Design of a novel 3D tip-based nanofabrication system with high precision depth control capability

The design, analysis, and experimental investigation of a novel 3D tip-based nanofabrication system with high precision depth control capability is presented in this paper. Based on this system, a new depth control method, namely tip displacement-based closed-loop (DC) depth control methodology is proposed to improve the depth control capability. As the force-depth prediction with the commonly-used depth control method, i.e. the normal force-based closed-loop (FC) method, may depend on the machining speed, the machining direction, and the material properties, etc. Compared with the FC method, the DC method decreases the complexity and the high uncertainty. The tip feed system utilizes a non-contact force, i.e. the electromagnetic force, to adjust the tip displacement. Therefore, the tip support mechanism can be used to accomplish the tip-sample contact detection. Additionally, an active compensation method is proposed to eliminate the tilt angle between the sample surface and the horizontal plane. Otherwise the machining depth will change gradually, i.e. getting deeper or lower. Furthermore, a series of patterns have been fabricated on silicon sample surface with the proposed system and method. The maximum machining depth of a single scan reaches 300 nm, which is much larger than that of an atomic force microscope (AFM)-based nanofabrication system. The experimental results demonstrate that the system has advantages of distinguished depth control capability, high machining accuracy, and excellent repeatability, which diminishes the influence of above-mentioned factors on the machining depth. Also, the method has the potential of machining arbitrary 2D/3D patterns with well-controlled depth and high accuracy

An Asymmetric Hysteresis Model and Parameter Identification Method for Piezoelectric Actuator

Hysteresis behaviour degrades the positioning accuracy of PZT actuator for ultrahigh-precision positioning applications. In this paper, a corrected hysteresis model based on Bouc-Wen model for modelling the asymmetric hysteresis behaviour of PZT actuator is established by introducing an input bias φ and an asymmetric factor ΔΦ into the standard Bouc-Wen hysteresis model. A modified particle swarm optimization (MPSO) algorithm is established and realized to identify and optimize the model parameters. Feasibility and effectiveness of MPSO are proved by experiment and numerical simulation. The research results show that the corrected hysteresis model can represent the asymmetric hysteresis behaviour of the PZT actuator more accurately than the noncorrected hysteresis model based on the Bouc-Wen model. The MPSO parameter identification method can effectively identify the parameters of the corrected and noncorrected hysteresis models. Some cases demonstrate the corrected hysteresis model and the MPSO parameter identification method can be used to model smart materials and structure systems with the asymmetric hysteresis behaviour

Hochpräziser Mehrkoordinatenantrieb mit repulsiver Magnetführung

Viele moderne Applikationen, z.B. aus der Biotechnologie oder der Halbleiterindustrie, benötigen Mehrkoordinatenantriebe, die Positioniergenauigkeiten im Nanometerbereich und große planare Bewegungsbereiche besitzen. Zudem müssen die zum Einsatz kommenden Systeme auch vakuumtauglich sein. Um diese hohen Anforderungen zu erfüllen, werden magnetisch geführte Mehrkoordinatenantriebe untersucht und entwickelt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, einen neuartigen magnetisch geführten Mehrkoordinatenantrieb mit einem großen Fahrbereich zu entwickeln. Im Vergleich zu anderen, aus der Literatur bekannten Lösungen zeichnet sich das vorgeschlagene Konzept durch eine wesentlich vereinfachte kompakte Konstruktion, entkoppelte Antriebsund Führungskräfte und einen von oben frei zugänglichen passiven Läufer aus. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Arbeit ist die semi-analytische Kraftberechnung der eingesetzten Aktoren. Die Ergebnisse der hergeleiteten Kraftgleichungen werden den numerischen 3D-FEM und den experimentellen Ergebnissen gegenübergestellt. Zwischen den Ergebnissen der hergeleiteten Kraftgleichungen und den numerisch ermittelten Kräften zeigt sich ein maximaler Fehler von 1 %. Zwischen den Berechnungen und den Messungen ergibt sich ein maximaler Fehler von 5 %. Da der Funktionsnachweis des vorgeschlagenen Konzepts im Vordergrund steht, ist ein Funktionsmuster mit einem Bewegungsbereich von 50 × 50 × 2 mm^3 aufgebaut und in Betrieb genommen worden. Für die Regelung des Systems ist ein Zustandsregler mit integrierender Rückführung implementiert. Erste experimentelle Messungen zeigen, dass das System stabilisiert und der Läufer in den sechs Bewegungsfreiheiten positioniert werden kann. Dabei besitzt das Positionsrauschen in den Koordinaten x, y und z eine Standardabweichung von σx = 193 µm, σy = 178 µm und σz = 8.2 µm und liegt damit im Bereich der Messsystemauflösung.Fields, such as biotechnology and the semiconductor industry, require positioning systems that can offer high precision in the nanometer range in combination with long motion regions. Furthermore the positioning systems should also be vacuum compatible. In order to satisfy these demands, magnetically guided multi-coordinate drives have been investigated and developed. This dissertation seeks to develop a new magnetically guided multi-coordinate drive with an extended range of movement. In comparison with other solutions, this system has a significantly simplified and, more compact structure, decoupled levitation and propulsion forces, and free access to the passive rotor from above. This dissertation focuses on the semi-analytical force calculation of the applied actuators. The results from the derived force equations are compared with the numerical 3D-FEM simulation and the experimental results. The results of the force calculation and the numerical 3D-FEM simulation yield a maximum error of 1 %, while between the force calculations and the measured forces the maximum error is 5 %. The objective of this thesis is to demonstrate the functionality of the proposed system. Thus, a prototype with a movement area of 50×50×2 mm^3 has been built and is operational. A state-space controller with integrated feedback is implemented in order to control the system. Initial experimental measurements show that the system can be stabilized and the rotor can be positioned in six degrees-of-freedom. The position noise in the coordinates x, y and z has standard deviations of σx = 193 µm, σy = 178 µm and σz = 8.2 µm and is thus within the resolution range of the measurement device