Nanopositioning - Недавние Выдвижения включая Параллельную Кинематику, Активное Управление Траектории, Подавление Вибрации и Исключение Ошибки Сопровождения Physik Instrumente

AZoM - Металлы, керамика, полимеры и смеси - логос Physik Instrumente

Покрытые Темы

Предпосылка

Разрешение: Высчитано или Измерено?

Точному Движению Нужно Наведение, Не Трение

Что о Приводах?

Датчики: Сразу или Косвенная Метрология Движения?

Разрешение или Линеарности?

Точность или Скорость?

Static или Динамическая Точность?

Серийная или Параллельная Кинематика?

Самые Лучшие Спецификации или Самое Лучшее Представление?

Чего Можно Выучить от Аварии Телекоммуникаций

Предпосылка

Nanopositioning ключ включающ технологию в важных полях nano-отпечатывать, микроскопии скеннирования, microlithography и автоматизированного выравнивания. В Виду Того Что нанотехнология стала громким словом, много micropositioning приборов внезапно были модернизированы к nanopositioning системам простыми серединами интерполяции. Однако, какие работы в microworld очень часто не применяются к nanoworld.

Выдвижения отчет о Этого technote недавние в технологии nanopositioningg, как параллельная кинематика, активное управление траектории, новые алгоритмы управления для подавления вибрации и исключения ошибки сопровождения и их преимущества для пользователя. В добавлении, бумага обеспечивает инженеры по дизайну с разнообразие ключевыми вопросами для того чтобы спросить поставщикам системы движения ходя по магазинам для высокопроизводительной nanopositioning системы.

Разрешение: Высчитано или Измерено?

Разрешение может значить различные вещи к различным людям. Когда термина nanopositioning была а, несколько ухищренных компаний разрекламировали незамкнутые сет, stepper-управляемые приборы leadscrew как «nanopositioners.» Объяснение было как просто как объяснени, 2 3: тангаж leadscrew взятия 0,4 mm, divide 20.000 microsteps едет на автомобиле разрешение и коэффициент 60 коробки передач и вне приходит прибор «способный» 0,3 разрешений nm. В Наше Время, большинств инженеры по дизайну не упадут для этого простого уровнения больше. Пока вчерашние приводы stepper мотора были заменены системами короткозамкнутого витка, иногда с моторами безредукторной передачи, заявки изготовлений часто останьте illusive, теперь поддерживано «nanomath» более просто чем раньше: разрешение = тангаж шифратора разделенный фактором интерполяции.

Но, nanopositioning система состоит из намного больше чем цепь шифратора и интерполятора, и покуда трение включенные (и все сползая или свертывая подшипники произведите трение), repeatable движения ряда нанометра нельзя достигнуть в условиях реального мира (см. FIG. 1 для бесфрикционного полупроводникового движения). В добавлении, направляя ошибки abovementioned подшипников часто составляют до 1000 времен расстояние одного нанометр-приемлемого в microworld, но не в в nanoworld.

Истинные nanopositioning приборы обеспечивают бесфрикционное движение, фактически мгновенную реакцию, высокие линеарности и жесткость, и управление в области нанометра, все траектории na górze разрешения sub-нанометра. Пока обычные технологии движени-управления неспособны соотвествовать эти, параллельные выдвижения в полях полупроводниковых приводов, конструкции сгибания, кинематики параллели низк-инерции multi-оси, активного управления траектории и высокого руководящего инженера регулировок полосы пропускания обеспечивают инженеров в полях нанотехнологии с инструментами для того чтобы разрешить их проблемы располагать, метрологии, скеннирования или выравнивания.

AZoNano - Нанотехнология - Реакция привода s бесфрикционного полупроводникового (незамкнутого сет) piezo к триангулярному сигналу привода. Только полупроводниковые приводы PZT способны производить ровное движение ряда нанометра как это, с немедленной реакцией и никакой отрицательной реакцией. Заметьте что амплитуда только нанометры ±6.

Диаграмма 1.

На листе спецификаций, много систем смотрят похожий. Как может одно сказать современную nanopositioning систему и micropositioning приборы врозь?

Точному Движению Нужно Наведение, Не Трение

Первое правило конструкции в nanopositioning говорит что трение должно быть исключено. Это управляет вне всеми приборами с шариком, роликом или сползая подшипниками, выходящ подшипники воздуха и сгибания. Сгибание бесфрикционное, stictionless шарнир-как прибор который полагается на упругой деформации (изгибать) твердого материала для того чтобы позволить движение. Подшипники Воздуха идеально для рядов многодневного пути, но они обычно громоздкая, высокая инерция и дорогие работать (поставка чистого воздуха). Они имеют другой главный недостаток: они не работают в вакууме, согласно требованиям everincreasing количества nanopositioning применений.

Сгибания, с другой стороны только работа над коротким перемещением колебаются, едва ли недостаток в nanopositioning! Сгибания (FIG. 2), если правильно конструировано, очень жестко, предусматривает управление траектории с превосходными прямотой и плоскостностью, не показывает никакой износ и может быть конструировано в расположениях multi-оси. Они также безуходны и не имеют никакие производственные затраты. Эти характеристики делают сгибаниями направляя механизм выбора в nanopositioning.

AZoNano - Нанотехнология - этап Одиночн-Оси nanopositioning с конструкцией сгибания анти--аркуатн-движения. Самые лучшие конструкции сгибания обеспечивают направляя точность в низком ряде нанометра. Активное Управление Траектории может более далее улучшить направляя точность.

Диаграмма 2.

Что о Приводах?

Опять, любой привод производя трение не приемлем. Leadscrews, ballscrews, даже ультразвуковые линейные piezo приводы мотора (основанное трение) не может перегнать точность субмикрона. Электромагнитные линейные моторы, приводы катушки голоса и полупроводниковые piezo приводы наиболее обыкновенно используемые бесфрикционные приводы. Первые 2 отлично для более больших расстояний, но имеют недостатки магнитных полей (не терпимых в литографировании ebeam и много других применений), тепловыделения и только вмеру жесткости и ускорения, приводящ к в низкой ширине полосы частот.

Пьезоэлектрическо (часто вызываемое FIG. 3) PZTs, ограничено к малым расстояниям но весьма жестко и достигает очень высоких ускорений (до 10.000 g), предпосылки для шага миллисекунды или sub-миллисекунды и скамьи и высоких скоростей развертки (сегодня, самые лучшие piezo-управляемые сгибани-направленные этапы имеют резонирующие частоты 10 КГц).

AZoNano - Нанотехнология - Современные приводы PZT керамическ-изолировано вернее чем полимер-изолировано. Они предлагают выдвинутую продолжительность жизни, даже под весьма условиями и не показывают никакую дегазацию в применениях вакуума.

Диаграмма 3.

Магнитные поля продукции PZTs ни, ни они влияли на ими. Недавний прорыв в технологии продукции теперь исключает потребность для изоляции полимера, принося преимущества zero дегазации в применениях вакуума, невоспримчивость к влажности и увеличенную продолжительность жизни даже под весьма условия (Смокву 4).

AZoNano - Нанотехнология - Приводы PICMA при керамическая изоляция (нижние кривые) сравненная с обычными разнослоистыми приводами с изоляцией полимера. Приводы PICMA не повлияны на условиями испытания высокой влажности. Обычный экспонат Приводов увеличил течение утечки после только немного часов. Течение Утечки индикация качества изоляции и предпологаемой продолжительности жизни. Условия испытания: U = DC 100 V, T = 25 °C, rel. влажность = 70%

Диаграмма 4.

Датчики: Сразу или Косвенная Метрология Движения?

Косвенная метрология движения дешева, но не квалифицирует для современный nanopositioning. И конечно, любой датчик основанный на трении не квалифицирует также. Примеры косвенной метрологии шифраторы установленные мотором роторные и пьезорезистивные датчики напряжения установленные на приводах или сгибаниях (измеряя напряжение сгибаний-таким образом наводя трение и ошибки-вместо движения).

Высокопроизводительные nanopositioning системы используют внеконтактную сразу метрологию, помещенную для того чтобы измерить движение где оно имеет значение больше всего к применению. Примеры сразу метрологии емкостные датчики, интерферометры лазера и внеконтактные оптически, дифференциальные шифраторы.

Разрешение или Линеарности?

Дифференциальные шифраторы превосходны для международных измерений. Большая Часть основана на grating тангаже μm 20, 10 или, более недавно, 2. Получает от там к опубликованному разрешению 10 или 5 nm, интерполяция (с всеми своими ограничениями) необходима, что. Пока много шифраторов очень линейные на многократных цепях тангажа, линеарности на маштабе нанометра могут быть как плох как 20% (FIG. 5) В добавлении, если не установлено коаксиально с приводом, любой наклон в приводной системе, как причинено реверсированием движения будет дальнейшее увеличение ошибка. Что часто обозревано малые усилия наведенные moving кабелем чтени-головки шифратора которая может причинить трение и гистерезис на заказе нескольких 10 нанометров. Для истинных nanopositioning процессов, требующ repeatable ширин шага нанометр-маштаба, более лучшие разрешения.

AZoNano - Нанотехнология - Линеарности шифраторов высок-разрешения дифференциальных линейных превосходно над долгосрочными, но часто не чего одно могло надеяться на нанометр-маштабе. Вышеуказанный пример показывает ошибки 100 nm и больше над малыми расстояниями (1 до 2 микрона).

Диаграмма 5.

Интерферометры Лазера принятый стандарт в измерении положения. Однако, должно к своему принципу действия, выход гетеродинного интерферометра совершенно не линейный. Эта нелинейность причинена главным образом эллиптичностью поляризации или nonorthogonality лазерных лучей, и несовершенства в оптике могут продвинуть внести вклад в нелинейность. Самые лучшие имеющие на рынке интерферометры обеспечивают линеарности 2 до 5 нанометров, не хорошие достаточно в некоторых лидирующих nanopositioning применениях (FIG. 6). Необходимо, что получает Глубокомысленное знание интерферометрии и специального оборудования более лучшее представление из интерферометра, или как обратная связь или тарировочный прибор.

AZoNano - Нанотехнология - Линеарности этапа PI P-517 nanopositioning, обратная связь положения обеспеченная гетеродинным интерферометром.

Диаграмма 6.

Высокий класс исполнения достиган с абсолютный измерять, датчики 2-плиты емкостные (датчики одиночного электрода емкостные не хороши - одето для nanopositioning). Работающ наиболее хорошо над малыми рядами, они совершенная спичка для направленных сгибанием приводов PZT. Емкостные датчики очень компактны, вакуум совместимы, нечувствительны к EMI и, если конструировано правильно, обеспечивают весьма высокие линеарности (FIG. 7a) с разрешением 0,1 nm и ниже. Должно к абсолютному измеряя принципу, необходима никакая самонаводя процедура и никакая ширина полосы частот ограничивая интерполятор или схема счетчика прональная «теряет» движение в высокоскоростных применениях, или звенящ для того чтобы произойти в конце быстрого шага. Лидирующие nanopositioning этапы достигают двухнаправленной повторимости 1 нанометра, удивительнейшей диаграммы, простой для того чтобы положить в лист спецификаций но очень крепко достигнуть и доказать (Смоква 7b) в реальном мире.

AZoNano - Нанотехнология - Такой Же nanopositioning этап как в FIG. 6, но проконтролировано с емкостной обратной связью 2-плиты.

Диаграмма 7a.

AZoNano - Нанотехнология - Двухнаправленная повторимость этапа современного короткозамкнутого витка piezo nanopositioning с емкостной обратной связью метрологии сразу движения, измеренная с современный интерферометром.

Вычисляйте емкостную обратную связь 7b.metrology, измеренную с современный интерферометром.

Точность или Скорость?

В сегодняшнем деле промышленного производства и процессов, объём и времени испытания больше чем всегда раньше. В применениях головки/испытания средств например, шагам subnanometer нужно быть выполненным и новому положению нужно достигнуться и держало конюшню к допускам нанометра в деле миллисекунд или. Каждая миллисекунда побритая с процесса шаг-и-скамьи стоимость большое количество денег.

Приводы PZT могут обеспечить ускорения до 10.000 g и ответить к входному сигналу в меньш чем 0,1 msec, часто больше чем полезная нагрузка или структуры поддержки конструируйте для. Ultrafast время шага nanopositioning этапа может возбудить вибрации в своих нагрузке или соседских компонентах. К применению, оно не имеет значение как быстро располагая этап может остановить, но как быстро нагрузка достигает стабилизированный часто обозреваемый факт положения-. Житейская мудрость предлагает что кроме амортизировать или ждать, нет много которое можно сделать о таких вибрациях происходя вне контура сервопривода системы позиционирования.

Сегодня, новый инструмент для исключать структурные резонансы. Было превращено патентовать, реальное время сдвигало по направлению вращения InputShaping® вызванное технологией (FIG. 8a, b) основало на исследовании на Институте Массачусетс регуляторов TechPhysik Instrumente цифровых piezo nanopositioning.

AZoNano - Нанотехнология - Piezo приборы способно шага-andsettle миллисекунд-маштаба. Однако, элементы вне контура сервопривода могут звенеть (нагрузка, соседский componentry,…). Внешние резонансы визуализированы здесь положением виброметра лазера Polytec измеряя против времени.

Диаграмма 8a.

AZoNano - Нанотехнология - Входной Сигнал Shaping® исключает движени-управляемый звенеть компонентов вне контура сервопривода. Устанавливать после времени восхода завершает ~ Fres-1 t.

Диаграмма 8b.res.-1

InputShaping® не требует обратной связи и не работает с a priori знанием множественных резонансов повсеместно в система. С InputShaping®, время для достигаемости системы стабилизированное положение равно к 1/f0 где f0 самой низкой резонирующей частотой способствуя к нестабильности в механически настроении.

Static или Динамическая Точность?

Знаны, что квалифицируют Разрешение, линеарности и точность статическое представление системы движения. Однако, в динамических применениях как скеннирование или отслеживать, статические спецификации несмысловы. Общий путь измерить динамический режим ширина полосы частот. Ширина Полосы Частот определяет реакцию амплитуды системы в частотной области. Но статические точность и ширина полосы частот совместно все еще не дают никакую индикацию динамической точности системы например как прямо линии в применении скеннирования будут или как далеко с предпологаемых положений они лежат.

Для того чтобы квалифицировать систему в этих применениях, данные по цели и данные по действительного места для, котор дали формы волны должны быть записаны и оценены. Разница вызвана ошибкой при слежении или ошибкой сопровождения. В обычных системах PZT nanopositioning с конструкциями servocontrol PID, ошибка сопровождения может достигнуть двузначные значения процента даже на скоростях развертки под 10Hz, и увеличения с частотой.

Важно понять, то в динамических nanopositioning применениях ошибка сопровождения определяющий параметр. Недавние выдвижения в конструкцию цифрового регулятора на PI водили к изощренным приспособительным цифровым методам выпрямления, уменьшая динамические ошибки в повторяющийся формах волны от области микрона к indiscernible уровням, даже с высокочастотным динамическим возбуждением под нагрузкой (Смоквой 9a, и 9b).

Обычный регулятор PID, система PZT nanopositioning, реакция к триангулярному сигналу развертки. Синь: позиция цели; красный цвет: действительное место; зеленый цвет: ошибка сопровождения (10X для более лучшей видимости)

Диаграмма 9a.

Такая Же nanopositioning система, приспособительное цифровое выпрямление. Синь: позиция цели и действительное место (фактически это же). Красный Цвет: ошибка сопровождения (100X для более лучшей видимости) уменьшена несколькими порядков величины.

Диаграмма 9b.

Серийная или Параллельная Кинематика?

В высокоскоростных nanopositioning применениях, как микроскопия скеннирования, малым областям нужно быть просмотренным в 2 размерах, при 3-яя ось, котор будет контролировать внешним входным сигналом (например усилием в AFM или течением в ATM). Интервал между строками Subnanometer и скорости развертки сотни Hz желательны в этих применениях. Единственный возможный путь достигнуть этого с параллельн-кинематикой, этапами сгибания multi-оси piezo-управляемыми короткозамкнутым витком.

Вернее чем штабелирующ подсистемы одиночн-оси, этапы параллельн-кинематики монолитовы, при приводы работая на центральной, moving платформе в параллели (FIG. 10a). Не только это значительно уменьшает инерцию, но частоты и динамический режим выходов идентичные резонирующие и в направлениях X и Y. Алтернатива, штабелированные агрегаты всегда приводит к в различном X против поведения Y (однако опубликованные спецификации иногда не сумеют отразить этот основной физический факт). Последовательный X против динамического режима Y желательн для точной и отзывчивой скеннирования и проведение отслеживать. Польза емкостных датчиков измерить монолитовую moving платформу значит что ортогональные оси автоматически возмещали потерю друг друга runout и помеха (активное управление траектории, или метрология multi-оси сразу), тогда как с серийной кинематикой, ошибки runout индивидуальных осей аккумулируют. Например, ошибки наклона только μrad ±10 причиненного нижней платформой стога multi-оси дюйма hypothetical-4 этапов приводят к в ошибке 2 μm линейной на верхней платформе. Другие недостатки серийной кинематики в nanopositioning высок-инерция, более высокий центр притяжения, и до 5 moving кабелей причиняя трение и гистерезис (FIG. 8b).

AZoNano - Нанотехнология - Штабелированные этапы 2-оси серийн-кинематики nanopositioning имеет значительно более высокую инерцию, более высокий центр притяжения и не может вводить поправку на ошибки -оси. Moving кабели верхней платформы наводят трение и причиняют гистерезис.

Диаграмма 10a.

AZoNano - Нанотехнология - Основная конструкция этапа монолитового parallelkinematics 3 DOF (X, Y, Тэта-Z) nanopositioning с приводами PZT и сгибаниями провод-EDM-отрезка. Емкостные не показанные датчики положения () сразу измеряют центральную moving платформу компенсируя для самого небольшого движения -оси в реальное временя (активное управление траектории). Это не возможно с серийными конструкциями кинематики, как показано в FIG. 10a.

Диаграмма 10b.

современные системы скеннирования нанометра основанные на параллельной кинематике контролируют все 6 степеней свободы автоматически компенсируя для излишнего движения вне--плоскости так же, как излишних вращательных ошибок.

Это требует метрологии параллельного движения и цифрового регулятора способного координированного преобразования (FIG. 11a). Результат, развертка 100 x 100 μm с плоскостностью /straightness 1 nm показан в FIG. 11b.

AZoNano - Нанотехнология - Современный регулятор 6 осей цифровой и изготовленная на заказ Супер скеннирование Инвара 6D piezo метрология этапа (механики параллельн-кинематики и параллельное движение).

Диаграмма 11a. Современный регулятор 6 осей цифровой и изготовленная на заказ Супер скеннирование Инвара 6D piezo метрология этапа (механики параллельн-кинематики и параллельное движение).

AZoNano - Нанотехнология - 6 этап сгибания DOF PZT nanopositioning с метрологией сразу движения параллели multi-оси обеспечивает мгновенную информацию на вс паразитных к цифровому регулятору для в реальном масштабе времени компенсации. Превосходные результаты, 1 плоскостность nm и прямота, epicted в этой развертке 100 x 100 μm.

Диаграмма 11b.

Самые Лучшие Спецификации или Самое Лучшее Представление?

Вышеуказанное обсуждение показывает что то квантифицировать представление nanopositioning системы может быть очень сложн. Найти самая высокая выполняя nanopositioning система для применения (не одного с самыми лучшими спецификациями на бумаге), пользователь вступал в бой диалог с изготовлением и спрашивает вопросы уместные к его или её применению. Когда ответы звучают слишком хорошими для того чтобы быть истинны, они обычно. В дополнение к представлять уместные вопросы, всегда стояще узнать сколько времени изготовление включалось в nanopositioning, какая система проверки качества в месте, как спецификации были измерены, и какая оборудование было использовано.

Чего Можно Выучить от Аварии Телекоммуникаций

После аварии телекоммуникаций, аналитики и инвесторы ищут новые перспективнейшие рынки, и кажется, что будет нанотехнология одним из их. Это почему мы увидим, что новые компании попробовали сделать удачу в этом поле. Запуски, требуя иметь революционные nanopositioning разрешения, завлекают инвесторов в обеспечивать их с миллионами долларов. Препятствуйте нам не забыть что в телекоммуникациях больше чем 99% из революционных принципиальных схем и идей скоро доказало негожее. Серьёзный вызов лежит не в принципиальной схеме, но в продукции, выход и однородное качество, где поставленный блок после того как поставленный блок выполняет так же, как нежно собранный прототип, точн-настроенный главным инженером.

Потому Что nanopositioning как не прост как nanopositioning, 2 3, только компании с опытными, хорошо оборудованными командами конструкции и продукции, и доказанными системами проверки качества будут удовлетворять evergrowing требования рынка. Их технические характеристики изделия не могут всегда казаться революционными, а задержат в среду прикладной программы.

Основной автор: Stefan Vorndran

Источник: Physik Instrumente

Для больше информации на этом источнике пожалуйста посетите Physik Instrumente

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

Last Update: 13. June 2013 07:12

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit