Nanopositioning היא טכנולוגיה המאפשרת מפתח בתחומים חשובים של החתמה ננו, סריקה, מיקרוסקופיה microlithography ויישור אוטומטי. מאז ננוטכנולוגיה הפך Buzzword, הרבה מכשירים micropositioning יש פתאום שודרג מערכות nanopositioning באמצעים פשוטים של אינטרפולציה. עם זאת, מה עובד המיקרו לעתים קרובות אינו חל על nanoworld. זה TechNote דיווחים על התקדמות האחרונות nanopositioning טכנולוגיה גרם, כגון קינמטיקה במקביל, בקרת מסלול פעיל, אלגוריתמים שליטה חדשה לדיכוי רעידות חיסול שגיאה מעקב והיתרונות שלהם עבור המשתמש. בנוסף, העיתון מספק למהנדסים עם מגוון רחב של שאלות מפתח לשאול את מערכת הספקים תנועה כאשר קניות עבור בעל ביצועים גבוהים מערכת nanopositioning . רזולוציה: מחושב או נמדד? החלטה יכול להיות דברים שונים לאנשים שונים. כאשר המונח nanopositioning נטבע, מספר חברות חכם המפורסם לפתוח לולאה, צעד מונע מכשירים leadscrew כמו " nanopositioners ". הצידוק היה פשוט כמו אחת, שתיים שלוש: לקחת המגרש leadscrew של 0.4 מ"מ, לחלק בהחלטה microsteps 20,000 המנוע תיבת הילוכים יחס 60 ויוצא לו מכשיר "מסוגל" 0.3 ברזולוציה של ננומטר. כיום, מהנדסי ביותר אינם נופלים על המשוואה הזו פשוטה יותר. בעוד צעד של אתמול כוננים המנוע הוחלפו לולאה סגורה מערכות, לפעמים עם ישיר כונן מנועים, טענות היצרנים לעתים קרובות להישאר אשליה, מגובה כעת על ידי "nanomath" פשוט יותר מאשר לפני: רזולוציה = המגרש מקודד מחולק בפקטור אינטרפולציה. עם זאת, מערכת nanopositioning מורכב הרבה יותר מאשר מקודד ואת מעגל interpolator, וכל עוד חיכוך מעורב (וכל מסבים החלקה או גלגול לייצר חיכוך), תנועה הדיר טווח ננומטר לא ניתן להשיג בתנאים של העולם האמיתי (ראה איור. 1 עבור תנועה חיכוך מצב מוצק). בנוסף, המנחה טעויות של מסבים לעתים קרובות הסכום הנ"ל 1,000 פעמים המרחק של אחד ננומטר מקובל המיקרו, אבל לא ב nanoworld. נכון nanopositioning התקנים מספקים תנועה חיכוך, בתגובה מיידית כמעט, ליניאריות קשיחות גבוהה, שליטה מסלול בתחום ננומטר, על גבי כל החלטה משנה ננומטר. בעוד קונבנציונאלי תנועה שליטה בטכנולוגיות אינם מסוגלים לעמוד בדרישות אלה, התקדמות מקבילה בתחומי ומפעילים מצב מוצק, עיצוב כפף, רב ציר נמוך האינרציה קינמטיקה במקביל, בקרת מסלול פעיל רוחב פס גבוה שולטת הנדסה לספק מהנדסים בתחומים של ננוטכנולוגיה את הכלים כדי לפתור בעיות, מיצוב המטרולוגיה, סריקה או יישור שלהם.  באיור 1. תגובת המדינה של חיכוך מוצק (לפתוח לולאה) מפעיל piezo לאות כונן משולש. רק מצב מוצק ומפעילים PZT מסוגלים לייצר ננומטר טווח תנועה חלקה כמו זו, עם תגובה מיידית ואף חריפה. שים לב כי המשרעת היא רק ± 6 ננומטרים. על דף המפרט, מערכות רבים דומים. איך אפשר לספר את המדינה-of-the-art מערכת nanopositioning וכן מכשירים micropositioning בנפרד? Motion מדויק צרכים, הדרכת לא חיכוך