متن مقاله / گزارش

مفاهیم پایه ماشین‌های اندازه‌گیری مختصاتی با قدرت تفکیک نانومتری

تاریخ : 1395/10/12 تعداد بازدید : 1104 دسته بندی : استانداردسازی
مترجم: داود قرایلو
تهیه شده در کارگروه ایمنی و استاندارد ستاد ویژه توسعه فناوری نانو
چکیده: 
در طول 5 سال گذشته، حرکت به سوی استفاده از قطعات سه بعدی در ماشین‌های میکرومقیاس رو به افزایش بوده است. با این حال، ماشین اندازه‌گیری مختصاتی (CMM) وجود ندارد که بتواند موقعیت و ابعاد اجسام را با قدرت تفکیک نانومتری مشخص کند. بنابراین در این تحقیق اقدام به طراحی CMM با قدرت تفکیک نانومتری شده است که به آن nano-CMM گفته می‌شود. این ابزار می‌تواند موقعیت و ابعاد میکروماشین‌ها و اجزاء آنها را تعیین کند. در این مقاله، مفهوم و چگونگی ساخت این ابزار تشریح می‌شود.
کلمات کلیدی: ماشین اندازه‌گیری مختصاتی سه بعدی، فناوری‌نانو، قدرت تفکیک نانومتری، میکرو ماشین
1-مفهوم پایه Nano-CMM
در حال حاضر دو نوع ابزار برای مترولوژی وجود دارد: دستگاه‌هایی که ابعاد را اندازه‌گیری می‌کند که حاوی بخش‌هایی نظیرکولیس یا نمایشگرهای دیجیتال هستند. دسته دوم دستگاه‌هایی هستند که زبری سطح را اندازه می‌گیرند. هر دو نوع این ابزارها از یک محور مرجع بهره‌مند بوده و یک کامپیوتر فرآیند پردازش اطلاعات را انجام می‌دهد. به هر دو نوع این ابزارها، CMM گفته می‌شود.
در مترولوژی تعیین شکل میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی (STM) امکان تعیین شکل با قدرت تفکیک نانومتری وجود دارد. اما هنوز ابزاری برای اندازه‌گیری سه بعدی با قدرت تفکیک نانومتری ارائه نشده است. بنابراین به یک Nano-CMM نیاز است.
در این پژوهش برای رسیدن به این اهداف به شکل زیر عمل شده است: 
برای ساخت یک دستگاه مختصاتی، از یک ابزار اندازه‌گیری مختصاتی شروع کردیم و با بهره‌گیری از ابزارهای اندازه‌گیری ابعاد، اقدام به ساخت این دستگاه کردیم.
در این پروژه ما تلاش کردیم تا برای ساخت دستگاه Nano-CMM موارد ذیل را مد نظر داشته باشیم:
تلاش کنیم تا ابزاری برای اندازه‌گیری مختصات بسازیم. در حال حاضر برای تعیین شکل اجسام ادوات مختلفی وجود دارد اما برای تعیین مختصات ابزاری وجود ندارد.
اجسامی که ما در مترولوژی دقیق به دنبال مختصات‌یابی آنها هستیم نمونه‌هایی هستند که در صنعت تولید می‌شوند.
برای ساخت این دستگاه باید اجزاء مختلف آن نظیر قطعات میکروماشین، میکروروبات‌ها و قطعات نوری را کنار هم گذاشت.
2- توسعه فاکتورهای Nano-CMM
جدول 1 و شکل 1 اهداف ویژه ما را در پروژه Nano-CMM نشان می‌دهد. همه ویژگی‌هایی که ما در این پروژه مد نظر داریم 100/1 یا 1000/1 مقادیر CMMهای رایج است.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل1: مقایسه CMM رایج و NanoCMM

 در توسعه Nano-CMM، ما مقادیر ویژه‌ای از فاکتورهای مختلف نظیر میزها، عملگرها، مقیاس‌ها و نانوپیمایشگر را پیاده سازی کردیم، در واقع انواع مختلفی از مقیاس‌ها، عملگرها و نانوپیماشگرها را طراحی و آزمایش کرده تا بهترین حالت برای طراحی دستگاه بدست آید. در قدم اول تصمیم گرفتیم که Nano-CMM را ساده و متقارن طراحی کنیم تا پایداری کافی را در فرآیند اندازه‌گیری داشته باشد. به همین دلیل از سیستم‌های اندازه‌گیری رایج (خط‌کش شیشه‌ای نوری) و مکانیسم حرکتی(لغزشی) V شکل استفاده کردیم.
سیستم نانوپیمایشگر دارای دو سیستم حسگری سه بعدی با قدرت تفکیک نانومتری بوده بنابراین طراحی و اجرای سیستم نانوپیمایشگر دارای دشواری بسیاری بود. روش‌های کالیبراسیون و قابلیت ردیابی در این دستگاه از اهمیت بالایی برخوردار است.
بخش‌های مختلف هر فاکتور که در طراحی این دستگاه مورد نظر قرار گرفت در ذیل آمده است:
مقیاس:
باید با دقت بالا تعیین شده و محدوده وسیعی را پوشش دهد 
پایداری بالایی داشته باشد، می‌توان از حسگرهای آنالوگ نیز استفاده کرد
کالیبراسیون آن باید بسیار دقیق انجام شده و قابل ردیابی باشد

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
عملگر:
عملگر مورد استفاده باید در محدوده وسیعی کار کند و قدرت تفکیک بالایی داشته باشد
با استفاده از مقیاس بتوان از آن فیدبک گرفت
به صورت دقیق در جایی تثبیت نشده باشد
حرکت آن با سرعت بالایی انجام نشود
از پیچ‌های معمولی در آن استفاده شده باشد
میز:
باید به صورت متقارن ساخته شود
حرکت آن با استفاده از عملگر و مقیاس انجام شود
مکانیسم‌های لغزشی صاف داشته باشد (رجوع به تصویر 2)
بخش V شکل داشته باشد که روی سطح آن با تفلون پوشانده شده باشد.
نانوپیمایشگر:
دارای پیمایشگر توپی شکل باشد
کرویت آن باید در مقیاس نانومتری باشد
حسگری دو یا سه بعدی داشته باشد
قدرت تفکیک نانومتری داشته باشد

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2

مواد:
از یک نوع ماده در آن استفاده شده باشد
نرخ هدایت گرمایی در آن بالا باشد
نرخ بسط حرارتی در آن پایین باشد
3- ساخت Nano-CMM
شکل 3 طرح شماتیک چیدمان قطعات مختلف Nano-CMM را نشان می‌دهد. در این شکل از پایه X، پایهY، عملگرها و مقیاس استفاده شده است. برای تعیین شکل پایه X، ما از چهار مدل مختلف استفاده کردیم و تاثیر آنها را روی پارامترهایی نظیر تغییر شکل حاصل از گرما و استرس مورد بررسی قرار دادیم. در این چهار مدل از شکل‌های مستطیلی و آرکی شکل حاوی پل استفاده شده است. برای آنالیز این شکل‌ها از نرم‌افزار FEM (FINAS) استفاده شده است.


آنالیز استرس:
در ابتدا، تاثیر نیروی اندازه‌گیری، اتصال و حرکت محاسبه شده که نتایج آن به صورت نموداری ارائه می‌شود. بررسی‌های نشان می‌دهد که بیشینه تغییر شکل پایه X در هر چهار مدل بین یک تا 27 نانومتر بوده است. این نتایج نشان می‌دهد که دو مدل آرکی شکل از میان چهار مدل برای ساخت این دستگاه مناسب‌تر است. دلیل مناسب بودن ساختار آرکی شکل این است که این ساختار نسبت به استرس از مقاومت بالاتری برخوردار است.
آنالیز هدایت گرمایی:
در قدم بعد، هدایت گرمایی هر کدام از مواد (آلومینیوم، چدن، فولاد، سیلیکون و زرودور ) مورد استفاده در ساختار آرکی شکل مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. با ترسیم نمودار هدایت گرمایی، مقدار زمان مورد نیاز برای تغییر شکل در هر ماده مشخص می‌شود. نتایج این مطالعه نشان داد که آلومینیوم بالاترین نرخ هدایت گرمایی دارد و مناسب‌ترین انتخاب برای این ابزار است.
آنالیز تغییر شکل گرمایی:
با اعمال استرس می‌توان تغییر شکل گرمایی را مورد بررسی قرار داد. در این پروژه، این پارامتر برای هر 5 ماده مورد بررسی قرار گرفت و نتایج مربوط به هر یک از این مواد گزارش شد. تغییر شکل گرمایی بیش از 100 برابر بیشتر از تغییر شکل حاصل از استرس است. بنابراین ما دریافتیم که شرایط گرمایی بسیار مهمتر از نیروی اعمال شده در دستگاه Nano-CMM است.
نتیجه:
ما با انجام برخی شبیه‌سازی‌ها نشان دادیم که چگونه می‌توان پایه X برای ماشین اندازه‌گیری مختصاتی تولید کرد.
انجام انالیز استرس نشان داد که بهترین شکل برای ساخت این ابزار، حالت آرکی شکل است که در آن از پل‌هایی نیز بهره گرفته شده است.
انالیز گرمایی نشان داد که آلومینیوم و زرودور به همراه سیلیکون مواد مناسبی برای ساخت nano0CMM هستند. تغییر شکل گرمایی 100 برابر بیشتر از تغییر شکل حاصل از استرس است. شرایط گرمایی نقش مهمتری نسبت به نیروی اعمال شده دارد.

منبع:
Kiyoshi Takamasu , Basic Concepts of Nano-CMM (Coordinate Measuring Machine with Nanometer Resolution), China Bilateral Symposium on Advanced Manufacturing Engineering, 1996