一、壓電納米定位臺簡介

　　我們以芯明天P60系列壓電納米定位臺為例進(jìn)行介紹，P60系列具有多個型號版本，外觀如下圖所示。

　　采用高性能壓電驅(qū)動器

　　芯明天P60系列壓電納米定位臺采用高可靠性陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動，驅(qū)動器采用全絕緣結(jié)構(gòu)，因此其性能和使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)驅(qū)動器，絕緣層可以有效防止壓電陶瓷潮濕而失效。因此也能保證壓電陶瓷的穩(wěn)定性。

　　采用無摩擦柔性機(jī)構(gòu)

　　P60系列壓電納米定位臺，采用柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，具有無摩擦、定位精度高等優(yōu)點，柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)是一種不受靜態(tài)和動態(tài)摩擦影響的元件，基于固體（例如鋼）的彈性變形并且沒有滾動和滑動部分，柔性單元具有很高的剛度和承載能力。與傳統(tǒng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)相比，沒有轉(zhuǎn)動部件和摩擦，無需維護(hù)并且無磨損。

　　壓電納米定位臺可應(yīng)用于顯微成像、光學(xué)檢測、納米定位、納米操作等領(lǐng)域，具有非常良好的發(fā)展前景。

　　二、真空無磁及其應(yīng)用場景

　　隨著真空技術(shù)的發(fā)展，真空應(yīng)用日漸擴(kuò)大到工業(yè)和科學(xué)研究的各個方面。

　　真空應(yīng)用是指利用稀薄氣體的物理環(huán)境完成某些特定任務(wù)。有些是利用這種環(huán)境制造產(chǎn)品或設(shè)備，如燈泡、電子管和加速器等。這些產(chǎn)品在使用期間始終保持真空；而另一些則僅把真空當(dāng)作生產(chǎn)中的一個步驟，最后產(chǎn)品在大氣環(huán)境下使用，如真空鍍膜、真空干燥和真空浸漬等。

　　真空無磁環(huán)境的應(yīng)用要求使得壓電運(yùn)動技術(shù)對壓電平臺材料與工藝有了新的技術(shù)要求與高度，既要滿足真空兼容，并且需要采用無磁工藝。針對這一環(huán)境的應(yīng)用需求，芯明天公司組織技術(shù)團(tuán)隊攻堅克難，進(jìn)行大量時間和人員的投入，實現(xiàn)了技術(shù)上的突破與工藝上的進(jìn)步，研發(fā)生產(chǎn)出了真空無磁版壓電納米定位臺。

 　　真空無磁版壓電納米定位臺采用了全新的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與材料，可以滿足1×10^(-5)mbar的真空度以及無磁要求。

　　三、真空版壓電納米定位臺的設(shè)計

　　真空版壓電納米定位臺的殼體結(jié)構(gòu)通常采用鋁、鈦等金屬材料，它的總成本比普通的非真空兼容版的壓電平臺高得多，即使采用非真空版本同樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計，造價也要大幅上升。

　　整個真空版壓電平臺的設(shè)計過程大致分為如下四個方面。

　　1）在真空、無磁產(chǎn)品材料選擇過程中，嚴(yán)格要求采用適合真空、無磁環(huán)境的材料替代標(biāo)準(zhǔn)材料。真空中應(yīng)采用專用真空潤滑油和真空電纜等耗材。

　　2）在真空、無磁產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中，根據(jù)產(chǎn)品外形尺寸、產(chǎn)品負(fù)載、產(chǎn)品位移和性能參數(shù)等，選擇能滿足要求的結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化、分析、優(yōu)化，最后確定合理的結(jié)構(gòu)來達(dá)到客戶要求。并應(yīng)優(yōu)化產(chǎn)品外形，滿足功能的同時使產(chǎn)品體積盡可能的小巧。

　　3）在真空、無磁產(chǎn)品零件加工制造工藝中，控制零件加工工藝過程，嚴(yán)格執(zhí)行去除零件外雜質(zhì)和油質(zhì)等污染物，表面處理應(yīng)適合于真空等級。以此來滿足產(chǎn)品整體參數(shù)的要求。

　　4）在真空、無磁產(chǎn)品裝配工藝的質(zhì)量控制過程中，真空平臺應(yīng)在無塵室內(nèi)安裝。所有零件均需要在超聲波清洗器中清洗，去除零件外的污染物。在裝配過程中盡可能減少使用粘合劑。在裝配后，以真空密封袋進(jìn)行包裝，以防止灰塵、空氣和濕氣進(jìn)入。

　　四、真空版壓電納米定位臺實測特性

　　芯明天真空版壓電納米定位臺的實際測試舉例參數(shù)及曲線如下。

　　1）電壓vs位移曲線

　　以P60.X250壓電納米定位臺為例，它在正常0~150V的驅(qū)動電壓下，可實現(xiàn)0~250μm的位移。

　　2）階躍響應(yīng)時間

　　以P60.Z500壓電納米定位臺為例，在帶載1.5kg負(fù)載下，進(jìn)行30μm行程步進(jìn)時所需的階躍時間約為300ms。

　　小步進(jìn)300ms（30μm，1.5kg負(fù)載）

　　3）真空版實測技術(shù)參數(shù)

　　P60.X250壓電納米定位臺是一款X向運(yùn)動、行程達(dá)250μm的壓電納米定位臺。對應(yīng)的真空版實物圖及技術(shù)參數(shù)如下圖所示。

　　型號：P60.X250S

　　運(yùn)動自由度：X

　　標(biāo)稱行程范圍（0~120V）：200μm

　　行程范圍（0~150V）：250μm

　　傳感器：SGS

　　閉/開環(huán)分辨率：7nm

　　空載諧振頻率：260 Hz

　　承載能力：1kg

　　靜電容量：21.6μF

　　材質(zhì)：鋁、鈦

　　重量（不含線）：0.4kg

　　真空度：1×10^(-5)mbar（或定制其他參數(shù)值）

　　五、真空版P60壓電平臺配套壓電控制器

　　高性能的壓電納米定位臺需要配備高性能的壓電驅(qū)動控制器使用。通常情況下，由于體積限制，也為了不對真空腔產(chǎn)生額外的電磁影響，壓電控制器被放置于真空腔的外部。因此，壓電控制器的選擇是更加寬泛的，對于空間不受限制的應(yīng)用環(huán)境，可采用芯明天多功能E00/E01系列壓電控制器，而對空間受限的應(yīng)用，可選配E53系列壓電控制器。

　　E53系列壓電控制器是芯明天公司針對小體積應(yīng)用要求而研發(fā)設(shè)計的一款單通道、兼容模擬與數(shù)字控制方式的壓電驅(qū)動控制器，其采用24VDC供電，可開/閉環(huán)切換控制，且體積小巧。

　　1）E53壓電控制器頻率vs負(fù)載曲線

　　2）E53壓電控制器技術(shù)參數(shù)

　　型號：E53

　　通道數(shù)：1通道

　　標(biāo)稱模擬輸入范圍：0~10V

　　標(biāo)稱輸出電壓范圍：0~120V（可選0~150V）

　　峰值電流：1A

　　平均電流：60mA

　　放大器帶寬：10kHz

　　伺服特性：模擬P-I+帶阻+低通

　　通信接口：USB、RS-422、RS-232

　　處理器：32Bit 168MHz

　　供電電壓：24V(20~30V)DC1.5A(36W)

　　六、真空版壓電納米定位臺與壓電控制器間的連接

　　真空無磁應(yīng)用中壓電納米定位臺將放置于真空腔體內(nèi)部，而壓電控制器是放置于真空腔的外部的，要保證真空腔的真空環(huán)境，又保證不產(chǎn)生額外電磁干擾，壓電納米定位臺與壓電控制器間的連接就成了關(guān)鍵因素之一。為解決真空腔內(nèi)與真空腔外的電連接，通常采用真空法蘭或真空電極連接器。

 　真空法蘭及連接器

　　真空法蘭是真空系統(tǒng)中使用的一種小裝置，大部分看起來像一個圓盤，也有方形等其他形狀，其周長比實際連接的管道大，法蘭邊緣有小孔，用螺絲擰緊的螺栓填充孔，將法蘭和管道連接起來。

　　真空電極連接器是一種可以穿過真空腔壁，將大氣端的各種電信號傳輸?shù)秸婵帐覂?nèi)部的密封裝置。用戶可以根據(jù)具體實驗需求采購對應(yīng)型號產(chǎn)品，并連接于芯明天公司產(chǎn)品匹配的連接器。下圖為芯明天壓電產(chǎn)品中常見的連接器。

　　七、真空版壓電納米定位臺的應(yīng)用前景

　　真空版壓電納米定位臺的應(yīng)用是非常廣泛的，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于真空環(huán)境中的生物科技、材料、檢測、半導(dǎo)體、顯微與成像等領(lǐng)域，并且達(dá)到了非常良好的定位和掃描效果。例如，在顯微成像、電子掃描顯微鏡、晶體研究等領(lǐng)域，隨著分辨率要求的不斷提高，對于樣品定位的精確度也越來越高。而微米級行程的壓電納米定位臺及毫米級行程的壓電馬達(dá)都具備真空兼容特性，可將其納米級高精度集成到顯微應(yīng)用，為顯微系統(tǒng)提供高精度的樣品定位與掃描。