澳大利亞Piezodrive,TB 系列,壓電式管材掃描儀,用于納米定位的壓電管掃描儀
TB 系列壓電式管材掃描儀
壓電管掃描儀是由徑向極化壓電材料的薄圓柱體，具有四個(gè)外部電極和一個(gè)連續(xù)的內(nèi)部電極。當(dāng)電壓施加到其中一個(gè)外部電極上時(shí)，管的自由端將向施加的電壓彎曲。垂直延伸是通過向所有外部電極施加相等的電壓，或通過向內(nèi)部電極施加電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
壓電管掃描儀廣泛用于掃描探針顯微鏡作為 XYZ 納米定位器，以及其他應(yīng)用，例如顯微作和光束掃描。這些管子可以單獨(dú)訂購(gòu)，也可以選擇包括用于連接 TD250-INV 放大器的接線和連接器，并帶有易于組裝的安裝表面?？筛鶕?jù)要求提供定制尺寸和/或電極配置。
筆記：
- 長(zhǎng)度公差 +/-0.2 mm
- 直徑公差 +/-0.2 mm
- 厚度公差 +/-0.1 mm
- 外部電極之間以及電極與管端之間的間隙。公差 +0.3 mm， -0.2 mm
- 任何外部電極和接地的內(nèi)部電極之間的最大推薦雙極電壓。
- 當(dāng)最大電壓施加到 X 或 Y 電極并且內(nèi)部電極接地時(shí)，具有固定基極和自由端的峰峰值水平偏轉(zhuǎn)。容差 -0%， +50%。
- 峰峰值垂直偏轉(zhuǎn)，當(dāng)最大電壓施加到所有外部電極并且外部電極接地時(shí)。容差 -0%， +50%。
- 具有固定基極和自由端的第一彎曲模式諧振頻率，請(qǐng)參見下面的計(jì)算器。公差 +/-20%。
- 一個(gè)外部電極和內(nèi)部電極之間的電容。容差 +/-30%
- 管子的 STEP 文件，包括安裝底座和端蓋。如果不需要，請(qǐng)刪除安裝底座和端蓋。
使用 TD250 放大器驅(qū)動(dòng)壓電管
TD250?是一款超低噪聲、六通道 250V 放大器，針對(duì)驅(qū)動(dòng)壓電式電子管掃描儀進(jìn)行了優(yōu)化。盡管有許多配置可供選擇，但下圖所示的驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電極配置提供了最大的 X、Y 和 Z 行程范圍 [1]。此配置也稱為 “Full Length” 配置 [1]。將該方法的性能與參考文獻(xiàn) [1] 中的其他配置進(jìn)行了比較。
在驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電極配置中，X 和 Y 電極以標(biāo)準(zhǔn)方式驅(qū)動(dòng)，電壓相等且相反，如下所示。通過向內(nèi)部電極施加負(fù)電壓，可以獲得等于垂直掃描范圍一半的收縮。也就是說，垂直偏轉(zhuǎn)為ΔL=Vz×?d31Lh.哪里Vz是施加到內(nèi)部電極的嚴(yán)格負(fù)電壓。
這種方法利用了壓電材料較高的正電場(chǎng)強(qiáng)度，通常是負(fù)電場(chǎng)強(qiáng)度的五倍。必須注意不要對(duì)內(nèi)部電極施加正電壓，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致去極化。例如，當(dāng)使用非反相通道時(shí)，input 被強(qiáng)制為負(fù)值，如下所示?；蛘?，可以使用反相通道，并且強(qiáng)制 input 為正。
由 TD250-INV?放大器驅(qū)動(dòng)的壓電管的接線圖。X 軸偏轉(zhuǎn)由 In1 信號(hào) （+/-10V） 控制，這導(dǎo)致在 +X 電極上產(chǎn)生非反相的 +/-250V 信號(hào)，在 -X 電極上產(chǎn)生反相的 +/-250V 信號(hào)。施加到 In1 的 +10V 信號(hào)導(dǎo)致向 +X 電極的最大偏轉(zhuǎn)，而 -10V 信號(hào)導(dǎo)致向 -X 電極的最大偏轉(zhuǎn)（如圖所示）。Y 軸驅(qū)動(dòng)方案與 X 軸相同。垂直 Z 軸偏轉(zhuǎn)由 In5（0V 至 -10V）控制，這導(dǎo)致內(nèi)部電極上產(chǎn)生高達(dá) -250V 的負(fù)電壓，收縮等于垂直行程范圍的一半。當(dāng)同時(shí)驅(qū)動(dòng)所有三個(gè)軸時(shí)，只能利用一半的垂直行程范圍。
撓度和諧振頻率計(jì)算器
以下計(jì)算器在以下條件下估算壓電管的橫向和垂直行程范圍：
- 假設(shè)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電極配置。也就是說，僅將負(fù)電壓施加到內(nèi)部電極。如果管材僅用于伸長(zhǎng)，則報(bào)告的垂直行程范圍可以增加一倍。
- “被動(dòng)長(zhǎng)度”是為了增加行駛范圍而添加的附加結(jié)構(gòu)。此長(zhǎng)度不包括在諧振頻率的計(jì)算中。
安裝
最常見的安裝配置是具有固定底座和自由端的懸臂布置。底座可以用通用的雙組分環(huán)氧樹脂（如 Loctite 3430）直接粘合到絕緣表面。如果在高壓電極和表面之間保持 >0.5mm 的間隙，壓電管也可以粘合到導(dǎo)電表面。
電極
這些管配有銀或鎳薄膜電極。電極材料由訂貨代碼后綴決定，該后綴為?-S?代表銀，-N?代表鎳。銀適用于通用應(yīng)用和高磁場(chǎng)環(huán)境。鎳電極更抗氧化，更容易焊接，但成本更高。這兩種電極材料都對(duì)氧化敏感，會(huì)被皮膚上天然存在的酸降解;因此，處理時(shí)請(qǐng)戴上手套。
內(nèi)部電極是連續(xù)的，外部電極是四分之一的。電極區(qū)域可以通過用稀硝酸蝕刻來(lái)去除?？筛鶕?jù)要求提供定制電極配置。
電極間隙規(guī)格是從兩端移除的外部電極的長(zhǎng)度，它為安裝表面提供電氣間隙。內(nèi)部電極是連續(xù)的。
在需要最高抗氧化性的應(yīng)用中，可根據(jù)特殊要求提供金電極。
電流要求
計(jì)算功率帶寬
所需的電流為我=C?dV/dt哪里我是當(dāng)前，C是有效電容，并且dV/dt是電壓變化率。對(duì)于正弦波，所需的峰值電流等于：
我p=πCfVp?p哪里Vp?p是峰峰值電壓。對(duì)于三角波，所需的峰值電流等于：
組裝和安裝選項(xiàng)
端蓋和安裝底座可用于壓電管掃描儀，以簡(jiǎn)化安裝和負(fù)載連接。還提供組裝和布線服務(wù)。請(qǐng)使用?Tube 掃描儀生成器查看可用選項(xiàng)，并在線訂購(gòu)或下載報(bào)價(jià)。或者，您可以聯(lián)系 PiezoDrive?并提供生成器配置的訂單代碼或屏幕截圖。
訂購(gòu)代碼
（管子訂貨代號(hào)）-（底座）-（頂蓋）-（底蓋）-（組裝）-（配線）-（連接器）-L（長(zhǎng)度）
- 軟管訂購(gòu)代碼：例如?TB6006-S
- Base：如果沒有 base 或?B，則為空
- 頂蓋：如果沒有頂蓋或?TC，則為空
- Bottom Cap：如果沒有頂蓋或?BC，則為空。不適用于底座
- 已組裝：如果未組裝（膠合）或?A，則為空白，僅適用于?B、TC?或?BC
- Wiring：如果沒有布線，則為空。如果管布線僅可用于組件，則為 W。V?代表 垂直布線，不提供底座。H?代表 水平布線，不提供底座。
- 連接器：對(duì)于未端接的電線或?DSUB，為空。僅在選中 連線 選項(xiàng)時(shí)可用。
- Length：布線的長(zhǎng)度（以米為單位）。僅在選中 連線 選項(xiàng)時(shí)可用。
示例 1
TB6006-S 管組裝在底座中，帶有頂蓋和 1 米長(zhǎng)的 D-Sub 電纜：TB6006-S-B-TC-A-W-DSUB-L1
示例 2
具有 1 米無(wú)端接垂直布線的 TB6006-S 管：TB6006-S-V-L1
示例 3
帶底座和頂蓋但沒有組件或接線的 TB2006-S 管：TB2006-S-B-TC
焊接說明
可以使用導(dǎo)電環(huán)氧樹脂 （Circuitworks CW2400） 或焊料和松香助焊劑連接電線。
導(dǎo)電環(huán)氧樹脂具有柔韌的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需加熱，因此沒有熱去極化的風(fēng)險(xiǎn);然而，施工很耗時(shí)，并且需要小心以避免因溢出而短路。環(huán)氧樹脂推薦用于涉及全范圍偏轉(zhuǎn)循環(huán)的連續(xù)運(yùn)行應(yīng)用。
焊接比導(dǎo)電環(huán)氧樹脂更快、更容易，但需要小心以避免管子過熱。所需的材料和工具包括：
- 手套、護(hù)目鏡
- 帶鎳或銀電極的壓電管
- 絕緣電線，例如 AWG30 Kynar 絕緣線
- Superior Flux 67 或松香助焊劑，例如 Chemtronics CW8200
- 棉簽
- 60/40 Sn/Pb 0.5mm 焊錫絲，例如 Multicore 3096525-M
- 溫控烙鐵
- 異丙醇或丙酮
建議的步驟是：
- 將電線的末端剝?nèi)?3-5 毫米，然后用焊料在電線上鍍錫。最后，將鍍錫線修剪到 2 毫米。
- 用助焊劑潤(rùn)濕棉簽并擦拭管上直徑為 2 mm 的區(qū)域，將少量助焊劑涂抹到所需的焊接點(diǎn)。潤(rùn)濕更大的區(qū)域是可以的，但這往往會(huì)導(dǎo)致更大的焊點(diǎn)。
- 將烙鐵溫度設(shè)置為 300C，最好使用溫度傳感器進(jìn)行檢查。
- 使用熱尖和焊料的短暫接觸，在管上沉積一個(gè)直徑為 2 mm 的焊點(diǎn)。
- 使用短暫的觸點(diǎn)將鍍錫絲連接到焊點(diǎn)。
- 用異丙醇或丙酮清除助焊劑。建議將異丙醇浴浸泡 10 分鐘，以幫助去除所有殘留物。
- 戴手套作試管可避免在試管上留下指紋。
真空兼容性
壓電管不含任何脫氣材料，并且完全兼容真空。
低溫兼容性
PZT-5H 材料在低溫下效果良好。作為指導(dǎo)，位移靈敏度降低了 5 倍。然而，在低溫下，施加的電壓可以從 +/-250 V 增加到 +/-1000 V，這可以恢復(fù)大部分室溫偏轉(zhuǎn)，但需要高電壓。
例如，TB5509 管的預(yù)測(cè)撓度為 66?μm施加的電壓為 +/-250 V。在低溫下，位移將降低到66?μm×0.2=13.2?μm.
但是，如果電壓增加到 +/-500 V，則偏轉(zhuǎn)約為66?μm×0.2×500250=26.4?μm.
如果電壓增加到 +/-1000 V，位移將約為66?μm×0.2×1000250=52.8?μm
選項(xiàng) / OEM 定制
- 自定義尺寸和厚度
- 定制電極配置
- 定制布線安排/連接器
- 安裝平臺(tái)設(shè)計(jì)和制造
壓電特性
壓電材料類似于 PZT-5H 和 Navy Type VI。
| 財(cái)產(chǎn) | 象征 | 價(jià)值 | 單位 |
|---|---|---|---|
| 壓電常數(shù) | d33 | 600 | 10-12m/V |
| d31 | -270 | 10-12m/V | |
| g33 | 19.4 | 10-3Vm/N | |
| g31 | -9.2 | 10-3Vm/N | |
| 機(jī)電 耦合系數(shù) | Kp | 0.65 | 那 |
| Kt | 0.37 | 那 | |
| K31 | 0.38 | 那 | |
| 頻率常數(shù) | Np | 1980 | 赫茲-米 |
| Nt | 1950 | 赫茲-米 | |
| N31 | 1450 | 赫茲-米 | |
| 彈性常數(shù) | Y33 | 5.3 | 1010牛 / 米2 |
| Y11 | 7.2 | 1010牛 / 米2 | |
| Q 因子 | 質(zhì)量管理 | 80 | 那 |
| 介電常數(shù) | e33? e0 | 3500 | @1 赫茲 |
| 耗散因數(shù) | 棕褐色 δ | 2.5 | % @ 1 kHz |
| Currie 溫度 | Tc | 220 | C |
| 密度 | ρ | 7.8 | 克/厘米3 |
