晶振此款电子频率元件要知道在现代的社会中所占据的地位有多重要,是电子产品的核心,相当于人类的"心脏",也无法想象当代社会要是没有压电石英晶振那世界将会变成怎样的.石英晶振的供应不足会成为一个严重的问题.事实上,石英材料对无线电和有线通信设备的运行至关重要.使用石英材料制造的晶体单元能够产生极其稳定的频率信号.这个信号对于这些设备彼此通信至关重要,没有晶体单元,它们就无法运行.换句话说,晶体单元充当电信设备的“核心”.即使在今天,这一重要作用仍未改变,而作为同样重要的电机也是如此.
当大多数工程师听到"电机"时,他们通常认为"磁性".这是有道理的,因为传统电机使用线圈,绕组和磁性材料来提供旋转或线性运动.无论是交流电机还是直流电机,拉丝或无刷,步进电机或其他配置(参见电机谱系的神秘与魔力)),磁场与材料之间的相互作用将电能转换为机械运动.
因此,在实现小规模和精确运动的时候,设计师通常首先考虑一个非常小的电机甚至一个小型电机和齿轮组.然而,在这些较小的尺度下,磁电机难以控制并且仍然相对较大,而齿轮组会带来更多的尺寸,重量,成本,机械游隙,间隙和磨损问题.即使使用先进的运动控制电子设备和软件,它也可能是一个棘手且令人不满意的解决方案.
但是目前广泛使用的基于磁性的电动机存在替代方案:压电电动机,也称为压电致动器.其操作原理利用了众所周知的压电效应.工程师熟悉这种双向现象及其许多应用,例如将振动转换为电能以进行能量收集,构建压力传感传感器以及实施火花点火器.在互补模式中,该效果用于将电能转换成压力和运动,在音频信号装置/信号器中,当然,作为普遍存在的石英晶体振荡器的核心.
图1:压电电机通常由堆叠的压电元件制成,并由施加的电压激励(左).有些单元还包括一个用于闭环控制的应变计(中心),可以更精确地控制所施加的电压与位移(右).(来源：PhysikInstrumenteGmbH＆Co.)
压电马达由单个陶瓷晶振或这些陶瓷材料的叠层构成.当通过电压在组件上施加电场时,材料变形,如图1所示.在最常见的设计中,伸长限于单个运动平面.通过开/关电压脉冲和机械布置来引导材料以进行一系列拉伸和定位保持,因此像毛毛虫一样移动(有时也称为"尺""设计").
动议既精准又精确.基于压电的电动机用于纳升输液泵和光学位置机构.这些电机可以提供低至纳米公差的定位,步进速率达到2脚贴片MHZ晶振范围-显然是磁电机方法的不可能的规格.可用力范围从纳牛顿到大约一牛顿(1N),(虽然一些马达可以达到数百牛顿,而小马达的马达重量在不到10克的范围内.
这些通常不是"高功率"电机,但它们不需要用于目标应用.而且,在某些情况下,压电马达的非磁性特性是有益的(甚至是必需的).压电电机可作为开环传感器运行,也可用作反馈回路中的应变计,以实现闭环控制提供的额外精度.
压电电机的基本物理不仅与磁电机的基本物理特性不同,驱动要求也不同.基于磁性的电动机是电流驱动的装置,因为磁场和强度是通过绕组的电流的函数(当然,有电压用于驱动电流进入绕组;电动机方程式都是基于当前和磁性之间的相互作用).
基于压电的电动机是电压驱动的场景.压电材料需要由跨越材料的电压差提供的电场.根据电机的大小,此电压可低至50V或高至1000V或更高(简单的压电蜂鸣器和有源晶振振动器通常仅需要约25-30V).
这给驱动电子设计带来了一些挑战:
由于潜在的致命电压,使用适当的绝缘和电线布线至关重要,同时要注意监管机构设定的蠕变和间隙要求.
与用于控制磁电机中电流流动的MOSFET/IGBT开关不同,压电电机通常由高压,低电流放大器驱动(标准运算放大器由其输出端的高压晶振管或特定应用提升)高压运算放大器).
磁电机是高感性负载,因此驱动电路必须处理电流浪涌,感应踢和其他感性负载属性.相比之下,压电电机具有高电容性,因此驱动器运算放大器必须能够为1,000pF(皮法)或更高的负载提供所需的电压,同时保持稳定,即使运算放大器也需要特殊的输出级设计可以轻松提供高压.
压电式非磁性电机的广泛使用表明,聪明的工程师如何调整基本材料和物理原理,为微动应用创造创新解决方案.运动和运动控制的下一步是开发实用的基于MEMS振荡器的电机,它太小而无法用肉眼观察,用于诸如通过医疗测试仪器中的微毛细管路径"泵送"单个细胞的用途-大量的研发工作是那些已经在进行中.
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