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遠優(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。

　　采用無摩擦柔性機構(gòu)

　　P60系列壓電納米定位臺，采用柔性鉸鏈機構(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)動機構(gòu)相比，沒有轉(zhuǎn)動部件和摩擦，無需維護并且無磨損。

　　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)團隊攻堅克難，進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，嚴格要求采用適合真空、無磁環(huán)境的材料替代標準材料。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)進行細化、分析、優(yōu)化，最后確定合理的結(jié)構(gòu)來達到客戶要求。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，以真空密封袋進行包裝，以防止灰塵、空氣和濕氣進入。

　　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負載下，進行30μm行程步進時所需的階躍時間約為300ms。

　　小步進300ms（30μm，1.5kg負載）

　　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向運動、行程達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

　　運動自由度：X

　　標稱行程范圍（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

　　標稱模擬輸入范圍：0~10V

　　標稱輸出電壓范圍：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。