專利名稱：一種壓電陶瓷驅(qū)動器控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種壓電陶瓷驅(qū)動器控制裝置。
背景技術(shù)：
納米級微定位系統(tǒng)是指系統(tǒng)的運動位移在幾微米到幾百微米的范圍內(nèi)，其分辨 率、定位精度和重復(fù)定位精度在納米級的范圍內(nèi)，特點是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、無機械摩擦、 無間隙的傳動導(dǎo)向機構(gòu)。在納米級定位系統(tǒng)中，微位移驅(qū)動器是一個非常重要的部件，常用 的有電熱式微位移驅(qū)動器、磁致伸縮微位移驅(qū)動器、電磁鐵驅(qū)動微位移驅(qū)動器和壓電陶瓷 微位移驅(qū)動器等，其中，壓電陶瓷驅(qū)動器在超精密定位和微位移控制中具有其它驅(qū)動器無 法比擬的優(yōu)點，如體積小(幾立方毫米 幾十立方毫米)、位移分辨率高、響應(yīng)速度快(幾十 微秒)、輸出力大(3500N)、換能效率高(50%)、不發(fā)熱、采用相對簡單的電場控制方式等， 是目前微位移技術(shù)中比較理想的驅(qū)動元件。壓電陶瓷微位移驅(qū)動器在眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，如微機電系統(tǒng)(MEMS)的 加工、封裝及裝配操作都需要微位移驅(qū)動器。電化學(xué)微加工是近幾年出現(xiàn)的用于三維超微 圖形復(fù)制加工的新型技術(shù)，要求支撐電解槽的微定位平臺具有五個方向的自由度，而且，每 個軸的輸出位移都具有納米級精度，用來調(diào)整電解池的位姿。隨著生物工程的發(fā)展，要求能 隨意捕捉和釋放單一游離細胞，或向細胞內(nèi)注入和拾取某一成分，同時還能測定和記錄細 胞生物電參數(shù)，游離細胞捕捉儀就是為此目的而研制的，對只有幾微米的細胞來說，關(guān)鍵動 作是接近細胞時的精細微調(diào)，要求分辯率達幾十納米，因此需要高精度的微位移驅(qū)動器。目 前國際上已研制出能夠縫合人體靜脈血管和疏通眼球視網(wǎng)膜靜脈堵塞的微操作機器人，同 樣需要微位移驅(qū)動器。在大規(guī)模集成電路制造中，印刷電路板上的布線密度越來越高，而且 印刷電路板上線路的修復(fù)、線路連接質(zhì)量和表面質(zhì)量的評估、材料性能的檢測等許多工序 都需要高精度的微位移驅(qū)動器。利用納米級的線性三自由度(XYZ)工作臺和掃描探針顯微 鏡(SPM)探測分子和原子的特征，以及對固體表面上原子進行操作和移植的納米加工技術(shù) 是當前國際上納米科技的重要方面之一，同樣離不開納米級精度的微位移驅(qū)動器。另外，用 于光纖對接校準的精密校準平臺(精度達0. Ιμπι)可使光纖和器件之間達到最佳耦合功率 位置，并自動補償對接過程中的任何誤差，也離不開微位移驅(qū)動器。雖然壓電陶瓷驅(qū)動器在眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但是壓電陶瓷驅(qū)動器在升電 壓和降電壓過程中其輸出位移與電壓關(guān)系曲線存在明顯的非線性和遲滯，非線性和遲滯降 低了開環(huán)控制壓電陶瓷驅(qū)動器的位移輸出精度，因此在高精度的位移輸出中要求采用閉環(huán) 控制，然而閉環(huán)控制不但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，而且占用了更大的空間，因此不宜與 MEMS集成。發(fā)明內(nèi)容針對壓電陶瓷驅(qū)動器開環(huán)控制中存在的非線性和遲滯缺陷以及閉環(huán)控制中結(jié)構(gòu) 復(fù)雜且占用空間大的缺陷，本實用新型提出了一種在開環(huán)控制中實現(xiàn)納米級的微位移輸出3精度、簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本的壓電陶瓷驅(qū)動器控制裝置。本實用新型的技術(shù)方案壓電陶瓷驅(qū)動器控制裝置，其特征在于包括控制器、穩(wěn)壓電源、壓電陶瓷驅(qū)動器 組和控制線路，所述控制器與壓電陶瓷驅(qū)動器組通過控制線路連接，所述壓電陶瓷驅(qū)動器 組由多個壓電陶瓷驅(qū)動器相互串聯(lián)而成，每個壓電陶瓷驅(qū)動器的控制回路上設(shè)有控制開 關(guān)；所述控制器根據(jù)所需輸出的位移發(fā)出控制信號將穩(wěn)壓電源的電壓加載到相互串聯(lián)的壓 電陶瓷驅(qū)動器組中對應(yīng)的壓電陶瓷驅(qū)動器上，讓壓電陶瓷驅(qū)動器輸出所需位移；所述控制 線路控制每個壓電陶瓷驅(qū)動器的控制開關(guān)的開啟或關(guān)閉。進一步，所述的穩(wěn)壓電源輸出穩(wěn)定電壓為300V。進一步，所述壓電陶瓷驅(qū)動器包括壓電陶瓷材料，所述壓電陶瓷材料的兩側(cè)依次 設(shè)有電極板、絕緣層。進一步，所述電極板的獨立控制電路中串聯(lián)有可調(diào)電阻器。進一步，在位移輸出方向上的所述的絕緣層采用絕緣陶瓷材料，在垂直于位移輸 出方向上的所述的絕緣層采用絕緣橡膠。壓電陶瓷驅(qū)動器控制方法如下1、每個壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出位移可以疊加的，根據(jù)所需位移，算出需要輸出哪 幾個壓電陶瓷驅(qū)動器的位移；2、控制器發(fā)出控制信號通過控制線路控制所需的壓電陶瓷驅(qū)動器為“開”的狀態(tài)， 其他的為“關(guān)”的狀態(tài)，將穩(wěn)壓電源加載給所需的壓電陶瓷驅(qū)動器，通過可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)來 調(diào)整輸出相應(yīng)位移所需的電壓數(shù)值。每個壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出位移標定規(guī)則如下當一個壓電陶瓷驅(qū)動器的控制方式為“開”時，該壓電陶瓷驅(qū)動器兩端極板有電壓 作用，在電場作用下它將伸長，采用激光干涉儀標定每個壓電陶瓷驅(qū)動器輸出位移與所加 電壓大小，當?shù)?個壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出位移為Inm時，記錄其所需電壓為U0,當?shù)?個 壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出位移為2nm時，記錄其所需電壓為U1,當?shù)?個壓電陶瓷驅(qū)動器輸出 位移為4nm時，記錄其所需電壓為U2，當?shù)?個壓電陶瓷驅(qū)動器輸出位移為8nm時，記錄其 所需電壓為U3,依次類推，當?shù)讦莻€壓電陶瓷驅(qū)動器輸出位移為2nnm時，記錄其所需電壓為 Un ；當一個壓電陶瓷驅(qū)動器的控制方式為“關(guān)”時，該壓電陶瓷驅(qū)動器兩端極板沒有電 壓作用，相應(yīng)的驅(qū)動器輸出位移為0。例如當需要壓電陶瓷驅(qū)動器組輸出20nm的位移時，只需第2個和第4個壓電陶 瓷驅(qū)動器的控制方式為“開”，其它壓電陶瓷驅(qū)動器的控制方式為“關(guān)”即可；當需要驅(qū)動器 組輸出151nm的位移時，只需第0個、第1個、第2個、第4個和第7個壓電陶瓷驅(qū)動器的控 制方式為“開”，其它壓電陶瓷驅(qū)動器的控制方式為“關(guān)”即可。當驅(qū)動器組中各個壓電陶瓷驅(qū)動器相互組合在一起且控制方式為“開”時，就能獲 得很多可重復(fù)的輸出位移，所得到的輸出位移數(shù)量與驅(qū)動器的數(shù)量(N = n+1)成比例，即為2n。例如由10個(N= 10)壓電陶瓷驅(qū)動器組成的驅(qū)動器組能輸出IOM個離散位移， 當N = 12時，由12個壓電陶瓷驅(qū)動器串聯(lián)構(gòu)成的驅(qū)動器組能輸出4096個離散位移，將這些輸出位移平均分布在一個微米(或幾個微米)的位移范圍內(nèi)，只是通過簡單的“開”、“關(guān)” 控制壓電陶瓷驅(qū)動器而無需反饋控制就可以獲得納米級的位移輸出精度和重復(fù)定位精度。本實用新型的優(yōu)點在于只需控制每個壓電陶瓷驅(qū)動器控制回路的“開”與“關(guān)”，不 涉及升壓和降壓的過程控制，這樣就有效地避免了傳統(tǒng)的壓電陶瓷驅(qū)動器升壓和降壓控制 過程中其輸出位移與電壓曲線之間的非線性和遲滯缺陷，大大提高了壓電陶瓷驅(qū)動器的位 移輸出精度。另外，這種控制方式為開環(huán)控制，因而控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，便于集成到 無法使用反饋控制的MEMS中。
圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實用新型開環(huán)控制框圖。圖3是本實用新型單個壓電陶瓷驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
壓電陶瓷驅(qū)動器控制裝置，包括控制器1、穩(wěn)壓電源4、壓電陶瓷驅(qū)動器組和控制 線路2，所述控制器1與壓電陶瓷驅(qū)動器組通過控制線路2連接，所述壓電陶瓷驅(qū)動器組由 多個壓電陶瓷驅(qū)動器3相互串聯(lián)而成，每個壓電陶瓷驅(qū)動器3的控制回路上設(shè)有控制開關(guān) 5;所述控制器1根據(jù)所需輸出的位移發(fā)出控制信號將穩(wěn)壓電源4的電壓加載到相互串聯(lián)的 壓電陶瓷驅(qū)動器組中對應(yīng)的壓電陶瓷驅(qū)動器3上，讓壓電陶瓷驅(qū)動器3輸出所需位移；所述 控制線路2控制每個壓電陶瓷驅(qū)動器3的控制開關(guān)5的開啟或關(guān)閉。所述的穩(wěn)壓電源2輸出穩(wěn)定電壓為300V。所述壓電陶瓷驅(qū)動器3包括壓電陶瓷材料31，所述壓電陶瓷材料31的兩側(cè)依次設(shè) 有電極板32、絕緣層33。所述的壓電陶瓷材料31采用模壓成型，且結(jié)構(gòu)形狀根據(jù)實際需要 設(shè)計制造；所述的電極板32采用在壓電陶瓷材料31的兩端電鍍一層50um厚度的金構(gòu)成， 所述電極板32的獨立控制電路中串聯(lián)有可調(diào)電阻器R ；在位移輸出方向上的所述的絕緣層 33采用絕緣陶瓷材料，在垂直于位移輸出方向上的所述的絕緣層33采用絕緣橡膠。壓電陶瓷驅(qū)動器控制方法如下1、每個壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出位移可以疊加的，根據(jù)所需位移，算出需要輸出哪 幾個壓電陶瓷驅(qū)動器的位移；2、控制器發(fā)出控制信號通過控制線路控制所需的壓電陶瓷驅(qū)動器為“開”的狀態(tài)， 其他的為“關(guān)”的狀態(tài)，將穩(wěn)壓電源加載給所需的壓電陶瓷驅(qū)動器，通過可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)來 調(diào)整輸出相應(yīng)位移所需的電壓數(shù)值。每個壓電陶瓷驅(qū)動器3的輸出位移標定規(guī)則如下當一個壓電陶瓷驅(qū)動器3的控制方式為“開”時，該壓電陶瓷驅(qū)動器兩端極板有電 壓作用，在電場作用下它將伸長，采用激光干涉儀標定每個壓電陶瓷驅(qū)動器輸出位移與所 加電壓大小，當?shù)?個壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出位移為Inm時，記錄其所需電壓為U。，當?shù)? 個壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出位移為2nm時，記錄其所需電壓為U1,當?shù)?個壓電陶瓷驅(qū)動器輸 出位移為4nm時，記錄其所需電壓為U2，當?shù)?個壓電陶瓷驅(qū)動器輸出位移為8nm時，記錄 其所需電壓為U3,依次類推，當?shù)讦莻€壓電陶瓷驅(qū)動器輸出位移為2nnm時，記錄其所需電壓為Un;當一個壓電陶瓷驅(qū)動器的控制方式為“關(guān)”時，該壓電陶瓷驅(qū)動器兩端極板沒有電 壓作用，相應(yīng)的驅(qū)動器輸出位移為0。例如當需要壓電陶瓷驅(qū)動器組輸出20nm的位移時，只需第2個和第4個壓電陶 瓷驅(qū)動器的控制方式為“開”，其它壓電陶瓷驅(qū)動器的控制方式為“關(guān)”即可；當需要驅(qū)動器 組輸出151nm的位移時，只需第0個、第1個、第2個、第4個和第7個壓電陶瓷驅(qū)動器的控 制方式為“開”，其它壓電陶瓷驅(qū)動器的控制方式為“關(guān)”即可。當驅(qū)動器組中各個壓電陶瓷驅(qū)動器相互組合在一起且控制方式為“開”時，就能獲 得很多可重復(fù)的輸出位移，所得到的輸出位移數(shù)量與驅(qū)動器的數(shù)量(N = n+1)成比例，即為2n。例如由10個(N= 10)壓電陶瓷驅(qū)動器組成的驅(qū)動器組能輸出IOM個離散位移， 當N = 12時，由12個壓電陶瓷驅(qū)動器串聯(lián)構(gòu)成的驅(qū)動器組能輸出4096個離散位移，將這 些輸出位移平均分布在一個微米(或幾個微米)的位移范圍內(nèi)，只是通過簡單的“開”、“關(guān)” 控制壓電陶瓷驅(qū)動器而無需反饋控制就可以獲得納米級的位移輸出精度和重復(fù)定位精度。本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對實用新型構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本實用新 型的保護范圍不應(yīng)當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本實用新型的保護范圍也及 于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求1.壓電陶瓷驅(qū)動器控制裝置，其特征在于包括控制器、穩(wěn)壓電源、壓電陶瓷驅(qū)動器組 和控制線路，所述控制器與壓電陶瓷驅(qū)動器組通過控制線路連接，所述壓電陶瓷驅(qū)動器組 由多個壓電陶瓷驅(qū)動器相互串聯(lián)而成，每個壓電陶瓷驅(qū)動器的控制回路上設(shè)有控制開關(guān)； 所述控制器根據(jù)所需輸出的位移發(fā)出控制信號將穩(wěn)壓電源的電壓加載到相互串聯(lián)的壓電 陶瓷驅(qū)動器組中對應(yīng)的壓電陶瓷驅(qū)動器上，讓壓電陶瓷驅(qū)動器輸出所需位移；所述控制線 路控制每個壓電陶瓷驅(qū)動器的控制開關(guān)的開啟或關(guān)閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷驅(qū)動器控制裝置，其特征在于所述的穩(wěn)壓電源輸 出穩(wěn)定電壓為300V。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電陶瓷驅(qū)動器控制裝置，其特征在于所述壓電陶瓷 驅(qū)動器包括壓電陶瓷材料，所述壓電陶瓷材料的兩側(cè)依次設(shè)有電極板、絕緣層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電陶瓷驅(qū)動器控制裝置，其特征在于所述電極板的獨立 控制電路中串聯(lián)有可調(diào)電阻器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電陶瓷驅(qū)動器控制裝置，其特征在于在位移輸出方向上 的所述的絕緣層采用絕緣陶瓷材料，在垂直于位移輸出方向上的所述的絕緣層采用絕緣橡 膠。
專利摘要壓電陶瓷驅(qū)動器控制裝置，包括控制器、穩(wěn)壓電源、壓電陶瓷驅(qū)動器組和控制線路，所述控制器與壓電陶瓷驅(qū)動器組通過控制線路連接，所述壓電陶瓷驅(qū)動器組由多個壓電陶瓷驅(qū)動器相互串聯(lián)而成，每個壓電陶瓷驅(qū)動器的控制回路上設(shè)有控制開關(guān)；所述控制器根據(jù)所需輸出的位移發(fā)出控制信號將穩(wěn)壓電源的電壓加載到相互串聯(lián)的壓電陶瓷驅(qū)動器組中對應(yīng)的壓電陶瓷驅(qū)動器上，讓壓電陶瓷驅(qū)動器輸出所需位移；所述控制線路控制每個壓電陶瓷驅(qū)動器的控制開關(guān)的開啟或關(guān)閉。本實用新型的優(yōu)點在于大大提高了壓電陶瓷驅(qū)動器的位移輸出精度；控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，便于集成到無法使用反饋控制的MEMS中。
文檔編號H02N2/06GK201830168SQ20102016864
公開日2011年5月11日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者孫樹峰, 王萍萍 申請人:溫州大學(xué)