毫微米精確度結構 - 供應商數據的設計和描述特性由 Queensgate 儀器

AZoNano - 納米技術 - Queensgate 儀器徽標

包括的事宜

摘要

簡介

設計原理毫微米精確度結構 (NanoMechanisms)

結構

電容位置檢測器

管理員

設計觀念和對價

坐標系統

確定準確性: 真實的概念

解決方法和噪聲

線性和映射

寄生行動和錯誤

動力特性

材料

NanoMechanism 設備的有些示例

NPS-Z-15A/B

NPS-XY-100A

結論

鳴謝

參考

摘要

要適應瀏覽超精確度的需要確定和,確定結構的一系列的精確度最近被開發在 Queensgate 儀器,結合壓電的 Queensgate 的NanoSensor 技術到多軸的反饋裝置有這個能力確定與子nanometric 準確性。 在本文技術引入用於這些結構的發展的設計原理和某些并且討論解釋在級的毫微米甚至的子毫微米的一個度量衡學的功能如何可以達到。 一些原始結果是包括,演出與 0.01% 線性錯誤、子毫微米遲滯現象、非常低有角寄生行動和好動力特性等等被展示。

簡介

近年來,由於迅速發展在多種精確工程領域,那裡有是在需要的一個大增量對精確度確定的和瀏覽的系統有能力在毫微米或,有時,子毫微米甚而解決方法和反覆性上。 此趨勢預計增長,要求新的設計觀念和技術的更加新穎的設備的探險適應多種應用需要。 例如,薄酥餅分節器做與下來行寬的硅片到 200 毫微米; 瀏覽的探測顯微鏡用於設立這樣籌碼多麼恰當做; 并且技術先生的題頭簡介允許 5 十億字節盤成為這個平均數。 這些設備和做這些設備的設備,聯合收穫機提前與先進的運動控制技術的光學設計,可能確定要素到一毫微米的準確性或改善。

要接受這些發展的挑戰, Queensgate 儀器開發確定結合 Queensgate 的壓電的技術和 NanoSensor 技術的一個超精確度成多軸的反饋裝置以這個能力確定與子nanometeric 準確性。 此系統由一系列的階段組成,叫 NanoMechanisms,包括唯一軸階段, X - Y 的階段和掀動階段等。 這些階段的組合可能提供確定部件的三個,四個,五個或者六個自由程度。

設計原理毫微米精確度結構 (NanoMechanisms)

結構

壓電設備有潛在移動與對於毫微米精確度確定和僵硬的階段是必需的解決方法。 然而,因為壓電設備是非線性的并且陳列遲滯現象,要求外部傳感器控制他們的位置。 電容測微表理想地說配合與此任務,是小和簡單的以有效是無限的一個內在解決方法功能。 要達到純唯一軸行動,彎曲引導的結構用於,實施約束對其中任一軸行動并且一起結合壓力致動器和傳感器形成一個集成階段系統。 彎曲通常整體地被削減成階段使用用機器製造的 EDM,產生在性能的非常高精度。

圖 1 是這種典型的閉合電路控制塊繪製系統。 在繪製,傳感器評定的行動被提供回到管理員,移動這個階段使在感覺的行動和這個指令之間的區別減到最小。 在這種情況下,在計量學循環的確定的精確度主要取決於這個傳感器和管理員的功能。

AZoNano - 納米技術 - NanoMechanism 一個唯一軸控制系統的結構圖。

圖 1. NanoMechanism 一個唯一軸控制系統的結構圖。

電容位置檢測器

NanoSensor 是有線性錯誤的一個高度線性電容傳感器 < 0.02% 在其指定的操作範圍 (通常在 100 ~ 500 µm 之間)。 運行在減少的範圍線性錯誤在 0.01% 以下是可能的。 NanoSensor 有一個位置的噪聲級在 < 0.005 毫微米的正常運行。Hz (RMS) 和可以從非常像超級英瓦合金或 Zerodur 的穩定的材料被製造。 它是沒有接觸和從遲滯現象解脫。 它也有好處的是非常緊湊,簡單,便宜的和沒有功率耗散在評定。 因而它是非常合適的對非常小的位移的準確評定。

管理員

當設計與 0.1 毫微米解決方法和 100 µm 時的一個系統请排列這個能力存取範圍數位在計算機控制下通常是非常困難,因為它是 1 部分的一個力學範圍在百萬,或者 20 位。 要論及此問題 Queensgate 開發一個數字信號處理器 (DSP)基於控制系統,有超過 21 位的一個內在解決方法,并且數位是可尋址的。 值得注意的是,這目前超出可用多數 A/D 和 D/A 的交換器的解決方法并且在多數應用的噪聲級下。 先進的數字式 PID 控制算法用於這個系統。 閉合電路管理員的結構圖在表 2. 顯示。 系統響應可以經過引入按比例和有差別的術語改進。 速度反饋 (有差別的術語) 在阻止可能非常幫助機械共鳴,減少結算時間。 運作的帶寬可以用計算機控制,并且循環參數由性能優化的用戶定義。

AZoNano - 納米技術 - PID 閉合電路控制結構圖。

圖 2. PID 閉合電路控制結構圖。

使用這樣管理員評定非線形性和補嘗它是可能的。 此外,一旦在這樣結構的寄生角動被分析了補嘗他們在一個複雜多軸的系統是可能的。 線性錯誤可以充分地補償 < 0.02%。 在那下評定由定標系統的內在線性通常限制。

使用此補償的技術是非常重要達到一個度量衡學的功能在毫微米級別。 是顯然的在控制回路內傳感器不是绝對線性的,因此系統線性可以被軟件報酬進一步改進。 理論上,這個結構應該陳列純正交行動 - 即,一個 X - Y 的設備必須只有自由程度沿 x 和 Y軸的。 實際上,那裡存在出現從畸變的未管制的 (寄生) 行動由於內力和製造的限制。 從這些寄生行動的錯誤通過優選機械設計減到了最小,并且可以被報酬技術進一步減少。 注意寄生錯誤可能只補償,如果他們是可預測的,即寄生行動必須是不僅可測量的,而且可重複。

設計觀念和對價

坐標系統

首先定義協調過去常常描述位置是必要的。 使用的這個明顯的系統為確定階段正交直角坐標系。 這一個可能定義與其 X, Y的一個位置 Z 座標和作為循環要素的一個任意循環關於 X、 Y 和 Z 軸的,如圖 3. 所顯示。 一可能更加有用地描述移動作為在 X, Y 上的一個變化,并且 Z 座標。 循環描述關於 X、 Y 和 Z 軸在一個用右手的意義。 術語投,滾,并且彈道正切角是常用的,當談論循環時。 這些術語是有用的,當描述一個直線運動時造成的寄生循環,但是必須採取十分注意,當他們是指行動的方向而不是一個被定義的軸系統。 對於在飛行中飛機,關於從翼梢得出的軸的一個循環到翼梢是間距; 關於軸的一個循環被減少這個機體的長度是輥,并且關於一個垂直的軸的一個循環是彈道正切角。 在這個被定義的解析系統,如果 『飛機』沿正 X 方向θ飛行是間距, γ是輥,并且φ是彈道正切角。

AZoNano - 納米技術 - 坐標系統。

圖 3. 坐標系統。

確定準確性: 真實的概念

要移動階段,位置指令被發送到這個管理員由計算機。 行動是由一個壓力致動器導致的并且是由傳感器監控的。 使用反饋信號,這個管理員移動這個階段使在感覺的行動和這個指令之間的區別減到最小。 多麼小這個區別可以是主要取決於這個系統的控制能力,并且能解釋多麼這個階段可以精密地確定。 是顯然的這個確定的精確度將受解決方法 (噪聲級),增殖率 (偏差和遲滯現象) 和映射錯誤的主要影響 (高位錯誤映射) 這個系統。 而且,如果階段行動評定與假設是一個理想的系統,有在這個被命令的位置和期望位置之間的一個區別的外部測量設備: 多麼接近他們是被定義成確定真實。 所以,應該這個確定的精確度和確定的真實取決於如圖 4. 所顯示,最終確定的準確性。 這些如何處理在 NanoMechanisn 設計在下列部分討論。

AZoNano - 納米技術 - 評定準確性。

圖 4. 評定準確性。

解決方法和噪聲

評定或確定的解決方法直接地與這個系統有關的噪聲級。 一個尖峰對尖峰的噪聲級沒有容易地被評定也沒有解釋,因為與所有噪聲配電器您能獲得大偏差,如果您等待太久。 所以的 rms 值可以評定用標準設備通常使用。 當查看解決方法時,噪聲振幅分佈是重要的。 通常高斯噪聲控制,并且在這種情況下這个 rms 與標準偏差,斯格碼是等同的。 拿取的 68.3% 範例在這個平均值的一個斯格碼之內。 那意味有解決分開是距離二噪聲斯格碼,如圖 5 的二個功能的 68.3% 機會, (或 99.7% 機會所顯示解決分開是六個斯格碼) 的二個功能。

AZoNano - 納米技術 - 解決二個位置

解決二個位置的圖 5

噪聲功率光譜是一份最重要的情報。 它可能出現噪聲的基礎來源 - 例如主要请整理,局限化在 50 或 60 Hz。 圖 6 展示 DSP 基於 NPS3000 管理員的噪聲功率光譜的評定。 這顯示一個噪聲級的 < 下午10點。Hz. 在這個測試,這個 NPS3000 管理員用於控制一個唯一軸階段, (NPS-Z-15B),在與階段運作的帶寬的閉環模式下 100 Hz。 被密謀的噪聲信號是從 HV 推進電壓適用於壓力致動器。 50 Hz 主要選擇能明顯地被看見,雖然在一非常低級。

AZoNano - 納米技術 - 请吵鬧 NPS3000 管理員光譜

圖 6. NPS3000 管理員噪聲光譜。

NanoMechanism 系統的噪聲是,一般來說,組成由傳感器噪聲、壓力推進噪聲、機械噪聲和音響噪聲。 傳感器噪聲將由控制回路解釋,因為指令和因而成為實際位移噪聲。 從傳感器的反饋信號用於生成將適用於的推進電壓壓力致動器。 壓力推進電壓噪聲在此進程中將被引入和造成確定噪聲的這個階段。 此噪聲的作用可以由傳感器檢測,并且,因此,部分地至少 servoed。 系統的能力對伺服機的推進噪聲取決於被設置的帶寬: 越高帶寬越好攤繳 servoed。 外部機械輸入例如土地振動和音響噪聲也將造成這個階段移動。 這些輸入的作用可以通過增加這個階段的僵硬減到最小。 如果系統帶寬充分地高,它可能也 servoed。 对控制系統 NPS3000 評定帶寬可以被設置到 12 kHz 和由階段結構的動力特性通常控制的閉合電路帶寬 2 kHz。

線性和映射

在一個理想的世界,階段應該是完全線性的。 這個世界不相當是幾乎理想的,但是。 實際上電容傳感器的線性可以受許多系數的影響例如名義上的空白 (或迷路者電容的) 這个電極表面等等 [1 的] 厚度和非並行性。 為了知道什麼這個階段的實際行動或位置是和因而應用線性報酬,這個系統必須被校準有高精確度的外部測量設備。 指令位置, xc,表示這個位置由內部傳感器和這個實際位置, x 評定了p,可能,某種程度上,涉及與一個映射功能被表示為 xp = f (x)c。 這個映射功能的簡單形式是電源串聯

(1)

理論上 a0, a2, a34…是零和 a1 團結; 然後傳感器按比例增減系數, a1,是描述實際階段位置之間的這個線性系數關係如評定由一臺假定地理想的準確位置檢測器和位置評定被提供回到用戶的計算機。 映射的真實描繪為套在單個 『a』系數的錯誤。 當這個映射功能是第一順序 (一條直線),這個映射的錯誤成為按比例增減系數不確定性。 在實際位置和一條特別合身的直線之間的殘餘這個評定的產生線性錯誤 (我們通常定義了線性錯誤作為 ½ 挑庫選擇從線性特別合身的殘餘)。 为例,線性錯誤 0.05% 在一個 100 µm 範圍設備導致在 0 個 µm 位置和 100 µm 位置之間的 50 毫微米绝對位置不確定性,當一個線性近似值做時,如圖 7 (a) 所顯示。 通常為 NanoSensors 從線性的偏差是大致拋物面的,并且在有些系統這是容易電子上補嘗,无需介入 DSP。 輕微不完美補償一的結果,與別的拋物線通常是更低的高度 S 形曲線,因此這個映射的錯誤是低,如圖 7 (b) 所顯示。 這與使用這个 a 是等同的12 式 1. 的術語。 如果一个是使用高次用語,一個更好的結果可能取得。 這可以容易地執行在基於微處理機的傳感器系統或外部在用戶的計算機。 發現有一點獲取在去高於第四預定,參見圖 7 (c)。

AZoNano - 納米技術 - 映射錯誤和線性

(a)

AZoNano - 納米技術 - 映射錯誤和線性

(b)

AZoNano - 納米技術 - 映射錯誤和線性

(c)

圖 7. 映射的錯誤和線性。

寄生行動和錯誤

在階段的寄生行動可以被識別作為有角的二者之一: 關於 x、 y 和 z 軸的循環; 或者線性: 在平面行動、非正交性和干擾外面; 并且將引入意外的位置誤差。 階段機體的畸變造成的寄生行動可以由仔細設計和結構參數尋優減到最小。 在約束的軸應該設計僵硬儘可能高和儘可能低在行動軸。 這在 NanoMechanisms 達到通過適當安排彎曲模式和仔細選擇彎曲參數。 然而,彎曲設計由,由於模式耦合,四面八方要求僵硬高的系統諧振頻率有時限制。 有限元分析 FEA 可以用於預測局部和全球畸變並且這個結構可以適當地被優選分離強制或做不可避免的畸變请互相取消。 如果這些寄生行動是可預測的那麼他們可以補償。 注意這些行動是階段位置的功能,但是不一定是線性的,導致複雜地勢。 在行動的所有遲滯現象使這個預測非常難,如果不不可能。 為此,在這個系統上的強制變化一定是高度線性和可重複的。 摩擦總是遲滯現象的來源,由於強制的更改的方向。

當標本被掛接對 NanoMechanism 時,神父錯誤必須被認為仔細由於寄生角動。 小的角誤差可能有一個大影響在毫微米級別: 例如,與抵銷的 1 µrad 掀動 1 mm 產生一個 1 個毫微米位置誤差。 要減少此作用,應該確定標本一樣緊密儘可能對傳感器的評定的軸。 例如,如圖 8. 所顯示,在 x-y-z 三軸的 NanoMechanism 系統標本持有人位於是一致的與傳感器評定的軸的點。 這個 X - Y 的階段的循環錯誤的作用可能因而減到最小。

AZoNano - 納米技術 - 3D NanoMechanism。

圖 8. 3D Nanomechanism。

如果這個框架使用作為傳感器』基準,線性寄生行動例如非正交性或干擾受製造的容差和階段框架的畸變的主要影響。 二個對軸傳感器進入這個 X - Y 的階段必須彼此是非常正交和一致的對平臺的移動軸。 使用現代製造技術從傳感器軸的正交性的偏差可以是一般受控的在產生正交性錯誤 0.5 nm/µm 的 0.5 mrd 之內 (即 0.05%) 在 X - Y 的飛機。

由運動學掛接,位置參考變得可追蹤,并且從熱擴散和驅動力的畸變可以被分離。 這對這個階段是重要有度量衡學的功能在毫微米級別。 為 100 x 100 mm 的範圍的一個超級英瓦合金階段, 1Co 溫度變化將導致 30 在維數上的毫微米變化 ( = /Co)。 驅動力造成的階段框架彎曲典型地是在十範圍內對數百 nm [2]。 沒有運動學掛接那些同樣大小位置不確定性也許大約被引入到這個系統。

動力特性

除行動外的計量學和準確性,因為這張穩定性和速度對許多應用至關重要,這個系統的動態性能也是重要的。 理論上沒有在指令和位置之間的相位滯後,并且這個結構將完全回應步進輸入 - 沒有日出時間,在射擊或者結算時間。

對於一個線性,二次,阻止自由的機械系統,系統僵硬和質量取決於諧振頻率。 在一個最佳地被設計的結構,僵硬由壓力棧的僵硬在其轉換軸通常控制。 對於與行動放大作用的一個階段,壓力致動器的有效僵硬將減少作為 ke = k/Gp2,其中 kp 是僵硬壓力,并且 G 是放大作用。 減少這個質量可能增加系統諧振頻率。 然而,當平臺的質量減少階段性能變得敏感對負荷質量的影響,即諧振頻率將迅速地下降下來,當這個標本的質量增加。 這個系統的動態屬性可能通過其他途徑也改進例如引入適當的阻止的材料或使用先進的伺服操縱技術。 在手段,設計說明經常使用結算時間標準,被定義,為了這個系統的需時能在輸入內的某一百分比結算。 對於 NanoMechanisms,像其他儀器,結算時間比諧振頻率是這個動態性能的一個更加直接的說明。 对壓力被驅動的 NanoMechanism結算時間包括花費的旋轉時期和時間的共振動擺腐朽。 前面由取決於壓力棧電容和推進電子的當前推進功能的轉換速率控制。 对二級系統這個需求典型地指定最大延遲,在輸出在 2% 其最終值之內到達在步進輸入更改以後前,採取大約四個時間常數 (4τ=4/ξω) 的期限n其中τ時間常數、ξ阻尼系數和ωn諧振頻率 [3]。 從此能被看見系統響應可以經過增加諧振頻率和這個阻尼系數改進。 通常,彎曲鉸鏈階段是高度共振與非常低阻尼系數。 所以,因為這可能導致遲滯現象,額外阻止將是非常有用的,并且可能有效減少衰變時間,但是,只有当它可以被引入,不用摩擦。 如果這在控制算法內執行,則不會引入摩擦。

材料

建築材料熱量屬性經常是設計的對精密儀器的主要關心和使用。 在正常使用,所有機械部件遇到環境溫度變化造成的供熱,在致動器的功率耗散,處理的運算符等等。 這個熱量干擾的直接效應是將導致機械組成部分的維數更改的熱擴散,造成儀器準確性損失。 材料的尺寸更改由於在溫度上的一個變化描繪為其熱膨脹系數 (CTE),非常地變化用不同的材料。 一般來說,減少這個熱量作用,應該使用與最小的熱擴散系數的建築材料。 在某些情況下低熱量 expansivity 不是一樣有用的像在設備和其掛接之間的接近的 expansivity 符合。 而且,應付的更正熱擴散通過控制方法是可能的: 這個溫度可以被評定和用於提供更正。 另一個問題是熱量梯度。 他們導致結構畸變,報酬不是可能的。 要避免熱量梯度的作用,材料可以選擇與低導熱性,例如超級英瓦合金和 Zerodur,或者與高傳導性,例如鋁,這個系統迅速到達熱平衡。 要減少環境的作用許多精確度設備故意地被設計是小的。

並且材料機械性能必須認真考慮。 例如,力量和年輕的模數, /E,限額比例可以由彎曲結構達到的最大範圍。 然而,低年輕的模數可能不能為 NanoMechanism 或其框架提供滿足的僵硬,有時使用作為度量衡學的基準。 進一步,在這個結構和其致動器之間的局部聯絡僵硬有對一個機械系統的諧振頻率的直接效應 - 由於不足的聯絡僵硬,諧振頻率可能下降下來。 並且材料質量可能產生大變化到 NanoMechanisms 動態屬性。 例如超級英瓦合金和鋁合金密度比約為 3,因此鋁系統的諧振頻率高於那可以是√3 時期一個超級英瓦合金系統,如果系統的僵硬是相同的。

NanoMechanism 設備的有些示例

NPS-Z-15A/B

這是被設計導致沿 Z軸的純行動的單一軸直線運動階段。 這個階段有 15 µm 的一個閉合電路範圍和典型的線性 < 0.06% (沒有報酬) 與子毫微米解決方法。 在報酬以後非線形性典型地下降到下來 < 0.02%。 一個緊湊彎曲結構被設計到階段分離寄生從壓力棧的軸和技巧掀動行動。 掀動的錯誤少於在全部的範圍的 1 µrad 被評定是, (沒有彎曲結構掀動的錯誤通常 15 µrad)。 低遲滯現象是這個階段的另一個重要功能能達到毫微米度量衡學的功能。 圖 9 是靜態性能的一個典型的評定結果從階段 NPS-Z-15B 的,展示線性錯誤 0.01% 和子毫微米遲滯現象。 使用 Zygo ZMI 1000 干涉儀,大多說明被校準了。 然而子毫微米遲滯現象的評定變得困難使用干涉儀 -,因此為那些評定 Queensgate NanoSensor 使用了。 產生多數應用的一個好動力特性,當使用與 NPS3000 管理員階段的諧振頻率是 2 kHz。 階躍響應在表 10. 顯示。

AZoNano - 納米技術 - NPS-Z-15B 線性和遲滯現象。

圖 9. NPS-Z-15B 線性和遲滯現象。

AZoNano - 納米技術 - NPS-Z-15B 階躍響應

圖 10. 階躍響應 NPS-Z-15B。

NPS-XY-100A

這是與 40 mm 直徑開口的一個二軸的直線運動階段在這個中間名 (方便為 NSOM 應用)。 它有 100 100 與子毫微米解決方法的 µm 的一個力學範圍。 由仔細設計和精確度製造,關於 Z軸 (δγ δθ) 的z旋轉的z錯誤是受控制少於 10 µrad 和其他旋轉的錯誤是可忽略小的在全部的範圍。 遲滯現象被評定了少於 0.01% 這個範圍。 圖 11 存在靜態性能的一個典型的評定結果從這個階段 NPS-XY-100A 的。 集成運動學掛接結構幫助解除內部驅動強制和熱擴散導致的張力,改進這個系統的穩定性。 運動學掛接結構保證系統基準在的階段平臺的中心這個標本或探測通常位於,因此這個熱量作用可以有效被分離。 這個階段由超級英瓦合金製成并且有諧振頻率 300 Hz。 如圖 12 所顯示,通過引入阻止的額外到這個系統,小的階躍響應的一個 10 個女士結算時間可以達到。 如圖 8 所顯示,結合 NPS-XY-100 和 NPS-Z-15 形成 3D 確定的和瀏覽的系統,對度量衡學的 SPM 應用是理想的。

AZoNano - 納米技術 - NPS-XY-100A 線性和遲滯現象。

圖 11. NPS-XY-100A 線性和遲滯現象。

AZoNano - 納米技術 - NPS-XY-100A 階躍響應

圖 12。 NPS-XY-100A 階躍響應。

結論

引入用於 Queensgate 的毫微米精確度結構的某些技術并且討論解釋在級的毫微米甚至的子毫微米的一個度量衡學的功能如何可以達到與 NanoMechanisms。 他們用於描述確定技術的超精確度的一些度量衡學的概念澄清就像。 設計對價討論關於解決方法的問題并且吵鬧,線性和遲滯現象、熱擴散和強制畸變和寄生行動像非正交性 (干擾),循環錯誤和神父錯誤等,引入位置誤差和不確定性給這個系統。 避免或使的這些錯誤減到最小有些途徑提及。 這介入兩優化設計和先進的報酬技術。 詳細信息從 Queensgate [3] 是可得到。 一系列的 NanoMechanisms,範圍從唯一軸到多軸階段,被設計了并且被編譯了。 這些階段的組合可能提供六個自由程度的行動以毫微米精確度。 最初的測試顯示了有為的結果,例如低噪聲級別、子毫微米遲滯現象、非常小的寄生行動、高線性和好階躍響應。 對度量衡學的特性的一個全面鑒定是一個複雜和長期項目,特別是多軸系統的,介入更加複雜的度量衡學的技術和先進的儀器。 進一步結果在不久的將來將報告。

鳴謝

作者希望用設計,編譯和測試表達對格雷姆瓊斯,傑里米羅素和菲利普 Rhead 的謝意他們的幫助這些 NanoMechanisms。

參考

1.      Nanopositioning 書, Queensgate Ltd 儀器, 1997年

2. P.D. Atherton, Y. Xu 和 M. McConnell, 「確定和瀏覽的新的 X - Y 的階段」, SPIE 的年會,丹佛 8月 1996年,美國行動

3. S.T. 史密斯和 D.G. Chetwynd, Ultraprecision 結構設計的基礎,哥頓和突破口科學 Publishers, 1992年

主要作者: Ying Xu,保羅 D Atherton、托馬斯 R. Hicks 和 Malachy McConnel。

來源: Queensgate 儀器。

關於此來源的更多信息请請參觀 Queensgate 儀器

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

Last Update: 15. July 2013 15:50

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit