Nanopositioning - Physik Instrumente 著平行運動学、実行中の弾道制御、振動抑制およびトラッキング誤差の除去を含む最近の前進

AZoM - 金属、製陶術、ポリマーおよび合成物 - Physik Instrumente のロゴ

カバーされるトピック

背景

解像度: 計算されるか、または測定されるか。

精密な動きは指導摩擦ではなくを必要とします

駆動機構についての何か。

センサー: 直接か間接動きの度量衡学か。

解像度か直線性か。

正確さか速度か。

静的かダイナミックな正確さか。

シリアルか平行運動学か。

最もよい Specs か最大のパフォーマンスか。

電気通信のクラッシュから博学である場合もある何が

背景

Nanopositioning はキーで nano 捺印、スキャン顕微鏡検査、 microlithography および自動化されたアラインメントの重要なフィールドの技術を可能にします。 ナノテクノロジーが専門語になってから、多くの micropositioning 装置は補入の簡単な平均によって nanopositioning システムに突然アップグレードされました。 ただし microworld のどんな作業が頻繁に nanoworld に適用しないか。

この technote は振動抑制およびトラッキング誤差の除去のための平行運動学、実行中の弾道制御、新しい制御アルゴリズムおよびユーザーのための利点のような nanopositioningg の技術の最近の進歩で、報告します。 さらに、ペーパーはいろいろ重大な問題を高性能 nanopositioning システムの買物をするとき動きシステム製造者に尋ねるために設計技師に与えます。

解像度: 計算されるか、または測定されるか。

解像度は異なった人々に異なった事を意味できます。 nanopositioning タームが鋳造されたときに、何人かの利発な会社は 「nanopositioners として広告しましたオープン・ループの、段階主導の leadscrew 装置を」。 正当化は 1 つ、 2 3 簡単でした: 0.4 mm の 20,000 の microsteps で境界の取得 leadscrew ピッチによっては解像度および変速機の比率 60 が自動車に乗り、装置 0.3 nm の解像度が」可能な 「来ます。 この頃は、ほとんどの設計技師はこの単純な式のためにもうころびません。 きのうのステッピングモーター駆動機構がクローズド・ループシステムと取替えられる間、時々直接駆動機構と、製造業者の要求頻繁に残ります illusive、今 「nanomath」によって単により前にバックアップされて自動車に乗ります: 解像度 = 補入の要因で分けられるエンコーダピッチ。

しかし、 nanopositioning システムはエンコーダおよび評論家回路よりからもっとたくさん成り、摩擦が複雑な、である限り (すべての滑るか、または転送ベアリング摩擦を作り出して下さい)、反復可能なナノメーターの範囲の動きを現実の世界の状態で達成することができません (摩擦がないソリッドステート動きについては図 1 を見て下さい)。 さらに、前述のベアリングの指導のエラーは頻繁にに microworld で、ない nanoworld のでナノメーター受諾可能な 1 つの間隔 1000 倍のなります。

本当の nanopositioning 装置はナノメーターの王国の摩擦がない動き、事実上即時の応答、高い直線性および剛さおよび弾道制御、副ナノメーターの解像度の上のすべて提供します。 慣習的な動き制御の技術がこれらの条件を満たしてない間、ソリッドステートアクチュエーター、たわみデザイン、複数の軸線の低慣性の平行の運動学、実行中の弾道制御および高い帯域幅の制御工学のフィールドの平行進歩はツールを位置、度量衡学、スキャンまたはアラインメントの問題を解決するためにナノテクノロジーのフィールドのエンジニアに与えます。

AZoNano - ナノテクノロジー - 三角駆動機構シグナルへの s の摩擦がないソリッドステート (オープン・ループ) piezo アクチュエーターの応答。 ソリッドステート PZT のアクチュエーターだけ即刻の応答およびバックラッシュとのこのようなスムーズなナノメーターの範囲の動きを、作り出すことができません。 振幅が ±6 ナノメーターだけであることに注目して下さい。

図 1。

spec シート、良く似た多くのシステム。 1 つはどのように最新式の nanopositioning システムを micropositioning 装置離れて告げ、か。

精密な動きは指導摩擦ではなくを必要とします

nanopositioning の最初のデザイン規則は摩擦が除去されなければならないことを言います。 これは球、ローラーまたは滑り軸受が付いているすべての装置を除外しま、空気ベアリングおよびたわみを残します。 たわみは動きを可能にするために固体材料の伸縮性がある変形 (曲ること) に頼る摩擦がない、 stictionless ヒンジそっくりの装置です。 空気ベアリングは長い旅行範囲にとって理想的ですが、通常扱いにくく、高い慣性作動して高いです (クリーンエアーの供給)。 それらに別の主要な不利な点があります: それらは nanopositioning アプリケーションの常に増加する番号の定めるところにより真空で、はたらきません。

たわみは、一方では短い旅行上の作業だけ、ほとんど nanopositioning の不利な点及びません! たわみ (図 2) は、きちんと設計されたら、非常に堅く、優秀な直線性および平坦を弾道制御に与え、摩耗を表わさないし、そして複数の軸線の整理で設計することができます。 それらはまた手入れ不要で、操業費用がありません。 これらの特性は nanopositioning の選択のたわみに指導のメカニズムをします。

AZoNano - ナノテクノロジー - 反アーチ状動きのたわみデザインの単一軸線の nanopositioning 段階。 最もよいたわみデザインは低いナノメーターの範囲の指導の精密を提供します。 実行中の弾道制御は更に指導の精密を改善できます。

図 2。

駆動機構についての何か。

再度、摩擦を作り出すどの駆動機構でも受諾可能ではないです。 Leadscrews の ballscrews は、超音波線形 piezo モーター駆動機構 (基づく摩擦) ミクロ以下の精密を越えることができません。 電磁石のリニアモーター、音声コイル駆動機構およびソリッドステート piezo アクチュエーターは最も広く使われた摩擦がない駆動機構です。 最初の 2 つはより大きい間隔のためうまくですが、低い帯域幅に終って磁場 (ebeam の石版印刷および他の多くのアプリケーションで耐えられない)、熱生成および穏健派の剛さおよび加速だけの不利な点が、あります。

圧電気 (頻繁に PZTs と呼出される図 3) は小さい間隔に限定されが、非常に堅く、そして非常に高い加速 (g) のミリ秒または副ミリ秒のステップおよび長いすおよび高いスキャンレートのための前提条件 10,000 まで達成します (今日、最もよい piezo 主導のたわみ導かれた段階に 10 の kHz の共振周波数があります)。

AZoNano - ナノテクノロジーポリマー絶縁されるよりもむしろ - は最新式 PZT のアクチュエーター陶磁器絶縁されます。 それらは拡張寿命を、厳しい状況下で提供し、真空アプリケーションのガス放出を表わしません。

図 3。

PZTs の農産物の磁場はそれらによって、影響を及ぼしましたではないです。 生産技術の最近の進歩は今湿気に真空アプリケーションのゼロガス放出の利点、無感応および増加された寿命を厳しい状況下で持って来るポリマー絶縁体のための必要性を除去します (図 4)。

AZoNano - ナノテクノロジー - ポリマー絶縁体が付いている慣習的な多層アクチュエーターによって比較される陶磁器の絶縁体 (最下のカーブ) が付いている PICMA のアクチュエーター。 PICMA のアクチュエーターは高湿度のテスト条件によって影響されません。 慣習的なアクチュエーター展示品は少数の時間だけ後に漏出流れを高めました。 漏出流れは絶縁体の品質および期待された寿命の徴候です。 テスト条件: U = 100 ボルト DC、 T = 25 °C、 rel。 湿気 = 70%

図 4。

センサー: 直接か間接動きの度量衡学か。

間接動きの度量衡学は安いですが、最新式に nanopositioning のために修飾しません。 そして当然、摩擦に基づくどのセンサーでも修飾しません。 間接度量衡学の例はアクチュエーターかたわみにです (動きの摩擦そしてエラー代りを誘導するたわみそれによりの緊張を測定する) 取付けられるモーターによって取付けられる回転式エンコーダおよび圧抵抗緊張センサー。

高性能 nanopositioning システムはアプリケーションに最も重要である動きを測定するために置かれる無接触直接度量衡学を用います。 直接度量衡学の例は容量性センサー、レーザーの干渉計および無接触光学の、インクレメンタルエンコーダです。

解像度か直線性か。

インクレメンタルエンコーダは長距離の測定のために優秀です。 ほとんどは 20、 10 か、 2 μm の耳障りなピッチにもっと最近基づいています。 そこにから出版された 10 か 5 nm の解像度に得るためには、補入は (すべての限定と) 必要となります。 多くのエンコーダがピッチの倍数で非常に線形の間、ナノメーターのスケールの直線性は、あらゆる傾き、動きの逆転によって引き起こされるように指導システムに駆動機構と同軸で取付けられなくてなお一層の増加エラー 20% 粗末である場合もあります (さらに図 5) は。 見落とされる何が頻繁にナノメーターの複数の 10 の順序の摩擦そしてヒステリシスを引き起こすことができるエンコーダの読書ヘッドの移動ケーブルによって誘導される小さい力はあります。 本当の nanopositioning プロセスのために、反復可能なナノメータースケールのステップ幅を必要として、よりよい解決があります。

AZoNano - ナノテクノロジー - は高解像のインクレメンタル線形エンコーダの直線性長距離に優秀です、しかし 1 つがナノメータースケールで期待するかもしれません何を頻繁にない。 上の例は小さい間隔に 100 nm および多くのエラーを示したものです (1 から 2 ミクロン)。

図 5。

レーザーの干渉計は位置の測定の受け入れられた標準です。 ただし、運営原則が原因で、ヘテロダイン干渉計の出力は完全に線形ではないです。 この非直線性はレーザ光線の分極の楕円率か nonorthogonality によって主に引き起こされ、光学の欠陥は非直線性に更に貢献できます。 最もよい商用化された干渉計はあるハイエンド nanopositioning アプリケーション (図 6) で十分によくない 2 から 5 ナノメーターの直線性を、提供します。 インターフェロメトリーおよび特別な装置の深遠な知識はフィードバックまたは口径測定装置として干渉計からよりよいパフォーマンスを、抜き出すために必要となります。

AZoNano - ナノテクノロジー - PI P-517 の nanopositioning 段階の直線性、ヘテロダイン干渉計によって提供される位置のフィードバック。

図 6。

高性能は絶対測定の 2 版の容量性センサーと実現されます (単一の電極の容量性センサーは nanopositioning のためにうってつけではないです)。 小さい範囲に最もよく働いて、それらはたわみによって導かれる PZT 駆動機構に完全なマッチです。 容量性センサーは EMI にで、の以下の解像度 0.1 nm を互換性がある、無感覚な非常にコンパクト、真空きちんと設計されたら、非常に高い直線性 (図 7a) に与えます。 絶対測定の主義が原因で、帰還プロシージャは必要となりし、評論家を限定する帯域幅がありまたは傾向があるカウンター回路は高速アプリケーションの動きを、またはべきで 「失いま」速いステップの終わりに発生するために鳴ります。 ハイエンド nanopositioning 段階は 1 ナノメーター、驚くほど図、 spec シートに置き非常に懸命に現実の世界で (図 7b) 達成し、証明しやすいの二方向の反復性を達成します。

AZoNano - ナノテクノロジー - 図 6 のと同じ nanopositioning 段階、しかし 2 版の容量性フィードバックと制御されて。

図 7a。

AZoNano - ナノテクノロジー - 最新式の干渉計によって測定される直接動きの度量衡学の容量性フィードバックを用いる最新式の閉じたループの piezo nanopositioning 段階の二方向の反復性。

最新式の干渉計によって測定される 7b.metrology 容量性フィードバックを計算して下さい

正確さか速度か。

今日の工業生産およびテストのプロセス、スループットおよび時間問題多く。 例えばヘッド/媒体の試験的応用では、 subnanometer のステップは行われる必要があり、新しい位置は達される必要があり、ミリ秒またはより少しの問題のナノメーターの許容に馬小屋を保持しました。 ステップおよび長いすプロセスを離れて剃られるあらゆるミリ秒は大きい金額の価値があります。

PZT 駆動機構は 10,000 g まで加速を提供でき、より少しにより 0.1 msec の入力に答えるために、頻繁にペイロードかサポート構造よりもっとのために設計されています。 nanopositioning 段階の超高速のステップ時はロードまたは近隣のコンポーネントの振動を刺激できます。 アプリケーションに、どれだけ速く位置の段階が停止できるがどれだけ速くによってロードが頻繁に見落される安定した位置の事実に達するか重要ではありません。 一般の通念は弱まるか、または待っていることのほかの、そのような振動について発生の外側位置方式のサーボループすることができる多くがないことを提案します。

現在、構造共鳴を除去するための新しいツールがあります。 特許を取られた、リアルタイムの正方向送りの技術は InputShaping® を呼出しました (図 8a の b) は TechPhysik Instrumente のデジタル piezo nanopositioning コントローラのマサチューセッツ協会の研究に基づいて開発されました

AZoNano - ナノテクノロジー - は Piezo 装置ミリ秒スケールのステップandsettle が可能です。 ただし、サーボループの外の要素は鳴るかもしれません (ロード、近隣の componentry、…)。 外部共鳴は Polytec レーザーの振動計の測定の位置によって対時間ここに視覚化されます。

図 8a。

AZoNano - ナノテクノロジー - は入力 Shaping® サーボループの外のコンポーネントの動き主導に鳴らを除去します。 立上り時間後の解決は t の ~ Fres-1 によって完了します。

図 8b.res-1

InputShaping® はフィードバックを必要としないし、システム全体の多重共鳴のアプリオリな知識を使用しません。 InputShaping® によって、システム範囲の時間安定した位置が 1/f0 と等しい機械セットアップの不安定な状態に貢献する最も低い共振周波数である f0。

静的かダイナミックな正確さか。

解像度、直線性および正確さは動きシステムの静的なパフォーマンスを修飾すると知られています。 ただし、スキャンまたは追跡のようなダイナミックなアプリケーションに、静的な指定は無意味です。 動的挙動を測定する共通の方法は帯域幅です。 帯域幅は周波数領域でシステムの振幅応答を指定します。 しかし例えばスキャンアプリケーションのラインがどのようにまっすぐにあるまたはどの位まで与えませんか静的な正確さおよび帯域幅はまだによってある期待された位置を離れて一緒にシステム動特性の正確さの徴候を。

ある特定の波形のためにこれらのアプリケーションのシステムを、ターゲットデータおよび実際の位置データは修飾するためには記録され、評価されなければなりません。 相違はエラーかトラッキング誤差の後で呼出されます。 PID のサーボ制御デザインの慣習的な PZT nanopositioning システムでは、トラッキング誤差は 10Hz の下でスキャンレートで二桁のパーセント値、および頻度の増加に達することができます。

理解することは重要トラッキング誤差が主パラメータのダイナミックな nanopositioning アプリケーションのそれです。 PI のデジタル制御装置デザインの最近の前進はミクロンの王国から高周波ダイナミックな作動を用いる indiscernible レベルにロード (図 9a、および 9b) の下で反復的な波形の動誤差を、減らす洗練された適応性があるデジタル線形化方法の原因となりました。

慣習的な PID のコントローラ、 PZT の nanopositioning システム、三角スキャンシグナルへの応答。 青: 目標位置; 赤: 実際の位置; 緑: トラッキング誤差 (よりよい可視性のための 10X)

図 9a。

同じ nanopositioning システム、適応性があるデジタル線形化。 青: 目標位置および実際の位置 (事実上同じ)。 赤: トラッキング誤差 (よりよい可視性のための 100X) は複数の一桁によって減ります。

図 9b。

シリアルか平行運動学か。

高速 nanopositioning アプリケーションでは、スキャン顕微鏡検査のような、小さい領域は外部入力 (AFM'S の例えば力または ATM の流れによって) 制御されて第 3 軸線が 2 つの次元で、スキャンされる必要があります。 Subnanometer の行送りおよび何百もの Hz のスキャンレートはこれらのアプリケーションで好ましいです。 これを達成する唯一の実行可能な方法は平行運動学、複数の軸線のクローズド・ループ piezo 主導のたわみの段階とあります。

単一軸線の小組立部品をスタックしてよりもむしろ、平行運動学の段階は中央の、移動プラットホームで並行して動作していてアクチュエーターが単一、です (図 10a)。 これはかなり X および Y の方向両方の慣性、収穫の同一の共振周波数および動的挙動しか減らしません。 代わりは別の X で、スタックされたアセンブリ対 Y の動作常に起因します (しかし出版された指定は時々この基本的な物理的な事実を反映しません)。 一貫した X は対 Y の動的挙動正確で、敏感なスキャンのために好ましいですおよび追跡パフォーマンス。 容量性センサーの使用は単一移動プラットホームを測定するシリアル運動学と、個々の斧のふれのエラーが集まる一方直角斧が自動的に互いのふれおよび混線 (実行中の弾道制御、または複数の軸線の直接度量衡学) 補正することを意味します。 例えば、段階の仮説的な4 インチの複数の軸線スタックの最下のプラットホームによって引き起こされる上のプラットホームで 2 つのμm の線形エラーで ±10 μrad だけの傾きのエラーは起因します。 nanopositioning のシリアル運動学の他の欠点は高慣性、より高い重心、および摩擦およびヒステリシス (図 8b) を引き起こす 5 つまでの移動ケーブルによりです。

AZoNano - ナノテクノロジー - にスタックされたシリアル運動学の二軸の nanopositioning 段階かなりより高い慣性、より高い重心があり、以外軸線のエラーを修正できません。 上のプラットホームの移動ケーブルは摩擦を誘導し、ヒステリシスを引き起こします。

図 10a。

AZoNano - ナノテクノロジー - PZT 駆動機構およびワイヤー EDM カットのたわみの単一 3 DOF (X、 Y のΘZ) の parallelkinematics の nanopositioning 段階の基本設計。 容量性位置センサーは (示されていない) 直接リアルタイム (実行中の弾道制御) の最もわずかな以外軸線の動きを補正する中央移動プラットホームを測定します。 これは図 10a に示すようにシリアル運動学デザインと可能、ではないです。

図 10b。

平行運動学に基づく最新式のナノメーターのスキャンシステムは自動的に不必要なの平面の動き、また不必要な回転エラーを補正する 6 つの自由度をすべて制御します。

これは並行運動の度量衡学および等位の変形 (図 11a) が可能なデジタル制御装置を必要とします。 結果は図 11b で、 1 nm の平坦 /straightness の 100 つ x 100 つのμm スキャン示されています。

AZoNano - ナノテクノロジー - 最新式 6 の軸線のデジタル制御装置およびカスタム極度のアンバー 6D の piezo スキャン段階 (平行運動学の機械工および並行運動度量衡学) の。

図 11a。 最新式 6 の軸線のデジタル制御装置およびカスタム極度のアンバー 6D の piezo スキャン段階 (平行運動学の機械工および並行運動度量衡学) の。

AZoNano - ナノテクノロジーリアルタイムの補償にデジタル制御装置に寄生で - は 6 複数の軸線の平行の直接動きの度量衡学を用いる DOF PZT のたわみの nanopositioning 段階即時情報を提供します。 優秀な結果、 1 nm の平坦および直線性はこの 100 つ x 100 つのμm スキャンで、 epicted。

図 11b。

最もよい Specs か最大のパフォーマンスか。

上記の議論はそれ nanopositioning システムのパフォーマンスの量を示すことが非常に複雑である場合もあることを示します。 アプリケーション (ペーパーの最もよい specs とのない 1) のための最も高い実行 nanopositioning システムを見つけるためには、ユーザーは製造業者とのダイアログで実行し、彼/彼女のアプリケーションに関連した質問をしなければなりません。 答えが本当であるには余りにもよく鳴るとき通常あります。 適切な質問の提起に加えて指定がどのように測定され、どんな装置が使用されたかどんな品質管理システムがきちんと整っているか、製造業者が nanopositioning かにどの位かかわったか調べることは価値があります常に。

電気通信のクラッシュから博学である場合もある何が

電気通信の影響でクラッシュして下さい、アナリストおよび投資家は新しく有望な市場を捜して、ナノテクノロジーはそれらの 1 つのようです。 こういうわけで私達は新しい会社をこのフィールドの幸運を作ることを試みることを見ます。 革命的な nanopositioning 解決を持つように要求する開始は何百万のドルをそれらに与えることに投資家を魅惑します。 電気通信で革命的な概念および考えの 99% 以上すぐに無益証明したことを忘れる。 真の挑戦は生産の概念に提供された単位が行った、また施設課長が最適化する穏やかにアセンブルされたプロトタイプ後ない、収穫一貫した品質、ところに提供された単位ありが。

1 つ、 2 3 程に簡単 nanopositioning がではないので、ベテラン、設備が整っているデザインおよび生産のチームおよび証明された品質管理システムを持つ会社だけが市場の常に生成する要求を満たせる。 製品仕様書は革命の常にようではないかもしれませんがアプリケーション環境で遅れます。

一次著者: ステファン Vorndran

ソース: Physik Instrumente

このソースのより多くの情報のために Physik Instrumente を訪問して下さい

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

Last Update: 13. June 2013 06:46

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit