Projecto e Caracterização dos Mecanismos da Precisão do Nanômetro - Dados do Fornecedor por Instrumentos de Queensgate

AZoNano - Nanotecnologia - Logotipo dos instrumentos de Queensgate

Assuntos Cobertos

Sumário

Introdução

Filosofia de Projecto de Mecanismos da Precisão do Nanômetro (NanoMechanisms)

Mecanismos

Sensor de Posição da Capacidade

Controlador

Conceitos e Considerações de Projecto

Sistema Coordenado

Posicionando a Precisão: O Conceito do Trueness

Definição e Ruído

Linearidades e Traço

Movimentos e Erros Parasíticos

Características Dinâmicas

Materiais

Alguns Exemplos de Dispositivos de NanoMechanism

NPS-Z-15A/B

NPS-XY-100A

Conclusões

Reconhecimentos

Referência

Sumário

Para encontrar as procuras da ultra-precisão que posicionam e que fazem a varredura, uma série de precisão que posiciona mecanismos tem sido desenvolvida recentemente em Instrumentos de Queensgate, que combina Queensgate piezoeléctrico e tecnologias de NanoSensor nos positioners da multi-linha central que têm a capacidade para posicionar com precisão secundária-nanometric. Neste papel a filosofia de projecto e algumas das tecnologias usadas na revelação destes mecanismos são introduzidas e discutidas para explicar como uma capacidade metrological no nanômetro ou mesmo no secundário-nanômetro em nível pode ser conseguida. Alguns resultados iniciais são incluídos, em que encena com erro das linearidades de 0.01%, histerese de secundário-nanômetro, movimentos parasíticos angulares muito baixos e boa resposta dinâmica, Etc. são demonstrados.

Introdução

Nos últimos anos, como consequência das revelações rápidas no vários campos da engenharia de precisão, tem estado um aumento grande na necessidade para os sistemas de posicionamento e de varredura da precisão capazes do nanômetro ou, às vezes, mesmo da definição de secundário-nanômetro e da repetibilidade. Esta tendência é esperada crescer, exigindo conceitos de projecto e técnicas novos para a exploração de uns dispositivos mais novos encontrar as procuras de várias aplicações. Por exemplo, os steppers da bolacha estão fazendo chip de silicone com linha larguras para baixo a 200 nanômetro; Os Microscópios de Varredura da Ponta De Prova são usados para estabelecer como bom tais microplaquetas são feitas; e a introdução de SR. tecnologia da cabeça permite que os discos de 5 Gigas byte transformem-se a norma. Estas máquinas, e as máquinas que fazem estas máquinas, liga avançaram o projecto óptico com tecnologia avançada do controle de movimento, que pode posicionar componentes a uma precisão de um nanômetro ou os melhorar.

Para encontrar o desafio destas revelações, os Instrumentos de Queensgate estão desenvolvendo uma ultra-precisão que posiciona a tecnologia que combina Queensgate piezoeléctrico e a tecnologia de NanoSensor em positioners da multi-linha central com a capacidade para posicionar com precisão secundária-nanometeric. Este sistema é compor de uma série de fases, chamada NanoMechanisms, incluindo únicas fases da linha central, fases x-y e inclinando as fases Etc. As combinações destas fases podem fornecer três, quatro, cinco ou seis graus de liberdade que posicionam unidades.

Filosofia de Projecto de Mecanismos da Precisão do Nanômetro (NanoMechanisms)

Mecanismos

Os dispositivos Piezoeléctricos têm o potencial mover fases com a definição e a rigidez exigidas para o posicionamento da precisão do nanômetro. Contudo, porque os dispositivos piezoeléctricos são não-lineares e exibem a histerese, um sensor externo é exigido para controlar sua posição. O micrômetro da capacidade é serido idealmente a esta tarefa, sendo pequeno e simples com uma capacidade intrínseca da definição que seja eficazmente infinita. Para conseguir um único movimento puro da linha central, um mecanismo de guiamento do flexure é usado, que execute limitações a fora dos movimentos da linha central e combine o actuador e o sensor piezo junto para formar um sistema integral da fase. Os flexures normalmente são cortados monolìtica nas fases usando EDM que faz à máquina, que dá muito uma elevada precisão no desempenho.

Figura 1 é um diagrama de bloco típico do controle do laço fechado deste tipo do sistema. No diagrama, o movimento medido pelo sensor é alimentado de volta ao controlador, que move a fase para minimizar a diferença entre o movimento detectado e o comando. Neste caso, a precisão de posicionamento no laço da metrologia é determinada principalmente pelas capacidades do sensor e do controlador.

AZoNano - Nanotecnologia - diagrama de Bloco de um único sistema de controlo da linha central de NanoMechanism.

Figura 1. diagrama de Bloco de um único sistema de controlo da linha central de NanoMechanism.

Sensor de Posição da Capacidade

O NanoSensor é um dispositivo de detecção altamente linear da capacidade com erros das linearidades < de 0.02% sobre sua escala de funcionamento especificada (normalmente entre 100 o µm do ~ 500). Operar-se sobre erros reduzidos de uma linearidade da escala abaixo de 0,01% é possível. O NanoSensor tem um nível de ruído posicional na operação normal < de 0,005 nanômetros. O Hertz (RMS) e pode ser fabricado dos materiais muito estáveis como o Invar Super ou o Zerodur. Está não-contacto e livre da histerese. Igualmente tem as vantagens de ser muito compacto, simples, barato, e sem a dissipação de potência no ponto de medida. Assim é poço - serido à medida exacta de deslocamentos extremamente pequenos.

Controlador

Ao projetar um sistema com 0,1 definições do nanômetro e µm 100 varie a capacidade para alcançar que a escala digital sob o controle de computador é normalmente extremamente difícil, desde que é um alcance dinâmico de 1 porção em milhão, ou 20 bits. Para endereçar este problema Queensgate desenvolveram um sistema de controlo baseado do Processador (DSP) de Sinal de Digitas, que tivesse uma definição intrínseca de mais de 21 bits, e é endereçável digital. Deve-se notar que este excede distante a definição da maioria de conversores do A/D e do D/A disponíveis presentemente e está abaixo dos níveis de ruído na maioria de aplicações. Os algoritmos de controle digitais Avançados do PID foram usados no sistema. Um diagrama de bloco do controlador do laço fechado é mostrado em Figura 2. A resposta de sistema pode ser melhorada introduzindo os termos proporcionais e diferenciais. O feedback da Velocidade (termo diferencial) pode extremamente ajudar em umedecer para fora as ressonâncias mecânicas, reduzindo tempos de estabelecimento. A largura de faixa de trabalho pode ser controlada pelo computador e os parâmetros do laço sejam definidos pelo usuário para a optimização do desempenho.

AZoNano - Nanotecnologia - diagrama de Bloco do controle de laço fechado do PID.

Figura 2. diagrama de Bloco de controle de laço fechado do PID.

Usando tal controlador é possível medir as não-linearidades e compensá-las. Além Disso uma vez que os movimentos angulares parasíticos em tais mecanismos foram caracterizados é possível compensá-los em um sistema complexo da multi-linha central. Os erros das linearidades podem inteiramente ser compensados < 0.02%. Abaixo disso as medidas são limitadas normalmente pelas linearidades intrínsecas dos sistemas da calibração.

O uso desta técnica de compesação é muito importante conseguir uma capacidade metrological a nível do nanômetro. É óbvio que dentro do laço de controle o sensor não é absolutamente linear, assim que as linearidades do sistema podem mais ser melhoradas pela compensação do software. Idealmente, o mecanismo deve exibir movimentos ortogonais puros - isto é, um dispositivo x-y deve somente ter graus de liberdade ao longo dos machados de x e de y. Na realidade, existe os movimentos (parasíticos) descontrolados que elevaram da distorção devido às forças internas e às limitações de fabricação. Os erros destes movimentos parasíticos foram minimizados aperfeiçoando o projecto mecânico e podem ser reduzidos mais pela técnica da compensação. Note que os erros parasíticos podem somente ser compensados se são predizíveis, isto é os movimentos parasíticos têm que ser não somente mensuráveis mas também repetível.

Conceitos e Considerações de Projecto

Sistema Coordenado

Primeiramente é necessário definir coordena usado para descrever posições. O sistema óbvio a usar-se para posicionar fases é um Cartesiano ortogonal Coordena o sistema. Com este pode definir uma posição com seu X, Y, Z coordena e uma rotação arbitrária como componentes da rotação sobre os machados de X, de Y e de Z, segundo as indicações de Figura 3. Mais ùtil um pode descrever um movimento como uma mudança no X, Y e Z coordena. As Rotações são descritas no que diz respeito aos machados de X, de Y e de Z em um sentido destro. Os termos lançam, rolam e a guinada é usada frequentemente ao falar sobre as rotações. Estes termos são úteis ao descrever as rotações parasíticas causadas por um movimento linear, mas grande deve ser tomado enquanto são referidas o sentido do movimento um pouco do que um sistema definido da linha central. Para um avião em vôo, uma rotação sobre uma linha central seleccionada da ponta de asa à ponta de asa é passo; uma rotação sobre uma linha central desenhada abaixo do comprimento da fuselagem é rolo e uma rotação sobre uma linha central vertical é guinada. No sistema Cartesiano definido se o “plano” está voando ao longo do θ positivo do sentido de X é passo, o γ é rolo e o φ é guinada.

AZoNano - Nanotecnologia - sistema Coordenado.

Figura 3. sistema Coordenado.

Posicionando a Precisão: O Conceito do Trueness

Para mover uma fase, um comando da posição é enviado ao controlador por um computador. O movimento é produzido por um actuador piezo e monitorado por um sensor. Usando o sinal de realimentação, o controlador move a fase para minimizar a diferença entre o movimento detectado e o comando. Como pequeno a diferença pode ser é determinado principalmente pela capacidade de controlo do sistema e pode ser interpretado como como precisamente a fase pode ser posicionada. É óbvio que a precisão de posicionamento estará afectada principalmente a definição (nível de ruído), a reprodutibilidade (tracção e histerese) e pelo traço do erro (erro alto do pedido do traço) do sistema. Além Disso, se o movimento da fase é medido com um dispositivo de medição externo que esteja supor para ser um sistema perfeito, haverá uma diferença entre a posição comandada e a posição desejada: como próximo são é definido como o posicionamento do trueness. Conseqüentemente, a precisão de posicionamento final deve ser determinada pela precisão de posicionamento e pelo trueness de posicionamento, segundo as indicações de Figura 4. Como estes são tratados no projecto de NanoMechanisn será discutido em seguintes secções.

AZoNano - Nanotecnologia - precisão da Medida.

Figura 4. Precisão da Medida.

Definição e Ruído

A definição da medida ou do posicionamento é relacionada directamente ao nível de ruído do sistema. Um pico para repicar o nível de ruído não é medido nem não é interpretado facilmente, desde que com toda a distribuição do ruído você pode obter um grande desvio se você espera o suficiente. Conseqüentemente o valor do rms é usado normalmente que pode ser medido com equipamento padrão. A distribuição de amplitude do ruído é importante ao olhar a definição. O ruído Geralmente Gaussian domina e neste caso o rms é equivalente ao desvio padrão, sigma. 68.3% das amostras tomadas estará dentro de um sigma do valor médio. Isso significa que há uma possibilidade de 68.3% de resolver duas características que estão a uma distância do sigma dois do ruído distante, segundo as indicações da figura 5, (ou possibilidade de 99.7% de resolver duas características que são seis sigma distante).

AZoNano - Nanotecnologia - Resolvendo duas posições

Figura 5. que Resolve duas posições.

O espectro de potência do ruído é um fragmento de informação o mais importante. Pode aparecer as fontes subjacentes de ruído - tais como canos principais pegare, que é localizado em 50 ou 60 Hertz. Figura 6 demonstra uma medida do espectro de potência do ruído do controlador NPS3000 baseado DSP. Isto mostra um nível de ruído < de 10 pm. Hertz. No teste, o controlador NPS3000 é usado para controlar uma única fase da linha central, (o NPS-Z-15B), no modo do circuito fechado com uma largura de faixa de trabalho da fase de 100 Hertz. Os sinais de ruído traçados são da tensão da movimentação da ALTA TENSÃO aplicada ao actuador piezo. Os canos principais de 50 Hertz escolhem acima podem ser vistos claramente embora em um muito de baixo nível.

AZoNano - Nanotecnologia - Propale o espectro do controlador NPS3000

Figura 6. espectro do Ruído do controlador NPS3000.

O ruído no sistema de NanoMechanism, é compor geralmente do ruído do sensor, do ruído piezo da movimentação, do ruído mecânico e do ruído acústico. O ruído do Sensor será pelo laço de controle porque um comando e se transformado assim ruído real do deslocamento. O sinal de realimentação do sensor é usado para gerar uma tensão da movimentação a ser aplicada aos actuadores piezo. O ruído Piezo da tensão da movimentação será introduzido neste processo e para contribuir à fase que posiciona o ruído. O efeito deste ruído pode ser detectado pelo sensor e, conseqüentemente, pelo menos parcialmente ser servoed para fora. A capacidade do sistema ao servo para fora o ruído da movimentação depende da largura de faixa ajustada: mais alta a largura de faixa melhor a contribuição servoed para fora. As entradas mecânicas Externos tais como a vibração à terra e o ruído acústico igualmente farão com que a fase mova-se. Os efeitos destas entradas podem ser minimizados aumentando a rigidez da fase. Pode igualmente ser servoed para fora se a largura de faixa de sistema é suficientemente alta. Para o sistema de controlo NPS3000 a largura de faixa da medida pode estabelecer-se a 12 quilohertz e a largura de faixa do laço fechado 2 quilohertz que é dominada normalmente pelas características dinâmicas de mecanismos da fase.

Linearidades e Traço

Em um mundo ideal, uma fase deve ser perfeitamente linear. O mundo é quase ideal mas não bastante. Na prática as linearidades do sensor da capacidade podem ser afectadas por muitos factores tais como a espessura da diferença nominal (ou da capacidade da estática) e o não-paralelismo do eléctrodo surge, etc. [1]. A fim conhecer o que o movimento ou a posição real da fase são e para aplicar assim a compensação das linearidades, o sistema tem que ser calibrado contra um dispositivo de medição externo com precisão alta. A posição do comando, xc, que representa a posição mediu pelo sensor interno e pela posição real, xp, pode, até certo ponto, ser relacionada com uma função de traço expressada como xp = f (x)c. O formulário simples da função de traço é uma série de potência

(1)

Idealmente a0, a2, a3,4… seria zero e a unidade a1; então o factor de escala do sensor, a1, é o factor linear que descreve o relacionamento entre a posição real da fase como medido por um sensor de posição exacto hipotètica perfeito e pela medida da posição alimentados de volta ao computador do usuário. O trueness de traço é caracterizado pelo grupo de erros nos coeficientes do indivíduo “a”. Quando a função de traço for de primeira ordem (uma linha recta), o erro de traço transforma-se a incerteza do factor de escala. O resíduo entre a posição real e uma linha recta do melhor ajuste para a medida dá o erro das linearidades (normalmente nós definimos o erro das linearidades como a picareta do ½ para escolher o resíduo do melhor linear cabido). Como um exemplo, um erro das linearidades de 0.05% em um dispositivo da escala de 100 µm conduz a uma incerteza absoluta da posição de 50 nanômetro entre as 0 posições do µm e a posição de 100 µm quando uma aproximação linear é feita, segundo as indicações da Figura 7 (a). Geralmente para NanoSensors o desvio das linearidades é aproximadamente parabólico e em alguns sistemas este é fácil de compensar electronicamente sem envolver o DSP. O resultado de compensar um, ligeira imperfeito, parábola com outro é geralmente uma curva de S de uma amplitude muito mais baixa assim que o erro de traço é muito mais baixo, segundo as indicações da Figura 7 (b). Isto é equivalente a usar o a1 e2 termos da equação 1. Se um era usar os termos mais altos do pedido, um resultado mesmo melhor poderia ser conseguido. Isto pode ser feito facilmente em sistemas baseados microprocessador do sensor ou externamente no computador do usuário. Encontrou-se que há pouco a ganhar em ir pede mais altamente do que em quarto, vê a Figura 7 (c).

AZoNano - Nanotecnologia - Traçando o erro e as linearidades

(a)

AZoNano - Nanotecnologia - Traçando o erro e as linearidades

(b)

AZoNano - Nanotecnologia - Traçando o erro e as linearidades

(c)

Figura 7. erro e linearidade de Traço.

Movimentos e Erros Parasíticos

Os movimentos Parasíticos nas fases podem ser identificados como qualquer um angular: rotação sobre machados de x, de y e de z; ou linear: fora do movimento, da não-ortogonalidade e da interferência planos; e introduzirá erros de posicionamento inesperados. Os movimentos parasíticos causados por distorções do corpo da fase podem ser minimizados pela optimização de parâmetro cuidadosa do projecto e da estrutura. Nos machados forçados a rigidez deve ser projectada ser tão alta como possível, e o mais baixo possível na linha central do movimento. Isto é conseguido no NanoMechanisms correctamente arranjando o teste padrão do flexure e escolhendo os parâmetros do flexure com cuidado. Contudo, o projecto do flexure é limitado às vezes pela freqüência ressonante do sistema que, devido ao acoplamento de modo, exige a rigidez em todos os sentidos ser alta. A análise de elemento Finito FEA pode ser usada para prever que distorções locais e globais e daqui a estrutura pode correctamente ser aperfeiçoada para decuplar as forças ou para fazer as distorções inevitáveis se cancele. Se estes movimentos parasíticos são predizíveis então podem ser compensados. Note que estes movimentos são uma função da posição da fase, mas não seja necessariamente linear, conduzindo à topografia complexa. Toda A histerese no movimento faz a previsão muito dura - se não impossível. Por este motivo, as mudanças da força no sistema devem ser altamente lineares e repetíveis. A Fricção é sempre uma fonte de histerese, devido ao sentido em mudança da força.

Quando os espécimes são montados sobre a um NanoMechanism, os erros do Abbe têm que ser considerados com cuidado devido aos movimentos angulares parasíticos. Os erros angulares Pequenos podem ter uma grande influência a nível do nanômetro: por exemplo, uma inclinação de apenas 1 µrad com um offset de 1 milímetro dá um 1 erro de posição do nanômetro. Para reduzir este efeito, os espécimes devem ser posicionados tão perto como possível aos machados de medição dos sensores. Por exemplo, em um sistema de NanoMechanism da linha central do x-y-z três o suporte do espécime é ficado situado no ponto que é coincidente com os machados de medição do sensor, segundo as indicações de Figura 8. Os efeitos de erros da rotação da fase x-y podem assim ser minimizados.

AZoNano - Nanotecnologia - 3D NanoMechanism.

Figura 8. 3D Nanomechanism.

Os movimentos parasíticos lineares tais como a não-ortogonalidade ou a interferência estão afectados principalmente por tolerâncias de fabricação e pelas distorções do quadro da fase se o quadro é usado como referência dos sensores'. Os machados de dois pares de sensores na fase x-y têm que ser muito ortogonais entre si e coincidentes aos machados moventes da plataforma. Usando a tecnologia de fabricação moderna o desvio da ortogonalidade dos machados do sensor pode ser geralmente controlado dentro de 0,5 mrd que dá um erro da ortogonalidade de 0,5 nm/µm (isto é 0.05%) no plano x-y.

Pela montagem kinematic, a referência da posição torna-se rastreável e as distorções da expansão térmica e da força motriz podem ser decupladas. Isto é importante para que a fase tenha a capacidade metrological a nível do nanômetro. Mesmo para uma fase Super do Invar do tamanho de 100 x 100 milímetros, uma mudançao de temperatura 1C causará a 30 a mudança do nanômetro na dimensão ( = /Co). A dobra do quadro da fase causada pela força motriz está tipicamente na escala dos dez às centenas do nanômetro [2]. Sem montagem kinematic uma incerteza da posição aproximadamente daqueles mesmos valores pôde ser introduzida no sistema.

Características Dinâmicas

Com exceção da metrologia e da precisão do movimento, o desempenho dinâmico do sistema é igualmente importante porque a estabilidade e a velocidade são críticas a muitas aplicações. Idealmente não haveria nenhuma retardação de fase entre o comando e a posição, e o mecanismo responderia perfeitamente a uma entrada de etapa - nenhuma hora de elevação, sobre o tiro, ou ao tempo de acordo.

Para um linear, o segundo-pedido, sistema mecânico umedecer-livre, a freqüência ressonante é determinado pela rigidez e pela massa do sistema. Em um mecanismo óptima projetado, a rigidez é dominada geralmente pela rigidez de pilhas piezo em sua linha central da tradução. Para uma fase com amplificação do movimento, a rigidez eficaz do actuador piezo será reduzida como ke = k/Gp2, onde kp é a rigidez de piezo e G é a amplificação. Reduzir a massa pode aumentar a freqüência ressonante do sistema. Contudo, como a massa da plataforma diminui o desempenho da fase torna-se mais sensível à influência da massa da carga, isto é a freqüência ressonante deixará cair para baixo ràpida como a massa do espécime aumenta. As propriedades Dinâmicas do sistema podem igualmente ser melhoradas com outras aproximações tais como a introdução de um apropriado umedecendo técnicas avançadas materiais ou usando-se do servocontrol. Na instrumentação, as especificações do projecto usam frequentemente o critério do tempo de estabelecimento, definido como o tempo exigido para que o sistema se estabeleça dentro de uma determinada porcentagem da entrada. Para NanoMechanisms, como outros instrumentos, o tempo de estabelecimento é uma descrição mais directa do desempenho dinâmico do que a freqüência ressonante. Para um NanoMechanism conduzido piezo, o tempo de estabelecimento consiste no momento do giro e no momento tomados para que as oscilações ressonantes deteriorem. O anterior é dominado pela taxa de pântano que é determinada pela capacidade das pilhas piezo e pela capacidade de movimentação actual da eletrônica da movimentação. Para sistemas de segundo pedido a exigência especifica tipicamente um atraso máximo antes que a saída alcance dentro de 2% de seu valor final após uma mudança da entrada de etapa, que tome uma duração de aproximadamente quatro constantes de tempo (4τ=4/ξω),n onde o τ é constante de tempo, factor de umedecimento do ξ e a freqüência ressonanten do ω [3]. Disto pode-se ver que a resposta de sistema pode ser melhorada aumentando a freqüência ressonante e o factor de umedecimento. Normalmente, as fases da dobradiça do flexure são altamente ressonantes com factores de umedecimento muito baixos. Conseqüentemente, o umedecimento extra será muito útil e pode eficazmente reduzir o tempo de deterioração, mas somente se pode ser introduzido sem fricção, desde que isto pode causar a histerese. Se isto é feito dentro do algoritmo de controle, a seguir nenhuma fricção estará introduzida.

