一种超磁致伸缩微位移自感知驱动方法及执行器技术

一种超磁致伸缩微位移自感知驱动方法及执行器属于超精密加工与测量领域，特别涉及一种快速超精密定位运动控制方法和装置。方法基于逆磁致伸缩效应，外力导致超磁致伸缩材料的磁导率变化，即激励线圈的电感变化，通过测量线圈电感实现力的自感知。方法采用电感电桥测量激励线圈电感，调节匹配感抗和阻抗使电桥平衡，当受到外力扰动时，电桥失去平衡，通过差动运放测量不平衡电压得到激励线圈的电感值变化量，得出扰动力大小。执行器主要由圆柱型超磁致伸缩棒、激励线圈、弹性膜片和水冷套构成，根据上述方法，圆柱形线圈既提供驱动磁场也作为测量扰动力的传感器，在进行高速超精密定位运动过程中，减小外界扰动力产生的误差干扰。

【技术实现步骤摘要】
一种超磁致伸缩微位移自感知驱动方法及执行器
本专利技术属于超精密加工与测量领域，特别涉及一种超磁致伸缩微位移自感知驱动 方法及执行器。
技术介绍
对于快速纳米或亚纳米级微位移定位驱动，加、减速产生的反作用力扰动是制约 其定位精度的主要影响因素之一。基于对此变力扰动分离、补偿机理的超磁致伸缩微驱动 方法，将是解决此问题的一个有效手段。该驱动方法主要依据超磁致伸缩微驱动自身工作 机理对变力扰动量进行感知，然后高精度分离和补偿，实现高速、高加减速的纳米或亚纳米 定位驱动。微位移驱动技术与纳米或亚纳米检测技术和高频响反馈控制技术并列为现代信 息制造领域，如纳米技术、微电子技术和超精密工程领域中构成核心基础单元的三大关键 技术。随着纳米加工技术和下一代微线宽极大规模集成电路芯片制作技术的快速发展，对 上述核心基础单元技术提出了更新更高的要求，特别对微位移驱动技术提出了一些特殊要 求，因而它成为现代信息制造技术发展中的关键技术之一。在极大规模集成电路(IC)制造 中，随着集成度的不断提高，硅片微刻蚀线宽已达到纳米级，如目前将推向市场的硅片线宽 达45nm，而下一代达到32nm以下，理论分析表明，最终达到5nm线宽是可能的。对与之相 应的工艺设备(如分步重复投影光刻机、步进扫描光刻机等)的微位移定位精度为线宽的 1/3-1/5，即达到纳米级或亚纳米级的精度。极大规模集成电路(IC)制造是信息产业的基 石，是关系国家利益、国防安全和国家经济发展的战略性产业。其运行精度、速度、加速度、 重复定位精度和同步扫描精度是影响整机成像质量、套刻精度和产片率的重要因素。为了 满足高速、高精度的运动需求，微位移驱动必须具有极高的动态响应和定位精度，先进的微 位移驱动方法和理论是至关重要的环节。在其它纳米测量和加工技术应用领域，微位移驱动技术同样起着至关重要的作 用。如，在SPM(扫描探针技术)方面，则要求可以实现对固体表面上的原子进行操作和移 植的纳米加工技术，这是当前国际上纳米科技的一个重要方面。SPM对高密度信息存储、纳 米电子器件、量子阱器件、新型材料的组成等高科技领域将会产生非常重要的影响。SPM也 需要将纳米级的线性三自由度X、Y、Z运动用于探测分三子和原子的特征。这里对微位移驱 动的位移灵敏度、无漂移特性、大输出范围和大输出力提出了更严苛的要求。另外，生物芯片的制作的核心技术由三维微驱动工作台。控制驱动单元可以操纵 生物喷射、空气喷射、微剂量注射分配等。在X方向上喷射生物分子点和生物分子条，而每 点所用液体量由微体积至细微体积可调。其合成密度和精度非常高，致使该微驱动和微操 作系统可在1. 6cm2的面积上合成40万组寡核苷酸。这不仅要求微驱动器的高位移灵敏度， 还要求在微体积下的高频响和大输出力。鉴于微位移驱动技术的重要性，美国国家标准局首先开展微位移机构的研究， 将研制出的柔性支撑-压电驱动微位移工作台用于航天技术中；日本日立公司将研制的X-Y- Θ三自由度微位移工作台用于投影光刻机和电子束曝光机；英国Queensgate公司研制了纳米级工件台；日本筑波大学、名古屋大学、东京大学、早稻田大学及富士通研究所等单位十年前就开始研究各种无间隙直接驱动和控制方法；德国PI公司开发出PI系列产品， 包括高定位精度的微驱动机构。国内清华大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学等的科研机构分别研制出压电陶瓷驱动精密驱动器，并取得了不少的成果。综上，微位移驱动技术的纳米或亚纳米位移灵敏度特性是纳米技术、微电子技术和超精密工程领域的关键技术问题，但具有高速、高加减速的微位移技术更是该领域的核心技术问题。而且可以肯定解决这些极限技术问题对推动本学科前沿技术水平的提高和一系列重大关键技术的突破具有十分重大的意义。超磁致伸缩是材料组织内部的磁畴旋转使材料发生应变的结果。随着磁场的增加，磁畴向磁化方向旋转，于是材料发生了弹性变形。随着超磁致伸缩材料特性的改进，尤其是实用化特性的改进，开始被应用于水声换能器当中，并逐渐开展了被应用于其它领域的研究。日本茨城大学的江田弘研制的超磁致伸缩微位移驱动器采用偏置磁场，可以达到 50nm的位移精度，随后采用恒温控制装置，将温度控制在O. 01°C，从而降低了线圈发热的问题，位移灵敏度达5nm，并成功地应用于多维工作台的驱动中。国内大连理工大学的贾振元教授、浙江大学和河北工业大学等教授对超磁致伸缩原理的微位移技术的研究均有深厚基础。由于超磁致伸缩微位移驱动技术具有的位移量大，能量密度高等特点，其在精密定位领域也正受到人们的重视。采用超磁致伸缩材料研制的微位移驱动器，以其特有的位移灵敏度高、位移量大、输出力大等特点，在超精密定位领域内有着广泛的应用前景。因而世界各国都争相开展超磁致伸缩微位移驱动技术的研究，争取尽早占领这个市场，但目前还都处于实验室研究阶段。我国在超磁致伸缩材料领域的研究还处于刚开始起步阶段，对于超磁致伸缩微位移驱动器的研究还基本是空白。在超磁致伸缩执行器的输出位移的过程中加速，减速或者由于负载的变化会导致执行器收到扰动力的作用，超磁致伸缩执行器在恒力的作用下具有良好的线性输出，当存在变力的作用时，输出严重非线性，因此提取变力扰动量是十分必要的。在微位移执行器进行高速高加减速度下超精密定位中，干扰力的测量和补偿是其核心问题，所以超磁致伸缩微位移执行器在超精密定位运动控制中，扰动力的影响同样是不可避免的。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有技术中存在的不足，提出一种超磁致伸缩微位移自感知驱动方法及执行器装置，解决了超磁致伸缩微位移驱动过程中干扰力影响的问题。在外力的作用下超磁致伸缩材料内部产生应变，从而产生应力，为满足能量极小的原理，磁畴向垂直于外力的方向偏转，超磁致伸缩棒的磁化强度发生变化，磁导率变化进而导致外部圆柱形激励线圈电感变化，建立电感和力的模型就可以实现力的自感知。本专利技术的目的是这样实现的一种超磁致伸缩微 位移自感知驱动方法，该方法包括以下步骤第一步，用恒流源放大电路为超磁致伸缩执行器的圆柱型线圈提供激励电流，使之产生均匀磁场，当驱动磁场稳定时，超磁致伸缩棒产生伸缩效应，使超磁致伸缩微位移驱 动器输出位移,此时,通电圆柱型线圈的等效电阻Rl和电感LI在驱动电路中产生一定的分 压；第二步，在恒流源型放大电路基础上集成圆柱型线圈电感变化量测量的电感电桥 电路，用驱动电路作为电桥的一个桥臂，圆柱型线圈的电感LI为该桥臂待测电感，用可调 的匹配电阻和匹配电感作另一个相邻的桥臂，二者串联接入恒流源型放大电路，流经两桥 臂的电流幅值和频率相同，调节匹配电阻使之与圆柱型线圈的等效电阻Rl相等，调节匹配 电感使之与圆柱型线圈在稳定环境下的等效电感LI相等，此时，桥路输出为0，电感电桥即 达到平衡；第三步，外界扰动力作用在负载上，导致超磁致伸缩棒材料磁化强度变化，电桥失 去平衡，建立此时超磁致伸缩执行器的等效电路模型，通过差动运放电路测量得不平衡电 压AU计算得到圆柱型线圈的电感值变化量Ld;第四步，建立电感值变化量Ld和外界绕动力在超磁致伸缩微位移执行器线性模 型下的数值关系，主控单元获取电感值变化量Ld，计算出外界扰动力的大小f，控制恒流源 型放大电路的输出驱动电流源i，通过一定的补偿就可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超磁致伸缩微位移自感知驱动方法，其特征在于该方法包括以下步骤：第一步，用恒流源放大电路(7)为超磁致伸缩执行器的圆柱型线圈(2)提供激励电流，使之产生均匀磁场，当驱动磁场稳定时，超磁致伸缩棒(3)产生伸缩效应，使超磁致伸缩微位移驱动器输出位移，此时，通电圆柱型线圈(2)的等效电阻R1和电感L1在驱动电路中产生一定的分压；第二步，在恒流源型放大电路(7)基础上集成圆柱型线圈(2)电感变化量测量的电感电桥电路(1)，用驱动电路作为电桥的一个桥臂，圆柱型线圈(2)的电感L1为该桥臂待测电感，用可调的匹配电阻(5)和匹配电感(6)作另一个相邻的桥臂，二者串联接入恒流源型放大电路(7)，流经两桥臂的电流幅值和频率相同，调节匹配电阻(5)使之与圆柱型线圈(2)的等效电阻R1相等，调节匹配电感(6)使之与圆柱型线圈(2)在稳定环境下的等效电感L1相等，此时，桥路输出为0，电感电桥即达到平衡；第三步，外界扰动力(8)作用在负载(4)上，导致超磁致伸缩棒(3)材料磁化强度变化，电桥失去平衡，建立此时超磁致伸缩执行器的等效电路模型，通过差动运放电路测量得不平衡电压ΔU计算得到圆柱型线圈(2)的电感值变化量Ld；第四步，建立电感值变化量Ld和外界扰动力(8)在超磁致伸缩微位移执行器线性模型下的数值关系，主控单元获取电感值变化量Ld，计算出外界扰动力(8)的大小f，控制恒流源型放大电路(7)的输出驱动电流源i，通过一定的补偿就可以实现外界扰动力(8)作用下的精密定位，实现外界扰动力(8)的自感知。...

【技术特征摘要】
1.一种超磁致伸缩微位移自感知驱动方法，其特征在于该方法包括以下步骤第一步，用恒流源放大电路(7)为超磁致伸缩执行器的圆柱型线圈(2)提供激励电流，使之产生均匀磁场，当驱动磁场稳定时，超磁致伸缩棒(3)产生伸缩效应，使超磁致伸缩微位移驱动器输出位移，此时，通电圆柱型线圈(2)的等效电阻R1和电感L1在驱动电路中产生一定的分压；第二步，在恒流源型放大电路(7)基础上集成圆柱型线圈(2)电感变化量测量的电感电桥电路(I)，用驱动电路作为电桥的一个桥臂，圆柱型线圈(2)的电感LI为该桥臂待测电感，用可调的匹配电阻(5)和匹配电感(6)作另一个相邻的桥臂，二者串联接入恒流源型放大电路(7)，流经两桥臂的电流幅值和频率相同，调节匹配电阻(5)使之与圆柱型线圈(2) 的等效电阻Rl相等，调节匹配电感(6)使之与圆柱型线圈(2)在稳定环境下的等效电感LI 相等，此时，桥路输出为0，电感电桥即达到平衡；第三步，外界扰动力(8)作用在负载(4)上，导致超磁致伸缩棒(3)材料磁化强度变化，电桥失去平衡，建立此时超磁致伸缩执行器的等效电路模型，通过差动运放电路测量得不平衡电压AU计算得到圆柱型线圈(2)的电感值变化量Ld;第四步，建立电感值变化量Ld和外界扰动力(8)在超磁致伸缩微位移执行器线性模型下的数值关系，主控单元获取电感值变...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雷，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：