《微纳米定位技术-v》PPT课件.ppt

微细制造,朱利民 ，34206545,1. 纳米定位系统概述,2. 压电驱动柔性铰链微位移平台,3. 微位移平台的控制方法,4. 纳米定位技术的应用,纳米定位系统,1. 纳米定位系统,1.1微纳米制造装备,多维运动系统 多轴联动、高速、高加速度、大载荷、高定位精度、高同步精度、真空环境、。,光学检测系统 双目显微视觉对准、光栅相位对准、基于CCD的预定位、。,工艺过程控制系统 在极短的时间内精确控制工作区域内的温度、功率、压力和流量等工艺过程参数。,1.2 微纳米定位平台的组成,12-15G,高加速度,12- 15G,高速度,0.81 m/s,2-3G,1.5G,驱动形式,导向机构,球滚 动导轨,柱滚动 导轨,气浮 导轨,载荷大小,行程大小,直线电机,DD马达,1.5 3kg,40kg,12kg,50100 mm,300mm,应用领域,微电子制造装备,洁净环境(110万)等级,真空环境（10-610-9托）,热场气流场静电场磁场,精密操纵作业环境,多物理场及其耦合,直线电机,高精密定 位系统,光刻机,前道主机平台,后道制造,Wire bonder,光刻机平台,传统的旋转电机与丝杠、减速器、轴承等组合的驱动传动结构，引入摩擦、间隙、机械弹性变形等问题，无法满足纳米精度要求。 应用于纳米级精密定位领域的执行器主要有： 1）洛伦茨电机：直线电机、平面电机、音圈电机 2）固态执行器：压电执行器、磁致伸缩执行器、,1.2 用于纳米定位的执行器种类,直线电机 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。 用直线电机直接驱动后加速度可以达到2.56g。存在齿槽效应和边缘效应所造成的力矩纹波，给控制带来了一定困难。,1）洛伦茨电机,直线电机,直线电机工作原理,音圈电机（Voice Coil Motor） 音圈电机是一种特殊形式的直接驱动电机.具有结构简单、体积小、高速、高加速、响应快等特性.其工作原理是,通电线圈(导体)放在磁场内就会产生力,力的大小与施加在线圈上的电流成比例.基于此原理制造的音圈电机运动形式可以为直线或者圆弧. 音圈电机一般可以达到500-1000Hz的运动频率，甚至更高。其控制位置精度最高到几十个纳米这样的精度要求。采用直线音圈电机直接驱动后加速度可高达10g以上。但由于没有中间减速装置，因此对负载变化很敏感。此外，支撑导轨非线性摩擦也给定位系统的控制带来困难。,圆柱形直线音圈电机,摆角式音圈电机,矩形直线音圈电机,超声波直线 超声波电动机是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动器。由于激振元件为压电陶瓷，所以也称为压电马达。具有低速大力矩输出、功率密度高、起停控制性好、精确定位、噪音小等优点。 采用超声波直线电机直接驱动有效提高了重复定位精度，但平台的速度和加速度不高。,超声波电机,2）固态执行器 压电陶瓷执行器 当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些对应面上产生异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生电荷的现象称为正压电效应。 当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应。 压电陶瓷是一类能产生逆压电效应的压电晶体。压电陶瓷执行器具有体积小、位移分辨率高（亚纳米级）、响应速度快（几十微秒）、输出力大、换能效率高、静态不发热等优点。但压电陶瓷执行器的行程最大一般只有数百微米。 应用：压电陶瓷执行器常用于超精密纳米定位机构中。,压电陶瓷执行器,磁致伸缩执行器 某些磁性体的外部一旦加上磁场则磁性体的外形尺寸会发生变化，利用这种现象制作的驱动器称为磁致伸缩驱动器。 精度可达纳米级，响应速度快(微秒级)，输出力大，工作电压低(几伏至几十伏)，设计相对简单。但为了消除线圈发热引起的热变形因素的影响，必须专门设计恒 温冷却系统，给其应用带来了不利因素。,磁致伸缩驱动器原理图,磁致伸缩驱动器,磁致伸缩执行器与压电陶瓷执行器比较 推力：磁致伸缩执行器压电陶瓷执行器 最大行程：磁致伸缩执行器压电陶瓷执行器 位移分辨率：磁致伸缩执行器（纳米级）压电陶瓷执行器（亚纳米级） 响应速度：磁致伸缩执行器压电陶瓷执行器 工作带宽：磁致伸缩执行器（几十Hz到1000Hz）压电陶瓷执行器,电致伸缩陶瓷执行器 压电体在外电场外电场作用下会产生区别于逆压电效应的形变，其大小与场强成比例。电致伸缩陶瓷执行器是由特殊压电材料制成的具有良好的温度稳定性及大的电致伸缩效应的驱动器。 其产生的形变与外电场的平方成正比，导致驱动器在低电压段位移分辨率高、高电压段位移分辨率低的现象，降低了驱动器整体分辨率。另外，驱动器材料的温度漂移系数比较大，在高精度应用中对环境的要求较高。,电致伸缩陶瓷执行器,微位移传感器主要有： 激光干涉仪 电容式传感器 电感式传感器 应变式传感器 光栅式传感器 ,1.3 微位移传感器,1）激光干涉仪（laser interferometer） 原理：以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量。 优点：量程大，分辨率高，抗干扰能力好。 缺点：系统庞大，造价昂贵。 2）电容式传感器 原理：将位移量转化为电容值的变化，有变间隙式、变面积式和变界电常数式三种。 优点：灵敏度高，分辨率高，精度可靠，属于非接触式测量，动态响应快，发热小。 缺点：容易受寄生电容和外界的干扰。,3）电感式传感器 原理：将位移的变化量转化为互感或自感的变化。 优点：有结构简单，体积小、易于安装、分辨率高； 缺点：处理电路较为复杂，对于它的精度、稳定性影响较大。随着一些专用集成信号条理芯片的出现，其应用范围进一步扩大。 4）应变式位移传感器 原理：将位移量变成金属或半导体应变片的应变，引起应变片的电阻变化。 优点：从理论上讲，其分辨率很高，成本低； 缺点：接触式测量；受温度、衬底材料和粘贴的影响。,微位移传感器介绍,5）光栅传感器 优点：分辨率高、精度好、不受磁场、电场的影响。 缺点：价格昂贵，适应性有局限，油污和灰尘会影响它的可靠性。,光栅传感器,传感器对比,微位移导向机构主要有： 柔性铰链 板弹簧 气浮 磁浮,1.4 微位移导向机构,柔性铰链导向机构 结构紧凑、体积小、无机械摩擦、无间隙。 柔性铰链导向机构通常与压电陶瓷驱动器配合组成微位移定位平台。行程从亚微米到亚毫米，且可达到纳米级定位精度。,板弹簧导向机构 以板弹簧作为导向机构，以音圈电机驱动，可组成中等行程的高精密定位平台。 行程可以达到mm级，定位精度在nm级。,气浮导轨 气浮技术具有高精度、高速度、高分辨率，热稳定性好等优点。但结构复杂、体积大，外部干扰对工作台精度影响较大。 气浮平台采用直线电机驱动，基于气浮导轨支撑。传感器可采用直线光栅尺。行程一般有几百毫米。定位精度一般在微米级，最好可以达到10nm左右。,台湾HIWIN公司,最大行程：1000mm1000mm 定位精度：um级 自由度： X/Y 支撑方式：气浮导轨,日本yokogawa,自由度：X/Y/R 重复定位精度：0.1um（XY向） 0.05角秒（） 支撑方式：气浮导轨,白俄罗斯RUCH公司,重复定位精度：3um 自由度： X/Y 支撑方式：气浮导轨,最大行程：150mm310mm 自由度： X/Y 定位精度：um级,德国PSIM公司,磁浮导轨 利用磁悬浮原理，具有直接驱动、无摩擦、无迟滞和无回空间隙等优点，并可应用于高洁净和高真空等极端环境等优点。 缺点：磁浮导轨发热大；在大行程范围内，由于温度场变化和永磁体内力作用导致致动器结构细微变形，对推力和纳米级定位精度产生扰动；磁浮致动器六个自由度运动耦合问题、开环不稳定系统的参数辨识问题以及无阻尼系统的快速定位问题都需要研究先进的控制算法来解决；以上问题限制了其在超精密领域的应用。 磁浮平台一般采用直线电机驱动，利用磁浮导轨支撑。行程一般可达到几十毫米。目前磁浮平台定位精度一般 可达到nm级。,28,MIT,自由度：3 行程：50mm50mm400um 定位误差：5nm(XY),10nm(Z) 支撑方式：磁浮,Texas A&M University,行程：5mm5mm 位移分辨率：3nm(XY) 支撑方式：磁浮,University of North Carolina,自由度：3 行程：25mm25mm0.1mm 定位精度：10nm 支撑方式：磁浮,Tokyo Institute of Technology,行程：18mm18mm 位移分辨率：3nm(XY) 支撑方式：气浮,PHILIPS公司超精密平面电机,自由度： X/Y/Z/Rx/Ry/Rz 定位精度：10nm 支撑方式：磁浮导轨,三种微纳米定位平台性能对比 行程： 气浮平台（m级）磁浮平台（mm级）柔性铰链导向平台（um级） 定位精度：气浮平台（um级）磁浮平台（nm级）柔性铰链导向平台（nm级） 负载： 速度：,2. 