[发明专利]一种纳米操纵器高压控制电源系统

说明书

技术领域

    本发明属于高压驱动电源控制领域，主要涉及一种用于驱动在扫描电子显微镜和透射电子显微镜下的微/纳米微位移器运动的高压线性控制电源系统。

背景技术

    随着电子显微技术的发展，微米/纳米尺度下纳米单体操纵、拼接、剪裁，和纳米单体电镜原位物性测量成为研究的热点。因此，纳米操纵器的研发和应用受到广泛的关注。将用于探测纳米单体材料各种力学性质、摩擦系数、电学性质、磁学性质、生物小信号等的传感器及与其相连的精确测量系统集成在纳米操纵器机械臂上就可以实现纳米尺度的操作及测量。原位纳米操纵器主要有扫描电子显微镜原位纳米操纵器和透射电子显微镜原位纳米操纵器两种。将纳米操纵器移植到扫描电子显微镜和透射电子显微镜中，利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜的成像系统，在纳米尺度下实时观测及控制纳米操纵器的运动及信号采集，从而完成对材料原位材料结构、成分和电子态分析及其他纳米尺度的原位操作，结合计算机强大的数据运算和处理能力，可以实现对纳米操纵器的智能化控制和整个实验过程的实时动态记录。

电子显微镜原位纳米操纵器的运动控制基本原理是利用压电陶瓷的逆压电效应，施加电场的瞬间，材料产生可控的应变反应来实现。性能良好的用于压电陶瓷驱动的控制电源系统是高精度微位移技术得以广泛发展的前提，目前压电陶瓷驱动电源技术已成为当前的研究热点。压电陶瓷驱动电源技术从其原理上讲，有电压驱动型和电荷驱动型两种。电压驱动型电源有两种驱动形式，第一种是直流放大式驱动电源，具有输出纹波小、频响范围宽的特点，随着高压运放技术的成熟，这种放大电源成为该领域的主流；另外一种是，根据直流变换原理的开关式电源，特点是功率损耗小、高频干扰强、电源输出纹波较大、频响范围窄。电荷驱动型压电陶瓷驱动电源可以较好的解决压电陶瓷的迟滞和蠕变问题，因此在理想情况下，一般采用电荷驱动的控制方式。但是由于电荷驱动法电路极其复杂，实施较为困难，并且频率的响应时间较长，电源输出的动态特性较差，所以实际中应用这种方法的驱动电源并不多。

电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源系统就是采取压电陶瓷直流放大式驱动电源技术，根据压电陶瓷在电场作用下产生的形变的特点，产生高压的脉冲信号来驱动纳米操纵器运动。    

发明内容

    本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现对纳米操纵器的运动提供精确控制的高压线性控制电源系统，该高压线性控制电源输出电压具有纹波小，频率响应快、电压范围广等特点。

    本发明是通过以下技术方案来实现的：本发明提供了一种纳米操纵器高压控制电源系统。该系统包括：

电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源，把接受到的上位机发出的控制信号处理成稳定的脉冲电压信号驱动所述纳米操纵器在纳米尺度下的精确运动，同时把纳米操纵器的实时运动轨迹反馈回上位机；

与所述电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源连接、用于接收脉冲高压信号并进行精确运动的纳米操纵器；

与所述电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源连接、用于发出控制信号和接受、显示纳米操纵器实时运动轨迹的上位机。

作为优选，电子显微镜原位纳米操纵器高压控制电源包括：

DSP信号控制器，接受上位机发出的控制信号，输出低压脉冲信号给线性可调高压放大电路，接受附属电路输出的纳米操纵器实时运动轨迹模拟信号并把其转换为数字信号反馈给上位机；

线性可调高压放大电路其附属电路，接受DSP信号控制器产生的低压模拟脉冲信号，经线性可调高压放大电路放大后可输出-350V~+350Ｖ电压范围的模拟脉冲信号驱动纳米操纵器运动，采集纳米操纵器实时运动轨迹模拟信号，并反馈给DSP信号控制器。

作为优选，线性可调高压放大电路及其附属电路包括:

线性可调高压放大电路，DSP信号控制器产生的低压模拟脉冲信号经线性可调高压放大电路放大后可输出-350V~+350Ｖ的电压范围模拟脉冲信号，驱动所述纳米操纵器在纳米尺度下的精确运动；

接口保护电路，与DSP控制器相连，用于防止所述纳米操作器反馈回来的信号电压或电流过大而破坏DSP控制器中的电路；

信号采集电路用于将所述纳米操纵器的位置信号传递给DSP控制器。

作为优选，线性可调高压放大电路包括：

电压跟随电路，大幅提高DSP信号控制器产生的低压模拟脉冲信号的保真度；

电压串联负反馈电路，把所述的电压跟随电路输出的低压模拟脉冲信号放大为可调、稳定的高压模拟脉冲信号。