Hybrid Positioniersysteme für Picometer Auflösung mit Millimeter Stellbereich. Rainer Gloess R&D Head of Advanced Mechatronics
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- Benjamin Engel
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1 Hybrid Positioniersysteme für Picometer Auflösung mit Millimeter Stellbereich Rainer Gloess R&D Head of Advanced Mechatronics
2 Motivation Wie groß ist ein Picometer? Welche Applikationen gibt es? Welche Actuatoren nutzen wir? Wie kommen Meter lange Bewegung mit Picometer zusammen? Beispiele Hybrid Actuatoren für lange Stellbereiche Piezo und Lorentz Force Actuatoren Author: Dr.Rainer Gloess Page: 2
3 Wie groß ist ein Picometer? Klein gegenüber alltäglichen Abmessungen = m 1/ Haardurchmesser 1/100 Atomradius Wasserstoffatom Groß gegenüber der Planck- Länge von m 1m +1pm x 1pm = 0.4mm Erde Mond Author: Dr.Rainer Gloess Page: 3
4 Picometer für High-Tech Märkte? Semiconductor technology Data storage technology Microscopy Metrology / laser systems Life science / biotech Photonics/ optics Precision machining Automation / handling Nanotechnology Astronomy / aeronautics Quelle: PI Katalog
5 Nanometer Size 100 s meter with nanometer accuracy 1nm 100m LAMOST telescope / China 0, m 100m Author: Dr.Rainer Gloess Page: 5
6 Nanometer Size 100 s meter with nanometer accuracy Quelle: IBM research 1nm 100m Quelle: ESA Author: Dr.Rainer Gloess Page: 6
7 Nanometer or even Picometer Resolution in Semiconductor Technology Wafer stepper Wafer handling Reticle alignment Optics control Wafer inspection tools Optics inspection Reticle inspection Reticle repair Quelle: welt.de Author: Dr.Rainer Gloess Page: 7
8 Roadmap of Wafer Stepper EUVL Quelle: ZEISS Quelle: ASML Quelle: ASML Author: Dr.Rainer Gloess Page: 8
9 Wo sind Positionierungen kleiner 1nm erforderlich? Beispiel: Wafer Wafer 1mK Temperaturdifferenz beim Auflegen auf den Wafer- Chuck Ausdehnungskoeffizient: Si 2,6* nm * 2,6*10-6 /K = 780nm Verformung /K bei Aluminium ergeben sich ca.7µm Verformung Author: Dr.Rainer Gloess Page: 9
10 < 1nm EUVL Optik 150pm Absolutabweichungen von der Parabolform, 30pm Kurzwelligkeit Quelle: ASPE 2009 Author: Dr.Rainer Gloess Page: 10
11 < 1nm in kosmischen Dimensionen LISA NASA / ESA Gravitationswellen Experiment 5Mio km, 20pm Auflösung Author: Dr.Rainer Gloess Page: 11
12 pos (nm) PI s optischer inkrementaler Sensor Basis: zwei Beugungsgitter L x W x H = 23mm x 12mm x 9,5mm Bewegte Grating Periode 2 µm Feststehende Grating Periode 1 µm Signal Periode 0.5 µm Laser 655nm (LP red) Auflösung < 20pm (Picometer) RMS Mach-Zehnder interferometer Beispiel: 100pm steps Time(s) Phasengitter
13 Piezo vs. Voice coil Steifigkeit Ladungsverschiebung mechanische Verschiebung Leistungsloses Halten der Position Kann auch open loop gesteuert betrieben werden Steifigkeit gegen Null Strom Kraft Leistungsverbrauch bei Gegenkraft Um Positionstabilität zu erreichen ist immer eine Regelung erforderlich (gilt auch für Reluktanz- Aktuatoren) Author: Dr.Rainer Gloess Page: 13
14 Welche Actuatoren sind für den Bereich <1nm geeignet? Piezo Stapel Aktuatoren Piezo Bieger Walk Drive Systeme, NEXLINE Lorentz Force (Voice Coil Actuatoren) Reluktanz- Aktuatoren Bedingt geeignet Ultrasonic Systeme Author: Dr.Rainer Gloess Page: 14
15 Magnetic Actuators Special design Free in design of magnet field structure Author: Dr.Rainer Gloess Page: 15
16 Halbach array Magnetic Levitation der fliegende Tisch Flux density
17 Nicht magnetische Piezo Applikationen Piezo Walking Drive NEXLINE oder NEXACT Module Author: Dr.Rainer Gloess Page: 17 Page: 17
18 Hybrid System Design Author: Dr.Rainer Gloess Page: 18
19 Two Designs for Long-Travel Motion Piezo Walking Drive Piezo Hybrid Actuator Author: Dr.Rainer Gloess Page: 19
20 Hybrid positioning system ESO: E-ELT Telescope 42m (39m)Primary mirror 100m Hybrid= Motor +Piezo 800 single mirror Author: Dr.Rainer Gloess Page:
21 Hybrid mit zwei verschiedenen Actuatoren Piezo-Hybrid Lorentz-Force Hybrid Hermetisch geschirmter Piezo Author: Dr.Rainer Gloess Page: 21
22 Hybrid Controller Firmware Structure Two independent separate control loops using a single incremental sensor Both control loops are always running Integral term coupling piezo loop to the motor loop to reduce the piezo voltage when the system is in position (statically) Current source for Lorentz Force Actuator Author: Dr.Rainer Gloess Page: 22
23 Hybrid Positionierer / Motor + Piezo Requirements: Travel range 15 mm Load capacity 88 kg Resolution nm Power dissipation < 1W Slewing 1.2 µm/s Command sequence 1 khz Tracking accuracy: <1nm Author: Dr.Rainer Gloess Page:
24 Hybrid Positionierer Für große Systeme Stahlkonstruktion Bewegte Optomechanik Für mittlere Stellwege Hohe Auflösung 100m 3350t 755t 15mm 125pm 2400 x Author: Dr.Rainer Gloess Page: 24
25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG Auf der Roemerstrasse Karlsruhe, Germany Tel Fax Physik Instrumente (PI) Author: Dr.Rainer Gloess Page: 25
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