स्थिति फीडबैक के लिए एक एकीकृत, उच्च -रिज़ॉल्यूशन रैखिक एनकोडर के साथ हीटिंग प्लेटिन को कैसे निर्दिष्ट करें?

एक नैनोइम्प्रिंट लिथोग्राफी उपकरण में, एक गर्म प्लेटन को एक नैनोसंरचित मास्टर स्टैम्प को एक मीटर के अरबवें हिस्से में मापी गई स्थितिगत सटीकता के साथ एक बहुलक फिल्म में दबाना होगा। प्लेटन को धकेलने वाला हाइड्रोलिक सिलेंडर एक शक्तिशाली, लेकिन अचूक, क्रूर है। एक उच्च{{2}रिज़ॉल्यूशन वाला रैखिक एनकोडर, जो सीधे प्लेटन के फ्रेम में एकीकृत होता है, एक बिना पलक झपकाए इलेक्ट्रॉनिक आंख है जो वास्तविक समय में प्लेटन की सटीक स्थिति को मापता है, जो एक अल्ट्रा-सटीक, बंद{{5}लूप गति नियंत्रण प्रणाली के लिए आवश्यक प्रतिक्रिया प्रदान करता है।

गर्म प्लेटों में एकीकृत स्थिति फीडबैक की आवश्यकता

गर्म प्लेटें का उपयोग सटीक विनिर्माण प्रक्रियाओं जैसे नैनोइमप्रिंट लिथोग्राफी, हॉट एम्बॉसिंग, वेफर बॉन्डिंग और थर्मल संपीड़न बॉन्डिंग में किया जाता है। इन अनुप्रयोगों में, प्लेटन को न केवल एक समान गर्मी प्रदान करनी चाहिए, बल्कि अक्सर उप-माइक्रोन या यहां तक ​​कि नैनोमीटर सटीकता के साथ एक सटीक नियंत्रित स्थिति में भी जाना चाहिए। प्लेटन की स्थिति को लोड के तहत, अलग-अलग तापमान पर और यांत्रिक प्रणाली के अनुपालन के विरुद्ध बनाए रखा जाना चाहिए। सटीक प्रतिक्रिया के बिना, एक कठोर प्रेस भी थर्मल विस्तार, यांत्रिक प्रतिक्रिया या विक्षेपण की भरपाई नहीं कर सकती है।

प्लेटन असेंबली में सीधे एकीकृत एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन रैखिक एनकोडर वह फीडबैक प्रदान करता है। एनकोडर एक निश्चित संदर्भ (उदाहरण के लिए, प्रेस फ्रेम या एक स्थिर बेस प्लेट) के सापेक्ष प्लेटन की वास्तविक स्थिति को मापता है। यह माप एक गति नियंत्रक को खिलाया जाता है, जो इसकी तुलना आदेशित स्थिति से करता है और तदनुसार एक्चुएटर (हाइड्रोलिक, वायवीय, या पीजो-इलेक्ट्रिक) को समायोजित करता है। परिणाम एक बंद-लूप पोजिशनिंग सिस्टम है जो नैनोमीटर रेंज में दोहराने में सक्षम है।

एक एकीकृत रैखिक एनकोडर प्रणाली के मुख्य घटक

हीटिंग प्लैटन के लिए एक रैखिक एनकोडर प्रणाली में तीन प्राथमिक तत्व होते हैं:

पैमाना- रेखाओं या चुंबकीय डोमेन के आवधिक पैटर्न के साथ एक सटीक रूप से निर्मित ग्लास, धातु या सिरेमिक पट्टी। स्केल को प्लैटन असेंबली के गतिशील भाग (उदाहरण के लिए, प्लैटन बैक प्लेट या एक समर्पित माउंटिंग ब्रैकेट) से मजबूती से जोड़ा जाता है।

सिर पढ़ें- एक कॉम्पैक्ट, गैर-संपर्क सेंसर जो स्थिर प्रेस फ्रेम से जुड़ा होता है। रीड हेड ऑप्टिकल, चुंबकीय या कैपेसिटिव सिद्धांतों का उपयोग करके स्केल के पैटर्न को स्कैन करता है और एक स्थिति संकेत उत्पन्न करता है।

इंटरपोलेशन इलेक्ट्रॉनिक्स- सर्किटरी जो मूल सिग्नल अवधि (उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल स्केल के लिए 20 माइक्रोन) को छोटे वेतन वृद्धि में विभाजित करती है, जिससे अंतिम रिज़ॉल्यूशन उत्पन्न होता है। इसे रीड हेड या एक अलग नियंत्रक में एकीकृत किया जा सकता है।

जब प्लेटन हिलता है, तो रीड हेड स्केल के विस्थापन को ट्रैक करता है। एन्कोडर आमतौर पर BiSS, EnDat, या SSI जैसे प्रोटोकॉल के माध्यम से मोशन कंट्रोलर को 10 kHz से 100 kHz की अद्यतन दरों पर एक डिजिटल स्थिति मान आउटपुट करता है।

एनकोडर प्लेटन का अपना, आंतरिक शासक है, जो एक सेकंड में एक हजार बार इसके सटीक स्थान को पढ़ता है और इसे नियंत्रक को फुसफुसाता है, जो इसे नैनोमीटर-स्केल स्टैम्प के खिलाफ पूरी तरह से स्थिर रखता है।

हीटिंग प्लेटन पर एक रैखिक एनकोडर के लिए मुख्य विशिष्टता पैरामीटर

निर्दिष्ट करते समय एरैखिक एनकोडर हीटिंग प्लेटन स्थिति प्रतिक्रियासिस्टम, निम्नलिखित मापदंडों को परिभाषित किया जाना चाहिए:

संकल्प और सटीकता

संकल्प- सबसे छोटा स्थितिगत परिवर्तन जिसे एन्कोडर पता लगा सकता है। नैनोइम्प्रिंट लिथोग्राफी और सटीक हॉट एम्बॉसिंग के लिए, 1 एनएम, 0.1 एनएम, या यहां तक ​​कि 1 बजे के रिज़ॉल्यूशन की आवश्यकता होती है। एक बेहतर रिज़ॉल्यूशन नियंत्रक को अधिक सूक्ष्म सुधार करने की अनुमति देता है। निर्दिष्ट रिज़ॉल्यूशन आवश्यक स्थिति सहनशीलता से कम से कम परिमाण का एक क्रम छोटा होना चाहिए।

शुद्धता- पूरी माप सीमा पर मापी गई स्थिति और वास्तविक स्थिति के बीच का अंतर। सटीकता स्केल ग्रेजुएशन त्रुटियों, बढ़ती सहनशीलता और थर्मल प्रभावों से प्रभावित होती है। उप-माइक्रोन स्थिति के लिए, 100 मिमी यात्रा पर ±0.5 µm की सटीकता विशिष्ट है; नैनोमीटर अनुप्रयोगों के लिए, ±10 एनएम तक सटीकता उपलब्ध है।

माप लंबाई (यात्रा रेंज)

एन्कोडर की स्केल लंबाई प्लेटन के आवश्यक स्ट्रोक से मेल खाना चाहिए। हॉट एम्बॉसिंग प्रेस के लिए, यात्रा केवल 10-50 मिमी हो सकती है; वेफर बॉन्डिंग टूल के लिए, यह 200-300 मिमी हो सकता है। होमिंग और सीमा का पता लगाने के लिए कार्य सीमा से परे एक छोटा ओवरट्रैवल (5-10 मिमी) जोड़ा जाता है।

थर्मल विस्तार प्रबंधन

एनकोडर की सटीकता स्केल और प्लेटन संरचना दोनों के थर्मल विस्तार से गंभीर रूप से प्रभावित होती है। प्लेटन ऊंचे तापमान पर काम करता है {{1}अक्सर 100-400 डिग्री -जबकि रीड हेड और स्केल को उनकी निर्दिष्ट थर्मल सीमा (आमतौर पर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए 0-80 डिग्री) के भीतर रहना चाहिए। इसलिए:

कम विस्तार पैमाने की सामग्रीआवश्यक हैं।ज़ेरोडुर(एक ग्लास सिरेमिक) में थर्मल विस्तार (सीटीई) का गुणांक शून्य (≈0.02 पीपीएम/के) के करीब होता है।इन्वार(एक निकल-लौह मिश्र धातु) का CTE ≈1.2 पीपीएम/K है। मानक स्टील (≈11 पीपीएम/के) या ग्लास (≈8 पीपीएम/के) की तुलना में दोनों को प्राथमिकता दी जाती है। स्केल सामग्री को आवश्यकतानुसार प्लेटन या संदर्भ फ्रेम के सीटीई से मिलान किया जाता है।

थर्मल डिकॉउलिंग- स्केल को कम-चालकता स्टैंडऑफ़ या एक मध्यवर्ती परत का उपयोग करके प्लेटन पर लगाया जाता है जो स्केल को प्लेटन बॉडी की तुलना में ठंडा रहने की अनुमति देता है। कूलिंग चैनल या मजबूर हवा को पैमाने पर निर्देशित किया जा सकता है।

थर्मल मुआवजा- कुछ उच्च-स्तरीय एनकोडर पैमाने पर तापमान सेंसर को शामिल करते हैं और अवशिष्ट विस्तार को सही करने के लिए सॉफ़्टवेयर-आधारित क्षतिपूर्ति एल्गोरिदम का उपयोग करते हैं।

तापमान रेटिंग और हीट शील्डिंग

रीड हेड में संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक घटक होते हैं और आमतौर पर इसे 50-85 डिग्री तक ऑपरेशन के लिए रेट किया जाता है। चूँकि प्लेटन बहुत अधिक तापमान तक पहुँच सकता है, रीड हेड होना चाहिए:

दूर से स्थापितगर्म क्षेत्र से, एक कठोर एक्सटेंशन आर्म या थर्मल इंसुलेटिंग ब्रैकेट का उपयोग करके।

हीट शील्ड द्वारा संरक्षित- एक पॉलिश धातु ढाल (उदाहरण के लिए, परावर्तक कोटिंग के साथ स्टेनलेस स्टील या एल्यूमीनियम) को गर्म प्लेट और रीड हेड के बीच रखा जाता है। संवहन बाधाएँ (उदाहरण के लिए, एक वायु अंतराल या एक सिरेमिक कंबल) जोड़ी जा सकती हैं।

कूल्ड- चरम मामलों में, रीड हेड को एक छोटे पंखे या संपीड़ित वायु लाइन के माध्यम से पानी से ठंडा या हवा से ठंडा किया जाता है।

सिग्नल आउटपुट और नियंत्रक संगतता

एनकोडर का आउटपुट प्रेस पर प्रयुक्त मोशन कंट्रोलर के साथ संगत होना चाहिए। सामान्य उच्च-रिज़ॉल्यूशन सीरियल प्रोटोकॉल में शामिल हैं:

BiSS- सटीक गति नियंत्रण के लिए खुला, उच्च गति, कम विलंबता प्रोटोकॉल।

पर समाप्त(हेइडेनहैन) - मालिकाना लेकिन व्यापक रूप से समर्थित, त्रुटि झंडे और तापमान रीडिंग सहित द्विदिश संचार की पेशकश।

लघु उद्योग(सिंक्रोनस सीरियल इंटरफ़ेस) - सरल, धीमा, लेकिन कई अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त।

ए‑क्वाड‑बी- संदर्भ चिह्न के साथ वृद्धिशील चतुर्भुज आउटपुट; रिज़ॉल्यूशन इंटरपोलेशन कारक और अद्यतन दर द्वारा सीमित है।

नैनोमीटर-स्तरीय अनुप्रयोगों के लिए, माइक्रोसेकंड अद्यतन चक्र के साथ एक सीरियल प्रोटोकॉल की आवश्यकता होती है। नियंत्रक को एन्कोडर की सीमा स्विच सिग्नल (यात्रा का अंत और संदर्भ/होम मार्कर) भी प्राप्त होना चाहिए।

पर्यावरण संरक्षण

एन्कोडर को इनसे संरक्षित किया जाना चाहिए:

धूल और कण- पॉलिमर फिल्म या पर्यावरण द्वारा उत्पन्न। रीड हेड और स्केल एक धौंकनी या पीटीएफई या धातु से बनी स्लाइडिंग सील में संलग्न हैं। कम से कम IP64 (धूलरोधी) की IP रेटिंग की अनुशंसा की जाती है।

धुआं और गैस निकलना- गर्म पॉलिमर या सॉल्वैंट्स से। पर्ज पोर्ट (उदाहरण के लिए, संपीड़ित हवा या नाइट्रोजन) के साथ एक सीलबंद घेरा एनकोडर वातावरण को साफ रखता है।

