Nanopositioning - Kontrollerar inklusive Parallell Kinematics för Nya Framflyttningar, AktivTrajectory, VibrationsDämpning och SpårningFelElimineringen av Physik Instrumente

AZoM - Belägger med metall, keramik, polymrer och komposit - Physik Instrumente logo

Täckte Ämnen

Bakgrund

Upplösning: Beräknat eller Mätt?

Precisera Vinkar BehovsVägledning, Inte Friktion

Vad om Drev?

Avkännare: Rikta, eller Indirekt Vinka Metrology?

Upplösning eller Linjäriteter?

Exakthet eller Rusar?

Statisk elektricitet eller Dynamisk Exakthet?

Följetong- eller ParallellKinematics?

Bäst Specifikationer eller Bäst Kapacitet?

Vad Kan Vara Lärd från TelecomKraschen

Bakgrund

Nanopositioning är en nyckel- möjliggöra teknologi i det viktigt sätter in av nano-imprinting, scanningmicroscopy, microlithography och automatiserad justering. Sedan nanotechnology blev en modeord, har många micropositioning apparater plötsligt förbättrats till nanopositioning system av det enkla hjälpmedlet av interpolation. Emellertid, vilka arbeten i microworlden inte applicerar mycket ofta till nanoworlden.

Denna technote anmäler på nya befordringar i nanopositioninggteknologi, liksom parallell kinematics, aktivtrajectoryen kontrollerar, nytt kontrollera algoritmer för vibrationsdämpning, och spårningfelelimineringen och deras gynnar för användaren. I tillägg ger det pappers- konstruktörer med en variation av nyckel- ifrågasätter för att fråga vinkar systemleverantörer, när det shoppar för kick-kapacitet ett nanopositioning system.

Upplösning: Beräknat eller Mätt?

Upplösning kan betyda olik saker till olikt folk. Då benämna som nanopositioning, myntades, öppen-kretsar ett nummer av annonserade klyftiga företag, gradvis-drivande leadscrewapparater som ”nanopositioners.”, Motiveringen var så enkel som en, två tre: takeleadscrewgraden av 0,4 en mm, divide vid 20.000 microsteps bilar upplösning och växellådförhållande 60 och kommer ut en apparat ”som är kapabel” av 0,3 nm-upplösning. Nuförtiden gör mest konstruktörer inte nedgången för denna enkla likställande anymore. Stundgårdag har gradvisa motoriska drev bytts ut by stängd-kretsar system, ibland med rikta-drev bilar, producenter fordrar återstår ofta illusive, nu dragit tillbaka - upp av ”nanomath” enklare än för: upplösning = kodaregraden som delas av interpolation, dela upp i faktorer.

Yet består ett nanopositioning system av ett lott mer, än en kodare och en interpolator går runt, och så länge som friktion är involverad (och all glidning eller rullande lagerjordbruksprodukterfriktion), spänner den repeatable nanometeren vinkar kan inte uppnås i verklig värld villkorar (se Fig. 1 för frictionless halvledar- vinka). I tillägget som vägleder fel av de abovementioned lagren uppgå ofta, till 1000 tider distansera av en som nanometer-är godtagbar i microworlden, men inte i i nanoworld.

Riktiga nanopositioning apparater ger frictionless vinkar, det faktiskt ögonblickliga svaret, kicklinjäriteter och styvhet, och trajectoryen kontrollerar i nanometersfären, all överst under-nanometer upplösning. Konventionella Stunder vinka-kontrollerar teknologier är oförmögna att möta dessa krav, parallella befordringar i sätter in av halvledar- utlösare, flexuredesignen, kinematics för mång--axeln låg-tröghet parallellen, aktivtrajectory kontrollerar, och kickbandbredden kontrollerar att iscensätta ger iscensätter i sätter in av nanotechnology med bearbetar för att lösa deras positionering-, metrology-, scanning- eller justeringsproblem.

