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【科研应用】真空无磁环境下基于压电的纳米运动控制!

  一、压电纳米定位台简介

  我们以芯明天P60系列压电纳米定位台为例进行介绍,P60系列具有多个型号版本,外观如下图所示。

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  采用高性能压电驱动器

  芯明天P60系列压电纳米定位台采用高可靠性陶瓷驱动器驱动,驱动器采用全绝缘结构,因此其性能和使用寿命远远优于传统驱动器,绝缘层可以有效防止压电陶瓷潮湿而失效。因此也能保证压电陶瓷的稳定性。

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  采用无摩擦柔性机构

  P60系列压电纳米定位台,采用柔性铰链机构,具有无摩擦、定位精度高等优点,柔性铰链结构是一种不受静态和动态摩擦影响的元件,基于固体(例如钢)的弹性变形并且没有滚动和滑动部分,柔性单元具有很高的刚度和承载能力。与传统驱动机构相比,没有转动部件和摩擦,无需维护并且无磨损。

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  压电纳米定位台可应用于显微成像、光学检测、纳米定位、纳米操作等领域,具有非常良好的发展前景。

  二、真空无磁及其应用场景

  随着真空技术的发展,真空应用日渐扩大到工业和科学研究的各个方面。

  真空应用是指利用稀薄气体的物理环境完成某些特定任务。有些是利用这种环境制造产品或设备,如灯泡、电子管和加速器等。这些产品在使用期间始终保持真空;而另一些则仅把真空当作生产中的一个步骤,最后产品在大气环境下使用,如真空镀膜、真空干燥和真空浸渍等。

  真空无磁环境的应用要求使得压电运动技术对压电平台材料与工艺有了新的技术要求与高度,既要满足真空兼容,并且需要采用无磁工艺。针对这一环境的应用需求,芯明天公司组织技术团队攻坚克难,进行大量时间和人员的投入,实现了技术上的突破与工艺上的进步,研发生产出了真空无磁版压电纳米定位台。

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   真空无磁版压电纳米定位台采用了全新的内部结构与材料,可以满足1×10^(-5)mbar的真空度以及无磁要求。

 

  三、真空版压电纳米定位台的设计

  真空版压电纳米定位台的壳体结构通常采用铝、钛等金属材料,它的总成本比普通的非真空兼容版的压电平台高得多,即使采用非真空版本同样的结构设计,造价也要大幅上升。

  整个真空版压电平台的设计过程大致分为如下四个方面。

  1)在真空、无磁产品材料选择过程中,严格要求采用适合真空、无磁环境的材料替代标准材料。真空中应采用专用真空润滑油和真空电缆等耗材。

  2)在真空、无磁产品结构设计中,根据产品外形尺寸、产品负载、产品位移和性能参数等,选择能满足要求的结构进行细化、分析、优化,最后确定合理的结构来达到客户要求。并应优化产品外形,满足功能的同时使产品体积尽可能的小巧

  3)在真空、无磁产品零件加工制造工艺中,控制零件加工工艺过程,严格执行去除零件外杂质和油质等污染物,表面处理应适合于真空等级。以此来满足产品整体参数的要求。

  4)在真空、无磁产品装配工艺的质量控制过程中,真空平台应在无尘室内安装。所有零件均需要在超声波清洗器中清洗,去除零件外的污染物。在装配过程中尽可能减少使用粘合剂。在装配后,以真空密封袋进行包装,以防止灰尘、空气和湿气进入。

 

  四、真空版压电纳米定位台实测特性

  芯明天真空版压电纳米定位台的实际测试举例参数及曲线如下。

  1)电压vs位移曲线

  以P60.X250压电纳米定位台为例,它在正常0~150V的驱动电压下,可实现0~250μm的位移。

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  2)阶跃响应时间

  以P60.Z500压电纳米定位台为例,在带载1.5kg负载下,进行30μm行程步进时所需的阶跃时间约为300ms

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  小步进300ms30μm1.5kg负载)

 

  3)真空版实测技术参数

  P60.X250压电纳米定位台是一款X向运动、行程达250μm的压电纳米定位台。对应的真空版实物图及技术参数如下图所示。

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  型号:P60.X250S

  运动自由度:X

  标称行程范围(0~120V):200μm

  行程范围(0~150V):250μm

  传感器:SGS

  闭/开环分辨率:7nm

  空载谐振频率:260 Hz

  承载能力:1kg

  静电容量:21.6μF

  材质:铝、钛

  重量(不含线):0.4kg

  真空度:1×10^(-5)mbar(或定制其他参数值)

 

  五、真空版P60压电平台配套压电控制器

  高性能的压电纳米定位台需要配备高性能的压电驱动控制器使用。通常情况下,由于体积限制,也为了不对真空腔产生额外的电磁影响,压电控制器被放置于真空腔的外部。因此,压电控制器的选择是更加宽泛的,对于空间不受限制的应用环境,可采用芯明天多功能E00/E01系列压电控制器,而对空间受限的应用,可选配E53系列压电控制器。

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  E53系列压电控制器是芯明天公司针对小体积应用要求而研发设计的一款单通道、兼容模拟与数字控制方式的压电驱动控制器,其采用24VDC供电,可开/闭环切换控制,且体积小巧。

  1E53压电控制器频率vs负载曲线

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  2E53压电控制器技术参数

  型号:E53

  通道数:1通道

  标称模拟输入范围:0~10V

  标称输出电压范围:0~120V(可选0~150V

  峰值电流:1A

  平均电流:60mA

  放大器带宽:10kHz

  伺服特性:模拟P-I+带阻+低通

  通信接口:USBRS-422RS-232

  处理器:32Bit 168MHz

  供电电压:24V(20~30V)DC1.5A(36W)

  六、真空版压电纳米定位台与压电控制器间的连接

  真空无磁应用中压电纳米定位台将放置于真空腔体内部,而压电控制器是放置于真空腔的外部的,要保证真空腔的真空环境,又保证不产生额外电磁干扰,压电纳米定位台与压电控制器间的连接就成了关键因素之一。为解决真空腔内与真空腔外的电连接,通常采用真空法兰或真空电极连接器。

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  真空法兰及连接器

 

  真空法兰是真空系统中使用的一种小装置,大部分看起来像一个圆盘,也有方形等其他形状,其周长比实际连接的管道大,法兰边缘有小孔,用螺丝拧紧的螺栓填充孔,将法兰和管道连接起来。

  真空电极连接器是一种可以穿过真空腔壁,将大气端的各种电信号传输到真空室内部的密封装置。用户可以根据具体实验需求采购对应型号产品,并连接于芯明天公司产品匹配的连接器。下图为芯明天压电产品中常见的连接器。

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  七、真空版压电纳米定位台的应用前景

  真空版压电纳米定位台的应用是非常广泛的,已经广泛应用于真空环境中的生物科技、材料、检测、半导体、显微与成像等领域,并且达到了非常良好的定位和扫描效果。例如,在显微成像、电子扫描显微镜、晶体研究等领域,随着分辨率要求的不断提高,对于样品定位的精确度也越来越高。而微米级行程的压电纳米定位台及毫米级行程的压电马达都具备真空兼容特性,可将其纳米级高精度集成到显微应用,为显微系统提供高精度的样品定位与扫描。


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