Nanoposicionamento é uma tecnologia capacitadora essencial nos campos importantes do nano-impressão, digitalização microbiologia microscopia, eo alinhamento automático. Uma vez que a nanotecnologia se tornou um chavão, muitos dispositivos microposicionamento de repente foi atualizado para sistemas nanoposicionamento pelos meios simples de interpolação. No entanto, o que funciona no micromundo muitas vezes não se aplica ao mundo nano. Este technote relatórios sobre os recentes avanços na nanoposicionamento tecnologia g, como cinemática paralela, controle de trajetória ativa, novos algoritmos de controle para a supressão de vibração e eliminação de erro de rastreamento e seus benefícios para o usuário. Além disso, o jornal oferece aos engenheiros de design com uma variedade de questões-chave para perguntar fornecedores de sistemas de movimento quando comprando para um alto desempenho do sistema nanoposicionamento . Resolução: calculada ou medida? Resolução pode significar coisas diferentes para pessoas diferentes. Quando o termo nanoposicionamento foi cunhado, um número de empresas inteligente anunciado open-loop, dispositivos de passo-driven fuso como " nanopositioners ". A justificativa era tão simples como um, dois, três: tome passo do fuso de 0,4 mm, dividir por resolução 20.000 do motor e relação de caixa de velocidades micropassos 60 e sai um dispositivo "capaz" de 0,3 nm de resolução. Hoje em dia, a maioria dos engenheiros de design não cair para esta equação simples anymore. Enquanto as unidades de ontem motor de passo foram substituídos por sistemas em circuito fechado, às vezes com direto-drive motores, fabricantes reivindicações permanecem frequentemente ilusória, agora apoiada por "nanomath" mais simples do que antes: resolução passo encoder = dividida pelo fator de interpolação. No entanto, um sistema de nanoposicionamento consiste em muito mais do que um codificador e um circuito de interpolador, e enquanto o atrito está envolvido (e todos os mancais deslizantes ou rolando produzir atrito), movimento gama repetível nanômetros não pode ser alcançado em condições do mundo real (ver fig. um para o movimento sem atrito estado sólido). Além disso, orientando os erros dos rolamentos acima referidos, muitas vezes equivale a 1.000 vezes a distância de um nanômetro-aceitável no micromundo, mas não no mundo nano em. Verdadeira nanoposicionamento dispositivos fornecem movimento sem atrito, a resposta virtualmente instantânea, alta linearidade e rigidez e controle de trajetória no reino do nanômetro, todos em cima da sub-nanométrica resolução. Enquanto convencionais de controle de movimento tecnologias são incapazes de atender a esses requisitos, os avanços paralelos nas áreas de atuadores de estado sólido, flexão design, multi-eixo cinemática de baixa inércia paralelo, controle de trajetória ativa e alta largura de banda controles de engenharia fornecem aos engenheiros nas áreas de nanotecnologia com as ferramentas para resolver seus problemas de posicionamento, metrologia, digitalização, ou alinhamento.  Figura 1. Resposta do s estado sem atrito sólido (open-loop) do atuador piezo a um sinal de unidade triangular. Apenas atuadores de estado sólido PZT são capazes de produzir movimentos suaves faixa nanométrica assim, com resposta imediata e sem folga. Note que a amplitude é apenas ± 6 nanômetros. Em uma folha de especificações, muitos sistemas parecidos. Como alguém pode dizer a um state-of-the-art sistema nanoposicionamento e dispositivos microposicionamento distante? Movimento precisa precisa de orientação, não de fricção A regra primeiro projeto em nanoposicionamento diz o atrito tem que ser eliminado. Isto exclui todos os dispositivos com rolamentos de rolos de bola, ou deslizamento, deixando mancais de ar e flexuras. A flexão é um atrito, um dispositivo de dobradiça-like stictionless que depende da deformação elástica (flexão) de um material sólido para permitir movimento. Mancais de ar são ideais para escalas de viagens longas, mas normalmente são volumosos, elevada inércia e caro para operar (suprimento de ar limpo). Eles têm uma outra grande desvantagem: eles não funcionam no vácuo, conforme exigido por um número cada vez maior de nanoposicionamento aplicações. Flexuras, por outro lado, só funcionam em faixas de viagens curtas, dificilmente uma desvantagem em nanoposicionamento ! Flexuras (Fig. 2), se bem pensados, são muito duras, fornecer controle de trajetória com retidão e excelente planicidade, não apresentam desgaste e podem ser projetadas em multi-eixo arranjos. Eles também são livres de manutenção e não tem custos de operação. Estas características fazem flexuras o mecanismo orientador da escolha em nanoposicionamento .  Figura 2. Single-eixo estágio nanoposicionamento com anti-arqueado-motion design flexão. Os melhores projetos flexão fornecer precisão guiando em escala nanométrica baixo. Controle de Trajetória ativa pode melhorar ainda mais a precisão orientadores. E quanto Drives? Mais uma vez, qualquer unidade de produção de atrito não é aceitável. Fusos, ballscrews, mesmo ultra-sônico linear drives piezo do motor (baseado na fricção) não pode ultrapassar precisão submicron. Eletromagnética motores lineares, unidades da bobina de voz e de estado sólido atuadores piezo são as unidades mais comumente usadas sem atrito. Os dois primeiros são bons para distâncias maiores, mas têm as desvantagens de campos magnéticos (não tolerável em litografia eBeam e muitas outras aplicações), a geração de calor e apenas rigidez moderada e aceleração, resultando em uma baixa largura de banda. Piezoelétrico (Fig. 3) PZTs muitas vezes chamados, estão limitados a pequenas distâncias, mas são extremamente duros e conseguir acelerações muito elevadas (até 10.000 g), um pré-requisito para milissegundo ou sub-milissegundo-passo e liquidar e as taxas de varredura de alta (hoje, o melhor piezo-driven flexão guiada estágios têm freqüências de ressonância de 10 kHz).  Figura 3. State-of-the-art atuadores PZT são de cerâmica isolados ao invés de polímeros isolados. Eles oferecem maior vida útil, mesmo em condições extremas e não apresentem outgassing em aplicações de vácuo. PZTs nem produzem campos magnéticos, nem são influenciados por eles. Um recente avanço na tecnologia de produção agora elimina a necessidade de isolamento de polímero, trazendo os benefícios da outgassing zero em aplicações de vácuo, insensibilidade à umidade e aumento da vida útil, mesmo sob condições extremas (Fig. 4).  Figura 4. Atuadores PICMA com isolamento cerâmico (curvas de fundo) quando comparados com os atuadores com isolamento de multicamadas de polímeros. Atuadores PICMA não são afetados pelas condições de teste de alta umidade. Atuadores convencionais apresentam vazamento aumentou atual depois de apenas algumas horas. Corrente de fuga é uma indicação da qualidade do isolamento e vida útil esperada. Condições de teste: U = 100 V DC, T = 25 ° C, rel. umidade = 70% Sensores: Metrologia Movimento Direta ou Indireta? Metrologia movimento indireto é barato, mas não se qualifica para o state-of-the-art nanoposicionamento . E, claro, qualquer sensor baseado em atrito não se qualifica qualquer um. Exemplos de metrologia indiretos são motor montado rotativos e sensores de pressão piezo-resistivos montado em atuadores ou flexuras (medindo a tensão dos flexuras-assim o atrito e indução de erros em vez do movimento). De alto desempenho nanoposicionamento sistemas empregam metrologia sem contato direto, colocados para medir o movimento onde mais importa para a aplicação. Exemplos de metrologia diretos são os sensores capacitivos, interferômetros laser e não-contato óptico, encoders incrementais. Resolução ou linearidade? Encoders incrementais são excelentes para medições de longa distância. A maioria são baseados em um campo de grade de 20, 10 ou, mais recentemente, 2 micra. Para ir de lá para a resolução publicada nm 10 ou 5, interpolação (com todas as suas limitações) é necessária. Enquanto muitos codificadores são muito linear em múltiplos do campo, linearidade em escala nanométrica pode ser tão pobre como 20% (Fig. 5) Além disso, se não for montada coaxialmente com a unidade, qualquer inclinação no sistema de orientação, como a causada pela reversão de movimento vai aumentar ainda mais o erro. O que é muitas vezes esquecido são as pequenas forças induzidas pelo cabo que se deslocam de um codificador cabeça de leitura que pode causar atrito e histerese da ordem de várias dezenas de nanômetros. Para uma verdadeira nanoposicionamento processos, exigindo repetível larguras escala nanométrica passo, há soluções melhores.  Figura 5. Linearidade de encoders de alta resolução linear incremental é excelente em longas distâncias, mas muitas vezes não o que se poderia esperar em uma escala nanométrica. O exemplo acima mostra os erros de 100 nm e mais em pequenas distâncias (1-2 microns). Interferômetros laser são o padrão aceito na medição da posição. No entanto, devido ao seu princípio de funcionamento, a saída de um interferômetro heterodyne não é perfeitamente linear. Esta não linearidade é causada principalmente pela elipticidade polarização ou nonorthogonality dos feixes de laser, e imperfeições na óptica pode contribuir ainda mais para a não-linearidade. Os interferômetros melhor comercialmente disponíveis fornecem linearidade de 2-5 nanômetros, não é bom o suficiente em alguns high-end nanoposicionamento aplicações (Fig. 6). Conhecimento profundo da interferometria e equipamento especial é necessário para obter um melhor desempenho fora de um interferômetro, como um feedback ou dispositivo de calibração.  Figura 6. Linearidade de um feedback de posição PI P-517 estágio nanoposicionamento, fornecida pelo interferômetro heterodyne. O melhor desempenho é alcançado com a medição absoluta, dois sensores de placa capacitiva (sensores único eletrodo capacitivo não são adequados para nanoposicionamento ). Trabalhar melhor sobre pequenos intervalos, eles são uma combinação perfeita para as unidades de flexão guiada PZT. Sensores capacitivos são muito compactos vácuo, compatível, insensível a EMI e, se projetado corretamente, fornecem linearidade extremamente elevada (Fig. 7a), com resolução de 0,1 nm e abaixo. Devido ao princípio de medição absoluto, nenhum procedimento homing é necessária e não há limitação de banda interpolador ou circuito contador propenso a "perder" o movimento em aplicações de alta velocidade, ou deveria soar ocorrer no final de uma etapa rápida. High-end estágios nanoposicionamento alcançar bi-direcional repetibilidade de 1 nanômetro, uma surpreendente figura, simples de colocar em uma folha de especificações, mas muito difícil de alcançar e provar (Fig. 7b) no mundo real.  Figura 7a. Estágio nanoposicionamento mesmo que na fig. 6, mas controlada com duas placas de feedback capacitiva.  Figura 7b. Bi-direcional repetibilidade de um circuito fechado state-of-the-art estágio piezo nanoposicionamento com o movimento direta gabarito metrologia capacitiva, medida com state-of-the-art interferômetro. Exatidão ou velocidade? Em processos industriais de hoje produção e testes, a matéria a velocidade eo tempo mais do que nunca. Em aplicações de cabeça / meios de ensaio, por exemplo, os passos subnanometer precisam ser executadas e uma nova posição precisa ser alcançado e mantido estável com tolerâncias nanométricas em questão de milissegundos ou menos. Cada milissegundo raspou o processo passo-e-vale a pena resolver uma grande soma de dinheiro. Drives PZT pode proporcionar acelerações de até 10.000 g e responder à entrada em menos de 0,1 ms, muitas vezes mais do que a carga útil ou a estruturas de apoio são projetados para. O tempo passo ultra-rápida da etapa nanoposicionamento pode excitar vibrações em sua carga ou componentes vizinhos. Para a aplicação, não importa o quão rápido a fase de posicionamento pode parar, mas o quão rápido a carga atinge uma posição estável fato muitas vezes esquecido. A sabedoria convencional sugere que, além de amortecimento ou de espera, não há muito que pode ser feito sobre tais vibrações que ocorrem fora do sistema de posicionamento servo-loop. Hoje, há uma nova ferramenta para eliminar ressonâncias estruturais. A patenteada, alimentação em tempo real frente tecnologia chamada InputShaping ® (Fig. 8a, b) foi desenvolvido com base em pesquisa do Massachusetts Institute of Tecnologia nologia e comercializado pela Convolve, Inc., InputShaping ® elimina o movimento orientado excitação de ressonâncias em todo o sistema, incluindo todos os dispositivos de fixação e Componentes auxiliares. É agora uma opção integrada para as últimas Physik Instrumente digitais piezo nanoposicionamento controladores.  Figura 8a dispositivos. Piezo são capazes de milissegundo escala passo andsettle. No entanto, elementos fora do ringue pode servo-loop (carga, componentry vizinhos, ...). Ressonâncias externas são visualizados aqui por um laser de vibrômetro Polytec medição posição vs tempo.  Figura 8b. Input Shaping ® elimina o movimento orientado toque de componentes fora do servo-loop. Sedimentação, após tempo de subida completa por t ~ F res -1. InputShaping ® não necessita de comentários e trabalha com um conhecimento a priori de ressonâncias múltiplas em todo o sistema. Com InputShaping ®, o tempo para um sistema de alcançar uma posição estável é igual a 1/f0 onde f0 sendo a menor freqüência de ressonância contribuindo para a instabilidade na configuração mecânica. Estático ou dinâmico Precisão? Linearidade, resolução e precisão são conhecidos para qualificar o desempenho estático de um sistema de movimento. No entanto, em aplicações dinâmicas, como a digitalização ou de rastreamento, especificações estáticas são sem sentido. Uma maneira comum de medir o comportamento dinâmico é largura de banda. Largura de banda especifica a amplitude de resposta de um sistema no domínio da freqüência. Mas precisão estática e largura de banda juntos ainda não dá qualquer indicação de, por exemplo de um sistema precisão dinâmica como as linhas retas em um aplicativo de digitalização será ou quão longe das posições esperadas eles mentem. Para qualificar um sistema nestas aplicações, dados de destino e dados sobre a posição atual para uma forma de onda dada tem que ser registados e avaliados. A diferença é chamada de erro ou erro de rastreamento. No convencional PZT sistemas nanoposicionamento com PID servo-controle, o erro de rastreamento pode atingir valores de dois dígitos percentuais, mesmo em digitalização taxas abaixo de 10Hz, e aumenta com a freqüência. É importante compreender que, em dinâmica nanoposicionamento aplicações do erro de rastreamento é um parâmetro chave. Recentes avanços em projeto do controlador digital no PI levaram a sofisticados métodos de linearização adaptativa digital, reduzindo os erros na dinâmica de onda repetitiva do reino micron a níveis imperceptíveis, mesmo com alta freqüência de atuação dinâmica sob carga (Fig. 9a e 9b).  Figura 9a. Controlador PID convencional, PZT sistema nanoposicionamento, a resposta a um sinal de varredura triangular. Azul: posição do alvo; vermelho: posição real; verde: erro de rastreamento (10X para melhor visibilidade).  Figura 9b. Nanoposicionamento mesmo sistema, adaptáveis linearização digital. Azul: posição do alvo ea posição actual (praticamente o mesmo). Vermelho: erro de rastreamento (100X para melhor visibilidade) é reduzido por várias ordens de magnitude. Cinemática serial ou paralela? Em alta velocidade nanoposicionamento aplicações, tais como microscopia eletrônica de varredura, pequenas áreas precisam ser verificados em duas dimensões, com um eixo 3 para ser controlado por uma entrada externa (por exemplo, a força em AFM, ou atual em ATM). Espaçamento subnanometer linha e as taxas de varredura de centenas de Hz são desejáveis nestas aplicações. A única maneira viável de conseguir isso é com paralelo cinemática, multi-eixo de circuito fechado piezo-driven estágios flexão. Ao invés de empilhamento de um único eixo subconjuntos, estágios em paralelo cinemática são monolíticas, com atuadores funcionando em uma plataforma central, movendo-se em paralelo (Fig. 10a). Isso não apenas reduzir significativamente a inércia, mas os rendimentos idênticos freqüências ressonantes e comportamento dinâmico em ambos as direções X e Y. Alternativa, montagens empilhados sempre resultam em diferentes X vs Y comportamento (embora, por vezes, as especificações publicadas não refletem esse fato básico físico). O comportamento consistente X vs Y dinâmica é desejável para preciso e responsivo desempenho de leitura e acompanhamento. O uso de sensores capacitivos para medir a plataforma monolítica em movimento significa que os eixos ortogonais compensar automaticamente para cada um dos outros excentricidade e crosstalk (controle de trajetória ativa, ou multi-eixo de metrologia direta), enquanto que com a cinemática serial, erros de excentricidade dos eixos individuais acumular. Por exemplo, erros de inclinação de apenas ± 10 ìrad causada pela plataforma inferior de uma hipotética-4 pilha de multi-eixo polegadas de estágios resultar em um erro de 2 mM linear na plataforma superior. Outras falhas de cinemática serial em nanoposicionamento estão inércia elevada, maior centro de gravidade, e até 5 cabos movendo causando atrito e histerese (Fig. 8b).  Figura 10a. Stacked serial-cinemática dois eixos estágios nanoposicionamento têm inércia significativamente mais elevada, maior centro de gravidade e não pode correto para fora do eixo erros. Cabos móveis da plataforma superior induzir o atrito e histerese causa.  Figura 10b. Concepção básica de um monolítico 3 DOF (X, Y, Z-Theta) cinemática paralela estágio nanoposicionamento com unidades PZT e-wire EDM-cut flexuras. Sensores de posição capacitivos (não mostrado) medir diretamente a compensação plataforma central que se deslocam para o menor movimento fora do eixo em tempo real (controle de trajetória ativa). Isso não é possível com projetos de série cinemática, como mostrado na figura. 10-A. Sistemas de estado-da-arte da digitalização nanômetros baseado em cinemática paralela controle de todos os 6 graus de liberdade compensando automaticamente o movimento fora do plano-indesejados, bem como indesejáveis erros de rotação. Isto requer metrologia movimento paralelo e um controlador digital capaz de transformação de coordenadas (Fig. 11a). O resultado, de 100 x 100 com varredura mM planicidade / retidão de 1 nm é mostrado na figura. 11b.  11-A figura. State-of-the-art 6 eixos controlador digital e personalizado Super Invar 6D piezo estágio de varredura (paralelo cinemática mecânica e metrologia movimento paralelo).  11b Figura 6. DOF PZT estágio flexão nanoposicionamento com multi-eixo de metrologia movimento paralelo direto fornece informações instantâneas sobre qualquer parasita para o controlador digital para compensação em tempo real. Os excelentes resultados, um achatamento nm e retidão, são epicted neste scan 100 M x 100. Specs melhores ou o melhor desempenho? A discussão acima mostra que a quantificação do desempenho de um sistema de nanoposicionamento pode ser muito complexa. Para encontrar o melhor desempenho do sistema nanoposicionamento para uma aplicação (não aquele com o melhor specs no papel), o usuário tem que se engajar em um diálogo com o fabricante e fazer as perguntas relevantes para o seu pedido. Quando as respostas parecem boas demais para ser verdade, eles geralmente são. Além de posar as questões relevantes, é sempre vale a pena saber quanto tempo um fabricante tem estado envolvido em nanoposicionamento , o sistema de controle de qualidade é no lugar, como especificações foram medidos, e qual equipamento foi usado. O que pode ser aprendido com o Bater Telecom No rescaldo do acidente de telecomunicações, analistas e investidores estão à procura de novos mercados promissores, e nanotecnologia parece ser um deles. É por isso que veremos novas empresas tentando fazer uma fortuna neste campo. Start-ups, alegando ter revolucionária soluções nanoposicionamento , vai atrair investidores para proporcionar-lhes milhões de dólares. Não vamos esquecer que em telecom mais de 99% dos conceitos e idéias revolucionárias logo se mostrou inútil. O desafio real não está no conceito, mas em qualidade produção, rendimento e consistente, onde entregou unidade após unidade entregue executa bem como o protótipo delicadamente montadas, ajustadas pelo engenheiro-chefe. Porque nanoposicionamento não é tão simples como um, dois três, apenas as empresas com o design, bem equipados e experientes equipes de produção e sistemas de controle de qualidade comprovada será capaz de satisfazer a crescente demanda do mercado. Especificações dos seus produtos nem sempre parecem revolucionários, mas irá realizar-se no ambiente de aplicação. |