AZoNano - Nanotechnology - Svaret av den frictionless halvledar- (öppen-kretsa), piezo utlösaren för s till ett triangulärt drev signalerar. Endast är halvledar- PZT-utlösare kapabla av att producera slätar nanometer spänner vinkar något liknande detta, med ögonblicksvar, och inget motreaktion. Notera att amplituden är endast nanometers ±6.

Figurera 1.

På en specifikation täcka, den likadana looken för många system. Hur kan en berätta statlig-av--konst ett nanopositioning system och micropositioning apparater ifrån varandra?

Precisera Vinkar BehovsVägledning, Inte Friktion

Den första designen härskar i nanopositioning något att säga som friktion måste att avlägsnas. Detta härskar alla apparater med klumpa ihop sig ut, rullen, eller glidningslager och att lämna luftar lager och flexures. En flexure är en frictionless stictionless förse med gångjärn-något liknande apparat som relies på resårdeformeringen (böja) av heltäckande som är materiella till tillstånd, vinkar. Lufta lager är ideal för long reser spänner, men de är vanligt klumpig, kicktröghet och dyra att fungera (rengöringen luftar tillförsel). De har another att ha som huvudämne missgynnar: de fungerar inte i en dammsuga, som krävt av ett everincreasing numrera av nanopositioning applikationer.

Flexures endast arbete över kort stavelse reser å andra sidan spänner, knappt en missgynna, i nanopositioning! Flexures (Fig. 2), om riktigt planlagda, är mycket styva, ger trajectory kontrollerar med utmärkt straightness och flatness, ställer ut inget ha på sig och kan planläggas i mång--axel ordningar. De är också fritt underhåll och har ingen fungerings kostar. Dessa kännetecken gör flexures den vägleda mekanismen av primat, i nanopositioning.

AZoNano - Nanotechnology - Singel-Axeln som nanopositioning, arrangerar med anti-arcuate-vinkar flexuredesign. De bäst flexuredesignerna ger att vägleda precision i den låga nanometeren spänner. AktivTrajectoryen Control kan vidare förbättra att vägleda precision.

Figurera 2.

Vad om Drev?

Igen är något drev som producerar friktion, inte godtagbart. Leadscrews ballscrews, även ultraljuds- linjära piezo motoriska drev (baserad friktion) kan inte överträffa submicronprecision. Elektromagnetiskt linjärt bilar, uttrycker spoledrev, och halvledar- piezo utlösare är de mest gemensam använda frictionless dreven. De första tvåna är fina för större distanserar, men har missgynnar av magnetiskt sätter in (inte uthärdligt i ebeamlithography och många andra applikationer), värmer utvecklingen och dämpar endast styvhet och acceleration och att resultera i en låg bandbredd.

Piezoelectric (Fig. 3) ofta kallade PZTs, begränsas till litet distanserar men är extremt styv och uppnår mycket kickaccelerationer (upp till G 10.000), en nödvändig för millisekund, eller under-millisekunden kliver och sätter, och kickscanningen klassar (i dag, flexure-vägledde det bäst piezo-drivande arrangerar har resonant frekvenser av 10 kHz).

AZoNano - Nanotechnology - Statlig-av--Konst PZT utlösare keramisk-isoleras ganska än polymer-isolerad. De erbjuder fördjupad livstid, även under ytterlighet villkorar och ställer ut ingen outgassing dammsuger in applikationer.

Figurera 3.

PZTs som ingen av magnetisk jordbruksprodukter sätter in, nor är de påverkade vid dem. Ett nytt genombrott i produktionteknologi avlägsnar nu behovet för polymerisolering, gynnar att komma med av nolloutgassing dammsuger in applikationer, insensitivity till fuktighet, och ökande livstid även under ytterlighet villkorar (Fig 4).

AZoNano - Nanotechnology - PICMA-Utlösare med keramisk isolering (botten buktar) som jämförs med konventionella multilayer utlösare med polymerisolering. PICMA-Utlösare påverkas inte av kickfuktigheten testar villkorar. Den Konventionella Utlösarutställningen ökade läckageströmmen efter endast några timmar. Läckageströmmen är en indikering av kvalitets- och förväntad livstid för isolering. Testa villkorar: U DC för = 100 V, T = 25 °C, rel. fuktighet = 70%

Figurera 4.

Avkännare: Rikta, eller Indirekt Vinka Metrology?

Indirekt vinka metrology är billigt, men kvalificerar sig inte för statlig-av--konst som nanopositioning. Och naturligtvis, kvalificerar sig någon avkännare som baseras på friktion, inte either. Exempel av indirekt metrology är motoriska monterade roterande kodare, och piezo-som gör motstånd anstränga avkännare som monteras på utlösare eller flexures (som mäter anstränga av flexuresnasom framkallar friktion och fel-i stället av vinka).

Kick-Kapacitet använder nanopositioning system non-kontakten riktar metrology som förläggas för att mäta vinkar var den betyder mest till applikationen. Exempel av riktar metrology är kapacitiva den optiska avkännare, laser-interferometers och non-kontakten, ökande kodare.

Upplösning eller Linjäriteter?

Ökande kodare är utmärkta för långdistans- mätningar. Mest baseras på en gnissla grad av μm 20, 10 eller, för en tid sedan, 2. Att få därifrån till den publicerade 10- eller för 5 nm upplösningen krävs interpolation (med alla dess begränsningar). Fördriva många kodare är mycket linjärt på multipler av graden, linjäriteter på nanometerfjäll kan vara så fattigt som 20% (Fig. 5) I tillägg, om inte monterat koaxialt med drevet, någon lutande i det vägleda systemet, som orsakat by vinka omsvängningen ska mer ytterligare förhöjning felet. Vad förbises ofta, är de små styrkorna som framkallas av den röra kabeln av ett kodareläsning-huvud som kan orsaka friktion och hysteresis på beställa av flera tio av nanometers. För riktig nanopositioning bearbetar och att kräva det repeatable nanometer-fjäll kliver bredder, där är bättre lösningar.

AZoNano - Nanotechnology - Linjäriteter av ökande linjära kodare med hög upplösning är utmärkt över long spänner, men ofta inte vad en styrka förväntar på ettfjäll. Det ovannämnda exemplet visar att fel av 100 nm och mer över litet distanserar (1 till 2 mikroner).

Figurera 5.

Laser-interferometers är det accepterade standart placerar in mätning. Emellertid tack vare är dess fungeringsprincip, som tillverkas av en heterodyneinterferometer, inte perfekt linjär. Denna nonlinearity orsakas främst av polarizationellipticity, eller nonorthogonalityen av laseren strålar, och imperfections i optiken kan vidare bidra till nonlinearityen. Det bäst kommersiellt - tillgängliga interferometers ger linjäriteter av 2 till 5 nanometers som inte är bra nog i något, kick-avslutar nanopositioning applikationer (Fig. 6). Djupsinnig kunskap av interferometry- och sakkunnigutrustning krävs för att få bättre kapacitet ut ur en interferometer, endera som en återkopplings- eller kalibreringsapparat.

AZoNano - Nanotechnology - Linjäriteter av en PI P-517 som nanopositioning, arrangerar, placerar återkoppling förutsatt att av heterodyneinterferometeren.

Figurera 6.

Den högsta kapaciteten uppnås med evig sanning som mäter, två-pläterar kapacitiva avkännare (kapacitiva avkännare för singelelektrod inte är väl - passat för nanopositioning). Funktionsdugligt bäst över litet spänner, dem är en göra perfektmatch för flexure vägledde PZT-drev. Kapacitiva avkännare är mycket kompakt, dammsuger kompatibelt, okänsligt till EMI och, om planlagda riktigt, ger extremt kicklinjäriteter (Fig. 7a) med upplösning av 0,1 nm och nedanfört. Tack vare krävs evig sanning som mäter princip, inget returnera tillvägagångssätt, och det finns inte någon begränsande interpolator för bandbredd eller kontrar går runt benäget ”förlorar” vinkar i snabba applikationer, eller bör ringning uppstå på avsluta av en fasta kliver. Kick-Avsluta nanopositioning arrangerar uppnår bi-riktningsrepeatability av 1 nanometer, ett häpnadsväckande diagram som är enkelt att sätta i en specifikation, täcka men mycket hårt att uppnå och bevisa (Figen 7b) i verklig värld.

AZoNano - Nanotechnology - Samma som nanopositioning, arrangerar som i Fig. 6, men kontrollerat med två-plätera kapacitiv återkoppling.

Figurera 7a.

AZoNano - Nanotechnology - Bi-Riktningsrepeatability av en stängd statlig-av--konst kretsar piezo nanopositioning arrangerar med riktar vinkar kapacitiv återkoppling för metrology som mätas med denkonst interferometeren.

Figurera kapacitiv återkoppling som 7b.metrology mätas med denkonst interferometeren.

Exakthet eller Rusar?

I dagens industriell produktion och att testa, bearbetar, genomgångs- och tidmaterien mer än någonsin för. I huvud/massmedia testa applikationer for example, kliver subnanometeren behov att utföras, och ett nytt placerar behov att nes och det rymda stall till nanometertoleranser i en materia av millisekunder eller mindre. Varje millisekund som rakas av den processaa kliva-och-högryggad träsoffa, är värd en stor summa av pengar.

PZT-drev kan ge G 10.000 för accelerationer upp till, och att reagera för att mata in i mer mindre än 0,1 millisekund, ofta strukturerar mer än lasten eller det understödja planläggs för. De ultrafast kliver tid av nanopositioningen arrangerar kan upphetsa vibrationer i dess laddar eller neighboring delar. Till applikationen betyder den inte hur fasta positioneringen arrangerar kan stoppa, men, hur fasta ladda ner ett stall placerar-en faktumet som förbises ofta. Konventionell kunskap föreslår att förutom att fukta eller att vänta, det inte finns mycket som kan göras om sådan vibrationer som uppstår utanför positioneringsystemet, servo-kretsar.

I Dag finns det ett nytt bearbetar för att avlägsna strukturella resonansar. En patenterad realtidsframåt teknologi för matning som kallades InputShaping® (Fig. 8a, b) var framkallat baserat på forskning på det Massachusetts Institutet av TechPhysik Instrumente digitala piezo nanopositioning kontrollanter.

AZoNano - Nanotechnology - Piezo apparater är kapabel av millisekund-fjäll kliver-andsettle. Emellertid kan beståndsdelar utanför servo-kretsa ringa (ladda, neighboring componentry,…). Yttre resonansar visualiseras här av mäta för Polytec laser-vibrometer placerar vs. tid.

Figurera 8a.

AZoNano - Nanotechnology - Mata In Shaping® avlägsnar vinka-drivande ringning av delar utanför servo-kretsa. att Sätta efter löneförhöjningtid avslutar vid t-~ Fres-1.

Figurera 8b.res.-1

InputShaping® kräver inte återkoppling och fungerar med en priorikunskap av multipelresonansalltigenom systemet. Med InputShaping® är tiden för en systemräckvidd som ett stall placerar, jämbördig till 1/f0 var f0 som är den lägsta resonant frekvensen som bidrar till ostadighet i det mekaniskt, ställer in.

Statisk elektricitet eller Dynamisk Exakthet?

Upplösning, linjäriteter och exakthet är bekant att kvalificera statisk elektricitetkapaciteten av ett vinkasystem. Emellertid i dynamiska applikationer liksom scanning eller spårning, är statisk elektricitetspecifikationer meningslösa. En allmänning långt som mäter dynamiskt uppförande, är bandbredden. Bandbredden specificerar amplitudsvaret av ett system i frekvensområdet. Men den statisk elektricitetexakthet och bandbredden tillsammans ger fortfarande inte någon indikering av systems dynamiska exakthet hur e.g den raksträckan fodrar i en ska scanningapplikation är eller, hur fjärran förväntad placerar dem ligger.

Uppsätta som mål data, och faktiskt placera data för en given waveform måste att antecknas och utvärderas Att kvalificera ett system i dessa applikationer. Skillnaden kallas efter felet eller spårningfelet. I konventionella nanopositioning system för PZT med PID-servocontroldesigner kan spårningfelet ne tvåsiffrig procentsats värderar även på scanningen klassar nedanför 10Hz och förhöjningar med frekvens.

Det är viktigt att förstå, det i dynamiska nanopositioning applikationer som spårningfelet är en nyckel- parameter. Nya framflyttningar i digital kontrollant som designen på PI har, ledde till sofistikerade lämpliga digitala linearizationmetoder, jämnar förminskande dynamiska fel i upprepande waveforms från mikronsfären till indiscernible, även med kick-frekvens dynamisk aktivering ladda under (Figen 9a och 9b).

Den Konventionella PID-kontrollanten, det nanopositioning systemet för PZT, svar till en triangulär bildläsning signalerar. Blått: uppsätta som mål placerar; rött: faktiskt placera; gräsplan: spårningfel (10X för bättre synlighet)

Figurera 9a.

Samma nanopositioning system, lämplig digital linearization. Blått: uppsätta som mål placerar, och faktiskt placera (faktiskt samma). Rött: spårningfelet (100X för bättre synlighet) förminskas av flera beställer av storlek.

Figurera 9b.

Följetong- eller ParallellKinematics?

I snabba nanopositioning applikationer liksom scanningmicroscopy dimensionerar behov för lilla områden att avläsas itu, med en 3rd axel som ska kontrolleras av en utsida, mata in (e.g styrkan i AFM eller strömmen i ATM). Subnanometer fodrar att göra mellanslag, och avläsa klassar av hundratals Hertz är önskvärt i dessa applikationer. Det enda görligt långt som uppnår detta, är med parallell-kinematics, mång--axel stängd-kretsar piezo-drivande flexure arrangerar.

Ganska än stapla singel-axel monteringsgrupper, arrangerar parallell-kinematics är monolitisk, med utlösare som fungerar på en central, den röra plattformen i parallellen (Fig. 10a). Inte endast förminskar detta markant tröghet, men identiska resonant frekvenser för avkastningar och dynamiskt uppförande i både X- och Y-riktningarna. Alternativet staplade enheter resulterar alltid i olikt X vs. Y-uppförande (though publicerade specifikationer missar ibland för att reflektera detta grundläggande läkarundersökningfaktum). Det jämna Xet vs. dynamiskt uppförande för Y är önskvärt för exakt och svars- scanning- och spårningkapacitet. Bruket av kapacitiva avkännare att mäta det monolitiska röra plattformhjälpmedlet, som de ortogonala yxorna kompenserar automatiskt för varje - annan runout och crosstalk (aktivtrajectoryen kontrollerar, eller mång--axeln riktar metrology), eftersom med seriell kinematics, runoutfel av individyxorna ackumulerar. Till exempel flytta sig mycket långsamt lutandefel av endast μrad som ±10 orsakas av den nedersta plattformen av en hypothetical-4, mång--axeln bunten av arrangerar resultat i plattform för fel för 2 μm en linjär upptill. Andra ofullkomlighet av seriell kinematics, i nanopositioning, är kick-tröghet, centrerar higher av gravitation och upp till 5 röra kablar orsaka friktion och hysteresis (Fig. 8b).

AZoNano - Nanotechnology - den Staplade följetong-kinematics två-axeln som nanopositioning, arrangerar har markant högre tröghet, higher centrerar av gravitation och kan inte korrigera för av-axel fel. Rörs kablar av den bästa plattformen framkallar friktion och orsakar hysteresis.

Figurera 10a.

AZoNano - Nanotechnology - den Grundläggande designen av en monolitisk parallelkinematics för 3 som DOF (X, Y, Theta-z) nanopositioning, arrangerar med PZT-drev och binda-EDM-snitt flexures. Kapacitivt placera (inte-visade) avkännare mäter direkt centralen som den röra plattformen som kompenserar för den mest obetydliga av-axeln, vinkar i real-time (aktivtrajectoryen kontrollerar). Denna är inte möjligheten med seriella kinematicsdesigner, som visat i Fig. 10a.

Figurera 10b.

statlig - av - - system för konstnanometerscanningen som baseras på parallell kinematics, kontrollerar alla 6 graderna av frihet som kompenserar automatiskt för oönskat ut-av-plant, vinkar såväl som oönskade rotationsfel.

Detta kräver parallell vinkar metrology och en digital kontrollant som är kapabel av koordinerad omformning (Fig. 11a). Resultatet, en bildläsning för 100 x 100 μm med flatness /straightness av 1 nm visas i Fig. 11b.

AZoNano - Nanotechnology - den digitala kontrollanten för denKonst 6 axeln och den beställnings- Toppna piezo scanningen för Invar 6D arrangerar (denkinematics mekaniker och parallellen vinkar metrology).

Figurera 11a. arrangerar den digitala kontrollanten för denKonst 6 axeln och den beställnings- Toppna piezo scanningen för Invar 6D (denkinematics mekaniker och parallellen vinkar metrology).

AZoNano - Nanotechnology - 6 flexure för DOF som PZT nanopositioning, arrangerar med mång--axel parallell riktar vinkar metrology ger ögonblicklig information på any parasitic till den digitala kontrollanten för realtidskompensation. De utmärkta resultaten, 1 nm-flatness och straightness, epicteds i denna bildläsning för 100 x 100 μm.

Figurera 11b.

Bäst Specifikationer eller Bäst Kapacitet?

Den ovannämnda diskussionen visar att det att kvantifiera kapaciteten av ett nanopositioning system kan vara mycket komplext. Att finna det högsta utförande nanopositioning systemet för en applikation (inte den med de bäst specifikationerna på pappers-), måste användaren att koppla in i en dialog med producenten, och att fråga ifrågasätter relevant till hans eller henne applikationen. När svaren låter för bra för att vara riktiga, är de vanligt. Förutom att posera ifrågasätter det relevant, är det alltid meningsfullt att finna ut, hur long en producent har varit involverad i nanopositioning, vilket kvalitets- kontrollerar systemet är förlägger in, hur specifikationer har mätts, och vilken utrustning användes.

Vad Kan Vara Lärd från TelecomKraschen

I efterdyningen av telecomna krascha, söker efter analytiker och aktieägare nytt lova marknadsför, och nanotechnology verkar för att vara ett av dem. Detta är därför vi ska ser prövas nya företag för att göra en förmögenhet i detta att sätta in. Starter som fordrar för att ha nanopositioning lösningar för revolutionär, ska dragaktieägare in i att ge dem med miljoner av dollar. Låt oss inte glömma att i telecom mer än 99% av de revolutionära begreppen och idéerna bevisade snart värdelöst. Den verkliga utmaningen ligger inte i begreppet, utan i produktion, avkastning, och jämnt kvalitets-, var den levererade enheten, efter den levererade enheten har utfört såväl som den försiktigt församlade prototypen som finjusteras av chefen, iscensätter.

Företag med erfor, väl utrustade design- och produktionlag och bevisat kvalitets- kontrollera ska system är kompetent att tillfredsställa de evergrowing begärningarna av marknadsföra, Därför Att nanopositioning inte är så enkel som en, två tre, endast. Deras produktspecifikationer kan inte alltid verka revolutionära, utan ska rymmer upp i applikationmiljön.

Primär författare: Stefan Vorndran

Källa: Physik Instrumente

För mer information på denna källa behaga besök Physik Instrumente

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

Last Update: 13. June 2013 07:22

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit