A positioning device with both long moving range(mm order) and nanometer resolution is more and more required in many surface inspection devices such as scanning probe microscope (SPM), scanning tunneling microscope (STM), Transmission Electron Microscope (TEM) as a sample stage. These surface inspection devices can scan the sample surface with high resolution(maximum to the atomic lattice distance) and quality, whereas the field of view is small (ordinarily ㎛ order). And recently the micro- or nano-manipulation in the MEMS (MicroElctro Mechanical Systems) and biotechnology fields. In that manipulator applications the master-slave concept is used just as in the robotics and using the master a human handle the slave which is nanopositioner in this case with monitoring the process by human eye. In these applications the open loop without position sensor characteristic is important because the undesirable effects can occur in the micro- and nano-positioning mechanism such as back-lash, different character according to the movement direction, degeneration of performance according to many operations and even no movement in some cases randomly.
The stage requirements for these applications are high resolution, multi-axis movements, high positioning stability, compact and simple structure. Furthermore, with the standardization of the surface scanning devices there is also a need for metrological sample stage. And as mentioned above the desirable open loop character is needed in some application. Among these requirements, positioning stability and compact structure is critical for high resolution scanning applications. A positioning stability means that the degree of sample's ability to hold its position during the scan and ideally no movements of the sample is required.
In this thesis a metrological multi-axis nanopositioning device is developed which is operated in two ways, inertial sliding method and stick phase control method, with three laser interferometers as position sensing method for planar motion. It consists of three tube-PZTs which are attached to moving body (sapphire ball at the one end of each tube), base with mirror polished surface, 15 channel high speed D/A and 15 channel high voltage amplifier. Therefore the device can have three to six degree-of-freedom motion. The three planar motion(X,Y,θ) have unlimited motion range and nanometer(micoradian) resolution and in the other three DOF motion travel range is limited by the expansion of tube PZTs. Inertial sliding operation is the one which is the same as conventional operation except for the complexity of the actuation and the stick phase control method generate continuous motion.
First, the novel design concept of the nanoslider is presented. The nanoslider has simple and compact structure that makes it possible for the device to have higher natural frequency in the surface inspection direction. And the simple structure makes it possible to have small size and simple operation requirements. The operation methods are presented. The two methods are used for positioning nanoslider respectively.
Second, the design procedure of the mechanical and electrical parts of the system are presented. Considerations to the performance apsects with physical equations and previous reports are presented and the proper design procedure is also presented. This procedure and considerations can be also applied to the conventional inertial slider design.
Third, the analytic model is formulated for the nanoslider. The model includes the stick phase model and sliding phase model. The appropriate assumption makes the simple mass-spring-damping model can simulate the real system responses satisfactorily later in chapter 6. The main assumptions are the tube PZT mode shape and the equivalent mass calculation.
Fourth, the experimental investigations in the inertial sliding method. This thesis presents the phenomena relating friction uncertainty and suggests the desirable input condition. This conclusion can be adopted to the general inertial slider applications. The friction uncertainty is related with the dynamics of the nanoslider and the characteristics of the input waveform. The friction induced movement uncertainty for low voltage operation can be improved by the adequate input waveform, voltage and frequency.
Fifth, the parameter identification. With the experimental data most of the model parameters can be determined directly and the rest of the parameters are determined with the simulation indirectly. The determined parameters includes the friction related values and the damping coefficient in the sliding phase model. The comparison with the experiment shows that the simulation can predict the motion characteristics of the nanoslider. And the input waveform is determined with the simulation. The optimal determining method is used and therefore the performance objective function is minimized. The objective is to make the inertial sliding movement being robust to the friction variation and fast in speed. The performance of the determined waveform is verified with the experiment.
Finally, the nanoslider is controlled with interferometer position feedback. The inertial sliding method and stick phase control are the two methods of the nanoslider positioning control. And the third control method is the switching mode control which uses the two control modes sequentially. The controlled performance is long moving range (mm order), 500 ㎛ / sec speed and 12 nm resolution (0.44 arcsec for rotation).
최근에 SPM(Scanning Probe Microscope) 와 TEM(Transmission Electron Microscope) 등이 발전하면서 넓은 영역을 나노미터 정밀도로 위치시키는 시편 위치결정기구가 더욱 필요하게 되었다. 이러한 측정장비들은 최고 원자의 형상을 측정할 수 있을 정도로 정확한 측정장비이나 측정할 수 있는 영역은 마이크로미터 정도에 머물고 있다. 또한 최근에, 초정밀 매니퓰레이터 등에도 넓은 영역을 초정밀로 위치시킬 수 있는 위치결정기구가 요구되고 있다. 이러한 매니퓰레이터는 마스터-슬레이브의 개념을 갖고 있고 사람이 모니터로 관찰하면서 작동시키는 개념으로 되어있다. 이러한 분야에서는 또한 개루프 운동특성이 중요하게 된다.
이러한 응용분야에 요구되는 필요사향은 고정밀도, 평면운동, 고정밀의 위치안정성, 콤팩트하고 간단한 구조 등이다. 더욱이 측정장비들이 발전하면서 도량적인 측면이 강조가 되면서, 정밀한 센서를 이용한 위치제어의 개념도 필요하게 되었다. 위의 요구사항에서 특히 측정장비에서 중요한 것은 위치결정 안정성과 콤팩트한 구조에 의한 높은 측정방향의 고유진동수의 요구는 고분해능의 응용에서 필수적이다.
본 논문에서는 초정밀 위치센서로 피드백제어가 되어 다축으로 나노위치결정을 할 수 있는 기구를 제안한다. 나노슬라이더라고 명명된 이 기구는 이너셜 슬라이딩 방식과 스틱 페이즈 콘트롤의 방법으로 구동될 수 있다. 끝단에 사파이어 볼이 달린 세 개의 튜브형태 PZT가 몸체를 지지하고 있고 그러한 몸체는 경면가공된 베이스에 올려져서 움직이게 된다. 15 채널의 고주파의 파형을 내보낼 수 있는 D/A와 15채널의 고전압앰프와 컴퓨터가 같이 제어시스템을 이루게 된다. 이너셜 슬라이딩 방식은 기존의 이너셜 슬라이더가 동작하는 방식과 비슷하며 스틱 페이즈 콘트롤 방식은 연속적인 움직임을 제공한다.
첫째, 새로운 나노슬라이더의 설계개념에 대해서 논한다. 나노슬라이더는 단순하고 콤팩트한 구조를 가져서 장치가 측정방향으로 높은 고유진동수를 가지게 하고 삼점지지의 기구적 연결을 사용하여 지지하게 되어 높은 위치결정 안정성을 보장받는다. 두가지의 구동방법을 제안하고 그러한 두가지의 구동방법의 스위칭 제어방법도 제안한다.
둘째, 나노슬라이더의 기계적인 부분과 전기적인 부분의 설계과정을 보이고 있다. 시스템의 성능적인 측면을 물리적인 수식들과 기존의 연구를 참고하여 고려한 내용을 보이고, 올바른 설계과정을 보인다. 이러한 설계과정은 나노슬라이더 뿐만이 아니라 일반적인 이너셜 슬라이더의 설계에도 적용된다.
셋째, 나노슬라이더의 해석적 모델링을 수행하였다. 이러한 모델은 스틱상태의 모델과 슬라이딩 상태의 모델을 포함한다. 논리적으로 합당한 가정으로 형성한 단순한 질량-스프링-감쇠의 모델은 6장에서 실제 시스템의 응답을 만족스럽게 묘사함을 알 수 있다. 주된 가정은 튜브 PZT의 모드형상과 등가질량 등에대한 가정들이다.
넷째, 나노슬라이더의 이너셜 슬라이딩 방법에서 광범위한 실험적인 조사에 대한 내용을 보인다. 본 논문에서는 마찰의 불확실성에대한 실험적인 결과와 이에 대응할 수 있는 방안과 이에 합당한 입력파형의 형태와 특성에 대해서 제안한다. 이의 결론은 일반적인 이너셜 슬라이더의 경우에 그대로 적용이 가능하다. 마찰의 불확실성은 나노슬라이더의 동역학적인 특성과 입력파형의 특성에 따라서 좌우된다. 마찰의 이러한 특성에 의해서 유발되는 저전압구동에서의 특성은 올바른 입력 파형과 전압, 주파수에 의해서 향상 될 수 있다.
다섯째, 모델 파라미터의 결정. 실험적인 방법으로 대부분의 모델 파라미터들은 직접적으로 결정 될 수 있다. 나머지는 시뮬레이션을 이용하여 간접적으로 결정하게 된다. 이러한 파라미터는 마찰에 관련된 값들과 슬라이딩 상태의 댐핑상수값 등을 포함한다. 실제 시스템의 실험결과와 비교하면 시뮬레이션이 나노슬라이더의 움직임 특성을 예측할 수 있음을 알 수 있다. 그리고, 입력파형의 형태를 결정하였다. 최적화기법을 사용하였고 서능목적함수를 결정하여 이를 최소화하는 방법으로 시뮬레이션으로 결정하였다. 목적함수는 이너셜 슬라이딩 방법에서 마찰의 변화에 둔감한 것과 속도를 빠르게 하는 것이 목표가 되었다. 결정된 입력파형의 성능은 실험으로 검증되었다.
마지막으로, 위치센서를 사용하여 나노슬라이더가 피드백 제어되었다. 이너셜슬라이딩을 사용한 제어와 스틱 페이즈 제어방법으로 제어를 하였다. 나머지 한가지는 두가지의 방법을 스위칭하는 방법으로 순차적으로 제어하는 방법이다. 최종적으로 제어된 성능은 장행정의(mm 이상), 500 ㎛ / sec 의 접근속도 그리고 12 nm 정도의 위치결정 분해능을 가지고 있다 (회전방향은 0.44 arcsec).