压电驱动柔性铰链定位平台,压电驱动柔性铰链定位平台，以压电陶瓷作为驱动器，以柔性铰链机构作为导向机构，多采用电容式传感器作为微位移传感器。,2.1 压电驱动柔性铰链定位平台简介,按照运动自由度，可以分为一维、二维、三维等微定位平台。,一维X平动微动台,二维XY平动微动台,50um,2.2kHz,15um X 15um,8.9kHz X 8.9kHz,三维XYZ平动微动台,6.5um X 6.6um X 4.2um, 8.8kHz X 8.9kHz X 48.4kHz,三维XYZ微动台,238um X 229um X 0.23, 98.24Hz X 98.34Hz X 88.24Hz,按照XY轴连接方式分类 在平动型微动台中，根据X、Y轴连接方式的不同可以分为串联型微位移机构与并联型微定位平台,串联型微动台,并联型微动台,按照微位移执行机构的刚度分类 通常由于微位移执行机构的谐振频率与刚度成正比，而最大行程与刚度成反比，因此微位移机构可以分为大行程微位移机构和高带宽（小行程）微位移机构。,大行程微动台,117um X 117um, 110Hz X 110Hz,高带宽微动台,10um X 10um, 1.5kHz X 29Hz,常用压电陶瓷驱动器的类型 薄板型驱动器（Piezoelectric plate actuator） 管状驱动器 （Piezoelectric tube actuator） 堆叠式驱动器（Piezoelectric stack actuator） 双晶片型驱动器（Piezoelectrci bimorph actuator） ,2.2 压电陶瓷驱动器,堆叠式压电陶瓷驱动器,PI公司压电陶瓷产品 P-TECH公司压电陶瓷产品,PIEZOMAX公司压电陶瓷产品 JENA公司压电陶瓷产品,压电陶瓷驱动器安装,压电陶瓷驱动器一般由压电陶瓷片粘连或者熔合在一起，因此，对于拉力、拉应力及侧向力、弯矩等十分敏感，这些受力易引起压电陶瓷失效。,压电陶瓷驱动器的选型 1）确定微动平台的设计指标，如行程，刚度，谐振频率等。 2）根据行程、刚度指标选择压电陶瓷类型 3）确定压电陶瓷具体型号 Example1：微动平台要求达到40um的大行程，对于刚度、谐振频率无明确要求。 分析：由于对于刚度及谐振频率无明确要求，可先根据行程选择压电陶瓷。40um行程为中等行程，因此选择具有一般刚度特性的堆叠式压电陶瓷。考虑到微动台最终行程较压电陶瓷最大行程会有损失，选择了 PI 840.3型号压电陶瓷。其名义最大位移45um，刚度为19N/um，最大驱动力为1000N。,Example2：微动平台要求达到10um的大行程，谐振频率要求10kHz以上。 分析：由于微动平台的谐振频率较高，因此需要选择具有高刚度特性的堆叠式压电陶瓷。根据行程要求，考虑到压电陶瓷最大行程在微动台上的损失，选择Noliac NAC 2021-H12型号压电陶瓷。其名义最大位移为14.7um，刚度为140N/um, 最大出力2060N。,常用电容传感器类型 两片式电容传感器 单极探针式电容传感器,2.3 电容传感器,PI：D-015, D-050, D-100 ultra-high-resolution capacitive position sensors,Measuring Range to 1000 m Resolution 0.01 nm Linearity to 0.003 % Bandwidth to 10 kHz,MicroSense 8810 Measuring Range to 2000 m Resolution 0.8 nm Linearity to 0.08 % Bandwidth to 20 kHz,电容传感器的选型 根据微动平台的行程、精度以及控制带宽要求，确定传感器的型号 一般，对于微动平台的谐振频率无明确要求的多选择两片式电容传感器。对于高带宽微动平台，多选择探针式传感器，因为两片式传感器的安装会增加微动平台的负载，导致谐振频率降低。 电容式传感器一般都具有比较优良的线性工作区间，因此需要根据微动平台的行程选择适当的传感器。 Example1：微动平台行程为40um，对于刚度、谐振频率无明确要求。 分析：行程40um对应的微动平台一般谐振频率较低，因此采用两片式传感器比较合适。选择PI D-100.00传感器，传感器最大量程为100um。,Example 2：微动平台行程为10um，谐振频率在10kHz以上。 分析：微动平台具有高带宽特性，因此选择探针式传感器比较合适。同时，需要考虑控制带宽可能会达到几kHz，因此传感器选择时需考虑其测量带宽。最终选型：MicroSense 8810，配合2823探针。测量行程：20um；测量精度：1nm以下；测量带宽：10kHz。,压电陶瓷驱动器通过柔性铰链结构把力、位移等输出给被驱动对象，柔性铰链的设计是微驱动系统设计中的一项关键工作，柔性铰链结构的合理性和有效性很大程度上决定了微位移系统的性能。 纳米级微位移定位机构与传统的位移机构有很大的不同，其传动副是弹性平板（Elastic plate）和柔性铰链（Flexure hinge）结构。 柔性铰链结构：最早由 Paros 和 Weisbord 提出了一种结构紧凑、体积小、无机械摩擦、无间隙的传动导向机构。,simple cantilever Leaf Hinge,典型柔性 铰链结构,2.4 柔性铰链导向机构,设计平台时需根据平台的指标要求，如刚度、谐振频率等合理选择铰链类型。 选择适当的柔性铰链的布局，确定导向机构的结构。 对导向机构进行静力学（刚度分析）及动力学（谐振频率分析） 基于静态模型及动态模型对导向机构尺寸进行优化，以确保其性能指标。 利用ANSYS等软件进行有限元仿真，验证设计有效性。,2.4.1 微位移机构设计流程,1）直角平行板柔性铰链 直角平行板柔性铰链是微位移机构中应用最为广泛的一种铰链。,直角平行板柔性铰链,利用卡氏定理进行刚度分析,2.4.2常用柔性铰链,直角平行板柔性铰链的组合结构,2）凹口柔性铰链 凹口柔性铰链在应用中多用作转动副。根据凹口形状不同可以分为圆形凹口铰链、椭圆形凹口铰链、直角形凹口铰链、抛物线形凹口铰链、双曲线形凹口铰链等。,不同类型的凹口柔性铰链,不同类型凹口柔性铰链性能对比,以圆形凹口柔性铰链为例，计算其转动刚度,简化公式：,凹口柔性铰链的组合结构,3）混合型柔性铰链 混合型柔性铰链既保持了相对较大的刚度，又减小了在铰链末端易出现的应力集中。,混合型柔性铰链,平动刚度：,n为铰链个数，左图n=3。,转动刚度：,T为凹口厚度，R为凹口半径。,三种铰链的刚度及谐振频率对比： 刚度：直角平行板铰链混合柔性铰链凹口柔性铰链 谐振频率：直角平行板铰链混合柔性铰链凹口柔性铰链,1）铰链布局,2.4.3 微位移机构设计考虑因素,当铰链只分布在末端执行器的一侧时（a所示），微位移机构在运动过程中会产生侧向误差。c结构通过铰链双平行结构减小了误差，但仍不能消除。设计过程中，a，c需配合其他结构来减小这种误差。 b, d结构消除了侧向误差，但d结构的刚度较b结构减小了一半。,最基本的铰链结构布局,上图所示微位移机构对于压电陶瓷驱动的部分采用了大刚度的直梁结构，可以保证末端执行器的直线运动，从而最大程度减小了侧向误差。,2）放大机构,在微位移机构中，当需要达到比压电陶瓷最大行程还大的位移时，可以借助于放大机构来实现。,杠杆放大机构,放大倍数,注：一般实际的放大倍数会比理论值偏小。原因是在变形过程中杠杆不是绝对的刚体，发生了轻微变形，将能量以变形能形式贮存在杠杆中。,杠杆放大机构,PZT最大行程：15um 微动台单方向最大行程：25um,桥式放大机构,放大倍数,桥式放大机构,PZT最大行程：38um 微动台单方向最大行程：119um,3. 微纳米定位系统的控制方法,磁滞(hysteresis),磁滞是压电陶瓷驱动器的固有非线性现象，具有复杂的多值映射、非局部记忆性等非线性特性 一般情况下，其正向曲线和反向曲线的磁滞误差可以高达15%。,3.1 纳米定位的限制因素,振动(vibration),当驱动信号的频率接近于压电扫描器本身的固有频率时，会引起共振现象，使得扫描器的运动轨迹发生扭曲。,交叉耦合(cross-coupling),不同轴之间的相互作用,蠕变(creep),一般发生在扫描速度较慢的情况下。 