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本文介绍了芯明天公司设计、生产的一款力精确控制装置-F31.P3S，该装置能够以纳米级精度控制带载的目标样品及样品上方探针的位置，可控制目标样品与探针间的纳米级相对运动，从而实现探针对目标样品的微纳划痕、压痕、打点、雕刻、接触等微纳操作。该力精确控制装置可用于纳米压痕/压印、原子力显微镜、微纳刻划加工等应用。
芯明天F31.P3S精确力控制装置图
芯明天F31.P3S精确力控制装置的组成
芯明天F31.P3S精确力控制装置可分为三部分，分别为承载样品的样品台部分、带载探针运动的探针部分和压电控制器。其中，样品台部分可进行样品台在X和Y方向的运动控制，由XY手动数显滑台与XY压电纳米定位台组成；探针部分可进行探针的Z向运动控制，由Z向电动滑台和Z向压电纳米定位台组成。该力控制加工装置如下图所示。
精确力控制装置系统特点
XY样品台粗调节范围100mm/轴XY样品台精调节范围250μm/轴探针Z向粗调节范围100mm探针Z向精调范围30μm探针输出力的控制精度可达毫牛实现探针输出力的精确、闭环控制
一、样品台部分介绍
该精确力控制装置的样品台部分，是为了带载目标样品，并精确调节样品在水平面上X向与Y向的位置，由XY手动数显滑台与XY压电纳米定位台组成。该样品台部分，可对样品进行粗调，及纳米级精调，调节分辨率可高达7nm。
该XY压电纳米定位台与探针中的Z向压电纳米定位台共同由一台芯明天E01系列三通道压电控制器驱动。
二、探针部分介绍
样品台上方的探针部分实物图
该精确力控制装置的探针部分，是为了带载探针，并进行探针在垂直方向（即Z向）的位置调节。它由Z向电动滑台、Z向压电纳米定位台、电容传感器、探针悬挂机构、压电控制器（包含电容传感器信号处理）五部分组成。该探针部分里电动滑台与压电纳米定位台配合，可对探针进行Z向粗调及纳米级精调，调节分辨率可高达1nm。电容传感器由芯明天公司研发、生产，它位于探针悬挂机构的上方。Z向压电纳米定位台与样品台上的XY压电纳米定位台共同由一台芯明天E01系列三通道压电控制器驱动。
压电控制器（集成电容传感器信号处理）
该压电控制器为芯明天E01系列的三通道压电控制器，由PZT驱动模块、闭环伺服控制模块、电容传感器信号处理模块及机箱供电组成。该E01系列三通道压电控制器具有三个电压输出通道，分别用于控制样品台部分的X向、Y向和探针部分的Z向压电纳米定位台的位移大小及工作频率等。它具有闭环伺服控制功能。
芯明天F31.P3S精确力控制装置—力的实测曲线
下方为实测曲线。采集到的数据曲线如下图所示。横坐标为采集的样本数据号，纵坐标为力传感器采集到的数据，单位为：克/g。
实测曲线
注：曲线中4处曲线下沉，是因信号发生器导致的。当探针与样品接触后，启动探针的闭环伺服控制。该装置完成了控制信号与输出力大小间的标定。
芯明天F31.P3S精确力控制装置—应用
F31.P3S精确力控制装置中采用芯明天压电纳米定位台，它是由压电陶瓷作为驱动源，可实现纳米精度的运动控制。通过芯明天压电纳米定位台带动探针，可进行纳米级的位移控制，对应探针输出力的控制可以达到毫牛级精度。该装置中芯明天电容传感器，测量分辨率可达2.5nm，提供了超高的测量分辨率。
芯明天F31.P3S精确力控制装置具有非常高的力的控制精度，非常适用于纳米压痕/压印、原子力显微镜、微纳刻划加工等应用，在新材料、新能源、半导体、生物医药、基础科研等前沿领域中具有广泛的应用场景。F31.P3S精确力控制装置可用于完成微纳米级别物性测量、微纳米级别运动操作、微纳米级加工等，可在三维空间上实现精准定位。随着分析仪器技术的高端化发展，以及不断拓宽的应用场景，压电纳米定位台成为了分析仪器的重要组成部分。
注：图片来源网络
芯明天F31.P3S精确力控制装置—定制
该装备系统中采用芯明天P18.XY200压电纳米定位台（移动样品）、芯明天P66.X30S压电纳米定位台（移动探针）、芯明天电容传感器、以及芯明天压电控制器驱动XY及Z向压电纳米定位台，并伺服控制电容传感器等。芯明天可根据用户需求，调整相应的压电纳米定位台、电容传感器、压电控制器的型号及相应参数，可改变行程、分辨率、精度、结构等，进而改变力闭环控制中力的大小范围、力的控制精度等，例如可用于改变纳米压痕应用中的压痕深度、改变样品水平XY向的精密调节范围等。
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