晶振此款電子頻率元件要知道在現代的社會中所占據的地位有多重要,是電子產品的核心,相當于人類的"心臟",也無法想象當代社會要是沒有壓電石英晶振那世界將會變成怎樣的.石英晶振的供應不足會成為一個嚴重的問題.事實上,石英材料對無線電和有線通信設備的運行至關重要.使用石英材料制造的晶體單元能夠產生極其穩定的頻率信號.這個信號對于這些設備彼此通信至關重要,沒有晶體單元,它們就無法運行.換句話說,晶體單元充當電信設備的“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.
當大多數工程師聽到"電機"時,他們通常認為"磁性".這是有道理的,因為傳統電機使用線圈,繞組和磁性材料來提供旋轉或線性運動.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換為機械運動.
因此,在實現小規模和精確運動的時候,設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.工程師熟悉這種雙向現象及其許多應用,例如將振動轉換為電能以進行能量收集,構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換成壓力和運動,在音頻信號裝置/信號器中,當然,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控制的應變計(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成.當通過電壓在組件上施加電場時,材料變形,如圖1所示.在最常見的設計中,伸長限于單個運動平面.通過開/關電壓脈沖和機械布置來引導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""設計").
動議既精準又精確.基于壓電的電動機用于納升輸液泵和光學位置機構.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百牛頓,而小馬達的馬達重量在不到10克的范圍內.
這些通常不是"高功率"電機,但它們不需要用于目標應用.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傳感器運行,也可用作反饋回路中的應變計,以實現閉環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,驅動要求也不同.基于磁性的電動機是電流驅動的裝置,因為磁場和強度是通過繞組的電流的函數(當然,有電壓用于驅動電流進入繞組;電動機方程式都是基于當前和磁性之間的相互作用).
基于壓電的電動機是電壓驅動的場景.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).
這給驅動電子設計帶來了一些挑戰:
由于潛在的致命電壓,使用適當的絕緣和電線布線至關重要,同時要注意監管機構設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開關不同,壓電電機通常由高壓,低電流放大器驅動(標準運算放大器由其輸出端的高壓晶振管或特定應用提升)高壓運算放大器).
磁電機是高感性負載,因此驅動電路必須處理電流浪涌,感應踢和其他感性負載屬性.相比之下,壓電電機具有高電容性,因此驅動器運算放大器必須能夠為1,000pF(皮法)或更高的負載提供所需的電壓,同時保持穩定,即使運算放大器也需要特殊的輸出級設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整基本材料和物理原理,為微動應用創造創新解決方案.運動和運動控制的下一步是開發實用的基于MEMS振蕩器的電機,它太小而無法用肉眼觀察,用于諸如通過醫療測試儀器中的微毛細管路徑"泵送"單個細胞的用途-大量的研發工作是那些已經在進行中.
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