הכלל הראשון בעיצוב nanopositioning אומר החיכוך צריך להתבטל. זה פוסל את כל המכשירים עם מיסבים, כדור גלילה או הזזה, עוזב מסבים אוויר flexures. כפף הוא חיכוך, מכשיר stictionless ציר דמוי מסתמך על העיוות אלסטי (כיפוף) של חומר מוצק כדי לאפשר תנועה. מסבים האוויר הם אידיאליים עבור טווחי נסיעה ארוכה, אבל הם בדרך כלל מגושמים, אינרציה גבוה ויקר לתפעול (אספקת אוויר נקי). יש להם עוד חיסרון גדול: הם אינם פועלים בחלל ריק, כפי שנדרש על ידי מספר גדל והולך של nanopositioning יישומים. Flexures, מצד שני רק לעבוד על טווחי נסיעה קצרה, בקושי חיסרון ב nanopositioning ! Flexures (איור 2), אם מתוכנן כראוי, הם נוקשים מאוד, מספקים שליטה מסלול עם יושר השטיחות מעולה, התערוכה לא ללבוש יכול להיות מעוצב רב ציר ההסדרים. הם גם תחזוקה חינם ואין להם עלויות התפעול. מאפיינים אלה הופכים flexures מנגנון המנחה של בחירה nanopositioning .  איור 2. ציר יחיד בשלב nanopositioning עם עיצוב אנטי מקושת תנועה כפף. עיצובים כפף הטובה ביותר לספק דיוק המנחה ננומטר טווח נמוך. בקרת מסלול פעילים יכולים לשפר דיוק המנחה. מה לגבי כוננים? שוב, כל כונן לייצר חיכוך לא מקובל. Leadscrews, ballscrews, גם קולי ליניארי piezo כוננים המנוע (מבוסס חיכוך) אינה יכולה לעבור דיוק submicron. אלקטרומגנטית מנועים ליניאריים, סליל קול כוננים מצב מוצק מפעילים piezo הם כוננים חיכוך הנפוץ ביותר. שתי הראשונות הן בסדר עבור מרחקים גדולים יותר, אבל יש את החסרונות של שדות מגנטיים (לא נסבל ליתוגרפיה ebeam ויישומים רבים אחרים), דור חום רק קשיחות האצה מתונה, וכתוצאה מכך רוחב פס נמוך. פיזואלקטריים (איור 3) PZTs מכונה לעתים קרובות, מוגבלים מרחקים קטנים אבל הם נוקשים מאוד להשיג תאוצה גבוהה מאוד (עד 10,000 ז), תנאי הכרחי צעד אלפית השנייה או תת אלפית השנייה ו-ליישב ושיעורי סריקה גבוהה (היום, מיטב piezo מונחה כפף מונחה שלבים יש תדר תהודה של kHz 10).  איור 3. המדינה-of-the-art ומפעילים PZT הם קרמיקה מבודדים ולא מבודדים פולימר. הם מציעים לכל החיים המורחבת, אפילו תחת תנאים קיצוניים ולהציג אין outgassing ביישומים ואקום. PZTs לא מייצרים שדות מגנטיים, וגם אינם מושפעים מהם. פריצת הדרך האחרונה בתחום טכנולוגיית הייצור עתה מבטלת את הצורך בידוד פולימר, להביא את היתרונות של outgassing אפס ביישומים ואקום, חוסר רגישות ללחות מוגברת בחיים גם בתנאים קיצוניים (איור 4).  איור 4. מפעילים PICMA עם בידוד קרמיקה (עקומות למטה) לעומת מפעילים multilayer קונבנציונלי עם בידוד פולימר. מפעילים PICMA אינם מושפעים מתנאי הבדיקה לחות גבוהה. מפעילים קונבנציונלי התערוכה הנוכחית דליפה מוגברת לאחר שעות ספורות בלבד. דליפה הנוכחית היא אינדיקציה של איכות בידוד החיים הצפויה. תנאי בדיקה: U = 100 V DC, T = 25 ° C, rel. לחות = 70% חיישנים: מטרולוגיה Motion ישיר או עקיף? המטרולוגיה תנועה עקיפה זול, אבל לא להעפיל המדינה-of-the-art nanopositioning . וכמובן, כל חיישן מבוסס על חיכוך אינה עונה על הדרישה או. דוגמאות של המטרולוגיה עקיף הם מנוע רכוב encoders רוטרי piezo-התנגדות חיישנים זן רכוב על מפעילים או flexures (מדידת מתח החיכוך-flexures ובכך גרימת ושגיאות, במקום תנועה). ביצועים גבוהים מערכות nanopositioning להעסיק המטרולוגיה ללא מגע ישיר, הניח למדוד תנועה בו החשוב ביותר ליישום. דוגמאות של המטרולוגיה ישיר הם חיישנים קיבולי, התאבכות לייזר ללא מגע אופטיות, encoders מצטבר. החלטה או ללינאריות? Encoders מצטבר מצוינים למרחקים ארוכים במדידות. רובם מבוססים על המגרש צורמת של 20, 10 או, ולאחרונה 2 מיקרומטר. כדי לקבל משם ברזולוציה של 10 או 5 שפורסם ננומטר, אינטרפולציה (עם כל מגבלותיו) נדרשת. בעוד אנקודרים ליניאריים רבים מאוד בכפולות של המגרש, ליניאריות בקנה מידה ננומטרי יכול להיות עניים 20% (איור 5) בנוסף, אם לא רכוב coaxially עם הכונן, להטות את כל המערכת המנחה, שנגרם על ידי היפוך תנועה יהיה להגביר עוד יותר את השגיאה. מה הוא לעתים קרובות התעלמו הם כוחות קטנים המושרה על ידי כבל הנע של קודאי לקריאה הראש אשר יכול לגרום חיכוך hysteresis בסדר גודל של כמה עשרות ננומטרים. במשך נכון nanopositioning תהליכים הדורשים הדיר בקנה מידה ננומטרי רוחבי צעד, יש פתרונות טובים יותר.  איור 5. ללינאריות של רזולוציה גבוהה encoders מצטבר ליניארי מצוין לאורך טווחי זמן, אבל לעתים קרובות לא מה שאפשר לצפות בקנה מידה ננומטר. הדוגמה לעיל מראה שגיאות של 100 ננומטר ועוד על פני מרחקים קטנים (1 עד 2 מיקרון). התאבכות בלייזר הם הסטנדרט המקובל למדידת עמדה. עם זאת, בשל עקרון ההפעלה שלה, את הפלט של interferometer אבוכי אינו ליניארי לחלוטין. הליניאריות זו נגרמת בעיקר על ידי סגלגלות או nonorthogonality הקיטוב של קרני לייזר, פגמים באופטיקה יכול עוד לתרום הליניאריות. מיטב התאבכות זמינים מסחרית לספק הליניאריות של 2 עד 5 ננומטר, לא מספיק טוב בחלק-high-end nanopositioning יישומים (איור 6). ידע מעמיק interferometry ציוד מיוחד נדרש כדי לקבל ביצועים טובים יותר מתוך interferometer, או כפי משוב או מכשיר כיול.  איור 6. ללינאריות של משוב P-517 בשלב nanopositioning, עמדה לצרכן המסופקים על ידי interferometer אבוכי. הביצועים הגבוהה ביותר מושגת עם מדידה מוחלטת, שני צלחת חיישנים קיבולי (חיישנים אלקטרודה בודדת קיבולי לא מתאימים גם עבור nanopositioning ). העבודה הטובה ביותר על פני טווחי קטן, הם התאמה מושלמת עבור כפף כוננים מודרך PZT. חיישנים Capacitive הם קומפקטי מאוד, ואקום תואם, רגישות EMI, ואם מתוכנן כראוי, מספקים ליניאריות גבוהה מאוד (איור 7 א) עם רזולוציה של 0.1 ננומטר ומטה. בשל עיקרון מדידת מוחלט, הליך לא ביות נדרש ואין interpolator הגבלת רוחב פס או מעגל תנועה נגדית נוטה "לאבד" ב מהירות גבוהה יישומים, או צלצול אמור להתרחש בסוף צעד מהיר. High-end בשלבים nanopositioning להשיג דו כיוונית הדירות של 1 ננומטר, מדהים דמות, פשוט לשים בסדין spec אבל קשה מאוד להשיג להוכיח (איור 7 ב) בעולם האמיתי.  איור 7 א. בשלב nanopositioning זהה באיור. 6, אך נשלט עם משוב קיבולי שני צלחת.  7b איור. Bi-directional הדירות של שלב המדינה-of-the-art לולאה סגורה piezo nanopositioning עם תנועה ישירה המטרולוגיה משוב קיבולי, נמדד עם interferometer המדינה-of-the-art. דיוק או מהירות? בתהליכים תעשייתיים של היום ייצור ובדיקה, התפוקה זמן חשובים יותר מאשר אי פעם בעבר. בראש / מדיה יישומים מבחן למשל, צעדים subnanometer צריך להתבצע ואת תפקיד חדש צריך להיות הגיע והחזיק יציב טולרנסים ננומטר ב עניין של אלפיות השנייה או פחות. אלפית השנייה בכל גילח את התהליך צעד ו-ליישב שווה סכום כסף גדול. כונני PZT יכול לספק והאצות עד 10,000 גרם ולהגיב תשומה פחות מ -0.1 מיקרו, לעתים קרובות יותר מטען או מבנים תומכים מיועדים. בפעם צעד מהירים של שלב nanopositioning יכול לרגש תנודות לטעון שלו או רכיבים השכנות. כדי היישום, זה לא משנה כמה מהר את השלב מיצוב יכול לעצור, אבל כמה מהר לטעון מגיע העמדה יציבה למעשה לעתים קרובות התעלמו. ההיגיון הבריא טוען כי מלבד דעיכת או לחכות, אין הרבה שאפשר לעשות על תנודות כאלה המתרחשים מחוץ מערכת המיקום של סרוו לולאה. כיום, קיים כלי חדש עבור ביטול תהודות מבניים. פטנט, בזמן אמת, להאכיל קדימה טכנולוגיה המכונה InputShaping ® (איור 8 א, ב) פותחה על בסיס מחקר במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס טק nology ממוסחרים ידי השזירה, Inc, InputShaping ® מבטלת תנועה מונחה עירור של תהודות בכל המערכת, כולל fixturing כל componentry עזר. עכשיו זה אופציה משולבת האחרונה פיזיק Instrumente דיגיטלי piezo nanopositioning בקרי.  איור 8 א. Piezo מכשירים המסוגלים andsettle צעד אלפית השנייה בקנה מידה. עם זאת, גורמים מחוץ לזירה עשויה סרוו לולאה (עומס, componentry השכנות, ...). תהודות חיצוניים הם דמיינו כאן על ידי vibrometer Polytec לייזר למדידת עמדה נגד הזמן.  איור 8b. ® קלט עיצוב בתנועה מבטלת מונחה צלצול של רכיבים מחוץ לולאה סרוו. יישוב אחר פעם עלייה משלים על ידי t ~ F מיל -1. InputShaping ® אינו מחייב משוב ועובד עם ידע אפריורי של מרובות תהודות בכל המערכת. עם InputShaping ®, זמן למערכת להגיע עמדה יציבה שווה 1/f0 שם f0 להיות תדר התהודה הנמוך תורם יציבות ההתקנה מכני. סטטי או דינמי דיוק? , רזולוציה ליניאריות ודיוק ידועים להעפיל את הביצועים סטטי של מערכת התנועה. עם זאת, יישומים דינמיים כגון סריקה או מעקב, מפרטים סטטי הן חסרות משמעות. הדרך המקובלת למדוד התנהגות דינמית היא רוחב הפס. רוחב פס מציין את תגובת משרעת של מערכת בתחום התדר. אבל דיוק סטטי רוחב פס ביחד עדיין לא נותן שום אינדיקציה למשל דיוק דינמי של מערכת איך ישר הקווים יישום סריקה תהיה או כמה רחוק את העמדות צפוי הם משקרים. כדי להעפיל מערכת ביישומים אלה, נתונים היעד נתוני המיקום בפועל עבור waveform נתון חייב להיות מוקלט ומוערכת. ההבדל הוא נקרא השגיאה הבאה שגיאה או מעקב. ב קונבנציונאלי PZT nanopositioning מערכות סרוו עם שליטה עיצובים PID, השגיאה מעקב יכול להגיע דו ספרתית ערכי אחוז אפילו סריקה שיעורי להלן 10Hz, ומגבירה את תדירות. חשוב להבין, כי דינמי nanopositioning יישומים השגיאה מעקב הוא פרמטר מרכזי. התפתחויות אחרונות בעיצוב בקר דיגיטלי לצרכן הובילו אדפטיבית בשיטות מתוחכמות לינאריזציה דיגיטלית, הפחתת טעויות דינמי גל חוזרות מתחום מיקרון לרמות סמוי, אפילו עם actuation בתדירות גבוהה דינמי תחת עומס (איור 9 א, 9 ב ו).  איור 9 א. הבקר PID קונבנציונלי, מערכת PZT nanopositioning, בתגובה אות סריקה משולש. כחול: מיקום היעד; אדום: המיקום בפועל; ירוק: שגיאה מעקב (10X בשביל ראות טובה יותר).  איור 9 ב. מערכת nanopositioning אותו, לינאריזציה אדפטיבית דיגיטלית. כחול: מיקום היעד ואת המיקום בפועל (כמעט זהה). אדום: שגיאה מעקב (100x עבור ראות טובה יותר) הוא מופחת על ידי צווים שונים של גודל. קינמטיקה טורית או מקבילית? בשנת במהירות גבוהה nanopositioning יישומים, כגון מיקרוסקופיית, אזורים קטנים צריכים להיות סרוקים בשני ממדים, עם ציר 3 כדי להיות נשלט על ידי קלט חיצוני (למשל, כוח או AFM של הנוכחי של כספומט). קו subnanometer המרווח ושיעורי סריקה של מאות Hz רצויות ביישומים אלה. הדרך היחידה האפשריים על מנת להשיג זאת היא עם מקבילות קינמטיקה, רב ציר לולאה סגורה piezo מונחה בשלבים כפף. במקום לערום יחיד ציר subassemblies, בשלבים מקבילות קינמטיקה הם מונוליטי, עם מפעילים הפועלים על פלטפורמת, מרכזי נע במקביל (איור 10a). לא זו בלבד להפחית באופן משמעותי את האינרציה, אבל התשואות תדר תהודה זהים התנהגות דינמית הן X ו Y כיוונים. אלטרנטיבי, מכלולים מוערמים תמיד התוצאה שונה התנהגות X Y לעומת (אם כי מפרטים שפורסמו לפעמים מצליחים לשקף את העובדה הזו גופנית בסיסית). עקבי X לעומת Y התנהגות דינמית רצוי לביצוע סריקה ומעקב מדויק ומגיב. השימוש חיישנים קיבולי למדוד את פלטפורמת העברת מונוליטי כלומר צירים אורתוגונליים אוטומטית לפצות runout אחד את השני ושל crosstalk (שליטה מסלול פעיל, או רב ציר המטרולוגיה ישיר), ואילו עם קינמטיקה סדרתי, טעויות runout של צירים בודדים מצטברים. לדוגמה, שגיאות רק הטיה של ± 10 μrad הנגרמת על ידי פלטפורמת התחתון של ערימת היפותטי-4 רב ציר שעל התוצאה שלבים טעות 2 מיקרומטר ליניארי ברציף העליון. חסרונות אחרים של קינמטיקה סדרתי nanopositioning הם אינרציה גבוהה, מרכז הכובד גבוה יותר, עד 5 כבלים נע גורם החיכוך hysteresis (8b איור).  איור 10 א. Stacked סדרתי, קינמטיקה שני ציר שלבים nanopositioning יש אינרציה גבוהה יותר באופן משמעותי, מרכז הכובד גבוה יותר ולא ניתן לתקן את ציר עבור שגיאות. כבלי העברת הפלטפורמה העליונה לגרום חיכוך hysteresis לגרום.  איור 10b. עיצוב בסיסי של מונוליטית 3 DOF (X, Y, Z-Theta) קינמטיקה מקביל לשלב nanopositioning עם כוננים PZT וחוטי-EDM לחתוך flexures. חיישני מיקום Capacitive (לא מוצג) ישירות למדוד את פיצוי פלטפורמה מרכזית נע בתנועה מחוץ ציר קל בזמן אמת (שליטה מסלול פעיל). זה לא אפשרי עם עיצובים קינמטיקה סדרתי, כפי שמוצג באיור. 10a. המדינה-of-the-art מערכות סריקה ננומטר מבוסס על קינמטיקה במקביל לשלוט בכל 6 דרגות חופש באופן אוטומטי פיצוי תנועה מחוץ למטוס לא רצויות, כמו גם טעויות הסיבוב רצויות. זה דורש המטרולוגיה תנועה מקבילים בקר דיגיטלי מסוגל לתאם שינוי (איור 11 א). התוצאה, 100 x 100 מיקרומטר לסרוק עם שטיחות / יושר של 1 ננומטר מוצג באיור. 11b.  איור 11 א. המדינה-of-the-art 6 ציר בקר דיגיטלי אישית סופר Invar 6d piezo הבמה סריקה (מקבילות מכניקה קינמטיקה המטרולוגיה תנועה מקבילים).  איור 11b. 6 DOF PZT הבמה כפף nanopositioning עם המטרולוגיה תנועה מקבילים רב ציר ישיר מספקת מידע מיידי על כל טפילי לבקר דיגיטלי פיצוי בזמן אמת. התוצאות מצוינות, 1 שטיחות ננומטר יושר, הם epicted הזה לסרוק 100 x 100 מיקרומטר. הטוב ביותר מפרט או הביצועים הטובים ביותר? הדיון לעיל מראה כי לכימות את הביצועים של מערכת nanopositioning יכול להיות מאוד מורכב. כדי למצוא את הביצועים הגבוהים ביותר במערכת nanopositioning עבור יישום (לא זה עם המשקפיים הטובה ביותר על הנייר), המשתמש צריך לעסוק שיח עם היצרן לשאול את השאלות הרלוונטיות לבקשה שלו או שלה. כאשר התשובות נשמע טוב מכדי להיות אמיתי, הם בדרך כלל. בנוסף פוזות השאלות הרלוונטיות, זה תמיד כדאי לברר כמה זמן יצרנית מעורב nanopositioning , מה מערכת בקרת האיכות נמצאת במקום, מפרטים כיצד נמדדו, ומה הציוד היה בשימוש. מה ניתן ללמוד מן קראש טלקום בעקבות ההתרסקות הטלקום, אנליסטים ומשקיעים מחפשים שווקים מבטיחים חדשים, ננוטכנולוגיה כנראה אחד מהם. זו הסיבה מדוע אנו רואים חברות חדשות בניסיון לעשות הון בתחום זה. חברות הזנק, הטוען כי מהפכני פתרונות nanopositioning , יהיה לפתות משקיעים לתוך לספק להם מיליוני דולרים. בוא לא נשכח כי טלקום יותר מ 99% של מושגים ורעיונות מהפכניים בקרוב הוכיח ערך. האתגר האמיתי טמון לא בתפיסה, אבל איכות הייצור, תפוקה ועקבית, שם נמסר יחידה אחרי יחידה נמסר מבצעת, כמו גם אב טיפוס התאספו בעדינות, מכויל על ידי המהנדס הראשי. מכיוון nanopositioning הוא לא פשוט כמו אחת, שתיים שלוש חברות בלבד עם עיצוב, מנוסה מאובזר צוותי הייצור, הוכח מערכות בקרת איכות יוכלו לספק את הדרישות גדל והולך של השוק. מפרט המוצר שלהם לא תמיד נראה מהפכני, אבל תחזיק מעמד בסביבת היישום. |