Nanopositioning - Avances Recientes incluyendo la Cinemática Paralela, el Mando Activo de la Trayectoria, la Supresión de la Vibración y la Eliminación del Desvío Que Sigue Su Trayectoria de Physik Instrumente

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Temas Revestidos

Antecedentes

Resolución: ¿Calculado o Medido?

El Movimiento Exacto Necesita la Dirección, No Fricción

¿Qué sobre Mecanismos Impulsores?

Sensores: ¿Metrología Directa o Indirecta del Movimiento?

¿Resolución o Linearidades?

¿Exactitud o Velocidad?

¿Exactitud Estática o Dinámica?

¿La Cinemática Serial o Paralela?

¿Mejores Espec. o el Mejor Funcionamiento?

Qué Puede Ser Docto de la Caída de las Telecomunicaciones

Antecedentes

Nanopositioning es un clave activando tecnología en los campos importantes de la nano-impresión, de la microscopia de exploración, del microlithography y de la alineación automatizada. Desde Que la nanotecnología se convirtió en un palabra de moda, muchos dispositivos que microposicionaban han sido aumentados repentinamente a los sistemas nanopositioning por los medios simples de la interpolación. Sin Embargo, qué trabajos en el microworld no se aplican muy a menudo al nanoworld.

Este technote señala sobre adelantos recientes en tecnología del nanopositioningg, tal como cinemática paralela, mando activo de la trayectoria, nuevos algoritmos de mando para la supresión de la vibración y la eliminación del desvío que sigue su trayectoria y sus ventajas para el utilizador. Además, el papel provee de representantes técnicos de diseño una variedad de preguntas claves para preguntar a surtidores del sistema del movimiento al hacer compras para un sistema nanopositioning de alto rendimiento.

Resolución: ¿Calculado o Medido?

La Resolución puede significar diversas cosas a diversa gente. Cuando el término nanopositioning fue acuñado, varias compañías listas hicieron publicidad de los dispositivos de anillo abierto, de pasos-impulsados del leadscrew como “nanopositioners.” La alineación era tan simple como una, dos tres: el tono del leadscrew de la toma de 0,4 milímetros, divisoria por 20.000 microsteps viaja en automóvili la resolución y la relación de transformación 60 de la caja de cambios y fuera viene un dispositivo “capaz” de 0,3 resoluciones del nanómetro. Hoy En Día, la mayoría de los representantes técnicos de diseño no se caen para esta ecuación simple más. Mientras Que los mecanismos impulsores de ayer del motor de pasos han sido reemplazados por los sistemas a circuito cerrado, con el directo-mecanismo impulsor viaja en automóvili a veces, las reclamaciones de los fabricantes siguen siendo a menudo ilusorio, ahora con copia de seguridad por el “nanomath” más simple que antes: resolución = tono del codificador dividido por factor de la interpolación.

Con Todo, un sistema nanopositioning consiste en mucho más que un circuito del codificador y del interpolador, y mientras la fricción sea rodamientos implicados (y todos los que deslizan o de balanceos produzca la fricción), el movimiento repetible del rango del nanómetro no se puede lograr en condiciones del mundo real (véase Fig. 1 para el movimiento de estado sólido sin fricción). Además, los desvíos que conducen de los rodamientos antedichos ascienden a menudo a 1000 veces la distancia de una nanómetro-aceptable en el microworld, pero no en nanoworld.

Los dispositivos nanopositioning Verdaderos proporcionan al movimiento sin fricción, reacción virtualmente instantánea, las alta linearidades y rigidez, y el mando en el reino del nanómetro, todo de la trayectoria encima de la resolución del sub-nanómetro. Mientras Que las tecnologías convencionales del movimiento-mando no pueden cumplir estos requisitos, los adelantos paralelos en los campos de actuadores de estado sólido, del diseño de la flexión, de la cinemática multiaxial del paralelo de la inferior-inercia, del mando activo de la trayectoria y de la alta ingeniería de mandos de la anchura de banda proveen de representantes técnicos en los campos de la nanotecnología las herramientas para resolver sus problemas de la colocación, de la metrología, de la exploración o de alineación.

AZoNano - Nanotecnología - Reacción del actuador piezoeléctrico (de anillo abierto) de estado sólido sin fricción de s a una señal de mecanismo impulsor triangular. Solamente los actuadores de estado sólido de PZT son capaces de producir el movimiento liso del rango del nanómetro como esto, con la reacción inmediata y ninguna huelga. Observe que la amplitud es solamente los nanómetros ±6.

Cuadro 1.

En una hoja de espec., muchos sistemas camuflados. ¿Cómo puede uno informar un sistema nanopositioning avanzado y los dispositivos que microposicionan aparte?

El Movimiento Exacto Necesita la Dirección, No Fricción

La primera regla del diseño en nanopositioning dice que la fricción tiene que ser eliminada. Esto elimina todos los dispositivos con la bola, el rodillo o los rodamientos que deslizan, dejando los rodamientos de aire y las flexiones. Una flexión es una sin fricción, stictionless charnela-como el dispositivo que confía en la deformación elástica (el doblar) de un material sólido para permiso el movimiento. Los rodamientos de Aire son ideales para los rangos largos del viaje, pero son generalmente inercia abultada, alta y costosos operatorio (fuente del aire limpio). Tienen otra desventaja importante: no trabajan en un vacío, de acuerdo con de un número cada vez mayor de aplicaciones nanopositioning.

¡Las Flexiones, por otra parte solamente trabajo sobre viaje corto colocan, apenas una desventaja en nanopositioning! Flexiones (la Fig. 2), si está diseñada correctamente, es muy derecha, provee de mando de la trayectoria rectitud y llanura excelentes, no exhibe ningún desgaste y se puede diseñar en ordenaciones multiaxiales. Son también sin necesidad de mantenimiento y no tienen ningún gasto de explotación. Estas características hacen las flexiones el mecanismo que conduce de la opción en nanopositioning.

AZoNano - Nanotecnología - Único-AXIS nanopositioning el escenario con diseño de la flexión del anti-arqueado-movimiento. Los mejores diseños de la flexión proporcionan a la precisión que conduce en el rango inferior del nanómetro. El Mando Activo de la Trayectoria puede mejorar más lejos la precisión que conduce.

Cuadro 2.

¿Qué sobre Mecanismos Impulsores?

Una Vez Más ningún mecanismo impulsor que produce la fricción no es aceptable. Leadscrews, ballscrews, incluso los mecanismos impulsores piezoeléctricos lineales ultrasónicos del motor (fricción basada) no puede superar la precisión del submicron. Los motores lineales Electromágneticos, los mecanismos impulsores de la bobina de voz y los actuadores piezoeléctricos de estado sólido son los mecanismos impulsores sin fricción más de uso general. Los primeros dos están muy bien para distancias más grandes, pero tienen las desventajas de los campos magnéticos (no tolerables en litografía del ebeam y muchas otras aplicaciones), de la generación de calor y solamente de la rigidez y de la aceleración del moderado, dando por resultado una anchura de banda inferior.

Piezoeléctrico (la Fig. 3) a menudo llamada PZTs, se limita a las pequeñas distancias pero es extremadamente derecha y logra las aceleraciones muy altas (hasta 10.000 g), un requisito previo para el paso de progresión del milisegundo o del sub-milisegundo y el settle y los altos tipos de exploración (hoy, los mejores escenarios flexión-conducidos piezoeléctrico-impulsados tienen frecuencias resonantes de 10 kilociclos).

AZoNano - Nanotecnología - los actuadores Avanzados de PZT de cerámica-se aísla bastante que polímero-aislado. Ofrecen curso de la vida extendido, incluso bajo condiciones extremas y no exhiben ninguna desgasificación en aplicaciones del vacío.

Cuadro 3.

Los campos magnéticos de la producción de PZTs ni, ni son ellos influenciaron por ellos. Un descubrimiento reciente en tecnología de producción ahora elimina la necesidad del aislante del polímero, trayendo las ventajas de la desgasificación cero en aplicaciones del vacío, insensibilidad a la humedad y curso de la vida creciente incluso bajo condiciones extremas (Higo 4).

AZoNano - Nanotecnología - Actuadores de PICMA con el aislante de cerámica (curvas inferiores) comparado con los actuadores de múltiples capas convencionales con el aislante del polímero. Los Actuadores de PICMA no son afectados por las condiciones de prueba de la humedad alta. La pieza de convicción Convencional de los Actuadores aumentó la corriente del fuga después solamente de algunas horas. La corriente del Fuga es una indicación de la calidad del aislante y del curso de la vida previsto. Condiciones de Prueba: U = 100 V DC, T = 25 °C, rel. humedad el = 70%

Cuadro 4.

Sensores: ¿Metrología Directa o Indirecta del Movimiento?

La metrología Indirecta del movimiento es barata, pero no califica para nanopositioning avanzado. Y por supuesto, ningún sensor basado en la fricción no califica tampoco. Los Ejemplos de la metrología indirecta son codificadores rotativos montados motor y sensores piezorresistivos de la deformación montados en los actuadores o las flexiones (que miden la deformación de las flexiones-de tal modo que inducen la fricción y los desvíos-en lugar de otro del movimiento).

Los sistemas nanopositioning De Alto Rendimiento emplean la metrología directa sin contacto, puesta para medir el movimiento donde importa más a la aplicación. Los Ejemplos de la metrología directa son sensores capacitivos, interferómetros del laser y codificadores ópticos, ampliados sin contacto.

¿Resolución o Linearidades?

Los codificadores Ampliados son excelentes para las mediciones de larga distancia. La Mayoría se basan en un tono grating del μm 20, 10 o, más recientemente, 2. Para conseguir de allí a la resolución publicada de 10 o de 5 nanómetro, la interpolación (con todas sus limitaciones) se requiere. Mientras Que muchos codificadores son muy lineales en los múltiplos del tono, las linearidades en la escala del nanómetro pueden ser tan pobres como el 20% (la Fig. 5) Además, si no montado coaxial con el mecanismo impulsor, cualquier inclinación en el sistema que conduce, según lo causado por la revocación del movimiento aumento posterior el desvío. Qué se pasa por alto a menudo son las pequeñas fuerzas inducidas por el cable móvil de una lectura-carga del codificador que pueda causar la fricción y la histéresis por orden de varios diez de nanómetros. Para los procesos nanopositioning verdaderos, requiriendo anchos repetibles del paso de progresión de la nanómetro-escala, hay mejores soluciones.

AZoNano - Nanotecnología - las Linearidades de codificadores lineales ampliados de alta resolución es excelente sobre rangos largos, pero a menudo no qué uno pudo preveer en una nanómetro-escala. El ejemplo antedicho muestra desvíos de 100 nanómetro y más sobre pequeñas distancias (1 a 2 micrones).

Cuadro 5.

Los interferómetros del Laser son el patrón validado en la medición de la posición. Sin Embargo, debido a su principio de funcionamiento, el rendimiento de un interferómetro del heterodino no es perfectamente lineal. Esta ausencia de linealidad es causada principal por elipticidad de la polarización o el nonorthogonality de los rayos laser, y las imperfecciones en la óptica pueden contribuir más lejos a la ausencia de linealidad. Los mejores interferómetros disponibles en el comercio proporcionan a las linearidades de 2 a 5 nanómetros, no buenas bastante en algunas aplicaciones nanopositioning de gama alta (Fig. 6). El conocimiento Profundo de la interferometría y del equipo especial se requiere para salir un mejor funcionamiento de un interferómetro, como dispositivo del feedback o de la calibración.

AZoNano - Nanotecnología - Linearidades de un escenario nanopositioning del PI P-517, feedback de la posición proporcionado por el interferómetro del heterodino.

Cuadro 6.

El rendimiento más alto se logra con la medición absoluta, sensores capacitivos de la dos-placa (los sensores capacitivos del único electrodo no están bien adaptados para nanopositioning). Trabajando mejor sobre pequeños rangos, son un complemento perfecto para los mecanismos impulsores conducidos flexión de PZT. Los sensores Capacitivos son muy compactos, vacío compatibles, insensibles a la EMI y, si están diseñados correctamente, proveen de las linearidades extremadamente altas (Fig. 7a) la resolución de 0,1 nanómetros y abajo. Debido al principio de medición absoluto, no se requiere ningún procedimiento autoguiado hacia el blanco y no hay anchura de banda que limita al interpolador o el circuito contrario propenso “pierde” el movimiento en aplicaciones de alta velocidad, o debe cercando para ocurrir en el final de un paso de progresión rápido. Los escenarios nanopositioning De Gama Alta logran repetibilidad bidireccional de 1 nanómetro, de una figura asombrosa, de simples poner en una hoja de espec. pero muy difícilmente lograr y probar (Higo 7b) en el mundo real.

AZoNano - Nanotecnología - el Mismo escenario nanopositioning que en Fig. 6, pero controlado con feedback capacitivo de la dos-placa.

Figura 7a.

AZoNano - Nanotecnología - repetibilidad Bidireccional de un escenario nanopositioning piezoeléctrico avanzado del bucle cerrado con feedback capacitivo de la metrología del movimiento directo, medida con el interferómetro avanzado.

Figure el feedback capacitivo 7b.metrology, medido con el interferómetro avanzado.

¿Exactitud o Velocidad?

En materia de hoy de la producción industrial y de los procesos, de la producción y del tiempo de la prueba más que siempre antes. En aplicaciones de la carga/de prueba de los media por ejemplo, los pasos de progresión del subnanometer necesitan ser realizados y una nueva posición necesita ser alcanzada y sujetó el establo a las tolerancias del nanómetro en una cuestión de milisegundos o menos. Cada milisegundo afeitado del proceso del paso de progresión-y-settle vale una gran cantidad de dinero.

Los mecanismos impulsores de PZT pueden proporcionar a aceleraciones hasta 10.000 g y responder a la entrada de información en menos de 0,1 milisegundos, a menudo más que la carga útil o las estructuras portantes se diseñan para. La época ultrarrápida del paso de progresión del escenario nanopositioning puede excitar vibraciones en su carga o componentes vecinos. A la aplicación, no importa cómo rápidamente el escenario de colocación puede parar, pero cómo rápidamente la carga alcanza un hecho estable de la posición-uno pasado por alto a menudo. La Sabiduría popular sugiere que además de amortiguar o de esperar, no haya mucho que se puede hacer sobre tales vibraciones el servo-bucle exterior del sistema de colocación de ocurrencia.

Hoy, hay una nueva herramienta para eliminar resonancias estructurales. Una tecnología delantera patentada, en tiempo real de alimentación llamó InputShaping® (la Fig. 8a, b) fue desarrollada sobre la base de la investigación en el Instituto de Massachusetts de los controladores aéreos nanopositioning piezoeléctricos digitales de TechPhysik Instrumente.

AZoNano - Nanotecnología - los dispositivos Piezoeléctricos es capaz del paso de progresión-andsettle de la milisegundo-escala. Sin Embargo, los elementos fuera del servo-bucle pueden cercar (carga, componentry vecino,…). Las resonancias Externas son visualizadas aquí por una posición de medición del vibrómetro del laser de Polytec comparado con tiempo.

Figura 8a.

AZoNano - Nanotecnología - Entrada De Información Shaping® elimina la oscilación movimiento-impulsada de componentes fuera del servo-bucle. El Establecimiento después de tiempo de subida termina por el ~ Fres-1 de t.

Figura 8b.res.-1

InputShaping® no requiere feedback y no trabaja con el conocimiento a priori de resonancias múltiples en el sistema. Con InputShaping®, la época para un alcance del sistema una posición estable es igual a 1/f0 donde f0 que es la frecuencia resonante más inferior que contribuye a la inestabilidad en el ajuste mecánico.

¿Exactitud Estática o Dinámica?

La Resolución, las linearidades y la exactitud se saben para calificar el funcionamiento estático de un sistema del movimiento. Sin Embargo, en aplicaciones dinámicas tales como exploración o seguir su trayectoria, los pliegos de condiciones estáticos son sin setido. Una manera común de medir comportamiento dinámico es anchura de banda. La Anchura De Banda especifica la reacción de amplitud de un sistema en el dominio de frecuencia. Pero la exactitud y la anchura de banda estáticas juntas todavía no dan ninguna indicación de una exactitud dinámica de sistema e.g cómo derecho las líneas en una aplicación de la exploración estarán o hasta dónde de las posiciones previstas que mienten.

Para calificar un sistema en estas aplicaciones, los datos de la meta y los datos reales de la posición para una forma de onda dada tienen que ser registrados y ser evaluados. La diferencia se llama después de desvío o de desvío que sigue su trayectoria. En sistemas nanopositioning convencionales de PZT con diseños del servocontrol del PID, el desvío que sigue su trayectoria puede alcanzar valores de dos dígitos del porcentaje incluso a los tipos de exploración debajo de 10Hz, y aumentos con frecuencia.

Es importante entender, eso en aplicaciones nanopositioning dinámicas que el desvío que sigue su trayectoria es un parámetro dominante. Los avances Recientes en diseño del controlador aéreo digital en el PI han llevado a los métodos digitales adaptantes sofisticados de la linearización, reduciendo desvíos dinámicos en formas de onda repetidores del reino del micrón a los niveles imperceptibles, incluso con la actuación dinámica de alta frecuencia bajo la carga (Higo 9a, y 9b).

Controlador aéreo Convencional del PID, sistema nanopositioning de PZT, reacción a una señal triangular de la exploración. Azul: posición de meta; rojo: posición real; verde: desvío que sigue su trayectoria (10X para una mejor visibilidad)

Figura 9a.

El Mismo sistema nanopositioning, linearización digital adaptante. Azul: posición de meta y posición real (virtualmente lo mismo). Rojo: el desvío que sigue su trayectoria (100X para una mejor visibilidad) es reducido por varios órdenes de magnitud.

Figura 9b.

¿La Cinemática Serial o Paralela?

En aplicaciones nanopositioning de alta velocidad, tales como microscopia de exploración, las pequeñas áreas necesitan ser exploradas en dos dimensiones, con un 3ro eje que se controlará por una entrada de información externa (e.g la fuerza en los AFM o la corriente en las ATMÓSFERAS). La líneas espaciamiento de Subnanometer y los índices de exploración de centenares de Hertz son deseables en estas aplicaciones. La única manera posible de lograr esto está con la paralelo-cinemática, escenarios piezoeléctrico-impulsados a circuito cerrado multiaxiales de la flexión.

Bastante que empilando los subconjuntos de único-AXIS, los escenarios de la paralelo-cinemática son monolíticos, con los actuadores operatorio en una plataforma central, móvil paralelamente (Fig. 10a). No sólo esto reduce importante inercia, pero frecuencias resonantes idénticas de los rendimientos y comportamiento dinámico en las direcciones de X y de Y. La Opción, los ensamblajes empilados da lugar siempre a diverso X comparado con comportamiento de Y (los pliegos de condiciones sin embargo publicados no pueden a veces reflejar este hecho físico básico). El X constante comparado con comportamiento dinámico de Y es deseable para la exploración exacta y responsiva y funcionamiento el seguir su trayectoria. El uso de sensores capacitivos de medir la plataforma móvil monolítica significa que las hachas ortogonales compensan automáticamente alcance y diafonía de cada uno (mando activo de la trayectoria, o metrología directa multiaxial), mientras que con la cinemática serial, los desvíos del alcance de las hachas individuales acumulan. Por ejemplo, los desvíos de la inclinación solamente del μrad ±10 causado por la plataforma inferior de una pila multiaxial de la pulgada hypothetical-4 de escenarios dan lugar a un desvío lineal de 2 μm en la plataforma superior. Otros defectos de la cinemática serial en nanopositioning son alto-inercia, un centro de gravedad más alto, y hasta 5 cables móviles que causan la fricción y la histéresis (Fig. 8b).

AZoNano - Nanotecnología - los escenarios nanopositioning con dos ejes Empilados de la serial-cinemática tiene inercia importante más alta, un centro de gravedad más alto y no puede corregir para los desvíos de fuera del eje. Los cables Móviles de la plataforma superior inducen la fricción y causan histéresis.

Figura 10a.

AZoNano - Nanotecnología - diseño Básico de un escenario nanopositioning del parallelkinematics monolítico de 3 DOF (X, Y, Theta-z) con los mecanismos impulsores de PZT y las flexiones del cable-EDM-corte. Los sensores de posición Capacitivos (no mostrados) miden directamente la plataforma móvil central que compensa el movimiento de fuera del eje más ligero del tiempo real (mando activo de la trayectoria). Esto no es posible con diseños seriales de la cinemática, tal y como se muestra en de Fig. 10a.

Figura 10b.

los sistemas avanzados de la exploración del nanómetro basados en la cinemática paralela controlan los 6 grados de libertad que compensan automáticamente el movimiento indeseado del fuera-de-avión así como desvíos rotatorios indeseados.

Esto requiere la metrología del movimiento paralelo y un controlador aéreo digital capaz de la transformación coordinada (Fig. 11a). El resultado, una exploración de 100 x 100 μm con la llanura /straightness de 1 nanómetro se muestra en Fig. 11b.

AZoNano - Nanotecnología - controlador aéreo digital del eje del Estado Plus Ultra 6 y exploración piezoeléctrica Estupenda de encargo del Invar 6D metrología del escenario (mecánicos de la paralelo-cinemática y movimiento paralelo).

Figura 11a. Controlador aéreo digital del eje del Estado Plus Ultra 6 y exploración piezoeléctrica Estupenda de encargo del Invar 6D metrología del escenario (mecánicos de la paralelo-cinemática y movimiento paralelo).

AZoNano - Nanotecnología - 6 escenario nanopositioning de la flexión del DOF PZT con metrología paralela multiaxial del movimiento directo proporciona a la información instantánea en parásito al controlador aéreo digital para la remuneración en tiempo real. Los resultados excelentes, 1 llanura del nanómetro y rectitud, epicted en esta exploración de 100 x 100 μm.

Figura 11b.

¿Mejores Espec. o el Mejor Funcionamiento?

La discusión antedicha muestra que eso la cuantificación del funcionamiento de un sistema nanopositioning puede ser muy compleja. Para encontrar el sistema nanopositioning de ejecución más alto para una aplicación (no la que está con mejores espec. en el papel), el utilizador tiene que engancharse a un diálogo con el fabricante y hacer las preguntas relevantes a su aplicación. Cuando las respuestas suenan demasiado buenas ser verdades, están generalmente. Además de plantear las preguntas relevantes, es siempre de mérito descubrir cuánto tiempo un fabricante ha estado implicado en nanopositioning, qué sistema del control de calidad existe, cómo se han medido los pliegos de condiciones, y qué equipo fue utilizado.

Qué Puede Ser Docto de la Caída de las Telecomunicaciones

Tras la caída de las telecomunicaciones, los analistas y los inversores están buscando nuevos mercados prometedores, y la nanotecnología parece ser uno de ellos. Esta es la razón por la cual veremos a las nuevas compañías el intentar hacer una fortuna en este campo. Los Lanzamientos, demandando tener soluciones nanopositioning revolucionarias, engañarán a inversores en proveer de ellos millones de dólares. No olvidemos que en telecomunicaciones más el de 99% de los conceptos y de las ideas revolucionarios pronto probaran sin valor. El reto real miente no en el concepto, pero en la producción, rendimiento y calidad constante, donde unidad entregada después de que la unidad entregada se realice así como el prototipo suavemente ensamblado, ajustado por el ingeniero jefe.

Porque el nanopositioning no es tan simple como uno, dos tres, sólo las compañías con las personas experimentadas, bien equipadas del diseño y de la producción, y los sistemas probados del control de calidad podrán satisfacer las demandas cada vez mayores del mercado. Sus pliegos de condiciones de producto pueden no parecer siempre revolucionarios, pero soportarán en el ambiente de aplicación.

Autor Primario: Stefan Vorndran

Fuente: Physik Instrumente

Para más información sobre esta fuente visite por favor Physik Instrumente

Date Added: Jun 7, 2006 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 07:17

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