納米位移臺(tái)的工作原理

納米位移臺(tái)主要采用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，由光、機(jī)、電、控制軟件等多領(lǐng)域技術(shù)集成的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。

內(nèi)部由一個(gè)或多個(gè)壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)，其產(chǎn)生單軸或者多軸的運(yùn)動(dòng)；通過柔性鉸鏈技術(shù)將壓電陶瓷產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)傳遞和放大；經(jīng)電容傳感器將運(yùn)動(dòng)信息傳遞給控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)對(duì)該運(yùn)動(dòng)進(jìn)行修正、補(bǔ)償和控制；在對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制時(shí)，可實(shí)現(xiàn)納米、亞納米級(jí)別的運(yùn)動(dòng)分辨率和運(yùn)動(dòng)控制精度。

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一個(gè)火柴盒大小、外殼包覆金屬的小方塊，通過電壓控制能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)別的位移，可以用于對(duì)精度要求高的科學(xué)實(shí)驗(yàn)、制造和半導(dǎo)體工業(yè)等領(lǐng)域。日前，在松山湖材料實(shí)驗(yàn)室科研設(shè)備產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人許智展示了該團(tuán)隊(duì)擁有核心技術(shù)的壓電驅(qū)動(dòng)納米位移臺(tái)。

隨著微電子、納米科技和人工智能等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，定位不僅在實(shí)驗(yàn)室用途廣泛，工業(yè)界的應(yīng)用也越來越多。

“這是我們的主要產(chǎn)品之一，過去常規(guī)的驅(qū)動(dòng)定位是利用電機(jī)控制，但我們采用的是稱為壓電陶瓷的材料，給電之后產(chǎn)生微小形變，利用這微米級(jí)的微小形變讓臺(tái)子發(fā)生位移。”許智介紹道，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的壓電驅(qū)動(dòng)納米位移臺(tái)一方面位移范圍大，另一方面定位精度可以達(dá)到零點(diǎn)幾個(gè)納米，與普通微米級(jí)別定位精度相差近萬倍。

與材料實(shí)驗(yàn)室其他主攻材料研究的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)不同，科研設(shè)備產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)業(yè)方向則在于“設(shè)備”。在該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，小到一手可握的小零件，大到一人高的“大家伙”，各種不同設(shè)備都陳列其間，仿佛一間小型加工廠。

“如果說其他團(tuán)隊(duì)研究的是如何炒菜，那我們的研究就是怎么做一口鍋。”許智解釋道，當(dāng)下國內(nèi)在科研儀器的研制方面相對(duì)落后，很多設(shè)備都需要進(jìn)口。然而，儀器設(shè)備對(duì)科研的重要性不亞于“一口好鍋”。

在他看來，儀器是科研的重要基礎(chǔ)，特別是對(duì)物理學(xué)家來說，科研的創(chuàng)新是從儀器創(chuàng)新開始的，有好的儀器才能做出好的結(jié)果,初走上“硬件研究”這條道路，與他的學(xué)習(xí)經(jīng)歷密切相關(guān)。

“過去做納米材料研究，先用顯微鏡觀察材料的原子結(jié)構(gòu)，把這個(gè)材料放到另外的設(shè)備上測(cè)量材料性質(zhì)，這是非原位的研究。”許智回憶道，2000年左右他還是一名研究生，導(dǎo)師提出了在觀察原子結(jié)構(gòu)的同時(shí)進(jìn)行測(cè)量的構(gòu)想，從而把材料結(jié)構(gòu)和性能完全關(guān)聯(lián)起來。

立項(xiàng)之后，他就跟著導(dǎo)師開始相關(guān)工作，開發(fā)出了當(dāng)時(shí)世界上的首臺(tái)原子級(jí)別的觀察與測(cè)量聯(lián)用的系統(tǒng)。這成為了許智“硬件創(chuàng)業(yè)”的一個(gè)起點(diǎn)。

松山湖材料實(shí)驗(yàn)室成立之后，許智全職來到了松山湖，開始專門研究起科研設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化。“材料實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)立創(chuàng)新樣板工廠，專注于科研成果轉(zhuǎn)化。我們就意識(shí)到在實(shí)驗(yàn)室的這些技術(shù)，不光可以自己用，還應(yīng)該把它產(chǎn)業(yè)化，推廣給國內(nèi)外其他研究單位來用，提升國內(nèi)整體的儀器水平和科研水平。”

具體到當(dāng)下的工作，該團(tuán)隊(duì)主要聚焦材料生長(zhǎng)、材料表征和材料檢測(cè)三個(gè)方面。“我們的材料生長(zhǎng)設(shè)備，生長(zhǎng)的材料質(zhì)量比別人家都好，這是我們核心競(jìng)爭(zhēng)力，也是在實(shí)驗(yàn)室多年積累的結(jié)果。”許智介紹，材料表征則屬于觀測(cè)范疇，通過掃描探針顯微鏡等設(shè)備，可以把材料表面原子結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來。此外利用該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的設(shè)備，還可以進(jìn)行原子層級(jí)的測(cè)量，研究材料不同條件下的性能特征。

目前，在創(chuàng)新樣板工廠，該團(tuán)隊(duì)致力于推動(dòng)從實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)到成熟產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變，提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性、易用性和質(zhì)量的一致性，讓產(chǎn)品逐步走向市場(chǎng)。

不過，科研儀器市場(chǎng)不同于普通消費(fèi)市場(chǎng)，具有自身特點(diǎn)。“比如手機(jī)公司一年可以賣幾千萬臺(tái)，但我面向研究單位賣儀器就不會(huì)賣到那么多。”許智表示，科研設(shè)備行業(yè)的突出特點(diǎn)是技術(shù)門檻高、產(chǎn)品附加值高，同時(shí)固定資產(chǎn)投入相對(duì)較低，不需要建設(shè)大規(guī)模生產(chǎn)線，一個(gè)團(tuán)隊(duì)20個(gè)人就能完成很多事情。

實(shí)際上，技術(shù)往往存在很大的溢出效應(yīng)，研制科研設(shè)備所得的技術(shù)在其他領(lǐng)域也有意想不到的功用。在實(shí)驗(yàn)室，他向記者展示了一種特制的探針，細(xì)至僅有一個(gè)原子。“這根針可以像手一樣在這個(gè)材料表面‘摸’，用原子來‘摸’原子，操作精度得非常高。通過探測(cè)針和樣品之間微弱的電流變化，來判斷接觸狀態(tài)，從而找出材料表面的原子排布。”

得益于在微小電流等弱信號(hào)探測(cè)方面的豐富經(jīng)驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)開始拓展更廣闊的民用市場(chǎng)。近期，該團(tuán)隊(duì)正準(zhǔn)備圍繞疫情防控中存在的核酸檢測(cè)需求，啟動(dòng)快速核酸檢測(cè)項(xiàng)目。

“為了控制疫情，在武漢、北京等地都做了大量核酸檢測(cè)。但目前采用的方法較慢，今天檢測(cè)明天才有結(jié)果，另外篩查時(shí)一次好幾百萬的檢測(cè)量，為了降低成本，有時(shí)采取混合篩查手段，可能存在漏檢的問題。”許智介紹，該團(tuán)隊(duì)即將推出的快速核酸檢測(cè)技術(shù)，采用石墨烯生物傳感芯片，通過電學(xué)檢測(cè)，成本低、速度快、靈敏度高，只需5分鐘就能出結(jié)果。

這些技術(shù)，則都是基于該團(tuán)隊(duì)之前的技術(shù)積累。一是該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的材料生長(zhǎng)設(shè)備能生長(zhǎng)規(guī)模化的、均勻的石墨烯材料；二是基于該團(tuán)隊(duì)具備弱信號(hào)檢測(cè)方面的經(jīng)驗(yàn)和能力。“因?yàn)椴《镜牧糠浅Ｉ伲芴綔y(cè)到電子信號(hào)比較微弱，這恰恰和我們做原子成像的經(jīng)驗(yàn)是相通的。”

許智認(rèn)為，相關(guān)技術(shù)的突破并不僅僅用于目前的科研設(shè)備，而是通過積累逐漸形成一定的技術(shù)儲(chǔ)備，遇到新的需求就可以很快實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化。

依托材料實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新樣板工廠，該團(tuán)隊(duì)正快速推進(jìn)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

“松山湖處于大灣區(qū)核心地區(qū)，環(huán)境也很好。材料實(shí)驗(yàn)室無論是在給予的創(chuàng)業(yè)扶持，還是在住房、待遇等生活保障等方面都很到位。”許智表示，東莞在加工配套和潛在客戶對(duì)接方面，都對(duì)團(tuán)隊(duì)工作開展提供了比較好的條件，目前公司剛剛擴(kuò)充了市場(chǎng)銷售方面的人員，接下來會(huì)將一部分工作重.點(diǎn)轉(zhuǎn)向市場(chǎng)拓展，力爭(zhēng)跨過從科研到市場(chǎng)之間的“死亡谷”。

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