【導(dǎo)讀】壓電致動器是一種利用反向壓電效應(yīng)通過施加電壓產(chǎn)生位移的元件，可以為熟悉的電磁設(shè)備（如電機(jī)和螺線管）提供替代方案。它們具有更高的可靠性、更低的功耗、更小的尺寸和更高的位置分辨率等優(yōu)點(diǎn)。
壓電致動器是一種利用反向壓電效應(yīng)通過施加電壓產(chǎn)生位移的元件，可以為熟悉的電磁設(shè)備（如電機(jī)和螺線管）提供替代方案。它們具有更高的可靠性、更低的功耗、更小的尺寸和更高的位置分辨率等優(yōu)點(diǎn)。
壓電效應(yīng)
居里（Curie）兄弟在 19 世紀(jì)末演示了直接壓電效應(yīng)，表明對石英等天然晶體材料施加應(yīng)力能夠產(chǎn)生電荷（參見圖 1a）。當(dāng)然還有一個相反的效果：向具有壓電特性的材料施加電場會導(dǎo)致物理變形（參見圖 1b），從而導(dǎo)致幾微米的位移。
圖 1a 和 1b：正壓電效應(yīng)和反向壓電效應(yīng)。
自居里夫婦的研究以來，已經(jīng)開發(fā)出各種合成式壓電材料或鐵電陶瓷，這些通常具有比天然材料高得多的壓電常數(shù)。經(jīng)燒結(jié)之后，晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的偶極子為隨機(jī)取向，在施加強(qiáng)電場后偶極子得到極化。即便去除強(qiáng)電場，仍有殘存極化效應(yīng)存在，從而使這些陶瓷材料具有壓電特性。
在這些合成材料中，PZT 或鋯鈦酸鉛 (Pb (Zr, Ti) O3) 具有高靈敏度和高工作溫度，可用于一些實(shí)際應(yīng)用。它的直接壓電特性可用于壓力、振動、加速度和沖擊傳感器，以及超聲波接收器和診斷設(shè)備、聲納儀器、探魚器、無損檢測設(shè)備和麥克風(fēng)等設(shè)備。
另一方面，也可以利用反向壓電效應(yīng)來控制晶體尺寸，能夠創(chuàng)建諸如精密工業(yè)定位平臺、閥門、用于變焦和自動對焦的相機(jī)鏡頭馬達(dá)、超聲波源和揚(yáng)聲器等致動器。
壓電致動器類型和結(jié)構(gòu)
通過在縱向或橫向施加電壓以產(chǎn)生不同方向位移，可以構(gòu)建各種類型的致動器以產(chǎn)生不同類型的運(yùn)動。圖 2 比較了縱向、橫向和堆疊縱向元件，其中顯示了位移方向，以及產(chǎn)生彎曲位移的雙壓電晶片橫向元件。
圖 2：壓電致動器的結(jié)構(gòu)類型。
縱向效應(yīng)型由于電極間距較長，需要較大的電壓才能獲得相應(yīng)位移。橫向效應(yīng)型因?yàn)殡姌O間距比縱向效應(yīng)型短，所以可降低電壓，但位移量較小，因?yàn)樗玫氖谴怪庇跇O化方向的位移。層疊型電極間距短，利用極化方向的位移，因此可以用低電壓獲得位移，但存在必須堆疊每個壓電陶瓷的不便。此外，雙壓電晶片型可以在低電壓下獲得較大位移，但由于它利用彎曲方向的位移，不能獲得大的生成力，并且在重復(fù)驅(qū)動的耐久性方面存在局限。
整體燒制的多層壓電致動器通過縮小電極之間的空間來克服這些問題，從而在足夠低的電壓下實(shí)現(xiàn)大位移，以利于實(shí)際應(yīng)用。
壓電致動器特性
與可用于產(chǎn)生精確控制運(yùn)動的小型馬達(dá)或螺線管等電磁致動器相比，壓電致動器具有許多優(yōu)勢。首先，它響應(yīng)時間非常短。此外，壓電致動器不會產(chǎn)生電磁噪聲，可以簡化系統(tǒng)設(shè)計，消除材料清單中的屏蔽和濾波組件，并可使 EMC 合規(guī)性測試更加容易。由于產(chǎn)生的熱量較少，熱管理也可以因此大大簡化。壓電致動器的緊湊性和重量輕也是其進(jìn)一步的優(yōu)勢，能夠以高分辨率進(jìn)行精確控制。表1比較了使用電磁和壓電致動器進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素。
表 1：電磁和壓電致動器的比較。
多層壓電致動器
盡管多層壓電致動器通常都具有出色的特性，但在進(jìn)行設(shè)計時仍建議小心謹(jǐn)慎。重復(fù)驅(qū)動會導(dǎo)致元件斷裂，因?yàn)檎?fù)內(nèi)部電極之間的非活性絕緣區(qū)域與活性區(qū)域相對膨脹和收縮不同，從而引入機(jī)械應(yīng)力。 “全電極”式致動器能夠更好地承受重復(fù)致動，通過將電極擴(kuò)展到每個板的全部寬度，并在電極之間引入玻璃絕緣體（參見圖 3），消除了非活性區(qū)域，從而防止了由于膨脹不同引起的應(yīng)力。
圖 3：帶有玻璃絕緣體的全電極堆疊式多層結(jié)構(gòu)。
此外，高濕度等環(huán)境挑戰(zhàn)會縮短致動器的使用壽命。密封性能好的致動器可以在暴露于嚴(yán)苛應(yīng)用環(huán)境下，并能夠提供高可靠性，其中可能包含包裝在完全密封金屬外殼中的高位移壓電材料（參見圖 4）。外殼有一個預(yù)加載的波紋管結(jié)構(gòu)，可以伴隨元件膨脹和收縮，并且具有一個金屬法蘭來簡化安裝。
圖 4：密封多層壓電致動器。
應(yīng)用
壓電元件的尺寸變化可用于產(chǎn)生線性位移，以實(shí)現(xiàn)操作泵、閥門和精密定位控制機(jī)構(gòu)等各種應(yīng)用效果。圖 5 展示了安裝在三個軸上的壓電致動器如何控制精密檢測儀器中 x-y 載物臺位置以及鏡頭聚焦的工作原理。
圖 5：自動檢測設(shè)備中的精確定位。
圖 6 顯示了壓電致動器如何控制粘合劑分配，并確保適用于智能手機(jī)等產(chǎn)品高速組裝的精確計量。
圖 6：使用壓電致動器的精密高速粘合劑分配。
樹脂涂層環(huán)形致動器適用于定位應(yīng)用，例如可微調(diào)高精度法布里-珀羅（Fabry-Perot）諧振器中的激光波長和相位，用于干涉測量等應(yīng)用（圖 7）。控制壓電致動器的膨脹和收縮可以改變激光的波長。
圖 7：法布里-珀羅干涉儀中的環(huán)形壓電致動器。
圖 8 顯示了如何在質(zhì)量流量控制器中利用致動器長度的變化。對于半導(dǎo)體制造中使用的成膜和蝕刻設(shè)備，這些致動器在此類質(zhì)量流量控制器中可提供超精確的氣體流量控制。
圖 8：質(zhì)量流量控制器中的壓電致動器。
提高性能和可靠性
由于具有最少量的活動部件，并采用了多層全電極結(jié)構(gòu)等特性，壓電致動器可提供比機(jī)電致動器等其它技術(shù)更優(yōu)的固有可靠性優(yōu)勢。為了最大限度地提高其可靠性和性能，用戶可以考慮一些簡單的設(shè)計指南。在設(shè)計固定時，要防止致動器彎曲、扭曲或受到拉力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對于能夠產(chǎn)生 800N 力（抗壓性）的致動器，任何扭轉(zhuǎn)力都應(yīng)小于 3 × 10-1 N·m，拉伸力應(yīng)限制在 50N 或以下。致動器的安裝應(yīng)使產(chǎn)生位移的中心軸與負(fù)載的中心軸對齊。
關(guān)于致動器的驅(qū)動，位移量與所施加的電壓大致成比例，需要一個控制器來生成所需的電壓模式，并通過一個能夠產(chǎn)生所需驅(qū)動電壓的放大器來驅(qū)動致動器。在高精度定位應(yīng)用中，閉環(huán)反饋可以增強(qiáng)對位移的控制。不應(yīng)施加反向電壓。
設(shè)計驅(qū)動電路時應(yīng)考慮滯后（hysteresis）、振鈴（ringing）、爬電（creep）和其他類似現(xiàn)象。為防止可能使致動器損壞的強(qiáng)烈振鈴，施加電壓的上升或下降應(yīng)限制在致動器元件諧振頻率的 1/3 以下。
壓電致動器的致動類似于將電荷注入到相對較大的電容器中。為了實(shí)現(xiàn)致動器的高速響應(yīng)，需要較大電流。對于脈沖驅(qū)動，驅(qū)動器設(shè)計應(yīng)考慮自發(fā)熱、充電/放電電流和電源阻抗等因素。
結(jié)論
壓電致動器能夠?qū)崿F(xiàn)簡單而精確的運(yùn)動控制，可為工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)等應(yīng)用帶來低功耗、低噪音和緊湊尺寸等優(yōu)勢。 多層全電極堆疊致動器相對于施加的電壓能夠產(chǎn)生較大位移，并且能夠很好地免受重復(fù)致動應(yīng)力影響。
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