专利名称:一种压电陶瓷扫描管驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电陶瓷扫描管驱动器，属于原子力显微镜(AFM)技术领域：
。
背景技术：
原子力显微镜问世以来，提供了一种能在纳米尺度、分子乃至原子水平上观察物质形貌的工具，其利用在一个柔性悬臂梁上的很细的探针接近被测表面，在被测表面做横向扫描时，样品表面高低起伏的变化改变了样品表面和探针的间距，从而改变了两者间的相互作用力——原子力，通过纵向移动针尖或样品，保持恒定的原子力来测量表面形貌，分辨率可达纳米量级。
目前，原子力显微镜已发展成为一种成熟的实验用表面分析仪器，广泛用于材料表面微观形貌分析，生命科学等领域。现有商业化的原子力显微镜，基本上用于装备大学及·科研机构的实验室，由于其本身的一些局限性，不能直接应用于各种特殊环境，如无人值守的深空环境原位测量、工业现场环境、地质科考现场环境等。
扫描器是原子力显微镜的核心组成部分之一，大部分原子力显微镜都是用压电陶瓷扫描管进行扫描成像，而作为原子力显微镜中一个重要部分，压电陶瓷扫描管驱动器是造成原子力显微镜上述局限性的一个重要原因。压电陶瓷扫描管需要高电压进行驱动，而且驱动电压越高，扫描范围越大。目前的压电陶瓷扫描管驱动器具有功耗较高和体积较大等问题，而且一般使用交流电供电，不方便室外环境或者工业现场的使用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，针对目前压电陶瓷扫描管驱动器体积大，能耗高的不足，提供一种压电陶瓷扫描管驱动器，不改变现有扫描驱动器的结构和控制原理，优化基于压电陶瓷扫描管的三维扫描驱动系统，实现扫描驱动器器的低功耗化与小型化，并且可以使用任何5 12V直流电源或者电池供电，使原子力显微镜的原位测量更加方便。
一种压电陶瓷扫描管驱动器，包括高压电源模块、低压电源模块、高压放大模块和信号调理模块；
X、Y和Z向的控制电压分别输入至三个信号调理模块，信号调理模块将控制电压转换为X+、X-、Y+、Y-、Z方向的调理电压，五个方向的调理电压分别输入至五个高压放大模块，高压放大模块将五个方向的调理电压放大20倍为驱动电压，驱动压电陶瓷扫描管的五个驱动方向，将供电电压分别输入至高压电源模块和低压电源模块，高压电源模块输出+215V直流电压为高压放大模块提供电源，低压电源模块输出±15V直流电压为高压放大模块和信号调理模块提供电源。
本发明的优点在于
(I)本发明所述的压电陶瓷扫描管驱动器功耗低，能够使用直流5-12V的任何电源或者电池供电；
(2)本发明所述的压电陶瓷扫描管驱动器使用调理电压20倍的单向驱动电压实现对陶瓷管的双向驱动；
(3)本发明所述的压电陶瓷扫描管驱动器体积较小，方便携带。
图I是本发明一种压电陶瓷扫描管驱动器的结构示意图；
图2是本发明的高压电源结构示意图；
图3是本发明的信号调理模块结构示意图；
图4是本发明的高压放大模块结构示意图；
图5为不同电压供电时本发明所述装置的功率。
图中
I-高压电源模块 2-低压电源模块 3-高压放大模块4-信号调理模块
101-脉宽调制模块 102-变压器103-稳压电路 104-反馈电路
105-开关电路301-电压控制电路 302-NPN晶体管 303-电流源
401-正半波整流电路402-负半波整流电路403-反向电路
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的一种压电陶瓷扫描管驱动器，如图I所示，包括高压电源模块I、低压电源模块2、高压放大模块3和信号调理模块4。
X、Y和Z向的控制电压分别输入至三个信号调理模块4，信号调理模块4将控制电压转换为Χ+、Χ-、Υ+、Υ-、Ζ方向的调理电压，五个方向的调理电压分别输入至五个高压放大模块3，高压放大模块3将五个方向的调理电压放大20倍为驱动电压，输出至压电陶瓷扫描管的五个驱动方向，以驱动压电陶瓷扫描管。
将供电电压分别输入至高压电源模块I和低压电源模块2，高压电源模块I输出+215V直流电压为高压放大模块3提供电源，低压电源模块2输出土 15V直流电压为高压放大模块3和信号调理模块4提供电源。
高压电源模块I如图2所示，包括脉宽调制模块101、变压器102、稳压电路103，反馈电路104和开关电路105。将供电电压输入至脉宽调制模块101中，供电电压为5 12V宽幅直流电压，输出为交变电压，将不同占空比的方波输入变压器102中，交变电压经过变压器102升高电压，输出至稳压电路103中进行整流与稳压，输出+215V电压，同时，+215V电压经过反馈电路104分压后进入开关电路105中，开关电路105根据反馈电路104输入的电压，决定脉宽调制模块101输出交变电压的占空比，形成反馈，使输出稳定在+215V。
低压电源模块2将输入的5 12V直流供电电压转换为±15V直流电压，为高压放大模块3和信号调理模块4提供土 15V电源；低压电源模块2采用双低电压的DC-DC转换器，例如FD05型转换器。
信号调理模块4如图3所示，包括正半波整流电路401、负半波整流电路402和反向电路403。低压电源模块2输出的±15V电压分别为正半波整流电路401、负半波整流电路402和反向电路403提供电源。控制电压分别输入至正半波整流电路401和负半波整流电路402，控制电压范围为±10V，当控制电压为正时，正半波整流电路401输出与控制电压相同的正电压，负半波整流电路402输出为O ;当控制电压为负时，负半波整流电路402输出与控制电压相同的负电压，正半波整流电路401输出为O。正半波整流电路401输出的正电压输入反向电路403，经过反向电路403，将O +IOV的电压转换成O -10V，输出正向调理电压，负半波整流电路402输出负向调理电压，正向调理电压和负向调理电压即为调理电压，输出至高压放大模块3。
高压放大模块3如图4所示，包括电压控制电路301、NPN晶体管302和电流源303。高压电压模块I输出的+215V电压输入至电流源303，低压电源模块2输出的-15V电压输入至NPN晶体管302，为其提供电源。调理电压与驱动电压输入电压控制电路301，电压控制电路301控制NPN晶体管302的节点电压，电流源303产生不同数值的电流，电流流过NPN晶体管302，改变晶体管两端的电压，从而使驱动电压为调理电压的20倍，将驱动电压输出至压电陶瓷扫描管。
X、Z向和Y向高压放大模块之间的差异在于电流源303中的电阻值与NPN晶体管··302的不同，X、Z向电流源303中，电阻值比较小，NPN晶体管302额定电流也比较大；Y向电流源303中，电阻值比较大，NPN晶体管302额定电流比较小，这样X、Z向比Y向电流源303所能提供的电流会比较大，则能提供更好的放大能力。
表I为本发明具体驱动器的功耗，表中可以看出，本发明所述的装置功耗很低，只有 I. 95ffo
表I压电陶瓷扫描管驱动器的功耗
权利要求
1.一种压电陶瓷扫描管驱动器，其特征在于，包括高压电源模块、低压电源模块、高压放大模块和信号调理模块； X、Y和Z向的控制电压分别输入至三个信号调理模块，信号调理模块将控制电压转换为X+、X-、Y+、Y-、Z方向的调理电压，五个方向的调理电压分别输入至五个高压放大模块，高压放大模块将五个方向的调理电压放大20倍为驱动电压，输出至压电陶瓷扫描管的五个驱动方向，以驱动压电陶瓷扫描管，同时将输入电压分别输入至高压电源模块和低压电源模块，高压电源模块输出+215V直流电压为高压放大模块提供电源，低压电源模块输出土 15V直流电压为高压放大模块和信号调理模块提供电源； 所述的高压电源模块包括脉宽调制模块、变压器、稳压电路，反馈电路和开关电路；将输入电压输入至脉宽调制模块中，输出交变电压，将不同占空比的方波输入变压器中，交变电压经过变压器升高电压，输出至稳压电路中进行整流与稳压，输出+215V输出电压，同时，输出电压经过反馈电路分压后进入开关电路中，开关电路根据反馈电路输入的电压，决定脉宽调制模块输出电压的占空比，形成反馈，使输出电压稳定为+215V ； 所述的低压电源模块将输入电压转换为±15V直流电压，为高压放大模块和信号调理模块提供±15V电源； 所述的信号调理模块包括正半波整流电路、负半波整流电路和反向电路；低压电源模块输出的±15V电压分别为正半波整流电路、负半波整流电路和反向电路提供电源；控制电压分别输入至正半波整流电路和负半波整流电路，控制电压范围为±10V，当控制电压为正时，正半波整流电路输出与控制电压相同的正电压，负半波整流电路输出为O ;当控制电压为负时，负半波整流电路输出与控制电压相同的负电压，正半波整流电路输出为O ;正半波整流电路输出的正电压输入反向电路，经过反向电路，将O +IOV的电压转换成O -1OV，输出正向调理电压，负半波整流电路输出负向调理电压，正向调理电压和负向调理电压即为调理电压，输出至高压放大模块； 所述的高压放大模块包括电压控制电路、NPN晶体管和电流源；高压电压模块输出的+215V电压输入至电流源，所述的低压电源模块输出的-15V电压输入至NPN晶体管；调理电压与驱动电压输入电压控制电路，电压控制电路控制NPN晶体管的节点电压，使电流源产生不同数值的电流，电流流过NPN晶体管，使驱动电压为调理电压的20倍，将驱动电压输出至压电陶瓷扫描管。
2.根据权利要I所述的一种压电陶瓷扫描管驱动器，其特征在于，所述的输入电压为5-12V宽幅直流电压。
专利摘要
本发明公开了一种压电陶瓷扫描管驱动器，包括高压电源模块、低压电源模块、高压放大模块和信号调理模块；X、Y和Z向的控制电压分别输入至三个信号调理模块，信号调理模块将控制电压转换为X+、X-、Y+、Y-、Z方向的调理电压，五个方向的调理电压分别输入至五个高压放大模块，高压放大模块将五个方向的调理电压放大20倍，输出至压电陶瓷扫描管的五个驱动方向。高压电源模块输出+215V直流电压为高压放大模块提供电源，低压电源模块输出±15V直流电压为高压放大模块和信号调理模块提供电源。本发明所述的压电陶瓷扫描管驱动器功耗低、体积较小、方便携带，能够使用直流5-12V的任何电源或者电池供电。
文档编号G01Q10/00GKCN101706513SQ200910238455
公开日2012年12月5日 申请日期2009年11月26日
发明者陈强, 钱建强, 杨勇, 李渊, 华宝成, 李英姿 申请人:北京航空航天大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (4), 非专利引用 (4),