Nanopositioning - 最近預付款包括並行動力學、有效的彈道控制、振動抑制和循軌誤差清除 Physik Instrumente

AZoM - 金屬、陶瓷、聚合物和綜合 - Physik Instrumente 徽標

包括的事宜

背景

解決方法: 計算或評定?

準確的行動需要指導,不是摩擦

怎麼樣驅動器?

傳感器: 直接或間接行動計量學?

解決方法或線性?

準確性或速度?

靜態或動態準確性?

序列或並行動力學?

最佳的 Specs 或最佳的性能?

什麼可以是博學的從電信失敗

背景

Nanopositioning 是關鍵字啟用技術在重要納諾印,掃描顯微鏡、 microlithography 和自動化的對準線領域。 自從納米技術成為專業術語,許多 micropositioning 設備突然被升級了到 nanopositioning 的系統通過插值法簡單的平均值。 然而,在 microworld 的什麼工作經常不適用於 nanoworld。

此 technote 在 nanopositioningg 技術報告關於最近推進,例如並行動力學、有效的彈道控制、新的控制算法振動抑制和循軌誤差清除的和他們的福利這個用戶的。 另外,當購物一個高性能 nanopositioning 的系統時,本文提供設計工程師以各種各樣的關鍵問題要求行動系統供應商。

解決方法: 計算或評定?

解決方法可能意味不同的事情对另外人員。 當 nanopositioning 這個的術語被形成了,很多家聰明的公司給開放環路,步進主導的 leadscrew 設備做廣告作為 「nanopositioners」。 這個調整是一樣簡單的像一个,二三: 作為 0.4 mm,由 20,000 microsteps 的分界 leadscrew 間距開汽車解決方法和傳動箱比例 60 和來設備 「有能力」在 0.3 毫微米解決方法上。 現今,多數設計工程師為此一次方程不再跌倒。 當昨天梯級電動機驅動器被閉環系統時替換了,與直接驅動器有時開汽車,製造商的索賠經常保持虛幻,完全比以前現在支持由 「nanomath」: 解決方法 = 插值法系數分開的編碼器間距。

然而,一個 nanopositioning 的系統更大量比編碼器和改者電路包括,并且,只要摩擦是包含 (和所有下滑的或者滾的軸承请導致摩擦),可重複的毫微米範圍行動在現實世界情況不可能達到 (為無磨擦的固體行動參見圖 1)。 另外,上述的軸承的引導的錯誤經常共計 1000 倍距離一个毫微米可接受在 microworld,但是不在 nanoworld。

真的 nanopositioning 的設備提供無磨擦的行動、實際上瞬間回應、高線性和僵硬和彈道控制在毫微米域,全部在子毫微米解決方法頂部。 當常規行動控制技術無法符合這些要求時,並行推進在固體致動器、彎曲設計、多軸的低慣性並行動力學、有效的彈道控制和高帶寬控制工程師領域在領域提供工程師的納米技術以工具解決他們確定,計量學、掃描或者對準問題。

AZoNano - 納米技術 - s 無磨擦的固體 (開放環路的) 壓力致動器回應對一個三角驅動信號。 仅固體 PZT 致動器能够導致像這樣的平穩的毫微米範圍行動,與即時回應和沒有後退。 注意這個高度是 ±6 仅毫微米。

圖 1。

在 spec 頁,極為相像許多的系統。 一如何分開告訴科技目前進步水平 nanopositioning 的系統micropositioning 設備

準確的行動需要指導,不是摩擦

nanopositioning 的第一個設計規律說必須消滅摩擦。 這排除有球、路輾或者滑動軸承的所有設備,留下氣浮軸承和彎曲。 彎曲是取決於彈性變形的一個無磨擦, stictionless 像鉸鏈的設備 (屈曲) 一種固體物料允許行動。 氣浮軸承對長的旅行範圍是理想的,但是他們通常是龐大,高慣性和消耗大運行 (清潔空氣用品)。 他們有另一個專業缺點: 他們在真空不運作,據 nanopositioning 的應用要求的一個持續增長的編號。

彎曲,另一方面在短的旅行的仅工作排列,幾乎在 nanopositioning 的一個缺點! 彎曲 (圖 2),如果適當地設計,是非常僵硬的,提供彈道控制以非常好的平直度和扁平,不陳列穿戴,并且可以被設計在多軸的排列。 他們也免修護并且沒有運作成本。 這些特性做彎曲這個引導的結構在 nanopositioning 的選擇。

AZoNano - 納米技術 - 與反弓形行動彎曲設計的單一軸 nanopositioning 的階段。 最佳的彎曲設計提供在低毫微米範圍的引導的精確度。 有效的彈道控制可能進一步改進引導的精確度。

圖 2。

怎麼樣驅動器?

再次,導致摩擦的任何驅動器不是可接受的。 Leadscrews,退彈螺,甚而超音波線性壓力馬達驅動器 (基於的摩擦) 不可能超過亞顯微精確度。 電磁式直線電動機、音圈驅動器和固體壓力致動器是最常用的無磨擦的驅動器。 第一二優良是為更大的距離,但是有磁場 (不能忍受在 ebeam 石版印刷和許多其他應用),發熱和仅溫和派僵硬和加速度的缺點,造成低帶寬。

壓電 (3) 經常稱 PZTs 的圖,被限制到小的距離,但是非常僵硬的并且達到非常高加速度 (10,000 g),一個前提對於毫秒或子毫秒步驟和結算和高掃瞄速率 (今天,最佳的壓力主導的彎曲引導的階段有 10 kHz 諧振頻率)。

AZoNano - 納米技術 - 科技目前進步水平 PZT 致動器陶瓷被绝緣而不是聚合物被绝緣。 甚而極端條件他們提供延長的壽命,并且不陳列在真空應用的除氣作用。

圖 3。

PZTs 產物磁場,和不是他們由他們影響。 最近突破在生產技術現在消滅對聚合物绝緣材料的需要,帶來零的除氣作用的福利在真空應用的,感覺遲鈍給濕氣和增加的壽命甚而極端條件 (圖 4)。

AZoNano - 納米技術 - 有陶瓷绝緣材料的 (底部曲線) PICMA 致動器比較有聚合物绝緣材料的常規多層致動器。 PICMA 致動器沒有影響的是受高濕度試驗條件的。 常規致動器展覽在仅一些時數以後增加了損失當前。 損失當前是绝緣材料質量和期望的壽命的表示。 試驗條件: U = 100 个 V DC, T = 25 °C, rel。 濕氣 = 70%

圖 4。

傳感器: 直接或間接行動計量學?

間接行動計量學是便宜的,但是在科技目前進步水平 nanopositioning 不合格。 當然并且,在摩擦基礎上的任何傳感器不合格。 間接計量學的示例是馬達被掛接的轉臺式編碼器和壓阻的在致動器或彎曲掛接的張力傳感器 (評定導致行動的摩擦和錯誤) 的彎曲的張力從而。

高性能 nanopositioning 的系統使用沒有接觸的直接計量學,被安置評定它最要緊對這種應用的行動。 直接計量學的示例是電容傳感器、激光干涉儀和沒有接觸的光學,遞增編碼器。

解決方法或線性?

遞增編碼器為長途評定是非常好的。 多數在 20, 10 或者 2 μm 基礎上刺耳間距,最近。 從那裡要有發布 10 或 5 毫微米解決方法, (與所有其限制) 要求插值法。 當許多編碼器是非常線性的在間距時的多個,在毫微米縮放比例的線性可以是一樣差的像 20% 另外 (圖 5),如果沒同軸掛接與這個驅動器,所有掀動在這個引導的系統,如造成的是由行動衝銷將進一步增加這個錯誤。 什麼經常俯視是可能導致摩擦和遲滯現象大約幾十倍毫微米編碼器閱讀領袖的移動電纜導致的小的強制。 對於真的 nanopositioning 的進程,要求可重複的毫微米縮放比例步驟寬度,有更好的解決方法。

AZoNano - 納米技術 - 高分辨率遞增線性編碼器線性是非常好的在長距離,但是經常沒有什麼有人在毫微米縮放比例可能期待。 上述示例顯示錯誤 100 毫微米和更多在小的距離 (1 到 2 微米)。

圖 5。

激光干涉儀是在位置評定的被接受的標準。 然而,由於其操作原理,一臺外差干涉儀的輸出不是完全線性的。 此非線形性主要由極化激光束的橢率或 nonorthogonality 造成,并且在光學的缺點可能進一步造成非線形性。 最佳的商業可用的干涉儀提供 2 到 5 毫微米線性,不好足够在一些高端 nanopositioning 的應用 (圖 6)。 要求干涉測量法和特殊設備深刻知識使更好的性能脫離干涉儀,作為反饋或定標設備。

AZoNano - 納米技術 - PI P-517 nanopositioning 的階段的線性,外差干涉儀提供的位置反饋。

圖 6。

高性能完成與绝對評定,二牌照電容傳感器 (唯一電極電容傳感器為 nanopositioning 不是非常合適的)。 從事最好在小的範圍,他們是一位理想的對手對於彎曲引導的 PZT 驅動器。 電容傳感器是非常緊湊,真空兼容,不區分對 EMI,如果適當地設計,提供非常高線性 (圖 7a) 以 0.1 毫微米的以下解決方法。 由於绝對評定的原則,沒有需要歸航的程序,并且沒有限制改者的帶寬或傾向的計數器電路 「丟失」在高速應用的行動或者應該敲響發生在一個快速步驟結束時。 高端 nanopositioning 的階段在 spec 頁在現實世界達到雙向反覆性 1 毫微米,一個令人驚訝的圖,簡單放置,但是非常艱苦達到和證明 (圖 7b)。

AZoNano - 納米技術 - Nanopositioning 的階段和一樣在圖 6,但是控制與二牌照電容反饋。

圖 7a。

AZoNano - 納米技術 - 科技目前進步水平閉合電路壓力 nanopositioning 的階段的雙向反覆性與順行計量學電容反饋的,評定與科技目前進步水平干涉儀。

圖 7b.metrology 電容反饋,評定與科技目前進步水平干涉儀。

準確性或速度?

在今天工業生產和測試進程、處理量和時間問題更多。 在例如題頭/媒體測試應用程序, subnanometer 步驟需要執行,并且一個新的位置需要被到達并且拿著穩定對在毫秒或較少的問題的毫微米容差。 每毫秒被刮步驟和結算進程值得一個大款項。

PZT 驅動器可能提供加速度至 10,000 g,并且回應輸入在少於 0.1 msec,更經常比有效負荷或支撐結構被設計為。 這個 nanopositioning 的階段的超速的步驟時期可能激發在其負荷或相鄰的要素的振動。 對這種應用,不重要這個確定的階段多快可能終止,但是負荷多快到達經常被忽略的一個穩定的位置情況。 傳統觀念建議除阻止或等待以外,沒有可以執行關於這樣振動發生的外部定位系統的伺服循環的。

今天,有為消滅結構上的共鳴的一套新工具。 給予專利的,實時前饋技術叫 InputShaping® (圖 8a, b) 根據在 TechPhysik Instrumente 數字式壓力 nanopositioning 的管理員馬薩諸塞學院的研究被開發了

AZoNano - 納米技術 - 壓力設備有能力在毫秒縮放比例步驟andsettle 上。 然而,在這個伺服循環之外的要素可能敲響 (負荷,相鄰的元件部分,…)。 外部共鳴由一個 Polytec 激光振動計評定的位置形象化這裡與時間。

圖 8a。

AZoNano - 納米技術 - 輸入 Shaping® 消滅行動主導敲響在這個伺服循環之外的要素。 結算在日出時間以後由 t ~ Fres-1 完成。

圖 8b.res-1

InputShaping® 不要求反饋并且不與多個共鳴一起使用演繹知識在這個系統中的。 InputShaping®,系統伸手可及的距離的時期穩定的位置與是的 f0 造成在機械設置的不穩定性的最低的諧振頻率的 1/f0 是等於的。

靜態或動態準確性?

解決方法、線性和準確性知道合格行動系統的靜態性能。 然而,在動態應用例如掃描或跟蹤,靜態說明是無意義的。 一個公用方式評定動態特性是帶寬。 帶寬在頻域指定系統的振幅特性曲線。 即,但是他們位於的靜態準確性和帶寬多遠仍然不一起給系統的動態準確性的任何指示多麼直接在掃描應用的線路將是或期望的位置。

在一個特定波形形式要合格在這些應用的一個系統,目標數據和實際位置數據必須被記錄和被評估。 這個區別在錯誤或循軌誤差之後叫。 在與 PID 伺服操縱設計的常規 PZT nanopositioning 的系統,這個循軌誤差可能到達兩位數百分比與頻率的值甚而以掃瞄速率在 10Hz 下和增量。

瞭解,那在這個循軌誤差是一個關鍵參數的動態 nanopositioning 的應用是重要的。 在數字控制器設計的最近預付款在 PI 導致了複雜的可適應的數字式線性化方法,使在重複性波形形式的動態誤差降低從微米域到難辨別的級別,甚而與高頻率動態驅動在負荷 (圖 9a 和 9b 下)。

常規 PID 管理員, PZT nanopositioning 的系統,對一個三角掃描信號的回應。 藍色: 靶位; 紅色: 實際位置; 綠色: 循軌誤差 (更好的公開性的 10X)

圖 9a。

同樣 nanopositioning 的系統,可適應的數字式線性化。 藍色: 靶位和實際位置 (實際上同樣)。 紅色: 循軌誤差 (更好的公開性的 100X) 被幾個數量級減少。

圖 9b。

序列或並行動力學?

在高速 nanopositioning 的應用,例如掃描顯微鏡,小範圍在二維數需要瀏覽,当第 3 個軸控制將由外部在 ATM'S 的輸入 (即在 AFM'S 的強制或當前)。 Subnanometer 線間距和數百的掃瞄速率 Hz 是理想的在這些應用。 唯一的可行方式達到此是與並行動力學,多軸的閉環壓力主導的彎曲階段。

而不是堆積單一軸子裝配件,並行動力學階段是整體的,当致動器平行運行在一個中央,移動平臺 (圖 10a)。 不僅這極大減少慣性,但是產量相同的諧振頻率和動態特性在 X 和 Y 方向。 替代,被堆積的集合總是導致另外 X 與 Y 工作情況 (雖則發布說明有時不能反射此基本的實際情況)。 一致的 X 與 Y 動態特性為準確和響應能力的掃描是理想的和跟蹤性能。 使用電容傳感器評定整體移動平臺意味著正交軸自動地補嘗彼此的溢流和干擾 (有效的彈道控制或者多軸的直接計量學),而與序列動力學,各自的軸的溢流錯誤累計。 例如,假定4 英寸多軸的棧的底部平臺造成的 ±10 仅μrad 掀動錯誤階段導致一個 2 μm 線性錯誤在頂部平臺。 序列動力學其他缺點在 nanopositioning 的是高慣性、更高的重心和導致摩擦和遲滯現象 (圖 8b) 的 5 個移動電纜。

AZoNano - 納米技術 - 被堆積的序列動力學二軸的 nanopositioning 的階段有顯著更高的慣性,更高的重心,并且不可能為軸錯誤更正。 頂部平臺的移動電纜導致摩擦并且導致遲滯現象。

圖 10a。

AZoNano - 納米技術 - 一個整體 3 DOF (X, Y,希臘字母的第八字Z) parallelkinematics nanopositioning 的階段的基本設計與 PZT 驅動器和電匯 EDM 刪節的彎曲的。 電容位置檢測器 (沒顯示) 在實時 (有效的彈道控制) 的直接地評定中央移動平臺補嘗最輕微的軸行動。 這對序列動力學設計不是可能的,如圖 10a 所顯示。

圖 10b。

在並行動力學基礎上的科技目前進步水平毫微米掃描系統控制自動地補嘗不需要的外飛機行動以及不需要的旋轉的錯誤的全部 6 個自由程度。

這要求平行運動計量學和一個數字控制器有能力在協調轉換 (圖 11a) 上。 這個結果,與 1 毫微米的扁平 /straightness 的 100 x 100 μm 掃描在圖 11b 顯示。

AZoNano - 納米技術 - 科技目前進步水平 6 軸數字控制器和自定義超級英瓦合金 6D 壓力掃描階段 (並行動力學機械工和平行運動計量學)。

圖 11a。 科技目前進步水平 6 軸數字控制器和自定義超級英瓦合金 6D 壓力掃描階段 (並行動力學機械工和平行運動計量學)。

AZoNano - 納米技術 - 6 个與多軸的並行順行計量學的 DOF PZT 彎曲 nanopositioning 的階段在其中任一寄生瞬間情報給這個數字控制器為實時報酬。 非常好的結果, 1 毫微米扁平和平直度,在此 100 x 100 μm 掃描 epicted。

圖 11b。

最佳的 Specs 或最佳的性能?

上述論述顯示那定量一個 nanopositioning 的系統的性能可以是非常複雜的。 要查找應用的 (不是那個最高的執行的 nanopositioning 的系統與在文件的最佳的 specs),這個用戶必須參與與這個製造商的對話和請求問題與他們的應用有關。 當答復聽起來太好以至於不能是真的時,他們通常是。 除提出相關問題之外,發現製造商多久在 nanopositioning 介入總是值得的,什麼質量管理系統到位,使用了說明如何被評定了,并且什麼設備。

什麼可以是博學的從電信失敗

在電信後请失敗,分析員和投資者尋找新的有為的市場,并且納米技術似乎是他們中的一個。 這就是為什麼我們將看到新的公司設法做在此域的時運。 啟動,聲稱有革命 nanopositioning 的解決方法,將誘使投資者到提供他們以百萬美元。 不我們忘記在電信超過 99% 革命概念和想法很快證明不值得。 這個真正的挑戰在不在概念,但是在生產,產量和一致的質量,其中被提供的部件,在被提供的部件執行以後以及輕輕地被裝配的還原,優化由總工程師。

由於 nanopositioning 不是一樣簡單的,像一,二三,只有與有經驗,裝備精良的設計和生產小組和證明的質量管理系統的公司能滿足這個市場的永遠生長的需求。 他們的製品技術規範在應用程序環境裡可能不總是似乎革命,然而阻止。

主要作者: 斯蒂芬 Vorndran

來源: Physik Instrumente

關於此來源的更多信息请請參觀 Physik Instrumente

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

Last Update: 13. June 2013 06:22

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit