纳米定位是使纳米压印的重要领域的关键技术，扫描显微镜，光刻和自动对齐。由于纳米技术成为流行语，许多微定位装置突然被升级到纳米定位系统由简单的插值手段。然而，在微观世界的作品很多时候并不适用于纳米世界。 这篇技术的最新发展在报告纳米定位 g技术，如平行运动，活跃的轨迹控制，振动抑制新的控制算法和跟踪误差消除，并为用户的利益。 此外，设计工程师提供各种关键问题，询问时，购物为高性能纳米定位系统的运动系统供应商。 分辨率：计算或测量？ 分辨率可以对不同的人意味着不同的事情。创造长期纳米定位时，一些聪明的公司标榜为开放式循环，步进电机驱动丝杠装置“ nanopositioners 。“理由是作为一个简单的，两三个：丝杠间距为0.4毫米，除以20000 microsteps电机分辨率和变速箱比60和出而来的，是“能人”0.3 nm分辨率的设备。 如今，大多数设计工程师不属于这个简单的公式了。制造商声称，虽然昨天的步进电机驱动器已通过闭环系统，有时直接驱动电机所取代，经常保持虚假的，现在比以前“nanomath”简单备份：分辨率=编码器间距除以插值因子。 然而，一个纳米定位系统由一个编码器和插补器电路多了不少，只要作为摩擦是涉及所有的滑动或滚动的轴承产生摩擦，可重复的纳米范围内的议案可以不被真实世界条件下实现（见图。 1）为无摩擦的固态运动。 此外，指导往往 金额1000倍，在微观世界的纳米接受，但不是在纳米世界的距离上述轴承的错误。 真正的纳米定位设备提供摩擦的议案，几乎瞬时的响应，高线性度和刚度，和轨迹控制在纳米领域中的所有顶部亚纳米分辨率， 。 虽然传统的运动控制技术是无法满足这些要求，在固态执行器领域的平行进步，弯曲设计，多轴低惯性并联运动学，活跃的轨迹控制和高带宽控制工程在纳米技术领域的工程师用的工具来解决自己的定位，计量，扫描或对齐问题。  图1。 小号摩擦固态的响应（开环）压电致动器，一个三角形的驱动信号。 只有固态压电致动器，能够产生这样的纳米范围内的议案顺利，即时响应和无背隙。注意，振幅只有± 6纳米。 在规格表中，许多系统的外观相似。 怎么能告诉一个国家的最先进的纳米定位系统和一个微型定位装置除了的呢？ 精确的运动需求为导向，不摩擦 在最初的设计规则纳米定位摩擦已被淘汰。这出球，滚子或滑动轴承的所有设备的规则，离开空气轴承和屈。 一个柔性铰链无摩擦，stictionless类设备依赖了坚实的物质许可证的议案后，弹性变形（弯曲）。空气轴承非常适合长途旅行范围，但它们通常是体积大，高惯性和昂贵的操作（清新的空气供应） 。 他们还有另外一个主要缺点：他们没有在真空中工作的人数不断增加的需要， 如纳米定位应用 。 屈，另一方面只在很短的旅行范围，几乎没有一个缺点，在纳米定位的！ 屈（图2），如果设计得当，是非常僵硬，提供具有优异的平直度和平整度的轨迹控制，表现出无磨损，可在多轴安排设计。 他们还免费维修和没有经营成本。这些特点使屈在纳米定位选择的指导机制 。  图2。 单轴纳米定位与反弓状运动的弯曲设计阶段 。 最好的弯曲设计提供指导低纳米范围内的精度。 活动轨迹控制，可进一步提高导向精度。 有关驱动器呢 ？ 同样，任何产生摩擦的驱动是不能接受的 。 丝杠，滚珠丝杠，甚至直线超声压电马达驱动器（摩擦基于）不能超过亚微米精度 。 电磁直线电机，音圈驱动器和固态压电执行器是最常用的摩擦驱动器 。 前两个较大的距离，但罚款磁场的缺点（不容忍ebeam光刻和许多其他应用），产生的热量，只有适度的刚度和加速度，从而导致在低带宽。 压电（图3），通常被称为PZTs，仅限于小的距离，但非常僵硬，并达到非常高的加速度（高达10,000 G），毫秒或亚毫秒级的步骤和结算和高扫描速率 （今天的一个先决条件， 最好的压电驱动柔性引导阶段，共振频率为10 kHz）。  图3。 国家最先进的压电致动器，而不是聚合物绝缘陶瓷绝缘。他们提供延长寿命，即使在极端条件下和真空应用表现出不出气。 PZTs既不产生磁场，也不是由他们的影响。一个在生产技术的最新突破，消除了聚合物绝缘的需要在真空中的应用，对湿度不敏感，使零出气的好处和增加，即使在极端条件下（图 4）的寿命。  图4。PICMA 执行器陶瓷绝缘材料（底部曲线）与多层执行器与传统聚合物绝缘相比。 PICMA执行机构不会受到高湿度测试条件。传统的致动器表现出漏电流增大后，只需要几个小时 。 漏电流绝缘质量和预期寿命的迹象 。 测试条件：U = 100 V直流，T = 25 ° C，相对。湿度为70％ 传感器：直接或间接引起的运动计量？ 间接的议案计量是价格便宜，但不符合国家的最先进的纳米定位 。当然，传感器为基础的任何摩擦没有资格任。间接计量的例子是电机式旋转编码器和压阻式应变传感器安装在执行器或屈（测量应变的屈从而诱发摩擦和议案的错误，而不是） 。 高性能的纳米定位系统采用非接触直接计量，放在来衡量的议案，其中最重要的应用程序。 直接计量的例子是电容式传感器，激光干涉仪和非接触式光学增量型编码器 。 决议或线性？ 增量式编码器是非常优秀的长距离测量。大多数都是基于一个20，10，最近2微米的光栅间距 。 从那里得到公布的10日或5 nm的分辨率，插值（其局限性）是必需的 。 虽然许多编码器是非常在球场上的倍数线性，在纳米尺度的线性可差20％（图5），此外，如果没有安装驱动器，同轴，任何倾斜，在指导系统造成议案逆转将进一步增加的错误。什么是常常被忽视的编码器的读取头，这可能会导致几十纳米的顺序上的摩擦和滞后电缆引起的小部队。 对于真正的纳米定位的过程，需要重复的纳米尺度的一步宽度，有更好的解决方案。  图5 高分辨率增量式编码器的线性是在长期范围内出色，但往往不是人们所预料的在纳米尺度。 上面的例子显示100 nm和更小的距离（1〜2微米）的错误 。 激光干涉仪在位置测量的公认的标准 。 然而，由于其工作原理，一个差干涉仪的输出是不完美的线性 。 这种非线性主要由椭圆偏振激光束的非正交引起的，并在光学系统的不完善，可以进一步促进非线性。 最好市售干涉仪提供2至5纳米，并不好，在一些高端的线性纳米定位（图6 ）应用程序。 干涉和特种设备的渊博的知识是需要得到更好的表现出干涉，无论是作为一个反馈或校准设备 。  图6： 一个PI的P - 517纳米定位阶段，位置差干涉提供反馈的线性。 最高的性能，是实现绝对测量，双板电容式传感器（单电极电容式传感器不适合纳米定位） 。 在小范围内最好的工作，他们是一个柔性引导压电陶瓷驱动器的完美匹配。 电容式传感器是非常紧凑，真空兼容，电磁干扰不敏感，如果设计合理，提供极高的线性度（图7a），分辨率为0.1 nm，以下。 由于绝对的测量原理，没有归位的过程是必需的，有没有带宽限制插补器或计数器电路，容易产生“输”在高速应用中的议案，还是应该振铃发生在一个快一步结束。 高端的纳米定位阶段实现双向重复性1纳米，一个惊人的数字，在规格表简单，但很难实现，在现实世界中的证明（图 7B）。  图7a。 图纳米定位阶段。 6，但与双板电容反馈控制。  一个国家的最先进的闭环直接的议案压电纳米定位阶段的双向 重复性图7b 。 计量电容反馈，与国家的最先进的的干涉测量 。 准确性或速度？ 在今天的工业生产和测试过程中，吞吐量和时间上的问题比以往任何时候都多 。 在头/媒体的测试应用，例如亚纳米步骤需要执行，需要一个新的位置要达到和保持稳定的纳米公差在毫秒或更少的事。 每毫秒剃掉步骤和解决过程是值得一大笔资金。 压电陶瓷驱动器可以提供加速度达10,000克，并在小于0.1毫秒的响应输入，往往超过负载或支撑结构是专为。 纳米定位阶段的超快步骤的时间，可以激发其负载或邻近元件的振动。 到应用程序，它没有关系定位的阶段，可以停止的速度有多快，但如何快速的负载达到一个稳定的位置，一个常常被忽视的事实。 传统的智慧认为，除了阻尼或等待，没有太多有关外定位系统的伺服回路发生这种振动可以做。 今天，有一个新的工具，消除结构共振。一个获得专利的，实时的前馈技术称为InputShaping ®（图8A，B）在麻省理工学院的基础上研究开发 技术 nology和卷积，公司的商业化，InputShaping ®消除整个系统的运动驱动的共振激发，包括所有的夹具和配套，部件。 现在的最新综合选项Physik公司Instrumente数字压电纳米定位控制器。  图8a。 压电装置是毫秒级的一步andsettle能力 。 然而，可能环伺服回路的元素外（负载，周边元件部分，... ... ）。 外部共振是由保利达激光测振仪测量位置与时间的可视化。  图8b。 输入整形®消除伺服回路外运动驱动元件的振铃 。 上升时间稳定后，完成由T〜F RES -1 。 InputShaping ®不需要反馈和整个系统的多个共振先验知识的工程 。 InputShaping ®，系统时间达到一个稳定的地位是平等的1/f0其中f0是最低的共振频率，在机械安装不稳定 。 静态或动态的精度 ？ 分辨率，线性度和精度是已知的资格的运动系统的静态性能。 然而，在动态应用程序，如扫描或追踪，静态规格是没有意义的的。 测量动态行为的一种常见方法是带宽。带宽指定系统在频域的幅度响应 。 但是，静态精度和带宽结合在一起，仍然不放弃任何一个系统的动态精度，例如直线扫描应用程序中的行会或多远，离预期的位置，他们的谎言迹象。 要限定在这些应用系统，目标为一个给定的的信号波形的数据和实际位置数据进行记录和评估。 不同的是下面的错误或跟踪误差。传统的压电纳米定位系统与PID伺服控制设计，跟踪误差可以达到两位数的百分比值，即使在低于10Hz的扫描率与频率的增加。 重要的是了解，跟踪误差，在动态的纳米定位应用是一个关键的参数。 在有价证券投资，导致在数字控制器设计中的最新进展，以先进的自适应数字线性化方法，从微米的境界，不轻易察觉的水平减少重复波形的动态误差，甚至用高频率的动态负载下驱动（图9A ，9B）。  图9a。 常规PID控制器，PZT纳米定位系统，一个三角形的扫描信号。蓝：目标位置;红色：实际位置;绿色：跟踪误差（10X更好的可视性）  图9B。 相同的纳米定位系统，自适应数字线性化 。 蓝：目标位置和实际位置（几乎相同）。红色：跟踪误差（100X更好的可视性），降低了几个数量级 。 串行或并行运动学？ 在高速纳米定位的应用，如扫描显微镜，小地方需要用3轴控制由外部输入（如原子力显微镜的或在ATM的力量），将要扫描的两个维度。 亚纳米行距和几百赫兹的扫描率，在这些应用中的理想。 实现这一目标的唯一可行的办法是平行运动，多轴闭环压电驱动柔性阶段。 堆叠单轴子组件，而不是平行运动学阶段是铁板一块，并行操作（图10A）中央，移动平台上的执行机构 。 这不仅显着降低转动惯量，但产生相同的共振频率，并在X和Y方向的动态行为。 替代，堆放集会总是导致不同的X与Ÿ行为（虽然已出版的规格有时无法反映这个基本的物理事实） 。 一贯的X和Ÿ动态行为是可取准确，反应灵敏的扫描和跟踪性能。 ，在正交轴自动补偿对方的跳动和串扰（积极的轨迹控制，或多轴直接计量），而串行运动学，个别轴的径向跳动误差累积用电容式传感器测量的单片移动平台 。 例如，倾斜误差只有± 10微弧度造成的一个假设的4英寸多轴阶段结果在2微米线性误差在顶部平台的堆栈的底部平台。 串行运动学等缺点纳米定位是高的惯性，较高的重心，和高达5移动电缆引起的摩擦和滞后（图8B）。  图10a。 堆积序列运动学两轴纳米定位的阶段，有显著较高的惯性，重心较高，并不能正确的离轴错误。 顶部平台的移动电缆引起的摩擦和滞后的原因 。  图10b。 铁板一块的三自由度（X，Y，θ- Z）并行运动学与压电陶瓷驱动器和丝电火花切割屈纳米定位阶段的基本设计 。 电容式位置传感器（未显示），直接测量丝毫的离轴实时的议案（主动轨迹控制）中央移动平台的补偿。 这是不可能的，与串行运动学设计的，如图所示。 10A。 国家的最先进的纳米扫描系统基于并行运动学控制自由6度自动补偿的无用的平面议案，以及不必要的旋转错误。 这需要平行运动的计量和数字控制器的坐标变换（图11A） 。结果，一个100 × 100微米扫描平整度/直线度为1 nm，如图所示 。 11B。  图11a。国家的的最先进的6轴数字控制器和定制的超级因瓦6D压电扫描阶段（平行运动力学和平行运动计量） 。  图11b。 六自由度压电弯曲多轴并行直接议案计量的纳米定位阶段提供任何寄生的瞬时信息的实时补偿的数字控制器。 epicted的优异成绩，1纳米的平整度和直线度，在这100 x 100微米的扫描。 最佳规格或最佳性能？ 上面的讨论表明，量化的纳米定位系统的性能可能会非常复杂 。 要找到最高性能的纳米定位系统的应用程序（而不是在纸上的最佳规格），用户从事与制造商的对话，并要求他或她的申请有关的问题 。 当答案听起来好得是真实的，他们通常。此外，对有关问题，始终是值得而找出多久制造商已经在涉及纳米定位 ，质量控制体系到位，如何规范进行了测量，并使用什么设备。 从电信业的不景气可以学到什么 在电信业的不景气之后，分析师和投资者正在寻找新的有希望的市场，技术和纳米技术似乎是其中之一。这就是为什么我们会看到新的公司试图在这方面作出了一笔 。 初创企业，声称有革命性的纳米定位解决方案，将吸引投资者到他们提供数百万美元 。 让我们不要忘记，在电信超过99％的革命性的理念和思路很快就被证实不值钱。真正的挑战不在于概念，但在生产，产量和稳定的质量，交付后交付单位单元执行以及轻轻组装的原型，由总工程师微调 。 由于纳米定位是不是作为一个简单的，两三个，只有经验丰富，装备精良的设计和生产队，和行之有效的质量控制系统的公司将能够满足市场日益增加的需求。 他们的产品规格可能不似乎总是革命的，但将在应用程序环境 。 |