Nanopositioning - Progrès Récents comprenant la Cinématique Parallèle, le Contrôle Actif de Trajectoire, l'Élimination de Vibration et l'Élimination d'Erreur de Cheminement par Physik Instrumente

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Sujets Couverts

Mouvement Propre

Définition : Prévu ou Mesuré ?

Le Mouvement Précis A Besoin des Indications, Pas Friction

Que diriez-vous des Lecteurs ?

Senseurs : Métrologie Directe ou Indirecte de Mouvement ?

Définition ou Linéarité ?

Exactitude ou Vitesse ?

Exactitude Statique ou Dynamique ?

Cinématique Séquentielle ou Parallèle ?

Meilleures Spéc. ou la Meilleure Performance ?

Ce Qui Peut Être Instruit du Crashes de Télécom

Mouvement Propre

Nanopositioning est une clé activant la technologie dans les domaines importants de la nano-impression, de la microscopie de lecture, du microlithography et du cadrage robotisé. Depuis Que la nanotechnologie est devenue un mot à la mode, beaucoup de dispositifs micropositioning ont été soudainement mis à jour aux systèmes nanopositioning par le moyen simple de l'interpolation. Cependant, quels travaux dans le microworld très souvent ne s'applique pas au nanoworld.

Ce technote rend compte des avancements récents en technologie de nanopositioningg, telle que la cinématique parallèle, le contrôle actif de trajectoire, les algorithmes de contrôle neufs pour l'élimination de vibration et l'élimination d'erreur de cheminement et leurs avantages pour l'utilisateur. De plus, le papier fournit à des ingénieurs d'études un grand choix de questions clé pour demander à des fournisseurs de système de mouvement en faisant des emplettes pour un système nanopositioning performant.

Définition : Prévu ou Mesuré ?

La Définition peut signifier différentes choses aux gens différents. Quand la condition nanopositioning a été inventée, un certain nombre de compagnies intelligentes ont annoncé les dispositifs de boucle ouverte et motivés par de pas de leadscrew en tant que « nanopositioners. » La justification était aussi simple qu'une, deux trois : l'hauteur de son de leadscrew de prise de 0,4 millimètres, ligne de partage par 20.000 microsteps circulent en voiture la définition et le taux 60 de boîte de vitesse et viennent à l'extérieur un dispositif « capable » de 0,3 définitions de nanomètre. De Nos Jours, la plupart des ingénieurs d'études ne tombent plus pour cette équation simple. Tandis Que des lecteurs d'hier de moteur pas à pas ont été remplacés par les systèmes en boucle bloquée, parfois avec le direct-lecteur circule en voiture, les revendications des constructeurs restent souvent trompeurs, maintenant sauvegardé par le « nanomath » plus simplement qu'avant : définition = hauteur de son d'encodeur divisée par facteur d'interpolation.

Cependant, un système nanopositioning se compose beaucoup plus qu'un circuit d'encodeur et d'interclasseuse, et tant que la friction est impliquée (et tous les glissement ou roulements produisent la friction), le mouvement reproductible de domaine de nanomètre ne peut pas être réalisé en états de monde réel (voir la Fig. 1 pour le mouvement semi-conducteur sans friction). De plus, les erreurs de guidage des roulements mentionnés ci-dessus s'élèvent souvent à 1000 fois la distance d'une nanomètre-acceptable dans le microworld, mais pas dans dans le nanoworld.

Les dispositifs nanopositioning Vrais fournissent le mouvement sans friction, la réaction pratiquement instantanée, la linéarité et la raideur élevée, et le contrôle de trajectoire dans le royaume de nanomètre, tous sur la définition de sous-nanomètre. Tandis Que les technologies conventionnelles de mouvement-control ne peuvent pas répondre à ces besoins, les avancements parallèles dans les domaines des déclencheurs semi-conducteurs, du design de flexure, de la cinématique multiaxe de parallèle de faible-inertie, du contrôle actif de trajectoire et de l'automaticien de largeur de bande de haut fournissent à des ingénieurs dans les domaines de la nanotechnologie les outils pour résoudre leurs problèmes de positionner, de métrologie, de lecture ou d'alignement.

AZoNano - Nanotechnologie - Réaction de déclencheur piézo-électrique (de boucle ouverte) semi-conducteur sans friction de s à un signe triangulaire d'entraînement. Seulement les déclencheurs semi-conducteurs de PZT sont capables de produire le mouvement sans heurt de domaine de nanomètre comme ceci, avec la réaction instantanée et aucun jeu entre-dents. Notez que l'amplitude est seulement les nanomètres ±6.

Le Schéma 1.

Sur une feuille de Spéc., beaucoup de systèmes assimilés. Comment on peut-il indiquer un système nanopositioning de pointe et les dispositifs micropositioning à part ?

Le Mouvement Précis A Besoin des Indications, Pas Friction

La première règle de design dans nanopositioning indique qu'on doit éliminer la friction. Ceci élimine tous les dispositifs avec la bille, le rouleau ou les roulements de glissement, laissant les galets pneumatiques et les flexures. Une flexure est un dispositif charnière charnière sans friction et stictionless qui compte sur la déformation élastique (fléchissement) d'un matériau solide pour permettre le mouvement. Les galets Pneumatiques sont idéaux pour de longs domaines de course, mais ils sont habituellement inertie encombrante et élevée et chers d'utiliser (offre d'air pur). Ils ont un autre inconvénient principal : ils ne travaillent pas dans un aspirateur, selon les exigences d'un numéro toujours croissant des applications nanopositioning.

Les Flexures, d'autre part seulement travail au-dessus de course courte s'échelonne, à peine un inconvénient dans nanopositioning ! Flexures (Fig. 2), si correctement conçue, sont très raide, fournissent au contrôle de trajectoire l'excellentes rectitude et égalité, ne montrent aucune usure et peuvent être conçues dans des arrangements multiaxes. Ils sont également exempts d'entretien et n'ont aucun frais d'exploitation. Ces caractéristiques effectuent à des flexures le mécanisme de guidage du choix dans nanopositioning.

AZoNano - Nanotechnologie - stade nanopositioning d'Unique-Axe avec le design de flexure d'anti-arqué-mouvement. Les meilleurs designs de flexure fournissent la précision de guidage dans le domaine faible de nanomètre. Le Contrôle Actif de Trajectoire peut davantage améliorer la précision de guidage.

Le Schéma 2.

Que diriez-vous des Lecteurs ?

De Nouveau, aucun lecteur produisant la friction n'est acceptable. Leadscrews, vis à billes, même les lecteurs piézo-électriques linéaires ultrasoniques de moteur (friction basée) ne peut pas surpasser la précision submicronique. Les moteurs linéaires Électromagnétiques, bobine acoustique pilote et les déclencheurs piézo-électriques semi-conducteurs sont les lecteurs sans friction les plus utilisés généralement. Les deux premiers sont bons pour de plus grandes distances, mais ont les inconvénients des champs magnétiques (non tolérables dans la lithographie d'ebeam et beaucoup d'autres applications), du rétablissement de chaleur et seulement de la raideur et de l'accélération de modéré, ayant pour résultat une bande passante faible.

Piézoélectrique (Fig. 3) PZTs souvent appelé, sont limitées à de petites distances mais sont extrêmement raide et réalisent les accélérations très élevées (jusqu'à 10.000 g), un préalable à la phase de milliseconde ou de sous-milliseconde et à la stabilisation et aux fréquences de balayage de haut (aujourd'hui, les meilleurs stades flexure-guidés motivés par piézo-électrique ont des fréquences de résonance de 10 kilohertz).

AZoNano - Nanotechnologie - les déclencheurs De Pointe de PZT céramique-sont isolés plutôt que polymère-isolé. Ils offrent la vie étendue, même dans des conditions extrêmes et ne montrent aucun dégazage dans des applications d'aspirateur.

Le Schéma 3.

Les champs magnétiques de produit de PZTs ni, ni ne sont eux ont influencé par eux. Une découverte récente en technologie de production élimine maintenant le besoin d'isolation de polymère, portant les avantages du dégazage nul dans des applications d'aspirateur, l'insensibilité à l'humidité et la vie accrue même dans des conditions extrêmes (Figue 4).

