毫微米精确度结构 - 供应商数据的设计和描述特性由 Queensgate 仪器

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包括的事宜

摘要

简介

设计原理毫微米精确度结构 (NanoMechanisms)

结构

电容位置检测器

管理员

设计观念和对价

坐标系统

确定准确性: 真实的概念

解决方法和噪声

线性和映射

寄生行动和错误

动力特性

材料

NanoMechanism 设备的有些示例

NPS-Z-15A/B

NPS-XY-100A

结论

鸣谢

参考

摘要

要适应浏览超精确度的需要确定和,确定结构的一系列的精确度最近被开发在 Queensgate 仪器,结合压电的 Queensgate 的NanoSensor 技术到多轴的反馈装置有这个能力确定与子nanometric 准确性。 在本文技术引入用于这些结构的发展的设计原理和某些并且讨论解释在级的毫微米甚至的子毫微米的一个度量衡学的功能如何可以达到。 一些原始结果是包括,演出与 0.01% 线性错误、子毫微米迟滞现象、非常低有角寄生行动和好动力特性等等被展示。

简介

近年来,由于迅速发展在多种精确工程领域,那里有是在需要的一个大增量对精确度确定的和浏览的系统有能力在毫微米或,有时,子毫微米甚而解决方法和反复性上。 此趋势预计增长,要求新的设计观念和技术的更加新颖的设备的探险适应多种应用需要。 例如,薄酥饼分节器做与下来行宽的硅片到 200 毫微米; 浏览的探测显微镜用于设立这样筹码多么恰当做; 并且技术先生的题头简介允许 50亿字节盘成为这个平均数。 这些设备和做这些设备的设备,联合收获机提前与先进的运动控制技术的光学设计,可能确定要素到一毫微米的准确性或改善。

要接受这些发展的挑战, Queensgate 仪器开发确定结合 Queensgate 的压电的技术和 NanoSensor 技术的一个超精确度成多轴的反馈装置以这个能力确定与子nanometeric 准确性。 此系统由一系列的阶段组成,叫 NanoMechanisms,包括唯一轴阶段, X - Y 的阶段和掀动阶段等。 这些阶段的组合可能提供确定部件的三个,四个,五个或者六个自由程度。

设计原理毫微米精确度结构 (NanoMechanisms)

结构

压电设备有潜在移动与对于毫微米精确度确定和僵硬的阶段是必需的解决方法。 然而,因为压电设备是非线性的并且陈列迟滞现象,要求外部传感器控制他们的位置。 电容测微表理想地说配合与此任务,是小和简单的以有效是无限的一个内在解决方法功能。 要达到纯唯一轴行动,弯曲引导的结构用于,实施约束对其中任一轴行动并且一起结合压力致动器和传感器形成一个集成阶段系统。 弯曲通常整体地被削减成阶段使用用机器制造的 EDM,产生在性能的非常高精度。

图 1 是这种典型的闭合电路控制块绘制系统。 在绘制,传感器评定的行动被提供回到管理员,移动这个阶段使在感觉的行动和这个指令之间的区别减到最小。 在这种情况下,在计量学循环的确定的精确度主要取决于这个传感器和管理员的功能。

AZoNano - 纳米技术 - NanoMechanism 一个唯一轴控制系统的结构图。

图 1. NanoMechanism 一个唯一轴控制系统的结构图。

电容位置检测器

NanoSensor 是有线性错误的一个高度线性电容传感器 < 0.02% 在其指定的操作范围 (通常在 100 ~ 500 µm 之间)。 运行在减少的范围线性错误在 0.01% 以下是可能的。 NanoSensor 有一个位置的噪声级在 < 0.005 毫微米的正常运行。Hz (RMS) 和可以从非常象超级英瓦合金或 Zerodur 的稳定的材料被制造。 它是没有接触和从迟滞现象解脱。 它也有好处的是非常紧凑,简单,便宜的和没有功率耗散在评定。 因而它是非常合适的对非常小的位移的准确评定。

管理员

当设计与 0.1 毫微米解决方法和 100 µm 时的一个系统请排列这个能力存取范围数位在计算机控制下通常是非常困难,因为它是 1 部分的一个力学范围在百万,或者 20 位。 要论及此问题 Queensgate 开发一个数字信号处理器 (DSP)基于控制系统,有超过 21 位的一个内在解决方法,并且数位是可寻址的。 值得注意的是,这目前超出可用多数 A/D 和 D/A 的交换器的解决方法并且在多数应用的噪声级下。 先进的数字式 PID 控制算法用于这个系统。 闭合电路管理员的结构图在表 2. 显示。 系统响应可以经过引入按比例和有差别的术语改进。 速度反馈 (有差别的术语) 在阻止可能非常帮助机械共鸣,减少结算时间。 运作的带宽可以用计算机控制,并且循环参数由性能优化的用户定义。

AZoNano - 纳米技术 - PID 闭合电路控制结构图。

图 2. PID 闭合电路控制结构图。

使用这样管理员评定非线形性和补尝它是可能的。 此外,一旦在这样结构的寄生角动被分析了补尝他们在一个复杂多轴的系统是可能的。 线性错误可以充分地补偿 < 0.02%。 在那下评定由定标系统的内在线性通常限制。

使用此补偿的技术是非常重要达到一个度量衡学的功能在毫微米级别。 是显然的在控制回路内传感器不是绝对线性的,因此系统线性可以被软件报酬进一步改进。 理论上,这个结构应该陈列纯正交行动 - 即,一个 X - Y 的设备必须只有自由程度沿 x 和 Y轴的。 实际上,那里存在出现从畸变的未管制的 (寄生) 行动由于内力和制造的限制。 从这些寄生行动的错误通过优选机械设计减到了最小,并且可以被报酬技术进一步减少。 注意寄生错误可能只补偿,如果他们是可预测的,即寄生行动必须是不仅可测量的,而且可重复。

设计观念和对价

坐标系统

首先定义协调过去常常描述位置是必要的。 使用的这个明显的系统为确定阶段正交直角坐标系。 这一个可能定义与其 X, Y的一个位置 Z 座标和作为循环要素的一个任意循环关于 X、 Y 和 Z 轴的,如图 3. 所显示。 一可能更加有用地描述移动作为在 X, Y 上的一个变化,并且 Z 座标。 循环描述关于 X、 Y 和 Z 轴在一个用右手的意义。 术语投,滚,并且弹道正切角是常用的,当谈论循环时。 这些术语是有用的,当描述一个直线运动时造成的寄生循环,但是必须采取十分注意,当他们是指行动的方向而不是一个被定义的轴系统。 对于在飞行中飞机,关于从翼梢得出的轴的一个循环到翼梢是间距; 关于轴的一个循环被减少这个机体的长度是辊,并且关于一个垂直的轴的一个循环是弹道正切角。 在这个被定义的解析系统,如果 ‘飞机’沿正 X 方向θ飞行是间距, γ是辊,并且φ是弹道正切角。

AZoNano - 纳米技术 - 坐标系统。

图 3. 坐标系统。

确定准确性: 真实的概念

要移动阶段,位置指令被发送到这个管理员由计算机。 行动是由一个压力致动器导致的并且是由传感器监控的。 使用反馈信号,这个管理员移动这个阶段使在感觉的行动和这个指令之间的区别减到最小。 多么小这个区别可以是主要取决于这个系统的控制能力,并且能解释多么这个阶段可以精密地确定。 是显然的这个确定的精确度将受解决方法 (噪声级),增殖率 (偏差和迟滞现象) 和映射错误的主要影响 (高位错误映射) 这个系统。 而且,如果阶段行动评定与假设是一个理想的系统,有在这个被命令的位置和期望位置之间的一个区别的外部测量设备: 多么接近他们是被定义成确定真实。 所以,应该这个确定的精确度和确定的真实取决于如图 4. 所显示,最终确定的准确性。 这些如何处理在 NanoMechanisn 设计在下列部分讨论。

AZoNano - 纳米技术 - 评定准确性。

图 4. 评定准确性。

解决方法和噪声

评定或确定的解决方法直接地与这个系统有关的噪声级。 一个尖峰对尖峰的噪声级没有容易地被评定也没有解释,因为与所有噪声配电器您能获得大偏差,如果您等待太久。 所以的 rms 值可以评定用标准设备通常使用。 当查看解决方法时,噪声振幅分布是重要的。 通常高斯噪声控制,并且在这种情况下这个 rms 与标准偏差,斯格码是等同的。 拿取的 68.3% 范例在这个平均值的一个斯格码之内。 那意味有解决分开是距离二噪声斯格码,如图 5 的二个功能的 68.3% 机会, (或 99.7% 机会所显示解决分开是六个斯格码) 的二个功能。

AZoNano - 纳米技术 - 解决二个位置

解决二个位置的图 5

噪声功率光谱是一份最重要的情报。 它可能出现噪声的基础来源 - 例如主要请整理,局限化在 50 或 60 Hz。 图 6 展示 DSP 基于 NPS3000 管理员的噪声功率光谱的评定。 这显示一个噪声级的 < 下午10点。Hz. 在这个测试,这个 NPS3000 管理员用于控制一个唯一轴阶段, (NPS-Z-15B),在与阶段运作的带宽的闭环模式下 100 Hz。 被密谋的噪声信号是从 HV 推进电压适用于压力致动器。 50 Hz 主要选择能明显地被看见,虽然在一非常低级。

AZoNano - 纳米技术 - 请吵闹 NPS3000 管理员光谱

图 6. NPS3000 管理员噪声光谱。

NanoMechanism 系统的噪声是,一般来说,组成由传感器噪声、压力推进噪声、机械噪声和音响噪声。 传感器噪声将由控制回路解释,因为指令和因而成为实际位移噪声。 从传感器的反馈信号用于生成将适用于的推进电压压力致动器。 压力推进电压噪声在此进程中将被引入和造成确定噪声的这个阶段。 此噪声的作用可以由传感器检测,并且,因此,部分地至少 servoed。 系统的能力对伺服机的推进噪声取决于被设置的带宽: 越高带宽越好摊缴 servoed。 外部机械输入例如土地振动和音响噪声也将造成这个阶段移动。 这些输入的作用可以通过增加这个阶段的僵硬减到最小。 如果系统带宽充分地高,它可能也 servoed。 对控制系统 NPS3000 评定带宽可以被设置到 12 kHz 和由阶段结构的动力特性通常控制的闭合电路带宽 2 kHz。

线性和映射

在一个理想的世界,阶段应该是完全线性的。 这个世界不相当是几乎理想的,但是。 实际上电容传感器的线性可以受许多系数的影响例如名义上的空白 (或迷路者电容的) 这个电极表面等等 [1 的] 厚度和非并行性。 为了知道什么这个阶段的实际行动或位置是和因而应用线性报酬,这个系统必须被校准有高精确度的外部测量设备。 指令位置, xc,表示这个位置由内部传感器和这个实际位置, x 评定了p,可能,某种程度上,涉及与一个映射功能被表示为 xp = f (x)c。 这个映射功能的简单形式是电源串联

(1)

理论上 a0, a2, a34…是零和 a1 团结; 然后传感器按比例增减系数, a1,是描述实际阶段位置之间的这个线性系数关系如评定由一台假定地理想的准确位置检测器和位置评定被提供回到用户的计算机。 映射的真实描绘为套在单个 ‘a’系数的错误。 当这个映射功能是第一顺序 (一条直线),这个映射的错误成为按比例增减系数不确定性。 在实际位置和一条特别合身的直线之间的残余这个评定的产生线性错误 (我们通常定义了线性错误作为 ½ 挑库选择从线性特别合身的残余)。 为例,线性错误 0.05% 在一个 100 µm 范围设备导致在 0 个 µm 位置和 100 µm 位置之间的 50 毫微米绝对位置不确定性,当一个线性近似值做时,如图 7 (a) 所显示。 通常为 NanoSensors 从线性的偏差是大致抛物面的,并且在有些系统这是容易电子上补尝,无需介入 DSP。 轻微不完美补偿一的结果,与别的抛物线通常是更低的高度 S 形曲线,因此这个映射的错误是低,如图 7 (b) 所显示。 这与使用这个 a 是等同的12 式 1. 的术语。 如果一个是使用高次用语,一个更好的结果可能取得。 这可以容易地执行在基于微处理机的传感器系统或外部在用户的计算机。 发现有一点获取在去高于第四预定,参见图 7 (c)。

AZoNano - 纳米技术 - 映射错误和线性

(a)

AZoNano - 纳米技术 - 映射错误和线性

(b)

AZoNano - 纳米技术 - 映射错误和线性

(c)

图 7. 映射的错误和线性。

寄生行动和错误

在阶段的寄生行动可以被识别作为有角的二者之一: 关于 x、 y 和 z 轴的循环; 或者线性: 在平面行动、非正交性和干扰外面; 并且将引入意外的位置误差。 阶段机体的畸变造成的寄生行动可以由仔细设计和结构参数寻优减到最小。 在约束的轴应该设计僵硬尽可能高和尽可能低在行动轴。 这在 NanoMechanisms 达到通过适当安排弯曲模式和仔细选择弯曲参数。 然而,弯曲设计由,由于模式耦合,四面八方要求僵硬高的系统谐振频率有时限制。 有限元分析 FEA 可以用于预测局部和全球畸变并且这个结构可以适当地被优选分离强制或做不可避免的畸变请互相取消。 如果这些寄生行动是可预测的那么他们可以补偿。 注意这些行动是阶段位置的功能,但是不一定是线性的,导致复杂地势。 在行动的所有迟滞现象使这个预测非常难,如果不不可能。 为此,在这个系统上的强制变化一定是高度线性和可重复的。 摩擦总是迟滞现象的来源,由于强制的更改的方向。

当标本被挂接对 NanoMechanism 时,神父错误必须被认为仔细由于寄生角动。 小的角误差可能有一个大影响在毫微米级别: 例如,与抵销的 1 µrad 掀动 1 mm 产生一个 1 个毫微米位置误差。 要减少此作用,应该确定标本一样紧密尽可能对传感器的评定的轴。 例如,如图 8. 所显示,在 x-y-z 三轴的 NanoMechanism 系统标本持有人位于是一致的与传感器评定的轴的点。 这个 X - Y 的阶段的循环错误的作用可能因而减到最小。

AZoNano - 纳米技术 - 3D NanoMechanism。

图 8. 3D Nanomechanism。

如果这个框架使用作为传感器’基准,线性寄生行动例如非正交性或干扰受制造的容差和阶段框架的畸变的主要影响。 二个对轴传感器进入这个 X - Y 的阶段必须彼此是非常正交和一致的对平台的移动轴。 使用现代制造技术从传感器轴的正交性的偏差可以是一般受控的在产生正交性错误 0.5 nm/µm 的 0.5 mrd 之内 (即 0.05%) 在 X - Y 的飞机。

由运动学挂接,位置参考变得可追踪,并且从热扩散和驱动力的畸变可以被分离。 这对这个阶段是重要有度量衡学的功能在毫微米级别。 为 100 x 100 mm 的范围的一个超级英瓦合金阶段, 1Co 温度变化将导致 30 在维数上的毫微米变化 ( = /Co)。 驱动力造成的阶段框架弯曲典型地是在十范围内对数百 nm [2]。 没有运动学挂接那些同样大小位置不确定性也许大约被引入到这个系统。

动力特性

除行动外的计量学和准确性,因为这张稳定性和速度对许多应用至关重要,这个系统的动态性能也是重要的。 理论上没有在指令和位置之间的相位滞后,并且这个结构将完全回应步进输入 - 没有日出时间,在射击或者结算时间。

