奈米定位平台常見的驅動方式有兩種:線性馬達與壓電。兩者都能做到奈米級的位移控制,差別在行程、速度、定位表現與機構整合。選型時除了解析度,還要一起看實際需要的行程、負載、定位精度和控制器配置。下面先釐清規格書上最容易混淆的三個數字,再比較兩種平台,最後整理 piezosystem jena 各系列的規格。

奈米定位平台的解析度、重複性與定位精度

解析度是平台能產生或分辨的最小位移;重複性看多次回到同一位置時結果有多一致;定位精度則是指令位置與實際位置的差距——下達 50 µm 的指令,平台最後停在哪裡,就是定位精度的問題。三者可能相差一兩個數量級,規格寫解析度 1 nm,不代表定位精度也是 1 nm。

壓電陶瓷的形變是連續的,所以開迴路平台能產生非常細微的位移。以 PX 38 系列為例,開迴路版本解析度 0.07 nm,PX 38 SG 閉迴路版本則是 0.7 nm。這兩個是不同的產品版本,感測器配置、控制器需求和外形尺寸都不一樣(25×25×18 mm 對 40×40×25 mm),比對規格時要先確認看的是哪一版。

開迴路還要考慮壓電材料的遲滯與潛變。依 piezosystem jena 原廠技術資料,遲滯寬度通常是指令位移的 10–15%,潛變約為每十倍時間 1–2%。所以要長時間停在指定位置、或要求掃描線性度的應用,多半會選閉迴路版本。延伸閱讀:壓電平台的開迴路與閉迴路怎麼選、壓電平台規格書常見陷阱。

兩種奈米定位平台:線性馬達與壓電

比較項目線性馬達平台壓電奈米定位平台
驅動與導引線性馬達+高解析回授,搭配滑軌或氣浮軸承壓電陶瓷形變,經撓性機構導引,無滑動摩擦、無背隙
典型行程數十到數百毫米數十微米到約 1.5 毫米(本文表列型號 32–1,500 µm)
位移控制可達奈米級,實際表現取決於回授、控制器與機構可達次奈米到奈米級;原廠解析度標示受放大器雜訊與量測系統限制
動態適合長距離的高速移動適合短行程的快速微調、步進與連續掃描
整合體積與移動質量較大體積小,可疊在其他平台上,或直接裝在物鏡、光學元件上

行程超過約 1–2 mm,通常先從線性馬達或伺服平台看起;主要在小範圍內快速微調、掃描,或安裝空間有限,則優先比較壓電平台。很多半導體檢測與顯微鏡設備是兩者並用:長行程平台先把樣品送到目標區域,再由壓電平台做最後一段微調。

如果定位需求其實在 0.5–1 µm 等級,伺服平台多半就能做到,不一定要用壓電;需要高速響應、短行程連續掃描或無背隙運動時,壓電的優勢才會明顯。兩種平台的基本差異可以參考〈壓電平台是什麼?〉。

壓電奈米定位平台怎麼選

行程:夠用就好,不要多選。同一類平台,行程越長,解析度數字通常越大。從下方規格表可以看到:PX 38(39 µm)開迴路解析度 0.07 nm、PX 100(100 µm)0.2 nm、nanoX 400(480 µm)0.8 nm、PX 1500(1,500 µm)3 nm。先算清楚實際要動多遠,再留一點餘裕,比直接挑最長行程更能兼顧解析度。

軸數:只動一個方向,就先看單軸。單軸有 PX、nanoX;XY 有 PXY、nanoSXY;XYZ 有 TRITOR;Z 軸有 PZ,另有直接裝在顯微鏡物鏡上的 MIPOS。多軸平台把幾個方向整合在一個機構裡,安裝方便,但單一方向需求用單軸型號,機構整合會簡單許多。

感測器:要解析度選 CAP,要輕巧可先看 SG。piezosystem jena 的閉迴路有 SG(應變規)和 CAP(電容式)兩種版本。CAP 的閉迴路解析度通常較好:nanoX 200 SG 為 4 nm、CAP 為 1 nm;PXY 100 SG 為 2 nm、CAP 為 1 nm。代價是重量或尺寸:nanoX 200 兩版外形相同(52×70×22 mm),但 SG 版 190 g、CAP 版 300 g;PXY 100 的 CAP 版外形則比 SG 版大(65×65×20 mm 對 60×60×21 mm)。對掃描線性度要求高的量測,一般會選 CAP;空間或移動質量受限、解析度需求在數奈米等級時,SG 版就足夠。

負載與掃描速度。平台的負載與共振頻率決定實際能掃多快。要高速往復掃描時,除了最大負載,還要看平台在實際負載下的動態特性;這兩項各型號差異很大,產品頁不一定列出,可向拿順索取原廠規格書比對。

控制器。壓電平台一定要搭配放大器,閉迴路版本還要用對應的閉迴路控制器。原廠標示的解析度是在指定放大器下量測的:PX 系列以 NV 40/3(閉迴路 NV 40/3 CLE)量測,nanoX 200 以 30V300 量測,並註明解析度只受放大器雜訊與量測系統限制。也就是說,換一台雜訊較大的放大器,實際解析度就會變差;估算成本時,平台和控制器也要一起算。

完整的五步流程可參考〈壓電平台選型指南〉。

piezosystem jena 奈米定位平台規格速查

系列/版本軸向開迴路行程 (µm)閉迴路行程 (µm)開迴路解析度 (nm)閉迴路解析度 (nm)原廠量測放大器
PX 38/PX 38 SGX3932(SG)0.070.7(SG)NV 40/3(閉迴路 NV 40/3 CLE)
PX 100/SGX10080(SG)0.22(SG)NV 40/3(閉迴路 NV 40/3 CLE)
nanoX 200/SG/CAPX2402000.44(SG)/1(CAP)30V300
nanoX 400/SG/CAPX4804000.88(SG)/2(CAP)ENV40
PX 1500X1,500—3—NV 40/3
PXY 100/SG/CAPX, Y100800.22(SG)/1(CAP)產品頁未註明
nanoSXY 120/CAPX, Y120100(CAP)0.241.0(CAP)30V300
nanoSXY 400/CAPX, Y400320(CAP)0.81.0(CAP)30V300
TRITOR 100/SG/CAPX, Y, Z100800.22.0(SG)/1.0(CAP)產品頁未註明
PZ 400/SGZ400320(SG)0.88(SG)NV 40/3(閉迴路 NV 40/3 CLE)
MIPOS 500/SG(物鏡)Z500400(SG)0.912(SG)產品頁未註明

表內為各系列代表性規格。開迴路、SG、CAP 是不同的產品版本;解析度要連同控制器與量測條件一起看,不能直接當成定位精度或重複性。行程公差、最大負載、共振頻率與外形尺寸,請見各產品頁或向拿順索取原廠規格書。完整型號見 piezosystem jena 產品列表。

哪些應用會用到壓電奈米定位

顯微鏡自動對焦與 Z 掃描。MIPOS 裝在物鏡與鏡塔之間,直接移動物鏡的 Z 軸,不必移動整個載台。延伸閱讀:顯微鏡自動對焦應用。

晶圓檢測與量測。由長行程平台切換量測位置,再用壓電平台微調,兼顧行程與檢測位置的重現性。延伸閱讀:晶圓檢測六軸定位。

光纖對位。耦合位置偏移會直接反映在光功率上。系統若已用光功率回授做尋峰,外部回授就扮演了閉迴路的角色,可以評估開迴路壓電平台。延伸閱讀:晶圓級測試的光纖尋峰。

掃描式量測。對 XY 掃描線性度有要求時,可以從 nanoSXY 等 CAP 閉迴路版本開始比較。

需要協助評估

選型時拿順需要的條件包括:移動行程、容許的定位誤差、負載重量、移動或掃描速度,以及可用的安裝空間。若設備要長時間維持定位,也請說明環境溫度、振動與現有的回授方式。這些條件可以透過詢價單提供,有機台圖面或現用型號也請一併附上;拿順會依條件比較開迴路、SG、CAP 與不同軸數的配置。拿順是 piezosystem jena 德國原廠台灣獨家總代理。