coördinatensysteem Eerst is het nodig om de coördinaten gebruikt om posities te beschrijven definiëren. Het voor de hand liggende systeem om te gebruiken voor het positioneren stadia is een orthogonale Cartesiaans coördinatensysteem. Met deze kan men definiëren een positie met de X, Y, Z coördineert en een willekeurige rotatie als componenten van rotatie rond de X, Y en Z-as, zoals weergegeven in figuur 3. Meer nuttig kan men omschrijven als een beweging een verandering in de X, Y en Z-coördinaten. Rotaties worden beschreven met betrekking tot de X, Y en Z-as in een rechtshandige zin. De begrippen pitch, roll en yaw worden vaak gebruikt als het over de rotaties. Deze voorwaarden zijn handig bij het beschrijven van parasitaire rotaties veroorzaakt door een lineaire beweging, maar grote zorgvuldigheid moet worden genomen als ze zijn doorverwezen naar de richting van de beweging in plaats van een bepaalde as-systeem. Voor een vliegtuig in vlucht, een rotatie om een as getrokken uit vleugeltip tot vleugeltip is pitch, een rotatie om een as opgesteld over de lengte van de romp is roll en een rotatie rond een verticale as is gieren. In de gedefinieerde cartesiaanse systeem als het 'vliegtuig' vliegt langs de positieve X-richting q is pitch, g roll en f is gieren.  Figuur 3. Coördinatensysteem. Nauwkeurigheid van de plaatsbepaling: Het concept van de juistheid Om een podium, is een positie opdracht die is verzonden naar de controller door een computer. De motie wordt geproduceerd door een piëzo-actuator en gecontroleerd door een sensor. Met behulp van de feedback-signaal, de controller beweegt het podium te minimaliseren van het verschil tussen de waargenomen beweging en de opdracht. Hoe klein het verschil kan vooral worden bepaald door de controlerende vermogen van het systeem en kan worden geïnterpreteerd als hoe precies het podium kan worden geplaatst. Het is duidelijk dat de positionering precisie zal voornamelijk worden beïnvloed door de resolutie (geluidsniveau), reproduceerbaarheid (drift en hysteresis) en in kaart brengen error (hoge orde fout van mapping) van het systeem. Bovendien, als het podium beweging wordt gemeten met een extern meetinstrument waarvan wordt aangenomen dat een perfect systeem is, zal er een verschil tussen de opgedragen positie en de gewenste positie: hoe dicht ze wordt gedefinieerd als de positionering juistheid. Daarom moet de uiteindelijke nauwkeurigheid van de plaatsbepaling wordt bepaald door zowel de positionering precisie en de positionering juistheid, zoals weergegeven in figuur 4. Hoe deze worden behandeld in NanoMechanisn ontwerp zal worden besproken in de volgende paragrafen.  Figuur 4. Meetnauwkeurigheid. Resolutie en Noise De resolutie van de meting of positionering is direct gerelateerd aan het geluidsniveau van het systeem. Een piek-piek geluidsniveau is niet gemakkelijk te meten of geïnterpreteerd, want met enige ruis distributie kunt u een grote afwijking te krijgen als je lang genoeg wacht. Daarom is de effectieve waarde wordt normaal gesproken gebruikt die kan worden gemeten met standaard apparatuur. Het geluid amplitude verdeling is belangrijk bij het kijken naar resolutie. Meestal Gaussische ruis overheerst en in dit geval de rms is gelijk aan de standaarddeviatie, sigma. 68,3% van de genomen monsters worden binnen een sigma van de gemiddelde waarde. Dat betekent dat er een 68.3% kans op het oplossen van twee kenmerken die een afstand van twee sigma van het lawaai van elkaar, zoals weergegeven in figuur 5, (of 99,7% kans op het oplossen van twee kenmerken die six sigma elkaar).  Figuur 5. Oplossen van twee posities. Het geluid vermogensspectrum is een zeer belangrijk stukje informatie. Het kan laten zien op de onderliggende bronnen van lawaai - zoals net pick-up, die gelokaliseerd is op 50 of 60 Hz. Figuur 6 laat een meting van het lawaai kracht spectrum van de DSP gebaseerde NPS3000 controller. Dit toont een geluidsniveau van <10 pm.Hz - ½. In de test, is de NPS3000 controller gebruikt worden om een enkele as fase (de NPS-Z-15B) controle, in een gesloten-lus-modus met een podium werkende bandbreedte van 100 Hz. Het geluid signalen uitgezet zijn van de HV-station spanning op de piezo actuator. 50 Hz net pick-up is goed, hoewel te zien op een zeer laag niveau.  Figuur 6. Noise spectrum van NPS3000 controller. Het lawaai in het NanoMechanism systeem is in het algemeen, bestaan uit sensor ruis, piëzobekrachtiging lawaai, mechanische ruis en akoestische ruis. Sensor geluidsoverlast zal worden geïnterpreteerd door de regelkring als een commando en wordt zo de werkelijke verplaatsing lawaai. De feedback signaal van de sensor wordt gebruikt om een stuurspanning genereren worden toegepast op de piëzo-actuatoren. Piëzobekrachtiging voltage geluidsoverlast zal worden ingevoerd in dit proces en dragen bij aan het podium positionering lawaai. Het effect van deze ruis kan worden gedetecteerd door de sensor, en dus, ten minste gedeeltelijk servoed uit. Het vermogen van het systeem om servo uit de drive geluid hangt af van de bandbreedte in te stellen: hoe hoger de bandbreedte, hoe beter de bijdrage is servoed uit. Externe mechanische ingangen zoals gemalen trillingen en akoestische geluid zal ook leiden tot het podium te bewegen. De effecten van deze ingangen kan worden geminimaliseerd door het verhogen van de stijfheid van het podium. Het kan ook worden servoed uit als het systeem bandbreedte voldoende hoog is. Voor de besturing NPS3000 de meting bandbreedte kan worden ingesteld tot 12 kHz en gesloten lus bandbreedte 2 kHz die normaal gesproken wordt gedomineerd door de dynamische eigenschappen van het podium mechanismen. Lineariteit en in kaart brengen In een ideale wereld zou een podium perfect lineair. De wereld is bijna ideaal, maar niet helemaal. In de praktijk is de lineariteit van de capaciteit sensor kan worden beïnvloed door vele factoren, zoals de dikte van de nominale gap (of verdwaalde capaciteit) en niet-parallellisme van de elektrode-oppervlakken, enz. [1]. Om te weten wat de werkelijke beweging of de positie van het podium is en dus tot lineariteit compensatie toe te passen, moet het systeem worden gekalibreerd tegen een extern meetinstrument met een hoge nauwkeurigheid. Het commando positie, x c, die de positie gemeten door de interne sensor en de actuele positie x p vertegenwoordigt, kan, tot op zekere hoogte, in verband worden gebracht met een mapping-functie uitgedrukt als x p = f (x c). De eenvoudige vorm van de mapping-functie is een machtreeks  (1) Idealiter een 0, een 2, een 3, een 4 ... zou nul en a1 eenheid worden, dan is de sensor schaalfactor, a1, wordt de lineaire factor die de relatie tussen de werkelijke stadium positie als gemeten door een hypothetisch perfect nauwkeurige positie sensor en de positie meting teruggekoppeld naar de computer van de gebruiker. Het in kaart brengen juistheid wordt gekenmerkt door de reeks van fouten op de 'a' van de individuele coëfficiënten. Als de mapping-functie is de eerste orde (een rechte lijn), het in kaart brengen fout wordt de schaalfactor onzekerheid. De resterende tussen de werkelijke positie en een best passende rechte lijn voor de meting geeft lineariteitsfout (normaal hebben we de lineariteitsfout definiëren als ½ kiezen om de resterende kiezen uit de lineaire beste passen). Als voorbeeld, een lineaire fout van 0,05% in een 100 micrometer range toestel resulteert in een 50 nm absolute positie onzekerheid tussen de 0 um positie en de 100 um positie als een lineaire benadering wordt gemaakt, zoals weergegeven in figuur 7 (a). Meestal voor nanosensoren de afwijking van lineariteit is ongeveer parabolische en in sommige systemen is dit eenvoudig te compenseren voor langs elektronische weg, zonder tussenkomst van de DSP. Het resultaat van een compenserende, iets onvolmaakt, parabool met een ander is meestal een S-curve van de veel lagere amplitude, zodat het in kaart brengen fout is veel lager, zoals weergegeven in figuur 7 (b). Dit is gelijk aan het gebruik van de een een en een twee termen van vergelijking 1. Als men de hogere orde termen te gebruiken, zou een nog beter resultaat worden bereikt. Dit kan gemakkelijk in de microprocessor gestuurde sensor systemen of extern worden gedaan in de computer van de gebruiker. Het is gebleken dat er weinig te winnen in het gaan hoger dan vierde orde, zie Figuur 7 (c).  (A)  (B)  (C) Figuur 7. Mapping fouten en lineariteit. Parasitaire Motions en fouten Parasitaire bewegingen in fasen kan worden onderkend dat zij hoekig: rotatie rond x, y en z-as, of lineair: uit vlakke beweging, niet-orthogonaliteit en overspraak, en zal introduceren onverwachte positionering fouten. De parasitaire bewegingen worden veroorzaakt door verstoringen van het podium lichaam kan geminimaliseerd worden door een zorgvuldig ontwerp en structuur parameter optimalisatie. In de beperkte assen van de stijfheid moet worden ontworpen om zo hoog mogelijk, en zo laag mogelijk in de as van beweging. Dit wordt bereikt in de NanoMechanisms door goed regelen van de buiging patroon en het kiezen van de buiging parameters zorgvuldig. Echter, de buiging ontwerp soms beperkt door het systeem resonantiefrequentie die als gevolg van mode koppeling, vereist dat de stijfheid in alle richtingen hoog te zijn. Eindige elementen analyse EEM kan worden gebruikt voor lokale en globale vervormingen te voorspellen en dus de structuur goed kan worden geoptimaliseerd om de krachten te ontkoppelen of de onvermijdelijke vervormingen heffen elkaar te maken. Als deze parasitaire bewegingen voorspelbaar dan ze kunnen worden gecompenseerd. Merk op dat deze bewegingen een functie van het podium positie, maar zijn niet noodzakelijk lineair, wat leidt tot complexe topografie. Elke hysterese in beweging maakt de voorspelling zeer moeilijk - zo niet onmogelijk. Om deze reden, moet de kracht veranderingen in het systeem in hoge mate lineair en herhaalbaar. Wrijving is altijd een bron van hysteresis, als gevolg van de veranderende richting van de kracht. Het bij de onttrekking zijn gemonteerd op een NanoMechanism , Abbe fouten moeten zorgvuldig worden overwogen als gevolg van de parasitaire hoekige bewegingen. Kleine hoekige fouten kunnen een grote invloed hebben op de nanometer niveau: bijvoorbeeld een helling van slechts een micro-radiaal met een offset van 1 mm geeft een 1 nm positie fout. Om dit effect verminderen, moeten monsters worden zo dicht mogelijk bij het meten assen van de sensoren. Bijvoorbeeld, in een xyz drie assen NanoMechanism het systeem van de monsterhouder is gelegen op het punt dat co-incident is met de sensor meet-assen, zoals weergegeven in figuur 8. De effecten van rotatie fouten van de xy stadium kan dus worden geminimaliseerd.  Figuur 8. 3D Nanomechanism. De lineaire parasitaire bewegingen zoals niet-orthogonaliteit of overspraak worden vooral beïnvloed door de fabricage-toleranties en de vervormingen van fase frame als het frame wordt gebruikt als sensor 'datum. De assen van twee paar sensoren in het xy stadium moeten zeer loodrecht op elkaar en co-incident zijn om de bewegende assen van het platform. Met behulp van moderne productie-technologie de afwijking van orthogonaliteit van de sensor assen kunnen over het algemeen worden geregeld binnen 0,5 mrd, die een orthogonaliteit fout van 0,5 nm / um (dat wil zeggen 0,05%) in het xy-vlak geeft. Door de kinematische montage, de positie referentie wordt traceerbaar en de vervormingen van de thermische uitzetting en drijvende kracht kan worden ontkoppeld. Dit is belangrijk voor het podium aan de metrologische capaciteit hebben op de nanometer niveau. Zelfs voor een Super Invar stadium van de grootte van 100 x 100 mm, zal een 1 o C temperatuurverandering veroorzaken 30 nm verandering in de dimensie (  =  / O C). Het podium kader doorbuiging, veroorzaakt door de drijvende kracht is typisch in het bereik van tientallen tot honderden nm [2]. Zonder kinematische montage van een positie onzekerheid van ongeveer diezelfde grootheden kunnen worden geïntroduceerd in het systeem. Dynamische kenmerken Afgezien van de metrologie en nauwkeurigheid van de beweging, de dynamische prestaties van het systeem is ook belangrijk omdat de stabiliteit en snelheid zijn van cruciaal belang voor vele toepassingen. Idealiter zou er geen faseverschuiving tussen commando en positie, en het mechanisme zou perfect inspelen op een stap-ingang - geen stijging van de tijd, over te schieten, of af te wikkelen tijd. Voor een lineair, tweede orde, demping vrij van mechanische systeem, is de resonantiefrequentie wordt bepaald door het systeem stijfheid en massa. In een optimaal ontworpen mechanisme, wordt de stijfheid meestal gedomineerd door de stijfheid van piëzo stapels in de vertaling as. Voor een podium met motion versterking, zal de effectieve stijfheid van de piëzo-actuator worden verminderd als k e = k p / G 2, waarbij k p is de stijfheid van piëzo en G is de versterking. Het verminderen van de massa kan verhogen het systeem resonantiefrequentie. Echter, als de massa van het platform verlaagt de stage performance wordt gevoeliger voor de invloed van de massa van de lading, dat wil zeggen de resonantiefrequentie zal snel naar beneden als de massa van het monster toeneemt. Dynamische eigenschappen van het systeem kan ook worden verbeterd door middel van andere benaderingen, zoals de invoering van een goed dempend materiaal of met behulp van geavanceerde servo-technieken. In instrumentatie, het ontwerp-specificaties vaak gebruik van het criterium van de afwikkeling van de tijd, gedefinieerd als de tijd die nodig is voor het systeem te vestigen binnen een bepaald percentage van de input. Voor NanoMechanisms , net als andere instrumenten, de regeling van de tijd is een meer directe beschrijving van de dynamische prestaties dan de resonantiefrequentie. Voor een piëzo-driven NanoMechanism , de vestiging tijd bestaat uit het zwenken en de tijd genomen voor de resonerende oscillaties te vervallen. Het eerste wordt gedomineerd door de slew rate die wordt bepaald door de capaciteit van de piëzo-stacks en het huidige station vermogen van de aandrijving elektronica. Voor de tweede orde systemen is de eis geeft meestal een maximale vertraging voor de uitgang bereikt binnen 2% van zijn uiteindelijke waarde na een stap ingang te wijzigen, waarvan een duur van ongeveer vier tijdconstanten (4 τ = 4 / ξω n) neemt, waarbij τ is de tijd constant, ξ dempingsfactor en ω n resonantiefrequentie [3]. Hieruit kan worden opgemaakt dat de respons van het systeem kan worden verbeterd door het verhogen van zowel de resonantiefrequentie en de demping factor. Normaal gesproken, scheefheid scharnier podia zijn zeer resonant met een zeer lage demping factoren. Daarom zal extra demping zijn zeer behulpzaam en kunnen effectief verminderen van de decay tijd, maar alleen als het kan worden ingevoerd zonder wrijving, aangezien dit kan leiden tot hysteresis. Als dit gebeurt binnen de controle-algoritme, dan is er geen wrijving zal worden ingevoerd. Materialen Thermische eigenschappen van bouwmaterialen zijn vaak de belangrijkste zorg voor zowel het ontwerp en het gebruik van precisie-instrumenten. Bij normaal gebruik, alle mechanische apparaten tegenkomen warmte-inbreng wordt veroorzaakt door het milieu temperatuur te veranderen, vermogendissipatie in actuators, operator afhandeling en ga zo maar door. Het directe effect van de thermische storing is thermische expansie die dimensie verandering van de mechanische componenten zal veroorzaken, wat resulteert in het verlies van het instrument nauwkeurigheid. De dimensionale verandering van een materiaal als gevolg van een verandering in temperatuur wordt gekenmerkt door zijn Thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE), die enorm varieert met verschillende materialen. In het algemeen moet aan het thermische effect, bouwmaterialen te verminderen met minimale thermische uitzettingscoëfficiënt worden gebruikt. Echter in sommige gevallen een lage thermische expansiviteit is niet zo nuttig als de nauwe expansiviteit match tussen het apparaat en de montage. Bovendien, correcties om te gaan met de thermische uitzetting zijn mogelijk door middel van methoden voor de controle: de temperatuur kan worden gemeten en gebruikt om een correctie te geven. Een ander probleem is thermische gradiënten. Ze veroorzaken structuur vervorming, waarvoor compensatie is niet mogelijk. Om te voorkomen dat de effecten van thermische gradiënten, kan het materiaal zowel worden gekozen met een lage thermische geleiding, zoals Super Invar en Zerodur, of met hoge geleidbaarheid, zoals aluminium, waarbij het systeem bereikt thermisch evenwicht snel. Om de effecten van het milieu vele precisie-instrumenten zijn bewust ontworpen om te worden klein is. Ook de mechanische eigenschappen van materialen moeten zorgvuldig worden overwogen. Bijvoorbeeld, de verhouding van de sterkte en Young's modulus, / E, beperkt de maximale reikwijdte, die kan worden bereikt door buiging mechanismen. Kan echter een lage Young's modulus niet in staat zijn om een voldoende stijfheid bieden voor de NanoMechanism of het frame, die soms wordt gebruikt als de metrologische gegeven. Verder lokale contactpersoon stijfheid tussen het mechanisme en de actuatoren heeft een direct effect op de resonantiefrequentie van een mechanisch systeem - de resonantiefrequentie naar beneden kunt vallen omdat er onvoldoende contact stijfheid. Ook de massa van het materiaal kan een groot verschil maken voor de dynamische eigenschappen van NanoMechanisms . Bijvoorbeeld de dichtheid verhouding van Super Invar en aluminiumlegeringen is ongeveer 3, dus de resonantiefrequentie van een aluminium systeem kan worden √ 3 keer hoger dan dat van een Super Invar systeem als de stijfheid van de systemen zijn hetzelfde. Enkele voorbeelden van NanoMechanism Devices NPS-Z-15A / B Dit is een single-as lineaire fase, die is ontworpen om een pure beweging langs de z-as te produceren. Het podium heeft een gesloten lus reeks van 15 micrometer en een typische lineariteit van <0,06% (zonder vergoeding) met sub-nanometer resolutie. Na compensatie van de niet-lineariteit daalt meestal tot <0,02%. Een compacte buiging mechanisme is ontworpen in de etappe naar de parasitaire uit as en tip-tilt bewegingen van de piezo stapels los te koppelen. De kantelbare fouten worden gemeten tot minder dan een micro-radiaal over hele bereik, (zonder buiging mechanisme het kantelen fouten zijn normaal gesproken meer dan 15 micro-radiaal) zijn. Lage hysteresis is een andere belangrijke functie voor het podium om nanometer metrologische capaciteit te bereiken. Figuur 9 is een typisch meetresultaat van statische performance van het toneel NPS-Z-15B , die een lineaire fout van 0,01% en een sub-nanometer hysteresis aantoont. Het merendeel van de specificaties waren gekalibreerd met behulp van een Zygo ZMI 1000 interferometer. Echter het meten van de sub-nanometer hysteresis moeilijk wordt met behulp van de interferometer - dus voor die metingen een Queensgate nanosensor werd gebruikt. De resonantiefrequentie van het podium is 2 kHz, die een goede dynamische respons geeft voor de meeste toepassingen in combinatie met NPS3000 controller . Een stap respons is weergegeven in figuur 10.  Figuur 9. Lineariteit en de hysteresis van de NPS-Z-15B.  