High-precision positioning without external vibration isolation

Abstract

Bewegungssteuerungen mit Nanometerauflösung sind unverzichtbar für Fertigungsmaschinen im Hochpräzisionsbereich, für Präzisions-Messinstrumente sowie für Geräte für die Datensicherung. Beispiele hierfür sind Wafer Scanner, Rasterkraftmikroskope und Festplattenlaufwerke. Eine häufig auftretende Störquelle für die genannten Systeme sind Bodenvibrationen. Um den immer strengeren Anforderungen an die Bewegungsgenauigkeit gerecht zu werden, ist es wünschenswert, dass die erforderliche Vibrationsisolation durch das Präzisionssystem selbst durchgeführt oder begünstigt wird. Für die Entwicklung von vibrationsisolierenden Präzisionssystemen werden in dieser Arbeit Aktoren mit geringer Steifigkeit definiert, die durch Flexures geführt werden und unempfindlich gegen Vibrationen sind. Basierend auf der modell-basierten Analyse des mechatronischen Systems werden Entwurfsrichtlinien für die Konstruktion und Regelung der "Niedrig-Steifigkeits" Aktoren vorgeschlagen. Eine experimentelle Validierung dieser Entwurfsrichtlinien zeigt, dass, nach Aufschalten einer 160 nm hohen stufenförmigen Störung auf die Basis, der resultierende Positionsfehler von 200 nm auf 10 nm reduziert werden kann. Um die Effektivität der Entwurfsrichtlinien in praktischen Anwendungen zu demonstrieren, wird die vertikale Aktuation des Cantilevers in einem Rasterkraftmikroskop (RKM) mit einem Aktor mit geringer Steifigkeit umgesetzt. Dank der ausgeprägten, inhärenten Fähigkeit Vibrationen zu isolieren, kann das RKM ohne zusätzlichen Vibrationsisolator betrieben werden. Das dadurch entstandene RKM-System unterscheidet sich damit maßgeblich von typischen RKMs: Erstens wird die erste mechanische Resonanz zugunsten der Vibrationsisolation benützt, während die erste mechanische Resonanz bei den meisten konventionellen RKMs unerwünscht ist, da sie die Bandbreite beschränkt. Zweitens überwindet das vorgeschlagene RKM den Tradeoff zwischen möglichem Aktuationsbereich und Bandbreite, den man typischerweise bei piezoelektrisch aktuierten RKMs sieht. Schließlich erweist sich das RKM-System als sehr robust gegenüber Steifigkeits-Abweichungen der Flexures, wodurch sowohl die Stabilität als auch die Leistungsfähigkeit des RKM-Systems sichergestellt ist. Die Entwurfsrichtlinien der Aktoren mit geringer Steifigkeit betreffen auch den Positionswechsel über weite Distanzen. Um sowohl hohe Präzision als auch große Reichweiten zu erreichen, wird ein Aktor mit geringer Steifigkeit mit einem industriellen Linearmotor mit großer Reichweite zu einem dual aktuierten System (DSA) kombiniert. Während der lineare Motor den Stator des Aktors mit geringer Steifigkeit bewegt, wird durch das Prinzip der niedrigen Steifigkeit erreicht, dass die Vibrationen vom Stator nicht weitergegeben werden. Dadurch wird Präzisionspositionierung möglich. Für den Betrieb des DSA ist nur ein Präzisionssensor erforderlich, der die Position des Aktors mit geringer Steifigkeit erfasst. Da durch die niedrige Steifigkeit des Aktors mit geringer Steifigkeit die Beobachtbarkeit des DSA gewährleistet ist, kann die Position des linearen Motors ohne einen zusätzlichen Sensor geschätzt werden. Experimente demonstrieren das Positionieren über eine Distanz von 100 mm bei Geschwindigkeiten bis zu 0,34 m/s. Hierbei wird mit dem DSA-System ohne zusätzlichen Vibrationsisolator eine Punkt-zu-Punkt Positionierungsgenauigkeit von +/- 2,5 nm erreicht.

Motion control with nanometer resolution is indispensable for high-precision manufacturing machines, measurement instruments and data storage devices, such as wafer scanners, atomic force microscopes and hard disk drives. For these systems, one of the common disturbances is vibrations transmitted from the floor. To satisfy the ever-increasing demanding requirements on motion precision, it is desired that precision systems can attain and increase vibration isolation capability. In order to design precision systems capable of vibration isolation, this thesis defines flexure-guided actuators with immunity against vibrations as low-stiffness actuators and proposes design guidelines to construct them. The guidelines are results of an analysis based on a mechatronic system model, and they provide design criteria for the mechanics and control design, respectively. The guidelines are further experimentally verified. When a step-like vibrations of about 160 nm is applied on the base, the resulting position error can be decreased from about 200 nm to 10 nm by applying the guidelines in the mechatronic system development. To demonstrate the effectiveness of the guidelines for practical applications, an atomic force microscope (AFM) system is developed by using low-stiffness actuators to vertically move the AFM probe. Due to the high vibration immunity, AFM imaging can be conducted without an external vibration isolator. The resulting AFM system has features that are not seen in typical AFMs. First, the AFM utilizes its first mechanical resonance to improve vibration isolation with feedback control, whereas most conventional AFMs treat mechanical resonances as unwanted properties limiting their bandwidth. Additionally, the proposed AFM overcomes the trade-off between the achievable actuation range and the bandwidth, which are typically seen in AFMs using piezoelectric actuators. Finally, the AFM has high robustness against the stiffness variation of the flexures, ensuring system stability and performance for AFM imaging. The guidelines of low-stiffness actuators are also applied to repositioning over a long range. To achieve both high precision and long stroke, a low-stiffness actuator is combined with an industrial linear motor as dual stage actuation (DSA). While the linear motor carries the stator of the low-stiffness actuator for long-range actuation, the low-stiffness actuator rejects vibrations from its stator for high-precision position, utilizing its high vibration immunity. For the operation of the DSA system, only one precision sensor is required to measure the low-stiffness actuator position. Because the low stiffness of the actuator makes the DSA system observable, the linear motor position can be estimated instead of using an additional sensor. The experimental results shows that repositioning of 100 mm can be achieved with a maximum velocity of 0.34 m/s, while the DSA system achieves a positioning precision of +/- 2.5 nm at a static point without an additional vibration isolator.