壓電致動(dòng)器的原理、選擇和設(shè)計(jì)指南

壓電致動(dòng)器是一種利用反向壓電效應(yīng)通過(guò)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(xiàn)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(dòng)器是一種利用反向壓電效應(yīng)通過(guò)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(xiàn)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(duì)石英等天然晶體材料施加應(yīng)力能夠產(chǎn)生電荷（參見(jiàn)圖 1a）。當(dāng)然還有一個(gè)相反的效果：向具有壓電特性的材料施加電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致物理變形（參見(jiàn)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(lái)，已經(jīng)開(kāi)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(chǎng)后偶極子得到極化。即便去除強(qiáng)電場(chǎng)，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(dòng)、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(yú)器、無(wú)損檢測(cè)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(lái)控制晶體尺寸，能夠創(chuàng)建諸如精密工業(yè)定位平臺(tái)、閥門(mén)、用于變焦和自動(dòng)對(duì)焦的相機(jī)鏡頭馬達(dá)、超聲波源和揚(yáng)聲器等致動(dòng)器。

壓電致動(dòng)器類(lèi)型和結(jié)構(gòu)

通過(guò)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(lèi)型的致動(dòng)器以產(chǎn)生不同類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)。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(dòng)器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

縱向效應(yīng)型由于電極間距較長(zhǎng)，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(gè)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(dòng)的耐久性方面存在局限。

整體燒制的多層壓電致動(dòng)器通過(guò)縮小電極之間的空間來(lái)克服這些問(wèn)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(dòng)器特性

與可用于產(chǎn)生精確控制運(yùn)動(dòng)的小型馬達(dá)或螺線(xiàn)管等電磁致動(dòng)器相比，壓電致動(dòng)器具有許多優(yōu)勢(shì)。首先，它響應(yīng)時(shí)間非常短。此外，壓電致動(dòng)器不會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，消除材料清單中的屏蔽和濾波組件，并可使 EMC 合規(guī)性測(cè)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(jiǎn)化。壓電致動(dòng)器的緊湊性和重量輕也是其進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)，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(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素。

表 1：電磁和壓電致動(dòng)器的比較。

多層壓電致動(dòng)器

盡管多層壓電致動(dòng)器通常都具有出色的特性，但在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)仍建議小心謹(jǐn)慎。重復(fù)驅(qū)動(dòng)會(huì)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(duì)膨脹和收縮不同，從而引入機(jī)械應(yīng)力。 “全電極”式致動(dòng)器能夠更好地承受重復(fù)致動(dòng)，通過(guò)將電極擴(kuò)展到每個(gè)板的全部寬度，并在電極之間引入玻璃絕緣體（參見(jiàn)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(huì)縮短致動(dòng)器的使用壽命。密封性能好的致動(dòng)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(jiàn)圖 4）。外殼有一個(gè)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(gè)金屬法蘭來(lái)簡(jiǎn)化安裝。

圖 4：密封多層壓電致動(dòng)器。

應(yīng)用

壓電元件的尺寸變化可用于產(chǎn)生線(xiàn)性位移，以實(shí)現(xiàn)操作泵、閥門(mén)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(gè)軸上的壓電致動(dòng)器如何控制精密檢測(cè)儀器中 x-y 載物臺(tái)位置以及鏡頭聚焦的工作原理。

圖 5：自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備中的精確定位。

圖 6 顯示了壓電致動(dòng)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(jì)量。 

圖 6：使用壓電致動(dòng)器的精密高速粘合劑分配。

樹(shù)脂涂層環(huán)形致動(dòng)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(zhǎng)和相位，用于干涉測(cè)量等應(yīng)用（圖 7）?？刂茐弘娭聞?dòng)器的膨脹和收縮可以改變激光的波長(zhǎng)。

圖 7：法布里-珀羅干涉儀中的環(huán)形壓電致動(dòng)器。

圖 8 顯示了如何在質(zhì)量流量控制器中利用致動(dòng)器長(zhǎng)度的變化。對(duì)于半導(dǎo)體制造中使用的成膜和蝕刻設(shè)備，這些致動(dòng)器在此類(lèi)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(dòng)器。

提高性能和可靠性

由于具有最少量的活動(dòng)部件，并采用了多層全電極結(jié)構(gòu)等特性，壓電致動(dòng)器可提供比機(jī)電致動(dòng)器等其它技術(shù)更優(yōu)的固有可靠性?xún)?yōu)勢(shì)。為了最大限度地提高其可靠性和性能，用戶(hù)可以考慮一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)指南。在設(shè)計(jì)固定時(shí)，要防止致動(dòng)器彎曲、扭曲或受到拉力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于能夠產(chǎn)生 800N 力（抗壓性）的致動(dòng)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(dòng)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(duì)齊。

關(guān)于致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)，位移量與所施加的電壓大致成比例，需要一個(gè)控制器來(lái)生成所需的電壓模式，并通過(guò)一個(gè)能夠產(chǎn)生所需驅(qū)動(dòng)電壓的放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器。在高精度定位應(yīng)用中，閉環(huán)反饋可以增強(qiáng)對(duì)位移的控制。不應(yīng)施加反向電壓。

設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)考慮滯后（hysteresis）、振鈴（ringing）、爬電（creep）和其他類(lèi)似現(xiàn)象。為防止可能使致動(dòng)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(dòng)器元件諧振頻率的 1/3 以下。

壓電致動(dòng)器的致動(dòng)類(lèi)似于將電荷注入到相對(duì)較大的電容器中。為了實(shí)現(xiàn)致動(dòng)器的高速響應(yīng)，需要較大電流。對(duì)于脈沖驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)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(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單而精確的運(yùn)動(dòng)控制，可為工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)等應(yīng)用帶來(lái)低功耗、低噪音和緊湊尺寸等優(yōu)勢(shì)。 多層全電極堆疊致動(dòng)器相對(duì)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(dòng)應(yīng)力影響。