晶振此款電子頻率元件要知道在現(xiàn)代的社會中所占據(jù)的地位有多重要,是電子產(chǎn)品的核心,相當(dāng)于人類的"心臟",也無法想象當(dāng)代社會要是沒有壓電石英晶振那世界將會變成怎樣的.石英晶振的供應(yīng)不足會成為一個嚴(yán)重的問題.事實上,石英材料對無線電和有線通信設(shè)備的運行至關(guān)重要.使用石英材料制造的晶體單元能夠產(chǎn)生極其穩(wěn)定的頻率信號.這個信號對于這些設(shè)備彼此通信至關(guān)重要,沒有晶體單元,它們就無法運行.換句話說,晶體單元充當(dāng)電信設(shè)備的“核心”.即使在今天,這一重要作用仍未改變,而作為同樣重要的電機也是如此.
當(dāng)大多數(shù)工程師聽到"電機"時,他們通常認(rèn)為"磁性".這是有道理的,因為傳統(tǒng)電機使用線圈,繞組和磁性材料來提供旋轉(zhuǎn)或線性運動.無論是交流電機還是直流電機,拉絲或無刷,步進電機或其他配置(參見電機譜系的神秘與魔力)),磁場與材料之間的相互作用將電能轉(zhuǎn)換為機械運動.
因此,在實現(xiàn)小規(guī)模和精確運動的時候,設(shè)計師通常首先考慮一個非常小的電機甚至一個小型電機和齒輪組.然而,在這些較小的尺度下,磁電機難以控制并且仍然相對較大,而齒輪組會帶來更多的尺寸,重量,成本,機械游隙,間隙和磨損問題.即使使用先進的運動控制電子設(shè)備和軟件,它也可能是一個棘手且令人不滿意的解決方案.
但是目前廣泛使用的基于磁性的電動機存在替代方案:壓電電動機,也稱為壓電致動器.其操作原理利用了眾所周知的壓電效應(yīng).工程師熟悉這種雙向現(xiàn)象及其許多應(yīng)用,例如將振動轉(zhuǎn)換為電能以進行能量收集,構(gòu)建壓力傳感傳感器以及實施火花點火器.在互補模式中,該效果用于將電能轉(zhuǎn)換成壓力和運動,在音頻信號裝置/信號器中,當(dāng)然,作為普遍存在的石英晶體振蕩器的核心.
圖1:壓電電機通常由堆疊的壓電元件制成,并由施加的電壓激勵(左).有些單元還包括一個用于閉環(huán)控制的應(yīng)變計(中心),可以更精確地控制所施加的電壓與位移(右).(來源：PhysikInstrumenteGmbH＆Co.)
壓電馬達由單個陶瓷晶振或這些陶瓷材料的疊層構(gòu)成.當(dāng)通過電壓在組件上施加電場時,材料變形,如圖1所示.在最常見的設(shè)計中,伸長限于單個運動平面.通過開/關(guān)電壓脈沖和機械布置來引導(dǎo)材料以進行一系列拉伸和定位保持,因此像毛毛蟲一樣移動(有時也稱為"尺""設(shè)計").
動議既精準(zhǔn)又精確.基于壓電的電動機用于納升輸液泵和光學(xué)位置機構(gòu).這些電機可以提供低至納米公差的定位,步進速率達到2腳貼片MHZ晶振范圍-顯然是磁電機方法的不可能的規(guī)格.可用力范圍從納牛頓到大約一牛頓(1N),(雖然一些馬達可以達到數(shù)百牛頓,而小馬達的馬達重量在不到10克的范圍內(nèi).
這些通常不是"高功率"電機,但它們不需要用于目標(biāo)應(yīng)用.而且,在某些情況下,壓電馬達的非磁性特性是有益的(甚至是必需的).壓電電機可作為開環(huán)傳感器運行,也可用作反饋回路中的應(yīng)變計,以實現(xiàn)閉環(huán)控制提供的額外精度.
壓電電機的基本物理不僅與磁電機的基本物理特性不同,驅(qū)動要求也不同.基于磁性的電動機是電流驅(qū)動的裝置,因為磁場和強度是通過繞組的電流的函數(shù)(當(dāng)然,有電壓用于驅(qū)動電流進入繞組;電動機方程式都是基于當(dāng)前和磁性之間的相互作用).
基于壓電的電動機是電壓驅(qū)動的場景.壓電材料需要由跨越材料的電壓差提供的電場.根據(jù)電機的大小,此電壓可低至50V或高至1000V或更高(簡單的壓電蜂鳴器和有源晶振振動器通常僅需要約25-30V).
這給驅(qū)動電子設(shè)計帶來了一些挑戰(zhàn):
由于潛在的致命電壓,使用適當(dāng)?shù)慕^緣和電線布線至關(guān)重要,同時要注意監(jiān)管機構(gòu)設(shè)定的蠕變和間隙要求.
與用于控制磁電機中電流流動的MOSFET/IGBT開關(guān)不同,壓電電機通常由高壓,低電流放大器驅(qū)動(標(biāo)準(zhǔn)運算放大器由其輸出端的高壓晶振管或特定應(yīng)用提升)高壓運算放大器).
磁電機是高感性負(fù)載,因此驅(qū)動電路必須處理電流浪涌,感應(yīng)踢和其他感性負(fù)載屬性.相比之下,壓電電機具有高電容性,因此驅(qū)動器運算放大器必須能夠為1,000pF(皮法)或更高的負(fù)載提供所需的電壓,同時保持穩(wěn)定,即使運算放大器也需要特殊的輸出級設(shè)計可以輕松提供高壓.
壓電式非磁性電機的廣泛使用表明,聰明的工程師如何調(diào)整基本材料和物理原理,為微動應(yīng)用創(chuàng)造創(chuàng)新解決方案.運動和運動控制的下一步是開發(fā)實用的基于MEMS振蕩器的電機,它太小而無法用肉眼觀察,用于諸如通過醫(yī)療測試儀器中的微毛細(xì)管路徑"泵送"單個細(xì)胞的用途-大量的研發(fā)工作是那些已經(jīng)在進行中.
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