CN1252907C - 磁悬浮式微运动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮式微运动系统，它包括激光纳米微位移和微角度测量仪，两块测量镜，运动平台，激光外差纳米干涉仪，四块永磁阵列，四组定子绕组，三个电容传感器，数模转换器，计算机，模数转换器。在电容传感器、激光纳米微位移和微角度测量仪、激光外差纳米干涉仪的精密测量与控制下，运动平台由嵌入在运动平台底面的永磁阵列与相应的定子绕组之间产生的电磁力的相互作用而浮起和产生6个自由度的纳米级运动。本发明主要适用于微光机电技术、纳米技术、集成电路芯片制造技术、生物技术等领域所涉及的纳米级大范围运动领域。

Description

磁悬浮式微运动系统

技术领域

本发明涉及磁变量系统，是一种磁悬浮式微运动系统。

背景技术

微光机电技术、纳米科学技术等领域中所涉及的扫描微动工作台的典型分类有压电陶瓷、爬行机构、柔性铰链机构和气浮微动工作台。压电陶瓷和柔性铰链机构虽然具有纳米级甚至亚纳米级的精度，但是它们的运动范围却很小，一般只限于微米量级的范围。爬行机构由于受到加工技术的影响，一般运动精度较低。气浮微动工作台，由于受到气体扰动这一不可避免的影响，所以难以实现5nm以下高精度的纳米级运动。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁悬浮式微运动系统，采用磁悬浮技术，结合高精度的纳米微位移和微角度测量系统，易于实现纳米级的大范围运动。本发明克服了以上微动工作台的缺陷。

本发明采用的技术方案如下：本发明是利用定子绕组与嵌入在运动平台底面的永磁阵列间的电磁力相互作用，实现运动平台的六个自由度的运动，并结合高精度的激光测微仪来保证运动的精度。

本发明它包括激光纳米微位移和微角度测量仪，两块测量镜，运动平台，激光外差纳米干涉仪，四块永磁阵列，四组定子绕组，三个电容传感器，数模转换器，计算机，模数转换器；在运动平台下表面上四边分别嵌入第一永磁阵列、第二永磁阵列、第三永磁阵列、第四永磁阵列，第一、二永磁阵列相对，第三、四永磁阵列相对，在第一、二永磁阵列下面分别装有第一、二定子绕组，在第三、四永磁阵列下面分别装有第三、四定子绕组，装有第二永磁阵列运动平台的侧面镶有第一块测量镜，与第一块测量镜相对的装有激光纳米微位移和微角度测量仪，装有第三永磁阵列，运动平台的侧面镶有第二块测量镜，与第二块测量镜相对的装有激光外差干涉仪，在运动平台下表面上装有成三角形布置的第一、二、三电容传感器，该三个电容传感器位于四组定子绕组构成的框架中，计算机通过数模转换器分别与第一、二、三、四定子绕组相连；激光纳米微位移和微角度测量仪，激光外差纳米干涉仪，第一、二、三电容传感器分别通过模数转换器与计算机相连。

1)向四组定子绕组的线圈通电，产生电磁力，这将与四个嵌入在运动平台底面的四块永磁阵列产生的磁力发生排斥(或吸引)，使运动平台悬浮，通过改变绕组上电流的大小来控制运动平台Z方向的运动。

2)向第一、二定子绕组线圈通电，使运动平台悬浮，同时第一、二定子绕组中的通电电流在磁场中受到电磁力作用，将使运动平台实现X方向的运动，通过改变相应定子绕组上通电电流的大小与方向来控制运动平台在X方向的运动。

3)向第三、四定子绕组通电，使运动平台悬浮，同时第三、四定子绕组中的通电电流在磁场中受到电磁力作用，将使运动平台实现了Y方向的运动，同理，改变相应定子绕组上通电电流的大小与方向，可控制运动平台在Y方向的运动。

本发明具有的有益效果是：它利用定子绕组与嵌入在运动平台底面的永磁阵列间的电磁力的相互作用，使运动平台浮起并可实现6个自由度的纳米级运动，由于运动平台不接触任何其它元件，所以无摩擦、磨损，无气体扰动影响，并结合高精度的激光测微仪来保证运动精度。可实现运动平台的运动范围如下：X、Y方向为：60mm；Z方向为：1mm；精度为：0.1nm。

本发明主要适用于微光机电技术、纳米技术、集成电路芯片制造技术、生物技术等领域所涉及的纳米级大范围运动领域。

附图说明

图1是磁悬浮式微运动系统总体结构示意图；

图2是运动平台磁悬浮运动原理图。

具体实施方式

如图1所示，它包括激光纳米微位移和微角度测量仪1，两块测量镜2、4，运动平台3，激光外差纳米干涉仪5，四块永磁阵列8、19、6、14，四组定子绕组9、18、7、13，三个电容传感器10、11、12，数模转换器15，计算机16，模数转换器17；在运动平台3下表面上四边分别嵌入第一永磁阵列8、第二永磁阵列19、第三永磁阵列6、第四永磁阵列14，第一、二永磁阵列8、19相对，第三、四永磁阵列6、14相对，在第一、二永磁阵列8、19下面分别装有第一、二定子绕组9、18，在第三、四永磁阵列6、14下面分别装有第三、四定子绕组7、13，装有第二永磁阵列19运动平台3的侧面镶有第一块测量镜2，与第一块测量镜2相对的装有激光纳米微位移和微角度测量仪1，装有第三永磁阵列6运动平台3的侧面镶有第二块测量镜4，与第二块测量镜4相对的装有激光外差纳米干涉仪5，在运动平台3下表面上装有成三角形布置的第一、二、三电容传感器10、11、12，该三个电容传感器10、11、12位于四组定子绕组9、18、7、13构成的框架中，计算机16通过数模转换器15分别与第一、二、三、四定子绕组9、18、7、13相连；激光纳米微位移和微角度测量仪1，激光外差纳米干涉仪5，第一、二、三电容传感器10、11、12分别通过模数转换器17与计算机相连。

(1)运动平台在Z方向的运动实现：

实现：首先将四个定子绕组的通电线圈通电，因为通电电流周围产生的磁场，与嵌入运动平台的四个永磁阵列之间的磁场发生作用，即产生图2中的力Fz，它能使运动平台悬浮，实现在Z方向的运动。

具体为：将定子绕组的通电电流增大，则Fz增大，可使运动平台向上运动。并通过改变通电电流的增大幅度来改变Fz的增大幅度，控制运动平台向Z轴正方向(即向上)运动的快慢。反之，减小定子绕组的通电电流，则Fz减小，可使运动平台向下运动，也能通过改变通电电流的减小幅度来Fz的减小幅度，控制运动平台向Z轴负方向(即向下)运动的快慢。同时根据三点确定一面的原理，运动平台下的三个电容传感器10、11、12将保证此方向运动的精度。

(2)运动平台在X方向的运动实现：

前提：向第一、二定子绕组线圈通电，使运动平台悬浮，用三个电容传感器确保运动平台不绕X轴和Y轴旋转。此时可用激光纳米微位移和微角度测量仪1测出运动平台绕Z轴旋转的角度θz的大小，θz由激光纳米微位移和微角度测量仪来测量。

两块永磁阵列6、14及其相应定子绕组可保证θz大小不变。使平台稳定在所要求的平面，而不发生偏转。

实现：在保证前提条件的情况下，运动平台在X方向上的运动是由两块通电的定子绕组9、18间的电磁力相互作用来控制的，即由图2中的Fx来驱动的，Fx即为此两定子绕组相互作用产生的合力，此力的大小与方向可由这两块定子绕组上通电线圈的通电电流的大小与方向来控制，从而达到控制运动平台在X轴方向的运动。

具体为：将两定子绕组通以同一方向的电流，由于电磁效应，定子绕组将产生电磁力，两定子绕组间的电磁力相互作用，将产生合力Fx，规定此时产生的力Fx的方向为正方向。在Fx的驱动下，运动平台沿X轴的正方向前进。此时可通过改变电流的大小来改变Fx的大小，从而控制运动平台的运动速度，通电电流大，则运动平台运动快，通电电流小，则运动平台运动慢。若要将平台沿X轴反方向运动，可通过改变通电电流的方向来实现，将定子绕组通以与刚才方向相反的电流，则合力Fx的方向与所规定的正方向相反，在此时的Fx的驱动下，运动平台将向X轴负方向运动，此时也可通过改变通电电流的大小来控制运动平台的运动速度，通电电流大，运动平台沿此方向的运动就快，通电电流小，则沿此方向运动慢。

X方向上的位移可由激光外差纳米干涉仪5测量获得。

(3)运动平台在Y方向的运动实现：

前提条件：向第一、二定子绕组线圈通电，使运动平台悬浮，用三个电容传感器确保运动平台不绕X轴和Y轴旋转。

实现：在保证前提条件的情况下，运动平台在Y方向的运动是由另两块定子绕组7、13间的电磁力相互作用来控制的，即由图2中的Fy来驱动的，Fy即为此两定子绕组相互作用产生的合力，此力的大小与方向可由这两块定子绕组上通电线圈的通电电流的大小与方向来控制，从而达到控制运动平台在Y轴方向的运动。

具体为：将两定子绕组通以同一方向的电流，由于电磁效应，定子绕组将产生电磁力，两定子绕组间的电磁力相互作用，将产生合力Fy，规定此时产生的合力Fy的方向为正方向。在Fy的驱动下，运动平台沿Y轴的正方向前进。此时可通过改变电流的大小来改变Fy的大小，从而控制运动平台的运动速度，通电电流大，则运动平台运动快，通电电流小，则运动平台运动慢。若要将平台沿Y轴反方向运动，可通过改变通电电流的方向来实现，将定子绕组通以与刚才方向相反的电流，则合力Fy的方向与所规定的正方向相反，在此时的Fy的驱动下，运动平台将向Y轴负方向运动，此时也可通过改变通电电流的大小来控制运动平台的运动速度，通电电流大，运动平台沿此方向的运动就快，通电电流小，则沿此方向运动慢。

Y方向的运动位移可由激光纳米微位移和微角度测量仪1来测量。

(4)运动平台绕X轴旋转的实现：

运动平台绕X轴旋转是由两块定子绕组9、18来控制的。

实现：将定子绕组9、18通以幅值或方向不同的电流，它们之间的电磁力将使运动平台绕X轴旋转。

具体为：将上述两定子绕组通电，通过增大定子绕组9上的通电电流，减小定子绕组18上的通电电流，则此时两定子绕组感应的电磁力相互作用将使运动平台将绕X轴顺时针旋转，通过改变这两定子绕组上通电电流的增大或减小的幅度，可改变顺时针旋转时的θx的大小。反之，减小定子绕组9上的通电电流，增大定子绕组18上的通电电流，则此时两定子绕组感应的电磁力相互作用将使运动平台将绕X轴逆时针旋转，通过改变这两定子绕组上通电电流的增大或减小的幅度，可改变逆时针旋转时的θx的大小。θx可由电容传感器测得。

(5)运动平台绕Y轴旋转的实现：

运动平台绕Y轴旋转是由另两块定子绕组7、13来控制的。

实现：将定子绕组7、14通以幅值或方向不同的电流，它们之间的电磁力将使运动平台绕Y轴旋转。

具体为：将上述两定子绕组通电，通过增大定子绕组7上的通电电流，减小定子绕组14上的通电电流，则此时两定子绕组感应的电磁力相互作用将使运动平台将绕Y轴顺时针旋转，通过改变这两定子绕组上通电电流的增大或减小的幅度，可改变顺时针旋转时的θy的大小。反之，减小定子绕组7上的通电电流，增大定子绕组14上的通电电流，则此时两定子绕组感应的电磁力相互作用将使运动平台将绕Y轴逆时针旋转，通过改变这两定子绕组上通电电流的增大或减小的幅度，可改变逆时针旋转时的θy的大小。θy可由电容传感器测得。

(6)运动平台绕Z轴旋转的实现：

运动平台绕Z轴旋转是由全部四块定子绕组9、18、7、14来控制的。

实现：将四块定子绕组通电，由于之间的电磁力作用，运动平台将在这四个合力的作用下绕Z轴旋转，同时通过改变通电电流的大小与方向可改变的运动平台绕Z轴旋转角度θz的大小和方向。

具体为：将四块定子绕组通电，如果此时四个电流方向沿顺时针，则运动平台将绕Z轴顺时针旋转，通过改变通电电流的大小，可改变θz的大小。反之，若四个电流方向沿逆时针，则运动平台将绕Z轴逆时针旋转，此时也可通过改变通电电流的大小，改变此时的旋转角度θz。

Claims (1)

1.磁悬浮式微运动系统，其特征在于它包括激光纳米微位移和微角度测量仪(1)，两块测量镜(2、4)，运动平台(3)，激光外差纳米干涉仪(5)，四块永磁阵列(8、19、6、14)，四组定子绕组(9、18、7、13)，三个电容传感器(10、11、12)，数模转换器(15)，计算机(16)，模数转换器(17)；在运动平台(3)下表面上四边分别嵌入第一永磁阵列(8)、第二永磁阵列(19)、第三永磁阵列(6)、第四永磁阵列(14)，第一、二永磁阵列(8、19)相对，第三、四永磁阵列(6、14)相对，在第一、二永磁阵列(8、19)下面分别装有第一、二定子绕组(9、18)，在第三、四永磁阵列(6、14)下面分别装有第三、四定子绕组(7、13)，装有第二永磁阵列(19)运动平台(3)的侧面镶有第一块测量镜(2)，与第一块测量镜(2)相对的装有激光纳米微位移和微角度测量仪(1)，装有第三永磁阵列(6)运动平台(3)的侧面镶有第二块测量镜(4)，与第二块测量镜(4)相对的装有激光外差纳米干涉仪(5)，在运动平台(3)下表面上装有成三角形布置的第一、二、三电容传感器(10、11、12)，该三个电容传感器(10、11、12)位于四组定子绕组(9、18、7、13)构成的框架中，计算机(16)通过数模转换器(15)分别与第一、二、三、四定子绕组(9、18、7、13)相连；激光纳米微位移和微角度测量仪(1)，激光外差纳米干涉仪(5)，第一、二、三电容传感器(10、11、12)分别通过模数转换器(17)与计算机相连。

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