Nanopositioners have been developed with electrostatic, piezoelectric, magnetic, thermal, and electrochemical actuators. They move with as many as six degrees of freedom; some are composed of multiple stages that stack together. Both macro-scale and micro-scale nanopositioners have been fabricated. A summary of recent research in micropositioning and nanopositioning is presented to set the background for this work. This research project demonstrates that a dual-stage nanopositioner can be created with microelectromechanical systems technology such that the two stages are integrated on a single silicon chip. A nanopositioner is presented that has two stages, one for coarse motion and one for fine motion; both are fabricated by surface micromachining. The nanopositioner has one translational degree of freedom. Thermal microactuators operate both stages. The first stage includes a bistable mechanism: it travels 52 micrometers between two discrete positions. The second stage is mounted on the first stage and moves continuously through an additional 8 micrometers in the same direction as the first stage. Two approaches to the control of the second stage are evaluated: first, an electrical input is transmitted to an actuator that moves with the first stage; second, a mechanical input is applied to an amplifier mechanism mounted on the first stage after completing the coarse motion. Four devices were designed and fabricated to test these approaches; the one that performed best was selected to fulfill the objective of this work. Thermal analysis of the actuators was performed with previously developed tools. Pseudo-rigid-body models and finite element models were created to analyze the mechanical behavior of the devices. The nanopositioners were surface micromachined in a two-layer polysilicon process. Experiments were performed to characterize the resolution, repeatability, hysteresis, and drift of the second stages of the nanopositioners with open-loop control. Position measurements were obtained from scanning electron micrographs by a numerical procedure, which is described in detail. The selected nanopositioner demonstrated 170-nanometer resolution and repeatability within 37 nanometers. The hysteresis of the second stage was 6% of its full range. The nanopositioner drifted 25 nanometers in the first 60 minutes of operation with a time constant of about 6 minutes. The dual-stage nanopositioner may be useful for applications such as variable optical attenuators or wavelength-specific add--drop devices.

Οι ηλεκτροµηχανικές συσκευές αποθήκευσης δεδοµένων πολύ µικρής κλίµακας που βασίζονται στη χρήση ανιχνευτών (probes) αποτελούν ανερχόµενες εναλλακτικές επιλογές για τη βελτίωση της πυκνότητας αποθήκευσης, του χρόνου πρόσβασης των δεδοµένων και της απαιτούµενης ισχύος σε σχέση µε τις συµβατικές αποθηκευτικές συσκευές. Μία υλοποίηση µιας τέτοιας συσκευής χρησιµοποιεί θερµοµηχανικές µεθόδους για την αποθήκευση πληροφορίας σε λεπτές µεµβράνες πολυµερών υλικών. Σε αυτή την περίπτωση, η ψηφιακή πληροφορία αποθηκεύεται µε τη µορφή κοιλωµάτων πάνω στο πολυµερές υλικό, οι οποίες δηµιουργούνται από τις άκρες των ανιχνευτών διαµέτρου µερικών nm. Με στόχο την αύξηση του ρυθµού εγγραφής και ανάγνωσης χρησιµοποιούνται διατάξεις από ανιχνευτές που λειτουργούν παράλληλα, µε κάθε ανιχνευτή να εκτελεί λειτουργίες εγγραφής/ανάγνωσης/διαγραφής σε ξεχωριστό αποθηκευτικό πεδίο. Βασικές απαιτήσεις κατά τη λειτουργία τέτοιων συσκευών αποτελούν η εξαιρετικά µεγάλη ακρίβεια και η µικρή καθυστέρηση κατά τη µετακίνηση των ανιχνευτών πάνω από το πολυµερές υλικό. Η παρούσα διατριβή έχει ως αντικείµενο τη µελέτη των διατάξεων κίνησης και τη σχεδίαση πρωτότυπων αρχιτεκτονικών ελέγχου, που οδηγούν στη βελτίωση της απόδοσης των απαιτούµενων, σε συσκευές τέτοιου τύπου, λειτουργιών ελέγχου. Η µετατόπιση του αποθηκευτικού µέσου σε σχέση µε τη διάταξη των ανιχνευτών επιτυγχάνεται µε τη χρησιµοποίηση µικρής κλίµακας scanners, που έχουν δυνατότητες κίνησης σε δύο κατευθύνσεις (x/y). Πληροφορία για τη θέση του microscanner στις δύο κατευθύνσεις παρέχεται από θερµικούς αισθητήρες ανίχνευσης θέσης που κατασκευάζονται µαζί µε τη διάταξη µε τους ανιχνευτές και τοποθετούνται πάνω από το κινητό πλαίσιο. Η πλήρης κατανόηση της συµπεριφοράς των διατάξεων αυτών αποτελεί απαραίτητο στοιχείο για τον αποτελεσµατικό σχεδιασµό και την ανάλυση των συστηµάτων ελέγχου. Στα πλαίσια της διατριβής δηµιουργήθηκε ένα πλήρες µοντέλο της διάταξης του microscanner και των θερµικών αισθητήρων ανίχνευσης θέσης. Σύγκριση της απόκρισης του µοντέλου µε τις πειραµατικές µετρήσεις καταδεικνύει ότι το µοντέλο προσεγγίζει µε εξαιρετική ακρίβεια την απόκριση του συστήµατος. Το σύστηµα ελέγχου περιλαµβάνει, στην αρχή, τη λειτουργία αναζήτησης/ αποκατάστασης, κατά την οποία το σύστηµα εντοπίζει τη θέση όπου απαιτείται να πραγµατοποιηθεί εγγραφή ή ανάγνωση πληροφορίας µε εκκίνηση µία αυθαίρετη θέση του κινητού πλαισίου. Απαίτηση του συστήµατος κατά τη λειτουργία αυτή είναι η ελαχιστοποίηση του χρόνου πρόσβασης των δεδοµένων. Η γρήγορη πρόσβαση στα δεδοµένα αποτελεί µια σηµαντική πρόκληση στις συµβατικές αποθηκευτικές συσκευές. Με το πλεονέκτηµα των ελαφρύτερων µηχανικών µερών, οι υπό µελέτη συσκευές αποθήκευσης βασισµένες στην τεχνολογία MEMS θεωρούνται βασικές υποψήφιες για τη βελτίωση του χρόνου πρόσβασης των δεδοµένων. Οι σχετικές προοπτικές των συσκευών αυτών διερευνώνται αναλυτικά στα πλαίσια της διατριβής. Συγκεκριµένα, αρχικά µελετάται η απόδοση διαφόρων συστηµάτων µε βάση τη θεωρία ελέγχου βέλτιστου χρόνου. Τα αποτελέσµατα της µελέτης δίνουν το θεωρητικά βέλτιστο χρόνο πρόσβασης και την εξάρτησή του από τις παραµέτρους του κάθε συστήµατος. Στη συνέχεια, περιγράφεται η αρχιτεκτονική ελέγχου για τη λειτουργία αναζήτησης και παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα που αντλήθηκαν από το περιβάλλον προσοµοίωσης και από την πειραµατική διάταξη. Τα αποτελέσµατα καταδεικνύουν ότι οι χρόνοι πρόσβασης των δεδοµένων που είναι δυνατό να επιτευχθούν µε τις συσκευές αυτές, είναι σηµαντικά µικρότεροι σε σχέση µε τις συµβατικές. Στη συνέχεια, ακολουθεί η λειτουργία παρακολούθησης, όπου η θέση των ανιχνευτών πρέπει να παραµένει στο κέντρο του επιθυµητού καναλιού, κατά τη διάρκεια εγγραφής/ανάγνωσης των δεδοµένων. Η απαίτηση για µεγάλη ακρίβεια στη µετακίνηση πάνω από τη νοητή γραµµή του κέντρου του καναλιού, της µίας ή περισσότερων κεφαλών που χρησιµοποιούνται κατά την εγγραφή/ανάγνωση, είναι σηµαντική για όλους τους τύπους αποθηκευτικών συσκευών. Οι απαιτήσεις για ακρίβεια γίνονται ακόµα πιο µεγάλες και κρίσιµες, στην περίπτωση των υπό µελέτη αποθηκευτικών συσκευών, όπου η ψηφιακή πληροφορία αποθηκεύεται σε µία περιοχή µε µέγεθος µερικών nm. Το σύστηµα ελέγχου, κατά τη λειτουργία αυτή, οφείλει να παρακολουθεί το επιθυµητό σήµα αναφοράς, και ταυτόχρονα να έχει ικανοποιητική απόρριψη των διαταραχών και να επιτυγχάνει την απαιτούµενη ακρίβεια ως προς τον προσδιορισµό της θέσης. Παράλληλα, σηµαντικό παράγοντα βελτιστοποίησης αυτής της λειτουργίας, αποτελεί ο ρυθµός εγγραφής/ανάγνωσης των δεδοµένων. Η πρώτη προσέγγιση για την αρχιτεκτονική ελέγχου, κατά τη λειτουργία αυτή, βασίζεται στην παρεχόµενη από τους θερµικούς αισθητήρες ανίχνευσης, πληροφορία της θέσης του microscanner. Η αρχιτεκτονική βασίζεται στον αλγόριθµο του γραµµικού τετραγωνικού ρυθµιστή (LQG) και η αξιολόγησή της γίνεται µε κριτήρια την ικανότητα παρακολούθησης της εισόδου, την απόρριψη των διαταραχών και την ακρίβεια ως προς τον προσδιορισµό της θέσης. Τα αποτελέσµατα που εξήχθησαν, κατά την υλοποίηση της αρχιτεκτονικής ελέγχου στην πειραµατική διάταξη, αναδεικνύουν ότι η αρχιτεκτονική πληρεί τις απαιτήσεις και η ακρίβεια µερικών nm που επιτυγχάνεται στον προσδιορισµό της θέσης επιτρέπει την αξιόπιστη εγγραφή και κατόπιν ανάγνωση δεδοµένων από την αποθηκευτική συσκευή. Μειονέκτηµα της παραπάνω προσέγγισης αποτελεί ο χαµηλής συχνότητας θόρυβος των θερµικών αισθητήρων, που επηρεάζει τη σωστή λειτουργία του κλειστού συστήµατος σε µεγάλες περιόδους λειτουργίας της συσκευής. Το πρόβληµα αυτό επιλύεται µε µία πρωτότυπη προσέγγιση που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής και βασίζεται στην πληροφορία, την προερχόµενη από τους θερµικούς αισθητήρες ανίχνευσης θέσης, σε συνδυασµό µε το προερχόµενο από το αποθηκευτικό µέσο σήµα σφάλµατος θέσης. Ο σχεδιασµός του συστήµατος ελέγχου, στην περίπτωση αυτή, εκµεταλλεύεται την εκ των προτέρων γνώση των χαρακτηριστικών θορύβου ως προς τη συχνότητα των δύο αισθητήρων ανίχνευσης θέσης, έτσι ώστε το σύστηµα ελέγχου που προκύπτει να χρησιµοποιεί την πιο αξιόπιστη µέτρηση σε κάθε περιοχή συχνοτήτων. Το πλαίσιο του σθεναρού ελέγχου, H∞, χρησιµοποιείται κατά το σχεδιασµό αυτής της αρχιτεκτονικής ελέγχου, µε διαχωρισµό ως προς τη συχνότητα. Με χρήση αυτής της µεθόδου, το σύστηµα ελέγχου δεν επηρεάζεται από τον χαµηλής συχνότητας θόρυβο των θερµικών αισθητήρων. Τα αποτελέσµατα που εξήχθησαν κατά την υλοποίηση της αρχιτεκτονικής ελέγχου στην πειραµατική διάταξη επιβεβαιώνουν τα παραπάνω. Η µέθοδος αυτή είναι πιο γενική και µπορεί να εφαρµοστεί σε κάθε πρόβληµα ελέγχου, που έχει δύο ή και περισσότερους αισθητήρες µε διαφορετικά χαρακτηριστικά απόδοσης σε διαφορετικές περιοχές συχνοτήτων. / Micro-electro-mechanical-system (MEMS)-based scanning-probe storage devices are emerging as potential ultra-high-density, low-access-time, and low-power alternatives to conventional data storage. One implementation of probe-based storage uses thermomechanical means to store and retrieve information in thin polymer films. Digital information is stored by making indentations on the thin polymer film with the tips of atomic force microscope (AFM) cantilevers, which are a few nanometers in diameter. To increase the data rate, an array of probes is used, in which each probe performs read/write/erase operations over an individual storage field. One of the primary challenges in building such devices is the extreme accuracy and the short latency required in the navigation of the probes over the polymer medium. This dissertation describes the design of novel control architectures and the characterization of their performance. The associated modelling effort, theoretical analysis, simulation work and experimental results are presented. Displacement of the storage medium relative to the array of cantilevers is achieved by using silicon-based micro-scanners with x/y-displacement capabilities. The x/y positional information can be provided by thermal position sensors that are fabricated on the cantilever-array chip and positioned directly above the scan table. A thorough understanding of the dynamics of these parts of the device is essential for effective design and analysis of the control architectures. In this dissertation a complete model of the micro-scanner and the thermal position sensors was developed. Comparison of the model response with the experimental data have shown that the model approximates the system response with an excellent accuracy. In general, the servo system in such a storage device has two functions. First, it locates the target track to which information is to be written or read back from, starting from an arbitrary initial position of the scan table carrying the storage medium. This is achieved by the so-called seek-and-settle procedure. The data access time depends on the duration of this operation, and therefore the minimization of its duration constitutes an important optimization factor. The speed of data access is a significant bottleneck in today’s computing systems. With the advantage of the lighter moving stage MEMS-based storage devices are widely touted to improve access times. In this dissertation these perspectives are examined in detail. Initially the time-optimal control theory has been studied for different system models and their performance has been examined regarding the optimal access time. The results of this study have provided the theoretically optimal access time for each model and its dependence on the system parameters. The control architecture for the seek operation has been designed. The simulation and experimental results show that the possible access times that can be achieved are significantly smaller than the conventional storage devices. The second function of the control system is to maintain the position of the read/write probes on the centre of the target track as they are being scanned along the length of this track during the normal read/write operation. This is achieved by the so-called track-follow procedure. Precise positioning and navigation of the read/write head(s) on the track centerlines is of paramount importance in all types of storage devices. The requirements become more crucial in the devices under study, where in order to achieve reliable storage and retrieval of data, accuracy in the order of a few nanometers in the scanner motion is needed. Therefore, the tracking of the reference signal, the disturbance rejection capabilities and the positioning resolution are considered as performance measures for the control system in this operation. Similarly, the read/write data rate constitutes an important optimization factor for this operation. The first approach of the control architecture for the track-follow procedure uses the position information from the thermal sensors. The control of the position in the x/y directions is realized using two independent feedback loops and each controller is based on the linear quadratic Gaussian regulator (LQG). For the evaluation of the proposed control architecture a detailed analysis has been performed in terms of the tracking performance, the disturbance rejection and the positioning resolution. The proposed architecture has been implemented in the experimental set-up and the analytical results are in agreement with those obtained experimentally. The experimental results show that the accuracy in the motion of the micro-scanner obtained with the proposed control architecture allows reliable storage and retrieval of data in the storage device. The disadvantage of the above control scheme originates from the low frequency noise of the thermal sensors that affects the closed loop performance for long term operation of the device. A novel control architecture was developed that addresses this problem by using medium-derived position information along with the thermal positioning sensor. The objective of this method is, using the a priori knowledge of the noise characteristics of the two sensors, to create a control structure that utilizes the best measurement in different frequency regions. The framework of the H∞ robust control was used for the design of this new frequency separated control architecture. Using this method the control system is not affected from the low frequency noise of the thermal sensors. The experimental results validate the performance of the proposed method. The developed methodology is more general and can be applied to any control problem that has two or more sensors with different performance characteristics in different frequency regions.

Ultraprecision single point diamond turning is required to produce parts with sub-nanometer surface roughness and sub-micrometer surface profiles tolerances. These parts have applications in the optics industry, where tight form accuracy is required while achieving high surface finish quality. Generally, parts can be polished to achieve the desired finish, but then the form accuracy can easily be lost in the process rendering the part unusable. Currently, most mid to low spatial frequency surface finish errors are inspected offline. This is done by physically removing the workpiece from the machining fixture and mounting the part in a laser interferometer. This action introduces errors in itself through minute differences in the support conditions of the over constrained part on a machine as compared to the mounting conditions used for part measurement. Once removed, the fixture induced stresses and the part’s internal residual stresses relax and change the shape of the generally thin parts machined in these applications. Thereby, the offline inspection provides an erroneous description of the performance of the machine. This research explores the use of a single, high resolution, capacitance sensor to quickly and qualitatively measure the low to mid spatial frequencies on the workpiece surface, while it is mounted in a fixture on a standard ultraprecision single point diamond turning machine after a standard facing operation. Following initial testing, a strong qualitative correlation exists between the surface profiling on a standard offline system and this online measuring system. Despite environmental effects and the effects of the machine on the measurement system, the capacitive system with some modifications and awareness of its measurement method is a viable option for measuring mid to low spatial frequencies on a workpiece surface mounted on an ultraprecision machine with a resolution of 1nm with an error band of ±5nm with a 20kHz bandwidth. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)