專利名稱：一種超磁致伸縮微位移自感知驅(qū)動方法及執(zhí)行器的制作方法
一種超磁致伸縮微位移自感知驅(qū)動方法及執(zhí)行器技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于超精密加工與測量領(lǐng)域，特別涉及一種超磁致伸縮微位移自感知驅(qū)動 方法及執(zhí)行器。
背景技術(shù)：
對于快速納米或亞納米級微位移定位驅(qū)動，加、減速產(chǎn)生的反作用力擾動是制約 其定位精度的主要影響因素之一?；趯Υ俗兞_動分離、補(bǔ)償機(jī)理的超磁致伸縮微驅(qū)動 方法，將是解決此問題的一個(gè)有效手段。該驅(qū)動方法主要依據(jù)超磁致伸縮微驅(qū)動自身工作 機(jī)理對變力擾動量進(jìn)行感知，然后高精度分離和補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)高速、高加減速的納米或亞納米 定位驅(qū)動。
微位移驅(qū)動技術(shù)與納米或亞納米檢測技術(shù)和高頻響反饋控制技術(shù)并列為現(xiàn)代信 息制造領(lǐng)域，如納米技術(shù)、微電子技術(shù)和超精密工程領(lǐng)域中構(gòu)成核心基礎(chǔ)單元的三大關(guān)鍵 技術(shù)。隨著納米加工技術(shù)和下一代微線寬極大規(guī)模集成電路芯片制作技術(shù)的快速發(fā)展，對 上述核心基礎(chǔ)單元技術(shù)提出了更新更高的要求，特別對微位移驅(qū)動技術(shù)提出了一些特殊要 求，因而它成為現(xiàn)代信息制造技術(shù)發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)之一。在極大規(guī)模集成電路(IC)制造 中，隨著集成度的不斷提高，硅片微刻蝕線寬已達(dá)到納米級，如目前將推向市場的硅片線寬 達(dá)45nm，而下一代達(dá)到32nm以下，理論分析表明，最終達(dá)到5nm線寬是可能的。對與之相 應(yīng)的工藝設(shè)備(如分步重復(fù)投影光刻機(jī)、步進(jìn)掃描光刻機(jī)等)的微位移定位精度為線寬的 1/3-1/5，即達(dá)到納米級或亞納米級的精度。極大規(guī)模集成電路(IC)制造是信息產(chǎn)業(yè)的基 石，是關(guān)系國家利益、國防安全和國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。其運(yùn)行精度、速度、加速度、 重復(fù)定位精度和同步掃描精度是影響整機(jī)成像質(zhì)量、套刻精度和產(chǎn)片率的重要因素。為了 滿足高速、高精度的運(yùn)動需求，微位移驅(qū)動必須具有極高的動態(tài)響應(yīng)和定位精度，先進(jìn)的微 位移驅(qū)動方法和理論是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。
在其它納米測量和加工技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，微位移驅(qū)動技術(shù)同樣起著至關(guān)重要的作 用。如，在SPM(掃描探針技術(shù))方面，則要求可以實(shí)現(xiàn)對固體表面上的原子進(jìn)行操作和移 植的納米加工技術(shù)，這是當(dāng)前國際上納米科技的一個(gè)重要方面。SPM對高密度信息存儲、納 米電子器件、量子阱器件、新型材料的組成等高科技領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生非常重要的影響。SPM也 需要將納米級的線性三自由度X、Y、Z運(yùn)動用于探測分三子和原子的特征。這里對微位移驅(qū) 動的位移靈敏度、無漂移特性、大輸出范圍和大輸出力提出了更嚴(yán)苛的要求。
另外，生物芯片的制作的核心技術(shù)由三維微驅(qū)動工作臺。控制驅(qū)動單元可以操縱 生物噴射、空氣噴射、微劑量注射分配等。在X方向上噴射生物分子點(diǎn)和生物分子條，而每 點(diǎn)所用液體量由微體積至細(xì)微體積可調(diào)。其合成密度和精度非常高，致使該微驅(qū)動和微操 作系統(tǒng)可在1. 6cm2的面積上合成40萬組寡核苷酸。這不僅要求微驅(qū)動器的高位移靈敏度， 還要求在微體積下的高頻響和大輸出力。
鑒于微位移驅(qū)動技術(shù)的重要性，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局首先開展微位移機(jī)構(gòu)的研究， 將研制出的柔性支撐-壓電驅(qū)動微位移工作臺用于航天技術(shù)中；日本日立公司將研制的X-Y- Θ三自由度微位移工作臺用于投影光刻機(jī)和電子束曝光機(jī)；英國Queensgate公司研制了納米級工件臺；日本筑波大學(xué)、名古屋大學(xué)、東京大學(xué)、早稻田大學(xué)及富士通研究所等單位十年前就開始研究各種無間隙直接驅(qū)動和控制方法；德國PI公司開發(fā)出PI系列產(chǎn)品， 包括高定位精度的微驅(qū)動機(jī)構(gòu)。國內(nèi)清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等的科研機(jī)構(gòu)分別研制出壓電陶瓷驅(qū)動精密驅(qū)動器，并取得了不少的成果。
綜上，微位移驅(qū)動技術(shù)的納米或亞納米位移靈敏度特性是納米技術(shù)、微電子技術(shù)和超精密工程領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)問題，但具有高速、高加減速的微位移技術(shù)更是該領(lǐng)域的核心技術(shù)問題。而且可以肯定解決這些極限技術(shù)問題對推動本學(xué)科前沿技術(shù)水平的提高和一系列重大關(guān)鍵技術(shù)的突破具有十分重大的意義。
超磁致伸縮是材料組織內(nèi)部的磁疇旋轉(zhuǎn)使材料發(fā)生應(yīng)變的結(jié)果。隨著磁場的增加，磁疇向磁化方向旋轉(zhuǎn)，于是材料發(fā)生了彈性變形。隨著超磁致伸縮材料特性的改進(jìn)，尤其是實(shí)用化特性的改進(jìn)，開始被應(yīng)用于水聲換能器當(dāng)中，并逐漸開展了被應(yīng)用于其它領(lǐng)域的研究。日本茨城大學(xué)的江田弘研制的超磁致伸縮微位移驅(qū)動器采用偏置磁場，可以達(dá)到 50nm的位移精度，隨后采用恒溫控制裝置，將溫度控制在O. 01°C，從而降低了線圈發(fā)熱的問題，位移靈敏度達(dá)5nm，并成功地應(yīng)用于多維工作臺的驅(qū)動中。國內(nèi)大連理工大學(xué)的賈振元教授、浙江大學(xué)和河北工業(yè)大學(xué)等教授對超磁致伸縮原理的微位移技術(shù)的研究均有深厚基礎(chǔ)。由于超磁致伸縮微位移驅(qū)動技術(shù)具有的位移量大，能量密度高等特點(diǎn)，其在精密定位領(lǐng)域也正受到人們的重視。采用超磁致伸縮材料研制的微位移驅(qū)動器，以其特有的位移靈敏度高、位移量大、輸出力大等特點(diǎn)，在超精密定位領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用前景。因而世界各國都爭相開展超磁致伸縮微位移驅(qū)動技術(shù)的研究，爭取盡早占領(lǐng)這個(gè)市場，但目前還都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