Figuur 10. Stapresponsie van NPS-Z-15B. NPS-XY-100A Dit is een twee-assige lineaire beweging podium met een 40 mm diameter opening in het midden (handig voor het NSOM toepassingen). Het heeft een dynamisch bereik van 100 100 urn met sub-nanometer resolutie. Door een zorgvuldig ontwerp en precisie fabricage, zijn de rotatie-fouten over z-as (d g z, d q z) gecontroleerde minder dan 10 micro-radiaal en andere rotatie-fouten worden insignif icantly klein over het hele bereik. De hysterese werd gemeten als minder dan 0,01% van het assortiment. Figuur 11 toont een typisch meetresultaat van statische performance van het toneel NPS-XY-100A . Integrale kinematische bevestigingsmechanisme helpt bij het verlichten van de spanningen veroorzaakt door interne drive krachten en thermische uitzetting, het verbeteren van de stabiliteit van het systeem. De kinematische montage mechanisme zorgt ervoor dat het systeem gegeven wordt in het centrum van het podium platform waarop het monster of de sonde normaal is gelegen, zodat het thermische effect effectief kan worden ontkoppeld. Het podium is gemaakt van Super Invar en heeft een resonantiefrequentie meer dan 300 Hz. Door de introductie van extra demping in het systeem, een 10 ms tijd genoegen nemen met kleine stap respons kan worden bereikt, zoals weergegeven in Figuur 12. De combinatie van NPS-XY-100 en NPS-Z-15 vormt een 3D-positionering en scanning systeem, zoals weergegeven in figuur 8, wat ideaal is voor de metrologische SPM toepassingen.  Figuur 11. Lineariteit en de hysteresis van de NPS-XY-100A.  Figuur 12. Step reactie van de NPS-XY-100A. Conclusies Sommige van de gebruikte technologieën in Queensgate 's nanometer precisie mechanismen zijn geïntroduceerd en besproken om uit te leggen hoe een metrologische capaciteit op nanometer of zelfs sub-nanometer niveau kan worden bereikt met de NanoMechanisms . Sommige metrologische concepten zijn verduidelijkt in de manier waarop ze gewend zijn ultra-nauwkeurige positionering technieken te beschrijven. Het ontwerp overwegingen zijn besproken met verwijzing naar de problemen van de resolutie en ruis, lineariteit en hysteresis, thermische uitzetting en kracht vervorming, en parasitaire bewegingen als niet-orthogonaliteit (overspraak), rotatie fouten en Abbe fouten enz., die de positionering fouten te introduceren en onzekerheid aan het systeem. Sommige benaderingen voor het vermijden of minimaliseren van deze fouten werden genoemd. Het gaat hierbij zowel geoptimaliseerd design en geavanceerde schadevergoeding technieken. Meer gedetailleerde informatie is verkrijgbaar bij Queensgate [3]. Een reeks van NanoMechanisms , variërend van enkele as naar multi-as stadia zijn ontworpen en gebouwd. De combinatie van deze fasen kunnen bewegingen van maximaal zes graden van vrijheid met nanometer precisie. Eerste tests heeft veelbelovende resultaten opgeleverd, zoals een laag geluidsniveau, sub-nanometer hysteresis, zeer kleine parasitaire bewegingen, hoge lineariteit en goede stap respons. Een uitgebreide beoordeling van de metrologische eigenschappen is een ingewikkeld en langdurig project, zeker voor multi-as-systemen, waarbij meer geavanceerde metrologische technieken en geavanceerde instrumenten. Verdere resultaten zullen worden gerapporteerd in de nabije toekomst. Met dank aan De auteurs willen graag dank uitspreken aan Graham Jones, Jeremy Russell en Philip Rhead voor hun hulp bij het ontwerpen, bouwen en testen van deze NanoMechanisms. Referentie 1. De nanopositioning Book, Queensgate Instruments Ltd, 1997 2. PD Atherton, Y. Xu en M. McConnell, "Nieuwe xy podium voor positionering en scannen", Proceedings van de Jaarlijkse vergadering van SPIE's, augustus 1996, Denver, USA 3. ST Smith en DG Chetwynd, Grondslag van ultraprecisie mechanism design, Gordon en Breach Science Publishers, 1992 |