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自动化中的纳米传感器技术 | |||
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1、前言 纳米是一种长度单位，纳米材料的尺寸非常小,一纳米等于十亿分之一米，千分之一微米。所谓纳米技术，就是以纳米尺度为研究对象的新技术。纳米技术通过操纵原子、分子、原子团、分子团使其重新排列组合，形成新的物质，制造出具有新功能的机器。由于纳米材料的尺寸非常小(1nm：10—9 m)，与体材料相比，其化学、物理特性以及行为表现有很大的不同。它将显示出许多奇异特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体有显著不同。真正的纳米技术必须具备一是纳米尺寸，二是自然界里所设有的新特性。当今基于纳米材料特性的应用也愈来愈广泛,己渗透到各个工业与医药中各个领域,值此本文就纳米技术在工业自动化与定位及生物传感器中的应用作分析介绍。 2、纳米陶瓷及纳米定位与纳米自动化 以纳米陶瓷粉为代表的纳米硬粉具有很高的硬度和较好的耐高温能力。纳米陶瓷被认为是陶瓷研发的第三个台阶,也就是说从现代的具有纳米级尺度的先进陶瓷将步入到具有纳米级尺度陶瓷的研究阶段。 新的烧结技术的发展也使纳米 2.1关于纳米自动化工业和高精密纳米定位领域中的高级压电促动控制技术 有了高级压电促动控制技术可以满足纳米自动化工业和高精密纳米定位领域的需要。这里就其中几项典型技术做简单介绍。 2.11数字动态线性化技术 Dynamic Digital Linearization(DDL)或称动态精度技术 数字动态线性化(DDL)技术可将高速纳米定位系统的动态线性度利有效带宽提升3个数量级以上，极大提高了动态精度和系统跟踪性能。 传统的PID压电促动控制器无法完全消除相延和跟踪误差(实际位置与目标位置之差)，原因一方面来自压电材料自身的非线性，另—方面来自控制带宽的限制和PID算法原理的限制。独特的DDL技术解决了这个长期困扰压电促动控制领域的问题。对于动态应用，通过运用DDL，系统的相延和跟踪误差缩小到几乎可以忽略不计,动态线性度和可用带宽提高3个数量级。该项技术在单轴和多轴应用小都可运用(见图1、2、3)。
*图1为传统压电促动控制器用于椭园扫描目标曲线(红色)与实际曲线(蓝色)示意图。应用采用激光器和XY压电扫描台加工长圆微孔,加工速度每圈60毫秒，红色为目标曲线，蓝色为通常PID实现的轨迹。 *图2为DDL控制技术实现椭园扫描目标曲线与实际轨迹，同样的系统运用DDL技术后，跟踪误差缩小到几个纳米，实际运动曲线与目标曲线基本重合。 *图3为DDL控制技术可以将跟踪误差缩小3个数量级以上。图中输入为斜坡信号，传统控制方式的跟踪误差放大10倍表示，DDL跟踪误差放大500倍显示。
2.12主动轨迹控制技术Active Trajectory Contr01(多轴控制技术) 主动轨迹控制技术主要用于并联反馈纳米定位系统，以提高空间定位精度，减小有害的横向位移偏差和转角偏差。 通过主动轨迹控制技术，系统的运动直线度和平面度提高到亚纳米水平。该技术还可对角度方向的偏摆进行控制，并支持全自由度系统(例如6轴系统P-587)。图4红色部分为该功能关闭时平台的往返直线度曲线，绿色(浅色)部分为主动轨迹控制开启后的平台往返直线度曲线。 该项技术的支撑技术包括并联测量传感技术和并联运动机构设计等。
2.13超高精度电容位置传感器技术Ultra-High Precision Capacitive Sensor(传感技术) 十多年前，不少研发公司(如PI-Physik Instrumente公司)就已将超高精度电容位置传感器技术应用于纳米定位系统中。电容传感系统实现了绝佳的线性度、低背景噪声、低漂移和低缆线敏感度。 超高精度电容位置传感器采用双传感片设计，线性度可达0.003%且长期稳定性极好。电容位置传感器属于非接触式传感器，测量方式属于直接位置测量。与SGS应变片传感器(电阻式)、LVDT传感器(电感式)和增量编码器(光栅式)相比，电容传感器可进行压纳米级绝对运动检测(直接位置计量)，绝对精度、线性度、分辨率、稳定性、带宽等都得到了大幅度提高。通过运用该技术，多轴并联纳米定位系统成功实现了轴间机械串扰的自动补偿。电容传感器噪声水平与高精度激光干涉仪噪声对比图(见图5所示)，步长为0.3nm。结果显示传感器噪声明显小于干涉仪，已接近皮米水平。
电容式位置传感器技术与柔性纳米定位台设计的完美结合，产生了超低惯量和极小后座力的纳米运动台。 传统的微米级运动台即使配备超高分辨率编码器也远远不能达到电容式纳米定位台的精度。大惯量、摩擦和伺服抖动问题使此类系统无法实现纳米级的快速运动。 除了上述,还有提供光纤接口、P10、DSP链路、IEEE488、RS232、模拟输入等多种控制接口；Preshaping前馈控制技术，提高动态线性度；自动识别技术，强化即插即用等其它高级压电促动控制技术和功能。 2.2纳米定位与纳米自动化的新型的解决方案 纳米定位技术是指提供各种不同类型的压电纳米定位系统和电机微米定位系统的解决方案。纳米定位与纳米自动化全套关键技术包括：从精密加工技术、数字与模拟控制电路技术到亚纳米电容传感器、PICMA陶瓷元件及压电促动器技术。其应用于计量、显微、生命科技、激光技术、半导体技术、数据存储技术、精密加工技术、光电子/光纤、天文等。 2.21压电促动器与特精制压电陶瓷 压电促动器由陶瓷固体材料制成，可将电能转换为机械运动。 *产品特点：亚纳米分辨率；零摩擦，零静态阻力；无空回、高刚性；超短定位时间(毫秒及毫秒以下)；可集成位置传感器形成闭环控制；真空兼容，高温或低温操作；机械结构可根据应用要求进行选
*应用领域 2.22压电陶瓷促动器应用- NEXLINE纳米定位驱动技术 大行程大负载可自锁 NEXLNE是帝新型直线驱动技术。其系列产品在实现亚纳米分辨率的同时可提供数十毫米运动范围，大负载和高的可靠性。 *NEXTLINE直线驱动技术的驱动设计： NEXLINE采用了PiezoWalk驱动设计，理论上可实现无限大行程，并提供高机械刚度和原子级分辨率。NEXTLINE直线驱动器由数个独立的压电陶瓷促动器组个而成，通过PiezoWalk协调一致的伸长/收缩循环动作和夹持/放缓循环动作产生移动。每个伸长/收缩循环动作能提供几微米的位移，而频率可达100Hz。 2.23高速陶瓷直线电机直线运动台 *压电陶瓷电机特点：高速：800 mm/s和20g加速度；可自锁，锁定状态厂不发热、不产生磁场、不受磁场影响；直线编码器直接闭环传感；兼容PI电机控制器和第三方控制器；真空兼容，可无磁工作。 *应用领域 2.24压电纳米定位系统与压电扫描器-实现亚纳米运动控制精度和最多6轴自由度 *产品特点：分辨率最小至50pm；行程可达1000μm；采用无空回、无摩擦、无跳动和高直线度的柔性铰链计算机辅助有限元设计；系统运动轴可达6个；并联机构与并联反馈技术提供优异的多轴定位精度；闭环控制实现更好的线性度与重复性；内置电容位移传感器，实现亚纳米分辨率和稳定性；陶瓷绝缘高性能促动器，提供超长寿命；经优化的机械设计、伺服控制算法和控制软件，实现更高带宽；高性能控制器和放大器(数字，模拟，模块化，OEM，…)；前馈技术，实现快速定位；动态数字线性化技(DDL)，抑制跟踪误差；材质可选择铟钢、钛、钢、铝等，提供最优的热稳定性；提供标准产品、OEM产品和用户定制产品。 *应用领域：纳米科技、光电子精密定位、硬盘/光盘驱动测试采统纳米定位、半导体测试设备、微光刻、晶圆步进、掩模精调、精密加工(非圆度修正，钻孔，研磨)、扫描干涉、表面结构分析、扫描显微、自聚焦系统、生物科技。 3、碳纳米材料及生物传感器应用 3.1碳纳材料 在纳米材料中，包括碳纳米管、碳纳米纤维在内的碳纳米材料一直是近来国际科学的前沿之一。仅碳纳米管而言，碳纳米管韧性极高，兼具金属性和半导体性，强度比钢高100倍，比重只有钢的1/6。因为性能奇特，它被科学家称为未来的“超级纤维”。性能颇佳的加强材料，理想的储氢材料。它使壁挂电视将来可能代替硅芯片，从而引发计算机行业革命。 碳纳米管可制成极好的微细探针和导线，其特性之一是能够通过“功能化”或者定制设计来吸引某些分子。另一特性是其表面积非常大，但却缩拢在非常小的空间中。这些特性非常适合于传感应用，在现有的传感器中集成纳米材料可以提高设备的灵敏度、选择性以及响应速度。而且，大面积和小体积特性非常有利于传感器的小型化。 值此将对碳纳米管应用于生物传感器作说明 3.2精细的碳纳米管及应用于生物传感器 SAMMS(自主性中孔支撑单层材料)材料的特性来自于其非常大的内部表面积，而碳纳米管-精细的碳丝，其特性则是由外表面积决定的。 可以把许多这种东西放在一起，同样能实现SAMMS那样的小体积和高灵敏度优势。其最大优势是特异性和导电性(图7)。由于碳纳米管能够导电,目标物质键合到纳米管的酶上之后，纳米管就可以输出一个信号。
将纳米管应用于生物传感器，针对化学特性进行设计，实现多种传感设备，包括空气和血液传感器等。把碳纳米管做到一种便携式自动传感器系统中,探测有机磷酸酯(OP)。OP化合物不但会造成严重的环境污染，而且还是神经剂的原材料。恐怖攻击使用这类神经剂时，探测这些化合物可以帮助应急人员迅速做出反应。 为了实现这些非常敏感的传感器材料，使用层层自主技术将酶附着在碳纳米管的表面。这些酶与神经传递素的酶完全一样，神经传递素刺激实现神经元之间的联系。然后，他们采用酶键合碳纳米管制作了直径3mm的传感器。酶接触到OP后，活性会降低。作为电极，纳米管探测活性被抑制的情况，输出弱信号，将该信息传递给一个商用电化学探测器。探测器插在笔记本计算机上，可以瞬时读出低至1ppt的OP浓度。大部分现有的OP传感器能够响应百万分之几到十亿分之几的浓度。 据研究专家测试结果所知,在 将传感器的实际效果归结于酶反应、碳纳米管优异的传导性、庞大的纳米电极阵列—。5×5mm微片电极上集成了1百万个纳米管。下一步是将微片电极集成到便携式设备中，对血液采样进行处理。 3.3关干SAMMS(自主性中孔支撑单层材料)说明 自主性中孔支撑单层材料(SAMMS,见图9所示)结合了两种最新的技术：纳米多孔陶瓷基底(左侧)和纳米多孔规则六角阵列(~6.0nm),剔除杂质的自主单层材料(右侧)与交叉链接的氢化硅端附着在微孔表面，一部分构成了单层材料的上表面。
最终形成的材料将所有微孔表面和功能单层材料(底层)排成一线，单层材料含有大量的分子，用于探测水银、铅、铬和其他的有毒金属或者重金属.SAMMS可以针对某些化学特性进行设计,根据所采用的单层材料,选择键合在多种基底上。它能够有效的在水和不含水(碳氢化合物)溶液中使用。 4、结束语 上述纳米定位、纳米自动化技术及各种定位产品中直线与旋转运动台、PIFOC显微物镜定位器、角度偏转镜、六轴并联机器人以及压电陶瓷位移元件己在众多领域得到了广泛的应用。除了PI(Physik Instrumente)公司外还有不少的制造商应运而生各有特色.纳米材料除在生物传感器,还在探测金属、放射性核材料和气体等领域应用均取得极大迸展。 |
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