AZoNano - Nanotechnologie - Déclencheurs de PICMA avec l'isolation céramique (courbures inférieures) avec les déclencheurs multicouche conventionnels avec l'isolation de polymère. Des Déclencheurs de PICMA ne sont pas affectés par les conditions d'essai de humidité élevé. Le document Conventionnel de Déclencheurs a augmenté le courant de fuite après seulement quelques heures. Le courant de Fuite est un signe de qualité d'isolation et de vie prévue. Conditions d'essai : U de = C.C 100 V, T = 25 °C, rel. humidité = 70%

Le Schéma 4.

Senseurs : Métrologie Directe ou Indirecte de Mouvement ?

La métrologie Indirecte de mouvement est bon marché, mais ne qualifie pas pour nanopositioning de pointe. Et naturellement, aucun senseur basé sur la friction ne qualifie non plus. Les Exemples de la métrologie indirecte sont les encodeurs rotatoires montés par moteur et les senseurs piézorésistifs de tension montés sur des déclencheurs ou des flexures (mesurant la tension des flexures-ainsi induisant la friction et les erreurs-au lieu du mouvement).

Les systèmes nanopositioning de Haute performance utilisent la métrologie directe de non contact, mise pour mesurer le mouvement où elle importe plus à l'application. Les Exemples de la métrologie directe sont les senseurs capacitifs, les interféromètres de laser et les encodeurs optiques et incrémentaux de non contact.

Définition ou Linéarité ?

Les encodeurs Incrémentaux sont excellents pour des mesures interurbaines. Les La Plupart sont basées sur une hauteur de son discordante du μm 20, 10 ou, plus récent, 2. Pour obtenir de là à la définition publiée de 10 ou de 5 nanomètre, l'interpolation (avec toutes ses limitations) est exigée. Tandis Que beaucoup d'encodeurs sont très linéaires aux multiples de l'hauteur de son, la linéarité à l'échelle de nanomètre peut être aussi mauvaise que 20% (Fig. 5) De plus, sinon monté coaxialement avec le lecteur, n'importe quelle inclinaison dans le système de guidage, comme provoqué par inversion de mouvement un accroissement plus ultérieur l'erreur. Ce Qui est souvent donné sur sont les petites forces induites par le câble mobile d'un encodeur lecture lecture qui peut entraîner la friction et l'hystérésis sur l'ordre de plusieurs dizaines de nanomètres. Pour des procédés nanopositioning vrais, exigeant des largeurs reproductibles de phase de nanomètre-échelle, il y a de meilleures solutions.

AZoNano - Nanotechnologie - Linéarité des encodeurs linéaires incrémentaux à haute résolution est excellent sur de longs termes, mais souvent pas ce que l'on a pourrait attendre sur une nanomètre-échelle. L'exemple ci-dessus affiche des erreurs de 100 nanomètre et plus au-dessus de petites distances (1 à 2 microns).

Le Schéma 5.

Les interféromètres de Laser sont la mesure reçue de norme en position. Cependant, en raison de son principe de fonctionnement, la sortie d'un interféromètre hétérodyne n'est pas parfaitement linéaire. Cette non-linéarité est provoquée principalement par ellipticité de polarisation ou nonorthogonality des faisceaux lasers, et les imperfections dans le bloc optique peuvent davantage contribuer à la non-linéarité. Les meilleurs interféromètres disponibles dans le commerce fournissent la linéarité de 2 à 5 nanomètres, assez non bonne dans quelques applications nanopositioning à extrémité élevé (Fig. 6). La connaissance Profonde de l'interférométrie et du matériel d'offre spéciale est exigée pour obtenir une meilleure performance hors d'un interféromètre, comme dispositif de contrôle par retour de l'information ou d'étalonnage.

AZoNano - Nanotechnologie - Linéarité d'un stade nanopositioning de PI P-517, contrôle par retour de l'information de position fourni par l'interféromètre hétérodyne.

Le Schéma 6.

La plus haute performance est réalisée avec la mesure absolue, senseurs capacitifs bidisques (les senseurs capacitifs d'électrode unique ne sont pas bien adaptés pour nanopositioning). Fonctionnant mieux sur de petits domaines, ils sont une correspondance parfaite pour les lecteurs de PZT guidés par flexure. Les senseurs Capacitifs sont très compacts, aspirateur compatibles, peu sensibles à l'IEM et, si conçus correctement, fournissent à la linéarité extrêmement élevée (Fig. 7a) la définition de 0,1 nanomètres et ci-dessous. En Raison du principe de mesure absolu, aucune procédure voyageuse n'est exigée et il n'y a aucune largeur de bande limitant l'interclasseuse ou est-ce que contre- circuit enclin « détruisent » le mouvement dans des applications ultra-rapides, ou devrait sonnant pour se produire à la fin d'une phase rapide. Les stades nanopositioning À Extrémité Élevé réalisent la répétabilité bidirectionnelle de 1 nanomètre, d'un chiffre étonnant, simples pour mettre dans une feuille de Spéc. mais très dur pour réaliser et s'avérer (Figue 7b) dans le monde réel.

AZoNano - Nanotechnologie - le Même stade nanopositioning que dans Fig. 6, mais réglé avec le contrôle par retour de l'information capacitif bidisque.

Figure 7a.

AZoNano - Nanotechnologie - répétabilité Bidirectionnelle d'un stade nanopositioning piézo-électrique de pointe de boucle bloquée avec le contrôle par retour de l'information capacitif de métrologie de mouvement direct, mesurée avec l'interféromètre de pointe.

Figure le contrôle par retour de l'information 7b.metrology capacitif, mesuré avec l'interféromètre de pointe.

Exactitude ou Vitesse ?

En substance d'aujourd'hui de production industrielle et de procédures de test, de débit et de temps plus que toujours avant. Dans des applications de test de tête/de medias par exemple, des phases de subnanometer doivent être exécutées et une position neuve doit être arrêtée et gamme de produits retenue aux tolérances de nanomètre dans une question des millisecondes ou moins. Chaque milliseconde rasée hors du procédé de phase-et-stabilisation vaut un grand montant d'argent.

Les lecteurs de PZT peuvent fournir des accélérations jusqu'à 10.000 g et répondre à la puissance d'entrée dans moins de 0,1 millisecondes, souvent davantage que la charge ou les structures porteuses sont conçus pour. La période ultra-rapide de phase du stade nanopositioning peut exciter des vibrations dans sa charge ou composants voisins. À l'application, elle n'importe pas comment rapidement le stade positionnant peut s'arrêter, mais comment rapidement la charge atteint un fait stable de position-un souvent négligé. La Sagesse populaire suggère que sans compter que l'amortissement ou l'attente, il n'y ait pas beaucoup qui peut être fait au sujet de telles vibrations la servo-boucle extérieur de système positionnant de occurrence.

Aujourd'hui, il y a un outil neuf pour éliminer des résonances structurelles. Une technologie avant brevetée et en temps réel InputShaping® appelé d'alimentation (Fig. 8a, b) était basée développé sur la recherche à l'Institut du Massachusetts des Contrôleurs nanopositioning piézo-électriques digitaux de TechPhysik Instrumente.

AZoNano - Nanotechnologie - les dispositifs Piézo-électriques sont capable de la phase-andsettle de milliseconde-échelle. Cependant, les éléments en dehors de la servo-boucle peuvent sonner (charge, accessoire voisin,…). Des résonances Externes sont conçues ici par une position de mesure de vibromètre de laser de Polytec contre le temps.

Figure 8a.

AZoNano - Nanotechnologie - Puissance D'entrée Shaping® élimine la sonnerie motivée par le mouvement des composants en dehors de la servo-boucle. L'Arrangement après temps de montée remplit par le ~ Fres-1 de t.

Figure 8b.res.-1

InputShaping® n'exige pas le contrôle par retour de l'information et ne fonctionne pas avec la connaissance a priori des résonances multiples dans tout le système. Avec InputShaping®, le moment pour une extension de système une position stable est égale à 1/f0 où f0 étant la fréquence de résonance la plus faible contribuant à l'instabilité dans l'installation mécanique.

Exactitude Statique ou Dynamique ?

La Définition, la linéarité et l'exactitude sont connues pour qualifier la performance statique d'un système de mouvement. Cependant, dans des applications dynamiques telles que la lecture ou le cheminement, les caractéristiques statiques sont sans signification. Une voie commune de mesurer le comportement dynamique est largeur de bande. La Largeur De Bande spécifie la réaction d'amplitude d'un système dans le domaine de fréquence. Mais l'exactitude et la largeur de bande statiques ensemble ne donnent toujours aucun signe d'une exactitude dynamique de système par exemple comment le droit les lignes dans une application de lecture sera ou à quelle distance hors des positions prévues qu'elles se trouvent.

Pour qualifier un système dans ces applications, des données d'objectif et les données réelles de position pour une forme d'onde donnée doivent être enregistrées et évaluées. La différence est appelée après erreur ou erreur de cheminement. Dans des systèmes nanopositioning conventionnels de PZT avec des designs de servocommande d'IDENTIFICATION PERSONNELLE, l'erreur de cheminement peut atteindre des valeurs à deux chiffres de pourcentage même aux fréquences de balayage ci-dessous 10Hz, et des augmentations avec la fréquence.

Il est important de comprendre, cela dans des applications nanopositioning dynamiques que l'erreur de cheminement est un paramètre principal. Les Progrès récents dans le design de Contrôleur digital à PI ont mené aux méthodes digitales adaptatives sophistiquées de linéarisation, ramenant des erreurs dynamiques dans des formes d'onde répétitives à partir du royaume de micron aux niveaux imperceptibles, même avec la mise en fonction dynamique à haute fréquence sous la charge (Figue 9a, et le 9b).

Contrôleur Conventionnel d'IDENTIFICATION PERSONNELLE, système nanopositioning de PZT, réaction à un signe triangulaire d'échographie. Bleu : position d'objectif ; rouge : position réelle ; vert : erreur de cheminement (10X pour une meilleure visibilité)

Figure 9a.

Le Même système nanopositioning, linéarisation digitale adaptative. Bleu : position d'objectif et position réelle (pratiquement la même). Rouge : l'erreur de cheminement (100X pour une meilleure visibilité) est réduite par plusieurs ordres de grandeur.

Figure 9b.

Cinématique Séquentielle ou Parallèle ?

Dans des applications nanopositioning ultra-rapides, telles que la microscopie de lecture, de petites zones doivent être balayées dans deux cotes, avec un 3ème axe à régler par une puissance d'entrée externe (par exemple la force dans les AFM ou le courant dans les ATM). Interlignage Subnanometer et les fréquences de balayage des centaines d'Hertz sont désirables dans ces applications. La seule voie faisable de réaliser ceci est avec la parallèle-cinématique, stades motivés par piézo-électrique en boucle bloquée multiaxes de flexure.

Plutôt qu'empilant des montages partiels d'unique-axe, les stades de parallèle-cinématique sont monolithiques, avec des déclencheurs fonctionnant sur une plate-forme centrale et mobile en parallèle (Fig. 10a). Est-ce que Non seulement ceci réduit de manière significative l'inertie, mais les fréquences de résonance identiques de rendements et le comportement dynamique dans les sens de X et de Y. L'Alternative, les assemblages empilés ont toujours comme conséquence X différent contre le comportement de Y (les caractéristiques cependant publiées parfois ne réfléchissent pas ce fait matériel de base). Le X cohérent contre le comportement dynamique de Y est désirable pour la lecture précise et sensible et performance de cheminement. L'utilisation des senseurs capacitifs de mesurer la plate-forme mobile monolithique signifie que les haches orthogonales compensent automatiquement la fin de bande et l'interférence de chacun (contrôle actif de trajectoire, ou la métrologie directe multiaxe), attendu qu'avec la cinématique séquentielle, les erreurs de fin de bande des différentes haches s'accumulent. Par exemple, les erreurs d'inclinaison du μrad seulement ±10 provoqué par la plate-forme inférieure d'une pile multiaxe de pouce hypothetical-4 de stades ont comme conséquence une erreur linéaire de 2 μm à la première plate-forme. D'Autres points faibles de la cinématique séquentielle dans nanopositioning sont haut-inertie, centre de la gravité plus élevé, et jusqu'à 5 câbles mobiles entraînant la friction et l'hystérésis (Fig. 8b).

AZoNano - Nanotechnologie - les stades nanopositioning biaxiaux Empilés de séquentiel-cinématique ont une inertie sensiblement plus élevée, un centre de la gravité plus élevé et ne peuvent pas rectifier pour des erreurs en dehors de son axe. Les câbles Mobiles de la première plate-forme induisent la friction et entraînent l'hystérésis.

Figure 10a.

AZoNano - Nanotechnologie - design De base d'un stade nanopositioning de parallelkinematics monolithique de 3 DOF (X, Y, Thêta-z) avec des lecteurs de PZT et des flexures de fil-EDM-coupure. Les capteurs de position Capacitifs (non affichés) mesurent directement la plate-forme mobile centrale compensant le mouvement en dehors de son axe le plus mince en temps réel (contrôle actif de trajectoire). Ce n'est pas possible avec des designs séquentiels de cinématique, suivant les indications de Fig. 10a.

Figure 10b.

les systèmes de pointe de lecture de nanomètre basés sur la cinématique parallèle règlent chacun des 6 degrés de liberté compensant automatiquement le mouvement non désiré d'à l'extérieur-de-plan ainsi que les erreurs rotationnelles non désirées.

Ceci exige la métrologie de mouvement parallèle et un Contrôleur digital capable de la transformation du même rang (Fig. 11a). Le résultat, une échographie de 100 x 100 μm avec l'égalité /straightness de 1 nanomètre est affiché dans Fig. 11b.

AZoNano - Nanotechnologie - Contrôleur digital d'axe de la Situation Actuelle 6 et lecture piézo-électrique Superbe faite sur commande de l'Invar 6D métrologie de stade (mécanique de parallèle-cinématique et mouvement parallèle).

Figure 11a. Contrôleur digital d'axe de la Situation Actuelle 6 et lecture piézo-électrique Superbe faite sur commande de l'Invar 6D métrologie de stade (mécanique de parallèle-cinématique et mouvement parallèle).

AZoNano - Nanotechnologie - 6 stade nanopositioning de flexure de DOF PZT avec la métrologie parallèle multiaxe de mouvement direct fournit des informations instantanées sur parasite au Contrôleur digital pour la compensation en temps réel. Les excellents résultats, 1 égalité de nanomètre et rectitude, epicted dans cette échographie de 100 x 100 μm.

Figure 11b.

Meilleures Spéc. ou la Meilleure Performance ?

La discussion ci-dessus affiche que cela la mesure de la performance d'un système nanopositioning peut être très complexe. Pour trouver le système nanopositioning exécutant le plus élevé pour une application (pas celle avec meilleures Spéc. sur le papier), l'utilisateur doit s'engager dans un dialogue avec le constructeur et poser les questions concernant son application. Quand les réponses semblent trop bonnes pour être vraies, elles sont habituellement. En plus de poser les questions appropriées, il est toujours intéressant de découvrir combien de temps un constructeur a été concerné dans nanopositioning, quel système de contrôle qualité est en place, comment des caractéristiques ont été mesurées, et quel matériel a été utilisé.

Ce Qui Peut Être Instruit du Crashes de Télécom

À la suite du crashes de télécom, les analystes et les investisseurs recherchent les marchés prometteurs neufs, et la nanotechnologie semble être l'un d'entre eux. C'est pourquoi nous verrons les compagnies neuves essayer d'effectuer une fortune dans ce domaine. Les Mises En Route, prétendant avoir les solutions nanopositioning révolutionnaires, leurreront des investisseurs dans leur fournir des millions de dollars. N'oublions pas que dans les télécom plus de 99% du sans valeur bientôt prouvé révolutionnaire de concepts et d'idées. Le vrai défi se situe pas dans le concept, mais dans la production, rendement et qualité cohérente, où ensemble fourni après l'ensemble fourni exécute ainsi que le prototype doucement assemblé, réglé avec précision par l'ingénieur en chef.

Puisque nanopositioning n'est pas aussi simple qu'un, deux trois, seulement les compagnies avec les équipes expérimentées et bien équipées de design et de production, et les systèmes prouvés de contrôle qualité pourront satisfaire les exigences toujours croissantes du marché. Leurs spécifications produit peuvent toujours ne pas sembler révolutionnaires, mais supporteront dans l'environnement d'application.

Auteur Primaire : Stefan Vorndran

Source : Physik Instrumente

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

Last Update: 13. June 2013 06:32

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