【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)到客戶要求。并應(yīng)優(yōu)化產(chǎn)品外形,滿足功能的同時(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)及曲線如下。
1)電壓vs位移曲線
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):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
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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