作者:Patrik Kalbermatten, YAGEO公司KEMET Electronics Corporation的分销推广产品管理高级经理，磁性，传感器和执行器
压电致动器利用逆压电效应产生位移来响应施加的电压，可以替代常见的电磁设备，如电机和螺线管。它们具有更高的可靠性、更低的功耗、更小的尺寸和更高的位置分辨率等优点。
压电效应
居里兄弟在19世纪末证明了直接压电效应th世纪，展示了如何将应力施加到自然形成的晶体材料，如石英，产生电荷(图1a)。还有一种相反的效应:对具有压电特性的材料施加电场会导致物理变形(图1b)，导致几微米的位移。
自居里夫妇的研究以来，各种合成压电材料，即铁电陶瓷被开发出来。它们通常比天然材料具有更高的压电常数。烧结后晶体结构中的偶极子取向随机。然后施加一个强电场使偶极子极化。去除电场后，残余极化仍然存在，使陶瓷具有压电特性。
在这些合成材料中，PZT或锆钛酸铅(Pb (Zr, Ti) O3.)，具有高灵敏度和高工作温度，使其能够在实际应用中使用。其直接的压电特性被用于压力、振动、加速度和冲击传感器、超声波接收器和诊断设备、声纳仪器、探鱼器、无损检测设备和麦克风等设备。
另一方面，利用逆压电效应来操纵晶体尺寸，可以创建诸如精密工业定位台、阀门、用于变焦和自动对焦的相机镜头马达、超声波源和扬声器等执行器。
压电驱动器的类型和结构
通过在纵向或横向施加电压来引起位移，可以构造各种类型的驱动器来产生不同类型的运动。图2比较了纵向单元、横向单元和堆叠的纵向单元，显示了位移的方向，以及产生弯曲位移的双晶型横向单元。
由于电极间距较长，纵向效应型需要较大的电压来获得位移。横向效应型电极间距比纵向效应型电极间距短，可以降低电压，但垂直于极化方向的位移量较小。叠层式电极间距短，利用极化方向的位移，可以在较低的电压下获得位移，但存在必须对每个压电陶瓷进行叠层的不便。此外，双晶型在低电压下可以获得较大的位移，但由于采用了弯曲方向的位移，无法获得较大的生成力，重复驱动的耐久性存在问题。
整体式多层压电致动器克服了这些问题，通过使电极之间的空间非常薄，从而实现了在实际使用中足够低的电压下的大位移。
压电致动器的特点
与电磁致动器(如小型电动机或螺线管)相比，压电致动器有许多优点，它们可以用于制造精确控制的运动。响应时间非常快。此外，执行器不产生电磁噪声，可以简化系统设计，从材料清单中消除屏蔽和滤波组件，便于EMC合规测试。热管理也可以大大简化，因为产生的热量最小。紧凑和轻量化是进一步的优势和压电驱动器允许精确控制高分辨率。该表格比较了电磁和压电驱动器设计时应考虑的关键方面。
多层压电致动器
尽管多层驱动器具有良好的特性，但在设计多层驱动器时还是建议谨慎一些。由于内部正负极之间的非有源绝缘区域与有源区域相比膨胀和收缩不同，从而引入机械应力，重复驱动会导致元件断裂。“全电极”驱动器能够更好地承受重复驱动。将电极延伸到每个板的全宽，并在电极之间引入玻璃绝缘体(图3)，消除了非活性区域，从而防止了差分膨胀引起的应力。
此外，高湿度等环境挑战可能会缩短执行器的寿命。密封执行机构可以提高应用的可靠性，暴露在恶劣的环境。这些元件可以包含一个完全密封的金属外壳内的高位移压电材料(图4)。外壳有一个预加载的波纹管结构，可以与元件一起膨胀和收缩，并可以提供一个金属法兰以简化安装。
应用程序
压电元件的尺寸变化可用于产生线性位移，用于各种作用，如操作泵、阀门和控制精密定位机构。图5显示了安装在三轴上的压电驱动器如何控制精密检测仪器中x-y台位置和镜头焦点的机构。
图6展示了压电驱动器如何控制胶水的点胶，确保精确计量，适合智能手机等产品的高速组装。
树脂涂层环形致动器适用于定位应用，如微调高精度法布里-珀罗谐振器中的激光波长和相位，如干涉测量(图7)。控制压电致动器的膨胀和收缩可以改变激光的波长。
图8显示了如何在质量流量控制器中利用执行器长度的变化。对于半导体制造中使用的薄膜形成设备和蚀刻设备，这些执行器在质量流量控制器中提供超精确的气体流量控制。
提高性能和可靠性
压电致动器具有最小的运动部件，并利用多层、全电极结构等特点，其固有的可靠性优于机电致动器等替代品。为了使其可靠性和性能最大化，用户可以考虑一些简单的设计准则。当设计固定时，防止执行机构弯曲，扭曲或承受拉力。根据经验，对于产生800牛(抗压缩)力的驱动器，任何扭转力应小于3 × 10- 1n·m。拉力应限制在50牛或以下。执行器的安装应使产生的位移的中心轴与负载的中心轴对齐。
对于驱动致动器，位移量大约与施加的电压成正比。需要一个控制器来产生所需的电压模式，并通过产生所需驱动电压的放大器驱动执行器。在高精度定位应用中，闭环反馈可以增强对位移的控制。不应施加反向电压。
在设计驱动电路时，应考虑迟滞、振铃、蠕变等类似现象。为防止强振铃，可能导致执行器断路，施加电压的升降应限制在执行器元件谐振频率的1/3以下。
压电致动器的驱动类似于将电荷注入一个较大的电容中。要实现执行器的高速响应，必须有大的电流。对于脉冲驱动，驱动器设计应考虑自热产生、充放电电流和电源阻抗。
结论
压电驱动器实现了简单而精确的运动控制，为工业、医疗和消费产品带来了低功耗、低噪音和紧凑的尺寸等优点。多层，全电极堆叠驱动器产生较大的位移相对于施加的电压，并高度抵抗重复驱动的应力。
了下:传感器提示
