Piezodrive 压电管扫描器：纳米定位领域的核心执行器

在扫描探针显微镜、微纳操作和光束扫描等领域，压电管扫描器是实现纳米级精密定位的核心执行器。PiezoDrive 提供标准化及定制化的压电管扫描器产品，并可配套 TD250 放大器，构成完整的纳米定位解决方案。

Piezoelectric Tube Scanners for Nanopositioning - nanopositioning

工作原理

压电管扫描器是径向极化的薄壁压电陶瓷圆管，具有四个外部电极和一个连续的内部电极。

横向偏转：当电压施加到其中一个外部电极时，管的自由端会朝施加电压的方向弯曲。
垂直伸缩：通过向所有外部电极施加相等电压，或向内部电极施加电压，可实现垂直方向的伸缩。

偏转公式：

Δx = Vx × (√2 × d31 × L²) / (π × D × h)

其中：

Δx、Δy 为 X、Y 轴偏转量
d31 为压电应变常数
L 为管长，D 为外径，h 为管壁厚度
Vx、Vy 为施加在管两侧的电极电压

也可简化为：

Δx = Vx × ScanRange / (2 × |MaxVoltage|)

产品规格

订购代码	长度	直径	厚度	电极间隙	最大电压	扫描范围	延伸范围	谐振频率	象限电容
TB1003-N	10.0 mm	3.0 mm	0.40 mm	0.5 mm	±160 V	6.4 µm	2.1 µm	15 kHz	TBA
TB2003-N	20.0 mm	3.0 mm	0.40 mm	0.5 mm	±160 V	25 µm	4.2 µm	3.8 kHz	TBA
TB3003-N	30.0 mm	3.0 mm	0.40 mm	0.5 mm	±160 V	57 µm	6.4 µm	1.6 kHz	TBA
TB1006-N	10.0 mm	6.0 mm	0.65 mm	0.7 mm	±260 V	3.2 µm	2.1 µm	31 kHz	3 nF
TB2006-N	20.0 mm	6.0 mm	0.65 mm	0.7 mm	±260 V	13 µm	4.2 µm	7.7 kHz	4 nF
TB3006-N	30.0 mm	6.0 mm	0.65 mm	0.7 mm	±260 V	29 µm	6.3 µm	3.4 kHz	6 nF
TB4006-N	40.0 mm	6.0 mm	0.65 mm	0.7 mm	±260 V	51 µm	7.4 µm	1.9 kHz	6 nF
TB5006-N	50.0 mm	6.0 mm	0.65 mm	0.7 mm	±260 V	80 µm	11 µm	1.2 kHz	10 nF
TB6006-N	60.0 mm	6.0 mm	0.65 mm	0.7 mm	±260 V	114 µm	13 µm	850 Hz	11 nF
TB10006-N	100.0 mm	6.0 mm	0.65 mm	0.7 mm	±260 V	318 µm	21 µm	310 Hz	19 nF

备注：

长度、直径、厚度、电极间隙均有公差
最大电压为任一外部电极与接地内部电极之间的推荐双极电压
扫描范围为固定底座、自由端条件下，X 或 Y 电极施加最大电压时的峰峰值水平偏转
延伸范围为所有外部电极施加最大电压、外部电极接地时的峰峰值垂直偏转
谐振频率为固定底座、自由端条件下的第一弯曲模式谐振频率
电容为一个外部电极与内部电极之间的电容

驱动压电管：TD250 放大器

TD250 是一款超低噪声、六通道 250V 放大器，专为驱动压电管扫描器而优化。

驱动内部电极配置（也称为“全长度”配置）可提供最大的 X、Y、Z 行程范围：

X、Y 电极以标准方式驱动，施加相等且相反的电压
通过向内部电极施加负电压，可获得等于垂直扫描范围一半的收缩量

垂直偏转公式：

ΔL = Vz × (-d31 × L) / h

其中 Vz 为施加在内部电极上的严格负电压。

注意：该方法利用压电材料较高的正电场强度（通常为负电场强度的五倍）。必须注意不要向内部电极施加正电压，否则可能导致去极化。

接线示例：

X 轴偏转由 In1 信号（±10V）控制，在 +X 电极产生非反相 ±250V 信号，在 -X 电极产生反相 ±250V 信号
Y 轴驱动方案与 X 轴相同
垂直 Z 轴偏转由 In5（0V 至 -10V）控制，在内部电极产生最高 -250V 的负电压

安装

最常见的安装配置是悬臂式：固定底座，自由端。

底座可直接粘接到绝缘表面，使用通用双组分环氧树脂（如 Loctite 3430）
也可粘接到导电表面，只要高压电极与表面之间保持 >0.5mm 的间隙

电极

标准电极为镍（-N）或银（-S）薄膜电极：

电极材料	优点	缺点
银（-S）	不受磁场极化	随时间易氧化
镍（-N）	抗氧化、易焊接	有微小磁导率（约铁的0.1%）

尽管镍有微小磁导率，但由于电极材料质量极低，其产生的磁力可忽略不计，因此许多高磁场应用仍可使用镍电极。镍是库存管的标准电极材料。

注意：两种电极材料都会被皮肤上自然存在的酸降解，处理时请戴手套。

电流需求与功率带宽

所需电流为：I = C × dV/dt

对于正弦波，所需峰值电流为：

Ip = π × C × f × Vp-p

对于三角波，所需峰值电流为：

Ip = 2 × C × f × Vp-p

接线与安装选项

可提供端盖和安装底座，以简化安装和负载连接。还提供组装和接线服务。

标准接线：30AWG 单芯铜线，PVDF（Kynar）绝缘，外径 0.5mm，额定 300V。

温度范围：标准组件的环氧胶粘剂和导线绝缘适用于 -45°C 至 +80°C。

真空兼容：标准胶粘剂挥发性有机物含量约 3%，在高真空中会有一定放气。对于需要低温和/或高真空的应用，可选用 -Cryo4KVacuum 选项，采用低温低放气环氧胶粘剂和 PTFE 绝缘线，适用于低至 10⁻⁶ mbar 的真空压力。

订购代码

格式：(Tube Order Code)-(Base)-(Top Cap)-(Bottom Cap)-(Assembled)-(Wiring)-(Connector)-L(Length)

字段	说明
Tube Order Code	如 TB6006-N
Base	无底座留空，或 B
Top Cap	无顶盖留空，或 TC
Bottom Cap	无底盖留空，或 BC（不可与底座同时使用）
Assembled	未组装留空，或 A（仅与 B、TC、BC 配合使用）
Wiring	无接线留空；W 仅管接线（需组装）；V 垂直接线（不可与底座配合）；H 水平接线（不可与底座配合）
Connector	未端接留空，或 DSUB（需选择接线选项）
Length	接线长度（米，需选择接线选项）

示例：

TB6006-N-B-TC-A-W-DSUB-L1：带底座、顶盖、1米 D-Sub 电缆的组装管
TB6006-N-V-L1：带1米未端接垂直接线的管
TB2006-N-B-TC：带底座和顶盖，但未组装、未接线

焊接说明

可使用导电环氧胶（Circuitworks CW2400）或焊锡与松香助焊剂连接导线。

推荐步骤：

剥去导线末端 3-5mm，镀锡，修剪至 2mm
用棉签蘸取少量助焊剂，在管上擦拭 2mm 直径区域
将烙铁温度设为 300°C
用热尖端和焊锡在管上沉积 2mm 直径焊点
将镀锡导线短暂接触焊点连接
用异丙醇或丙酮清洁助焊剂
戴手套处理管子，避免留下指纹

真空兼容性

压电管不含任何放气材料，完全真空兼容。

低温兼容性

PZT-5H 材料在低温下表现良好。作为参考：

位移灵敏度降低约 5 倍
但在低温下，施加电压可从 ±250V 提高至 ±1000V，可恢复大部分室温偏转

示例（TB5509，室温 66 µm @ ±250V）：

低温下：66 µm × 0.2 = 13.2 µm
±500V：66 µm × 0.2 × 2 = 26.4 µm
±1000V：66 µm × 0.2 × 4 = 52.8 µm

选项 / OEM 定制

定制尺寸和厚度
定制电极配置
定制接线安排 / 连接器
安装平台设计与制造

压电特性

属性	符号	数值	单位
压电常数	d33	600	10⁻¹² m/V
	d31	-270	10⁻¹² m/V
	g33	19.4	10⁻³ Vm/N
	g31	-9.2	10⁻³ Vm/N
机电耦合系数	Kp	0.65	—
	Kt	0.37	—
	K31	0.38	—
频率常数	Np	1980	Hz-m
	Nt	1950	Hz-m
	N31	1450	Hz-m
弹性常数	Y33	5.3	10¹⁰ N/m²
	Y11	7.2	10¹⁰ N/m²
Q 值	Qm	80	—
介电常数	ε33/ε0	3500	@1 kHz
损耗因子	tan δ	2.5	% @1 kHz
居里温度	Tc	220	°C
密度	ρ	7.8	g/cm³
热膨胀系数（极化轴）	α	3.5	ppm/K

纳米定位领域的核心执行器。

无论您需要用于扫描探针显微镜的 XYZ 纳米定位器，还是微纳操作、光束扫描等应用，PiezoDrive 的压电管扫描器都能提供标准化或定制化的解决方案，并可配套 TD250 放大器实现完整系统。

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