【概述】

本研究中使用Aigtek安泰ATA-2022B高壓放大器，搭建超聲電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。驗(yàn)證多層疊堆結(jié)構(gòu)降低驅(qū)動(dòng)電壓、提升驅(qū)動(dòng)力的有效性，最終研發(fā)出適配智能終端的高精度、緊湊型驅(qū)動(dòng)解決方案。
 

實(shí)驗(yàn)名稱：多層微型直線超聲電機(jī)制備與性能測試

研究方向：縱彎復(fù)合模態(tài)驅(qū)動(dòng)機(jī)理研究、多層壓電疊堆微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模態(tài)復(fù)合算法與動(dòng)力學(xué)仿真、低溫共燒陶瓷（LTCC）工藝優(yōu)化、壓電振子電學(xué)參數(shù)測試、電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)化測試

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>針對移動(dòng)終端攝像模組對執(zhí)行器微尺寸、低電壓、長行程、大推力的協(xié)同需求，突破傳統(tǒng)直線電磁馬達(dá)的性能局限，通過設(shè)計(jì)基于縱彎復(fù)合模態(tài)的多層微型直線超聲電機(jī)，完成其微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模態(tài)復(fù)合仿真、低溫共燒陶瓷工藝制備及極化處理，測試其電學(xué)參數(shù)與驅(qū)動(dòng)性能，驗(yàn)證多層疊堆結(jié)構(gòu)降低驅(qū)動(dòng)電壓、提升驅(qū)動(dòng)力的有效性，最終研發(fā)出適配智能終端的高精度、緊湊型驅(qū)動(dòng)解決方案。

測試設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器(SDG1022X，SIGLENT)、高壓放大器(ATA-2022H，Aigtek）、示波器(SDS1072X，SIGLENT）、超聲電機(jī)、磁柵尺位移傳感器、拉壓力傳感器。

實(shí)驗(yàn)過程：先采用低溫共燒陶瓷（LTCC）工藝制備出單層膜厚30μm、總層數(shù)30的壓電振子，完成振子極化處理并搭建系統(tǒng)監(jiān)測漏電流，確保常溫漏電流低于20nA，再貼附高精度氧化鋁驅(qū)動(dòng)足得到整體尺寸3.7×1.3×1.39mm的超聲電機(jī)；隨后通過阻抗分析儀、壓電系數(shù)測試儀分別測試振子的阻抗曲線與壓電應(yīng)變常數(shù)，獲取諧振頻率、縱向壓電應(yīng)變常數(shù)等關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)；接著搭建由性能測試裝置、微控制單元、電壓輸入裝置等組成的電機(jī)性能測試系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中設(shè)置不同測試條件，依次開展頻率-速度、預(yù)壓力-速度、電壓-速度、負(fù)載-速度測試，確定電機(jī)最佳驅(qū)動(dòng)頻率，實(shí)測其在445kHz驅(qū)動(dòng)頻率、450mN預(yù)壓力下的最大空載速度、最大負(fù)載能力等核心驅(qū)動(dòng)性能指標(biāo)，完成對該多層型直線超聲電機(jī)的全面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1測試系統(tǒng)框架(a)測試框圖;(b)性能測試裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

1、壓電振子制備與極化實(shí)驗(yàn)中，采用LTCC工藝制得30層、單層膜厚30μm的壓電振子，常溫下漏電流低于20nA，極化質(zhì)量良好。

2、壓電振子電學(xué)參數(shù)測試顯示，雙支路通道諧振頻率為447.50kHz和444.36kHz，縱向壓電應(yīng)變常數(shù)約5662.2pC/N，具備合理諧振與壓電性能。

3、頻率-速度測試確定電機(jī)最佳驅(qū)動(dòng)頻率為445kHz，可驅(qū)動(dòng)頻率帶寬達(dá)65kHz，該頻率下左右向空載速度基本一致，驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性良好。

4、預(yù)壓力-速度測試表明電機(jī)在300mN-800mN預(yù)壓力區(qū)間運(yùn)動(dòng)效果穩(wěn)定，對預(yù)壓力敏感度低，低電壓下仍具備可觀帶負(fù)載能力。

5、電壓-速度測試發(fā)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為3.2Vpp，6.2Vpp時(shí)達(dá)到最大空載速度104.5mm/s，電壓過高會(huì)因溫升導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)速度略有下降。

6、負(fù)載-速度測試得出電機(jī)最大負(fù)載為100mN@5.8Vpp，0-100mN負(fù)載下驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定且速度與負(fù)載接近線性關(guān)系，推重比達(dá)256。

7、綜合性能對比表明，該多層微型直線超聲電機(jī)在微尺寸、低電壓條件下展現(xiàn)出優(yōu)異的大驅(qū)動(dòng)力、長行程驅(qū)動(dòng)能力，優(yōu)于多款同尺寸微型直線超聲電機(jī)。

圖3電壓速度測試（a）空載測試（b）負(fù)載測試

安泰放大器在此應(yīng)用中的產(chǎn)品優(yōu)勢：

1.寬頻帶與高壓擺率——精準(zhǔn)匹配驅(qū)動(dòng)頻率，保障有效帶寬內(nèi)性能穩(wěn)定

2.高電壓輸出與精細(xì)增益調(diào)節(jié)——精確繪制電壓-速度特性曲線

3.低失真與高輸出穩(wěn)定性——保障壓電疊堆容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)

【推薦產(chǎn)品】：ATA-2000系列高壓放大器

圖：ATA-2000系列高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

本文實(shí)驗(yàn)素材由西安安泰電子整理發(fā)布。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當(dāng)規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商，樣機(jī)都支持免費(fèi)試用。西安安泰電子是專業(yè)從事功率放大器、高壓放大器、功率信號(hào)源、前置微小信號(hào)放大器、高精度電壓源、高精度電流源等電子測試儀器研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)。