Nanojälkilitografiatyökalussa kuumennetun levyn on painettava nanorakenteinen pääleima polymeerikalvoon, jonka sijaintitarkkuus mitataan metrin miljardisosissa. Levyä työntävä hydraulisylinteri on voimakas, mutta epätarkka, raaka. Korkean erotuskyvyn -lineaarinen kooderi, joka on integroitu suoraan levyn kehykseen, on vilkkumaton elektroninen silmä, joka mittaa levyn tarkan sijainnin reaaliajassa- ja tarjoaa palautteen, jota tarvitaan erittäin-tarkan, suljetun -silmukan liikkeenohjausjärjestelmässä.
Integroidun sijaintipalautteen tarve lämmitetyissä levyissä
Kuumennettuja levyjä käytetään tarkkuusvalmistusprosesseissa, kuten nanoimprint litografiassa, kuumakohokuviointissa, kiekkojen liimauksessa ja lämpöpuristusliitonnassa. Näissä sovelluksissa levyn ei tarvitse ainoastaan tuottaa tasaista lämpöä, vaan myös siirtyä tarkasti ohjattuun asentoon-usein alle mikronin tai jopa nanometrin tarkkuudella. Levyn asento on säilytettävä kuormituksen alaisena, vaihtelevissa lämpötiloissa ja mekaanisen järjestelmän vaatimusten vastaisesti. Ilman tarkkaa palautetta edes jäykkä puristin ei pysty kompensoimaan lämpölaajenemista, mekaanista välystä tai taipumaa.
Suoraan levykokoonpanoon integroitu korkearesoluutioinen lineaarinen kooderi antaa tämän palautteen. Anturi mittaa levyn todellisen sijainnin suhteessa kiinteään referenssiin (esim. puristusrunkoon tai kiinteään pohjalevyyn). Tämä mittaus syötetään liikeohjaimeen, joka vertaa sitä käskettyyn asentoon ja säätää toimilaitetta (hydraulinen, pneumaattinen tai pietsosähköinen) vastaavasti. Tuloksena on suljetun silmukan paikannusjärjestelmä, jonka toistettavuus on nanometrialueella.
Integroidun lineaarisen kooderijärjestelmän ydinkomponentit
Lämmityslevyn lineaarinen kooderijärjestelmä koostuu kolmesta pääelementistä:
Mittakaava– Tarkkaan valmistettu lasi-, metalli- tai keraaminen nauha, jossa on jaksoittainen kuviointi viivoja tai magneettisia alueita. Vaaka on kiinnitetty jäykästi levykokoonpanon liikkuvaan osaan (esim. levyn takalevyyn tai erilliseen asennustelineeseen).
Lue pää– Kompakti, kosketukseton anturi, joka on kiinnitetty kiinteään puristusrunkoon. Lukupää skannaa vaa'an kuvion optisten, magneettisten tai kapasitiivisten periaatteiden avulla ja luo sijaintisignaalin.
Interpolaatioelektroniikka– Piiri, joka jakaa signaalin perusjakson (esim. 20 µm optisella asteikolla) pienemmiksi askeliksi ja tuottaa lopullisen resoluution. Tämä voidaan integroida lukupäähän tai erilliseen ohjaimeen.
Kun levy liikkuu, lukupää seuraa vaa'an siirtymää. Enkooderi lähettää digitaalisen sijaintiarvon-tyypillisesti protokollien, kuten BiSS, EnDat tai SSI- kautta liikeohjaimelle päivitystaajuuksilla 10 kHz - 100 kHz.
Enkooderi on levyn oma sisäinen viivain, joka lukee sen tarkan sijainnin tuhat kertaa sekunnissa ja kuiskaa sen ohjaimelle, mikä pitää sen täydellisesti paikallaan nanometrin mittakaavassa olevaa leimaa vasten.
Lämmityslevyn lineaarisen kooderin tärkeimmät määritysparametrit
Kun määritetään alineaarisen kooderin lämmityslevyn asennon palautejärjestelmässä seuraavat parametrit on määritettävä:
Resoluutio ja tarkkuus
Resoluutio– Pienin paikannusmuutos, jonka anturi voi havaita. Nanoimprint-litografiaa ja tarkkaa kuumakuviointia varten vaaditaan 1 nm:n, 0,1 nm:n tai jopa 13:n resoluutiot. Tarkempi resoluutio sallii ohjaimen tehdä hienovaraisempia korjauksia. Määritellyn resoluution tulee olla vähintään suuruusluokkaa pienempi kuin vaadittu paikannustoleranssi.
Tarkkuus– Ero mitatun sijainnin ja todellisen sijainnin välillä koko mittausalueella. Tarkkuuteen vaikuttavat asteikkovirheet, asennustoleranssit ja lämpövaikutukset. Submikronin paikannuksessa ±0,5 µm:n tarkkuus on tyypillinen 100 mm:n liikematkalla; nanometrisovelluksissa tarkkuus on ±10 nm asti.
Mittauspituus (matka-alue)
Anturin asteikon pituuden on vastattava levyn vaadittua iskua. Kuumalla kohokuviointipuristimella liike voi olla vain 10–50 mm; kiekkojen liimaustyökalussa se voi olla 200–300 mm. Pieni yliliike (5–10 mm) työskentelyalueen ulkopuolelle on lisätty suuntaamista ja rajan havaitsemista varten.
Lämpölaajenemisen hallinta
Anturin tarkkuuteen vaikuttaa kriittisesti sekä asteikon että levyn rakenteen lämpölaajeneminen. Levy toimii korkeissa lämpötiloissa -usein 100–400 astetta -, kun taas lukupään ja asteikon on pysyttävä määritetyissä lämpörajoissa (tyypillisesti 0–80 astetta elektroniikassa). Siksi:
Vähän laajenevat materiaalitovat välttämättömiä.Zerodur(lasikeramiikka) lämpölaajenemiskerroin (CTE) on lähellä nollaa (≈0,02 ppm/K).Invar(nikkeli-rautaseos) CTE on ≈1,2 ppm/K. Molemmat ovat parempia kuin tavallinen teräs (≈11 ppm/K) tai lasi (≈8 ppm/K). Asteikkomateriaali sovitetaan tarvittaessa levyn tai vertailukehyksen CTE:hen.
Terminen irrotus– Vaaka on asennettu levylle käyttämällä matalan johtavuuden erotteita tai välikerrosta, jonka avulla vaaka pysyy viileämpänä kuin levyn runko. Jäähdytyskanavia tai pakotettua ilmaa voidaan suunnata vaakaan.
Lämpökompensointi– Jotkut huippuluokan anturit sisältävät lämpötila-antureita asteikolla ja käyttävät ohjelmistopohjaisia kompensointialgoritmeja korjaamaan jäännöslaajenemista.
Lämpötilaluokitus ja lämpösuojaus
Lukupää sisältää herkkiä elektronisia komponentteja ja on tyypillisesti suunniteltu toimimaan 50–85 asteen kulmassa. Koska levy voi saavuttaa paljon korkeampia lämpötiloja, lukupään tulee olla:
Asennetaan etänäkuumalta alueelta käyttämällä jäykkää jatkovartta tai lämpöä eristävää kannatinta.
Suojattu lämpösuojalla– Kiillotettu metallisuojus (esim. ruostumaton teräs tai alumiini heijastavalla pinnoitteella) asetetaan kuumalevyn ja lukupään väliin. Konvektioesteitä (esim. ilmarako tai keraaminen peitto) voidaan lisätä.
Jäähdytetty– Äärimmäisissä tapauksissa lukupää on vesi- tai ilmajäähdytteinen pienen tuulettimen tai paineilmajohdon kautta.
Signaalilähdön ja ohjaimen yhteensopivuus
Anturin lähdön tulee olla yhteensopiva puristimessa käytetyn liikeohjaimen kanssa. Yleisiä korkearesoluutioisia sarjaprotokollia ovat:
BiSS– Avoin, nopea, matalan latenssin protokolla, joka suosii tarkkaa liikkeenhallintaa.
EndDat(Heidenhain) – Oma, mutta laajasti tuettu, tarjoaa kaksisuuntaisen tiedonsiirron, mukaan lukien virheliput ja lämpötilalukemat.
SSI(Synchronous Serial Interface) – Yksinkertaisempi, hitaampi, mutta riittävä moniin sovelluksiin.
A-neliö-B– Inkrementaalinen kvadratuuritulostus viitemerkillä; resoluutiota rajoittaa interpolointikerroin ja päivitysnopeus.
Nanometritason sovelluksissa tarvitaan sarjaprotokolla mikrosekunnin päivitysjaksoilla. Säätimen on myös vastaanotettava anturin rajakytkinsignaalit (matkan loppu- ja referenssi-/kotimerkit).
Ympäristönsuojelu
Anturi on suojattava:
Pölyä ja hiukkasia– Polymeerikalvon tai ympäristön aiheuttama. Lukupää ja asteikko on suljettu PTFE:stä tai metallista valmistettuun palkeeseen tai liukuvaan tiivisteeseen. Suositeltava IP-luokitus on vähintään IP64 (pölytiivis).
Höyryjä ja kaasujen poistumista– Kuumennetuista polymeereistä tai liuottimista. Sinetöity kotelo, jossa on tyhjennysaukko (esim. paineilma tai typpi), pitää anturin ympäristön puhtaana.
Öljy ja jäähdytysneste– Jos sitä käytetään koneistus- tai puristusympäristössä, anturin luokitus on IP67 tai korkeampi.
Integroinnin suunnitteluvaiheet
Lineaarisen kooderin määrittäminen lämmityslevylle sisältää seuraavat tekniset päätökset:
Vaihe 1: Määritä vaadittu paikannustarkkuus
Prosessi määrittää toleranssin. Nanojälkilitografiassa ±1 nm:n jäännöskerrospaksuuden tasaisuus on yleinen. Levyn kallistusta ja yhdensuuntaisuutta on myös säädettävä, mikä vaatii usein useita antureita (kolme tai useampia) mittaamaan sijaintia eri kulmista.
Vaihe 2: Valitse Enkooderin tyyppi
Optiset kooderit– Tarjoaa korkeimman resoluution (jopa 13.00) ja tarkkuuden, mutta ovat herkempiä kontaminaatiolle ja vaativat puhtaan ympäristön. Käytetään lasivaakaa, jossa on diffraktiohila.
Magneettiset kooderit– Kestävämpi pölyä ja öljyä vastaan, mutta tyypilliset resoluutiot ovat mikrometristä alle mikrometriin (esim. 0,1 µm). Sopii karkeampaan sijoitukseen.
Kapasitiiviset kooderit– Tarjoaa hyvän resoluution (nanometrin alue) kohtuullisella ympäristönsietokyvyllä, mutta ovat harvinaisempia korkean lämpötilan integroinnissa.
Vaativimpiin tarkkuussovelluksiin on suunniteltu korkealaatuinen optinen kooderi, jossa on Zerodur-asteikko ja lämpösuojattu lukupää.
Vaihe 3: Suunniteltu asennus ja lämpöeristys
Vaaka kiinnitys– Vaaka liimataan tai kiinnitetään liikkuvaan levyrakenteeseen käyttämällä liimaa, jossa on yhteensopiva CTE (esim. kaksiosainen epoksi, joka on suunniteltu matalassa lämpötilassa kovetukseen). Reikiä ja rakoja vältetään jännityskeskittymien estämiseksi. Vaaka on asennettu mahdollisimman lähelle levyn neutraalia akselia taivutuksen aiheuttamien virheiden minimoimiseksi.
Lue pään kiinnitys– Kiinteään runkoon on pultattu Invarista tai ruostumattomasta teräksestä valmistettu jäykkä kannatin. Kiinnike on suunniteltu lämpöstabiiliksi ja tärinää vaimennettavaksi. Lukupään tunnistusrako (yleensä 0,2–0,5 mm) asetetaan ja lukitaan.
Lämpöeste– Monikerroksinen suojus, joka koostuu heijastavasta kalvosta, ilmavälistä ja keraamisesta levystä, asetetaan levyn ja lukupään väliin. Suojus ei ole suorassa kosketuksessa kuumalevyyn, vaan se on asennettu kiinteälle puolelle.
Vaihe 4: Määritä sähköliitännät ja kaapelointi
Kaapelin tyyppi– Käytetään erittäin joustavaa, suojattua kaapelia, joka on suunniteltu jatkuvaan taivutukseen (jos lukupää on liikkuvan kaapelin pidikkeessä). Kaapelin on kestettävä ympäristön lämpötila levyn lähellä; PTFE- tai silikoniulkovaippa on edullinen.
Liitin– Anturin ulostulolle on määritetty kestävä, lukittava liitin (esim. M12 tai D-sub). Mukana tulee erillinen maadoitusjohto maadoitussilmukoiden estämiseksi.
Vaihe 5: Testaa ja kalibroi
Kokoamisen jälkeen enkooderijärjestelmä kalibroidaan laserinterferometrillä. Kalibrointi kompensoi jäljellä olevat asteikon asennusvirheet tai lämpöpoikkeamat. Kalibrointitiedot tallennetaan liikeohjaimeen tai anturielektroniikkaan.
Prosessi Huomautus: Useiden kooderien käyttö kallistuksen ohjaamiseen
Yksi lineaarinen kooderi mittaa siirtymän yhtä akselia pitkin. Lämmityslevylle, jonka on pysyttävä samansuuntaisena vastakkaisen pinnan kanssa (esim. leima tai alusta), levyn kolmeen kulmaan on järjestetty kolme anturia. Liikeohjain lukee kolme asentoa ja käyttää differentiaalisignaaleja kallistuksen ohjaamiseen useiden toimilaitteiden (esim. kolmen pietsosähköisen pinon) kautta. Tämä kokoonpano, joka tunnetaan kolmen pisteen vaaitusjärjestelmänä, saavuttaa sekä translaatio- että kulmapaikannustarkkuuden nanometrialueella.
Esimerkki spesifikaatiosta
Nanoimprint litografialevylle, jonka liikealue on 50 mm ja joka toimii 180 asteessa, voidaan käyttää seuraavaa kooderin määrittelyä:
Tyyppi– Optinen lineaarinen kooderi Zerodur-asteikolla
Resoluutio– 0,1 nm (interpoloinnin jälkeen)
Tarkkuus– ±0,2 µm yli 50 mm (kalibroitu)
Mittakaava CTE– 0,02 ppm/K
Lue pään käyttölämpötila– 0 - 70 astetta (aktiivisella jäähdytyksellä)
Tulostusprotokolla– BiSS 10 MHz kellolla
Suojaus– IP64 typpihuuhtelulla
Lämpösuoja– Kaksikerroksinen kiillotettu alumiini, 5 mm ilmarako
Johtopäätös
Integroitu korkearesoluutioinen lineaarinen enkooderi muuttaa tehokkaan puristimen submikronin tarkkuusinstrumentiksi, kriittiseksi komponentiksi, joka antaa levylle sen tarkan, horjumattoman asennontunteen. Määrittämällä tarkasti anturin resoluutio, lämpölaajenemisen hallinta, lämpösuojaus ja ympäristönsuojelu, voidaan rakentaa lämmityslevy, joka sijoittuu nanometrin mittakaavassa toistettavuuteen jopa voimakkaissa lämpökuormituksessa. Tarkimmat työkalut näkevät oman liikkeensä nanometrisilmin, ja oikein määritetty lineaarinen kooderi tarjoaa tämän näkemyksen.
