[發(fā)明專利]一種納米操縱器高壓控制電源系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310535780.5
• 申請(qǐng)日: 2013-11-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103546060B
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-11-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭勇;馬鴻斌;金斌玲;張軍偉;謝鳳珍;蘭倩倩;張俊麗;薛德勝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蘭州大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H02N2/06
• 分類(lèi)號(hào): H02N2/06
• 代理公司: 江陰市永興專利事務(wù)所(普通合伙) 32240
• 代理人: 達(dá)曉玲;施光亞

技術(shù)領(lǐng)域

????本發(fā)明屬于高壓驅(qū)動(dòng)電源控制領(lǐng)域，主要涉及一種用于驅(qū)動(dòng)在掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡下的微/納米微位移器運(yùn)動(dòng)的高壓線性控制電源系統(tǒng)。

背景技術(shù)

????隨著電子顯微技術(shù)的發(fā)展，微米/納米尺度下納米單體操縱、拼接、剪裁，和納米單體電鏡原位物性測(cè)量成為研究的熱點(diǎn)。因此，納米操縱器的研發(fā)和應(yīng)用受到廣泛的關(guān)注。將用于探測(cè)納米單體材料各種力學(xué)性質(zhì)、摩擦系數(shù)、電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、生物小信號(hào)等的傳感器及與其相連的精確測(cè)量系統(tǒng)集成在納米操縱器機(jī)械臂上就可以實(shí)現(xiàn)納米尺度的操作及測(cè)量。原位納米操縱器主要有掃描電子顯微鏡原位納米操縱器和透射電子顯微鏡原位納米操縱器兩種。將納米操縱器移植到掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡中，利用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡的成像系統(tǒng)，在納米尺度下實(shí)時(shí)觀測(cè)及控制納米操縱器的運(yùn)動(dòng)及信號(hào)采集，從而完成對(duì)材料原位材料結(jié)構(gòu)、成分和電子態(tài)分析及其他納米尺度的原位操作，結(jié)合計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)納米操縱器的智能化控制和整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)記錄。

電子顯微鏡原位納米操縱器的運(yùn)動(dòng)控制基本原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，施加電場(chǎng)的瞬間，材料產(chǎn)生可控的應(yīng)變反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。性能良好的用于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的控制電源系統(tǒng)是高精度微位移技術(shù)得以廣泛發(fā)展的前提，目前壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)從其原理上講，有電壓驅(qū)動(dòng)型和電荷驅(qū)動(dòng)型兩種。電壓驅(qū)動(dòng)型電源有兩種驅(qū)動(dòng)形式，第一種是直流放大式驅(qū)動(dòng)電源，具有輸出紋波小、頻響范圍寬的特點(diǎn)，隨著高壓運(yùn)放技術(shù)的成熟，這種放大電源成為該領(lǐng)域的主流；另外一種是，根據(jù)直流變換原理的開(kāi)關(guān)式電源，特點(diǎn)是功率損耗小、高頻干擾強(qiáng)、電源輸出紋波較大、頻響范圍窄。電荷驅(qū)動(dòng)型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源可以較好的解決壓電陶瓷的遲滯和蠕變問(wèn)題，因此在理想情況下，一般采用電荷驅(qū)動(dòng)的控制方式。但是由于電荷驅(qū)動(dòng)法電路極其復(fù)雜，實(shí)施較為困難，并且頻率的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，電源輸出的動(dòng)態(tài)特性較差，所以實(shí)際中應(yīng)用這種方法的驅(qū)動(dòng)電源并不多。

電子顯微鏡原位納米操縱器高壓控制電源系統(tǒng)就是采取壓電陶瓷直流放大式驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)，根據(jù)壓電陶瓷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的形變的特點(diǎn)，產(chǎn)生高壓的脈沖信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)納米操縱器運(yùn)動(dòng)。????

發(fā)明內(nèi)容

????本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)納米操縱器的運(yùn)動(dòng)提供精確控制的高壓線性控制電源系統(tǒng)，該高壓線性控制電源輸出電壓具有紋波小，頻率響應(yīng)快、電壓范圍廣等特點(diǎn)。

????本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明提供了一種納米操縱器高壓控制電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：

電子顯微鏡原位納米操縱器高壓控制電源，把接受到的上位機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)處理成穩(wěn)定的脈沖電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述納米操縱器在納米尺度下的精確運(yùn)動(dòng)，同時(shí)把納米操縱器的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡反饋回上位機(jī)；

與所述電子顯微鏡原位納米操縱器高壓控制電源連接、用于接收脈沖高壓信號(hào)并進(jìn)行精確運(yùn)動(dòng)的納米操縱器；

與所述電子顯微鏡原位納米操縱器高壓控制電源連接、用于發(fā)出控制信號(hào)和接受、顯示納米操縱器實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡的上位機(jī)。

作為優(yōu)選，電子顯微鏡原位納米操縱器高壓控制電源包括：

DSP信號(hào)控制器，接受上位機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，輸出低壓脈沖信號(hào)給線性可調(diào)高壓放大電路，接受附屬電路輸出的納米操縱器實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡模擬信號(hào)并把其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)反饋給上位機(jī)；

線性可調(diào)高壓放大電路其附屬電路，接受DSP信號(hào)控制器產(chǎn)生的低壓模擬脈沖信號(hào)，經(jīng)線性可調(diào)高壓放大電路放大后可輸出-350V~+350Ｖ電壓范圍的模擬脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)納米操縱器運(yùn)動(dòng)，采集納米操縱器實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡模擬信號(hào)，并反饋給DSP信號(hào)控制器。

作為優(yōu)選，線性可調(diào)高壓放大電路及其附屬電路包括:

線性可調(diào)高壓放大電路，DSP信號(hào)控制器產(chǎn)生的低壓模擬脈沖信號(hào)經(jīng)線性可調(diào)高壓放大電路放大后可輸出-350V~+350Ｖ的電壓范圍模擬脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)所述納米操縱器在納米尺度下的精確運(yùn)動(dòng)；

接口保護(hù)電路，與DSP控制器相連，用于防止所述納米操作器反饋回來(lái)的信號(hào)電壓或電流過(guò)大而破壞DSP控制器中的電路；

信號(hào)采集電路用于將所述納米操縱器的位置信號(hào)傳遞給DSP控制器。

作為優(yōu)選，線性可調(diào)高壓放大電路包括：

電壓跟隨電路，大幅提高DSP信號(hào)控制器產(chǎn)生的低壓模擬脈沖信號(hào)的保真度；

電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，把所述的電壓跟隨電路輸出的低壓模擬脈沖信號(hào)放大為可調(diào)、穩(wěn)定的高壓模擬脈沖信號(hào)。