Nanopositioning - Recente Vooruitgang met inbegrip van Parallelle Kinematica, de Actieve Controle van de Baan, de Afschaffing van de Trilling en de Volgende Verwijdering van de Fout door Physik Instrumente

AZoM - Metalen, keramiek, polymeren en samenstellingen - het embleem van Physik Instrumente

Besproken Onderwerpen

Achtergrond

Resolutie: Berekend of Gemeten?

De Nauwkeurige Motie Vergt Begeleiding, Niet Wrijving

Wat over Aandrijving?

Sensoren: De Directe of Indirecte Metrologie van de Motie?

Resolutie of Lineariteit?

Nauwkeurigheid of Snelheid?

Statische of Dynamische Nauwkeurigheid?

Periodieke of Parallelle Kinematica?

Beste Bril of Beste Prestaties?

Wat van de Neerstorting van Telecommunicatie Kan worden Geleerd

Achtergrond

Nanopositioning is een zeer belangrijke machtigingstechnologie op het belangrijke gebied van nano-stempelt, de aftastende microscopie, microlithography en geautomatiseerde groepering. Aangezien de nanotechnologie een modewoord werd, zijn vele micropositioning apparaten plotseling bevorderd aan het nanopositioning van systemen door de eenvoudige middelen van interpolatie. Nochtans, is wat in microworld zeer vaak werkt niet op nanoworld van toepassing.

Dit technote meldt over recente vorderingen in nanopositioninggtechnologie, zoals parallelle kinematica, actieve baancontrole, nieuwe controlealgoritmen voor trillingsafschaffing en volgende foutenverwijdering en hun voordelen voor de gebruiker. Bovendien voorziet het document ontwerpingenieurs van een verscheidenheid van zeer belangrijke vragen om de leveranciers van het motiesysteem te vragen wanneer het winkelen voor een krachtig nanopositioning systeem.

Resolutie: Berekend of Gemeten?

De Resolutie kan verschillende dingen aan verschillende mensen betekenen. Toen term het nanopositioning werd gemunt, adverteerden een aantal knappe bedrijven open-loop, stepper-gedreven leadscrew apparaten als „nanopositioners.“ De rechtvaardiging was zo eenvoudig zoals één, twee drie: neem leadscrew hoogte van 0.4 mm, verdeel door resolutie en versnellingsbakverhouding 60 van de 20.000 microstepsmotor en komt uit een apparaat „geschikt“ voor 0.3 NM- resolutie. Tegenwoordig, meer vallen de meeste ontwerpingenieurs niet voor deze eenvoudige vergelijking. Terwijl yesterday stepper motoraandrijving door closed-loop systemen, soms met direct-aandrijvingsmotoren is vervangen, blijven de eisen van fabrikanten vaak illusive, nu gesteund door „nanomath“ eenvoudiger dan vóór: resolutie = codeurhoogte door interpolatiefactor die wordt verdeeld.

Maar Toch bestaat een nanopositioning systeem uit a lot more dan een codeur en inlasserkring, en zolang de wrijving (en al het glijden of het rollen wrijving van de lagersopbrengst) wordt geïmpliceerd, kan de herhaalbare motie van de nanometerwaaier niet in echte wereldvoorwaarden (zie Fig. 1 voor frictionless motie in vaste toestand) worden bereikt. Bovendien bedragen de leidende fouten van de bovengenoemde lagers vaak 1000 keer de afstand van één nanometer-aanvaardbaar in microworld, maar niet in binnen nanoworld.

De Ware nanopositioning apparaten verstrekken frictionless motie, vrijwel onmiddellijke reactie, hoge lineariteit en stijfheid, en baancontrole in het nanometerkoninkrijk, allen bovenop sub-nanometerresolutie. Terwijl conventionele de motie-controle technologieën aan deze vereisten niet kunnen voldoen, voorzien de parallelle vorderingen op het gebied van actuators in vaste toestand, buigingsontwerp, multi-axis laag-inertie parallelle kinematica, actieve baancontrole en de hoge techniek van bandbreedtecontroles ingenieurs op het gebied van nanotechnologie van de hulpmiddelen om hun het plaatsen, metrologie, aftasten of groeperingsproblemen op te lossen.

AZoNano - Nanotechnologie - Reactie van s frictionless (open circuit) piezo actuator in vaste toestand op een driehoekig aandrijvingssignaal. Slechts PZT kunnen actuators in vaste toestand de vlotte motie van de nanometerwaaier als dit, met onmiddellijke reactie en geen weerslag veroorzaken. Merk op dat de omvang slechts ±6 nanometers is.

Figuur 1.

Voor een specificatieblad, vele gelijkaardige systemen. Hoe kan één een overzichts nanopositioning systeem en micropositioning apparaten apart vertellen?

De Nauwkeurige Motie Vergt Begeleiding, Niet Wrijving

De eerste ontwerpregel in het nanopositioning zegt de wrijving moet worden geëlimineerd. Dit sluit alle apparaten met bal, rol of glijdende lagers uit, verlatend luchtlagers en buigingen. Een buiging is een frictionless, stictionless scharnier-als apparaat dat op de elastische misvorming (verbuiging) van een stevig materiaal vertrouwt om motie toe te laten. De lagers van de Lucht zijn ideaal voor lange reiswaaiers, maar zij zijn gewoonlijk omvangrijke, hoge inertie en duur te werken (schone luchtlevering). Zij hebben een ander belangrijk nadeel: zij werken niet in een vacuüm, zoals vereist in een steeds groter aantal van het nanopositioning van toepassingen.

De Buigingen, anderzijds slechts het werk over korte reis strekt zich, nauwelijks een nadeel in het nanopositioning uit! Buigingen (Fig. 2), als behoorlijk ontworpen, zijn zeer stijf, voorzien baancontrole van uitstekende eerlijkheid en vlakheid, stellen geen slijtage tentoon en kan in multi-axis regelingen worden ontworpen. Zij zijn ook vrij onderhoud en hebben geen bedrijfskosten. Deze kenmerken maken tot buigingen het leidende mechanisme van keus in het nanopositioning.

AZoNano - Nanotechnologie - het nanopositioning stadium van de enig-As met het ontwerp van de anti-boogvormig-motiebuiging. De beste buigingsontwerpen verstrekken leidende precisie in de lage nanometerwaaier. De Actieve Controle van de Baan kan leidende precisie verder verbeteren.

Figuur 2.

Wat over Aandrijving?

Opnieuw, is om het even welke aandrijving die wrijving veroorzaken niet aanvaardbaar. Leadscrews, ballscrews, zelfs ultrasone lineaire piezo motoraandrijving (gebaseerde wrijving) kan submicron geen precisie overtreffen. De Elektromagnetische lineaire motoren, de aandrijving van de stemrol en piezo actuators in vaste toestand zijn de het meest meestal gebruikte frictionless aandrijving. Eerste twee zijn fijn voor grotere afstanden, maar hebben de nadelen van niet verdraaglijke magnetisch velden (in ebeamlithografie en veel andere toepassingen), hittegeneratie en slechts gematigde stijfheid en versnelling, die in een lage bandbreedte resulteren.

Piezoelectric (Fig. 3) vaak geroepen PZTs, is beperkt tot kleine afstanden maar is uiterst stijf en bereikt zeer hoge versnellingen (tot 10.000 g), een eerste vereiste voor milliseconden of sub-millisecondenstap en regelt en hoge aftastentarieven (vandaag, hebben de het best piezo-gedreven buiging-geleide stadia resonerende frequenties van kHz 10).

AZoNano - Nanotechnologie - actuators van het Overzicht PZT is ceramisch-geïsoleerd eerder dan polymeer-geïsoleerd. Zij bieden uitgebreid leven, zelfs in de extreme omstandigheden aan en stellen geen outgassing in vacuümtoepassingen tentoon.

Figuur 3.

De opbrengsmagnetisch velden van PZTs noch, noch worden zij beïnvloed door hen. Een recente doorbraak in productietechnologie elimineert nu de behoefte aan polymeerisolatie, die de voordelen van nul outgassing in vacuümtoepassingen, ongevoeligheid aan vochtigheid en verhoogd leven brengen zelfs in de extreme omstandigheden (Fig. 4).

AZoNano - Nanotechnologie - Actuators PICMA met ceramische die isolatie (bodemkrommen) met conventionele multilayer actuators met polymeerisolatie wordt vergeleken. Actuators PICMA worden niet beïnvloed door de hoge voorwaarden van de vochtigheidstest. Het Conventionele Actuators tentoongestelde voorwerp verhoogde lekkagestroom na slechts een paar uren. De stroom van de Lekkage is een aanwijzing van isolatiekwaliteit en verwacht leven. De voorwaarden van de Test: U = 100 V GELIJKSTROOM, T = 25 °C, rel. vochtigheid = 70%

Figuur 4.

Sensoren: De Directe of Indirecte Metrologie van de Motie?

De Indirecte motiemetrologie is goedkoop, maar kwalificeert niet voor overzicht het nanopositioning. En natuurlijk, ook niet kwalificeert om het even welke die sensor op wrijving wordt gebaseerd niet. De Voorbeelden van indirecte metrologie zijn motor opgezette roterende codeurs en piezo-resistive spanningssensoren opgezet op actuators of buigingen die (de spanning van de buiging-daardoor veroorzakende wrijving en fout-in plaats daarvan van de motie meten).

De Krachtige nanopositioning systemen wenden niet-contact directe die metrologie aan, aan maatregelenmotie wordt geplaatst waar het het meest aan de toepassing van belang is. De Voorbeelden van directe metrologie zijn capacitieve sensoren, laserinterferometers en niet-contact optische, stijgende codeurs.

Resolutie of Lineariteit?

De Stijgende codeurs zijn uitstekend voor metingen over lange afstand. De Meesten zijn meer onlangs gebaseerd op een grating hoogte van 20, 10 of, 2 μm. Om van daar aan de gepubliceerde 10 of 5 NM- resolutie te worden, wordt de interpolatie (met al zijn beperkingen) vereist. Terwijl vele codeurs bij veelvouden van de hoogte zeer lineair zijn, kan de lineariteit bij de nanometerschaal zo slecht zijn zoals 20% (Fig. 5) Bovendien als coaxiaal opgezet niet met de aandrijving, wordt veroorzaakt zal om het even welke schuine stand in het leidende systeem, zoals die door motieomkering verdere verhoging de fout. Wat vaak wordt overzien zijn de kleine die krachten door de bewegende kabel van een codeur belezen-hoofd worden veroorzaakt dat wrijving en hysterese op de orde van verscheidene tientallen nanometers kan veroorzaken. Voor ware nanopositioning processen, die herhaalbare nanometer-schaal stapbreedten vereisen, zijn er betere oplossingen.

AZoNano - Nanotechnologie - Lineariteit van high-resolution stijgende lineaire codeurs is uitstekend over lange waaiers, maar vaak niet wat men op een nanometer-schaal zou kunnen verwachten. Het bovengenoemde voorbeeld toont fouten van 100 NM en meer over kleine afstanden (1 tot 2 microns).

Figuur 5.

De interferometers van de Laser zijn de toegelaten norm in positiemeting. Nochtans, wegens zijn werkend principe, is de output van een heterodyneinterferometer niet volkomen lineair. Dit niet lineair zijn wordt veroorzaakt hoofdzakelijk door polarisatieellipticiteit of nonorthogonality van de laserstralen, en de onvolmaaktheden in de optica kunnen verder tot het niet lineair zijn bijdragen. De beste in de handel verkrijgbare interferometers verstrekken lineariteit van 2 tot 5 nanometers, niet goed genoeg in sommige high-end nanopositioning toepassingen (Fig. 6). De Diepgaande kennis van interferometry en speciale apparatuur wordt vereist om betere prestaties uit een interferometer te krijgen, of aangezien of kaliberbepalingsapparaat terugkoppel.

AZoNano - Nanotechnologie - Lineariteit van een nanopositioning stadium van PI p-517, positie koppelt verstrekt door heterodyneinterferometer terug.

Figuur 6.

De hoogste prestaties worden bereikt met het absolute meten, two-plate capacitieve sensoren (de enige elektroden capacitieve sensoren zijn niet passend om nanopositioning). Het best Werkend over kleine waaiers, zijn zij een perfecte gelijke voor buiging geleide aandrijving PZT. De Capacitieve sensoren zijn zeer compact, vacuüm compatibel, ongevoelig aan EMI en, indien behoorlijk ontworpen, voorzien uiterst hoge lineariteit (Fig. 7a) van resolutie van 0.1 NM en hieronder. wegens het absolute het meten principe, wordt geen het automatisch besturen procedure vereist en er is geen bandbreedte die inlasser of naar voren gebogen tegenkring beperken motie in hoge snelheidstoepassingen „verliezen“, of indien bellend aan het eind van een snelle stap voorkomen. High-end bereiken de nanopositioning stadia tweerichtingsherhaalbaarheid van 1 nanometer, een verbazingwekkend cijfer, eenvoudig om een specificatieblad zeer hard aan te brengen maar te bereiken om en (Fig. 7b) in de echte wereld te bewijzen.

AZoNano - Nanotechnologie - Zelfde nanopositioning stadium zoals in Fig. 6, maar gecontroleerd met two-plate capacitief koppelt terug.

Cijfer 7a.

AZoNano - Nanotechnologie - Tweerichtingsherhaalbaarheid van een overzicht gesloten lijn piezo nanopositioning stadium met directe capacitieve motiemetrologie koppelt terug, gemeten met overzichtsinterferometer.

Capacitieve 7b.metrology van de Figuur koppelen terug, gemeten met overzichtsinterferometer.

Nauwkeurigheid of Snelheid?

In de industriële productie van vandaag en testende processen, meer dan ooit voordien van belang zijn de productie en de tijd. In hoofd/media testtoepassingen bijvoorbeeld, moeten de subnanometerstappen worden uitgevoerd en een nieuwe positie moet worden bereikt en hield stal aan nanometertolerantie in een kwestie van milliseconden of minder. Elke die milliseconde van wordt geschoren stap-en-regelt proces waard is een grote som geld.

De aandrijving PZT kan versnellingen verstrekken tot 10.000 g en aan input in minder dan 0.1 msec antwoorden, vaak meer dan de nuttige lading of de ondersteunende structuren worden ontworpen voor. De ultrasnelle staptijd van het nanopositioning stadium kan trillingen in zijn lading of naburige componenten opwekken. Aan de toepassing, is het van belang hoe snel het plaatsende stadium kan ophouden, maar geen hoe de lading snel stabiel een positie-vaak overzien feit bereikt. De Conventionele wijsheid stelt voor dat naast bevochtiging of wachten, er niet veel zijn die over dergelijke trillingen kan worden gedaan die buiten de plaatsende servo-lijn van het systeem voorkomen.

Vandaag, is er een nieuw hulpmiddel om structurele resonanties te elimineren. Een gepatenteerd, in real time voer vooruit technologie geroepen InputShaping® (Fig. 8a, B) werd ontwikkeld gebaseerd bij het onderzoek bij het Instituut van Massachusetts van de digitale piezo nanopositioning controlemechanismen van TechPhysik Instrumente.

AZoNano - Nanotechnologie - Piezo apparaten is geschikt voor milliseconde-schaal stap-andsettle-stapt. Nochtans, kunnen de elementen buiten de servo-lijn bellen (lading, naburige componentry,…). De Externe resonanties worden hier door een Polytec laservibrometer gevisualiseerd die positie versus tijd meten.

Cijfer 8a.

AZoNano - Nanotechnologie - Ingevoerde Shaping® elimineert hetgedreven bellen van componenten buiten de servo-lijn. Het Regelen na stijgingstijd voltooit door t ~ fres-1.

Figuur 8b.res.-1

InputShaping® vereist niet terugkoppelt en de werken met a priori kennis van veelvoudige resonanties door het systeem. Met InputShaping®, is de tijd voor een systeembereik een stabiele positie gelijk aan 1/f0 waar f0 zijnd de laagste resonerende frequentie die tot instabiliteit in de mechanische opstelling bijdragen.

Statische of Dynamische Nauwkeurigheid?

De Resolutie, de lineariteit en de nauwkeurigheid zijn gekend om de statische prestaties van een motiesysteem te kwalificeren. Nochtans, in dynamische toepassingen zoals het aftasten of het volgen, zijn de statische specificaties zonder betekenis. Een gemeenschappelijke manier om dynamisch gedrag te meten is bandbreedte. De Bandbreedte specificeert de omvangreactie van een systeem in het frequentiedomein. Maar de statische nauwkeurigheid en de bandbreedte samen nog geven geen aanwijzing van de dynamische nauwkeurigheid van een systeem b.v. hoe rechtstreeks de lijnen in een aftastentoepassing zullen zijn of hoe ver van de verwachte posities zij liggen.

Om een systeem in deze toepassingen te kwalificeren, moeten de doelgegevens en de daadwerkelijke positiegegevens voor een bepaalde golfvorm worden geregistreerd en worden geëvalueerd. Het verschil wordt geroepen na fout of het volgen fout. In conventionele nanopositioning systemen PZT met PID servobesturingsontwerpen, kan de het volgen fout percentagewaarden met tientallen zelfs aan aftastentarieven onder 10Hz, en verhogingen met frequentie bereiken.

Het is belangrijk om te begrijpen, dat in dynamische nanopositioning toepassingen de het volgen fout een zeer belangrijke parameter is. De Recente vooruitgang in digitaal controlemechanismeontwerp bij heeft PI geleid tot verfijnde aanpassings digitale linearization methodes, die dynamische fouten in herhaalde golfvormen van het micronkoninkrijk verminderen op niet te onderscheiden niveaus, zelfs met dynamische aandrijving met hoge frekwentie onder lading (Fig. 9a, en 9b).

Conventioneel PID controlemechanisme, PZT nanopositioning systeem, reactie op een driehoekig aftastensignaal. Blauw: doel positie; rood: daadwerkelijke positie; groen: het volgen fout (10X voor beter zicht)

Cijfer 9a.

Zelfde nanopositioning systeem, aanpassings digitale linearization. Blauw: doel positie en daadwerkelijke positie (vrijwel het zelfde). Rood: het volgen de fout (100X voor beter zicht) wordt verminderd door verscheidene grootteordes.

Cijfer 9b.

Periodieke of Parallelle Kinematica?

In hoge snelheids nanopositioning toepassingen, zoals de aftastenmicroscopie, moeten de kleine gebieden in twee afmetingen, met een 3de as worden afgetast dat door een externe input (b.v. de kracht in AFM of stroom in atm's) moet worden gecontroleerd. De lijn van Subnanometer het uit elkaar plaatsen en aftasten de tarieven honderden Herz zijn wenselijk in deze toepassingen. De enige uitvoerbare manier om dit te bereiken is met parallel-kinematica, multi-axis closed-loop piezo-gedreven buigingsstadia.

Eerder dan het stapelen van enig-asdeelverzamelingen, zijn de parallel-kinematicastadia monolithisch, met actuators die op een centraal, bewegend platform tegelijkertijd werken (Fig. 10a). Niet alleen vermindert dit beduidend inertie, maar brengt identieke resonerende frequenties en dynamisch gedrag in zowel de richtingen van X als van Y op. De Alternatieve, gestapelde assemblage resulteert altijd in verschillend X versus het gedrag van Y (hoewel de gepubliceerde specificaties soms er niet in slagen om op dit fundamentele fysieke feit) te wijzen. Verenigbaar X versus het dynamische gedrag van Y is wenselijk voor nauwkeurige en ontvankelijke het aftasten en het volgen prestaties. Het gebruik van capacitieve sensoren om het monolithische bewegende platform te meten betekent dat de orthogonal assen automatisch elkaars eind en overspraak compenseren (actieve baancontrole, of multi-axis directe metrologie), terwijl met periodieke kinematica, de eindfouten van de individuele assen accumuleren. Bijvoorbeeld, resulteren de schuine standfouten van slechts ±10 μrad door het bodemplatform worden veroorzaakt van een hypothetisch-4 duim multi-axis stapel stadia in een lineaire fout 2 μm bij het hoogste platform dat. Andere tekortkomingen van periodieke kinematica in het nanopositioning zijn hoog-inertie, hoger zwaartepunt, en tot 5 bewegende kabels die wrijving en hysterese veroorzaken (Fig. 8b).

AZoNano - Nanotechnologie - Gestapelde periodiek-kinematica twee-as nanopositioning stadia heeft beduidend hogere inertie, hoger zwaartepunt en kan niet voor off-axis fouten verbeteren. De Bewegende kabels van het hoogste platform veroorzaken wrijving en veroorzaken hysterese.

Cijfer 10a.

AZoNano - Nanotechnologie - Basisontwerp van een monolithisch 3 DOF (X, Y, theta-Z) parallelkinematics nanopositioning stadium met aandrijving PZT en draad-EDM-besnoeiing buigingen. De Capacitieve getoonde niet positiesensoren () meten direct het centrale bewegende platform compenserend de lichtste off-axis motie in echt - tijd (actieve baancontrole). Dit is niet mogelijk met periodieke kinematicaontwerpen, zoals aangetoond in Fig. 10a.

Cijfer 10b.

de het aftastensystemen van overzichtsnanometer op parallelle kinematica worden gebaseerd controleren alle 6 graad van vrijheid die automatisch ongewenste uit-van-vlakke motie evenals ongewenste rotatiefouten compenseren die.

Dit vereist parallelle motiemetrologie en een digitaal controlemechanisme geschikt voor gecoördineerde transformatie (Fig. 11a). Het resultaat, wordt aftasten 100 x 100 μm met vlakheid /straightness van 1 NM getoond in Fig. 11b.

AZoNano - Nanotechnologie - Overzicht 6 as digitaal controlemechanisme en stadium van het douane het Super 6D piezo aftasten Invar (parallel-kinematicawerktuigkundigen en parallelle motiemetrologie).

Cijfer 11a. Overzicht 6 as digitaal controlemechanisme en stadium van het douane het Super 6D piezo aftasten Invar (parallel-kinematicawerktuigkundigen en parallelle motiemetrologie).

AZoNano - Nanotechnologie - 6 DOF PZT buigings nanopositioning stadium met multi-axis parallelle directe motiemetrologie verstrekt onmiddellijke informatie over parasitisch aan het digitale controlemechanisme voor compensatie in real time. De uitstekende resultaten, 1 NM- vlakheids en eerlijkheid, zijn epicted in dit aftasten 100 x 100 μm.

Cijfer 11b.

Beste Bril of Beste Prestaties?

De bovengenoemde bespreking toont aan dat kwantificeren van de prestaties van een nanopositioning systeem zeer complex kan zijn. Om het hoogste het presteren nanopositioning systeem voor een toepassing (niet met de beste bril op papier) te vinden, moet de gebruiker in een dialoog met de fabrikant in dienst nemen en de vragen stellen relevant voor zijn of haar toepassing. Wanneer de antwoorden te goed om klinken waar te zijn, gewoonlijk zijn zij. Naast het stellen van de relevante vragen, is het altijd lonend om te weten te komen hoe lang een fabrikant in het nanopositioning is geïmpliceerd, welk kwaliteitsbeheersing systeem is, op zijn plaats hoe de specificaties zijn gemeten, en welke apparatuur werd gebruikt.

Wat van de Neerstorting van Telecommunicatie Kan worden Geleerd

In de nasleep van de telecommunicatieneerstorting, zoeken de analisten en de investeerders nieuwe veelbelovende markten, en de nanotechnologie schijnt één van hen te zijn. Vandaar dat zullen wij nieuwe bedrijven zien proberend om een fortuin op dit gebied te maken. Opstarten, die revolutionaire nanopositioning oplossingen het eisen te hebben, zal investeerders in het voorzien van hen van miljoenen dollars verlokken. Niet vergeet dat in telecommunicatie meer dan 99% van de revolutionaire concepten en de ideeën spoedig waardeloos bleek. De echte uitdaging ligt niet in het concept, maar in productie, opbrengst en verenigbare kwaliteit, waar de geleverde eenheid na geleverde eenheid evenals het zacht geassembleerde die prototype presteert, door de hoofdmachinist wordt verfijnd.

Omdat nanopositioning niet zo eenvoudig zoals één, twee drie, slechts bedrijven met ervaren, goed uitgeruste ontwerp en productieteams is, en de bewezen kwaliteitsbeheersing systemen de altijd groeiende eisen van de markt zullen kunnen tevredenstellen. Hun productspecificaties kunnen niet altijd revolutionair schijnen, maar zullen in het toepassingsmilieu steunen.

Primaire auteur: Stefan Vorndran

Bron: Physik Instrumente

Voor meer informatie over deze bron te bezoeken gelieve Physik Instrumente

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

Last Update: 13. June 2013 06:26

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit