實驗名稱：高壓放大器在鎵基液態金屬微型馬達驅動實驗研究中的應用

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用為基礎的動力裝置，但其在科學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，進行能量轉化和機械功輸出，并實現特定的力學功能。它的研究匯集了電子、機械、材料科學以及物理、化學和生物中新生長出的（包括交叉的、不同層次的）微小和微觀領域的科學技術綜合體，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、化學和材料科學的發展有著一定的推動作用。

測試設備：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）由編程電場引導的鎵基液態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，操控鎵基液態金屬微型馬達跳躍的照片圖像。

實驗過程：

設計一個控制平臺，通過控制平臺來實現對鎵基液態金屬微型馬達點對點的精準操控。馬達控制平臺系統由輸入指令的互動媒體端、可以產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先裝好指令程序的計算機組成的。在指令程序中預先設定好指令信號串，指令信號串通過轉換電源轉換成模擬信號，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到接收放大信號的操控芯片上。馬達就會按著預先設計好的指令信號串實現沿著固定軌道的三維跳躍運動。操作芯片是由預先設計好電路結構的印制電路板（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，板內設計出4×4個微型槽，每個槽的直徑為200mm。通過微焊接技術將小銅珠焊接在4×4個微型槽中。這樣操控芯片就設計完成如圖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微型馬達的不同微球之間的三維跳躍運動，進而實現微型馬達的精確可控運動。我們通過這個操控系統實現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。

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，以防止當強信號進入時他們之間產生電弧（火花）。通過分別在電極陣列上事先設定的電壓軌跡，鎵基液態金屬微型馬達可以沿著規定的軌跡跳動，同時也可以根據需要啟動/停止。如圖4-5（b）。顯然，在這個控制系統中，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，當進一步減小單元尺寸時，微電極產生的電場也會相應地減小，這極大影響了鎵基液態金屬的跳變性能。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。

在此基礎上，我們設計制作了一架“迷你電子鋼琴”如圖4-5d所示。“迷你電子鋼琴”系統包括一款安裝了鋼琴應用程序的安卓手機、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換成電信號，電信號通過電壓源轉換為信號脈沖，最終傳輸到控制平臺上。控制平臺系統由操控芯片和可觸摸壓力感應基地系統兩部分結構組成。操控芯片由預先設計好電路結構的印制電路板（PCB）和直徑為800mm的小銅微珠組成。PCB電路板尺寸為2.5cm×7cm，板內設計出2×7個微型槽，每個槽的直徑為200mm。通過微焊接技術將小銅珠焊接在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，電路板與電壓源相接。可觸摸壓力感應基地系統是由兩部分組成，一部分（前端）為紙基地，一部分（后端）為可觸控壓力感應膜如圖4-4所示。可觸控壓力感應膜與信號轉換器連接，目的是將壓力信號轉換為電信號，信號轉換器另一端與可以接受電信號并且將不同電信號轉換為不同音樂音符的音樂音響設備連接。這樣可觸摸壓力感應基地系統就設計完成。操控芯片與壓力感應基底系統之間的距離為2mm。鎵基液態金屬的三維運動被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：可觸摸壓力感應基地

實驗結果：

當我們在手機鋼琴系統中按下一個琴鍵，例如“C4”，該輸入指令就會通過手機傳輸到中央電腦中，中央電腦程序將該鍵位的信號轉換為電信號，傳輸到電壓源中轉換為脈沖信號，脈沖信號傳輸到操控芯片上“C4”位置上方的前端的微電極上，這時微電極產生的局部電場指導其進行原地三維運動。當跳動到2S時，操控芯片上的延時電路使脈沖信號傳輸到后一個微電極上，導致前一個微電極局部電場消失，后一個微電極上產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基底之間跳動。可觸摸壓力感應基底通過感應馬達跳動過程中對其底部產生的壓力來向信號轉化器傳輸壓力信號，信號轉換器將壓力信號轉換為電信號傳輸給能將電信號轉換為音樂音符的音響設備。音響設備就會發出我們輸入設備輸入的那個音符。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高壓放大器指標參數

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本文實驗案例參考自知網論文《微型鎵基液態金屬馬達構筑及電_磁場驅動研究》