高壓放大器在鎵基液態(tài)金屬微型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用

　　實(shí)驗(yàn)名稱：高壓放大器在鎵基液態(tài)金屬微型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用

　　研究方向：新型材料

　　測(cè)試目的：

　　微/納馬達(dá)雖然是一種以實(shí)際應(yīng)用為基礎(chǔ)的動(dòng)力裝置，但其在科學(xué)研究方面的價(jià)值也尤為重要。在微/納米尺度下，它可以接受能量注入，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化和機(jī)械功輸出，并實(shí)現(xiàn)特定的力學(xué)功能。它的研究匯集了電子、機(jī)械、材料科學(xué)以及物理、化學(xué)和生物中新生長(zhǎng)出的（包括交叉的、不同層次的）微小和微觀領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)綜合體，對(duì)于研究微納尺度下粒子的運(yùn)動(dòng)特性有著重要的意義，反過(guò)來(lái)也對(duì)物理、化學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展有著一定的推動(dòng)作用。

　　測(cè)試設(shè)備：ATA-2082高壓放大器、芯片、印制電路板、安卓手機(jī)、電腦、小銅微珠等。

　　圖4-5（a）控制平臺(tái)示意圖。（b）由編程電場(chǎng)引導(dǎo)的鎵基液態(tài)金屬微型馬達(dá)的三維運(yùn)動(dòng)軌跡。（c）由~800mm微珠組成4×4陣列操作芯片的攝影圖像。（d）“迷你鋼琴"示意圖。（e）播放音樂(lè)時(shí)，操控鎵基液態(tài)金屬微型馬達(dá)跳躍的照片圖像。

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

　　設(shè)計(jì)一個(gè)控制平臺(tái)，通過(guò)控制平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鎵基液態(tài)金屬微型馬達(dá)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的精準(zhǔn)操控。馬達(dá)控制平臺(tái)系統(tǒng)由輸入指令的互動(dòng)媒體端、可以產(chǎn)生模擬信號(hào)的電源端、放大信號(hào)的電壓放大器端以及接收放大信號(hào)的操控芯片組成。如圖4-5（a）所示。輸入指令的互動(dòng)媒體端主要是由預(yù)先裝好指令程序的計(jì)算機(jī)組成的。在指令程序中預(yù)先設(shè)定好指令信號(hào)串，指令信號(hào)串通過(guò)轉(zhuǎn)換電源轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，模擬信號(hào)通過(guò)電壓放大器放大信號(hào)脈沖，放大后的信號(hào)脈沖傳輸?shù)浇邮辗糯笮盘?hào)的操控芯片上。馬達(dá)就會(huì)按著預(yù)先設(shè)計(jì)好的指令信號(hào)串實(shí)現(xiàn)沿著固定軌道的三維跳躍運(yùn)動(dòng)。操作芯片是由預(yù)先設(shè)計(jì)好電路結(jié)構(gòu)的印制電路板（PCB）和直徑為800mm的小銅微珠微焊接而成。PCB電路板尺寸為5cm×5cm，板內(nèi)設(shè)計(jì)出4×4個(gè)微型槽，每個(gè)槽的直徑為200mm。通過(guò)微焊接技術(shù)將小銅珠焊接在4×4個(gè)微型槽中。這樣操控芯片就設(shè)計(jì)完成如圖4-5(c)。微型馬達(dá)操控平臺(tái)是由直徑為800mm的小銅微珠排列成4×4矩陣操控芯片與紙基板組成。操控芯片到紙基板之間的垂距離為2mm。通過(guò)獨(dú)立切換4×4矩陣中每個(gè)微銅球施加信號(hào)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)微型馬達(dá)的不同微球之間的三維跳躍運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微型馬達(dá)的精確可控運(yùn)動(dòng)。我們通過(guò)這個(gè)操控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了馬達(dá)在紙基板的沿著固定軌跡（“C"“T"“G"“U"四個(gè)字母軌跡）的三維精確跳躍任務(wù)。

　　操作過(guò)程如下：首先給操控芯片上的4×4矩陣微銅球沿時(shí)間前后順序依次輸入“C"“T"“G"“U"軌跡的脈沖信號(hào)，時(shí)間間隔為1S，馬達(dá)便隨著不同時(shí)間間隔微電極提供的局部電場(chǎng)來(lái)指引其完成沿規(guī)定水平方向的三維跳動(dòng)。值得注意的是，相鄰的微珠之間的距離至少要大于微珠的半徑，以防止當(dāng)強(qiáng)信號(hào)進(jìn)入時(shí)他們之間產(chǎn)生電弧（火花）。通過(guò)分別在電極陣列上事先設(shè)定的電壓軌跡，鎵基液態(tài)金屬微型馬達(dá)可以沿著規(guī)定的軌跡跳動(dòng)，同時(shí)也可以根據(jù)需要啟動(dòng)/停止。如圖4-5（b）。顯然，在這個(gè)控制系統(tǒng)中，操作的精度很大程度上依賴于整列單元的大小。通過(guò)減小微珠直徑和微珠間距可以達(dá)到10微米級(jí)別的高精度。然而，當(dāng)進(jìn)一步減小單元尺寸時(shí)，微電極產(chǎn)生的電場(chǎng)也會(huì)相應(yīng)地減小，這極大影響了鎵基液態(tài)金屬的跳變性能。因此，在每一種情況下，自己評(píng)估操作精度和操作性能之間的平衡是非常必要的。

　　在此基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了一架“迷你電子鋼琴"如圖4-5d所示。“迷你電子鋼琴"系統(tǒng)包括一款安裝了鋼琴應(yīng)用程序的安卓手機(jī)、中央電腦、電壓源以及控制平臺(tái)幾部分。安裝了鋼琴應(yīng)用程序的安卓手機(jī)被用來(lái)輸入演奏音樂(lè)音符極作為輸入命令端口。連接到手機(jī)端口的中央電腦被用來(lái)作為接收這些信號(hào)的端口，并通過(guò)它將輸入音樂(lè)音符信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)通過(guò)電壓源轉(zhuǎn)換為信號(hào)脈沖，最終傳輸?shù)娇刂破脚_(tái)上。控制平臺(tái)系統(tǒng)由操控芯片和可觸摸壓力感應(yīng)基地系統(tǒng)兩部分結(jié)構(gòu)組成。操控芯片由預(yù)先設(shè)計(jì)好電路結(jié)構(gòu)的印制電路板（PCB）和直徑為800mm的小銅微珠組成。PCB電路板尺寸為2.5cm×7cm，板內(nèi)設(shè)計(jì)出2×7個(gè)微型槽，每個(gè)槽的直徑為200mm。通過(guò)微焊接技術(shù)將小銅珠焊接在2×7個(gè)微型槽中。通過(guò)微焊接的每個(gè)小銅珠就與PCB電路板上的電路完成并聯(lián)，電路板與電壓源相接。可觸摸壓力感應(yīng)基地系統(tǒng)是由兩部分組成，一部分（前端）為紙基地，一部分（后端）為可觸控壓力感應(yīng)膜如圖4-4所示。可觸控壓力感應(yīng)膜與信號(hào)轉(zhuǎn)換器連接，目的是將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)轉(zhuǎn)換器另一端與可以接受電信號(hào)并且將不同電信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同音樂(lè)音符的音樂(lè)音響設(shè)備連接。這樣可觸摸壓力感應(yīng)基地系統(tǒng)就設(shè)計(jì)完成。操控芯片與壓力感應(yīng)基底系統(tǒng)之間的垂距離為2mm。鎵基液態(tài)金屬的三維運(yùn)動(dòng)被CCD攝像機(jī)記錄下來(lái)。操作芯片由2×7的微電極陣列組成，沿X軸分為7個(gè)部分，用“C5"到“B5"的音符編碼（圖4-5e）。

　　圖4-4：可觸摸壓力感應(yīng)基地

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

　　當(dāng)我們?cè)谑謾C(jī)鋼琴系統(tǒng)中按下一個(gè)琴鍵，例如“C4"，該輸入指令就會(huì)通過(guò)手機(jī)傳輸?shù)街醒腚娔X中，中央電腦程序?qū)⒃撴I位的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸?shù)诫妷涸粗修D(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)傳輸?shù)讲倏匦酒稀癈4"位置上方的前端的微電極上，這時(shí)微電極產(chǎn)生的局部電場(chǎng)指導(dǎo)其進(jìn)行原地三維運(yùn)動(dòng)。當(dāng)跳動(dòng)到2S時(shí)，操控芯片上的延時(shí)電路使脈沖信號(hào)傳輸?shù)胶笠粋€(gè)微電極上，導(dǎo)致前一個(gè)微電極局部電場(chǎng)消失，后一個(gè)微電極上產(chǎn)生局部電場(chǎng)從而將馬達(dá)拉到后端微電極與可觸摸壓力感應(yīng)基底之間跳動(dòng)。可觸摸壓力感應(yīng)基底通過(guò)感應(yīng)馬達(dá)跳動(dòng)過(guò)程中對(duì)其底部產(chǎn)生的壓力來(lái)向信號(hào)轉(zhuǎn)化器傳輸壓力信號(hào)，信號(hào)轉(zhuǎn)換器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給能將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為音樂(lè)音符的音響設(shè)備。音響設(shè)備就會(huì)發(fā)出我們輸入設(shè)備輸入的那個(gè)音符。就仿佛像是在我們操控鎵基金屬微型馬達(dá)在彈奏鋼琴。

　　安泰ATA-2082高壓放大器：

　　圖：ATA-2082高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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