纳米机电一体化:运动控制系统降低系统集成成本

霍夫曼地产，伊利诺伊州-与博世力士乐和埃因霍温科技大学，荷兰(TU/e)，电子显微镜制造商范已经开始了一个名为“NewMotion”的项目，旨在创建一个模块化的运动控制系统，包括博世力士乐NYCe4000工业运动控制系统的各种硬件和软件包。该系统将针对显微镜等应用进行优化，在这些应用中，需要极高的精度和稳定性，但不需要快速运动。TU/e正在协助该项目研究必要的新控制技术。

FEI自1949年以来一直从事显微镜业务，当时它生产了世界上第一台显微镜透射电子显微镜(TEM)。FEI制造全系列显微镜，包括扫描(SEM)和TEM类型，附加双光束实验室基础及相关设备。公司的工具，特色集中离子-和电子束技术，提供3D表征、分析和修改功能，分辨率可达亚埃(0.1 nm)级。

FEI的主要开发设施之一位于埃因霍温(荷兰)，是博世力士乐的近邻，该公司为高科技市场的各种应用开发运动控制系统，包括半导体行业的晶圆处理，电子元件的组装，特殊机器人和处理系统，太阳能电池生产系统和微机电系统(MEMS)的生产。

FEI将用NewMotion系统装备高精度机电系统，并将其集成到电子显微镜中。TU/e的作用是研究和开发运动控制技术领域的新的测量和控制算法。它将开发新的测量和控制原理，用于运动控制系统，以提高原子级的运动精度，并实现纳米/秒范围内的流体运动。

FEI欧洲研发总监Maarten Buijs博士指出，能够在纳米尺度上工作的机器越来越多地销售给工业领域的客户。降低系统和集成成本，同时提高可用性和服务水平变得越来越重要，因为电子显微镜继续演变为工业测量机器。Buijs承认:“在降低成本方面取得突破是主要驱动力，但易用性、操作的高可重复性和样品的高通量等因素都在我们的业务中发挥着越来越大的作用。”

在一个电子显微镜的核心是机电样品机械手阶段，这是FEI发展。该公司正在开发新的阶段，使其能够在三维1nm世界中工作。这种新型机械手要求运动和定位精度达到原子级，这将通过特殊的机电一体化和新的运动控制系统相结合来实现。

Buijs指出:“矛盾的是，我们正在进入的这个小世界需要一种不同于其他领域制造商所要求的方法，后者通常希望以尽可能快的速度获得较高的定位精度。样品必须极其精确地处理。我们的应用程序需要低速行为，而不是高速扫描，它使用一种相当新型的驱动器，称为超声波压电电机“在每秒1纳米的速度下，所需的缓慢但流畅的运动可以与头发的生长速度相比。

人们对NewMotion项目的期望集中在新一代运动控制系统上，它将把对电子硬件的依赖转移到软件和系统组件上。合作者还期望在性能、功能和价格方面有显著的改进。

例如，在TEM上使用多轴机械手的运动精度对于电子扫描的质量至关重要。这要求在不超过1纳米/秒的速度下进行非常缓慢的运动。反过来，这需要步长为1 nm的高分辨率。有了这个项目，目标速度比目前的能力提高了15倍。要克服的一大挑战是实现无冲击运动。由于每增加一段时间，编码器只需要执行少量的步骤，因此对控制单元中的调节器提出了巨大的要求。这必须能够产生一个均匀的速度轮廓，以便被操纵的样品的实际速度保持不变。此外，机电系统中总有一定的振动会影响末端位置精度，这是在设计和建造阶段要考虑的因素。

同样，具有多轴坐标的新一代机械手将使运动系统性能和动态行为提高十倍。合作者希望通过新的、平衡的机电结构来实现这些结果，这些结构利用了热补偿、振动阻尼和一种新型的线性测量秤以及无玩耍传输。具体来说，这将提供100纳米量级的位置精度，相对精度为10纳米，漂移为0.1纳米/分钟。正在开发一种特殊的平衡热补偿系统，使温度作为时间的函数保持恒定，以实现这种极高的稳定性。

虽然在显微镜应用中，运动速度慢似乎比速度更相关，但与现有系统相比，机械手的测量速度将提高五到十倍。这提高了在减少操作次数的情况下对多个产品进行测量的可能性。在这种情况下，测量将按顺序进行，但样品将一次性放置在测量室中。因此，所有的热和运动关键效应将比现有情况下要小得多，在现有情况下，一次只加载一个测量样本。

博世力士乐为各种应用领域提供硬件模块，如低功率、高功率和压电控制——所有这些都是电子驱动和控制在一个单元中。硬件体系结构允许使用软件开发所需的功能。类似地，正在开发用于应用程序、配置、调优、模拟、路径生成、测试和测量的软件模块，以支持客户在机器中实现运动。

C.G.马西，资深编辑
控制工程机械控制通讯

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