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包括的事宜

背景

解决方法: 计算或评定?

准确的行动需要指导,不是摩擦

怎么样驱动器?

传感器: 直接或间接行动计量学?

解决方法或线性?

准确性或速度?

静态或动态准确性?

序列或并行动力学?

最佳的 Specs 或最佳的性能?

什么可以是博学的从电信失败

背景

Nanopositioning 是关键字启用技术在重要纳诺印,扫描显微镜、 microlithography 和自动化的对准线领域。 自从纳米技术成为专业术语,许多 micropositioning 设备突然被升级了到 nanopositioning 的系统通过插值法简单的平均值。 然而,在 microworld 的什么工作经常不适用于 nanoworld。

此 technote 在 nanopositioningg 技术报告关于最近推进,例如并行动力学、有效的弹道控制、新的控制算法振动抑制和循轨误差清除的和他们的福利这个用户的。 另外,当购物一个高性能 nanopositioning 的系统时,本文提供设计工程师以各种各样的关键问题要求行动系统供应商。

解决方法: 计算或评定?

解决方法可能意味不同的事情对另外人员。 当 nanopositioning 这个的术语被形成了,很多家聪明的公司给开放环路,步进主导的 leadscrew 设备做广告作为 “nanopositioners”。 这个调整是一样简单的象一个,二三: 作为 0.4 mm,由 20,000 microsteps 的分界 leadscrew 间距开汽车解决方法和传动箱比例 60 和来设备 “有能力”在 0.3 毫微米解决方法上。 现今,多数设计工程师为此一次方程不再跌倒。 当昨天梯级电动机驱动器被闭环系统时替换了,与直接驱动器有时开汽车,制造商的索赔经常保持虚幻,完全比以前现在支持由 “nanomath” : 解决方法 = 插值法系数分开的编码器间距。

然而,一个 nanopositioning 的系统更大量比编码器和改者电路包括,并且,只要摩擦是包含 (和所有下滑的或者滚的轴承请导致摩擦),可重复的毫微米范围行动在现实世界情况不可能达到 (为无磨擦的固体行动参见图 1)。 另外,上述的轴承的引导的错误经常共计 1000 倍距离一个毫微米可接受在 microworld,但是不在 nanoworld。

真的 nanopositioning 的设备提供无磨擦的行动、实际上瞬间回应、高线性和僵硬和弹道控制在毫微米域,全部在子毫微米解决方法顶部。 当常规行动控制技术无法符合这些要求时,并行推进在固体致动器、弯曲设计、多轴的低惯性并行动力学、有效的弹道控制和高带宽控制工程师领域在领域提供工程师的纳米技术以工具解决他们确定,计量学、扫描或者对准问题。

AZoNano - 纳米技术 - s 无磨擦的固体 (开放环路的) 压力致动器回应对一个三角驱动信号。 仅固体 PZT 致动器能够导致象这样的平稳的毫微米范围行动,与即时回应和没有后退。 注意这个高度是 ±6 仅毫微米。

图 1。

在 spec 页,极为相象许多的系统。 一如何分开告诉科技目前进步水平 nanopositioning 的系统micropositioning 设备

准确的行动需要指导,不是摩擦

nanopositioning 的第一个设计规律说必须消灭摩擦。 这排除有球、路辗或者滑动轴承的所有设备,留下气浮轴承和弯曲。 弯曲是取决于弹性变形的一个无磨擦, stictionless 象铰链的设备 (屈曲) 一种固体物料允许行动。 气浮轴承对长的旅行范围是理想的,但是他们通常是庞大,高惯性和消耗大运行 (清洁空气用品)。 他们有另一个专业缺点: 他们在真空不运作,据 nanopositioning 的应用要求的一个持续增长的编号。

弯曲,另一方面在短的旅行的仅工作排列,几乎在 nanopositioning 的一个缺点! 弯曲 (图 2),如果适当地设计,是非常僵硬的,提供弹道控制以非常好的平直度和扁平,不陈列穿戴,并且可以被设计在多轴的排列。 他们也免修护并且没有运作成本。 这些特性做弯曲这个引导的结构在 nanopositioning 的选择。

AZoNano - 纳米技术 - 与反弓形行动弯曲设计的单一轴 nanopositioning 的阶段。 最佳的弯曲设计提供在低毫微米范围的引导的精确度。 有效的弹道控制可能进一步改进引导的精确度。

图 2。

怎么样驱动器?

再次,导致摩擦的任何驱动器不是可接受的。 Leadscrews,退弹螺,甚而超音波线性压力马达驱动器 (基于的摩擦) 不可能超过亚显微精确度。 电磁式直线电动机、音圈驱动器和固体压力致动器是最常用的无磨擦的驱动器。 第一二优良是为更大的距离,但是有磁场 (不能忍受在 ebeam 石版印刷和许多其他应用),发热和仅温和派僵硬和加速度的缺点,造成低带宽。

压电 (3) 经常称 PZTs 的图,被限制到小的距离,但是非常僵硬的并且达到非常高加速度 (10,000 g),一个前提对于毫秒或子毫秒步骤和结算和高扫瞄速率 (今天,最佳的压力主导的弯曲引导的阶段有 10 kHz 谐振频率)。

AZoNano - 纳米技术 - 科技目前进步水平 PZT 致动器陶瓷被绝缘而不是聚合物被绝缘。 甚而极端条件他们提供延长的寿命,并且不陈列在真空应用的除气作用。

图 3。

PZTs 产物磁场,和不是他们由他们影响。 最近突破在生产技术现在消灭对聚合物绝缘材料的需要,带来零的除气作用的福利在真空应用的,感觉迟钝给湿气和增加的寿命甚而极端条件 (图 4)。

AZoNano - 纳米技术 - 有陶瓷绝缘材料的 (底部曲线) PICMA 致动器比较有聚合物绝缘材料的常规多层致动器。 PICMA 致动器没有影响的是受高湿度试验条件的。 常规致动器展览在仅一些时数以后增加了损失当前。 损失当前是绝缘材料质量和期望的寿命的表示。 试验条件: U = 100 个 V DC, T = 25 °C, rel。 湿气 = 70%

图 4。

传感器: 直接或间接行动计量学?

间接行动计量学是便宜的,但是在科技目前进步水平 nanopositioning 不合格。 当然并且,在摩擦基础上的任何传感器不合格。 间接计量学的示例是马达被挂接的转台式编码器和压阻的在致动器或弯曲挂接的张力传感器 (评定导致行动的摩擦和错误) 的弯曲的张力从而。

高性能 nanopositioning 的系统使用没有接触的直接计量学,被安置评定它最要紧对这种应用的行动。 直接计量学的示例是电容传感器、激光干涉仪和没有接触的光学,递增编码器。

解决方法或线性?

递增编码器为长途评定是非常好的。 多数在 20, 10 或者 2 μm 基础上刺耳间距,最近。 从那里要有发布 10 或 5 毫微米解决方法, (与所有其限制) 要求插值法。 当许多编码器是非常线性的在间距时的多个,在毫微米缩放比例的线性可以是一样差的象 20% 另外 (图 5),如果没同轴挂接与这个驱动器,所有掀动在这个引导的系统,如造成的是由行动冲销将进一步增加这个错误。 什么经常俯视是可能导致摩擦和迟滞现象大约几十倍毫微米编码器阅读领袖的移动电缆导致的小的强制。 对于真的 nanopositioning 的进程,要求可重复的毫微米缩放比例步骤宽度,有更好的解决方法。

AZoNano - 纳米技术 - 高分辨率递增线性编码器线性是非常好的在长距离,但是经常没有什么有人在毫微米缩放比例可能期待。 上述示例显示错误 100 毫微米和更多在小的距离 (1 到 2 微米)。

图 5。

激光干涉仪是在位置评定的被接受的标准。 然而,由于其操作原理,一台外差干涉仪的输出不是完全线性的。 此非线形性主要由极化激光束的椭率或 nonorthogonality 造成,并且在光学的缺点可能进一步造成非线形性。 最佳的商业可用的干涉仪提供 2 到 5 毫微米线性,不好足够在一些高端 nanopositioning 的应用 (图 6)。 要求干涉测量法和特殊设备深刻知识使更好的性能脱离干涉仪,作为反馈或定标设备。

AZoNano - 纳米技术 - PI P-517 nanopositioning 的阶段的线性,外差干涉仪提供的位置反馈。

图 6。

高性能完成与绝对评定,二牌照电容传感器 (唯一电极电容传感器为 nanopositioning 不是非常合适的)。 从事最好在小的范围,他们是一位理想的对手对于弯曲引导的 PZT 驱动器。 电容传感器是非常紧凑,真空兼容,不区分对 EMI,如果适当地设计,提供非常高线性 (图 7a) 以 0.1 毫微米的以下解决方法。 由于绝对评定的原则,没有需要归航的程序,并且没有限制改者的带宽或倾向的计数器电路 “丢失”在高速应用的行动或者应该敲响发生在一个快速步骤结束时。 高端 nanopositioning 的阶段在 spec 页在现实世界达到双向反复性 1 毫微米,一个令人惊讶的图,简单放置,但是非常艰苦达到和证明 (图 7b)。

