壓電致動器的原理、選擇和設計指南
作者 : Patrik Kalbermatten，KEMET Electronics Corporation磁性、感測器和致動器行銷推廣產品管理高級經理
壓電致動器能夠實現簡單而精確的運動控制，是一種利用反向壓電效應通過施加電壓產生位移的元件。比起電磁致動器，壓電致動器具有相當多的優勢...
壓電致動器(Piezoelectric actuator)是一種利用反向壓電效應通過施加電壓產生位移的元件，可以為熟悉的電磁設備(如電機和螺線管)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解析度等優點。
居裡(Curie)兄弟在19世紀末演示了直接壓電效應，表明對石英等天然晶體材料施加應力能夠產生電荷(參見圖1a)。當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致物理變形(參見圖1b)，從而導致幾微米(um)的位移。
圖1a和1b：正壓電效應及反壓電效應。
自居裡夫婦的研究以來，已經開發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。經燒結之後，晶體結構內的偶極子為隨機取向，在施加強電場後偶極子得到極化。即便去除強電場，仍有殘存極化效應存在，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，可用於一些實際應用。它的直接壓電特性可用於壓力、振動、加速度和衝擊感測器，以及超聲波接收器和診斷設備、聲納儀器、探魚器、無損檢測設備和麥克風等設備。
另一方面，也可以利用反向壓電效應來控制晶體尺寸，能夠創建諸如精密工業定位平臺、閥門、用於變焦和自動對焦的相機鏡頭馬達、超聲波源和揚聲器等致動器。
壓電致動器類型和結構
通過在縱向或橫向施加電壓以產生不同方向位移，可以構建各種類型的致動器以產生不同類型的運動。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，以及產生彎曲位移的雙壓電晶片橫向元件。
圖2：壓電致動器的結構類型。
縱向效應型由於電極間距較長，需要較大的電壓才能獲得相應位移。橫向效應型因為電極間距比縱向效應型短，所以可降低電壓，但位移量較小，因為所用的是垂直於極化方向的位移。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，但由於它利用彎曲方向的位移，不能獲得大的生成力，並且在重複驅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現大位移，以利於實際應用。
壓電致動器特性
與可用於產生精確控制運動的小型馬達或螺線管等電磁致動器相比，壓電致動器具有許多優勢。首先，它回應時間非常短。此外，壓電致動器不會產生電磁雜訊，可以簡化系統設計，消除材料清單中的遮罩和濾波元件，並可使 EMC 合規性測試更加容易。由於產生的熱量較少，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一步的優勢，能夠以高解析度進行精確控制。
多層壓電致動器
儘管多層壓電致動器通常都具有出色的特性，但在進行設計時仍建議小心謹慎。重複驅動會導致元件斷裂，因為正負內部電極之間的非活性絕緣區域與活性區域相對膨脹和收縮不同，從而引入機械應力。 全電極式致動器能夠更好地承受重複致動，通過將電極擴展到每個板的全部寬度，並在電極之間引入玻璃絕緣體(參見圖3)，消除了非活性區域，從而防止了由於膨脹不同引起的應力。
圖3：帶有玻璃絕緣體的全電極堆疊式多層結構。
此外，高濕度等環境挑戰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苛應用環境下，並能夠提供高可靠性，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)。外殼有一個預載入的波紋管結構，可以伴隨元件膨脹和收縮，並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。
應用
壓電元件的尺寸變化可用於產生線性位移，以實現操作泵、閥門和精密定位控制機構等各種應用效果。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 載物台位置以及鏡頭聚焦的工作原理。
圖6顯示了壓電致動器如何控制黏合劑分配，並確保適用于智慧手機等產品高速組裝的精確計量。樹脂塗層環形致動器適用於定位應用，例如可微調高精度法布裡-珀羅(Fabry-Perot)諧振器中的鐳射波長和相位，用於干涉測量等應用(圖7)。控制壓電致動器的膨脹和收縮可以改變鐳射的波長。
圖6：使用壓電致動器的精密高速黏合劑分配。
圖7：法布裡-珀羅(Fabry-Perot)干涉儀中的環形壓電致動器。
圖8顯示了如何在品質流量控制器中利用致動器長度的變化。對於半導體製造中使用的成膜和蝕刻設備，這些致動器在此類品質流量控制器中可提供超精確的氣體流量控制。
圖8：質量流量控制器中的壓電致動器。
提高性能和可靠性
由於具有最少量的活動部件，並採用了多層全電極結構等特性，壓電致動器可提供比機電致動器等其它技術更優的固有可靠性優勢。為了最大限度地提高其可靠性和性能，使用者可以考慮一些簡單的設計指南。在設計固定時，要防止致動器彎曲、扭曲或受到拉力。根據經驗，對於能夠產生800N力(抗壓性)的致動器，任何扭轉力都應小於3 × 10-1 N·m，拉伸力應限制在 50N 或以下。致動器的安裝應使產生位移的中心軸與負載的中心軸對齊。
關於致動器的驅動，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，並通過一個能夠產生所需驅動電壓的放大器來驅動致動器。在高精度定位應用中，閉環回饋可以增強對位移的控制。不應施加反向電壓。
設計驅動電路時應考慮遲滯(hysteresis)、振鈴(ringing)、爬電(creep)和其他類似現象。為防止可能使致動器損壞的強烈振鈴，施加電壓的上升或下降應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於將電荷注入到相對較大的電容器中。為了實現致動器的高速回應，需要較大電流。對於脈衝驅動，驅動器設計應考慮自發熱、充電/放電電流和電源阻抗等因素。
結論
壓電致動器能夠實現簡單而精確的運動控制，可為工業、醫療和消費等應用帶來低功耗、低噪音和緊湊尺寸等優勢。多層全電極堆疊致動器相對於施加的電壓能夠產生較大位移，並且能夠很好地免受重複致動應力影響。
原文刊登於EDN China網站
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