Nanopositionierung ist eine Schlüsseltechnologie in den wichtigen Bereichen der Nano-Imprinting, Scanning-Mikroskopie, Mikrolithographie und automatisierte Ausrichtung. Da die Nanotechnologie wurde ein Modewort, viele Mikrostellsysteme Geräte haben plötzlich aufgewertet Nanopositioniersysteme von den einfachen Mitteln der Interpolation. Allerdings ist, was funktioniert in der Mikrowelt sehr oft nicht auf der Nanowelt gelten. Diese Technote Berichte über die jüngsten Fortschritte in der Nanopositionierung g-Technologie, wie zum Beispiel paralleler Kinematik, Aktive Führung, neue Regelalgorithmen für Schwingungsdämpfung und Tracking Error Beseitigung und deren Nutzen für den Anwender. Darüber hinaus bietet das Papier Konstrukteure mit einer Vielzahl von wichtigen Fragen zu Motion-System Lieferanten fragen, beim Einkaufen für eine High-Performance- Nanopositioniersystem . Auflösung: berechnet oder gemessen? Auflösung können verschiedene Dinge für verschiedene Menschen bedeuten. Wenn der Begriff Nanopositionierung geprägt wurde, annoncierte eine Reihe von cleveren Unternehmen Open-Loop-, Schrittmotor angetriebenen Spindel-Geräte als " Nanopositionierer . " Die Begründung war so einfach wie eins, zwei, drei: Nehmen Sie Spindelsteigung von 0,4 mm, teilen von 20.000 Mikroschritte Motor Auflösung und Getriebeübersetzung 60 und heraus kommt ein Gerät "geeignet" von 0,3 nm Auflösung. Heutzutage haben die meisten Konstrukteure nicht für diese einfache Gleichung nicht mehr fallen. Während der gestrigen Schrittmotorantriebe von Closed-Loop-Systeme, manchmal mit Direct-Drive-Motoren ersetzt wurden, den Behauptungen der Hersteller bleiben oft illusorisch, jetzt durch "nanomath" einfacher als zuvor gesichert: Auflösung = Geber Pitch durch Interpolation dividiert. Doch, ein Nanopositioniersystem besteht aus viel mehr als ein Encoder und Interpolator-Schaltung, und so lange wie Reibung beteiligt ist (und alle Gleit-oder Wälzlager erzeugt Reibung), wiederholbare Nanometerbereich Bewegung kann nicht in realen Bedingungen erreicht werden (siehe Abb.. 1 für reibungsfreie Festkörper Bewegung). Darüber hinaus führen Fehler der oben genannten Lagern oft belaufen sich auf 1000 mal dem Abstand von einem Nanometer-akzeptabel in der Mikrowelt, aber nicht in der in Nanowelt. Wahre Nanopositionierung Geräte bieten reibungslose Bewegung, praktisch sofortige Reaktion, hohe Linearität und Steifigkeit und Flugbahn-Kontrolle im Nanometer-Bereich, die alle auf der Sub-Nanometer Auflösung. Während herkömmliche Motion-Control-Technologien nicht in der Lage, diese Anforderungen zu, parallel Fortschritte in den Bereichen Festkörper-Antriebe erfüllen sind, steuert Biegung Design, Multi-Achsen geringer Trägheit Parallelkinematik aktiven Flugbahn-Kontrolle und eine hohe Bandbreite Engineering bieten Ingenieuren in den Bereichen Nanotechnologie mit den Werkzeugen zu lösen ihre Positionierung, Messtechnik, Scannen oder Probleme mit der Ausrichtung.  Abbildung 1. Reaktionszeit von s reibungsfreien Festkörper (open-loop) Piezo-Aktor zu einem dreieckigen Ansteuersignal. Nur Solid-State-Piezoaktoren sind in der Lage glatte Nanometerbereich Bewegung wie dieser, mit sofortiger Reaktion und ohne Umkehrspiel. Beachten Sie, dass die Amplitude nur ± 6 Nanometern. Auf einem Datenblatt, schauen viele Systeme gleichermaßen. Wie kann man sagen, eine state-of-the-art Nanopositioniersystem und Mikropositionierung Geräte auseinander? Präzise Bewegung braucht Führung, nicht Friction Der erste Entwurf der Regel in Nanopositionierung sagt Reibung muss beseitigt werden. Dies schließt alle Geräte mit Kugel-, Rollen-oder Gleitlager, wodurch Luftlager und Beugen. Eine Biegung ist eine reibungslose stictionless Scharnier-ähnliches Gerät, das auf der elastischen Verformung (Durchbiegung) aus einem festen Material, um Bewegung zu ermöglichen setzt. Luftlager sind ideal für lange Verfahrwege, aber sie sind in der Regel sperrig, mit hoher Trägheit und teuer im Betrieb (saubere Luft). Sie haben einen weiteren großen Nachteil: Sie müssen nicht in einem Vakuum arbeiten, wie eine ständig wachsende Anzahl der benötigten Nanopositionier -Anwendungen. Biegungen, auf der anderen Seite nur über kurze Verfahrwege, kaum ein Nachteil in der Arbeit Nanopositionierung ! Biegungen (Abb. 2), wenn sie richtig gestaltet, sind sehr steif, bieten Flugbahn-Kontrolle mit ausgezeichneter Geradheit und Ebenheit, weisen keinen Verschleiß und können in Multi-Achs-Regelungen gestaltet werden. Sie sind auch wartungsfrei und haben keine Betriebskosten. Diese Eigenschaften machen Biegungen Führungsmechanismus der Wahl in Nanopositionierung .  Abbildung 2. Einachsige Nanopositioniersystems mit anti-bogenförmige-motion Biegung Design. Die besten Biegung Designs bieten Führungsgenauigkeit in der niedrigen Nanometerbereich. Aktive Führung weiter verbessern können Führungsgenauigkeit. Was ist Drives? Wieder ist ein beliebiges Laufwerk Herstellung Reibung nicht akzeptabel. Antriebsspindeln, Kugelgewindetriebe, auch Ultraschall-linearen Piezo-Antriebe (Reibung basiert) nicht übertreffen submicron Präzision. Elektromagnetische Linearmotoren, Voice-Coil-Antriebe und Solid-State- Piezo-Aktuatoren sind die am häufigsten verwendeten reibungsfreie Antriebe. Die ersten beiden sind für größere Entfernungen gut, aber die Nachteile von Magnetfeldern (nicht tolerierbar in ebeam Lithographie und viele andere Anwendungen), die Wärmeerzeugung und nur moderate Steifigkeit und Beschleunigung, was zu einer geringen Bandbreite. Piezoelektrische (Abb. 3) oft als Piezos sind zu kleine Abstände beschränkt, sondern sind extrem steif und erreichen sehr hohe Beschleunigungen (bis zu 10.000 g), eine Voraussetzung für die Millisekunde oder Sub-Millisekunden-Schritt und-regeln und hohe Abtastraten (heute, die besten piezogetriebenen Biegung-geführten Stadien haben Resonanzfrequenzen von 10 kHz).  Abbildung 3. State-of-the-art Piezoaktoren sind keramisch isoliert, anstatt Polymer isoliert. Sie bieten lange Lebensdauer, auch unter extremen Bedingungen und weisen keine Ausgasung im Vakuum-Anwendungen. PZTs weder Magnetfelder erzeugen, noch sind sie von ihnen beeinflusst. Eine kürzlich Durchbruch in der Produktionstechnik nun eliminiert die Notwendigkeit für Polymer-Isolierung, welche die Vorzüge der Null Ausgasung im Vakuum-Anwendungen, die Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und erhöhte Lebensdauer auch unter extremen Bedingungen (Abb. 4).  Abbildung 4. PICMA Aktoren mit keramischer Isolation (unten Kurven) im Vergleich zu herkömmlichen Vielschichtaktoren mit Polymer-Isolierung. PICMA Aktoren sind nicht durch die hohe Luftfeuchtigkeit im Test. Konventionelle Antriebe steigt der Leckstrom schon nach wenigen Stunden. Leckstrom ist ein Zeichen der Isolierung und der zu erwartenden Lebensdauer. Testbedingungen: U = 100 V DC, T = 25 ° C, rel. Feuchtigkeit = 70% Sensoren: Direkte oder indirekte Bewegung Metrology? Indirekte Bewegung Messtechnik ist billig, aber nicht für state-of-the-art qualifizieren Nanopositionierung . Und natürlich hat jeder Sensor auf Reibung auch nicht qualifizieren. Beispiele für indirekte Metrologie Motor montiert Drehgeber und piezo-resistiven Dehnungssensoren auf Aktoren oder Biegungen (Messung der Belastung der Flexuren-dadurch induziert Reibung und Fehler-statt der Bewegung) montiert. High-Performance- Nanopositioniersysteme beschäftigen berührungslose Direktmetrologie, platziert, um Bewegung, wo es am wichtigsten, um die Anwendung zu messen. Beispiele für Direktmetrologie sind kapazitive Sensoren, Laser-Interferometer und berührungslose optische Inkrementalgeber. Auflösung oder Linearität? Incremental-Encoder sind für den Fern-Messungen sehr gut. Die meisten sind auf einem Gitterabstand von 20, 10 oder, in jüngerer Zeit, 2 pm basiert. Um von dort aus auf die veröffentlichten 10 oder 5 nm Auflösung, Interpolation (mit all seinen Einschränkungen) erforderlich. Während viele Encoder sehr linear bei Vielfachen der Teilung sind, Linearität im Nanometerbereich können so arm, wie 20% (Abb. 5) Darüber hinaus, wenn nicht koaxial mit der Antriebswelle montiert, keine Neigung in das Leitsystem, als verursacht durch Bewegungsumkehr einer weiteren Steigerung der Fehler. Was oft übersehen sind die kleinen Kräfte, die durch die beweglichen Kabel eines Encoders Lese-Kopf, der Reibung und Hysterese in der Größenordnung von einigen zehn Nanometern kann dazu führen, induziert. Für echte Nanopositionierung Prozesse, erfordern wiederholbar Nanometerbereich Schrittweiten, es gibt bessere Lösungen.  Abbildung 5. Linearität von hochauflösenden inkrementalen Längenmessgeräte ist hervorragend über große Reichweiten, aber oft nicht, was man auf einer Nanometerskala zu erwarten. Das obige Beispiel zeigt Fehler von 100 nm und mehr über kleine Distanzen (1 bis 2 Mikrometer). Laser-Interferometer sind die anerkannten Standard in Wegmessung. Aufgrund seiner Funktionsweise ist die Ausgabe eines Heterodyn-Interferometer nicht perfekt linear. Diese Nichtlinearität wird hauptsächlich durch Polarisation Elliptizität oder nonorthogonality der Laserstrahlen verursacht, und Unvollkommenheiten in der Optik kann weiter auf die Nichtlinearität beitragen. Die beste kommerziell erhältliche Interferometer liefern Linearität von 2 bis 5 Nanometer, nicht gut genug in einigen High-End- Nanopositionier -Anwendungen (Abb. 6). Fundierte Kenntnisse der Interferometrie und spezielle Ausrüstung erforderlich ist, um eine bessere Leistung aus einem Interferometer erhalten, entweder als Feedback oder Kalibriereinrichtung.  Abbildung 6. Linearität eines PI P-517-Nanopositioniersystems, Rückmeldung von Heterodyn-Interferometer zur Verfügung gestellt. Die höchste Leistung wird mit einem absoluten Mess-, Zwei-Platten-kapazitive Sensoren (einzelne Elektrode kapazitiven Sensoren sind nicht gut geeignet für erreicht Nanopositionierung ). Arbeiten am besten über kleine Bereiche, sie sind eine perfekte Ergänzung für Biegung geführten PZT-Laufwerke. Kapazitive Sensoren sind sehr kompakt, Vakuum-kompatibel, unempfindlich gegen EMI und wenn sie dafür konzipiert richtig, bieten eine extrem hohe Linearität (Abb. 7a) mit einer Auflösung von 0,1 nm und darunter. Durch die absolute Messprinzip ist keine Referenzfahrt erforderlich und es gibt keine Bandbreitenbegrenzung Interpolator oder Zählerschaltung anfällig für "lose" Bewegung in High-Speed-Anwendungen, oder sollte Klingeln am Ende eines schnellen Schritt auftreten. High-End- Nanopositioniertische erreichen bidirektionale Wiederholgenauigkeit von 1 Nanometer, eine erstaunliche Zahl-, einfach in ein Datenblatt setzen, aber sehr schwer zu erreichen und zu beweisen (Abb. 7b) in der realen Welt.  Abbildung 7a. Same Nanopositioniersystems wie in Abb.. 6, aber kontrolliert mit Zwei-Platten-kapazitiver Rückkopplung.  Abbildung 7b. Bidirektionale Wiederholbarkeit eines state-of-the-art Closed-Loop-Piezo-Nanopositioniersystems mit direkter Bewegung Messtechnik kapazitive Rückkopplung mit state-of-the-art-Interferometer gemessen. Genauigkeit oder Speed? In der heutigen industriellen Fertigungs-und Prüfprozesse, Durchsatz und Zeit wichtiger als je zuvor. In Kopf / media Testanwendungen zum Beispiel, müssen Subnanometer Schritte durchgeführt werden und eine neue Position muss erreicht und stabil gehalten, um Nanometer-Toleranzen in wenigen Millisekunden oder weniger. Jede Millisekunde abrasiert dem Step-and-regeln Prozess lohnt eine große Summe Geld. PZT-Laufwerke können bieten Beschleunigungen bis zu 10.000 g und darauf zu reagieren Eingang in weniger als 0,1 ms, oft mehr als die Nutzlast oder der tragenden Strukturen sind für. Die ultraschnelle Schritt Zeitpunkt der Nanopositioniersystems anregen können Schwingungen in ihre Last oder benachbarten Bauteilen. Um die Anwendung, spielt es keine Rolle, wie schnell die Positionierung der Bühne können aufhören, aber wie schnell die Last erreicht eine stabile Position eine Tatsache oft übersehen. Herkömmliche Weisheit legt nahe, dass neben Dämpfung oder warten, gibt es nicht viel, dass über solche Vibrationen, die außerhalb der Positionierung des Systems Servo-Schleife getan werden kann. Heute gibt es ein neues Werkzeug für die Beseitigung struktureller Resonanzen. Eine patentierte Echtzeit-Feed-forward Technologie namens InputShaping ® (Abb. 8a, b) wurde auf der Grundlage der Forschung am Massachusetts Institute of entwickelt Tech Technologie und vermarktet von Convolve, Inc., InputShaping ® eliminiert Bewegung angetrieben Anregung von Resonanzen im gesamten System, einschließlich aller Fixieren und Leistungsschutzrecht Baugruppen. Es ist nun eine integrierte Option für die neuesten Physik Instrumente digitale Piezo- Nanopositionier -Controller.  Abbildung 8a. Piezo-Geräte sind in der Lage Millisekunden-Skala Schritt andsettle. Allerdings Elemente außerhalb des Servo-Schleife kann Ring (Last, benachbarten Baugruppen, ...). Externe Resonanzen visualisiert werden hier durch eine Polytec Laser-Vibrometer messen Position-Zeit.  Abbildung 8b. Input Shaping ® eliminiert motion-driven Läuten der Komponenten außerhalb des Servo-Schleife. Einschwingzeit nach Anstiegszeit komplettiert durch t ~ F res -1. InputShaping ® erfordert keine Rückmeldung und arbeitet mit a priori Wissen über mehrere Resonanzen im gesamten System. Mit InputShaping ®, erreichen die Zeit für ein System einer stabilen Position ist gleich 1/f0 wo f0 die niedrigste Resonanzfrequenz, die zu Instabilität in den mechanischen Aufbau. Statische oder dynamische Genauigkeit? Auflösung, Linearität und Genauigkeit bekannt sind, um die statische Leistung eines Motion-System qualifizieren. Doch in dynamischen Anwendungen wie Scannen oder Tracking, sind statische Daten bedeutungslos. Ein üblicher Weg, um das dynamische Verhalten zu messen ist die Bandbreite. Bandbreite gibt die Amplitudengang eines Systems im Frequenzbereich. Aber statische Genauigkeit und Bandbreite zusammen noch geben keine Hinweise auf ein System der dynamischen Genauigkeit z. B., wie gerade die Linien in eine Scan-Anwendung wird oder wie weit weg die erwarteten Positionen sie liegen. Um sich zu qualifizieren ein System in diesen Anwendungen sind Soll-Daten und Ist-Position für eine gegebene Wellenform aufgezeichnet und ausgewertet werden. Der Unterschied ist folgender Fehler oder Tracking Error bezeichnet. In herkömmlichen PZT Nanopositioniersysteme mit PID-Servo-Control-Designs kann der Tracking Error im zweistelligen Prozentbereich Werte auch bei Abtastraten unterhalb 10Hz erreichen und steigt mit der Frequenz. Es ist wichtig zu verstehen, dass in dynamischen Nanopositionierung Anwendungen der Tracking Error ein wichtiger Parameter ist. Jüngste Fortschritte in der digitalen Controller-Design bei PI sind auf anspruchsvolle adaptive digitale Linearisierung Methoden geführt, wodurch dynamische Fehler in sich wiederholenden Wellenformen von der Mikron Reich zu wahrnehmbaren Ebenen, auch mit hochfrequenten dynamischen Betätigung unter Last (Abb. 9a und 9b).  Abbildung 9a. Konventionelle PID-Regler, PZT Nanopositioniersystem, als Reaktion auf eine dreieckige Scan-Signal. Blue: Zielposition, rot: aktuelle Position, grün: Tracking Error (10X für bessere Sichtbarkeit).  Abbildung 9b. Same Nanopositioniersystem, adaptive digitale Linearisierung. Blue: Ziel und Ist-Position (fast identisch). Rot: Tracking Error (100X zur besseren Sichtbarkeit) wird durch mehrere Größenordnungen reduziert. Serielle oder parallele Kinematik? In High-Speed- Nanopositionier -Anwendungen wie Scanning-Mikroskopie, müssen kleine Bereiche in zwei Dimensionen abgefragt werden, mit einer 3. Achse durch einen externen Eingang (z. B. die Kraft in AFM-oder Strom in Geldautomaten) gesteuert werden. Subnanometer Zeilenabstand und Abtastraten von Hunderten von Hz sind erwünscht in diesen Anwendungen. Der einzig gangbare Weg, dies zu erreichen ist mit parallelen Kinematik, Multi-Achs-closed-loop piezogetriebenen Biegung Stufen. Anstatt Stapeln Einachs-Baugruppen sind Parallel-Kinematik Stufen monolithische, mit Antrieben, die auf einer zentralen, bewegten Plattform in parallel (Abb. 10a). Nicht nur, dass diese deutlich zu reduzieren Trägheit, sondern liefert gleich Resonanzfrequenzen und das dynamische Verhalten in der X-und Y-Richtung. Alternative, gestapelt Versammlungen immer in verschiedenen X vs Y Verhalten führen (obwohl veröffentlichten Spezifikationen manchmal nicht, diese grundlegenden physikalischen Tatsache Rechnung zu tragen). Die konsequente X vs Y dynamische Verhalten ist wünschenswert für eine präzise und reaktionsschnelle Scannen und Tracking-Leistung. Die Verwendung von kapazitiven Sensoren, die monolithische beweglichen Plattform messen bedeutet, dass die orthogonalen Achsen automatisch für jeden anderen Rundlauf und Übersprechen (Aktive Führung, oder mehrachsige Direktmetrologie) zu kompensieren, während mit serieller Kinematik, Rundlauffehlern der einzelnen Achsen zu akkumulieren. Zum Beispiel neigen Fehler von nur ± 10 mrad von der unteren Plattform eines hypothetischen-4-Zoll-Multi-Achsen-Stack von Stufen führen in eine 2 um lineare Fehler in der oberen Plattform verursacht. Andere Mängel von seriellen Kinematik in Nanopositionierung sind High-Trägheit, höherer Schwerpunkt, und bis zu 5 bewegten Kabel verursachen Reibung und Hysterese (Abb. 8b).  Abbildung 10a. Stacked Seriell-Kinematik zweiachsigen Nanopositioniertische haben deutlich höhere Trägheit, höherer Schwerpunkt und kann nicht für off-axis Fehler zu korrigieren. Verschieben Kabel der oberen Plattform induzieren Reibung und führen Hysterese.  Abbildung 10b. Prinzipieller Aufbau eines monolithischen 3 DOF (X, Y, Theta-Z) Parallelkinematik Nanopositioniersystems mit PZT-Laufwerke und Draht-EDM-cut Beugen. Kapazitive Positionssensoren (nicht dargestellt) direkt die zentralen beweglichen Plattform Ausgleich für die geringste off-axis Bewegung in Echtzeit (aktive Führung). Dies ist nicht mit serieller Kinematik Designs möglich, wie in Abb. gezeigt. 10a. State-of-the-art Nanometer Scanning-Systeme auf Parallelkinematik Steuerung aller 6 Freiheitsgrade kompensiert automatisch unerwünschte out-of-Plane-Bewegungen sowie unerwünschte Dreh-Fehlern. Dies erfordert parallele Bewegung Messtechnik und einem digitalen Regler in der Lage Koordinatentransformation (Abb. 11a). Das Ergebnis ist ein 100 x 100 um Scan mit Ebenheit / Geradheit von 1 nm in Abb.. 11b.  Abbildung 11a. State-of-the-art 6-Achsen-Digital-Controller und benutzerdefinierte Super Invar 6D Piezo-Scanningtisch (parallel-Kinematik Mechanik und parallele Bewegung Metrologie).  Abbildung 11b. 6 DOF PZT Biegung Nanopositioniersystems mit Multi-Achse parallel direkte Bewegung Messtechnik bietet sofortige Informationen über eine parasitäre, um die digitale Steuerung für Echtzeit-Kompensation. Die hervorragenden Ergebnisse, 1 nm Ebenheit und Geradheit, sind in diesem 100 x 100 um Scan epicted. Beste Specs oder Best Performance? Die obige Diskussion zeigt, dass die Quantifizierung der Leistung einer Nanopositioniersystem können sehr komplex sein. So finden Sie die leistungsstärksten Nanopositioniersystem für eine Anwendung (nicht die mit den besten Spezifikationen auf dem Papier), muss der Benutzer in einen Dialog mit dem Hersteller beteiligen und die Fragen relevant, seine oder ihre Anwendung. Wenn die Antworten zu schön, um wahr zu sein Ton, sie sind in der Regel. Zusätzlich zu posieren die relevanten Fragen, ist es immer lohnend, herauszufinden, wie lange ein Hersteller in beteiligt war Nanopositionierung , was Qualitätssicherungssystem eingerichtet ist, wie Daten gemessen wurden, und welche Ausrüstung verwendet wurde. Was man vom Telecom Crash-Be Learned In der Folge der Telekom-Absturz, sind Analysten und Investoren nach neuen zukunftsträchtigen Märkten suchen, und der Nanotechnologie scheint einer von ihnen sein. Aus diesem Grund werden wir sehen, neue Firmen, die versuchen, ein Vermögen in diesem Bereich zu machen. Start-ups, die behaupten, revolutionäre haben Nanopositionierung Lösungen , werden die Investoren in ihnen mit Millionen von Dollar zu locken. Lasst uns nicht vergessen, dass in der Telekommunikation mehr als 99% der revolutionären Ideen und Konzepte erwiesen sich bald als wertlos. Die eigentliche Herausforderung liegt nicht in das Konzept, aber in der Produktion, Ertrag und gleichbleibende Qualität führt, wo gelieferte Gerät nach gelieferten Gerätes sowie die sanft montiert Prototyp, fein abgestimmt mit der Chefingenieur. Da Nanopositionierung ist nicht so einfach wie eins, zwei drei, werden nur Unternehmen mit erfahrenen, gut ausgestatteten Design-und Produktions-Teams, und die bewährte Qualität Regelsysteme in der Lage sein, die ständig wachsenden Anforderungen des Marktes gerecht zu werden. Ihre Produkte können nicht immer scheint revolutionär, sondern kann bis in die Anwendungsumgebung. |