对于一个线性,二次,阻止自由的机械系统,系统僵硬和质量取决于谐振频率。 在一个最佳地被设计的结构,僵硬由压力栈的僵硬在其转换轴通常控制。 对于与行动放大作用的一个阶段,压力致动器的有效僵硬将减少作为 ke = k/Gp2,其中 kp 是僵硬压力,并且 G 是放大作用。 减少这个质量可能增加系统谐振频率。 然而,当平台的质量减少阶段性能变得敏感对负荷质量的影响,即谐振频率将迅速地下降下来,当这个标本的质量增加。 这个系统的动态属性可能通过其他途径也改进例如引入适当的阻止的材料或使用先进的伺服操纵技术。 在手段,设计说明经常使用结算时间标准,被定义,为了这个系统的需时能在输入内的某一百分比结算。 对于 NanoMechanisms,象其他仪器,结算时间比谐振频率是这个动态性能的一个更加直接的说明。 对压力被驱动的 NanoMechanism结算时间包括花费的旋转时期和时间的共振动摆腐朽。 前面由取决于压力栈电容和推进电子的当前推进功能的转换速率控制。 对二级系统这个需求典型地指定最大延迟,在输出在 2% 其最终值之内到达在步进输入更改以后前,采取大约四个时间常数 (4τ=4/ξω) 的期限n其中τ时间常数、ξ阻尼系数和ωn谐振频率 [3]。 从此能被看见系统响应可以经过增加谐振频率和这个阻尼系数改进。 通常,弯曲铰链阶段是高度共振与非常低阻尼系数。 所以,因为这可能导致迟滞现象,额外阻止将是非常有用的,并且可能有效减少衰变时间,但是,只有当它可以被引入,不用摩擦。 如果这在控制算法内执行,则不会引入摩擦。

材料

建筑材料热量属性经常是设计的对精密仪器的主要关心和使用。 在正常使用,所有机械部件遇到环境温度变化造成的供热,在致动器的功率耗散,处理的运算符等等。 这个热量干扰的直接效应是将导致机械组成部分的维数更改的热扩散,造成仪器准确性损失。 材料的尺寸更改由于在温度上的一个变化描绘为其热膨胀系数 (CTE),非常地变化用不同的材料。 一般来说,减少这个热量作用,应该使用与最小的热扩散系数的建筑材料。 在某些情况下低热量 expansivity 不是一样有用的象在设备和其挂接之间的接近的 expansivity 符合。 而且,应付的更正热扩散通过控制方法是可能的: 这个温度可以被评定和用于提供更正。 另一个问题是热量梯度。 他们导致结构畸变,报酬不是可能的。 要避免热量梯度的作用,材料可以选择与低导热性,例如超级英瓦合金和 Zerodur,或者与高传导性,例如铝,这个系统迅速到达热平衡。 要减少环境的作用许多精确度设备故意地被设计是小的。

并且材料机械性能必须认真考虑。 例如,力量和年轻的模数, /E,限额比例可以由弯曲结构达到的最大范围。 然而,低年轻的模数可能不能为 NanoMechanism 或其框架提供满足的僵硬,有时使用作为度量衡学的基准。 进一步,在这个结构和其致动器之间的局部联络僵硬有对一个机械系统的谐振频率的直接效应 - 由于不足的联络僵硬,谐振频率可能下降下来。 并且材料质量可能产生大变化到 NanoMechanisms 动态属性。 例如超级英瓦合金和铝合金密度比约为 3,因此铝系统的谐振频率高于那可以是√3 时期一个超级英瓦合金系统,如果系统的僵硬是相同的。

NanoMechanism 设备的有些示例

NPS-Z-15A/B

这是被设计导致沿 Z轴的纯行动的单一轴直线运动阶段。 这个阶段有 15 µm 的一个闭合电路范围和典型的线性 < 0.06% (没有报酬) 与子毫微米解决方法。 在报酬以后非线形性典型地下降到下来 < 0.02%。 一个紧凑弯曲结构被设计到阶段分离寄生从压力栈的轴和技巧掀动行动。 掀动的错误少于在全部的范围的 1 µrad 被评定是, (没有弯曲结构掀动的错误通常 15 µrad)。 低迟滞现象是这个阶段的另一个重要功能能达到毫微米度量衡学的功能。 图 9 是静态性能的一个典型的评定结果从阶段 NPS-Z-15B 的,展示线性错误 0.01% 和子毫微米迟滞现象。 使用 Zygo ZMI 1000 干涉仪,大多说明被校准了。 然而子毫微米迟滞现象的评定变得困难使用干涉仪 -,因此为那些评定 Queensgate NanoSensor 使用了。 产生多数应用的一个好动力特性,当使用与 NPS3000 管理员阶段的谐振频率是 2 kHz。 阶跃响应在表 10. 显示。

AZoNano - 纳米技术 - NPS-Z-15B 线性和迟滞现象。

图 9. NPS-Z-15B 线性和迟滞现象。

AZoNano - 纳米技术 - NPS-Z-15B 阶跃响应

图 10. 阶跃响应 NPS-Z-15B。

NPS-XY-100A

这是与 40 mm 直径开口的一个二轴的直线运动阶段在这个中间名 (方便为 NSOM 应用)。 它有 100 100 与子毫微米解决方法的 µm 的一个力学范围。 由仔细设计和精确度制造,关于 Z轴 (δγ δθ) 的z旋转的z错误是受控制少于 10 µrad 和其他旋转的错误是可忽略小的在全部的范围。 迟滞现象被评定了少于 0.01% 这个范围。 图 11 存在静态性能的一个典型的评定结果从这个阶段 NPS-XY-100A 的。 集成运动学挂接结构帮助解除内部驱动强制和热扩散导致的张力,改进这个系统的稳定性。 运动学挂接结构保证系统基准在的阶段平台的中心这个标本或探测通常位于,因此这个热量作用可以有效被分离。 这个阶段由超级英瓦合金制成并且有谐振频率 300 Hz。 如图 12 所显示,通过引入阻止的额外到这个系统,小的阶跃响应的一个 10 个女士结算时间可以达到。 如图 8 所显示,结合 NPS-XY-100 和 NPS-Z-15 形成 3D 确定的和浏览的系统,对度量衡学的 SPM 应用是理想的。

AZoNano - 纳米技术 - NPS-XY-100A 线性和迟滞现象。

图 11. NPS-XY-100A 线性和迟滞现象。

AZoNano - 纳米技术 - NPS-XY-100A 阶跃响应

图 12。 NPS-XY-100A 阶跃响应。

结论

引入用于 Queensgate 的毫微米精确度结构的某些技术并且讨论解释在级的毫微米甚至的子毫微米的一个度量衡学的功能如何可以达到与 NanoMechanisms。 他们用于描述确定技术的超精确度的一些度量衡学的概念澄清就象。 设计对价讨论关于解决方法的问题并且吵闹,线性和迟滞现象、热扩散和强制畸变和寄生行动象非正交性 (干扰),循环错误和神父错误等,引入位置误差和不确定性给这个系统。 避免或使的这些错误减到最小有些途径提及。 这介入两优化设计和先进的报酬技术。 详细信息从 Queensgate [3] 是可得到。 一系列的 NanoMechanisms,范围从唯一轴到多轴阶段,被设计了并且被编译了。 这些阶段的组合可能提供六个自由程度的行动以毫微米精确度。 最初的测试显示了有为的结果,例如低噪声级别、子毫微米迟滞现象、非常小的寄生行动、高线性和好阶跃响应。 对度量衡学的特性的一个全面鉴定是一个复杂和长期项目,特别是多轴系统的,介入更加复杂的度量衡学的技术和先进的仪器。 进一步结果在不久的将来将报告。

鸣谢

作者希望用设计,编译和测试表达对格雷姆琼斯,杰里米罗素和菲利普 Rhead 的谢意他们的帮助这些 NanoMechanisms。

参考

1.      Nanopositioning 书, Queensgate Ltd 仪器, 1997年

2. P.D. Atherton, Y. Xu 和 M. McConnell, “确定和浏览的新的 X - Y 的阶段”, SPIE 的年会,丹佛 8月 1996年,美国行动

3. S.T. 史密斯和 D.G. Chetwynd, Ultraprecision 结构设计的基础,哥顿和突破口科学 Publishers, 1992年

主要作者: Ying Xu,保罗 D Atherton、托马斯 R. Hicks 和 Malachy McConnel。

来源: Queensgate 仪器。

关于此来源的更多信息请参观 Queensgate 仪器

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

Last Update: 15. July 2013 15:46

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