Design och Characterisation av NanometerPrecisionMekanism - LeverantörData av Queensgate Instrumenterar

AZoNano - Nanotechnology - Queensgate instrumenterar Logo

Täckte Ämnen

Abstrakt begrepp

Inledning

DesignFilosofi av NanometerPrecisionMekanism (NanoMechanisms)

Mekanism

Kapacitensen Placerar Avkännaren

Kontrollant

DesignBegrepp och Överväganden

Koordinerat System

PositioneringExakthet: Begreppet av Truenessen

Upplösning och Stojar

Linjäriteter och Kartlägga

Parasitic Vinkar och Fel

Dynamiska Kännetecken

Material

Några Exempel av NanoMechanism Apparater

NPS-Z-15A/B

NPS-XY-100A

Avslutningar

Tack till personer

Hänvisa till

Abstrakt begrepp

Att möta begärningarna av denprecision positioneringen och scanningen, har en serie av precisionpositioneringmekanism framkallats för en tid sedan på Queensgate Instrumenterar, som sammanslutningar Queensgates som är piezoelectric och NanoSensor teknologier in i mång--axeln positioners, som har kapaciteten att placera med under-nanometricexakthet. I detta pappers- introduceras diskuteras designfilosofin och några av teknologierna som används i utvecklingen av dessa mekanism och för att förklara hur en metrological kapacitet på den jämna nanometeren eller även under-nanometeren kan uppnås. Några initiala resultat är inklusive, som arrangerar i med det 0.01% linjäritetsfelet, under-nanometer hysteresis, vinkar mycket lågt vinkelformigt parasitic, och det bra dynamiska svaret, Etc. visas.

Inledning

Under senare år, som resultatet av forutvecklingar i olikt sätter in av precision som iscensätter, det har finnas en stor förhöjning i behovet för precisionpositionering- och scanningsystem som är kapabla av nanometer eller, ibland, även under-nanometer upplösning och repeatability. Denna trend förväntas för att växa och att kräva nya designbegrepp och tekniker för utforskning av mer ny apparater att möta begärningarna av olika applikationer. Till exempel är rånsteppers danandesilikoner gå i flisor med fodrar bredder besegrar till 200 nm; Avläsande SondMikroskop är van vid upprättar hur väl sådan gå i flisor göras; och inledningen av MEN-R huvudteknologi låter 5 Gigabyte disks bli normen. Dessa bearbetar med maskin, och bearbetar med maskin som gör dessa bearbetar med maskin, sammanslutningen som, den avancerade optiska designen med avancerat vinkar kontrollerar teknologi, som kan placera delar till en exakthet av en nanometer eller förbättra.

Att möta utmaningen av dessa utvecklingar framkallar Queensgate Instruments enprecision positioneringteknologi som sammanslutningar Queensgates som är piezoelectric och NanoSensor teknologi in i mång--axeln positioners med kapaciteten att placera med under-nanometericexakthet. Detta system komponeras av en serie av arrangerar, kallat NanoMechanisms, den inklusive singelaxeln arrangerar, x-y arrangerar, och vippa på arrangerar för fyra som, för fem eller sexgraden den Etc. Kombinationerna av dessa arrangerar kan ge tre, av frihetspositioneringenheter.

DesignFilosofi av NanometerPrecisionMekanism (NanoMechanisms)

Mekanism

Piezo-Elkraft apparater har det potentiellt till flyttningen arrangerar med upplösningen och styvheten som krävs för nanometerprecisionpositionering. Emellertid därför att piezo-elkraft apparater är non-linjära och ställer ut hysteresis, krävs en yttre avkännare att kontrollera deras placerar. Kapacitensmikrometern passas idealt till denna uppgift och att vara liten och enkel med en inneboende upplösningskapacitet som är effektivt oändlig. Att uppnå en ren singelaxel vinka, används en flexure som vägleder mekanismen, som genomför tvång till any av axel vinkar, och sammanslutningar piezo utlösare och avkännare tillsammans att bilda en integral arrangerar systemet. Flexuresna normalt klipps monolithically in i arrangerar genom att använda EDM som bearbetar med maskin, som ger mycket en kickprecision i kapacitet.

Figurera 1 är ett typisk stängt kretsar kontrollerar kvarterdiagrammet av denna sort av systemet. I diagrammet matas vinka som mätas av avkännaren, tillbaka till kontrollanten, som flyttningar arrangera att minimera skillnaden mellan avkänd vinkar och befalla. I detta fall kretsar positioneringprecisionen i metrologyen är främst beslutsam vid kapaciteterna av avkännaren och kontrollanten.

AZoNano - Nanotechnology - Kvarterdiagrammet av en singelaxel kontrollerar systemet av NanoMechanism.

Figurera 1. Kvarterdiagrammet av en singelaxel kontrollerar systemet av NanoMechanism.

Kapacitensen Placerar Avkännaren

NanoSensoren är en högt linjär kapacitensavkänningsapparat med linjäritetsfel av < 0.02% över dess specificerade fungerings spänner (normalt mellan 100 µm för ~ 500). Att Fungera över förminskande spänner linjäritetsfel av nedanför 0,01% är möjligheten. NanoSensoren har ett positional att stoja jämnt i det normalafunktion av < 0,005 nm. Hertz (RMS) och kan fabriceras från Invar eller Zerodur för mycket stabil materialnågot liknande Toppen. Den är non-kontakten och fritt från hysteresis. Den har också fördelarna av att vara mycket kompakt, enkel, billig och med inget driver skingrande på peka av mätningen. Således är den väl - passat till den exakta mätningen av extremt lilla förskjutningar.

Kontrollant

När du planlägger ett system med 0,1 nm-upplösning och µm 100, spänna kapaciteten att ta fram som spänner under datoren kontrollerar digitalt är normalt extremt svåra, sedan den är ett dynamiskt spänner av 1 del i miljon eller 20 bitar. Att tilltala detta problem Queensgate har framkallat en Digital Signalerar den baserade (DSP) Processorn kontrollerar systemet, som har en inneboende upplösning av mer än 21 bitar, och är adresserbart digitalt. Det bör noteras att detta överskrider långt upplösningen av mest tillgängliga A-/D och D-/Aomformare just nu och är nedanfört stoja jämnar i mest applikationer. Avancerad digital PID kontrollerar algoritmer har använts i systemet. Ett kvarterdiagram av det stängt kretsar kontrollanten visas in Figurerar 2. Systemsvaret kan förbättras, genom att introducera det proportionellt, och differentiellt benämner. Hastighetsåterkoppling (differensen benämner), kan väldeliga hjälpa, i att fukta ut mekaniska resonansar, förminskande avgörandetider. Den funktionsdugliga bandbredden kan kontrolleras av datoren, och att kretsa parametrar definieras av användaren för kapacitetsoptimisation.

AZoNano - Nanotechnology - det stängda Kvarterdiagrammet av PID kretsar kontrollerar.

Figurera 2. Det stängda Kvarterdiagrammet av PID kretsar kontrollerar.

Genom Att Använda en sådan kontrollant är det möjligheten som mäter non-linjäriteterna och som ska kompenseras för det. , när Dessutom parasitic vinkelformigt vinkar i sådan mekanism, har karakteriserats det är möjligheten som ska kompenseras för dem i ett komplext mång--axel system. Linjäritetsfelen kan fullständigt kompenseras < 0.02%. Nedanfört som mätningarna begränsas normalt av de inneboende linjäriteterna av kalibreringssystemen.

Bruket av denna kompenserande teknik är mycket viktigt att uppnå en metrological kapacitet på den jämna nanometeren. Det är tydligt att inom kontrollera kretsa avkännaren inte är absolut linjärt, så systemlinjäriteterna kan vidare förbättras av programvarukompensation. Idealt bör mekanismen ställa ut rent ortogonalt vinkar - dvs. måste en x-y apparat endast ha grader av frihet längs x- och y-yxorna. I verkligheten finns det obehärskadt (parasitic) vinkar att uppstå från inre styrkor för distorsion tack vare och fabriks- begränsningar. Felen från dessa parasitic vinkar har minimerats, genom att optimera den mekaniska designen och kan förminskas vidare av kompensationstekniken. Notera att de parasitic felen kan endast kompenseras, om de är förutsägbara, dvs. vinkar det parasitic måste att vara inte endast mätbart men också repeatable.

DesignBegrepp och Överväganden

Koordinerat System

Först är det nödvändigt att definiera koordinerar van vid beskriver placerar. Det tydliga systemet som ska användas för att placera, arrangerar är ett ortogonalt Kartesiskt Koordinerar systemet. Med detta kan definiera en placera med dess X, Y, koordinerar Z och en godtycklig rotation som delar av rotation om de X-, Y- och Z-yxorna, som visat in Figurera 3. Mer praktisk kan man beskriva en rörelse som en ändring i Xet, Y, och Z koordinerar. Rotationer beskrivas med hänsyn till de X-, Y- och Z-yxorna i en högerhänt avkänning. Benämner graden, rulle, och gir används ofta, när du talar om rotationerna. Dessa benämner är användbara, när de beskriver parasitic rotationer som orsakas av ett linjärt, vinkar, men stor omsorg måste tas, som de ses till riktningen av vinkar ganska än ett definierat axelsystem. För ett flygplan i flyg påskyndar en rotation om en axel som dras från, spets för att påskynda spets är graden; en rotation om en dragen axel besegrar längden av flygkroppen är rulle, och en rotation om en lodlinjeaxel är gir. I det definierade Kartesiska systemet, om ”det plant” flyger längs riktningsθen för realitet X, är graden, γ är rulle, och φ är gir.

AZoNano - Nanotechnology - Koordinerat system.

Figurera 3. Koordinerat system.

PositioneringExakthet: Begreppet av Truenessen

Till flyttningen befaller en arrangera, en placera överförs till kontrollanten av en dator. Vinka produceras av en piezo utlösare och övervakas av en avkännare. Genom Att Använda återkopplingen signalera, vinkar kontrollantflyttningarna arrangera att minimera skillnaden mellan avkänd och befalla. Hur litet skillnaden kan vara, kan är främst beslutsamma av den kontrollera kapaciteten av systemet och tolkas som hur exakt arrangera kan placeras. Det är tydligt att positioneringprecisionen ska påverkas främst genom upplösning (stoja jämnt), reproducibility (driva och hysteresis) och att kartlägga fel (kicken beställer fel av att kartlägga) av systemet. Dessutom om arrangera vinkar, mätas med en yttre mäta apparat som antas för att vara ett göra perfektsystem, det ska är en skillnad mellan befalld placerar och önskade placerar: hur nära de är, definieras som positioneringtrueness. Därför bör finalpositioneringexaktheten vara beslutsam vid både positioneringprecisionen och positioneringtruenessen, som visat in Figurera 4. Diskuteras in delar upp efter, Hur dessa handlas med i den ska NanoMechanisn designen.

AZoNano - Nanotechnology - Mätningsexakthet.

Figurera 4. MätningsExakthet.

Upplösning och Stojar

Upplösningen av mätningen eller positioneringen förbinds direkt till stoja som är jämn av systemet. Ett maximalt som ska nå en höjdpunkt, stojar jämnt lätt mätas inte eller tolkas, sedan med några stoja fördelning som du kan få ett stort avsteg om dig väntan long nog. Därför värderar rmsen används normalt som kan mätas med standard utrustning. Stojaamplitudfördelningen är viktig, när du ser upplösning. Vanligt Gaussian stoja dominerar, och i detta fall är rmsen likvärdigt till standardavvikelsen, sigma. 68.3% av tar prov taget ska är inom en sigma av medlet värderar. Riskera av att lösa två särdrag, som är en distansera av sigma två av stoja ifrån varandra, Att hjälpmedlet där är 68.3%, som visat in figurerar 5, (eller 99.7% riskera av att lösa två särdrag vilka är sex sigma ifrån varandra).

AZoNano - Nanotechnology - som Löser två, placerar

Figurera 5. Lösa två placerar.

Stoja driver spectrum är ett viktigast lappar av information. Den kan visa att upp de bakomliggande källorna av stojar - liksom strömförsörjningar välj upp, som lokaliseras på 50 eller 60 Hertz. Figurera 6 visar en mätning av stoja driver spectrumen av den DSP baserade kontrollanten NPS3000. Detta visar en stoja som är jämn av < 10 pm. Hertz. I testa är kontrollanten NPS3000 van vid kontrollerar en singelaxel arrangerar, (NPSEN-Z-15B), stängd-kretsar in funktionsläge med en funktionsduglig bandbredd för arrangera av 100 Hertz. Stoja signalerar konspirerat är från HV-drevspänningen som appliceras till den piezo utlösaren. 50 Hertz strömförsörjningar väljer upp kan ses klart även om på mycket en låg nivå.

AZoNano - Nanotechnology - Stoja spectrumen av kontrollanten NPS3000

Figurera 6. Stoja spectrumen av kontrollanten NPS3000.

Stoja i det NanoMechanism systemet, komponeras i allmänhet av avkännaren stojar, stojar piezo drev, mekaniskt stoja, och akustiskt stoja. Avkännaren stojar ska tolkas av kontrollera kretsar som en befalla och blir thus faktisk förskjutning stojar. Återkopplingen signalerar från avkännaren är van vid frambringar en drevspänning som ska appliceras till de piezo utlösarna. Piezo drevspänning stojar ska introduceras i detta processaa och bidrar till arrangerapositioneringen stojar. Verkställa av denna stojar kan avkännas av avkännaren och, därför, åtminstone delvist servoeds ut. Kapaciteten av systemet till servoen ut som drevet stojar, beror på bandbredduppsättningen: högre bandbredden det bättre bidraget servoeds ut. Yttre mekaniskt matar in liksom slipad vibration, och akustiskt stoja ska också orsakar arrangera till flyttningen. Verkställer av dessa matar in kan minimeras av ökande styvheten av arrangera. Den kan också servoeds ut, om systembandbredden är tillräckligt kicken. För kontrollerasystemet NPS3000 som mätningsbandbredden kan vara, ställa in till 12 kHz, och stängt kretsa bandbredden 2 kHz som domineras normalt av de dynamiska kännetecknen av arrangerar mekanism.

Linjäriteter och Kartlägga

I en idealvärld bör en arrangera vara perfekt linjär. Världen är nästan ideal men inte ganska. I praktiken kan linjäriteterna av kapacitensavkännaren påverkas av många dela upp i faktorer liksom tjockleken av det nominella mellanrummet (eller vilsekommet djurkapacitensen), och non-parallellism av elektroden ytbehandlar, etc. [1]. För att veta vad det faktiskt vinkar eller placerar av arrangera är och thus att applicera linjäritetskompensation, måste systemet att kalibreras mot en yttre mäta apparat med kickexakthet. Befalla placerar, xc, som föreställer placera som mätas av den inre avkännaren, och det faktiskt placerar, xp, kan, till en bestämd grad, förbindas med kartlägga fungerar uttryckt som xp = f (xc). De enkla bildar av kartlägga fungerar är drivaserier

(1)

Idealt a0, a2, a3,4… skulle är noll och enhet a1; därefter dela upp i faktorer avkännarefjäll, a1, är det linjärt dela upp i faktorer beskriva förhållandet mellan det faktiskt arrangerar placerar, som mätt av en exakt göra perfekt placera hypothetically avkännaren och placeramätningen som tillbaka matas till användarens dator. Den kartlägga truenessen karakteriseras av uppsättningen av fel på koefficienterna för individ ”a”. När kartlägga fungerar, beställer (först en raksträcka fodrar), är det att kartlägga felet blir fjäll dela upp i faktorer osäkerhet. Residualen mellan det faktiskt placerar, och en bäst färdig raksträcka fodrar för mätningen ger linjäritetsfelet (vi definierar normalt linjäritetsfelet som ½hacka för att välja residualen från den linjära bäst passformen). Som ett exempel spänner ett linjäritetsfel av 0.05% i en µm 100 apparatresultat i 50, nm- somevig sanning placerar osäkerhet mellan den 0 µmen placerar, och 100na µm placerar, när en linjär närhet göras, som visat in, Figurerar 7 (a). Vanligt för NanoSensors är avsteget från linjäriteter ungefärligt paraboliskt, och i några system är detta lätt att kompensera för elektroniskt without att gälla DSPEN. Resultatet av att kompensera en som litet är ofullbordat, parabola med another, är ett S buktar vanligt av mycket lägre amplitud, så det kartlägga felet är mycket lägre, som visat in Figurera 7 (b). Detta är likvärdigt till att använda aet, 1 och a2 benämner av likställande 1. Om en var att använda det högre, beställa benämner, ett även bättre resultat kunde uppnås. Detta kan göras lätt i mikroprocessorn baserade avkännaresystem eller externt i användarens dator. Det har funnits, att det finns lite att nå i att gå higher, än fjärde beställer, ser för att Figurera 7 (c).

AZoNano - Nanotechnology - Kartlägga fel och linjäriteter

(a)

AZoNano - Nanotechnology - Kartlägga fel och linjäriteter

(b)

AZoNano - Nanotechnology - Kartlägga fel och linjäriteter

(c)

Figurera 7. Kartlägga fel och linjäriteter.

Parasitic Vinkar och Fel

Parasitic vinkar stegvis kan identifieras som endera som är vinkelformig: rotation om x-, y- och z-yxor; eller linjärt: ut ur plant vinka, non-orthogonality och crosstalken; och ska introducera oväntade positioneringfel. Det parasitic vinkar orsakadt vid distorsioner av arrangera förkroppsligar kan minimeras av försiktig design och strukturera parameteroptimisation. I de tvungna yxorna bör styvheten planläggas för att vara som kick som möjlighet, och så low, som möjligheten i axeln av vinkar. Detta uppnås i NanoMechanismsen, genom riktigt att ordna flexuren, mönstrar och att välja flexureparametrarna försiktigt. Emellertid begränsas flexuredesignen ibland av den resonant frekvensen för systemet som, på grund av funktionsläget som kopplar ihop, kräver riktningarna för styvhet sammanlagt att vara kicken. Finite beståndsdelanalys FEA kan vara van vid förutsäger att lokalen och globala distorsioner och hence strukturera kan riktigt optimeras för att decouple styrkorna eller för att göra den ofrånkomliga distorsionsannulleringen varje annan. Om dessa parasitic vinkar är förutsägbart därefter dem kan kompenseras. Notera att dessa vinkar är en fungera av arrangera placerar, men inte är nödvändigtvis linjära och att leda till komplex topografi. Någon hysteresis vinkar in gör förutsägelsen mycket hård - om inte omöjligt. För detta resonera, måste styrkaändringarna i systemet vara högt linjära och repeatable. Friktion är alltid en källa av hysteresis, tack vare den ändrande riktningen av styrkan.

När prov monteras på till en NanoMechanism, måste Abbefel att vara ansedda försiktigt tack vare det parasitic vinkelformigt vinkar. Lilla vinkelformiga fel kan ha en stor affekt på den jämna nanometeren: till exempel ger en lutande av precis 1 µrad med en offset av 1 en mm en 1 nm placerar fel. Att förminska detta verkställa, prov bör placeras så tätt som möjlighet till de mäta yxorna av avkännarna. Till exempel i ett axelNanoMechanism för x-y-z tre system lokaliseras provhållaren på peka, som är co-incidentet med avkännaren som mäter yxor, som visat in Figurerar 8. Verkställer av rotationsfel av det x-y arrangerar kan thus minimeras.

AZoNano - Nanotechnology - 3D NanoMechanism.

Figurera 8. 3D Nanomechanism.

Det linjära parasitic vinkar liksom non-orthogonality, eller crosstalken påverkas främst av fabriks- toleranser, och distorsionerna av arrangerar inramar, om inrama används som avkännare' utgångspunkt. Yxorna av två parar av avkännare i det x-y arrangerar måste att vara mycket ortogonala till varje annan och co-incident till de röra yxorna av plattformen. Genom Att Använda modern fabriks- teknologi kan avsteget från orthogonality av avkännareyxorna allmänt kontrolleras inom 0,5 mrd som ger ett orthogonalityfel av 0,5 nm/µm (0.05% dvs.) i det x-y hyvlar.

Vid det kinematic beslag hänvisar till placera blir traceable, och distorsionerna från termisk utvidgning och drivkraft kan decoupleds. Detta är viktigt för att arrangera ska ha metrological kapacitet på den jämna nanometeren. Även för en Toppen Invar arrangera av storleksanpassa av en mm 100 x 100, en skao ändring för temperatur 1C orsakar 30, nm- somändring dimensionerar in ( = /Co). Arrangera inramar att böja som orsakas av drivkraften, är typisk i spänna av tio till hundratals nm [2]. Utan det kinematic beslag som en placeraosäkerhet av de samma storleker kan omkring, introduceras in i systemet.

Dynamiska Kännetecken

Förutom vinkar metrologyen och exaktheten av, är rusar den dynamiska kapaciteten av systemet också viktig därför att stabiliteten och är kritisk till många applikationer. Idealt finns det skulle inget arrangerar gradvis fängelsekunden between befaller och placerar, och den skulle mekanismen reagerar till en kliva matar in perfekt - ingen löneförhöjningtid, över for eller sätter tid.

Understödja-beställa, detfria mekaniska systemet, är samlas den resonant frekvensen beslutsam vid systemstyvhet och För ett linjärt. I en optimalt planlagd mekanism domineras styvheten vanligt av styvheten av piezo buntar i dess översättningsaxel. För en arrangera med vinka förstärkningen, förminskas den effektiva styvheten av den ska piezo utlösaren som Ke = k/Gp2, var Kp är styvheten av piezo och G är förstärkningen. Förminskande kan samlas förhöjning den resonant frekvensen för systemet. Emellertid som samlas av plattformminskningarna arrangerakapaciteten blir känsligare till påverkan av ladda, samlas, dvs. den ska resonant frekvensen tappar besegrar snabbt som samlas av provförhöjningarna. Den Dynamiska rekvisitan av systemet kan också förbättras till och med annat att närma sig liksom introduktion ett riktigt fukta materiella eller användande avancerade servocontroltekniker. I instrumentation använder designspecifikationerna ofta kriteriet av avgörandetid som definieras som tiden som krävs för att systemet ska sätta inom en bestämd procentsats av mata in. Gilla annan instrumenterar och att sätta tid är mer riktar beskrivning av den dynamiska kapaciteten än resonant frekvens För NanoMechanisms. För en piezo drivande NanoMechanism består avgörandetiden av den svänga tiden och tiden som tas för att de resonant svängningarna ska förfalla. Gamlan domineras av massan klassar som är beslutsam vid kapacitensen av de piezo buntarna och strömdrevkapaciteten av drevelektroniken. För understödja beställer system som kravet specificerar typisk ett maximum fördröjning, för de tillverkade räckvidderna inom 2% av dess final värderar, efter en kliva har matat in ändring, som tar en varaktighet av ungefärligt fyra tidkonstanter (4τ=4/ξω),n var τ är tidkonstanten, att fukta för ξ dela upp i faktorer och resonant frekvensn för ω [3]. Från detta kan det ses att systemsvaret kan förbättras av ökande både den resonant frekvensen och fukta dela upp i faktorer. Normalt förser med gångjärn flexure arrangerar är högt resonant med mycket low att fukta dela upp i faktorer. Därför ska är kan att fukta för extrahjälp mycket hjälpsamt och effektivt förminska förfallatiden, men om endast den kan introduceras utan friktion, sedan detta kan orsaka hysteresis. Om detta göras inom kontrolleraalgoritmen, då ska ingen friktion introduceras.

Material

Den Termiska rekvisitan av konstruktionsmaterial är ofta det huvudsakliga bekymmer för både design, och bruk av precision instrumenterar. I det normalabruk värmer allt möte för mekaniska apparater matar in orsakadt vid miljö- temperaturändring, driver skingrande i utlösare, operatören som och så vidare behandlar. Rikta verkställer av den termiska störningen är termisk utvidgning som ska orsakar dimensionerar ändring av mekaniska delar som resulterar i förlusten av, instrumenterar exakthet. Den dimensionella ändringen av ett materiellt en ändring i temperatur karakteriseras tack vare av dess Samverka av Termisk Utvidgning (CTE), som varierar tremendously med olika material. I allmänhet att förminska thermalen verkställa, konstruktionsmaterial med samverka minsta termisk utvidgning bör användas. However i vissa fall low är den termiska expansivityen inte så användbar som den nära expansivitymatchen mellan apparaten och dess beslag. Dessutom är korrigeringar som ska klaras av med termisk utvidgning, möjligheten kontrollerar igenom metoder: temperaturen kan vara mätt, och van vid ge en korrigering. Ett Annat problem är termiska lutningar. De orsakar strukturerar distorsion, som kompensation inte är möjligheten för. Att att undvika verkställer av termiska lutningar, materialen kan väljas endera med låg termisk conductivity, liksom Toppen Invar och Zerodur eller med kickconductivity, liksom Aluminium, var systemet ner termisk equilibrium snabbt. Att att förminska verkställer av miljön som många precisionapparater planläggs avsiktligt för att vara lilla.

Också måste den mekaniska rekvisitan av material att vara försiktigt ansedd. Till exempel begränsar förhållandet av styrka och den Young modulusen, /E, maximat spänner som kan uppnås av flexuremekanism. Emellertid kan den låga Young modulusen inte vara kompetent att ge en tillräcklig styvhet för NanoMechanismen, eller dess inrama, som används ibland som den metrological utgångspunkten. Vidare har lokalkontaktstyvhet mellan mekanismen och dess utlösare en rikta att verkställa på den resonant frekvensen av ett mekaniskt system - den resonant frekvensen kan tappa besegrar på grund av otillräcklig kontaktstyvhet. Också kan samlas av materiellt göra en stor skillnad till den dynamiska rekvisitan av NanoMechanisms. Till exempel legerar täthetförhållandet av Toppen Invar och aluminium är omkring 3, så den resonant frekvensen av ett aluminium system kan vara tider √3 higher än det av ett Toppet Invarsystem, om styvheten av systemen är samma.

Några Exempel av NanoMechanism Apparater

NPS-Z-15A/B

Denna är en linjär singel-axel vinkar arrangerar som planläggs till jordbruksprodukter som, ett rent vinkar längs z-axeln. Arrangera har ett stängt att kretsa spänner av µm 15 och en typisk linjäritet av < 0.06% (utan kompensation) med under-nanometer upplösning. Efter kompensation tappar non-linjäriteten typisk besegrar < 0.02%. En kompakt flexuremekanism planläggs in i arrangera för att decouple det parasitic av axel, och spets-lutande vinkar från de piezo buntarna. De vippande på felen mätas för att vara mindre, än 1 µrad över helt spänner, (utan flexuremekanism de vippande på felen är normalt över µrad 15). Låg hysteresis är ett annat viktigt särdrag för att arrangera ska uppnå metrological kapacitet för nanometer. Figurera 9 är ett typisk mätningsresultat av statisk elektricitetkapaciteten från arrangera NPS-Z-15B, som visar ett linjäritetsfel av 0,01% och ennanometer hysteresis. Mest av specifikationerna kalibrerades genom att använda en Zygo ZMI interferometer 1000. Emellertid blir mätningen av under-nanometeren hysteresis svår genom att använda interferometeren - så för de mätningar användes en Queensgate NanoSensor. Den resonant frekvensen av arrangera är 2 kHz som ger ett bra dynamiskt svar för mest applikationer, när det används med kontrollanten NPS3000. Ett klivasvar visas in Figurerar 10.

AZoNano - Nanotechnology - Linjäriteter och hysteresis av NPS-Z-15B.

Figurera 9. Linjäriteter och hysteresis av NPS-Z-15B.

AZoNano - Nanotechnology - Kliva svaret av NPS-Z-15B

Figurera 10. Kliva svaret av NPS-Z-15B.

NPS-XY-100A

Denna är en linjär två-axel vinkar arrangerar med en diameteröppning för en mm 40 i en mitt (som är lämplig för NSOM-applikationer). Den har ett dynamiskt att spänna av µm 100 100 med under-nanometer upplösning. Vid försiktig design- och precisiontillverkning är rotationsfelen om z-axeln (zδγ, zδθ) kontrollerad mer mindre µrad än 10 och andra rotationsfel är insignificantly lilla över helheten spänner. Hysteresisen mättes som mer mindre än 0.01% av spänna. Figurera 11 gåvor ett typisk mätningsresultat av statisk elektricitetkapaciteten från arrangera NPS-XY-100A. För beslagmekanismen för Integralen anstränger kinematic hjälp som avlöser, framkallat av inre drevstyrkor och termisk utvidgning som förbättrar stabiliteten av systemet. Den kinematic beslagmekanismen ser till att systemutgångspunkten är på centrera av arrangerar plattformen som prov eller sonden lokaliseras på normalt, så att thermalen verkställer kan effektivt decoupleds. Arrangera göras av Toppen Invar och har en resonant frekvens över 300 Hertz. Genom att introducera extrahjälpen som fuktar in i systemet kan en ms 10 som högryggad träsoffatid för litet kliver svar, uppnås, som visat in Figurera 12. Kombination av NPS-XY-100 och av NPS-Z-15 bildar ett system för positionering 3D och scanning, som visat in Figurera 8, som är ideal för metrological SPM-applikationer.

AZoNano - Nanotechnology - Linjäriteter och hysteresis av NPS-XY-100A.

Figurera 11. Linjäriteter och hysteresis av NPS-XY-100A.

AZoNano - Nanotechnology - Kliva svaret av NPS-XY-100A

Figurera 12. Kliva svaret av NPS-XY-100A.

Avslutningar

Några av teknologierna som används i Queensgates mekanism för nanometerprecision har introducerats och har diskuterats för att förklara hur en metrological kapacitet på den jämna nanometeren eller även under-nanometeren kan uppnås med NanoMechanismsen. Några metrological begrepp har klargjorts i dem är långt van vid beskriver ultra-precision positioneringtekniker. Designövervägandena har diskuterats med hänsyn till problemen av upplösning och stojar, linjäriteter och hysteresis, termisk utvidgning och styrkadistorsion, och parasitic vinkar lik non-orthogonality (crosstalk), rotationsfel och Abbefel Etc., som introducerar positioneringfel och osäkerhet till systemet. Något att närma sig för att undvika, eller minimera dessa fel nämndes. Detta gäller båda optimerad design och avancerade kompensationstekniker. Mer specificerad information är tillgänglig från Queensgate [3]. En serie av NanoMechanisms som spänner från singelaxel till den mång- axeln, arrangerar, har planlagts och har byggts. Kombinationen av dessa arrangerar kan ge vinkar av upp till sex grader av frihet med nanometerprecision. Initialt testa har visat lovas resultat, liksom low stojar jämnt, under-nanometer hysteresis, vinkar mycket litet parasitic, kicklinjäriteter, och godan kliver svar. En omfattande bedömning av metrological kännetecken är ett invecklat, och långsiktigt projektera, speciellt för mång- axelsystem och att gälla mer sofistikerad metrological tekniker, och avancerat instrumenterar. mer Ytterligare resultat ska anmälas i den near framtiden.

Tack till personer

Den författare skulle något liknande till uttryckligt tack till Graham Jones, Jeremy Russell och Philip Rhead för deras hjälp, i att planlägga, byggande och att testa som är dessa NanoMechanisms.

Hänvisa till

1.      Nanopositioningen Bokar, Queensgate Instrumenterar AB, 1997

2.      P. arrangerar D. Atherton, Y. Xu och M. McConnell, ”Nytt x-y för att placera och att avläsa”, Förfaranden av SPIES Årsmöte, Aug. 1996, Denver, USA

3.      Smed för S.T. och D.G. Chetwynd, Fundament av den Ultraprecision MekanismDesignen, Gordon och BrytningVetenskap Utgivare, 1992

Primär författare: Ying Xu, Paul D Atherton, Thomas R. Hicks och Malachy McConnel.

Källa: Queensgate instrumenterar.

För mer information på denna källa behaga besök Queensgate instrumenterar.

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

Last Update: 15. July 2013 16:40

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit