【科研應(yīng)用】真空無(wú)磁環(huán)境下基于壓電的納米運(yùn)動(dòng)控制！
我們以芯明天P60系列壓電納米定位臺(tái)為例進(jìn)行介紹，P60系列具有多個(gè)型號(hào)版本，外觀(guān)如下圖所示。
采用高性能壓電驅(qū)動(dòng)器
芯明天P60系列壓電納米定位臺(tái)采用高可靠性陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(wú)摩擦柔性機(jī)構(gòu)
P60系列壓電納米定位臺(tái)，采用柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，具有無(wú)摩擦、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)是一種不受靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦影響的元件，基于固體（例如鋼）的彈性變形并且沒(méi)有滾動(dòng)和滑動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)相比，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件和摩擦，無(wú)需維護(hù)并且無(wú)磨損。
壓電納米定位臺(tái)可應(yīng)用于顯微成像、光學(xué)檢測(cè)、納米定位、納米操作等領(lǐng)域，具有非常良好的發(fā)展前景。
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(gè)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(gè)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(wú)磁環(huán)境的應(yīng)用要求使得壓電運(yùn)動(dòng)技術(shù)對(duì)壓電平臺(tái)材料與工藝有了新的技術(shù)要求與高度，既要滿(mǎn)足真空兼容，并且需要采用無(wú)磁工藝。針對(duì)這一環(huán)境的應(yīng)用需求，芯明天公司組織技術(shù)團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，進(jìn)行大量時(shí)間和人員的投入，實(shí)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(wú)磁版壓電納米定位臺(tái)。
真空無(wú)磁版壓電納米定位臺(tái)采用了全新的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與材料，可以滿(mǎn)足1×10^(-5)mbar的真空度以及無(wú)磁要求。
真空版壓電納米定位臺(tái)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(tái)高得多，即使采用非真空版本同樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，造價(jià)也要大幅上升。
整個(gè)真空版壓電平臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程大致分為如下四個(gè)方面。
1）在真空、無(wú)磁產(chǎn)品材料選擇過(guò)程中，嚴(yán)格要求采用適合真空、無(wú)磁環(huán)境的材料替代標(biāo)準(zhǔn)材料。真空中應(yīng)采用專(zhuān)用真空潤(rùn)滑油和真空電纜等耗材。
2）在真空、無(wú)磁產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(mǎn)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(lái)達(dá)到客戶(hù)要求。并應(yīng)優(yōu)化產(chǎn)品外形，滿(mǎn)足功能的同時(shí)使產(chǎn)品體積盡可能的小巧。
3）在真空、無(wú)磁產(chǎn)品零件加工制造工藝中，控制零件加工工藝過(guò)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(jí)。以此來(lái)滿(mǎn)足產(chǎn)品整體參數(shù)的要求。
4）在真空、無(wú)磁產(chǎn)品裝配工藝的質(zhì)量控制過(guò)程中，真空平臺(tái)應(yīng)在無(wú)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(guò)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。
芯明天真空版壓電納米定位臺(tái)的實(shí)際測(cè)試舉例參數(shù)及曲線(xiàn)如下。
1）電壓vs位移曲線(xiàn)
以P60.X250壓電納米定位臺(tái)為例，它在正常0~150V的驅(qū)動(dòng)電壓下，可實(shí)現(xiàn)0~250μm的位移。
2）階躍響應(yīng)時(shí)間
以P60.Z500壓電納米定位臺(tái)為例，在帶載1.5kg負(fù)載下，進(jìn)行30μm行程步進(jìn)時(shí)所需的階躍時(shí)間約為300ms。
小步進(jìn)300ms（30μm，1.5kg負(fù)載）
3）真空版實(shí)測(cè)技術(shù)參數(shù)
P60.X250壓電納米定位臺(tái)是一款X向運(yùn)動(dòng)、行程達(dá)250μm的壓電納米定位臺(tái)。對(duì)應(yīng)的真空版實(shí)物圖及技術(shù)參數(shù)如下圖所示。
型號(hào)：P60.X250S
運(yùn)動(dòng)自由度：X
標(biāo)稱(chēng)行程范圍（0~120V）：200μm
行程范圍（0~150V）：250μm
傳感器：SGS
閉/開(kāi)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(xiàn)）：0.4kg
真空度：1×10^(-5)mbar（或定制其他參數(shù)值）
高性能的壓電納米定位臺(tái)需要配備高性能的壓電驅(qū)動(dòng)控制器使用。通常情況下，由于體積限制，也為了不對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)小體積應(yīng)用要求而研發(fā)設(shè)計(jì)的一款單通道、兼容模擬與數(shù)字控制方式的壓電驅(qū)動(dòng)控制器，其采用24VDC供電，可開(kāi)/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(xiàn)
2）E53壓電控制器技術(shù)參數(shù)
型號(hào)：E53
通道數(shù)：1通道
標(biāo)稱(chēng)模擬輸入范圍：0~10V
標(biāo)稱(chēng)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)
真空無(wú)磁應(yīng)用中壓電納米定位臺(tái)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(tái)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(lái)像一個(gè)圓盤(pán)，也有方形等其他形狀，其周長(zhǎng)比實(shí)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(lái)。
真空電極連接器是一種可以穿過(guò)真空腔壁，將大氣端的各種電信號(hào)傳輸?shù)秸婵帐覂?nèi)部的密封裝置。用戶(hù)可以根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)需求采購(gòu)對(duì)應(yīng)型號(hào)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(jiàn)的連接器。
真空版壓電納米定位臺(tái)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(cè)、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(duì)于樣品定位的精確度也越來(lái)越高。而微米級(jí)行程的壓電納米定位臺(tái)及毫米級(jí)行程的壓電馬達(dá)都具備真空兼容特性，可將其納米級(jí)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。
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