【doc】超磁致伸缩微驱动器在纳米测量中应用的研究

【doc】超磁致伸缩微驱动器在纳米测量中应用的研究 超磁致伸缩微驱动器在纳米测量中应用的 研究 第22卷第2期 2000年4月 压电与声光 PIEZOELECTRICS&AC0USTOOPTICS Vol22No2 A2000 文章编号:1004—2474(2000)02—0127—04 超磁致伸缩微驱动器在纳米测量中应用的研究 f一fo豆盥里77.r (哈尔滨工业大学自动化梗l试及控制系.哈尔漳150001) 摘要:x射线衍射仪是目前纳米检测中最为行之有效的一种方法.对纳米技术的发展有着重要的意义.但 是,目前由于受其驱动器性能的影响,在应用推广上还受到一定的限制针对这一同 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,文章提出采用超磁致伸缩 材料,研制的驱动器具有位移量大,分辨率高,结构简单等特点,将其应用于x射线衍射仪中.将对其发展起着极大 的推动作用 关键词:x射线衍射仪;纳米检测;超融致伸缩;驱动器 中国分类号:THT03.65文献标识码A ApplicationofGiantMagnetostrictiveActuatorinNanometerDetection JIAYu—hui,TANJiu—bin (1)eptofAutomatedTestMeasurementandContro1.HarbinInstituteofTechnology.Harbin 150001,China) Abstract-X-rayinterferometryisthemosteffectivemethodofnanometre(NM)calibrationat present?itverysignificant tothedevelopmentofnanotechnology.But.beinginfluencedbythefunctionpropertyofitsact uator?therecertainLimitation Lnitsapplicationsanddisseminationatthemomenthviewofthisproblem.employinggiantm agnetostrctivematerialstocon— structthebaseofthemicro— positionisproposedinthispaper.Theactuatordescribedherehasthecharacteristicsofbigger dis— placementrangeth~herresolutionandsimplerstructure.TheapplicationofthisactuatorLnth ex—rayinterferometerwillpro moteitsdevelopmentgreatly一 Keywords;X-rayinter[erometzy:nanotechnologyIgiantmagnetostrctive;actuator 1引言 80年代,由于扫描隧道显微镜的发明和应用, 使人们提高了观测原子量级微观世界的能力,它和 随之出现的各种扫描探针显微术(SPM)一起在生 物,化学,物理学,微电子学,材料学,摩擦学等领域 的应用日益广泛,一门新兴的科学即纳米科学与技 术正在形成,并正受到各国政府与学术界的高度重 视.但是一目前以SPM为基础的观测技术只能给出 纳米级的分辩率,却不能给出 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面结构准确的纳米 尺寸,这是因为到目前为止还缺少简便的纳米精度 (O,1,OO1nm)的尺寸测量和定标手段.特别是对 纳米制造即所谓原子操作来说,如果不能给出准确 的位置,不可能有任何的实际意义,所以这些都迫切 需要一种具有纳米甚至亚纳米精度的装置对其进行 标定.纳米测量技术已成为纳米技术发展的关键,所 谓纳米测量技术就是纳米或更小分辨率的物体或表 收精日期:1999—08-16 作者简介:贾宇辉(1971一)r男.辽宁扰阳^,博士生. 面形态的尺寸测量的科学[I].目前,实现纳米测量的 方法主要有:光学外差干涉仪,Fabry—Perot 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 具 及x射线衍射仪.光学外差干涉仪的分辨率及精度 都比较低;Fabry—Perot标准具精度高.但其结构复 杂,制造要求严格,调整难度大等使该仪器的应用受 到限制;而x射线干涉仪则克服上述问题,具有精 度高,测量范围大,结构简单等特点,在线测量中有 着广泛的研究价值和应用前景【2]. 在x射线衍射仪中,其关键技术之一是微动平 台中微位移驱动器的设计.驱动器性能的好坏,将直 接影响x射线衍射仪的精度及性能.微位移驱动技 术是现代超精密纳米测量仪器及纳米测控系统的核 心技术之一,随着对驱动器特性'迟滞,漂移及输出 力等)要求越来越高,学术界在不断探索新的驱动技 术.基于超磁致伸缩材料的微位移驱动技术便是近 年来国际竟相研究的热点之一,其具有线性好,漂移 小及输出力大等特点,将其应用于x射线衍射仪 压电与声光2000芷 中,将可极大的提高仪器的性能. 2x射线衍射仪基本工作原理及对驱 动器的要求 2.1基本工作原理 如图1所示,当单色X射线以布喇格角入射到 完整的单晶硅晶体上时,根据x射线动力学理论, 会有3束出射光:随着在晶体中传输距离按指数规 律衰减的直接入射光,满足Bragg条件的衍射光和 由于异常Borrmann效应而出现的向前衍射光衍 射光和向前衍射光后两束光相对晶面呈对称分布, x射线干涉仪就是利用了晶体的这一分束特性将 一 块单晶加工成3片平行的晶片.第3片可以在其 平面内相对其他2片运动.一束X射线以准确的布 喇格角入射到晶片上.经第l片和第2片衍射后,它 们的光束会合在第1片上经第3片衍射后,其光强 与相位有关当第3片横移时,衍射光强按正弦规律 随衍射面发生周期变化这个周期只与衍射面的间 见图2). 隔有关,而与x射线的波长无关r( 图1X射线通过晶体的动态衍射 }罄动 图2干涉仪的射线光学 对于理想的薄晶片,衍射光和向前衍射光的相 位差可达180当晶片很厚时,相位相同.因此当晶 片选择适当的厚薄,可以得到不同相位差.衍射光的 正弦变化与背噪声的对比度远低于向前衍射光. 2.2x射线衍射仪的结构及对驱动鼯的要求 X射线干涉仪主要有两个部分组成:一部分是 干涉仪与传感器进行比较,控翩横移和监视输出的 测量系统I另一部分是机械和热稳定性能好的光学 试验台测量系统的干涉仪是由一块单晶硅构成,在 其上面加T出3片晶片,第3片晶片与整体切开,只 留薄带与晶体相连,起弹性对称铰链作用.晶块的上 表面和下表面作为测量基准.被检测的传感器安装 在一个框架上,检测晶体上表面的位移'见图3). 口传岳嚣lI 图3X射线衍射仪结构示意图 搏薄片 由于 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 器固定在微动工作台上.随分析器微 动工作台发生移动.因此,微动工作台是测量系统的 关键部分要实现精密微位移测量,分析器的俯仰误 差要小于5Xl0,t侧滑误差要小于5X10一;同时 为了逐点测量采样点的光强值,分析器的移动必须 是步进而非连续的.如果使用(220)晶面,其晶面问 距为0.192nm,如果一个周期采样l0个点,刚分析 器移动的步长近似为20pmF.驱动机构必须有良 好的线性度和重复性目前,采用的驱动器主要有以 英国为代表的电磁式驱动器及以日本为代表的压电 陶瓷驱动器.电磁式驱动器结构简单,精度高,但存 在发热现象及线性不好的缺点;压电尚瓷驱动器不 存在发热现象但有迟滞及蠕变.基于超磁致伸缩材 料的磁致伸缩驱动器具有线性好,分辨率高,位移量 大等特点-将其应用于X射线衍射仪中,将极大地 提高仪器的性能指标. 3驱动器工作原理及结构 5.1工作原理 所谓磁致伸缩是指材料在磁场作用下,其长度 (或形状)发生伸长或缩短的现象.最近在国际上研 制成一种多元稀土一铁拉弗斯相化台物(.R)Fe, 其饱和磁致伸缩应变量达到1500X10,2000X 10,.相当于传统材料的20,50倍,所以成为超磁 致伸缩材料. 稀土超磁致伸缩材料属立方晶体,其磁致伸缩 系数一般是通过测量沿主轴'《l00),《110),<1l1)) 蝥 第2期贾宇辉等:超磁致伸缩傲驱动器在纳米测量中应用的研究 方向长度变化得到的,磁场从垂直转到平行于测量 方向.其一般表达式为 &l/l=詈..(口+《+口一?)+ 3118口8+8,8,口+8:88:8 式中al为饱和磁化强度相对晶轴方向余弦;为 测量方向相对晶轴的方向余弦;.分别表示磁 化向量沿(100)及(?1>方向时该方向的长度变化. 在物体内各向同性'多晶或非晶)的特殊情况下 々1 &l/l=?^s(cos一?)'o 式中为饱和磁致伸缩系数;表示磁化向量和 测量方向之间的夹角. 5.2磁致伸缩驱动器设计原理 磁致伸缩驱动器就是利用磁致伸缩材料在磁场 下可以发生形变的这一特性,将电能转换成机械能. 磁机械耦合系数幢)是由动态应变系数(d),动态磁 导率')和弹性顺度')决定的,有 kt一『s? 磁机械耦台系数决定了驱动器最大位移范围, 因而应尽量选用系数比较大的材料在驱动器应用 中,可用下式: t—SHT+dH B=dT+H 式中E,H,T,B分别表示应变,磁场强度,应力,磁 感应强度;S为顺度;为磁导率,其分别受磁场 强度及应力影响,因而用及表示. 5.5磁场分析 超磁致伸缩材料中的磁场可看成是由两部分构 成;一部分是由线圈中电流及永磁铁产生的;另一部 分是来自超磁致伸缩材料的磁化.则磁场强度 B一.(H+H)+B一.(H+爿)一 将式'3)代人式(1)得 B—.(H,+H)一 r1 gradlpoz~H,gradE圭] 利用积分有限元法可求得线圈中各点的磁场强度 5.4偏置磁场的设计 为了使超磁致伸缩棒工作在更好的线性范围及 更大的磁致伸缩率下,需要预先施加一定的磁场,称 之为偏置磁场偏置磁场的大小应根据不同成分的 超磁伸缩材料而确定.我们采用Tb—rDyFe一材 料,其特性曲线见图4,5"】.用铷铁硼作为永久磁 铁,以产生500Oe的偏置磁场 _E帅 ? l帅 0 图4磁致伸缩与偏场关系 H/kA?m. 图5磁化强度与偏场关系 gradfMlgradT—可]d(1)5.5微位移驱动翳的结构 式中H及H,分别为永磁铁及螺线管线圈产生 的磁场强度;^为磁化强度;B为磁化电流产生的 附加磁场sr为场点矢径;为源点矢径 盯7dXrd(2) 式中r—v/(一)+'—F=i)2;L,为 电流密度. 式(1)中第二部分为超磁致伸缩材料被磁化产 生的磁场,且 M一.H(3) 式中为磁化率I为导磁率. 微位移驱动器是利用超磁致伸缩材料在外部磁 场发生变化时,其材料发生伸长,形变这一特点研制 的,具体结构见图6.驱动器是由磁致伸缩棒,永 磁铁套桶,驱动用螺线管线圈,轭铁及弹性钢片等组 成.由永磁铁产生一个偏置磁场,从而使驱动器工作 在伸缩率最大及良好的线性段.另外,通过调节预紧 螺栓,来调整磁致伸缩棒上的预紧力,从而使磁滞最 小.通过改变驱动线圈中电流的大小,来改变棒中磁 场的大小,进而控制位移在驱动器中,磁场构成闭 合回路,从而降低了漏磁,并且也不会受到外部磁场 的影响,这样仪器可以和其他精密仪器放在一起使 130压电与声光2000矩 用,而不会互相干扰.由于用作产生驱动磁场的螺线 管线圈会有发热现象.因而利用温度传感器及循环 水冷装置构成闭环.将温度控制在3O.C士0.O1.C 的范围内,以达到精度要求. 图6驱动器结构示意图 4驱动器特性 4.1驱动器响应特性 超磁致伸缩微位移驱动器的位移响应特性由两 部分组成:一为磁场与磁致伸缩量之间的响应,一般 在微秒量级上;二为驱动电流与磁场之间的响应口]. 驱动磁场是由螺线管线圈中的电流引起的.螺线管 线圈中的电流与驱动电源的电流存在以下关系: i')=i【1一e-') 超磁致伸缩微位移驱动器具有很高的响应速 度,大大超出了x射线衍射仪对驱动器的要求. 4.2驱动器位移特性 在恒温精密实验室中,将驱动器置于隔震平台 上,采用自行研制的纳米级超精密电容传感器'分辨 率0.5nm)对驱动器进行监测,测得实验数据曲线 如图7,8所示通过实验可以看出,驱动器的分辨率 E 辛 饕 图7小范围位移特性曲线 , 渖 图8大范围位移特性曲线 优于0.5ilm,位移范围可迭40m.如果对驱动器 电源电流进一步细分,还可以提高其分辨率对于驱 动器出现的磁滞现象,可以通过计算机进行补偿和 修正 5结论 超磁致伸缩驱动器具有稳定性好,分辨率高,位 移范围大等特点,适用于x射线衍射仪并且随着 超磁致伸缩材料特性的进一步改善和提高,驱动器 的性能也将进一步得到提高,将对纳米检测技术的 发展起到极大的推动作用. 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