功率放大器在微致动器的制备与力电响应表征实验中的应用

实验名称：阵列式微致动器的制备与力电响应表征实验

研究方向：生物力学与仿生、离子型电活性聚合物（EAP）材料，设计制备柔性致动器。

实验目的：本实验首先设计并制造了一种基于离子型EAP的微型驱动器阵列，以期用于二维培养细胞的动态力学刺激，并介绍这一阵列式微驱动器的原理设计、材料选取和制备过程，然后对该材料进行了微观结构表征和电学表征，同时搭建了测试平台对该微驱动器进行了电致变形性能测试（定性观察和定量表征），也改变微驱动器的尺寸，进行参数实验以进一步验证制备方法的可靠性。

测试设备：

1、微观结构：扫描电子显微镜、离子溅射仪

2、电学性能：方块电阻测试仪

3、力学性能：原子力显微镜、微力传感器、模拟信号变送器

4、电致变形：光学显微镜、激光位移传感器、三向位移夹持平台

5、数据采集与激励：工控机、数据采集卡、功率放大器（AigtekATA-304）

6、数值模拟：COMSOLMultiphysics6.0软件

图1：电致变形性能测试平台

实验过程：

电致变形性能测试平台通过Labview编写程序生成正弦波、方波等波形（频率直流至几百赫兹、幅值小于10V），经数据采集卡输出后由功率放大器（AigtekATA-304）转化为驱动电压，三向位移夹持平台（夹具贴铜箔充当电极）固定待测试件并可调整其与传感器的相对位置；感测部分从夹持平台电极引出导线接数据采集卡同步采集驱动电压（验证与设置值一致性），用两个铜环固定材料后，激光位移传感器垂直对准微驱动器中心点测量实时横向位移以表征面外变形；采集部分由数据采集卡将信号传至工控机记录，需提前设置信号输入通道、参考单端模式接线方式，采样频率满足“大于被测信号最高频率2倍”的采样定理，位移标定按“实际位移为模拟电压值2倍”建立换算关系，电压标定无需额外设置；测试环境为室温15~25℃、湿度40%~50%RH，平台还含阻滞力感测单元和响应电流感测单元。

实验结果：

通过激光切割技术在支撑基底膜上制备直径1.5mm的5×5圆孔阵列，以Nafion为芯层、PEDOT:PSS为电极层成功制成5×5离子型柔性微驱动器阵列，SEM表征显示电极层与芯层、基底膜结合紧密，结构连续致密，保障了工作稳定性；孔外PEDOT:PSS表面电阻约6Ω/sq，换算后孔上微驱动器表面电阻约4Ω/sq，为电致动性能提供支撑，电致变形测试表明该阵列在不大的电荷载激励下能产生规律、可控、快速的面外变形，变形与电压大小和频率相关，正弦电压下最大位移约67μm，直流电下约63μm，参数实验也验证了其设计思路的可靠性与制备方法的可重复性。

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审核编辑 黄宇