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【芯明天納米級微運動】之【壓電納米定位臺】

更新時間： 2022-11-03

壓電納米定位臺的命名由它的驅(qū)動源及其功能相結(jié)合而來的。“壓電"指的是它的驅(qū)動源，即利用PZT壓電陶瓷來作為驅(qū)動源產(chǎn)生運動；而“納米定位"則是它的功能，它的移動端面可以產(chǎn)生納米級精度的步進(jìn)運動；“臺"則是它的外形形態(tài)，類似一個平臺。

壓電納米定位臺是將PZT壓電陶瓷與柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)、金屬殼體結(jié)構(gòu)相結(jié)合，并配備有機(jī)械固定安裝接口與負(fù)載安裝接口。

壓電納米定位臺可直接帶動負(fù)載進(jìn)行微位移調(diào)節(jié)，其運動面有螺紋孔用于安裝固定負(fù)載。此外，壓電納米定位臺可集成于各類高精密裝備，為其提供納米級運動控制、光路控制等。

壓電納米定位臺外觀及運動效果

中空與非中空型壓電納米定位臺

根據(jù)壓電納米定位臺是否帶有中心通孔，可分為中空式壓電納米定位臺與非中空式壓電納米定位臺。

中空式壓電納米定位臺在其臺面的中心區(qū)域具有通孔，這種通孔設(shè)計非常適用于透射光應(yīng)用或特殊結(jié)構(gòu)要求的應(yīng)用。芯明天中空式壓電納米定位臺的通孔尺寸由φ10mm至φ310mm不等，形狀為圓形、方形等。既可適用于小型設(shè)備（如紅外熱成像）的小通孔應(yīng)用，又可用于大型設(shè)備（如大口徑干涉儀）要求的大通孔應(yīng)用。

標(biāo)準(zhǔn)型與低溫真空無磁型

根據(jù)壓電納米定位臺的應(yīng)用環(huán)境，它又分為標(biāo)準(zhǔn)版、低溫真空、無磁版本。標(biāo)準(zhǔn)版壓電納米定位臺是為正常室溫下使用而設(shè)計；而低溫、真空、無磁版本是專為特殊環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計，它采用低溫壓電陶瓷驅(qū)動器以及輕型耐低溫、無磁結(jié)構(gòu)材料，內(nèi)部各部件都是環(huán)境兼容型。

低溫真空無磁型壓電納米定位臺非常適用于半導(dǎo)體加工、檢測等應(yīng)用。

標(biāo)準(zhǔn)版與真空無磁版本

參數(shù)舉例

型號	P13A.XYZ80K
工作溫度	常溫	4K
中空尺寸	5mm×5mm	5mm×5mm
位移	80μm	25μm
運動軸	X Y Z	X Y Z
分辨率	1nm	0.3nm

直驅(qū)機(jī)構(gòu)與放大機(jī)構(gòu)

壓電納米定位臺是通過PZT壓電陶瓷驅(qū)動，但內(nèi)部的驅(qū)動結(jié)構(gòu)會分為兩種，分別為直驅(qū)式機(jī)構(gòu)與放大式機(jī)構(gòu)。

直驅(qū)機(jī)構(gòu)與放大機(jī)構(gòu)區(qū)別
類型	直驅(qū)機(jī)構(gòu)	放大機(jī)構(gòu)
位移	1：1輸出	1：n輸出，位移更大
出力	1：1輸出	出力有一定的減少
負(fù)載能力	更強(qiáng)	強(qiáng)
響應(yīng)時間	更快	快
分辨率	更高	高
定位精度	高	高

直驅(qū)與放大機(jī)構(gòu)的區(qū)別是在其他條件一致情況下的對比。放大機(jī)構(gòu)式壓電平臺的位移更大，在同等驅(qū)動電壓下，放大機(jī)構(gòu)式平臺的位移是直驅(qū)機(jī)構(gòu)式平臺位移的幾倍至幾十倍。而直驅(qū)機(jī)構(gòu)式壓電平臺響應(yīng)速度更快，定位時間更短。兩種驅(qū)動方式閉環(huán)精度都很高。

開環(huán)與閉環(huán)版本

壓電納米定位臺的內(nèi)部可選擇配置傳感器，從而形成閉環(huán)控制。根據(jù)是否配有傳感器，壓電納米定位臺又分為開環(huán)與閉環(huán)版本。閉環(huán)壓電納米定位臺配有傳感器，且具有多種傳感器類型可選，如電容式、電感式、應(yīng)變式閉環(huán)，此外，也可采用外部傳感器與芯明天壓電控制器間形成閉環(huán)控制。閉環(huán)傳感器的類型影響著壓電納米定位臺的控制精度、外形尺寸、工作頻率及成本等因素。

開環(huán)壓電納米定位臺的分辨率是無限高的，只受控制設(shè)備的噪聲的限制，但是由于壓電陶瓷的遲滯和蠕變特性，使其重復(fù)性和穩(wěn)定性較低。閉環(huán)版本可消除遲滯和蠕變，具有更高的定位精度，可實現(xiàn)定位位置的實時反饋。此外，閉環(huán)版本下，驅(qū)動控制電壓與壓電納米定位臺產(chǎn)生的位移成線性關(guān)系，非常適合納米級精確定位應(yīng)用。而開環(huán)壓電納米定位臺可適合于動態(tài)掃描應(yīng)用。

面向多樣化應(yīng)用

根據(jù)壓電納米定位臺的應(yīng)用環(huán)境分類，它又可分為通用型納米定位臺、壓電式移相器、壓電掃描臺、壓電顯微成像臺等等。

通用型壓電納米定位臺可適用于各類應(yīng)用，根據(jù)應(yīng)用中位移、承載能力、工作頻率、外形結(jié)構(gòu)選擇即可。

壓電式移相器是專為光學(xué)移相應(yīng)用而設(shè)計，步進(jìn)分辨率可達(dá)0.5nm以下，可正向、倒置、側(cè)臥式使用，承載能力強(qiáng)，且預(yù)留有各種尺寸的中心通孔，以便于光的通過，是激光干涉儀測量中的移相組件。

壓電顯微成像臺是為顯微成像應(yīng)用而設(shè)計，它通常具有大型的中孔設(shè)計，安裝孔位會與顯微成像儀器的樣品臺相匹配?？蛇x擇定制壓電顯微成像臺上的樣品臺結(jié)構(gòu)。

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參數(shù)舉例

	P17.XY200	P77.106K	P79.Z100
類型	通用型	移相器	顯微成像臺
中空尺寸	60mm×60mm	Φ106mm	83mm×65mm
位移	187.5μm	17.5μm	100μm
運動軸	X Y	Z或X	Z
分辨率	1.5nm	0.2nm	1nm
承載能力	1kg	15kg	2kg

壓電納米定位臺應(yīng)用

芯明天壓電納米定位臺因其納米級超高精度、多樣性定制化、可靠的性能，廣泛應(yīng)用于各類應(yīng)用，如掃描顯微、光路調(diào)整、納米操控技術(shù)、生物科技、激光干涉、光通信、CCD圖像處理、顯微成像/操作、納米壓印/光刻、納米定位/測量、共焦顯微、AFM等。

1)壓電納米定位臺應(yīng)用于力的閉環(huán)控制

壓電納米定位臺可進(jìn)行納米量級的步進(jìn)，在電壓信號的控制下，可產(chǎn)生與電壓信號成基本線性關(guān)系的位移。此外，壓電納米定位臺也可產(chǎn)生出力，且出力也與電壓信號成線性關(guān)系。

下圖中，是通過芯明天P83系列宏微復(fù)合平臺及XP-63X系列壓電納米定位臺配合探針系統(tǒng)、力傳感器等搭建的一套力閉環(huán)系統(tǒng)，從而可進(jìn)行特殊材料的高精度表面微加工。

2）壓電納米定位臺應(yīng)用于3D微納打印

微納3D打印就像蓋房子一樣，磚塊是一層一層的，累積起來后，就成一個立體的房子。

芯明天P11.XYZ三維壓電納米定位臺應(yīng)用于3D微納打印中，它不僅可精確調(diào)整光學(xué)元件的位置，為光路徑的傳輸及聚焦焦點提供快速、精準(zhǔn)的定位，還可用于調(diào)整待加工材料的位置，保證微納加工的高精度及準(zhǔn)確性。

3）壓電納米定位臺應(yīng)用于熒光顯微鏡、三維顯微成像

熒光顯微鏡是一種利用觀察物體的熒光來進(jìn)行產(chǎn)品研究的顯微鏡設(shè)備。它被使用在了許多不同的領(lǐng)域，如生物科學(xué)、航天科技、教育機(jī)構(gòu)等。

芯明天P12.XYZ系列中空式壓電納米定位臺為樣品（或物鏡）的Z向升降聚焦及樣品XY向的范圍調(diào)節(jié)提供納米級精度的定位。

4）壓電納米定位臺應(yīng)用于光刻

納米光刻是一種全新的納米圖形復(fù)制方法，實質(zhì)是將傳統(tǒng)的模具復(fù)型原理應(yīng)用到微觀制造領(lǐng)域。首先計算機(jī)將BMP圖轉(zhuǎn)化成灰度圖，然后再通過二維掃描臺，帶動鍍膜鏡片對讀取的圖像信息進(jìn)行優(yōu)化。同時控制激光器及掃描臺，完成圖像的納米定位加工。納米光刻技術(shù)是制作納米結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，具有廣闊的應(yīng)用前景。

利用芯明天P12系列XY二維掃描臺，可帶動鍍膜鏡片對讀取的圖像信息進(jìn)行優(yōu)化，同時控制激光器及掃描臺，兩者配合完成圖像的納米級精度加工。