Materiais

As propriedades Térmicas de materiais de construção são frequentemente o maior preocupação para o projecto e uso de instrumentos de precisão. No uso normal, todos os dispositivos mecânicos encontram as entradas de calor causadas pela mudança de temperatura ambiental, dissipação de potência nos actuadores, operador que segura e assim por diante. O efeito directo do distúrbio térmico é a expansão térmica que causará a mudança da dimensão de componentes mecânicos, tendo por resultado a perda de precisão do instrumento. A mudança dimensional de um material devido a uma mudança na temperatura é caracterizada por seu Coeficiente da Expansão Térmica (CTE), que varia tremenda com materiais diferentes. Geralmente, para reduzir o efeito térmico, os materiais de construção com coeficiente mínimo da expansão térmica devem ser usados. De Qualquer Modo em alguns casos baixo o expansivity térmico não é tão útil quanto a harmonia próxima do expansivity entre o dispositivo e sua montagem. Além Disso, as correcções a lidar com a expansão térmica são possíveis com os métodos de controle: a temperatura pode ser medida e usado para fornecer uma correcção. Um Outro problema é inclinações térmicos. Causam a distorção da estrutura, para que a compensação não é possível. Para evitar os efeitos de inclinações térmicos, os materiais podem ser escolhidos com baixa condutibilidade térmica, tal como o Invar Super e o Zerodur, ou com condutibilidade alta, tal como o Alumínio, onde o sistema alcança o equilíbrio térmico rapidamente. Para reduzir os efeitos do ambiente muitos dispositivos da precisão são projectados deliberadamente ser pequenos.

Igualmente as propriedades mecânicas dos materiais têm que com cuidado ser consideradas. Por exemplo, a relação da força e do módulo Young, /E, limites a escala máxima que pode ser conseguida por mecanismos do flexure. Contudo, o baixo módulo Young não pode poder fornecer uma suficiente rigidez para o NanoMechanism ou seu quadro, que é usado às vezes como a referência metrological. Mais, a rigidez local do contacto entre o mecanismo e seus actuadores tem um efeito directo na freqüência ressonante de um sistema mecânico - a freqüência ressonante pode deixar cair para baixo devido à insuficiente rigidez do contacto. Igualmente a massa do material pode fazer uma diferença grande às propriedades dinâmicas de NanoMechanisms. Por exemplo a relação de densidade do Invar Super e das ligas de alumínio é aproximadamente 3, assim que a freqüência ressonante de um sistema de alumínio pode ser as épocas √3 mais altamente do que aquela de um sistema Super do Invar se a rigidez dos sistemas é a mesma.

Alguns Exemplos de Dispositivos de NanoMechanism

NPS-Z-15A/B

Esta é uma fase do movimento linear da único-linha central que seja projectada produzir um movimento puro ao longo da linha central de z. A fase tem uma escala do laço fechado do µm 15 e uma linearidade típica < de 0.06% (sem compensação) com definição de secundário-nanômetro. Após a compensação a não-linearidade deixa cair tipicamente para baixo < a 0.02%. Um mecanismo compacto do flexure é projectado na fase decuplar o parasítico fora dos movimentos da linha central e da ponta-inclinação das pilhas piezo. Os erros de inclinação são medidos para ser menos de 1 µrad sobre a escala inteira, (sem mecanismo do flexure os erros de inclinação estão normalmente sobre o µrad 15). A Baixa histerese é uma outra característica importante para que a fase consiga a capacidade metrological do nanômetro. Figura 9 é um resultado típico da medida do desempenho estático da fase NPS-Z-15B, que demonstra um erro das linearidades de 0,01% e uma histerese de secundário-nanômetro. A Maioria das especificações foram calibradas usando um interferómetro 1000 de Zygo ZMI. Contudo a medida de uma histerese de secundário-nanômetro torna-se difícil usando o interferómetro - assim que para aquelas medidas um Queensgate NanoSensor foi usado. A freqüência ressonante da fase é 2 quilohertz que dá uma boa resposta dinâmica para a maioria de aplicações quando usada com o controlador NPS3000. Uma resposta de etapa é mostrada em Figura 10.

AZoNano - Nanotecnologia - Linearidades e histerese de NPS-Z-15B.

Figura 9. Linearidade e histerese de NPS-Z-15B.

AZoNano - Nanotecnologia - resposta de Etapa de NPS-Z-15B

Figura 10. resposta de Etapa de NPS-Z-15B.

NPS-XY-100A

Esta é uma fase do movimento linear da dois-linha central com uma abertura de 40 milímetros do diâmetro no meio (conveniente para aplicações de NSOM). Tem um alcance dinâmico do µm 100 100 com definição de secundário-nanômetro. Pela fabricação cuidadosa do projecto e da precisão, os erros rotatórios sobre a linha central de z (δγz, δθz) são menos o µrad de 10 controlado e outros erros rotatórios são insignificanta pequenos sobre a escala inteira. A histerese foi medida como menos de 0.01% da escala. Figura 11 apresenta um resultado típico da medida do desempenho estático da fase NPS-XY-100A. O mecanismo kinematic Integral da montagem ajuda a aliviar as tensões induzidas pelas forças propulsoras internas e pela expansão térmica, melhorando a estabilidade do sistema. O mecanismo kinematic da montagem assegura-se de que a referência do sistema esteja no centro da plataforma da fase em que o espécime ou a ponta de prova são ficados situado normalmente, de modo que o efeito térmico possa eficazmente ser decuplado. A fase é feita do Invar Super e tem uma freqüência ressonante sobre 300 Hertz. Introduzindo o acréscimo que umedece no sistema, uma estadia de acordo de 10 Senhoras para a resposta de etapa pequena pode ser conseguida, segundo as indicações de Figura 12. Combinar NPS-XY-100 e NPS-Z-15 forma um sistema de posicionamento e de varredura de 3D, segundo as indicações de Figura 8, que é ideal para aplicações metrological de SPM.

AZoNano - Nanotecnologia - Linearidades e histerese de NPS-XY-100A.

Figura 11. Linearidade e histerese de NPS-XY-100A.

AZoNano - Nanotecnologia - resposta de Etapa de NPS-XY-100A

Figura 12. Resposta de Etapa de NPS-XY-100A.

Conclusões

Algumas das tecnologias usadas em mecanismos da precisão do nanômetro de Queensgate foram introduzidas e discutidas para explicar como uma capacidade metrological no nanômetro ou mesmo no secundário-nanômetro em nível pode ser conseguida com o NanoMechanisms. Alguns conceitos metrological foram esclarecidos na maneira que são usados para descrever a ultra-precisão que posiciona técnicas. As considerações do projecto foram discutidas com referência aos problemas da definição e propalam, linearidades e histerese, distorção da expansão térmica e da força, e movimentos parasíticos como a não-ortogonalidade (interferência), os erros da rotação e os erros Etc. do Abbe, que introduzem erros e incerteza de posicionamento ao sistema. Algumas aproximações para evitar ou minimizar estes erros foram mencionadas. Isto envolve ambo o projecto aperfeiçoado e técnicas avançadas da compensação. Mais informações detalhadas está disponível de Queensgate [3]. Uma série de NanoMechanisms, variando da única linha central às multi fases da linha central, foi projectada e construída. A combinação destas fases pode fornecer movimentos de até seis graus de liberdade a precisão do nanômetro. O teste Inicial mostrou resultados prometedores, tais como o nível de baixo nível de ruído, a histerese de secundário-nanômetro, movimentos parasíticos muito pequenos, linearidades altas e a boa resposta de etapa. Uma avaliação detalhada de características metrological é um projecto complicado e a longo prazo, especialmente para multi sistemas da linha central, envolvendo umas técnicas metrological mais sofisticadas e instrumentos avançados. Uns resultados Mais Adicionais serão relatados em um futuro próximo.

Reconhecimentos

Os autores gostariam de expressar agradecimentos a Graham Jones, a Jeremy Russell e a Philip Rhead para sua ajuda no projecto, na construção e no teste este NanoMechanisms.

Referência

1.      O Livro de Nanopositioning, Instrumentos Ltd de Queensgate, 1997

2. P.D. Atherton, Y. Xu e M. McConnell, “fase x-y Nova para posicionar e fazer a varredura”, Continuações da Reunião Anual de SPIE, Em agosto de 1996, Denver, EUA

3. S.T. Smith e D.G. Chetwynd, Fundações do Projecto do Mecanismo de Ultraprecision, Gordon e Ciência Editor da Ruptura, 1992

Autor Preliminar: Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Aldeão e Malachy McConnel.

Source: Instrumentos de Queensgate.

Para obter mais informações sobre desta fonte visite por favor instrumentos de Queensgate.

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

Last Update: 15. July 2013 16:28

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