我國在超磁致伸縮材料領(lǐng)域的研究還處于剛開始起步階段，對于超磁致伸縮微位移驅(qū)動器的研究還基本是空白。在超磁致伸縮執(zhí)行器的輸出位移的過程中加速，減速或者由于負(fù)載的變化會導(dǎo)致執(zhí)行器收到擾動力的作用，超磁致伸縮執(zhí)行器在恒力的作用下具有良好的線性輸出，當(dāng)存在變力的作用時(shí)，輸出嚴(yán)重非線性，因此提取變力擾動量是十分必要的。
在微位移執(zhí)行器進(jìn)行高速高加減速度下超精密定位中，干擾力的測量和補(bǔ)償是其核心問題，所以超磁致伸縮微位移執(zhí)行器在超精密定位運(yùn)動控制中，擾動力的影響同樣是不可避免的。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提出一種超磁致伸縮微位移自感知驅(qū)動方法及執(zhí)行器裝置，解決了超磁致伸縮微位移驅(qū)動過程中干擾力影響的問題。在外力的作用下超磁致伸縮材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變，從而產(chǎn)生應(yīng)力，為滿足能量極小的原理，磁疇向垂直于外力的方向偏轉(zhuǎn)，超磁致伸縮棒的磁化強(qiáng)度發(fā)生變化，磁導(dǎo)率變化進(jìn)而導(dǎo)致外部圓柱形激勵線圈電感變化，建立電感和力的模型就可以實(shí)現(xiàn)力的自感知。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種超磁致伸縮微 位移自感知驅(qū)動方法，該方法包括以下步驟
第一步，用恒流源放大電路為超磁致伸縮執(zhí)行器的圓柱型線圈提供激勵電流，使之產(chǎn)生均勻磁場，當(dāng)驅(qū)動磁場穩(wěn)定時(shí)，超磁致伸縮棒產(chǎn)生伸縮效應(yīng)，使超磁致伸縮微位移驅(qū) 動器輸出位移,此時(shí),通電圓柱型線圈的等效電阻Rl和電感LI在驅(qū)動電路中產(chǎn)生一定的分 壓；
第二步，在恒流源型放大電路基礎(chǔ)上集成圓柱型線圈電感變化量測量的電感電橋 電路，用驅(qū)動電路作為電橋的一個(gè)橋臂，圓柱型線圈的電感LI為該橋臂待測電感，用可調(diào) 的匹配電阻和匹配電感作另一個(gè)相鄰的橋臂，二者串聯(lián)接入恒流源型放大電路，流經(jīng)兩橋 臂的電流幅值和頻率相同，調(diào)節(jié)匹配電阻使之與圓柱型線圈的等效電阻Rl相等，調(diào)節(jié)匹配 電感使之與圓柱型線圈在穩(wěn)定環(huán)境下的等效電感LI相等，此時(shí)，橋路輸出為0，電感電橋即 達(dá)到平衡；
第三步，外界擾動力作用在負(fù)載上，導(dǎo)致超磁致伸縮棒材料磁化強(qiáng)度變化，電橋失 去平衡，建立此時(shí)超磁致伸縮執(zhí)行器的等效電路模型，通過差動運(yùn)放電路測量得不平衡電 壓AU計(jì)算得到圓柱型線圈的電感值變化量Ld;
第四步，建立電感值變化量Ld和外界繞動力在超磁致伸縮微位移執(zhí)行器線性模 型下的數(shù)值關(guān)系，主控單元獲取電感值變化量Ld，計(jì)算出外界擾動力的大小f，控制恒流源 型放大電路的輸出驅(qū)動電流源i，通過一定的補(bǔ)償就可以實(shí)現(xiàn)變力作用下的精密定位，實(shí)現(xiàn) 力的自感知。
一種基于上述方法的超磁致伸縮微位移自感知執(zhí)行器，超磁致伸縮材料棒處于軸 對稱的空心圓柱型線圈結(jié)構(gòu)中心，圓柱型線圈產(chǎn)生均勻磁場驅(qū)動磁致伸縮棒伸縮，并通過 柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)輸出位移，圓柱型線圈外側(cè)有水冷套結(jié)構(gòu)，保證執(zhí)行器工作在恒定的溫度環(huán) 境下，恒流源型放大電路為圓柱型線圈提供程控幅值和頻率可調(diào)的驅(qū)動電流，產(chǎn)生超磁致 伸縮材料棒工作需要的磁場，基于逆磁致伸縮效應(yīng)建立外界擾動力和激勵線圈的電感值變 化量Ld的關(guān)系模型，通過電感電橋電路測量圓柱型線圈的電感值變化量Ld，在恒流源型放 大電路上引入電感電橋電路，閉環(huán)調(diào)節(jié)驅(qū)動電流源i，實(shí)現(xiàn)變力作用下的驅(qū)動定位。
超磁致伸縮微位移自感知驅(qū)動方法，圓柱型線圈的驅(qū)動電流源i變化頻率在 OHz 2kHz之間，電橋的調(diào)制電流頻率同樣在OHz 2kHz之間。
超磁致伸縮微位移自感知驅(qū)動方法，平衡電橋?yàn)殡姼须姌螂娐罚浣Y(jié)構(gòu)采用一種 開爾文電橋與有源電橋結(jié)合的電感電橋。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
I采用電感電橋的方法，適用于超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的動態(tài)檢測，提高了動態(tài) 過程中執(zhí)行器等效感抗的測量精度；
2建立了力和電感值變化量的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)了外力自感知，該方法中圓柱型線圈 在提供驅(qū)動磁場的同時(shí)能夠作為測量外力的傳感器；
3 —定程度上解決了超磁致伸縮微位移執(zhí)行器驅(qū)動定位過程中外界擾動力的干擾 問題，抑制了輸出位移的非線性，提高了超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的定位精度。


圖1基于超磁致伸縮微位移自感知原理簡圖2基于超磁致伸縮微位移自感知驅(qū)動方法。
其中1電感電橋電路；2圓柱型線圈；3超磁致伸縮棒；4負(fù)載；5匹配電阻；6匹配電感-J恒流源放大電路；8外界擾動力。
具體實(shí)施方式
一種超磁致伸縮微位移自感知驅(qū)動方法，下面結(jié)合附圖對該方法實(shí)施步驟作詳細(xì) 說明
第一步，恒流源放大電路7為超磁致伸縮執(zhí)行器的圓柱型線圈2提供激勵電流，使 之產(chǎn)生均勻磁場，當(dāng)驅(qū)動磁場穩(wěn)定時(shí)，超磁致伸縮棒3產(chǎn)生伸縮效應(yīng)，使超磁致伸縮微位移 驅(qū)動器輸出位移，此時(shí)，通電圓柱型線圈2的等效電阻R1和電感L1在驅(qū)動電路中產(chǎn)生一定 的分壓；
第二步，在恒流源型放大電路7基礎(chǔ)上集成圓柱型線圈2電感變化量測量的電感 電橋電路1，用驅(qū)動電路作為電橋的一個(gè)橋臂，圓柱型線圈2的電感L1為該橋臂待測電感， 用可調(diào)的匹配電阻5和匹配電感6作另一個(gè)相鄰的橋臂，二者串聯(lián)接入恒流源型放大電路 7，流經(jīng)兩橋臂的電流幅值和頻率相同，調(diào)節(jié)匹配電阻5使之與圓柱型線圈2的等效電阻R1 相等，調(diào)節(jié)匹配電感6使之與圓柱型線圈2在穩(wěn)定環(huán)境下的等效電感L1相等，此時(shí)，橋路輸 出為0，電感電橋即達(dá)到平衡；
第三步，外界擾動力8作用在負(fù)載4上，導(dǎo)致超磁致伸縮棒3材料磁化強(qiáng)度變化， 電橋失去平衡，建立此時(shí)超磁致伸縮執(zhí)行器的等效電路模型，通過差動運(yùn)放電路測量得不 平衡電壓AU計(jì)算得到圓柱型線圈2的電感值變化量Ld ；
第四步，建立電感值變化量Ld和外界繞動力在超磁致伸縮微位移執(zhí)行器線性模 型下的數(shù)值關(guān)系，主控單元獲取電感值變化量Ld，計(jì)算出外界擾動力的大小f，控制恒流源 型放大電路的輸出驅(qū)動電流源i，通過一定的補(bǔ)償就可以實(shí)現(xiàn)變力作用下的精密定位，實(shí)現(xiàn) 力的自感知。
設(shè)計(jì)一種基于上述方法的超磁致伸縮微位移自感知執(zhí)行器，超磁致伸縮材料棒3 處于軸對稱的空心圓柱型線圈2結(jié)構(gòu)中心，圓柱型線圈2產(chǎn)生均勻磁場驅(qū)動磁致伸縮棒3 伸縮，并通過柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)輸出位移，圓柱型線圈2外側(cè)有水冷套結(jié)構(gòu)，保證執(zhí)行器工作在 恒定的溫度環(huán)境下，恒流源型放大電路7為圓柱型線圈2提供程控幅值和頻率可調(diào)的驅(qū)動 電流，產(chǎn)生超磁致伸縮材料棒3工作需要的磁場，其特征在于基于逆磁致伸縮效應(yīng)建立外 界擾動力8和激勵線圈2的電感值變化量Ld的關(guān)系模型，通過電感電橋電路I測量圓柱型 線圈2的電感值變化量Ld，在恒流源型放大電路7上引入電感電橋電路1，閉環(huán)調(diào)節(jié)驅(qū)動電 流源i，實(shí)現(xiàn)變力作用下的驅(qū)動定位。
超磁致伸縮微位移自感知驅(qū)動方法，圓柱型線圈2的驅(qū)動電流源i變化頻率在 OHz 2kHz之間，電橋的調(diào)制電流頻率同樣在OHz 2kHz之間。
超磁致伸縮微位移自感知驅(qū)動方法，平衡電橋?yàn)殡姼须姌螂娐?，其結(jié)構(gòu)采用一種 開爾文電橋與有源電橋結(jié)合的電感電橋。
本發(fā)明中微位移執(zhí)行器中采用的材料為Tba27Dya73Feh95，在室溫下具有極大磁致 伸縮應(yīng)變。材料本身具有能量轉(zhuǎn)換能力高，響應(yīng)速度快，可精密定位，可靠性高，低壓驅(qū)動等 優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)外界擾動力8作用在超磁致伸縮棒3，引起材料磁化強(qiáng)度變化，進(jìn)而引起超磁致 伸縮位移執(zhí)行器激勵線圈等效電感L1發(fā)生變化產(chǎn)生附加電感值Ld，電橋失去平衡，差動運(yùn)放電路測量得不平衡電壓AU是由圓柱型線圈2的電感值變化Ld引起的，分析電路結(jié)構(gòu)得出
權(quán)利要求
1.一種超磁致伸縮微位移自感知驅(qū)動方法，其特征在于該方法包括以下步驟第一步，用恒流源放大電路(7)為超磁致伸縮執(zhí)行器的圓柱型線圈(2)提供激勵電流，使之產(chǎn)生均勻磁場，當(dāng)驅(qū)動磁場穩(wěn)定時(shí)，超磁致伸縮棒(3)產(chǎn)生伸縮效應(yīng)，使超磁致伸縮微位移驅(qū)動器輸出位移，此時(shí)，通電圓柱型線圈(2)的等效電阻R1和電感L1在驅(qū)動電路中產(chǎn)生一定的分壓；第二步，在恒流源型放大電路(7)基礎(chǔ)上集成圓柱型線圈(2)電感變化量測量的電感電橋電路(I)，用驅(qū)動電路作為電橋的一個(gè)橋臂，圓柱型線圈(2)的電感LI為該橋臂待測電感，用可調(diào)的匹配電阻(5)和匹配電感(6)作另一個(gè)相鄰的橋臂，二者串聯(lián)接入恒流源型放大電路(7)，流經(jīng)兩橋臂的電流幅值和頻率相同，調(diào)節(jié)匹配電阻(5)使之與圓柱型線圈(2) 的等效電阻Rl相等，調(diào)節(jié)匹配電感(6)使之與圓柱型線圈(2)在穩(wěn)定環(huán)境下的等效電感LI 相等，此時(shí)，橋路輸出為0，電感電橋即達(dá)到平衡；第三步，外界擾動力(8)作用在負(fù)載(4)上，導(dǎo)致超磁致伸縮棒(3)材料磁化強(qiáng)度變化，電橋失去平衡，建立此時(shí)超磁致伸縮執(zhí)行器的等效電路模型，通過差動運(yùn)放電路測量得不平衡電壓AU計(jì)算得到圓柱型線圈(2)的電感值變化量Ld;第四步，建立電感值變化量Ld和外界擾動力(8)在超磁致伸縮微位移執(zhí)行器線性模型下的數(shù)值關(guān)系，主控單元獲取電感值變化量Ld，計(jì)算出外界擾動力(8)的大小f，控制恒流源型放大電路(7)的輸出驅(qū)動電流源i，通過一定的補(bǔ)償就可以實(shí)現(xiàn)外界擾動力(8)作用下的精密定位，實(shí)現(xiàn)外界擾動力(8)的自感知。
2.一種如權(quán)利要求1所述方法的超磁致伸縮微位移自感知執(zhí)行器，超磁致伸縮材料棒(3)處于軸對稱的空心圓柱型線圈(2)結(jié)構(gòu)中心，圓柱型線圈(2)產(chǎn)生均勻磁場驅(qū)動磁致伸縮棒(3)伸縮，并通過柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)輸出位移，圓柱型線圈(2)外側(cè)有水冷套結(jié)構(gòu)，保證執(zhí)行器工作在恒定的溫度環(huán)境下，恒流源型放大電路(7)為圓柱型線圈(2)提供程控幅值和頻率可調(diào)的驅(qū)動電流，產(chǎn)生超磁致伸縮材料棒(3)工作需要的磁場，其特征在于基于逆磁致伸縮效應(yīng)建立外界擾動力(8)和激勵線圈(2)的電感值變化量Ld的關(guān)系模型，通過電感電橋電路⑴測量圓柱型線圈⑵的電感值變化量Ld，在恒流源型放大電路(7)上引入電感電橋電路(I)，閉環(huán)調(diào)節(jié)驅(qū)動電流源i，實(shí)現(xiàn)變力作用下的驅(qū)動定位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超磁致伸縮微位移自感知驅(qū)動方法，其特征在于圓柱型線圈⑵的驅(qū)動電流源i變化頻率在OHz 2kHz之間，電橋的調(diào)制電流頻率同樣在OHz 2kHz之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超磁致伸縮微位移自感知驅(qū)動方法，其特征在于平衡電橋?yàn)殡姼须姌螂娐?I)，其結(jié)構(gòu)采用一種開爾文電橋與有源電橋結(jié)合的電感電橋。
全文摘要
一種超磁致伸縮微位移自感知驅(qū)動方法及執(zhí)行器屬于超精密加工與測量領(lǐng)域，特別涉及一種快速超精密定位運(yùn)動控制方法和裝置。方法基于逆磁致伸縮效應(yīng)，外力導(dǎo)致超磁致伸縮材料的磁導(dǎo)率變化，即激勵線圈的電感變化，通過測量線圈電感實(shí)現(xiàn)力的自感知。方法采用電感電橋測量激勵線圈電感，調(diào)節(jié)匹配感抗和阻抗使電橋平衡，當(dāng)受到外力擾動時(shí)，電橋失去平衡，通過差動運(yùn)放測量不平衡電壓得到激勵線圈的電感值變化量，得出擾動力大小。執(zhí)行器主要由圓柱型超磁致伸縮棒、激勵線圈、彈性膜片和水冷套構(gòu)成，根據(jù)上述方法，圓柱形線圈既提供驅(qū)動磁場也作為測量擾動力的傳感器，在進(jìn)行高速超精密定位運(yùn)動過程中，減小外界擾動力產(chǎn)生的誤差干擾。
文檔編號G05D3/12GK103049005SQ201210574209
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者王雷, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)