Nanopositioning - Avanzamenti Recenti compreso Cinematica Parallela, Controllo Attivo di Traiettoria, Soppressione di Vibrazione e l'Eliminazione di Tracking Error da Physik Instrumente

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Sfondo

Risoluzione: Calcolato o Misurato?

Il Moto Preciso Ha Bisogno dell'Orientamento, Non Attrito

Che Cosa circa le Unità?

Sensori: Metrologia Diretta o Indiretta di Moto?

Risoluzione o Linearità?

Accuratezza o Velocità?

Accuratezza Statica o Dinamica?

Cinematica Seriale o Parallela?

Migliori Spec. o Migliore Prestazione?

Che Cosa Può Essere Istruito dall'Arresto delle Telecomunicazioni

Sfondo

Nanopositioning è un tasto permettendo alla tecnologia nei campi importanti di nano-stampa, di microscopia di scansione, del microlithography e dell'allineamento automatizzato. Da Quando la nanotecnologia si è trasformata in in una parola alla moda, molte unità microposizionanti sono state migliorate improvvisamente ai sistemi nanopositioning attraverso i mezzi semplici di interpolazione. Tuttavia, che impianti nel microworld non si applica molto spesso al nanoworld.

Questo technote riferisce sugli avanzamenti recenti nella tecnologia del nanopositioningg, quali la cinematica parallela, il controllo attivo di traiettoria, i nuovi algoritmi di controllo per soppressione di vibrazione e l'eliminazione di tracking error ed i loro vantaggi per l'utente. Inoltre, il documento fornisce ai tecnici della progettazione varie questioni chiavi per chiedere ai fornitori del sistema di moto quando compera per un sistema nanopositioning ad alto rendimento.

Risoluzione: Calcolato o Misurato?

La Risoluzione può significare le cose differenti alla gente differente. Quando il termine che nanopositioning è stato punzonato, una serie di società abili hanno annunciato dalle le unità ad anello aperto e guidate da passo passo del leadscrew come “nanopositioners.„ La giustificazione era semplice quanto una, due tre: un passo del leadscrew della presa di 0,4 millimetri, disaccordo da 20.000 microsteps va in automobile la risoluzione ed il rapporto 60 del cambio e fuori viene un'unità “capace„ di 0,3 risoluzioni di nanometro. Al Giorno D'oggi, la maggior parte dei tecnici della progettazione non cadranno per questa equazione semplice più. Mentre le unità di ieri del motore passo a passo sono state sostituite dai sistemi a ciclo chiuso, a volte con diretto-unità va in automobile, i reclami dei produttori spesso rimangono illusive, ora fatto un backup più semplicemente prima “da nanomath„: risoluzione = passo del codificatore diviso dal fattore di interpolazione.

Tuttavia, un sistema nanopositioning consiste di molto più che un circuito dell'interpolatore e del codificatore e finchè l'attrito è cuscinetti implicati (e tutti i scorrevoli o di laminazioni produca l'attrito), il moto ripetibile dell'intervallo di nanometro non può essere raggiunto negli stati del mondo reale (vedi la Fig. 1 per moto semi conduttore frictionless). Inoltre, gli errori guidanti dei cuscinetti suddetti ammontano spesso a 1000 volte la distanza di una nanometro-accettabile nel microworld, ma non nel nanoworld.

Le unità nanopositioning Vere forniscono il moto frictionless, risposta virtualmente istantanea, alta linearità e rigidezza e controllo nel regno di nanometro, tutto di traiettoria sopra risoluzione di sotto-nanometro. Mentre le tecnologie convenzionali di moto-control non possono soddisfare queste richieste, gli avanzamenti paralleli nei campi degli azionatori semi conduttori, della progettazione di flessione, della cinematica multiasse di parallela di basso inerzia, del controllo attivo di traiettoria e di alta assistenza tecnica di comandi di larghezza di banda forniscono agli ingegneri nei campi di nanotecnologia gli strumenti per risolvere i loro problemi di posizionamento, della metrologia, di scansione o di allineamento.

