Vergleich der Scan-Performance bei Nanopositioniersystemen mit großem Bewegungsbereich

Abstract

Zusammenfassung: In der vorliegenden Arbeit werden zwei Nanopositioniersysteme in Bezug auf ihre Positioniergenauigkeit während der Bewegung verglichen. Beide Systeme besitzen einen planaren Bewegungsbereich von ≥ 100 mm, werden durch Linearmotoren angetrieben und die Position wird durch Laserinterferometer gemessen. Groẞe Unterschiede existieren jedoch im mechanischen Aufbau. Das erste Positioniersystem ist ein zweiachsiger Demonstrator dessen zwei Läufer auf Wälzkörpern gelagert sind. Dies führt zu dem Problem der besonders im Nanometerbereich stark nichtlinearen Reibung. Bei dem zweiten Positioniersystem kommen Luftlager zum Einsatz und darüber hinaus handelt es sich nur um einen Läufer, welcher drei Freiheitsgrade besitzt. Es wird gezeigt, dass durch regelungstechnische Methoden der Reibkraftkompensation die Positioniergenauigkeit beider Systeme bis zu einer Geschwindigkeit von ca. 1 mm/s vergleichbar ist. Schlüsselwörter: Nanopositionierung, Reibungsmodellierung, Positioniergenauigkeit.Abstract: This work compares two fine positioning stages in relation to positioning accuracy during motion. Both systems have a working range of ≥ 100 mm, are driven by linear motors and the position is measured by laser interferometers. However the mechanical setting is quite different. The first system is a two axis fine positioning stage which is supported by ball bearing guides. This leads especially in nanometer range to problems caused by the highly nonlinear friction. In the second system air bearings are used. It can be shown, that by dint of model based control design the position accuracy is comparable until a velocity of 1 mm/s.

Measurement Precision of a Planar Nanopositioning Machine with a Range of Motion of Ø100 mm

“…The drive forces of the three linear actuators act simultaneously on the slider. The 120 • arrangement allows a resulting force in any direction within the x-y plane and additionally a rotation around the z axis can be generated [24]. Accordingly, this results in a circular range of motion.…”

“…where α W = −30 • and α V = −150 • are the rotation angles of the V and W axis starting from x axis. The core of the control system is formed by three separate classic PID controllers for each of these coordinates [24]. For (x, y, ϕ z ) T , an independent PID controller in its standard form is employed:…”

Anwendungen eines fasergekoppelten chromatisch konfokalen Sensors in Nanopositionier- und Nanomessmaschinen / Applications of a fiber coupled chromatic confocal sensor in nanopositioning and nanomeasuring machines

“…Über den gesamten Bereich erreichen NPMMs eine 3D-Messunsicherheit von weniger als 10 nm. Die hohe Ortsauflösung von 80 pm wird durch stabilisierte interferometrische Messsysteme erreicht [18]. In Kombination mit adäquaten optischen oder taktilen Oberflächensensoren werden hochpräzise Struktur-und Oberflächenmessungen im Nanometerbereich ermöglicht.…”

Towards alternative 3D nanofabrication in macroscopic working volumes

“…Besides the rather conventional spatial filtering of single partial waves by means of amplitudes or phase masks, a manipulation of the exposure wave front may lead to novel, flexibly adjustable interference pattern distributions. obtained in the evaluation of control algorithms by means of field programmable gate array (FPGA) platforms have been promising [81].…”

“…An example of a magn etic vertical actuator guide including weight force compensation is shown in figure 8. Thus, it was possible to achieve a highprecision and fast control of paths of up to 6 mm s −1 [81] on the basis of laser focus probes and laser interferometers [106]. The efficiency of the control systems designed for this purpose was also demonstrated [81,107].…”