Около Стефан Ворндран и Скотт Джордан, PI, Physik Instrumente L.P.

Постоянно растущие требования к более точному управлению движением вынудили производителей пьезоэлектрических позиционеров искать способы преодоления их ограничений, таких как дальность перемещения и линейность, сохраняя при этом непревзойденную скорость, надежность и разрешающие способности пьезоэлектрических устройств.

Точное управление движением в целом и нанопозиционирование в частности имеет решающее значение во многих областях высоких технологий, таких как бионанотехнологии, испытания и измерения полупроводников, оптическое выравнивание, наноимпринтинг, сканирующая микроскопия и микролитография. Выбор правильной стадии нанопозиционирования зависит не только от разрешения и точности, но и от таких факторов, как динамика, размер, среда применения и стоимость.

Ступень нанопозиционирования — это устройство для перемещения, способное многократно производить движение с шагом всего в нанометр или меньше. Существует несколько способов достижения разрешения в один нанометр или ниже. Некоторые из них могут показаться такими же простыми, как крепление болтами микрошагового двигателя и редуктора к механизму ходового винта. Более сложные подходы используют дополнительную позиционную обратную связь в виде схемы кодирования и интерполятора. Однако система нанопозиционирования — это нечто большее, чем двигатель с высоким разрешением.

Трение — это враг
Трение приводит к гистерезису и вызывает ошибки в управлении, такие как наклон и раскачивание. В большинстве систем позиционирования ошибки наведения не измеряются и, следовательно, остаются неконтролируемыми. Ошибки наклона, раскачивания и биения автоматически приводят к неточности позиционирования. Этим фактом часто пренебрегают, и он поднимает свою уродливую голову, когда несколько отдельных позиционеров объединяются в одну многоосевую систему.

Трение также присуще традиционным механизмам привода двигателя/ходового винта. Несмотря на то, что такие приводы постепенно совершенствовались с течением времени и по-прежнему обеспечивают множество преимуществ для основных применений, традиционный подход часто не подходит для таких требовательных применений, как оптика, полупроводники и бионанотехнологии. Поскольку спрос на скорость и точность продолжал расти, производителям систем управления движением пришлось разрабатывать более совершенные варианты, чтобы идти в ногу со временем.

Пьезокерамические приводные системы всегда были известны своей быстрой реакцией и атомарным разрешением, хотя и при ограниченных диапазонах перемещения. Прогресс в области пьезомеханизмов, а также технологий управления позволил решить проблему соотношения расстояния перемещения и точности. Ученые и инженеры по двигателестроению теперь имеют доступ к ряду пьезосистем с практически неограниченным ходом, не теряя при этом стабильности, точности и скорости. (Смотрите описание этих систем в технологии пьезо-привода QuickGuideon на странице xx.)

Ниже приведены некоторые приложения для управления движением, которые послужили толчком к разработке этих новых технологий.

Немагнитные применения
Системы позиционирования и выравнивания в системах электронно-лучевой литографии и сканирующей электронной микроскопии (SEM) могут быть оснащены электромагнитными приводными механизмами. Однако затраты на их защиту и / или размещение за пределами действия очень высоки, наряду с увеличением размера. Бесконтактные пьезокерамические двигатели значительно меньше по размеру и могут быть установлены в любом месте внутри этих машин, не вызывая негативных последствий.

Медицинские технологии также могут извлечь выгоду из пьезорешений, которые на протяжении многих лет оптимизировались для применения в производстве и тестировании полупроводников, а также в биотехнологических исследованиях. Активные керамические компоненты, такие как пьезокерамические датчики и исполнительные механизмы, уже используются в технологии медицинского проектирования; например, в микронасосах, ультразвуковых преобразователях, быстродействующих клапанах для нанодиспергирования и для управления лазерным лучом в хирургии глаз и кожи.

Для медицинских приложений визуализации, таких как системы магнитно-резонансной томографии (МРТ), визуализация в сверхвысоком поле может иметь значительные преимущества при визуализации сердца. Однако оказывается, что настройка нескольких катушек в сканере всего тела для достижения наилучшей производительности может быть длительным процессом. Замена ручной настройки немагнитными пьезодвигателями с компьютерным управлением ускоряет процесс и в то же время обеспечивает лучшие результаты, как показано в недавней статье исследователей из Оксфордского центра клинических исследований магнитного резонанса, Оксфорд, Великобритания, и Центра исследований магнитного резонанса, Миннеаполис.

3D-оптическая микроскопия и оптическая когерентная томография (ОКТ) также могут извлечь выгоду из пьезоприводов благодаря их высокой эффективности, линейному перемещению прямого действия, высокому разрешению, быстрому отклику и немагнитным характеристикам.

Небольшие диапазоны, но высокая пропускная способность
В современных приложениях для обнаружения лекарств необходимо исследовать множество образцов в кратчайшие возможные сроки. Используются такие методы, как флуоресцентная визуализация, которые требуют точной фокусировки на небольших количествах жидкости, обычно содержащихся в многоярусных пластинах, рис. 1.

Для позиционирования на большие расстояния, от скважины к скважине, обычные электродвигатели или приводы с звуковой катушкой обычно обеспечивают требуемую скорость и точность. Однако фокусировка лучше всего достигается с помощью ступеней пьезогибания без трения или позиционеров объектива. Время отклика порядка нескольких миллисекунд обеспечивает чрезвычайно быструю фокусировку и, следовательно, быстрый сбор данных. Быстрая реакция также снижает риск фотообесцвечивания, вызванного длительным воздействием.

Аналогичные требования к скорости и разрешению преобладают в сканирующей оптической микроскопии ближнего поля (NSOM). Здесь сканируются небольшие образцы, обычно от 100 × 100 мкм до 500 × 500 мкм, с поперечным разрешением нанометра. Чтобы свести к минимуму время сканирования и достичь требуемого высокого разрешения, единственным вариантом являются пьезоэлементы с регулировкой изгиба. В новейших конструкциях используется принцип параллельного кинематического движения, при котором все приводы действуют на одну движущуюся центральную платформу, что значительно снижает инерцию и значительно улучшает динамику. Емкостные датчики, встроенные в каскад, выполняют многоосевые измерения по общему фиксированному эталону (параллельная метрология). Такой подход обеспечивает позиционирование без смещения с нанометровой прямолинейностью, что недоступно в классических многоосевых конструкциях со штабелированием/вложенностью.

Тот же подход дает превосходные результаты метрологии поверхности в атомно-силовых микроскопах (АСМ). Прогресс в разработке полупроводников в значительной степени зависит от тестирования материалов, и выходные данные АСМ настолько же хороши, насколько и внеплоскостное движение (OOPM) используемой им стадии XY-сканирования. Здесь о традиционных подшипниках не может быть и речи, а требования выдвигают механические ограничения, присущие лучшим конструкциям с изгибом. Подходы к активному управлению траекторией (компенсация незначительных отклонений от оси с помощью встроенных пьезопреобразователей) теперь обеспечивают ООПМ в субнанометровом диапазоне на больших площадях сканирования до сотен микрон, рисунок 2.

Нанопозиционирование становится гибридным
Гибридные системы позиционирования сочетают в себе лучшее из двух миров: большие дальности перемещения при низких требованиях к энергопотреблению и субнанометровое разрешение с очень высокой динамикой. Прогресс в разработке контроллеров сделал возможным управление приводом с замкнутым контуром в режиме реального времени, состоящим из пьезогибающего устройства, последовательно соединенного с серводвигателем/шариковым винтом в сборе.

В этом примере контроллер считывает положение ступени со встроенного линейного энкодера субнанометрового класса и непрерывно координирует пьезоэлектрический и серводвигательный приводы одновременно таким образом, чтобы обеспечить наилучшую возможную общую производительность с быстрым подключением, повторяемостью в двух направлениях в нанометровом масштабе и присущей осевой жесткостью. Привод, изображенный на рисунке 3, был предложен для приведения в действие Европейского чрезвычайно большого телескопа (E-ELT) — телескопа нового поколения диаметром 39 м, разделенного на 800 шестиугольных зеркал. Комбинированное движение пьезоэлемента без трения и винтового привода обеспечивает беспрецедентную плавность и точность, даже превышающую требуемую среднеквадратичную точность слежения 1,7 нм. Следует учитывать, что в условиях эксплуатации нагрузка на привод изменяется в диапазоне от нуля до 900 Н. Когда телескоп отслеживает звезды, все 800 сегментов должны оставаться идеально выровненными, чтобы не искажать волновой фронт падающего света. В лабораторных условиях была достигнута среднеквадратичная точность слежения выше 0,8 нм, как было продемонстрировано в техническом документе “Модули пьезо- и звуковой катушки в гибридном приводе для телескопа E-ELT”.

Мощные пьезоэлектрические линейные двигатели
Эксперименты по физике высоких энергий часто требуют, чтобы компоненты были нечувствительны к сильным магнитным полям и электромагнитным помехам. Идеальным сценарием для устройства управления движением было бы точное удержание положения при выключенном питании. Теперь доступен новый надежный пьезодвигатель, основанный на принципе piezo-walk, обеспечивающий беззазорное, высокостабильное движение на протяжении сантиметров хода с нанометровым разрешением. Благодаря самозажимной конструкции в установившемся режиме мощность не рассеивается, и положение может быть зафиксировано на месте даже при выключенном питании контроллера.

Принцип пьезоподвижки основан на согласованном движении нескольких продольных и поперечных пьезоприводов, расположенных вокруг центрального керамического направляющего выступа. Цифровой контроллер упорядочивает их работу, обеспечивая включение в пошаговом режиме с большим усилием и длительным ходом, а также включение с высокой пропускной способностью с пикометрическим разрешением. Этот тип пьезодвигателя может генерировать усилие до 170 фунтов, а также совместим с вакуумом и не требует использования в полевых условиях, обеспечивая стабильность положения отключения питания на наноуровне в течение нескольких месяцев.

Компактные пьезоэлектрические шаговые двигатели могут быть встроены в низкопрофильные ступени линейного перемещения, показанные на рисунке 4, например, те, которые используются в системах настройки и выравнивания лазеров. Они сочетают в себе движение на большие расстояния с высокодинамичным режимом развертки на короткие расстояния.

Несколько пьезодвигателей могут быть объединены в компактные шестиосевые позиционеры hexapod с 6 осями, как показано на главной странице этой статьи. Подход hexapod с его виртуальной точкой поворота и центральной апертурой имеет решающее значение для решения задач оптического выравнивания таких больших размеров, как вторичные зеркала в телескопах последнего поколения, привязанных к Земле, и таких маленьких, как выравнивание волоконно-фотонных компонентов в телекоммуникационных чипах.

Устранение компромисса между поездкой и разрешением
Классические позиционеры piezo flexure отличаются отсутствием трения, направляющими системами, быстрым откликом в диапазоне кГц и чрезвычайно высокой надежностью. Приводы Piezo flexure прошли 100 миллиардов циклов испытаний NASA /JPL для миссии на Марс и в настоящее время используются на марсоходе Curiosity. Движение пьезоэлектрического привода изгиба примерно пропорционально приложенному напряжению, часто генерируемому цифроаналоговым преобразователем (ЦАП), приводящим в действие усилитель.

В недавней истории движение пьезоэлектрического изгиба было ограничено примерно 100 мкм, но достижения продвинули пределы за пределы миллиметрового диапазона. Количество адресуемых позиций для такого пьезомеханизма равно 2b — где b — разрядность цифрового входа ЦАП. Для того чтобы охватить большие диапазоны перемещения при сохранении нанометрового разрешения, единственным решением были ЦАП с большим количеством битов. Запатентованная технология под названием HyperBit теперь использует недостаточно используемые возможности современных ЦАП во временной области, преобразуя их в одиннадцать дополнительных битов разрешения физического позиционирования. В недавно разработанной цифровой системе сервоуправления для рентгеновских интерферометров с использованием этой новой технологии было достигнуто разрешение позиционирования в 5 пикометров (10 exp -12 м).

Датчики нанопозиционирования
Высокоточная обратная связь по положению необходима в хорошей системе нанопозиционирования, и предпочтительным выбором является метрология прямого перемещения. Прямая метрология измеряет движение там, где это наиболее важно для применения. Примерами датчиков прямой метрологии с высоким разрешением являются емкостные датчики, лазерные интерферометры и бесконтактные оптические инкрементные энкодеры.

Лазерные интерферометры способны точно измерять большие расстояния, а некоторые обеспечивают субнанометровое разрешение, хотя на подвижные элементы системы перемещения необходимо устанавливать громоздкую оптику.

Оптические энкодеры более компактны и основаны на дифракции между движущейся прицельной сеткой и шкалой, состоящей из тонких линий. Положение определяется путем подсчета полос и интерполяции между отдельными пиками, аналогично интерферометрии. Новейшие линейные энкодеры могут обеспечивать разрешение в диапазоне 100 пикометров. Интерферометры и инкрементные оптические энкодеры — это датчики относительного положения, которые должны быть инициализированы в исходном положении. Стабильность этого исходного положения также влияет на общую точность. Хотя абсолютные энкодеры с высоким разрешением еще не получили широкого распространения, они преодолевают нанометровый барьер, но все еще сдерживаются высокой стоимостью и более сложным интерфейсом.

Для диапазонов перемещения менее 1 мм емкостные датчики стали использоваться по умолчанию. Это компактные устройства с высокой пропускной способностью и абсолютным измерением, обеспечивающие субнанометровое разрешение. Для менее требовательных применений хорошей альтернативой являются тензометрические датчики (пьезорезистивные датчики).

Пьезоуправляемые механизмы обеспечивают точность и повторяемость за счет интеграции датчиков обратной связи по положению.

Пьезорезистивные тензодатчики (PRS) экономичны, но являются чувствительными к температуре устройствами, которые легко интегрируются в устройства позиционирования. Они приклеиваются к гибкой конструкции или пьезоэлементу, но дополнительный слой эпоксидной смолы между датчиком и конструкцией затрудняет получение достаточной долговременной стабильности. PRS не измеряют расстояние напрямую, но определяют положение движущейся платформы по наноразмерному искривлению конструкции, рис. 5. Из-за косвенного измерения положения могут возникать неточности, а ошибки ортогональности ненаблюдаемы. Калибровка с помощью интерферометра позволяет им достигать достаточной точности для применения в классической микроскопии. Поскольку их выходной сигнал представляет собой постоянный ток низкого напряжения, полученное положение может быть более восприимчивым к восприятию шума и дрейфу.

Емкостные датчики — это высококачественные датчики, состоящие из пластин, обработанных алмазной обработкой, которые непосредственно измеряют абсолютное положение платформы сцены, как показано на рисунке 6. Традиционно используемые в инструментах для производства полупроводников высокого класса и в передовых приложениях микроскопии, таких как исследования отдельных молекул, емкостные датчики обеспечивают особенно точную и быстродействующую метрология положения. Поскольку платформа сцены измеряется непосредственно, перекрестные помехи и ортогональность могут быть устранены. А поскольку для крепления датчиков к платформе не используется клей, они исключительно стабильны и воспроизводимы и обычно калибруются до 4-го порядка или выше. Следовательно, их жестко контролируемый радиочастотный сигнал устойчив к помехам. Присущая им стабильность делает их идеальным компаньоном для точного позиционирования сверхстабильных пьезодвигателей с длительным ходом ступеней грубого позиционирования.

Оценка правильного варианта нанопозиционирования
Пьезокерамические системы перемещения уже давно являются выбором номер один для обеспечения сверхвысокой точности перемещения. В связи с постоянно растущими требованиями, предъявляемыми в последние годы к оптике, биотехнологиям и полупроводниковой промышленности, производители были вынуждены искать способы преодоления таких ограничений, как дальность перемещения и линейность, сохраняя при этом свои непревзойденные возможности в области скорости, ускорения и разрешения.

Важно понимать пользовательское приложение и его требования к динамике и точности, а также предпочтения пользователя в области управления и взаимодействия. Чтобы сделать правильный выбор в области нанопозиционирования, необходимо оценить множество критериев. Но если пользователь готов провести небольшое исследование и вступить в диалог с заслуживающим доверия производителем, результат станет значительным шагом вперед по сравнению с тем, что было возможно всего несколько лет назад.

Краткое руководство по различным типам пьезодвигателей и систем привода

Все пьезодвигатели и приводы внутренне совместимы с вакуумом и немагнитны.

А) Простые пьезоприводы (стопка, труба, ножницы, гибочный станок) — Расширяется пропорционально приложенному напряжению, диапазон перемещения до 0,2 % от длины привода.

Особенности:
• Доступно высокое усилие, до тысяч килограммов;
• Очень быстрый отклик – в диапазоне от микросекунды до миллисекунды;
• Отсутствие трения, субнанометровое разрешение;
• Диапазон перемещения обычно от 10 до 200 мкм для штабелируемых приводов; 3-4 мм для гибочных приводов (с низким усилием);
• Работа по замкнутому контуру с датчиком обратной связи для повышения линейности.

Подгруппы:
• Многоуровневые приводы (наиболее распространенные): Выпускается в многослойной конструкции с коаксиальным соединением (обычно 100 В); и в классическом исполнении (набор дискретных PZT-дисков / электродов, от 500 до 1000 В). Высокая сила, перемещение обычно до 200 мкм. Также доступен с диафрагмой.
• Приводы для сдвига: Боковое перемещение позволяет создавать небольшие, очень быстрые позиционеры XY и XYZ, также используемые в конструкциях пьезо-шаговых двигателей. Высокое усилие, ход обычно ограничен 20 мкм.
• Трубчатые приводы: Часто используется в системах микродиспенсации (накачки) и в качестве сканирующих трубок для АСМ-микроскопии. Очень быстрый отклик (очень низкая инерция), малое усилие (хрупкое), диапазон перемещения обычно <20 мкм. Доступны трубки XY-сканера.
• Приводы гибочных машин: Выпускается в многослойной конструкции (60 В) и классическом (биморфном) исполнении (от 200 до 1000 В). Низкое усилие (< 1 кг), очень большой прогиб (до нескольких миллиметров), относительно медленный отклик (примерно 10 мс).

B) Пьезоэлектрические приводы/позиционеры изгиба (нанопозиционирующая и сканирующая ступень или исполнительный механизм, управляемый изгибом, пьезоэлектрическим стеком) — В этих более сложных системах используются изгибы без трения и усилители движения, обеспечивающие чрезвычайно прямое и ровное движение и часто более длительный ход, чем это может быть достигнуто с помощью простых пьезоприводов. Для достижения высочайшей точности встроенные емкостные датчики положения обеспечивают субнанометровую точность при нескольких степенях свободы.

Особенности:
• Отсутствие трения, быстрая реакция (от 0,1 до 10 мс), возможно субнанометровое разрешение; частота сканирования в диапазоне до килогерц;
• Доступны интегрированные многоосевые системы;
• Встроенный усилитель движения обеспечивает типичный диапазон движения до 2000 мкм;
• Необходим для нанонастройки, сканирующей оптической микроскопии и наноманипуляции;
• Может быть встроен датчик обратной связи по положению (обычно тензодатчики для начального уровня или емкостные для систем высокого класса и независимых многоосевых измерений).

Для A и B движение в основном пропорционально выходному напряжению постоянного тока пьезодрайвера / сервоконтроллера. Для линеаризации требуется датчик обратной связи по положению из-за нелинейного поведения пьезоматериала.

Пьезоприводы/двигатели используют различные типы контроллеров и, как правило, датчики инкрементной обратной связи.

C) Ультразвуковые двигатели

Особенности:
• Основано на высокочастотных колебаниях пьезопластины (статора) на наноуровне;
• Колебания передаются на ползун или ротор с помощью микро-трения;
• Неограниченный диапазон перемещения, высокая скорость (до 1000 мм / сек в некоторых новейших конструкциях), быстрая реакция (от 10 до 10 секунд мс);
• Разрешение обычно от 10 до 50 нанометров. Усилия, обычно от 2 до 10 Н (от 0,5 до 2 фунтов).;
• Возможность отключения питания, удержания положения;
• Небольшое количество образующихся частиц из-за трения.

D) Пьезошаговые двигатели (PiezoWalk), такие как PI NEXLINE Drive.

Особенности:
• Практически неограниченный диапазон перемещения;
• Основано на накоплении небольших высоко контролируемых шагов;
• Пикометрическое разрешение с помощью прямого пьезоуправления (линейный режим, режим дрожания);
• Компактность и высокое усилие до 170 фунтов (для готовых устройств),
• Значительно более низкая скорость, чем у ультразвуковых двигателей (от 1 до 10 мм/сек);
• Быстрая реакция (возможно < 1 мс), очень высокая жесткость;
• Отключение питания без дрейфа, удержание положения.

E) Пьезоинерционные двигатели (Stick-Slip Motors) — очень компактные, движение основано на эффекте stick-slip.

Особенности:
• Наиболее экономичный и компактный дизайн;
• Для применений, требующих замедленного движения и малого усилия;
• Сложная система управления с замкнутым контуром;
• Не рекомендуется для применений, требующих постоянной скорости.

Информация о перепечатке >>

Физика приборов Л.П.
www.pi-usa.us