AZoNano - Nanotecnologia - Risposta dell'azionatore piezo-elettrico (ad anello aperto) semi conduttore frictionless di s ad un segnale drive triangolare. Soltanto gli azionatori semi conduttori di PZT sono capaci della produzione del moto regolare dell'intervallo di nanometro come questo, con la risposta istantanea e nessun contraccolpo. Si Noti che l'ampiezza è soltanto nanometri ±6.

Figura 1.

Su una lamiera sottile di spec., molti sistemi identici. Come può uno dire un sistema nanopositioning avanzato ed unità microposizionanti a parte?

Il Moto Preciso Ha Bisogno dell'Orientamento, Non Attrito

La prima norma di progettazione nel nanopositioning dice che l'attrito deve eliminarsi. Ciò elimina tutte le unità con la palla, il rullo o i cuscinetti di scivolamento, lasciando i cuscinetti di aria e le flessioni. Una flessione è un'unità del tipo di cerniera frictionless e stictionless che conta sulla deformazione elastica (flettere) di un prodotto solido per permettere il moto. I cuscinetti di Aria sono ideali per gli intervalli lunghi di viaggio, ma sono solitamente inerzia ingombrante e alta e costosi funzionare (offerta dell'aria pulita). Presentano un altro svantaggio principale: non funzionano in un vuoto, secondo le esigenze di un numero in continuo aumento delle applicazioni nanopositioning.

Le Flessioni, d'altra parte soltanto lavoro sopra il breve viaggio varia, appena uno svantaggio nel nanopositioning! Flessioni (Fig. 2), se progettata correttamente, è molto rigida, fornisce il controllo di traiettoria rettitudine e planarità eccellenti, non esibisce usura e può essere progettata nelle disposizioni multiasse. Sono egualmente manutenzione libera e non hanno costi di gestione. Queste caratteristiche rendono a flessioni il meccanismo guidante della scelta nel nanopositioning.

AZoNano - Nanotecnologia - fase nanopositioning di Unico Asse con progettazione di flessione di anti-arcuato-moto. Le migliori progettazioni di flessione forniscono la precisione guidante nell'intervallo basso di nanometro. Il Controllo Attivo di Traiettoria può più ulteriormente migliorare la precisione guidante.

Figura 2.

Che Cosa circa le Unità?

Di Nuovo, alcun'unità che produce l'attrito non è accettabile. Leadscrews, ballscrews, neppure unità piezo-elettriche lineari ultrasoniche del motore (attrito basato) non può sorpassare la precisione di submicron. I motori lineari Elettromagnetici, le unità della spirale di voce e gli azionatori piezo-elettrici semi conduttori sono le unità frictionless più comunemente usate. I primi due sono benissimo per le più grandi distanze, ma presentano gli svantaggi dei campi magnetici (non tollerabili nella litografia del ebeam ed in molte altre applicazioni), della generazione di calore e soltanto della rigidezza e dell'accelerazione del moderato, con conseguente breve larghezza di banda.

Piezoelettrico (Fig. 3) spesso chiamata PZTs, è limitata alle piccole distanze ma è estremamente rigida e raggiunge le accelerazioni molto alte (fino a 10.000 g), un presupposto per il punto di sotto-millisecondo o di millisecondo e la cassapanca e le alte frequenze di scansione (oggi, le migliori dalle fasi flessione-guida guidate da piezo-elettrica hanno frequenza di risonanza di 10 chilocicli).

AZoNano - Nanotecnologia - azionatori Avanzati di PZT ceramico-è isolato piuttosto di quanto polimero-isolato. Offrono la vita estesa, anche nelle circostanze estreme e non esibiscono degassamento nelle applicazioni di vuoto.

Figura 3.

I campi magnetici dei prodotti di PZTs nè, nè sono essi hanno influenzato da loro. Un'innovazione recente nella tecnologia di produzione ora elimina l'esigenza dell'isolante del polimero, sottoponente i vantaggi di degassamento zero nelle applicazioni di vuoto, l'insensibilità all'umidità e la vita aumentata anche alle circostanze estreme (Fico 4).

AZoNano - Nanotecnologia - Azionatori di PICMA con isolante ceramico (curve inferiori) rispetto agli azionatori a più strati convenzionali con l'isolante del polimero. Gli Azionatori di PICMA non sono influenzati dalle condizioni di prova di alta umidità. La mostra Convenzionale degli Azionatori ha aumentato la corrente di dispersione dopo soltanto alcune ore. La corrente di Dispersione è un'indicazione di qualità dell'isolante e della vita prevista. Condizioni di prova: U = una CC di 100 V, T = 25 °C, rel. umidità = 70%

Figura 4.

Sensori: Metrologia Diretta o Indiretta di Moto?

La metrologia Indiretta di moto è economica, ma non si qualifica per nanopositioning avanzato. E naturalmente, alcun sensore basato su attrito non si qualifica neanche. Gli Esempi della metrologia indiretta sono codificatori rotatori montati motore e sensori piezo-elettrico-resistenti di sforzo montati sugli azionatori o sulle flessioni (che misurano lo sforzo delle flessioni-quindi che inducono attrito e gli errori-invece del moto).

I sistemi nanopositioning Ad Alto Rendimento impiegano la metrologia diretta senza contatto, collocata per misurare il moto dove importa più all'applicazione. Gli Esempi della metrologia diretta sono sensori capacitivi, interferometri laser e codificatori ottici e incrementali senza contatto.

Risoluzione o Linearità?

I codificatori Incrementali sono eccellenti per le misure interurbane. La Maggior Parte sono basati più recentemente su un passo stridente di μm 20, 10 o, 2. Per ottenere da là alla risoluzione pubblicata di 5 o di 10 nanometro, l'interpolazione (con tutte le sue limitazioni) è richiesta. Mentre molti codificatori sono molto lineari ai multipli del passo, le linearità al disgaggio di nanometro possono essere povere quanto 20% (Fig. 5) Inoltre, se non montato in modo coassiale con l'unità, tutta l'inclinazione nel sistema guidante, come causato dall'inversione di moto accrescimento più ulteriore l'errore. Che Cosa è trascurato spesso sono le piccole forze indotte dal cavo mobile di una testina di lettura del codificatore che può causare l'attrito e l'isteresi sull'ordine di parecchi dieci dei nanometri. Per i trattamenti nanopositioning veri, richiedendo le larghezze ripetibili di punto del nanometro-disgaggio, ci sono migliori soluzioni.

AZoNano - Nanotecnologia - Linearità dei codificatori lineari incrementali ad alta definizione è eccellente sopra le lunghe autonomie, ma spesso non che cosa si potrebbe prevedere su un nanometro-disgaggio. L'esempio di cui sopra mostra gli errori di 100 nanometro e più sopra le piccole distanze (1 - 2 micron).

Figura 5.

Gli Interferometri laser sono lo standard accettato nella misura di posizione. Tuttavia, dovuto il suo principio di funzionamento, l'output di un interferometro dell'eterodina non è perfettamente lineare. Questa non linearità è causata pricipalmente da ellitticità di polarizzazione o dal nonorthogonality dei raggi laser e le imperfezioni nell'ottica possono più ulteriormente contribuire alla non linearità. I migliori interferometri disponibili nel commercio forniscono le linearità di 2 - 5 nanometri, abbastanza buone in alcune applicazioni nanopositioning di qualità superiore (Fig. 6). La conoscenza Profonda dell'interferometria e della strumentazione dello speciale è richiesta di migliorare la prestazione da un interferometro, come unità di calibratura o di feedback.

AZoNano - Nanotecnologia - Linearità di una fase nanopositioning di PI P-517, feedback di posizione fornito dall'interferometro dell'eterodina.

Figura 6.

Il rendimento elevato è raggiunto con la misurazione assoluta, sensori capacitivi della due-zolla (i sensori capacitivi del singolo elettrodo non sono ben adattati per nanopositioning). Lavorando il più bene sopra i piccoli intervalli, sono una corrispondenza perfetta per le unità di PZT guida flessione. I sensori Capacitivi sono molto compatti, vuoto compatibili, insensibili a EMI e, se progettati correttamente, forniscono le linearità estremamente alte (Fig. 7a) una risoluzione di 0,1 nanometri e sotto. dovuto il principio di misurazione assoluto, nessuna procedura viaggiatrice è richiesta e non c'è larghezza di banda che limita l'interpolatore o il contro circuito incline “perde„ il moto nelle applicazioni ad alta velocità, o dovrebbe suonando per accadere alla conclusione di un punto veloce. Le fasi nanopositioning Di Qualità Superiore raggiungono una ripetibilità bidirezionale di 1 nanometro, di una figura sorprendente, di semplici mettere in una lamiera sottile di spec. ma molto duro raggiungere e risultare (Fico 7b) nel mondo reale.

AZoNano - Nanotecnologia - la Stessa fase nanopositioning di nella Fig. 6, ma gestito con feedback capacitivo della due-zolla.

Figura 7a.

AZoNano - Nanotecnologia - ripetibilità Bidirezionale di una fase nanopositioning piezo-elettrica avanzata del ciclo chiuso con feedback capacitivo di metrologia di moto diretto, misurata con l'interferometro avanzato.

Calcoli il feedback capacitivo 7b.metrology, misurato con l'interferometro avanzato.

Accuratezza o Velocità?

Nell'odierna materia di produzione industriale e di trattamenti, di capacità di lavorazione e di tempo di prova più mai prima. Nelle applicazioni prova di media/della testa per esempio, le operazione di subnanometer devono essere eseguite e una nuova posizione deve essere raggiunta ed ha tenuto la stalla alle tolleranze di nanometro in un aspetto dei millisecondi o di di meno. Ogni millisecondo si è raso fuori dal trattamento della punto-e-cassapanca vale una grande somma di denaro.

Le unità di PZT possono fornire le accelerazioni fino ad un massimo di 10.000 g e rispondere ad input in meno di 0,1 millisecondi, spesso più del carico utile o delle strutture portanti sono progettati per. Il periodo ultraveloce di punto della fase nanopositioning può eccitare le vibrazioni nel suo caricamento o componenti vicine. All'applicazione, non importa quanto velocemente la fase di posizionamento può fermarsi, ma quanto velocemente il caricamento raggiunge un fatto stabile di posizione-un trascurato spesso. La Saggezza popolare suggerisce che oltre all'ammortizzare o all'attesa, ci non sia molto che possa essere fatto circa tali vibrazioni il servo-ciclo esterno del sistema di posizionamento d'avvenimento.

Oggi, c'è un nuovo strumento per l'eliminazione delle risonanze strutturali. Una tecnologia di andata brevettata e in tempo reale dell'alimentazione ha chiamato InputShaping® (Fig. 8a, b) è stata sviluppata in base alla ricerca all'Istituto di Massachusetts dei regolatori nanopositioning piezo-elettrici digitali di TechPhysik Instrumente.

AZoNano - Nanotecnologia - unità Piezo-elettriche è capace del punto-andsettle del millisecondo-disgaggio. Tuttavia, gli elementi fuori del servo-ciclo possono suonare (caricamento, componentistica vicina,…). Le risonanze Esterne sono visualizzate qui da una posizione di misurazione del vibrometro del laser di Polytec contro tempo.

Figura 8a.

AZoNano - Nanotecnologia - Input Shaping® elimina dallo lo squillo guidato da moto delle componenti fuori del servo-ciclo. Sistemandosi dopo il tempo di aumento completa dal ~ Fres-1 di t.

Figura 8b.res.-1

InputShaping® non richiede il feedback e non funziona con conoscenza a priori delle risonanze multiple in tutto il sistema. Con InputShaping®, il momento per un'estensione del sistema una posizione stabile è uguale a 1/f0 dove f0 che è la frequenza di risonanza più bassa che contribuisce all'instabilità nell'impostazione meccanica.

Accuratezza Statica o Dinamica?

La Risoluzione, le linearità e l'accuratezza sono conosciute per qualificare la prestazione statica di un sistema di moto. Tuttavia, nelle applicazioni dinamiche come lo scansione o tenere la carreggiata, le specifiche statiche sono insignificanti. Un modo comune misurare il comportamento dinamico è larghezza di banda. La Larghezza Di Banda specifica la risposta di ampiezza di un sistema nel dominio di frequenza. Ma l'accuratezza e la larghezza di banda statiche ancora non danno insieme alcun'indicazione di un'accuratezza dinamica del sistema per esempio quanto diritto le righe in un'applicazione di scansione saranno o fin dove fuori dalle posizioni che previste si trovano.

Per qualificare un sistema in queste applicazioni, i dati dell'obiettivo ed i dati reali di posizione per una forma d'onda data devono essere registrati e valutati. La differenza è chiamata dopo l'errore o il tracking error. Nei sistemi nanopositioning convenzionali di PZT con le progettazioni del servocomando di PID, il tracking error può raggiungere i valori a due cifre di percentuale anche alle frequenze di scansione sotto 10Hz e gli aumenti con frequenza.

È importante da capire, quello nelle applicazioni che nanopositioning dinamiche il tracking error è un parametro chiave. Gli avanzamenti Recenti nella progettazione del regolatore digitale al PI piombo ai metodi digitali adattabili specializzati della linearizzazione, riducenti gli errori dinamici nelle forme d'onda ripetitive dal regno del micron ai livelli indistinguibili, anche con l'attuazione dinamica ad alta frequenza sotto il caricamento (Fico 9a e 9b).

Regolatore Convenzionale di PID, sistema nanopositioning di PZT, risposta ad un segnale triangolare di scansione. Blu: posizione di obiettivo; rosso: posizione reale; verde: tracking error (10X per migliore visibilità)

Figura 9a.

Lo Stesso sistema nanopositioning, linearizzazione digitale adattabile. Blu: posizione di obiettivo e posizione reale (virtualmente la stessa). Rosso: il tracking error (100X per migliore visibilità) è diminuito da parecchi ordini di grandezza.

Figura 9b.

Cinematica Seriale o Parallela?

Nelle applicazioni nanopositioning ad alta velocità, quale microscopia di scansione, le piccole zone devono essere scandite in due dimensioni, con un terzo asse da gestire da un input esterno (per esempio la forza in AFM o dalla corrente in ATMOSFERE). Interlinea di Subnanometer e le frequenze di scansione delle centinaia di Hertz sono desiderabili in queste applicazioni. Il solo modo fattibile raggiungere questo è con la parallelo-cinematica, da fasi guidate da piezo-elettrica a circuito chiuso multiasse di flessione.

Piuttosto che impilando i subassiemi di unico asse, le fasi della parallelo-cinematica sono monolitiche, con gli azionatori che funzionano su una piattaforma centrale e mobile parallelamente (Fig. 10a). Non solo questo diminuisce significativamente l'inerzia, ma le frequenza di risonanza identiche dei rendimenti ed il comportamento dinamico sia nelle direzioni di Y che di X. L'Alternativa, assembly impilati provoca sempre la X differente contro comportamento di Y (le specifiche comunque pubblicate a volte non riescono a riflettere questo fatto fisico di base). La X coerente contro comportamento dinamico di Y è desiderabile per lo scansione accurato e rispondente e la prestazione tenere la carreggiata. L'uso dei sensori capacitivi misurare la piattaforma mobile monolitica significa che le asce ortogonali compensano automaticamente la distanza massima ed interferenza di ciascuno (controllo attivo di traiettoria, o metrologia diretta multiasse), mentre con la cinematica seriale, gli errori di distanza massima di diverse asce si accumulano. Per esempio, gli errori di inclinazione soltanto di μrad ±10 causato dalla piattaforma inferiore di una pila multiasse di pollice hypothetical-4 di fasi provocano un errore lineare di 2 μm alla piattaforma superiore. Altre imperfezioni della cinematica seriale nel nanopositioning sono alto-inerzia, più alto centro di gravità e fino a 5 cavi mobili che causano l'attrito e l'isteresi (Fig. 8b).

AZoNano - Nanotecnologia - fasi nanopositioning Impilate di due-asse della seriale-cinematica ha inerzia significativamente più alta, più alto centro di gravità e non può correggere gli errori di fuori asse. I cavi Mobili della piattaforma superiore inducono l'attrito e causano l'isteresi.

Figura 10a.

AZoNano - Nanotecnologia - progettazione Di Base di una fase nanopositioning di parallelkinematics monolitico di 3 DOF (X, Y, Teta-z) con le unità di PZT e le flessioni collegare EDM tagliate. I sensori di posizione Capacitivi (non indicati) direttamente misurano la piattaforma mobile centrale che compensa il moto di fuori asse minimo in tempo reale (controllo attivo di traiettoria). Ciò non è possibile con le progettazioni seriali della cinematica, secondo le indicazioni della Fig. 10a.

Figura 10b.

i sistemi avanzati di scansione di nanometro basati sulla cinematica parallela gestiscono tutti e 6 i gradi di libertà che compensano automaticamente il moto indesiderato dell'fuori de aereo come pure gli errori rotazionali indesiderati.

Ciò richiede la metrologia di moto parallelo e un regolatore digitale capace di trasformazione coordinata (Fig. 11a). Il risultato, una scansione di 100 x 100 μm con planarità /straightness di 1 nanometro è indicato nella Fig. 11b.

AZoNano - Nanotecnologia - regolatore digitale di asse di Punta Del Progresso 6 e scansione piezo-elettrico Eccellente su ordinazione del Invar 6D metrologia della fase (meccanici di parallelo-cinematica e moto parallelo).

Figura 11a. Regolatore digitale di asse di Punta Del Progresso 6 e scansione piezo-elettrico Eccellente su ordinazione del Invar 6D metrologia della fase (meccanici di parallelo-cinematica e moto parallelo).

AZoNano - Nanotecnologia - 6 fase nanopositioning di flessione di DOF PZT con la metrologia parallela multiasse di moto diretto fornisce informazioni istantanee su affatto parassitario al regolatore digitale per compensazione in tempo reale. I risultati eccellenti, 1 planarità di nanometro e rettitudine, epicted in questa scansione di 100 x 100 μm.

Figura 11b.

Migliori Spec. o Migliore Prestazione?

La discussione di cui sopra mostra che quello quantificare la prestazione di un sistema nanopositioning può essere molto complessa. Per trovare il più alto sistema nanopositioning d'esecuzione per un'applicazione (non quella con migliori spec. su documento), l'utente deve impegnarsi in un dialogo con il produttore e chiedere alle domande relative alla sua applicazione. Quando le risposte sondano troppo bello per essere vero, sono solitamente. Oltre a porre le domande pertinenti, è sempre interessante da scoprire quanto tempo un produttore è stato compreso nel nanopositioning, che sistema di controllo di qualità esiste, come le specifiche sono state misurate e che strumentazione è stata utilizzata.

Che Cosa Può Essere Istruito dall'Arresto delle Telecomunicazioni

In seguito alle Telecomunicazioni schianti, gli analisti e gli investitori stanno cercando i nuovi servizi di promessa e la nanotecnologia sembra essere uno di loro. Ecco perché vederemo le nuove società provare a fare una fortuna in materia. Le Partenze, sostenenti avere soluzioni nanopositioning rivoluzionarie, attireranno gli investitori nel fornire loro milioni di dollari. Non dimentichiamo che nelle Telecomunicazioni più di 99% dei concetti e delle idee rivoluzionari presto ha provato senza valore. La vera sfida si trova non nel concetto, ma nella produzione, rendimento e qualità coerente, dove unità consegnata dopo che l'unità consegnata esegue come pure il prototipo delicatamente montato, regolato dal direttore di macchina.

Poiché nanopositioning non è semplice come uno, due tre, solo le società con i gruppi con esperienza e ben attrezzati di produzione e di progettazione ed i sistemi provati di controllo di qualità potranno soddisfare le domande sempre crescenti del servizio. Le Loro specifiche di prodotto non possono sembrare sempre rivoluzionarie, ma sosterranno nell'ambiente di applicazione.

Autore Primario: Stefan Vorndran

Sorgente: Physik Instrumente

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

Last Update: 13. June 2013 06:42

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