壓電奈米定位平台硬體基本架構

壓電奈米定位平台系統主要由四種不同硬體單元所組成，分別為壓電奈米定 位平台、資料擷取卡、電壓放大器以及光學位移感測器，分別作為平台移動功能、

資料擷取與控制訊號的輸出，控制訊號放大後傳遞至壓電致動器以及量測平台之 移動位移，並傳回至電腦。以下將逐一介紹各儀器之主要規格。

4.1.1 壓電平台

本研究選用雙軸向定位平台，架構是以單軸向的平台堆積，其中平台內有一 凹槽，為固定壓電致動器的位置，如圖 4-1 所示，因此壓電致動器可推動平台達 成單一自由度的位移。本論文所採用致動器為層積式壓電致動器，如圖 4-2 所示，

將數層壓電薄板疊加，其中以電極相隔，使得每個壓電層的極化方向均與相近兩 層相反，規格如表 4-1 所示。一般在無負載的情況下，壓電致動器最大的形變量 為本身材料的千分之一，例如選用長度為 1

mm

的壓電致動器，其最大型變量則 為 1

 m

。

30

圖 4-1 雙軸向定位平台

圖 4-2 層積式壓電致動器 表 4-1 層積式壓電致動器規格表

Name Value

Type osi-stack(+)U_max150V PSt 150/5x5/20 Ceramic cross-section 5x5 (mm²)

Max voltage range -30V to 150V

Length 18mm

Capacitance 1800 ( nF ) Resonance frequency 50 ( kHz )

Max load force 2000 ( N )

31

4.1.2 資料擷取卡

由於電腦控制器是以數位訊號方式處理，而壓電平台的控制訊號為類比之電 壓訊號，為使數位控制輸出訊號轉換為類比訊號，選用資料擷取卡作為實驗中類 比訊號接收與輸出的介面。資料擷取卡之轉換精度又稱為 Code Width 即為其可量 測到之最小電壓變化量，在數位數值上表示為 1LSB(Least Significant Bit)。其中 電壓擷取範圍與資料擷取卡之解析度為最直接對轉換精度的影響因素，其關係式 如下：

Voltage Range 2^R



最小電壓變化量 (4.1)

R 為資料擷取卡之解析度。由上式可知，電壓範圍越小或解析度越高，則可

量測到之電壓變化精度越好。本研究選用美商國家儀器(National Instruments, NI) 所開發之資料擷取卡 PCI-6229，其實體圖如圖 4-3 所示，規格如表 4-2 所示。由 規格表可知，此資料擷取卡解析度為 16-bit，將其代入式(4.1)可得，其最小可量 測電壓變化量為 0.306mV。

圖 4-3 NI PCI-6229 資料擷取卡[19]

32

表 4-2 NI PCI-6229 硬體規格表[19]

Analog input Analog output

Channels 32 4

Resolution 16 bit 16 bit Sample rate 250kS/s 833kS/s Maximum voltage range -10V, +10V -10V, +10V Maximum voltage range

accuracy 3100

μV

3230

μV

4.1.3 電壓放大器

由於所使用之資料擷取卡其最大輸出電壓範圍僅-10V~10V，根據上節所述規 格表可知，所使用之壓電平台電壓操作範圍為-30V~150V，因此選擇 Physik Instrumente (PI)所生產之 E-663 做為電壓放大器，使訊號輸入至壓電致動器之前，

先透過電壓放大器將電壓放大至足以驅動壓電平台之範圍，E-663 如圖 4-4 所示，

輸入之電壓在經過 E-633 後，將會放大十倍輸出，其詳細規格如表 4-3 所示。

將 E-663 之初始電壓偏移+50V 以利控制分析，同時以軟體限制資料擷取卡之 輸出電壓範圍於

^

^6V，使 E-663 之輸出訊號範圍為

^

^{10V ~ 110V}，以保護硬體設備，

並以 E-663 之初始電壓+50V 為壓電平台之位置零點，進行平台定位控制。

圖 4-4 E-663[20]

33

圖 4-5 頻率與放大倍率關係圖[20]

表 4-3 E-663 規格表

Name Value

Channels 3

Input voltage range -2V to 12V Output voltage range -20V to 120V Average output power per channel 6W

Voltage gain 10



0.1 Input impedance 100k

Operating temperature range 5^o

C

to 50^o

C

Mass 4.6kg

4.1.4 光學位移感測器

在壓電奈米平台的高精度位移下，外界環境之震動對系統的影響極大，所量 測之位移必須考量到整體環境對其所造成之影響，為了能測量到壓電平台於真實 環境下之絕對位置(global position)，而非單純是壓電平台移動的相對位置(local position)，選用 MicroE systems 的產品 Mercury 5800[21]，如圖 4-6 所示。Mercury 5800 由兩相訊號的光學尺所構成，可達 1.22nm 的解析度，其中訊號以類比訊號 方式傳遞。

34

圖 4-6 光學位移感測器 表 4-4 解析度與速度

Max. interpolation Resolution( nm/count ) Max. speed mm/sec

x2000 10.0 500

x4000 5.00 250

x8000 2.5 125

x16384 1.22 61

在文檔中 奈米平台上之逆Bouc-Wen模型迴路增益強韌控制 (頁 41-46)