一个运动耦合的纳米分辨率压电聚焦台 « bunnie 的博客

这是关于通过 IRIS(红外原位)技术为芯片进行无损检测,使用户有切实理由信任其硬件的系列文章的一部分。

  • 聚焦阶段:用于控制样品在“Z”方向的精细定位,10 倍物镜景深约 8.5 微米,需更精细控制芯片到镜头的距离,运动平台 Z 步电机分辨率约 10 微米,单独使用不够,需额外精细聚焦机制,如压电致动器。压电致动器价格昂贵,约 1000 美元起,作者决定自己制作,最终选择 TDK 的 PowerHap 系列,较大的致动器可产生 100 微米偏转和几牛顿力,有磁滞非线性,可通过预加载和反馈机制减少。
  • 运动学耦合:为能在不影响测量重复性的情况下取出和更换精细聚焦阶段,需精度达亚微米的耦合,运动学耦合是一种已确立的技术,通过将球体推入圆柱体或平面实现六个精确接触点,可减少耦合,文中介绍了相关的 MIT 课程资料和论文。
  • 机械设计:机械设计力求简单,显微镜平台是带有三个 V 形槽的铝板,压电致动器形状简单,两侧有圆形“钹”作为机械放大器,中心用 VHB 胶带粘贴半球形玻璃嵌体形成运动学耦合的半部分,致动器安装在铝板上,通过通道布线。
  • 电子设计:概念上需要一个串口到位置的部件,用 RP2040 和小 Rust 程序通过多通道 14 位 DAC 将 ASCII 命令转换为定位阶段的不同高度,14 位 DAC 可将压电位置控制到 6 纳米分辨率,但实际精度约为几十纳米,通过压电驱动芯片将低电压转换为驱动压电致动器所需的数百伏电压,选择了 TI DRV2700 芯片,测试高压驱动器时曾出现问题,如通道烧毁等,但解决后工作可靠且线性良好,软件算法在自动对焦方面具有挑战性。
  • 非产品化:设计成功引发是否将其作为产品的疑问,考虑到法规等因素,如 FCC/CE 认证、RoHS、REACH 等,以及出口控制的不确定性,可能不值得将其作为产品,作者曾因文书工作的小问题导致产品被海关扣押,还需承担退货和退款费用,在贸易战后的经济环境中,创建过于精致的产品有不利因素。
  • DIY 部分:所有工作都是开源的,欢迎基于设计文件制作自己的纳米分辨率压电聚焦阶段,可在 github 仓库找到所需资料,甚至可基于此销售产品,但作者不提供客户支持。下一篇将深入探讨光定位器的机械设计,感谢 NLnet 和 Github 赞助商的支持。
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