तेल और शीतलक- यदि मशीनिंग या प्रेसिंग वातावरण में उपयोग किया जाता है, तो एनकोडर को IP67 या उच्चतर रेटिंग के साथ निर्दिष्ट किया जाता है।

एकीकरण डिज़ाइन चरण

हीटिंग प्लेटन के लिए एक रैखिक एनकोडर निर्दिष्ट करने में निम्नलिखित इंजीनियरिंग निर्णय शामिल होते हैं:

चरण 1: आवश्यक स्थितिगत सटीकता निर्धारित करें

प्रक्रिया सहनशीलता निर्धारित करती है। नैनोइम्प्रिंट लिथोग्राफी के लिए, ±1 एनएम की अवशिष्ट परत मोटाई एकरूपता आम है। प्लेटन के झुकाव और समानता को भी नियंत्रित किया जाना चाहिए, अक्सर विभिन्न कोनों पर स्थिति को मापने के लिए कई एनकोडर (तीन या अधिक) की आवश्यकता होती है।

चरण 2: एनकोडर प्रकार का चयन करें

ऑप्टिकल एनकोडर- उच्चतम रिज़ॉल्यूशन (दोपहर 1 बजे तक) और सटीकता प्रदान करें, लेकिन संदूषण के प्रति अधिक संवेदनशील हैं और स्वच्छ वातावरण की आवश्यकता है। विवर्तन झंझरी के साथ एक ग्लास स्केल का उपयोग किया जाता है।

चुंबकीय एनकोडर- धूल और तेल के खिलाफ अधिक मजबूत, लेकिन विशिष्ट रिज़ॉल्यूशन माइक्रोमीटर से उप-माइक्रोमीटर रेंज (उदाहरण के लिए, 0.1 माइक्रोमीटर) में होते हैं। मोटे स्थान के लिए उपयुक्त.

कैपेसिटिव एनकोडर- मध्यम पर्यावरणीय सहनशीलता के साथ अच्छा रिज़ॉल्यूशन (नैनोमीटर रेंज) प्रदान करें, लेकिन उच्च तापमान एकीकरण के लिए कम आम हैं।

सबसे अधिक मांग वाले सटीक अनुप्रयोगों के लिए, ज़ेरोडूर स्केल और हीट-शील्डेड रीड हेड के साथ एक उच्च ग्रेड ऑप्टिकल एनकोडर निर्दिष्ट किया गया है।

चरण 3: डिज़ाइन माउंटिंग और थर्मल आइसोलेशन

स्केल लगाव- स्केल को मिलान किए गए सीटीई (उदाहरण के लिए, कम तापमान के इलाज के लिए डिज़ाइन किया गया दो-भाग वाला एपॉक्सी) के साथ चिपकने वाले का उपयोग करके चलती प्लेटिन संरचना से जोड़ा या क्लैंप किया जाता है। तनाव सांद्रता को रोकने के लिए छेद और स्लॉट से बचा जाता है। झुकने से प्रेरित त्रुटियों को कम करने के लिए स्केल को प्लेटन के तटस्थ अक्ष के जितना संभव हो उतना करीब लगाया जाता है।

हेड माउंटिंग पढ़ें- इन्वार या स्टेनलेस स्टील से बना एक कठोर ब्रैकेट स्थिर फ्रेम पर लगाया जाता है। ब्रैकेट को थर्मल रूप से स्थिर और कंपन-रोधी बनाया गया है। रीड हेड का सेंसिंग गैप (आमतौर पर 0.2-0.5 मिमी) सेट और लॉक किया जाता है।

थर्मल बैरियर- एक बहु-परत ढाल जिसमें एक परावर्तक पन्नी, एक वायु अंतराल और एक सिरेमिक प्लेट होती है, को प्लेटन और रीड हेड के बीच रखा जाता है। ढाल गर्म प्लेट के सीधे संपर्क में नहीं है लेकिन स्थिर पक्ष पर स्थापित है।

चरण 4: इलेक्ट्रिकल इंटरफेस और केबलिंग निर्दिष्ट करें

केबल प्रकार- निरंतर झुकने के लिए डिज़ाइन की गई एक उच्च-फ्लेक्स, परिरक्षित केबल का उपयोग किया जाता है (यदि रीड हेड एक चलती केबल वाहक पर है)। केबल को प्लेटन के पास परिवेश के तापमान का सामना करना होगा; एक PTFE या सिलिकॉन बाहरी जैकेट को प्राथमिकता दी जाती है।

योजक- एनकोडर आउटपुट के लिए एक मजबूत, लॉकिंग कनेक्टर (उदाहरण के लिए, एम12 या डी-सब) निर्दिष्ट किया गया है। ग्राउंड लूप को रोकने के लिए एक अलग ग्राउंडिंग तार शामिल किया गया है।

चरण 5: परीक्षण करें और अंशांकन करें

असेंबली के बाद, एनकोडर सिस्टम को लेजर इंटरफेरोमीटर का उपयोग करके कैलिब्रेट किया जाता है। अंशांकन किसी भी शेष स्केल माउंटिंग त्रुटियों या थर्मल ऑफसेट के लिए क्षतिपूर्ति करता है। अंशांकन डेटा मोशन कंट्रोलर या एनकोडर इलेक्ट्रॉनिक्स में संग्रहीत किया जाता है।

प्रक्रिया नोट: झुकाव नियंत्रण के लिए एकाधिक एनकोडर का उपयोग करना

एक एकल रैखिक एनकोडर एक अक्ष के साथ विस्थापन को मापता है। एक हीटिंग प्लेटन के लिए जो एक विरोधी सतह (उदाहरण के लिए, एक स्टैम्प या सब्सट्रेट) के समानांतर रहना चाहिए, प्लेटन के तीन कोनों पर तीन एनकोडर की व्यवस्था की जाती है। गति नियंत्रक तीन स्थितियों को पढ़ता है और कई एक्चुएटर्स (उदाहरण के लिए, तीन पीजो-इलेक्ट्रिक स्टैक) के माध्यम से झुकाव को नियंत्रित करने के लिए विभेदक संकेतों का उपयोग करता है। यह कॉन्फ़िगरेशन, जिसे तीन-बिंदु लेवलिंग सिस्टम के रूप में जाना जाता है, नैनोमीटर रेंज में अनुवादात्मक और कोणीय स्थिति सटीकता दोनों प्राप्त करता है।

उदाहरण विशिष्टता

50 मिमी की यात्रा सीमा के साथ 180 डिग्री पर संचालित नैनोइमप्रिंट लिथोग्राफी प्लेटिन के लिए, निम्नलिखित एनकोडर विनिर्देश का उपयोग किया जा सकता है:

प्रकार- ज़ेरोडुर स्केल के साथ ऑप्टिकल लीनियर एनकोडर

संकल्प- 0.1 एनएम (प्रक्षेप के बाद)

शुद्धता- ±0.2 µm 50 मिमी से अधिक (कैलिब्रेटेड)

स्केल सीटीई- 0.02 पीपीएम/के

हेड ऑपरेटिंग तापमान पढ़ें- 0 से 70 डिग्री (सक्रिय शीतलन के साथ)

आउटपुट प्रोटोकॉल- 10 मेगाहर्ट्ज घड़ी के साथ BiSS

सुरक्षा- नाइट्रोजन शुद्धिकरण के साथ IP64

गर्म ढाल- 5 मिमी एयर गैप के साथ डबल-लेयर पॉलिश एल्यूमीनियम

निष्कर्ष

एक एकीकृत उच्च-रिज़ॉल्यूशन रैखिक एनकोडर एक शक्तिशाली प्रेस को एक सब-माइक्रोन परिशुद्धता उपकरण में बदल देता है, एक महत्वपूर्ण घटक जो प्लेटन को उसकी स्थिति का सटीक, अटल एहसास देता है। एनकोडर के रिज़ॉल्यूशन, थर्मल विस्तार प्रबंधन, हीट शील्डिंग और पर्यावरण संरक्षण को ध्यान से निर्दिष्ट करके, एक हीटिंग प्लेटिन बनाया जा सकता है जो तीव्र थर्मल भार के तहत भी नैनोमीटर-स्केल रिपीटेबिलिटी के साथ खुद को स्थिति में रखता है। सबसे सटीक उपकरण नैनोमीटर आंखों से अपनी स्वयं की गति देख सकते हैं, और एक उचित रूप से निर्दिष्ट रैखिक एनकोडर वह दृष्टि प्रदान करता है।