實驗名稱：高壓放大器在鎵基液態(tài)金屬微型馬達驅(qū)動實驗研究中的應(yīng)用

研究方向：新型材料

測試目的：

微/納馬達雖然是一種以實際應(yīng)用為基礎(chǔ)的動力裝置，但其在科學(xué)研究方面的價值也尤為重要。在微/納米尺度下，它可以接受能量注入，進行能量轉(zhuǎn)化和機械功輸出，并實現(xiàn)特定的力學(xué)功能。它的研究匯集了電子、機械、材料科學(xué)以及物理、化學(xué)和生物中新生長出的（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，對于研究微納尺度下粒子的運動特性有著重要的意義，反過來也對物理、化學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展有著一定的推動作用。

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

圖4-5（a）控制平臺示意圖。（b）由編程電場引導(dǎo)的鎵基液態(tài)金屬微型馬達的三維運動軌跡。（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）播放音樂時，操控鎵基液態(tài)金屬微型馬達跳躍的照片圖像。

實驗過程：

設(shè)計一個控制平臺，通過控制平臺來實現(xiàn)對鎵基液態(tài)金屬微型馬達點對點的精準(zhǔn)操控。馬達控制平臺系統(tǒng)由輸入指令的互動媒體端、可以產(chǎn)生模擬信號的電源端、放大信號的電壓放大器端以及接收放大信號的操控芯片組成。如圖4-5（a）所示。輸入指令的互動媒體端主要是由預(yù)先裝好指令程序的計算機組成的。在指令程序中預(yù)先設(shè)定好指令信號串，指令信號串通過轉(zhuǎn)換電源轉(zhuǎn)換成模擬信號，模擬信號通過電壓放大器放大信號脈沖，放大后的信號脈沖傳輸?shù)浇邮辗糯笮盘柕牟倏匦酒?。馬達就會按著預(yù)先設(shè)計好的指令信號串實現(xiàn)沿著固定軌道的三維跳躍運動。操作芯片是由預(yù)先設(shè)計好電路結(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)計出4×4個微型槽，每個槽的直徑為200mm。通過微焊接技術(shù)將小銅珠焊接在4×4個微型槽中。這樣操控芯片就設(shè)計完成如圖4-5(c)。微型馬達操控平臺是由直徑為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距離為2mm。通過獨立切換4×4矩陣中每個微銅球施加信號脈沖來實現(xiàn)微型馬達的不同微球之間的三維跳躍運動，進而實現(xiàn)微型馬達的精確可控運動。我們通過這個操控系統(tǒng)實現(xiàn)了馬達在紙基板的沿著固定軌跡（“C”“T”“G”“U”四個字母軌跡）的三維精確跳躍任務(wù)。

操作過程如下：首先給操控芯片上的4×4矩陣微銅球沿時間前后順序依次輸入“C”“T”“G”“U”軌跡的脈沖信號，時間間隔為1S，馬達便隨著不同時間間隔微電極提供的局部電場來指引其完成沿規(guī)定水平方向的三維跳動。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)強信號進入時他們之間產(chǎn)生電?。ɑ鸹ǎＭㄟ^分別在電極陣列上事先設(shè)定的電壓軌跡，鎵基液態(tài)金屬微型馬達可以沿著規(guī)定的軌跡跳動，同時也可以根據(jù)需要啟動/停止。如圖4-5（b）。顯然，在這個控制系統(tǒng)中，操作的精度很大程度上依賴于整列單元的大小。通過減小微珠直徑和微珠間距可以達到10微米級別的高精度。然而，當(dāng)進一步減小單元尺寸時，微電極產(chǎn)生的電場也會相應(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，我們設(shè)計制作了一架“迷你電子鋼琴”如圖4-5d所示?！懊阅汶娮愉撉佟毕到y(tǒng)包括一款安裝了鋼琴應(yīng)用程序的安卓手機、中央電腦、電壓源以及控制平臺幾部分。安裝了鋼琴應(yīng)用程序的安卓手機被用來輸入演奏音樂音符極作為輸入命令端口。連接到手機端口的中央電腦被用來作為接收這些信號的端口，并通過它將輸入音樂音符信號轉(zhuǎn)換成電信號，電信號通過電壓源轉(zhuǎn)換為信號脈沖，最終傳輸?shù)娇刂破脚_上?？刂破脚_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)計出2×7個微型槽，每個槽的直徑為200mm。通過微焊接技術(shù)將小銅珠焊接在2×7個微型槽中。通過微焊接的每個小銅珠就與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?？捎|控壓力感應(yīng)膜與信號轉(zhuǎn)換器連接，目的是將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，信號轉(zhuǎn)換器另一端與可以接受電信號并且將不同電信號轉(zhuǎn)換為不同音樂音符的音樂音響設(shè)備連接。這樣可觸摸壓力感應(yīng)基地系統(tǒng)就設(shè)計完成。操控芯片與壓力感應(yīng)基底系統(tǒng)之間的距離為2mm。鎵基液態(tài)金屬的三維運動被CCD攝像機記錄下來。操作芯片由2×7的微電極陣列組成，沿X軸分為7個部分，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

實驗結(jié)果：

當(dāng)我們在手機鋼琴系統(tǒng)中按下一個琴鍵，例如“C4”，該輸入指令就會通過手機傳輸?shù)街醒腚娔X中，中央電腦程序?qū)⒃撴I位的信號轉(zhuǎn)換為電信號，傳輸?shù)诫妷涸粗修D(zhuǎn)換為脈沖信號，脈沖信號傳輸?shù)讲倏匦酒稀癈4”位置上方的前端的微電極上，這時微電極產(chǎn)生的局部電場指導(dǎo)其進行原地三維運動。當(dāng)跳動到2S時，操控芯片上的延時電路使脈沖信號傳輸?shù)胶笠粋€微電極上，導(dǎo)致前一個微電極局部電場消失，后一個微電極上產(chǎn)生局部電場從而將馬達拉到后端微電極與可觸摸壓力感應(yīng)基底之間跳動?？捎|摸壓力感應(yīng)基底通過感應(yīng)馬達跳動過程中對其底部產(chǎn)生的壓力來向信號轉(zhuǎn)化器傳輸壓力信號，信號轉(zhuǎn)換器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給能將電信號轉(zhuǎn)換為音樂音符的音響設(shè)備。音響設(shè)備就會發(fā)出我們輸入設(shè)備輸入的那個音符。就仿佛像是在我們操控鎵基金屬微型馬達在彈奏鋼琴。

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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本文實驗案例參考自知網(wǎng)論文《微型鎵基液態(tài)金屬馬達構(gòu)筑及電_磁場驅(qū)動研究》