便携式原子力显微镜扫描驱动器的设计与实现

　　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测量等领域,已成为科研与工业应用上日益重要的计量测试手段。现有商业化的原子力显微镜,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、工业现场环境、地质科考现场环境等。主要原因是:体积大,能耗高,使用交流电供电等。[1~3]

　　针对目前原子力显微镜体积大,能耗高的不足[4],设计一种压电陶瓷扫描管的X、Y、Z三维扫描驱动系统,驱动器使用5~12V宽幅直流电源或者电池供电,产生+215V和±15V的电源供给高压放大模块和信号调理模块,将输入的-10V~+10V的控制信号,放大为-200V~+200V的电压驱动压电陶瓷扫描管,功耗仅为2W左右,体积为150mm×60mm,可以使用电池供电并工作7~8h。该驱动器不改变现有原子力显微镜本身的结构和控制原理,优化基于压电陶瓷扫描管的三维扫描驱动系统,实现扫描器的低功耗化与小型化,使原子力显微镜在工业现场和野外环境中进行测量成为可能。

　　1　驱动器的设计与实现

　　压电陶瓷扫描管驱动器,其系统总框图如图1所示,包括压电陶瓷扫描管、高压电源模块、低压电源模块、高压放大模块、信号调理模块,使用单高压电源为高压放大模块供电,通过信号调理模块实现X、Y、Z方向的驱动信号调理。电源部分输入为5~12V宽幅直流,通过低压电源模块和高压电源模块分别产生±15V直流和+215V直流,低压电源模块为驱动器中所使用的集成运算放大器供电,高压电源模块为高压放大模块供电。控制信号的输入为范围为-10V~+10V,通过信号调理模块调理为不同相位的负电压以驱动高压放大模块,放大为0~+200V直流分别驱动压电陶瓷管的X+、X-、Y+、Y-以及Z向。

　　1·1　电源部分

　　图2为高压电源模块原理图。该模块为高压放大模块提供高压电源,在最大负载下,输出恒定的电压+215V,输入为4·8~12·2V之间,输出电压的纹波峰峰值为0·5V。

　　该模块采用基于开关稳压芯片的可调反馈配置[5],功能包括脉宽调制、开关电路、变压器和稳压电路。在工作周期之始,开关电路打开并输入变压器的初级绕组,当通过开关的电流达到设定的水平,该开关关闭。当开关关闭时,在变压器中存储能量升高其次级绕组电压。输出电压经过分压与设定值共同输入开关稳压芯片内部的差分放大器,误差电压用于控制输出的电压。设计为经过试验所选出的所用元件较少、转换效率较高的一种方法,有利于功耗的降低和体积的减小。

　　对于双低电压的DC-DC转换器,商用的转换模块功耗和输出都能达到要求,所以使用商用的转换模块[6]。