AZoNano - 纳米技术 - Nanopositioning 的阶段和一样在图 6,但是控制与二牌照电容反馈。

图 7a。

AZoNano - 纳米技术 - 科技目前进步水平闭合电路压力 nanopositioning 的阶段的双向反复性与顺行计量学电容反馈的,评定与科技目前进步水平干涉仪。

图 7b.metrology 电容反馈,评定与科技目前进步水平干涉仪。

准确性或速度?

在今天工业生产和测试进程、处理量和时间问题更多。 在例如题头/媒体测试应用程序, subnanometer 步骤需要执行,并且一个新的位置需要被到达并且拿着稳定对在毫秒或较少的问题的毫微米容差。 每毫秒被刮步骤和结算进程值得一个大款项。

PZT 驱动器可能提供加速度至 10,000 g,并且回应输入在少于 0.1 msec,更经常比有效负荷或支撑结构被设计为。 这个 nanopositioning 的阶段的超速的步骤时期可能激发在其负荷或相邻的要素的振动。 对这种应用,不重要这个确定的阶段多快可能终止,但是负荷多快到达经常被忽略的一个稳定的位置情况。 传统观念建议除阻止或等待以外,没有可以执行关于这样振动发生的外部定位系统的伺服循环的。

今天,有为消灭结构上的共鸣的一套新工具。 给予专利的,实时前馈技术叫 InputShaping® (图 8a, b) 根据在 TechPhysik Instrumente 数字式压力 nanopositioning 的管理员马萨诸塞学院的研究被开发了

AZoNano - 纳米技术 - 压力设备有能力在毫秒缩放比例步骤andsettle 上。 然而,在这个伺服循环之外的要素可能敲响 (负荷,相邻的元件部分,…)。 外部共鸣由一个 Polytec 激光振动计评定的位置形象化这里与时间。

图 8a。

AZoNano - 纳米技术 - 输入 Shaping® 消灭行动主导敲响在这个伺服循环之外的要素。 结算在日出时间以后由 t ~ Fres-1 完成。

图 8b.res-1

InputShaping® 不要求反馈并且不与多个共鸣一起使用演绎知识在这个系统中的。 InputShaping®,系统伸手可及的距离的时期稳定的位置与是的 f0 造成在机械设置的不稳定性的最低的谐振频率的 1/f0 是等于的。

静态或动态准确性?

解决方法、线性和准确性知道合格行动系统的静态性能。 然而,在动态应用例如扫描或跟踪,静态说明是无意义的。 一个公用方式评定动态特性是带宽。 带宽在频域指定系统的振幅特性曲线。 即,但是他们位于的静态准确性和带宽多远仍然不一起给系统的动态准确性的任何指示多么直接在扫描应用的线路将是或期望的位置。

在一个特定波形形式要合格在这些应用的一个系统,目标数据和实际位置数据必须被记录和被评估。 这个区别在错误或循轨误差之后叫。 在与 PID 伺服操纵设计的常规 PZT nanopositioning 的系统,这个循轨误差可能到达两位数百分比与频率的值甚而以扫瞄速率在 10Hz 下和增量。

了解,那在这个循轨误差是一个关键参数的动态 nanopositioning 的应用是重要的。 在数字控制器设计的最近预付款在 PI 导致了复杂的可适应的数字式线性化方法,使在重复性波形形式的动态误差降低从微米域到难辨别的级别,甚而与高频率动态驱动在负荷 (图 9a 和 9b 下)。

常规 PID 管理员, PZT nanopositioning 的系统,对一个三角扫描信号的回应。 蓝色: 靶位; 红色: 实际位置; 绿色: 循轨误差 (更好的公开性的 10X)

图 9a。

同样 nanopositioning 的系统,可适应的数字式线性化。 蓝色: 靶位和实际位置 (实际上同样)。 红色: 循轨误差 (更好的公开性的 100X) 被几个数量级减少。

图 9b。

序列或并行动力学?

在高速 nanopositioning 的应用,例如扫描显微镜,小范围在二维数需要浏览,当第 3 个轴控制将由外部在 ATM'S 的输入 (即在 AFM'S 的强制或当前)。 Subnanometer 线间距和数百的扫瞄速率 Hz 是理想的在这些应用。 唯一的可行方式达到此是与并行动力学,多轴的闭环压力主导的弯曲阶段。

而不是堆积单一轴子装配件,并行动力学阶段是整体的,当致动器平行运行在一个中央,移动平台 (图 10a)。 不仅这极大减少惯性,但是产量相同的谐振频率和动态特性在 X 和 Y 方向。 替代,被堆积的集合总是导致另外 X 与 Y 工作情况 (虽则发布说明有时不能反射此基本的实际情况)。 一致的 X 与 Y 动态特性为准确和响应能力的扫描是理想的和跟踪性能。 使用电容传感器评定整体移动平台意味着正交轴自动地补尝彼此的溢流和干扰 (有效的弹道控制或者多轴的直接计量学),而与序列动力学,各自的轴的溢流错误累计。 例如,假定4 英寸多轴的栈的底部平台造成的 ±10 仅μrad 掀动错误阶段导致一个 2 μm 线性错误在顶部平台。 序列动力学其他缺点在 nanopositioning 的是高惯性、更高的重心和导致摩擦和迟滞现象 (图 8b) 的 5 个移动电缆。

AZoNano - 纳米技术 - 被堆积的序列动力学二轴的 nanopositioning 的阶段有显着更高的惯性,更高的重心,并且不可能为轴错误更正。 顶部平台的移动电缆导致摩擦并且导致迟滞现象。

图 10a。

AZoNano - 纳米技术 - 一个整体 3 DOF (X, Y,希腊字母的第八字Z) parallelkinematics nanopositioning 的阶段的基本设计与 PZT 驱动器和电汇 EDM 删节的弯曲的。 电容位置检测器 (没显示) 在实时 (有效的弹道控制) 的直接地评定中央移动平台补尝最轻微的轴行动。 这对序列动力学设计不是可能的,如图 10a 所显示。

图 10b。

在并行动力学基础上的科技目前进步水平毫微米扫描系统控制自动地补尝不需要的外飞机行动以及不需要的旋转的错误的全部 6 个自由程度。

这要求平行运动计量学和一个数字控制器有能力在协调转换 (图 11a) 上。 这个结果,与 1 毫微米的扁平 /straightness 的 100 x 100 μm 扫描在图 11b 显示。

AZoNano - 纳米技术 - 科技目前进步水平 6 轴数字控制器和自定义超级英瓦合金 6D 压力扫描阶段 (并行动力学机械工和平行运动计量学)。

图 11a。 科技目前进步水平 6 轴数字控制器和自定义超级英瓦合金 6D 压力扫描阶段 (并行动力学机械工和平行运动计量学)。

AZoNano - 纳米技术 - 6 个与多轴的并行顺行计量学的 DOF PZT 弯曲 nanopositioning 的阶段在其中任一寄生瞬间情报给这个数字控制器为实时报酬。 非常好的结果, 1 毫微米扁平和平直度,在此 100 x 100 μm 扫描 epicted。

图 11b。

最佳的 Specs 或最佳的性能?

上述论述显示那定量一个 nanopositioning 的系统的性能可以是非常复杂的。 要查找应用的 (不是那个最高的执行的 nanopositioning 的系统与在文件的最佳的 specs),这个用户必须参与与这个制造商的对话和请求问题与他们的应用有关。 当答复听起来太好以至于不能是真的时,他们通常是。 除提出相关问题之外,发现制造商多久在 nanopositioning 介入总是值得的,什么质量管理系统到位,使用了说明如何被评定了,并且什么设备。

什么可以是博学的从电信失败

在电信后请失败,分析员和投资者寻找新的有为的市场,并且纳米技术似乎是他们中的一个。 这就是为什么我们将看到新的公司设法做在此域的时运。 启动,声称有革命 nanopositioning 的解决方法,将诱使投资者到提供他们以百万美元。 不我们忘记在电信超过 99% 革命概念和想法很快证明不值得。 这个真正的挑战在不在概念,但是在生产,产量和一致的质量,其中被提供的部件,在被提供的部件执行以后以及轻轻地被装配的还原,优化由总工程师。

由于 nanopositioning 不是一样简单的,象一,二三,只有与有经验,装备精良的设计和生产小组和证明的质量管理系统的公司能满足这个市场的永远生长的需求。 他们的制品技术规范在应用程序环境里可能不总是似乎革命,然而阻止。

主要作者: 斯蒂芬 Vorndran

来源: Physik Instrumente

关于此来源的更多信息请参观 Physik Instrumente

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

Last Update: 13. June 2013 06:17

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