专利名称：用于高精度位置测量的改进线性变量差接变压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及将极小的机械位移(小达亚纳米级)转换到差动电压(和反之亦然)的许多装置。
背景技术：
在上个世纪的早期，将机械位移转换到差动电压(和反之亦然)所利用的一种位置传感器是线性变量差接变压器(LVDT)。在图1中描述了常规商用LVDT(零件号50-00-005XA，Seotech有限公司，North Hills，PA，美国)，其一个移动的、铁磁体芯1差动地从初级线圈2耦合磁通到两个次级线圈3和4。由振荡器5驱动电流通过初级线圈。当芯位置相对于次级线圈变化时，磁通耦合到两个次级线圈变化。这些电压是用差动放大器6来放大并用信号调节电子仪器7将电压正比例地转换到芯位移。对于小位移，信号是线性的。运动芯被机械地连接到由轴8有关的物体。这些线圈被放置在经常用作磁屏蔽9的壳体中。因为芯1在磁性上是软铁磁体，经常期望对来自外界磁场而屏蔽它。最佳商用的LVDT是限于在100Hz带宽时工作在±500nm范围中的2.5nm空间分辨力(Lion精密型号AB-01，Lion精密公司，St，Paul，MN，美国)。
能将机械位移转换到差动电压的另一种位置传感器使用电容技术。尽管在使用LVDT时，取决于相同型号的信号调节电节电路，在类似于商用LVDT的情况中工作的商用电容传感器已超过LVDT性能几乎一个数量级。(例如，见Physik Instrumente<物理仪器>目录，2001版)。即使它们是难以一起工作和实质上更昂贵(因为要求更多制造条件)，因此，电容传感器经常是在要求最高级测量分辨力和带宽的这些应用中才能选择的元件。
因为它们的简便和低成本，所以确定在LVDT分辨力中限制的原因和如何克服这些限制条件，这是最有用的。当更完全地设置如下时，我们断定在传统的LVDT分辨力中分辨力限制是在铁磁体芯中的巴克豪森噪声。巴克好噪声是在铁磁材料(Bozorth)的磁性状态中的突然跳跃而给予命名的。在铁磁材料中，这些缺陷导致这些磁畴壁优先被钉住的特别部位。由于热能或者外界磁场，磁畴壁然后能被脱离钉住。当这发生时，磁畴壁将跳跃到另一个亚稳定的钉住部位，在材料的全部磁性状态中引起突然变化。一般，当从针磁体材料形成LVDT芯时，由于巴克豪森噪声的磁通变化在两个次级线圈的差动测量中将不会抵消。这个未抵消的噪声直接导致在芯位置信号中的噪声。还有，在芯的磁性状态中的突然变化能引起传感器灵敏度方面的一些变化，再导致位置噪声。
在以往的LVDT中为减少巴克豪森(和电的)噪声有一些方案，包括增加初级线圈驱动电流和在芯中使用无定形的磁性材料(Meydan，I.，等人；Hristoforou，E.，等人；和Midgley，G.W.，等人)。正当增加驱动电流将在传统的电子仪器中增加信噪比，但在处理巴克豪森噪声时它是无效的，因为它产生较大的振荡磁场，这样能依次驱逐钉住的磁畴壁更容易导致增加位置上的噪声。为降低巴克豪森噪声到极小程度，已说明使用无定形的磁性材料，但是终究是无效的，因为巴克豪森噪声是铁磁体材料的基本性质。
虽然不了解巴克豪森噪声的产生，但是某些非传统的LVDT设计用空气芯来代替传统LVDT的铁磁体芯想消除这种效应。这些为在极高磁场中使用而设计的传感器是由Ellis和Walstrom(美国专利.3,030,085)所描述的，由Kimura(美国专利.4,634,126)所叙述的针-球机械装置和由Neff(美国专利s.2,364,237和2,452,862)和Snow(美国专利s.2,503,851)叙述的各种机械计量应用。由Snow叙述的量规使用激励方案，其中两个主线圈被激励而不是一个被激励。一个线圈离另一个线圈在180度处驱动，从两个主线圈产生振荡磁场趋向于相互抵消掉。在中央的单个空气芯用作为检测器。这同由我们和其他所通常使用的方法而不同的激励方案。本质上，初级线圈和次级线圈是相反的。从互易定理(例如，见Bertram，H.N.，磁记录理论，剑桥出版公司，1994)可以预期一种情况两个位置的电磁性是相同的。然而，在与信号调节相联系的噪声性能上同样存在某些必要的差别。一般，在现有技术中基于空气芯LVDT的这些传感器响应是比这里叙述的改进传感器的灵敏性大大地要小，并不适合用于我们已获得的亚纳米级、高速定位性能。还有，在上述现有技术中所叙述的这些传感器不能利用我们已结合进我们激励和信号调节电子仪器的任何这些改进。在这些空气芯LVDT中所要求的最佳性能是比得上目前商用的LVDT。
最后，传统的LVDT同样是被严格限制出现在外部磁场中。随着外磁场有所增加，芯饱和以及LVDT变得无效。这种局限性由非传统设计所安排，其中LVDT是完全由非铁磁体材料制成并工作在初级线圈和次级线圈谐振处附近(U.S.Patent No.4,030,085)。然而，对于这个和其他原因，这个设计在它的巨大长度标尺中分享以往LVDT的这些局限性，比以往设计还要甚至更小的灵敏性。
目前和将来的毫微技术取决于迅速和精确地定位小物体和工具的能力。在许多制造技术中电流长度标度是以100nm量程和缩小。例如，在商用的硬磁盘驱动器中的记录磁头有写入间隙常规小于100nm并有极尖凹处控制到几十个纳米。半导体集成电路的电流生成使用180nm宽轨迹，同时在两年之内预期移动到130nm并在五年之内移到100nm(有关半导体的国际技术路图，1999版)。为在磁盘驱动器和集成电路制造中用于控制和检验所使用的平版印刷过程而使用的电流传感器对于临界的尺寸测量已仅好容易提供足够的分辨力。
新近的实验工作已超过相对大的亚微米标度。这些例子包括分子聚焦的控制操作(Piner等人)以及甚至个别的原子(例如，见Crommie等人)。毫微技术的一个目标是建立分子机器(Drexler，K.E.)。如果构成这样装置的话，它们将需要个别原子和分子的精密定位。这将需要有亚-(埃)精度的三维位置上的信息，当甚至在生物组织中的适度分子机器能包括几千个原子时会迅速响应。
发明内容
本发明的一个目的是提供简单的、低成本和高分辨力传感器，不需要在以往的LVDT芯中使用的磁性材料的仔细选择、加工和处理或者其他高分辨力位置传感器的精密加工。
本发的第二个目的是提供高增益LVDT，并不因巴克豪森噪声而受到损害。
本发明的另一个目的是提供对温度变量不敏感的高分辨力传感器，并且经过高导磁率芯的的涡流热量而不使它本身产生温度变量。
本发明的还有一个目的是提供极高分辨力传感器，适合于来自这样分辨力有益或要求的仪器集成，包括轮廓曲线测定仪和扫描探针显微镜，如同原子力显微镜和分子力探针。
按照本发明完成这些和其他目的，有(i)用低导磁率芯代替高导磁率芯来减少或者消除巴克豪森噪声，(ii)减小LVDT传感器的长度标度以提高空间灵敏度和(iii)在信号调节电路系统中改进。
图1是现有技术，展示了传统的LVDT。
图2是有移动的初级线圈的低导频率芯LVDT的提出实施方式。
图3是基于在模拟乘法器周围的激励和同步信号调节电子仪器。
图4是基于在同步模拟开关周围的激励和同步信号调节电子仪器。
图5是两个次级线圈的输出作为芯(传统的LVDT)和初级线圈(提出的实施方式)位置的函数。
图6是传统的LVDT中差动巴克豪森噪声的由来。
图7是在传统的LVDT中通用巴克豪森噪声的由来。
图8是用于量化传感器噪声和灵敏度的装置。
图9是展示灵敏度和线性校准的适合光学干涉仪的LVDT传感器输出。
图10是传统的(铁磁体芯)和空气芯(提出的实施方式)LVDT传感器的噪声功率频谱。
图11是几个传统的和空气芯LVDT的RMS噪声测量作为时间的函数。
图12是几个传统的和空气芯LVDT的RMS噪声测量作为初级线圈激励振幅的函数。
图13是有关定量的单个分子力测量使用压电传感器和LVDT传感器的分子力探针。
图14是用悬臂偏转对压电激励电压和悬臂传转对LVDT传感器绘制的用分子力探测在更表面上制作力曲线。
图15是有关控制载荷力用LVDT传感器和磁性传动器展示表面成象轮廓曲线测定仪的现有技术。
图16是有空气芯LVDT传感器的表面成象轮廓曲线测定仪可以同样用作为用于控制探针定位和载荷力的力传动器。
图17是如同上述相同的，其中探针是挠曲的而不是枢轴转动的。
图18是展示原子力显微镜的现有技术。
图19是基于在MFP磁头和LVDT传感器的X-Y精密定位台阶周围的AFM，分子力探针-3D。
图20是采用LVDT位置传感器的X-Y定位器一个实施方式的更详细示图。
图21是在衍射光栅上的两个AFM图像。第一个(A)展示不相关的AFM扫描。第二个(B)展示用于台阶移动线性化的LVDT传感器的图像。
具体实施例方式
图2展示我们改进的LVDT位置传感器。这个LVDT包括非铁磁线圈形状(form)14，在它的周围绕制移动的初级线圈15和两个静止的次级线圈3和4绕制在非铁磁线圈形状10的周围。初级线圈形状14是用轴8机械连接到有关的物体(未图示)。轴8能将大约几微米或更小的数量级传输有关物体的位移。线圈形状可以用任何非铁磁体材料制成，包括但是不限于，没有铁磁体成分，或者顺磁性材料的塑料、陶瓷和合成物。另一方面，线圈形状可以是由非铁磁体粘合剂和线圈或者多个绕组构成。更完整在下面叙述，激励电子仪器11产生电流驱动初级线圈。当初级线圈15的位置相对于次级线圈3和4变化时，因此有关物体附到轴8，磁通耦合到两个次级线圈变化。这些电压用差动放大器6放大并由信号调节电子仪器12转换到与芯位移成正比例的电压，更完整的下面叙述。这个LVDT的配置从传感器的有效部分移动铁磁体材料。如同以下讨论，这个改进降低了由高导磁率磁性材料所提供的灵敏度增益，但是消除了巴克豪森噪声。巴克豪森噪声的消除容许提高激励电压11的电平而在输出噪声中不会引起相应的增加，因此，增加LVDT的灵敏度。可以注意到来自传感器的有效部分的铁磁体材料的移动参照次级线圈优点。对于围绕LVDT(未图示)的壳体在材料选择上不再有任何限制。因为在芯中没有铁磁体材料，具体实施方式
的LVDT的灵敏度和噪声对外部磁场是不灵敏的，包括从壳体材料所产生的这些磁场。
图3和图4展示我们改进的LVDT位置传感器的激励和信号调节电子仪器。两个电路是根据矩形波振荡器23，因此在精密规定的振幅和频率处提供输出。激励电子仪器用纯正弦波驱动LVDT初级线圈15。作为这个用途，低通滤波器24有效地除去在使用的基波之上的全部矩形波的谐波。滤波器是最佳的，相对于温度方面变量是稳定的。产生的高纯度、低失真正弦波然后是由驱动LVDT初级线圈15的电流缓冲器25来放大。电路这部分末端结果是具有异常的频率和振幅稳定性的正弦波振荡器。
图3展示我们改进的LVDT位置传感器的信号调节电子仪器的一种型式。次级线圈3和4的分别是一端接地，另一端连接到高精度、低噪声差动放大器6。当耦合到低阻抗输入源(例如，线圈)时，这个差动放大器是被设计成产生低噪声。差动放大器6的输出是输出到低噪声模拟乘法器电路27。滤波器24的输出通过低噪声、精密相移电路28和作为乘法器电路27的其他输入来馈送。最后，乘法器电路27的输出是由另一个高精度、低噪声、稳定的、低通滤波器29来滤波，以除去乘法器输出的频率双倍成分。这个滤波器的输出提供与移动的初级线圈15的位置成比例的同步信号。另一方面将基准信号相移到乘法器27，可以使信号将要相移到初级线圈驱动电流缓冲器25。在全部情况中，初级线圈的相对相位驱动和乘法器基准是可调节的。
图4展示我们改进的LVDT位置传感器的信号调节电子仪器的另一种型式。直至差动放大器6的输出，电子仪器是类似于图3的情况。在图4电路中，差动放大器26的输出进入到缓冲放大器31和倒相缓冲放大器32。缓冲放大器31的输出是馈送到模拟开关33的常闭输入而倒相缓冲放大器32的输出是馈送到开关的常开输入。这个配置同无损的函数性是相反的。模拟开关33的动作是矩形波所控制，矩形波来源于矩形波振荡器23，在正在输入到模拟开关33之前矩形波振荡器23是由低噪声、精密相移电路30来相移的，因此开关的两个部分是设置为当一个部分打开是另一部分是闭合的。更好些，开关33的两部分的断开和闭合存在90度，离开来自放大器26的输出信号相位范围之外。模拟开关33的输出是馈送到稳定的、低噪声、低通滤波器34。如同其他型式，这个滤波器的输出与移动的初级线圈15的位置成比例地提供同步信号。
在任何LVDT后面的基本思路是在移动的初级线圈与两个次级线圈之间的互(电)感变化作为位置的函数。图5的上部面板展示在传统的LVDT的每个次级线圈输出处的感应电压和所叙述的LVDT作为芯位置的函数。在两种情况中，次级线圈是被定位的，因此在感应电压的斜坡的最陡峭的部分处这些输出抵消。这确保在芯中为变化而减去电压的灵敏度或者尽可能大地移动初始线圈位置。虚线展示在传统的LVDT中两个次级线圈的响应曲线。实线展示我们改进的LVDT中两个次级线圈的响应曲线。LVDT的灵敏度可以是用简单地减去两个次级线圈的输出来计算的。这是有关两种情况在图5的下部面板中展示的。在中央点周围芯的极小偏移的灵敏度可以用在中央周围配合直线来测量的。在传统的LVDT的情况中，未处理的灵敏度(即，在零点附近扣除曲线的斜率)是3.16伏特/mm和在改进的LVDT的情况中，这是0.26伏特/毫米。这表明使用铁磁体芯的值得注意的优点。芯的导磁率显著地提高增益，增加LVDT信号的灵敏度。
启动性的识别在LVDT分辨力方面的局限性。至少一个制造商声称它的传统的LVDT具有“无限分辨力”和来自完整性的任何偏移是由于在信号调节或者显示中的缺陷(Lion精密型号AB-01，Lion精密公司，St，Paul，MN，美国)。这种声称是吹棒性广告，至少有两种原因。首先，用金属线绕制的线圈将受到Johnson(约翰逊)噪声的影响。(Herceg，EdwardE.，An LVDT Primer，Sensors，p27-30，Jane(1996)，noise)。结果，约翰逊噪声是存在于传统的LVDT和这里叙述的LVDT两者中。约翰逊噪声将在信号调节电子仪器的输出处转移到电气信号，因此同传感器的实际运动难以区别。其次，对于传统的LVDT大概最重要的是使用铁磁体材料引入如同巴克豪森噪声众知的现象。如果铁磁体芯是完美的话，意味着导磁率是恒定的和磁化强度以完美地线性和平滑地方式变化，这种现象可以被忽略不计。然而，铁磁体材料决不是完美的。巴克豪森噪声是在铁磁体材料的磁性状态中对突然跳跃而给予命名的。在铁磁体材料中的缺陷可导致磁畴壁是被优先的钉住的专门部位。然后，磁畴壁能用热能或者外部磁场来去除钉住。当这发生时，磁畴壁跳跃到另一个亚稳态钉住部位，在材料的全部磁性状态中引起突然变化。
我们断定在LVDT传感器中分辨力方面电流限制不是信号调节或者显示误差，而是在铁磁体芯中的巴克豪森噪声。因为巴克豪森噪声经常来源于小容答磁性材料的转换，在差动测量中在两个次级线圈的每个中磁通变化将不能抵消掉。这依次导致在芯位置信号中的噪声。图6和图7展示在传统的LVDT的铁磁体芯中巴克豪森跳跃引起位置上的噪声。图6和图7两者展示如同图1的相同元件，除了图1的芯1已重新画出之外，如同有许多缺陷和晶粒边界的多晶材料，因此是针住磁畴壁，其中一个是如同图6中的10a视为等同的和另一个如同在图7中的10b视为等同的。在图6中，在小容积材料10a中的巴克豪森跳跃比进入右边次级线圈3耦合更多的磁通进入边边次级线圈4。在左边次级线圈中感应的产生电压尖脉冲，用11a来代表，将大于在右边次级线圈中感应的尖脉冲，用12a来代表。当这两个电压尖脉冲经过差动放大器6和信号调节电子仪器7时，它们引起位置上的噪声，用13a来代表。在图7中说明的是巴克豪森噪声的另一方面使它难以除去。在图7中，在晶粒10b中发生的巴克豪森跳跃，即在两个次级线圈3和4之间偶然发现地找出等距离的。因为来自两个次级线圈的等距离发生的跳跃，由11b和12b代表的感应电压尖脉冲是相等的。当这些肖脉冲经过差动放大器6和信号调节电子仪器7时，它们抵消和并不导致由13b代表的位置上的噪声。
对于在LVDT中高灵敏度位置测量，我们测试巴克豪森噪声的假设是噪声的限制源。作为这个用途，我们测量位置上的噪声有下述几种(1)商用的LVDT，使用在装运状态的初级线圈和铁磁体芯(图1)，(ii)商用的LVDT，其中我们通过将弱的(～10奥斯特)外部磁场应用到芯来改变铁磁体芯的磁性状态和(iii)商用的LVDT，其中我们除去铁磁体芯和用非铁磁体芯形状代替它，并在其的周围绕制新的移动的初线线圈，结果在功能上相等于这里叙述的LVDT。
图8展示作为这些不同的LVDT的噪声特性化，我们使用的机械装置。由机械框架16构成，包括机械挠曲17附着移动的LVDT芯18，或者是任何几个传统的LVDT芯(图1)或者是用移动的初级线圈绕制的非铁磁体线圈形状。LVDT次级线圈3和4连接到机械框架16，它是作为基准的作用。压电层叠组件19压在挠曲组件上，使它相对于机械基准而移动。在图8制作的全部测量中，压电层叠组件用-15伏到+15伏0.1Hz三角形波来驱动的和使用图3中的相同激励和信号调节电子仪器。对于每次测量，信号调节电子仪器的增益被调整到1.3μm/v的标称位置上的灵敏度。这个灵敏度意味着在我们16位数据采集系统上的最低有效位(LSB)相当于0.02nm的距离。
为校准各种LVDT的灵敏度和线性，使用温度稳定的、HeNe(氦氖)激光干涉仪20和NIST-在原子力显微镜中通常使用的分类可示踪的校准光栅(校准标准，NT-MDT，莫斯科，俄罗斯)。来自激光干涉仪的光束21被移动芯18反射掉，移动芯18用回射器22装配。通过将LVDT响应配合于干涉仪响应，我们校准各种LVDT。图9展示这种装配的结果，用LVDT(iii)上述视为同一，我们改进的LVDT功能上等效的，和用光学干涉仪等方法所测量的压电磁滞曲线。LVDT数据(实线)已有刻度的和对匹配干涉仪数据(圆圈)的偏移尽可能接近。如预期那样，配合过程输出1.30μm/v的LVDT灵敏度。一旦LVDT的灵敏度已测量之后，尽量去测量位置上的噪声。例如，测量LVDT的响应一次，对压电层叠组件的极小位移作为时间的函数。
因为它们来源于在铁磁体材料中钉住部位的显微镜的分布，所以巴克豪森跳跃的细节情况从芯到芯将都不同，甚至当这些芯由相同材料构成时也是如此。而且，对于典型的第一次LVDT测量，因为铁磁体芯接近于剩磁状态，所以巴克豪森噪声将取决于个别芯的磁性变化过程的细节。图10展示铁磁体芯和非铁磁体芯LVDT响应的剩磁的振幅频谱作为频率的函数。这些频谱是正当静止时由来自所讨论的LVDT放射的测量噪声来推导的和用付里叶技术来分析这些测量。如图10中所示，铁磁体芯LVDT的振幅频谱作为频率的函数而减少，和巴克豪森噪声的测量一致，而非铁磁体芯LVDT展示减少许多和较平坦的曲线。这是和巴克豪森噪声的缺席一致，但是有在信号调节电子仪器的反馈电阻器中来源的约翰逊噪声存在。从0.1Hz到1KHz积分的rms噪声对于非铁磁体芯LVDT是0.19nm和对于铁磁体芯LVDT是2.1nm。
铁磁体经常是在亚稳态微磁性状态。这些亚稳状是典型地相对远离接地状态。作为铁磁体为朝接地状态松驰有许许多多通道。这导致慢松弛现象，其中磁性状态在长期标度范围中将逐渐地变化，典型地从几小时到几天，几星期和甚至几个月(例如，见Bozorth)。当磁化强度朝始终稳定状态松弛时，由外部磁场相对于扰动铁磁体的导磁率和稳定性将同样有所变化。一般，磁畴壁将逐渐朝更稳定结构松弛，导致较少数的巴克豪森跳跃。图11展示有关三个传统的铁磁体芯LVDT和三个空气芯LVDT作为时间函数的测量噪声。全部三个传统的铁磁体芯LVDT的噪声作为时间的函数而减少，虽然不是以平滑的方式，和在每个芯的噪声电平之中有值考虑的可变性。两者观察表明巴克豪森噪声。在相同时期期间，三个空气芯LVDT的噪声继续是多得多的恒定在大致0.19nm处和在三个不同的空气芯中间有着极小的变量。这表示噪声起源在别处例如，在激励或者信号调节电子仪器中。
增加信号对噪声之比(信噪比)的一个方法是去简单地增加驱动电流。如果噪声是在某些恒定数值的话，增加驱动电流应该简单地增加信噪比。图12展示有关三个传统的铁磁体芯LVDT和三个空气芯LVDT的噪声对激励电流的曲线。空气芯噪声大致是与初级线圈电流成反比例。这个响应是和由激励和信号调节电子仪器正在限制的灵敏度一致的。有关铁磁体芯LVDT的噪声对驱动电流曲线全部有相反的趋势。当驱动电流增加时，噪声同样也增加。这表示巴克豪森噪声。当初级线圈驱动电流增加时，它产生较大的振荡磁场，因此能驱逐钉住的磁畴壁，依次导致增加位置上的噪声。另外，在图12和图11两者中的铁磁体芯LVDT展示在它们的噪声性能方面的极其较高的可变性。这也表明噪声是来源于在每个芯中的显微镜的磁性变量，即巴克豪森噪声。
应该注意到所叙述的LVDT不仅能将运动转换为电压，但是能以相反的方式，将电压转换为运动。所叙述的LVDT的下述应用使用一个或者两个这些性质。
精密力测量。图13表示在进行这样测量中用于寻找力测量和使用所叙述的LVDT的分子力探针仪器装置。通过用尖锐的尖端37测量挠曲的悬臂的偏转，当它压入或者拉回在样品上时这个仪器装置测量力的情况。高灵敏度偏转测量装置和极其尖锐的尖端在挠曲悬壁的末端处容许测量直至单个分子范围。压痕力测量同样可由将悬壁尖端压力到表面来进行。在图13中，悬臂37是用低相干光源35来照明。来自这个光源的光是用可调整的聚焦透镜来聚焦到悬臂37处。悬臂的光反射掉是由可调整的反射镜38采集的并导向到位置传感器39。位置传感器将电压提供到仪器(未图示)的控制器，因此与悬臂偏转成正比例的。整个光学检测系统是密封在硬的稳定的容器40内。该容器是经过挠曲耦合体或者挠曲体41和42而附装到仪器44的框架。这些耦合体允许容器40相对于仪器44的框架44而垂直地平移。压电层叠组件43是用于实现平移和我们改进的LVDT传感器，用移动的初级线圈15附装到移动的容器，静止的次级线圈3和4附着到仪器的固定框架，提供位置上的信息。
图14展示在进行力测量中LVDT传感器的重要性。两个面板展示在空气中在云母表面上使用Si(硅)悬臂(毫微传感器MESP)制作力曲线。图14的A面板是悬臂偏转对应用到压电的电压的曲线图。光轨迹45展示近似曲线和黑暗轨迹46展示回缩曲线。在尖端与样品之间的粘附在回缩曲线中明显的，照现在样子“急变”点44在大约5.5伏处。如同将被注意到近似曲线和回缩曲线的接触部分没有相同斜率。这可以是作为尖端或者样品或者两者的粘弹性能某些分类来解释。然而，同样它可以被解释为压电磁滞曲线的人工制品，让我们在解释中留下不确定性。图14的B面板展示相同偏转数据，这时作为我们改进的LVDT的输出的函数而绘制的。在这个面板中，近似曲线和回缩曲线47的接触部分这时有相同的斜率，在尖端-样品的相互作用中划去任何粘弹性效应的存在。还有，使用我们改进的LVDT传感器划去在力曲线中压电磁滞曲线人工制品的任何可能性。使用我们传感器的第二个优点是容许在X轴上位移直接测量(即，微米单位(如同图示)或者纳米单位)。
表面轮廓曲线绘制。在各种表面轮廓曲线绘制仪器中使用传统的LVDT传感器，这些仪器包括许多商用的仪器(例如，来自Veeco仪器公司的Dektak，Plainview，NY，美国)。图15展示一种这样的仪器。这是从美国专利.4,669,330的图1而采纳的。在这个仪器中，锐尖端48附装到移动的记录针99是在宝石轴承机械装置50周围以枢轴旋转。尖端是在与样品51的接触中以台阶52为根据，因此相对于仪器53的框架而扫描。记录针组件的运动是用曲线圈组件54和高导磁率铁磁体芯55构成的LVDT传感器来测量的，因此与记录针组件一起运动。在尖端48与样品51之间的力可以通过将磁场应用到磁性嵌条56附着记录针组件使用磁性传动线圈57附着到仪器53的框而有所改变。在这个设计中的一个主要想法是将初级线圈55屏蔽，防止来自磁性传动线圈57的磁性嵌条56所放射的磁场。来自传动器的任何杂射磁场会改变高导磁率铁磁体芯55的磁性状态，造成在记录针组件48尖端表面上的位置和/或灵敏度方面的变化。
相对于使用传统的LVDT的这些仪器而言，使用这里叙述的LVDT容许本质上改进轮廓曲测定性。这包括在较高速度时和较低的力时表面轮廓绘制。而且，因为它可能同我们改进的LVDT一起应用力和检测位置两者，正当允许简化设计时，仪器的质量可以减少和它的速度增加。图16展示叙述的LVDT应用的一个例子，其中直流电流58是经过加法放大器同振荡初级线圈电流5相加。直流电流的插入允许沿着LVDT初级线圈15的轴尽量发挥力。在这个具体实施方式
中，尖锐的尖端60是附着到记录针61，因此在宝石轴承机械装置50上运动。这整个组件相对于样品表面51而运动。在这个具体实施方式
的改型中，LVDT次级线圈3和4同直流电流一起被驱动，以增加应用的力。如同使用初级线圈驱动器为发挥力，因为力驱动器和LVDT传感器驱动器在频率上是很宽的分开，所以这个同时发生的力应用和检测是可能的。因为叙述的LVDT的线圈形状是由非铁磁体材料构成的，所以同时发生的力应用和检测在位置中测量的噪声或灵敏度方面无影响。
图17展示轮廓曲线测定仪同LVDT一起的另一种具体实施方式
，即用作为传感器和传动器两者。这个具体实施方式
的元件是类似于在图16中展示的这些元件，除了下述情况之外记录针61是经过挠曲的弯曲耦合体62而附着到仪器63(在图16中未展示)。如同在图16中叙述的驱动器和检测电子仪器，正当高频传感器信号被同时测量时，次级线圈同直流力传动电流一起同样被驱动。
原子力显微镜。图18展示原子力显微镜(AFM)是从美国专利.Re 34,489的图3处采纳的。AFM(原子力显微镜是用于产生表面外形(和其他样品特性)的图象的装置，根据在样品表面范围内在挠曲悬臂末端处从扫描尖锐尖端取得的信息而成。悬臂的偏转相应于样品的外形特征。通常，尖端-样品位置是由压电管扫描器的配置来固定的，有时由挠曲体强迫的。在图18中，样品69是使用压电管扫描器70在三维空间中定位的。悬臂的偏转是用光学杆来测量的，类似于在图14中所示的。这些图像通过悬臂的偏转或者其他机械性能作为样品的X-Y位置的函数而绘制。仪器可以工作在许多不同成象模式包括振荡模式其中仅有尖端同样品表面间歇地接触。图18的更详细说明可在参考专利中找到。
图19展示如在图13中同AFM函数性一起叙述的分子力探针。样品69安装在精密X-Y定位台阶71上，允许样品在MFP支配下被光栅扫描。当它(悬臂)同样品表面相互作用时MFP测量悬壁偏转，并使用各种成象模式制作图像。在这个AFM中，不像在图18中叙述的AFM那样，沿着Z轴的运动是由在MFP中的压电层叠组件43来提供的，因此从Z位置对X-Y位置去耦合。这个AFM同样允许外部常规的显微镜光学设备与仪器的Z轴对准，这个特征是由外部物镜73通过在X-Y定位台阶71中的光学孔72同悬臂尖端对准来表达的。在这种配置中，样品相对于MFP和外部光学设备两者而被扫描。图20展示X-Y定位台阶的一种具体实施方式
的剖视平面图。即使用叙述的LVDT以提供精密位置上的信息。图20展示在Y台阶74上支承的X台阶77。Y台阶的运动是伴随有Y轴初级线圈76的移动和X台阶的运动伴随有X轴初级线圈78的移动。这些移动由Y台阶和X台阶次级线圈组件75和79分别地检测到，分别(75和79)安装到扫描器的非移动框架。在定位台阶的中间的光学孔72允许光线进入到样品。
图21展示在生成AFM图像的叙述的LVDT的重要性。两个面板展示在图20中展示的装备有X-Y定位台阶的MFD 3D而制作的图像，这个台阶使用我们改进的LVDT。图像是在衍射光栅范围内使用Si(硅)悬臂(毫微传感器MESP)制作的，通常用为校准AFM由端正的正方形阵列，正方形5μm凹坑，标称180nm深。制作面板A是通过简单驱动压电扫描器用连续的三角形波和使用应用电压作为样品移动的测量。面板A展示衍射光栅凹坑的变形图像。它们呈现在尺寸方面既不均匀也不使它们呈现在端正的阵列中。面板B展示相同衍射光栅，这时成象具有根据来自叙述的LVDT传感器的信号基础上的闭合环路定位。在这个图像中，这些凹坑中尺寸上呈现均匀一致并具有均匀间隔，如所期望的那样。类似于在分子力探针中它们的使用，叙述的LVDT传感器使我们能精密地重现样品表面的图象，通过对于压电磁带作用和蠕变作用的测量和修正。
具有微米和更小长度标度的这些装置的研究，发展和制造已经开始并有所加速。最近，IBM公司已取得某些成果，其中用本机的探针使单个原子是被定位在表面上(在这种情况中，扫描隧道显微镜的探针)。原子的精密方位，分子制造的目标将要求本机探针在三维空间中的亚埃及定位。
通过这些新技术和装置，它里叙述的非铁磁体传感器适用于所要求的长度标度简化。LVDT的灵敏度是与互(电)感几何灵敏度 成正比例。互感是与磁能成正比例和与电流的平方成反比， 如果我们保持卷数恒定通过减少导线尺寸来实现的话，那么容易说明互感是与线圈长度1无关的。另一方面，互感的导数是与线圈长度成反比的， 因此，当LVDT线圈长度减少时，灵敏度增加了，灵敏度∝l-1。这个关系意味着当线圈长度减少时LVDT灵敏度仅将达到更好。
当传感器的长度标度和这些装置减少时，磁性传感器有另一种优点。磁力)磁场强度)标度为l-4。这意味着从简单工作传感器产生的这些力将在MEMs或较小尺寸的非铁磁体LVDT的情况中有助于定标。
本发明叙述的具体实施方式
仅是考虑到优选的和说明本发明概念；本发明的范围不是限制于这些具体实施方式
。本领域的普通技术人员可以作出许多和各种其他配置，而不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种位移换能器，其特征在于，包括，具有共同轴的第一个和第二个非铁磁体线圈形状，各用至少一个绕组绕制；具有这样的绕组，其第一个线圈形状的外径比第二个线圈形状的内径更小，因此每个绕组相对于另一个能将第一个线圈形状放置在第二个线圈形状之内；一个线圈形状是能运动的，而另一个线圈形状是静止的；在能运动的线圈形状上的绕组或者多个绕组磁性地耦合到在没有任何铁磁体元件感应地耦合多个绕组的条件下的在静止形状上的绕组或者多个绕组；和电子电路产生信号对微米或者更少的范围内的线圈形状之间的相对位移敏感。
2.如权利要求1所述的换能器，其特征在于，传感器包括，有较小外径的线圈形状绕制有两个或者多个绕组，且其他线圈形状用单个绕组绕制。
3.如权利要求1所述的换能器，其特征在于，传感器包括，具有较大内径的线圈用两个或多个绕组绕制，且其他线圈形状用单个绕组绕制。
全文摘要
一种减少噪声、增加灵敏度、改进时间响应的线性变量差接变压器(LVDT)的换能器。该装置用初级线圈绕制在运动的非铁磁体周围取代传统的LVDT的初级线圈和高导磁率铁磁体芯。除了减少或者消除巴克豪森噪声之外，这个方法减少或消除许多在传统的LVDT中其他不合乎需要的影响，包括在芯中的过度涡流热量，与高导磁率材料相联系的非线性和磁通回路的长度标度。这些改进是同改进的LVDT信号调节电路系统相耦合的。该装置同样是传动器和可以用于将差动电压转换成力。具有这些改进的装置有许多应用，包括分子力测量，原子力显微术和操作技术，平版印刷制造，纳米标度表面轮廓曲线绘制和其他方面毫微技术。
文档编号H01F21/04GK1483136SQ01819812
公开日2004年3月17日 申请日期2001年11月30日 优先权日2000年11月30日
发明者R·普罗克施, R 普罗克施, J·克利夫兰, 蚶 , D·博切克, 锌 申请人:阿赛勒姆研究股份有限公司