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      【科研應用】真空無磁環境下基于壓電的納米運動控制!

        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。

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        采用高性能壓電驅動器

        芯明天P60系列壓電納米定位臺采用高可靠性陶瓷驅動器驅動,驅動器采用全絕緣結構,因此其性能和使用壽命遠遠優于傳統驅動器,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定性。

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        采用無摩擦柔性機構

        P60系列壓電納米定位臺,采用柔性鉸鏈機構,具有無摩擦、定位精度高等優點,柔性鉸鏈結構是一種不受靜態和動態摩擦影響的元件,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。與傳統驅動機構相比,沒有轉動部件和摩擦,無需維護并且無磨損。

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        壓電納米定位臺可應用于顯微成像、光學檢測、納米定位、納米操作等領域,具有非常良好的發展前景。

        二、真空無磁及其應用場景

        隨著真空技術的發展,真空應用日漸擴大到工業和科學研究的各個方面。

        真空應用是指利用稀薄氣體的物理環境完成某些特定任務。有些是利用這種環境制造產品或設備,如燈泡、電子管和加速器等。這些產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中的一個步驟,最后產品在大氣環境下使用,如真空鍍膜、真空干燥和真空浸漬等。

        真空無磁環境的應用要求使得壓電運動技術對壓電平臺材料與工藝有了新的技術要求與高度,既要滿足真空兼容,并且需要采用無磁工藝。針對這一環境的應用需求,芯明天公司組織技術團隊攻堅克難,進行大量時間和人員的投入,實現了技術上的突破與工藝上的進步,研發生產出了真空無磁版壓電納米定位臺。

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         真空無磁版壓電納米定位臺采用了全新的內部結構與材料,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計

        真空版壓電納米定位臺的殼體結構通常采用鋁、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構設計,造價也要大幅上升。

        整個真空版壓電平臺的設計過程大致分為如下四個方面。

        1)在真空、無磁產品材料選擇過程中,嚴格要求采用適合真空、無磁環境的材料替代標準材料。真空中應采用專用真空潤滑油和真空電纜等耗材。

        2)在真空、無磁產品結構設計中,根據產品外形尺寸、產品負載、產品位移和性能參數等,選擇能滿足要求的結構進行細化、分析、優化,最后確定合理的結構來達到客戶要求。并應優化產品外形,滿足功能的同時使產品體積盡可能的小巧。

        3)在真空、無磁產品零件加工制造工藝中,控制零件加工工藝過程,嚴格執行去除零件外雜質和油質等污染物,表面處理應適合于真空等級。以此來滿足產品整體參數的要求。

        4)在真空、無磁產品裝配工藝的質量控制過程中,真空平臺應在無塵室內安裝。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的驅動電壓下,可實現0~250μm的位移。

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        2)階躍響應時間

        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。

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        小步進300ms30μm,1.5kg負載)

       

        3)真空版實測技術參數

        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。對應的真空版實物圖及技術參數如下圖所示。

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        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:鋁、鈦

        重量(不含線):0.4kg

        真空度:1×10^(-5)mbar(或定制其他參數值)

       

        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用環境,可采用芯明天多功能E00/E01系列壓電控制器,而對空間受限的應用,可選配E53系列壓電控制器。

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        E53系列壓電控制器是芯明天公司針對小體積應用要求而研發設計的一款單通道、兼容模擬與數字控制方式的壓電驅動控制器,其采用24VDC供電,可開/閉環切換控制,且體積小巧。

        1E53壓電控制器頻率vs負載曲線

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        2E53壓電控制器技術參數

        型號:E53

        通道數: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

        真空無磁應用中壓電納米定位臺將放置于真空腔體內部,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境,又保證不產生額外電磁干擾,壓電納米定位臺與壓電控制器間的連接就成了關鍵因素之一。為解決真空腔內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。

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        真空法蘭及連接器

       

        真空法蘭是真空系統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到真空室內部的密封裝置。用戶可以根據具體實驗需求采購對應型號產品,并連接于芯明天公司產品匹配的連接器。下圖為芯明天壓電產品中常見的連接器。

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        七、真空版壓電納米定位臺的應用前景

        真空版壓電納米定位臺的應用是非常廣泛的,已經廣泛應用于真空環境中的生物科技、材料、檢測、半導體、顯微與成像等領域,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用,為顯微系統提供高精度的樣品定位與掃描。


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