Nanopositioning - Avanços Recentes que incluem a Cinemática Paralela, o Controle Activo da Trajectória, a Supressão da Vibração e a Eliminação do Erro de Seguimento por Physik Instrumente

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Assuntos Cobertos

Fundo

Definição: Calculado ou Medido?

O Movimento Preciso Precisa a Orientação, Não Fricção

Que sobre Movimentações?

Sensores: Metrologia Directa ou Indirecta do Movimento?

Definição ou Linearidades?

Precisão ou Velocidade?

Precisão Estática ou Dinâmica?

Cinemática De Série ou Paralela?

As Melhores Especs. ou o Melhor Desempenho?

O Que Pode Ser Instruído do Impacto das Telecomunicações

Fundo

Nanopositioning é uma chave permitindo a tecnologia no campos importantes da nano-impressão, da microscopia de exploração, do microlithography e do alinhamento automatizado. Desde Que a nanotecnologia se transformou uma buzzword, muitos dispositivos micropositioning foram promovidos de repente aos sistemas nanopositioning pelos meios simples da interpolação. Contudo, que trabalhos no microworld muito frequentemente não se aplicam ao nanoworld.

Este technote relata em avanços recentes na tecnologia do nanopositioningg, tal como a cinemática paralela, o controle activo da trajectória, algoritmos de controle novos para a supressão da vibração e a eliminação do erro de seguimento e seus benefícios para o usuário. Além, o papel fornece coordenadores de projecto uma variedade de perguntas chaves para perguntar a fornecedores do sistema do movimento ao comprar um sistema nanopositioning de capacidade elevada.

Definição: Calculado ou Medido?

A Definição pode significar coisas diferentes aos povos diferentes. Quando o termo que nanopositioning foi inventado, um número de empresas inteligentes anunciaram o aberto-laço, dispositivos deslizante-conduzidos do leadscrew como “nanopositioners.” A justificação era tão simples quanto uns, dois três: o passo do leadscrew da tomada de 0,4 milímetros, partilha por 20.000 microsteps viaja de automóvel a definição e a relação 60 da caixa de engrenagens e vem para fora um dispositivo “capaz” de 0,3 definições do nanômetro. Hoje Em Dia, a maioria de coordenadores de projecto não caem para esta equação simples anymore. Quando as movimentações de ontem do motor deslizante forem substituídas por sistemas do circuito fechado, às vezes com directo-movimentação viaja de automóvel, as reivindicações dos fabricantes permanecem frequentemente illusive, suportado agora pelo “nanomath” mais simplesmente do que antes: definição = passo do codificador dividido pelo factor da interpolação.

Contudo, um sistema nanopositioning consiste muito mais do que um circuito do codificador e do interpolador, e enquanto a fricção é rolamentos involvidos (e todos os deslizantes ou de rolamentos produza a fricção), o movimento repetível da escala do nanômetro não pode ser conseguido em condições do mundo real (veja Fig. 1 para o movimento de circuito integrado frictionless). Além, os erros de guiamento dos rolamentos acima mencionados atingem frequentemente 1000 vezes a distância de uma nanômetro-aceitável no microworld, mas não no no nanoworld.

Os dispositivos nanopositioning Verdadeiros fornecem o movimento frictionless, resposta virtualmente instantânea, linearidades e rigidez alta, e controle no reino do nanômetro, tudo da trajectória sobre uma definição de secundário-nanômetro. Quando as tecnologias convencionais do movimento-controle forem incapazes de cumprir estas exigências, os avanços paralelos no campos dos actuadores de circuito integrado, do projecto do flexure, da cinemática da paralela da baixo-inércia da multi-linha central, do controle activo da trajectória e da engenharia de controles alta da largura de faixa fornecem coordenadores no campos da nanotecnologia as ferramentas para resolver seus problemas do posicionamento, da metrologia, da exploração ou de alinhamento.

AZoNano - Nanotecnologia - Resposta do actuador piezo de circuito integrado frictionless de s (aberto-laço) a um sinal de movimentação triangular. Somente os actuadores de circuito integrado de PZT são capazes de produzir o movimento liso da escala do nanômetro como esta, com resposta imediata e nenhuma folga. Note que a amplitude é somente os nanômetros ±6.

Figura 1.

Em uma folha das especs., muitos sistemas idênticos. Como pode um dizer um sistema nanopositioning avançado e dispositivos micropositioning distante?

O Movimento Preciso Precisa a Orientação, Não Fricção

A primeira regra do projecto em nanopositioning diz que a fricção tem que ser eliminada. Isto ordena para fora todos os dispositivos com a bola, o rolo ou os rolamentos de deslizamento, deixando os rolamentos de ar e os flexures. Um flexure é um frictionless, stictionless dobradiça-como o dispositivo que confia na deformação elástica (dobramento) de um material contínuo para permitir o movimento. Os rolamentos de Ar são ideais para escalas longas do curso, mas são geralmente inércia volumosa, alta e caros operar-se (fonte do ar puro). Têm uma outra desvantagem principal: não trabalham em um vácuo, segundo as exigências de um número crescente de aplicações nanopositioning.

Os Flexures, por outro lado somente trabalho sobre o curso curto variam, mal uma desvantagem em nanopositioning! Os Flexures (Fig. 2), se projetados correctamente, são muito duros, fornecem o controle da trajectória a rectidão e o nivelamento excelentes, não exibem nenhum desgaste e podem ser projectados no regime da multi-linha central. São igualmente manutenção livre e não têm nenhum custo de operação. Estas características fazem a flexures o mecanismo de guiamento da escolha em nanopositioning.

AZoNano - Nanotecnologia - fase nanopositioning da Único-Linha Central com projecto do flexure do anti-arqueado-movimento. Os melhores projectos do flexure fornecem a precisão de guiamento na baixa escala do nanômetro. O Controle Activo da Trajectória pode mais melhorar a precisão de guiamento.

Figura 2.

Que sobre Movimentações?

Além Disso, nenhuma movimentação que produz a fricção não é aceitável. Leadscrews, fusoes actuadores, mesmo movimentações piezo lineares ultra-sônicas do motor (fricção baseada) não pode ultrapassar a precisão submicrónica. Os motores lineares Eletromagnéticos, as movimentações da bobina de voz e os actuadores piezo de circuito integrado são as movimentações frictionless as mais de uso geral. Os primeiros dois são muito bem para distâncias maiores, mas têm as desvantagens dos campo magnèticos (nao toleráveis na litografia do ebeam e nas muitas outras aplicações), da geração de calor e somente da rigidez e da aceleração do moderado, tendo por resultado uma baixa largura de faixa.

(Fig. 3) PZTs frequentemente chamado Piezoeléctrico, é limitado às distâncias pequenas mas é extremamente duro e consegue as acelerações muito altas (até 10.000 g), uma condição prévia para a etapa do milissegundo ou do secundário-milissegundo e o acordo e taxas de exploração altas (hoje, as melhores fases flexure-guiadas piezo-conduzidas têm freqüências ressonantes de 10 quilohertz).

AZoNano - Nanotecnologia - os actuadores Avançados de PZT cerâmico-é isolado um pouco do que polímero-isolado. Oferecem vida prolongada, mesmo sob circunstâncias extremas e não exibem nenhuma desgaseificação em aplicações do vácuo.

Figura 3.

Os campo magnèticos do produto de PZTs nem, nem são eles influenciaram por eles. Uma descoberta recente na tecnologia de produção elimina agora a necessidade para a isolação do polímero, trazendo os benefícios da desgaseificação zero em aplicações do vácuo, a insensibilidade à umidade e a vida aumentada mesmo sob circunstâncias extremas (Figo 4).

AZoNano - Nanotecnologia - Actuadores de PICMA com a isolação cerâmica (curvas inferiores) comparada com os actuadores multilayer convencionais com isolação do polímero. Os Actuadores de PICMA não são afectados pelas condições de teste da umidade alta. A exibição Convencional dos Actuadores aumentou a corrente do escapamento após somente algumas horas. A corrente do Escapamento é uma indicação da qualidade da isolação e da vida prevista. Condições de Teste: U = C.C. de 100 V, T = 25 °C, rel. umidade = 70%

Figura 4.

Sensores: Metrologia Directa ou Indirecta do Movimento?

A metrologia Indirecta do movimento é barata, mas não qualifica para nanopositioning avançado. E naturalmente, nenhum sensor baseado na fricção não qualifica tampouco. Os Exemplos da metrologia indirecta são codificadores giratórios montados motor e sensores piezoresistentes da tensão montados nos actuadores ou nos flexures (que medem a tensão dos flexures-desse modo que induzem a fricção e os erros-pelo contrário do movimento).

Os sistemas nanopositioning De Capacidade Elevada empregam a metrologia directa do não-contacto, colocada para medir o movimento onde importa mais à aplicação. Os Exemplos da metrologia directa são sensores capacitivos, interferómetro do laser e não-contacto ópticos, codificadores incrementais.

Definição ou Linearidades?

Os codificadores Incrementais são excelentes para medidas interurbanas. A Maioria são baseados em um passo grating do μm 20, 10 ou, mais recentemente, 2. Para obter de lá à definição publicada de 10 ou de 5 nanômetro, a interpolação (com todas suas limitações) é exigida. Quando muitos codificadores forem muito lineares em múltiplos do passo, as linearidades na escala do nanômetro podem ser tão deficientes quanto 20% (Fig. 5) Além, se não montado coaxial com a movimentação, toda a inclinação no sistema de guiamento, como causado pela reversão do movimento um aumento mais ulterior o erro. O Que é negligenciado frequentemente são as forças pequenas induzidas pelo cabo movente de uma read-cabeça do codificador que possa causar a fricção e a histerese na ordem de diversos dez dos nanômetros. Para processos nanopositioning verdadeiros, exigindo larguras repetíveis da etapa da nanômetro-escala, há umas melhores soluções.

AZoNano - Nanotecnologia - Linearidades de codificadores lineares incrementais de alta resolução é excelente sobre longas distâncias, mas frequentemente não o que se pôde esperar em uma nanômetro-escala. O exemplo acima mostra erros de 100 nanômetro e mais sobre distâncias pequenas (1 a 2 mícrons).

Figura 5.

Os interferómetro do Laser são o padrão aceitado na medida de posição. Contudo, devido a seu princípio de funcionamento, a saída de um interferómetro do heterodyne não é perfeitamente linear. Esta não-linearidade é causada principalmente pela elipticidade da polarização ou pelo nonorthogonality dos raios laser, e as imperfeições no sistema ótico podem mais contribuir à não-linearidade. Os melhores interferómetro disponíveis no comércio fornecem as linearidades de 2 a 5 nanômetros, nao boas bastante em algumas aplicações nanopositioning da parte alta (Fig. 6). O conhecimento Profundo da interferometria e do equipamento especial é exigido para obter o melhor desempenho fora de um interferómetro, como um dispositivo do feedback ou da calibração.

AZoNano - Nanotecnologia - Linearidades de uma fase nanopositioning do PI P-517, feedback da posição fornecido pelo interferómetro do heterodyne.

Figura 6.

O desempenho o mais alto é conseguido com medição absoluta, sensores capacitivos da dois-placa (os sensores capacitivos do único eléctrodo não são bons - serido para nanopositioning). Trabalhando melhor sobre escalas pequenas, são um fósforo perfeito para movimentações guiadas flexure de PZT. Os sensores Capacitivos são muito compactos, vácuo compatíveis, insensíveis ao IEM e, se projetados correctamente, fornecem as linearidades extremamente altas (Fig. 7a) a definição de 0,1 nanômetros e abaixo. Devido ao princípio de medição absoluto, nenhum procedimento de direcção é exigido e não há nenhuma largura de faixa que limita o interpolador ou o circuito contrário inclinado “perde” o movimento em aplicações de alta velocidade, ou deve soando para ocorrer no fim de uma etapa rápida. As fases nanopositioning da Parte alta conseguem uma repetibilidade bidireccional de 1 nanômetro, de uma figura surpreendente, de simples pôr em uma folha das especs. mas muito duramente conseguir e provar (Figo 7b) no mundo real.

AZoNano - Nanotecnologia - Mesma fase nanopositioning que em Fig. 6, mas controlado com feedback capacitivo da dois-placa.

Figura 7a.

AZoNano - Nanotecnologia - repetibilidade Bidireccional de uma fase nanopositioning piezo avançada do laço fechado com feedback capacitivo da metrologia do movimento directo, medida com interferómetro avançado.

Figure o feedback 7b.metrology capacitivo, medido com interferómetro avançado.

Precisão ou Velocidade?

Na matéria de hoje da produção industrial e dos processos, da produção e do tempo do teste mais do que sempre antes. Em aplicações da cabeça/teste dos media por exemplo, as etapas do subnanometer precisam de ser executadas e uma posição nova precisa de ser alcançada e guardarou o estábulo às tolerâncias do nanômetro em uma matéria dos milissegundos ou de menos. Cada milissegundo barbeado fora do processo do etapa-e-acordo vale uma grande quantidade de dinheiro.

As movimentações de PZT podem fornecer acelerações até 10.000 g e para responder à entrada em menos de 0,1 milissegundos, frequentemente mais do que a carga útil ou as estruturas de apoio são projectados para. A época ultrafast da etapa da fase nanopositioning pode excitar vibrações em seus carga ou componentes vizinhos. À aplicação, não importa como rapidamente a fase de posicionamento pode parar, mas como rapidamente a carga alcança um facto estável da posição-um negligenciado frequentemente. A Sabedoria popular sugere que além do umedecimento ou da espera, não haja muito que pode ser feito sobre tais vibrações o servo-laço parte externa de sistema de posicionamento de ocorrência.

Hoje, há uma nova ferramenta para eliminar ressonâncias estruturais. Patenteada, tecnologia dianteira da alimentação do tempo real chamou InputShaping® (o Fig. 8a, b) foi desenvolvido com base na pesquisa no Instituto de Massachusetts de controladores nanopositioning piezo digitais de TechPhysik Instrumente.

AZoNano - Nanotecnologia - dispositivos Piezo é capaz da etapa-andsettle da milissegundo-escala. Contudo, os elementos fora do servo-laço podem soar (carga, componentry vizinho,…). As ressonâncias Externos são visualizadas aqui por uma posição de medição do vibrómetro do laser de Polytec contra o tempo.

Figura 8a.

AZoNano - Nanotecnologia - Entrada Shaping® elimina a soada movimento-conduzida dos componentes fora do servo-laço. Estabelecer-se após o tempo de elevação termina pelo ~ Fres-1 de t.

Figura 8b.res.-1

InputShaping® não exige o feedback e não trabalha com conhecimento a priori de ressonâncias múltiplas durante todo o sistema. Com InputShaping®, o momento para um alcance do sistema uma posição estável é igual a 1/f0 onde f0 que é a mais baixa freqüência ressonante que contribui à instabilidade na instalação mecânica.

Precisão Estática ou Dinâmica?

A Definição, as linearidades e a precisão são sabidas para qualificar o desempenho estático de um sistema do movimento. Contudo, em aplicações dinâmicas tais como a exploração ou o seguimento, as especificações estáticas são sem sentido. Uma maneira comum de medir o comportamento dinâmico é largura de faixa. A Largura De Faixa especifica a resposta de amplitude de um sistema no domínio de freqüência. Mas a precisão e a largura de faixa estáticas junto ainda não dão nenhuma indicação de uma precisão dinâmica de sistema por exemplo como em linha recta as linhas em uma aplicação da exploração serão ou como distante fora das posições previstas se encontram.

Para qualificar um sistema nestas aplicações, os dados do alvo e os dados reais da posição para uma forma de onda dada têm que ser gravados e avaliado. A diferença é chamada depois do erro ou do erro de seguimento. Em sistemas nanopositioning convencionais de PZT com projectos do servocontrol do PID, o erro de seguimento pode alcançar valores da porcentagem do dois dígitos mesmo em taxas de exploração abaixo de 10Hz, e aumentos com freqüência.

É importante compreender, isso em aplicações que nanopositioning dinâmicas o erro de seguimento é um parâmetro chave. Os avanços Recentes no projecto do controlador digital no PI conduziram aos métodos digitais adaptáveis sofisticados da linearização, reduzindo erros dinâmicos em formas de onda repetitivas do reino do mícron aos níveis indiscerníveis, mesmo com actuação dinâmica de alta freqüência sob a carga (Figo 9a, e o 9b).

Controlador Convencional do PID, sistema nanopositioning de PZT, resposta a um sinal triangular da varredura. Azul: posição de alvo; vermelho: posição real; verde: erro de seguimento (10X para a melhor visibilidade)

Figura 9a.

O Mesmo sistema nanopositioning, linearização digital adaptável. Azul: posição de alvo e posição real (virtualmente a mesma). Vermelho: o erro de seguimento (100X para a melhor visibilidade) é reduzido por diversos ordens de grandeza.

Figura 9b.

Cinemática De Série ou Paralela?

Em aplicações nanopositioning de alta velocidade, tais como a microscopia de exploração, as áreas pequenas precisam de ser feitas a varredura em duas dimensões, com uma ó linha central a ser controlada por uma entrada externo (por exemplo a força nos AFM ou pela corrente nos ATM). Entrelinha Subnanometer e as taxas de exploração de centenas de Hertz são desejáveis nestas aplicações. A única maneira praticável de conseguir isto é com paralelo-cinemática, fases piezo-conduzidas circuito fechado do flexure da multi-linha central.

Um Pouco do que empilhando subconjuntos da único-linha central, as fases da paralelo-cinemática são monolíticas, com os actuadores que operam-se em uma plataforma central, movente paralelamente (Fig. 10a). Não somente isto reduz significativamente a inércia, mas freqüências ressonantes idênticas dos rendimentos e o comportamento dinâmico nos sentidos de X e de Y. A Alternativa, os conjuntos empilhados conduz sempre a X diferente contra o comportamento de Y (as especificações embora publicadas às vezes não reflectem este facto físico básico). O X consistente contra o comportamento dinâmico de Y é desejável para a exploração exacta e responsiva e desempenho do seguimento. O uso de sensores capacitivos medir a plataforma movente monolítica significa que os machados ortogonais compensam automaticamente o runout e interferência de cada um (controle activo da trajectória, ou metrologia directa da multi-linha central), visto que com cinemática de série, os erros do runout dos machados individuais acumulam. Por exemplo, os erros da inclinação somente do μrad ±10 causado pela plataforma inferior de uma pilha da multi-linha central da polegada hypothetical-4 de fases conduzem a um erro linear de 2 μm na plataforma superior. Outros defeitos da cinemática de série em nanopositioning são alto-inércia, um centro de gravidade mais alto, e até 5 cabos moventes que causam a fricção e a histerese (Fig. 8b).

AZoNano - Nanotecnologia - fases nanopositioning Empilhadas da dois-linha central da de série-cinemática tem uma inércia significativamente mais alta, um centro de gravidade mais alto e não pode corrigir para erros da fora-linha central. Os cabos Moventes da plataforma superior induzem a fricção e causam a histerese.

Figura 10a.

AZoNano - Nanotecnologia - projecto Básico de uma fase nanopositioning do parallelkinematics monolítico de 3 DOF (X, Y, Teta-z) com movimentações de PZT e flexures do fio-EDM-corte. Os sensores de posição Capacitivos (não mostrados) medem directamente a plataforma movente central que compensa o movimento o mais ligeiro da fora-linha central no tempo real (controle activo da trajectória). Isto não é possível com projectos de série da cinemática, segundo as indicações de Fig. 10a.

Figura 10b.

os sistemas avançados da exploração do nanômetro baseados na cinemática paralela controlam todos os 6 graus de liberdade que compensam automaticamente movimento indesejável do para fora--plano assim como erros rotatórios indesejáveis.

Isto exige a metrologia do movimento paralelo e um controlador digital capaz da transformação coordenada (Fig. 11a). O resultado, uma varredura de 100 x 100 μm com nivelamento /straightness de 1 nanômetro é mostrado em Fig. 11b.

AZoNano - Nanotecnologia - controlador digital da linha central do Último Modelo 6 e exploração piezo Super feita sob encomenda do Invar 6D metrologia da fase (mecânicos da paralelo-cinemática e movimento paralelo).

Figura 11a. Controlador digital da linha central do Último Modelo 6 e exploração piezo Super feita sob encomenda do Invar 6D metrologia da fase (mecânicos da paralelo-cinemática e movimento paralelo).

AZoNano - Nanotecnologia - 6 fase nanopositioning do flexure do DOF PZT com metrologia do movimento directo da paralela da multi-linha central fornece a informação instantânea em parasítico ao controlador digital para a compensação do tempo real. Os resultados excelentes, 1 nivelamento do nanômetro e rectidão, epicted nesta varredura de 100 x 100 μm.

Figura 11b.

As Melhores Especs. ou o Melhor Desempenho?

A discussão acima mostra que isso determinar o desempenho de um sistema nanopositioning pode ser muito complexa. Para encontrar o sistema nanopositioning de execução o mais alto para uma aplicação (não essa com as melhores especs. no papel), o usuário tem que contratar em um diálogo com o fabricante e fazer as perguntas relevantes a sua aplicação. Quando as respostas soam demasiado boas ser verdadeiras, são geralmente. Além do que o levantamento das perguntas relevantes, é sempre de valor encontrar quanto tempo um fabricante foi envolvido em nanopositioning, que sistema de controlo da qualidade é no lugar, como as especificações foram medidas, e que equipamento foi usado.

O Que Pode Ser Instruído do Impacto das Telecomunicações

No rescaldo das telecomunicações cause um crash, os analistas e os accionistas estão procurando mercados prometedores novos, e a nanotecnologia parece ser um deles. Eis porque nós veremos empresas novas tentar fazer uma fortuna neste campo. As Partidas, reivindicando ter soluções nanopositioning revolucionárias, seduzirão accionistas em fornecê-los milhões de dólares. Deixe-nos não esquecer que nas telecomunicações mais de 99% dos conceitos e das ideias revolucionários provou logo sem valor. O desafio real encontra-se não no conceito, mas na produção, rendimento e qualidade consistente, onde unidade entregada depois que a unidade entregada executa assim como o protótipo delicadamente montado, ajustado pelo chefe de máquinas.

Porque nanopositioning não é tão simples quanto um, dois três, simplesmente as empresas com as equipes experientes, bem equipadas do projecto e da produção, e sistemas de controlo provados da qualidade poderão satisfazer as procuras evergrowing do mercado. Suas especificações de produto não podem sempre parecer revolucionárias, mas sustentarão no ambiente de aplicação.

Autor Preliminar: Stefan Vorndran

Source: Physik Instrumente

Para obter mais informações sobre desta fonte visite por favor Physik Instrumente

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

Last Update: 13. June 2013 07:08

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