壓電致動(dòng)器適用于基于原子力顯微鏡AFM的納米切割

依賴于使用原子力顯微鏡(AFM)進(jìn)行納米切割技術(shù)的控制原理，可用于制造具有幾微米數(shù)量級的恒定切割深度的凹槽。線性位移傳感器、反饋控制系統(tǒng)和壓電致動(dòng)器一起運(yùn)行，可以在加工過程中保持恒定的法向切削力。

微紋理、微結(jié)構(gòu)或工程化的表面在各種工業(yè)領(lǐng)域（如電子、能源、光學(xué)、機(jī)械、摩擦學(xué)和生物學(xué)）中得到廣泛應(yīng)用，例如在光學(xué)透鏡、液晶顯示(LCD)面板的棱鏡片、設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生“蓮花效應(yīng)”以排斥水的紋理表面、熱交換器等。機(jī)械部件上的微結(jié)構(gòu)通常使用光刻和蝕刻技術(shù)制造，但這些工藝需要復(fù)雜和昂貴的設(shè)備、對材料的限制、幾何限制以及使用危險(xiǎn)化學(xué)品等。用于抑制表面反射而具有蛾眼結(jié)構(gòu)等特征的元件的制造更加復(fù)雜，特別是在非平面上制造時(shí)。

蛾眼結(jié)構(gòu)by David Scharf 1977, 2005

模壓和壓印是生產(chǎn)這種微紋理表面的好方法，然而模具的精度是最重要的因素之一，因?yàn)樗砹四?a target="_blank">產(chǎn)品的質(zhì)量。使用金剛石工具進(jìn)行精密加工已越來越多地用于制造高級工業(yè)應(yīng)用的高精度機(jī)加工零件。

使用金剛石工具的技術(shù)來制造微結(jié)構(gòu)和微槽可用于平面加工，它需要利用壓電快速刀具定位臺的超高精度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和復(fù)雜的控制系統(tǒng)以獲得所需的納米/微米級精度。這種切削機(jī)構(gòu)通過其進(jìn)給機(jī)制設(shè)置切割深度，所生產(chǎn)零件的精度直接取決于壓電快速刀具定位臺的精度。

壓電快速刀具定位臺是一種高精度、高速、高剛度、高可靠性的刀具定位設(shè)備，主要應(yīng)用于高精度切削、精密加工、半導(dǎo)體制造、精密電子、光電子、精密儀器等領(lǐng)域。它采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)原理，通過快速變形實(shí)現(xiàn)高精度的刀具定位。它的控制系統(tǒng)則控制壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源和信號，實(shí)現(xiàn)對刀具位置的精確控制。使用壓電快速刀具定位臺能夠提高工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少人工操作的誤差，是現(xiàn)代高科技制造及實(shí)驗(yàn)室的重要設(shè)備之一。

芯明天P92壓電刀具定位臺及E01壓電控制器

除以上利用壓電快速刀具定位臺的微進(jìn)給外，也可采用另一種實(shí)施恒定力切削的方法，該方法可控制施加到刀具上的法向切削力，使其保持切削力恒定。例如使用原子力顯微鏡(AFM)機(jī)制的納米切割。但是由于所使用的壓電掃描器的行程有限且懸臂剛度低，因此無法應(yīng)用該工藝用于實(shí)際切割。

恒定負(fù)載切削效果

但在AFM納米切割技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合金剛石工具，可形成一種用于微尺度加工和大切割面積的切割系統(tǒng)。與AFM類似，該系統(tǒng)也具有懸臂梁結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)上安裝金剛石刀具。該系統(tǒng)也同樣利用光學(xué)方法，測量懸臂梁的扭轉(zhuǎn)及彎曲，從而估算切削力。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是它能夠在具有傾斜和彎曲表面的表面上制造具有恒定切削深度的凹槽。

下方圖中顯示的為一種AFM與金剛石相結(jié)合的微切削系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了非接觸式電容傳感器與PZT壓電致動(dòng)器，這兩者間配合以保持恒定的法向切削力。

懸壁梁與電容式傳感器都安裝在與壓電致動(dòng)器相連的線性導(dǎo)軌上，電容傳感器可檢測懸臂梁的變形位移，壓電致動(dòng)器可在Z向上進(jìn)行納米級精密的位置調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)能夠補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的部分幾何誤差，例如軸未對準(zhǔn)或工具路徑中的誤差。

芯明天電容式傳感器

芯明天電容傳感器的基本技術(shù)參數(shù)如下：

為了控制切割法向力，懸臂自由邊緣的變形由電容傳感器測量。反饋控制系統(tǒng)補(bǔ)償懸臂梁的任何變形，它的主要任務(wù)是保持傳感器和測量板之間的相對位置恒定。通過控制PZT壓電致動(dòng)器在切割過程中的膨脹或收縮，與懸臂相互作用。閉環(huán)系統(tǒng)包括一個(gè)函數(shù)發(fā)生器、電壓放大器（控制壓電致動(dòng)器）、壓電致動(dòng)器、電容式傳感器、控制器（比例積分PI）。

芯明天壓電致動(dòng)器

芯明天壓電致動(dòng)器具有多種型號，外徑由9mm至45mm可選，位移由7μm至260μm可選，出力可達(dá)上萬牛頓，且可根據(jù)要求進(jìn)行產(chǎn)品定制。

壓電陶瓷促動(dòng)器參數(shù)舉例：

芯明天壓電放大器

芯明天壓電放大器具有多種選項(xiàng)，可選模擬或數(shù)字控制，可選鍵盤操作、軟件操作，可選板卡式、機(jī)箱式等。它具有小體積型，也有大功率型，可滿足不同應(yīng)用的需求。

常見的AFM系統(tǒng)使用壓電掃描管，它不僅可以補(bǔ)償懸臂變形，還可以在尖端和待掃描表面之間進(jìn)行相對X-Y運(yùn)動(dòng)。然而壓電掃描管的最大測量面積在數(shù)百平方微米的數(shù)量級，這不能滿足較大加工面積要求。

芯明天壓電掃描管

芯明天壓電掃描管的基本參數(shù)如下：

為解決加工面積小的問題，將該切割系統(tǒng)安裝在三軸精密機(jī)床上，對該系統(tǒng)可進(jìn)行三軸的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)，從而擴(kuò)大測量面積，可以在幾平方厘米量級的表面上制造微槽。

芯明天三軸壓電馬達(dá)運(yùn)動(dòng)平臺

芯明天三軸壓電馬達(dá)運(yùn)動(dòng)平臺參數(shù)舉例：

0.5kg負(fù)載、20.8℃溫度、31%濕度條件下。

審核編輯黃宇