可以通过明确的数学模型描述，也可以通过常规的PID反馈来消除。,3.2 纳米定位控制方法,纳米定位控制器一般有如下三种结构： 前馈控制（feedforward） 反馈控制（feedback） 混合控制（feedforward+feedback）,前馈控制,前馈控制的主要作用是改善跟踪性能，一般有两种方式： 逆磁滞补偿补偿磁滞非线性，线性化模型 基于模型的前馈补偿振动特性，提高跟踪带宽,逆磁滞补偿(Inverse Hysteresis Compensation),定义：通过建立磁滞逆模型，根据期望轨迹，计算出控制输入，补偿磁滞非线性。,逆磁滞补偿(Inverse Hysteresis Compensation),逆磁滞补偿步骤： 方法一： 建立磁滞模型 磁滞模型的参数辨识 求解磁滞逆模型 方法二： 直接建立磁滞逆模型 磁滞逆模型的参数辨识,重点： 磁滞模型的选择； 模型参数的辨识。,逆磁滞补偿(Inverse Hysteresis Compensation),磁滞模型分类：,逆磁滞补偿(Inverse Hysteresis Compensation),模型参数的辨识： 基于导数的方法：最速下降法、牛顿法 直接搜索的方法：单纯形法、信赖域法 智能算法：遗传算法、进化算法、蚁群算法、粒子 群算法、神经网络算法,逆磁滞补偿(Inverse Hysteresis Compensation),应用：压电驱动的微操作器的磁滞补偿,逆磁滞补偿(Inverse Hysteresis Compensation),应用：AFM的磁滞补偿,基于模型的前馈(Model-Based Feedforward),前馈输入的求解方法 dc-Gain Inverse： Inverting Periodic Trajectories： Exact Inverse： Optimal Inverse：,应用：轨迹跟踪,基于模型的前馈(Model-Based Feedforward),应用：STM扫描,基于模型的前馈(Model-Based Feedforward),应用：AFM扫描,基于模型的前馈(Model-Based Feedforward),应用：提高压电扫描器的定位带宽,基于模型的前馈(Model-Based Feedforward),反馈控制,反馈控制可以用来消除磁滞、蠕变、振动等特性，实现精密定位。 最大的问题就是低增益裕量。 其结构形式如下：,积分控制（Integral Control）,积分控制是最常用的一种反馈控制方法。 优势：在低频处可以提供高增益反馈，克服蠕变和磁滞非线性。 缺点：高频率时失效。 应用：商用的SPM。,高增益反馈控制(High-gain Feedback Control),控制结构：陷波滤波器+高增益反馈控制器 陷波滤波器传递函数： 作用：解决反馈控制器的低增益问题，“整平”尖锐的共振峰，实现高频处的精密定位。,高增益反馈控制(High-gain Feedback Control),应用：纳米定位平台的共振控制,大大减少了平台在第二共振频率处的增益,高增益反馈控制(High-gain Feedback Control),应用：AFM中压电扫描管控制,幅值裕量从-17.05dB 增加到30.86dB,混合控制,前馈+反馈 前馈控制improve system performance 反馈控制account for modeling errors reject disturbances, noises 结构形式有如下两种：,混合控制,应用：纳米定位平台的高带宽控制，利用反馈控制抑制谐振特性，利用前馈改善跟踪性能。,其他控制方法,4. 微纳米定位技术的应用,4.1 微纳米定位技术在原子力显微镜中的应用,利用高带宽纳米精度定位平台作为扫描器，取代AFM中原有的压电管，使得AFM扫描速度大幅度提升，甚至达到视频的速度，从而可以观察到一些生物分子的运动。,利用集成高带宽定位平台扫描器的AFM，观察到的单个球蛋白分子沿蛋白丝的运动。 像素：100X100. 每帧图扫描时间80ms.,4.2 微纳米定位技术在微纳米操纵中的应用,微夹钳，用于操纵生物细胞,4.2 微纳米定位技术在微纳米操纵中的应用,4.3 微纳米定位技术在微纳米加工中的应用,Nanomachining lithography,纳米雕铣,纳米铣削,