专利名称：双边对称结构的基于半导体致冷器的纳米级位移驱动部件的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种双边对称结构的基于半导体致冷器的纳米级位移驱动部件。
背景技术：
国内外对大进给力的微/纳米级驱动部件研究主要分为两类一类是对新颖驱动部件的研究，如稀土超磁致伸缩驱动器、超导式驱动器等，其中稀土超磁致伸缩驱动器因驱动力大导致发热量也大，由驱动线圈发热引起的超磁致伸缩材料热变形量与超磁致伸缩驱动器可控位移输出处于同一数量级，因此必须对驱动器进行严格的热变形补偿；另一类是对传统的滚珠丝杠等驱动部件的研究，主要是考虑如何减少摩擦力、减少永久或瞬间变形等问题，其中研究热刚度对进给精度和响应速度的影响尤为重要。目前解决因热位移引起误差的传统方法是被动补偿，与其热位移产生后的被动补偿，不如把热位移作为主动进给，因此根据变形体热胀冷缩的原理，提出双边对称结构的基于半导体致冷器的纳米级位移驱动方案。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种双边对称结构的基于半导体致冷器的纳米级位移驱动部件。
它是在变形体的X方向左、右两侧同时安装第一半导体致冷器、第二半导体致冷器，变形体与半导体致冷器之间涂有导热硅胶，第一半导体致冷器的另一侧设有第一散热器， 第二半导体致冷器的另一侧设有第二散热器，在变形体上、下侧设有上绝热层和下绝热层，第一半导体致冷器、第二半导体致冷器由驱动部件控制器控制。
本实用新型的优点1)采用对称结构的半导体致冷器作为纳米级位移驱动部件的热驱动源，既可以加热，又可以致冷，从而方便改变热流方向，使控制变得简单；2)双边对称结构提高纳米级位移驱动部件进给面的平面度，从而有效防止进给过程中应力过分集中现象；3)根据变形体热胀冷缩原理，变形体的热位移直接作为纳米级位移驱动器的进给，可以减少许多中间链路，提高位移驱动器的综合刚度，因此此驱动器能够实现大进给力的要求。
图1是双边对称结构的基于半导体致冷器的纳米级位移驱动部件的结构示意图；图2是双边对称结构的基于半导体致冷器的纳米级位移驱动部件控制器框图。
具体实施方式
本实用新型采用双边对称结构的半导体致冷器作为热驱动，根据变形体热胀冷缩原理，变形体Z方向的变形直接作为执行机构的位移进给。一般金属材料的线膨胀系数为10-6～10-5m/K，假设基于热变形的变形体长为100mm，那么温度变化0.01℃时，可知其长度方向上变形量为1nm～10nm。由于金属材料的刚度较高，因此金属材料可以作为变形体，实现具有大进给力的纳米级位移进给，变形体的材料可以是钢、金、银、铜、铝、镍、锌、锡或者合金。双边对称结构的基于半导体致冷器的纳米级位移驱动部件是根据热胀冷缩原理，通过控制双边的半导体致冷器，使温度场发生改变，进而控制位移场，从而达到Z方向纳米级进给的目的。由于纳米级驱动部件进给面的热位移直接作为主动进给，因而对热变形的研究从被动补偿转向主动应用。
如图1所示，在变形体7的X方向左、右两侧同时安装第一半导体致冷器2、第二半导体致冷器4，变形体7与半导体致冷器之间涂有导热硅胶，目的是使热量便于传递，第一半导体致冷器2的另一侧设有第一散热器1，第二半导体致冷器4的另一侧设有第二散热器5，第一散热器1、第二散热器5、第一半导体致冷器2、第二半导体致冷器4与变形体7通过对称的二根弹簧固定，为了便于控制，并且防止热量传递到另外部件上，在变形体7上、下侧设有上绝热层3和下绝热层8，第一半导体致冷器2、第二半导体致冷器4由驱动部件控制器控制。同时在Z方向施加进给力。变形体Y方向的两个面与空气实现较好的对流。
如图2所示，驱动部件控制器的电路为第一温度传感器至第n温度传感器分别与多路开关相连，多路开关依次与第一信号调理电路、第一A/D转换器、单片机、数字电位器、第一功率放大电路、第一半导体致冷器2相连，数字电位器依次与第二功率放大电路、第二半导体致冷器4相连，位移传感器依次与第二信号调理电路、第二A/D转换器、单片机、键盘相连，集成温度传感器依次与单片机、正负逻辑转化电路、计算机串行接口相连，单片机与多路开关相连。
第一温度传感器至第n温度传感器采用Pt100或Cu50；位移传感器采用高精度电感测头Z0.5-28P-VH；集成温度传感器采用DS1624；多路开关选用CD4051；第一信号调理电路和第二信号调理电路实现信号放大、滤波功能，都采用OP07放大器加以实现；第一A/D转换器和第二A/D转换器都采用14位的LTC1418；单片机采用89C52或89C51；数字电位器采用AD8403；第一功率放大电路和第二功率放大电路由LM317为核心加以实现；第一半导体致冷器和第二半导体致冷器都采用TEC1-7106T125或TEC1-12706T125或TEC1-12708T125或TEC1-12709T127；正负逻辑转化电路由MAX232C为核心加以实现。
控制系统以单片机为核心，并且通过RS232C接口与计算机相连，从而可以享用计算机的一切软、硬件资源。目标位移量的输入可以经过键盘设定，也可以经计算机处理后下载。图2的控制方案既可以采用半闭环控制方式，也可以采用闭环控制方式。半闭环控制方式由温度传感器检测变形体的温度场，根据温度场的变化推测变形体Z方向位移的变化。此方式硬件成本较低，精度也不高。由于温度场变化可看成是准静态的，因此选用多路开关切换方式，使多路检测的电路变得简单。热驱动由半导体致冷器完成，单片机通过计算及分析，把输出信号输到数字电位器中，转化成相应电压后，由第一功率放大电路控制第一半导体致冷器，第二功率放大电路控制第二半导体致冷器。闭环控制方式由位移传感器检测变形体Z方向的位移，单片机经过信号分析及控制算法的计算，同样把信号输出到数字电位器中，由第一功率放大电路控制第一半导体致冷器，第二功率放大电路控制第二半导体致冷器。控制策略方面，鉴于滑模控制具有鲁棒性好、响应速度快且具有非线性等特点，非常适合于非线性、时变的双边对称结构的基于半导体致冷器的纳米级位移驱动部件控制，但滑模控制不可避免地存在“抖振”现象，难以达到很高的控制精度，对此采用一种常值可变的改进型滑模变结构控制算法，该算法既能保证较快的响应速度，又能达到较高的控制精度。另外，环境温度的检测可采用集成温度传感器DS1624，通过对环境温度的检测，作出相应的调整，从而实现自适应的功能。
权利要求1.一种双边对称结构的基于半导体致冷器的纳米级位移驱动部件，其特征在于，在变形体(7)的X方向左、右两侧同时安装第一半导体致冷器(2)、第二半导体致冷器(4)，变形体(7)与半导体致冷器之间涂有导热硅胶，第一半导体致冷器(2)的另一侧设有第一散热器(1)，第二半导体致冷器(4)的另一侧设有第二散热器(5)，在变形体(7)上、下侧设有上绝热层(3)和下绝热层(8)，第一半导体致冷器(2)、第二半导体致冷器(4)由驱动部件控制器控制。
2.根据权利要求1所述的一种双边对称结构的基于半导体致冷器的纳米级位移驱动部件，其特征在于，所说的驱动部件控制器的电路为第一温度传感器至第n温度传感器分别与多路开关相连，多路开关依次与第一信号调理电路、第一A/D转换器、单片机、数字电位器、第一功率放大电路、第一半导体致冷器(2)相连，数字电位器依次与第二功率放大电路、第二半导体致冷器(4)相连，位移传感器依次与第二信号调理电路、第二A/D转换器、单片机、键盘相连，集成温度传感器依次与单片机、正负逻辑转化电路、计算机串行接口相连，单片机与多路开关相连。
3.根据权利要求1所述的一种双边对称结构的基于半导体致冷器的纳米级位移驱动部件，其特征在于，所说的绝热层的材料采用石棉、玻璃棉、岩棉、欧文斯、软木板或纤维板。
4.根据权利要求1所述的一种双边对称结构的基于半导体致冷器的纳米级位移驱动部件，其特征在于，所说的第一散热器(1)、第二散热器(5)、第一半导体致冷器(2)、第二半导体致冷器(4)与变形体(7)通过对称的二根弹簧固定。
专利摘要本实用新型公开了一种双边对称结构的基于半导体致冷器的纳米级位移驱动部件。它是在变形体的X方向左、右两侧同时安装第一半导体致冷器、第二半导体致冷器，变形体与半导体致冷器之间涂有导热硅胶，第一半导体致冷器的另一侧设有第一散热器，第二半导体致冷器的另一侧设有第二散热器，第一散热器、第二散热器、第一半导体致冷器、第二半导体致冷器与变形体通过对称的二根弹簧固定，在变形体上、下侧设有上绝热层和下绝热层。本实用新型的优点1)采用对称结构的半导体致冷器作为纳米级位移驱动部件的热驱动源，既可以加热，又可以致冷；2)双边对称结构提高纳米级位移驱动部件进给面的平面度，防止应力过分集中；3)驱动器能够提高综合刚度，实现大进给力。
文档编号F25B21/02GK2738178SQ20042010768
公开日2005年11月2日 申请日期2004年10月29日 优先权日2004年10月29日
发明者胡旭晓 申请人:浙江大学