壓(ya)電(dian)(dian)(dian)致動(dong)器是一種利用反向(xiang)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)效應通過施加電(dian)(dian)(dian)壓(ya)產生位(wei)移的(de)(de)元件(jian)，可以為熟悉的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)磁設備（如(ru)電(dian)(dian)(dian)機和螺線(xian)管）提供替代方案(an)。它們(men)具有更高的(de)(de)可靠性、更低的(de)(de)功(gong)耗、更小(xiao)的(de)(de)尺寸和更高的(de)(de)位(wei)置分辨(bian)率等優點。

　　壓電效應

　　居里（Curie）兄(xiong)弟在19世(shi)紀末演示(shi)了直接(jie)壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)應，表明對石英等(deng)天然(ran)晶體材(cai)料(liao)施加應力能(neng)夠產生(sheng)電(dian)(dian)荷(he)（參見圖1a）。當然(ran)還(huan)有(you)(you)一個(ge)相反的效(xiao)果：向具有(you)(you)壓(ya)電(dian)(dian)特性的材(cai)料(liao)施加電(dian)(dian)場(chang)會(hui)導(dao)致物(wu)理(li)變形（參見圖1b），從而導(dao)致幾微(wei)米的位移。

　　圖1a和(he)1b：正壓電效應和(he)反向(xiang)壓電效應。

　　自居里夫婦的(de)研究(jiu)以來(lai)，已經開(kai)發出各(ge)種合成式壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)或(huo)鐵電(dian)陶瓷(ci)，這些(xie)通常具(ju)有(you)比天然材(cai)料(liao)高得多的(de)壓(ya)電(dian)常數。經燒結之(zhi)后(hou)，晶體結構內的(de)偶(ou)極子為(wei)隨機(ji)取向，在(zai)施加強電(dian)場后(hou)偶(ou)極子得到極化。即(ji)便去除強電(dian)場，仍有(you)殘(can)存極化效應(ying)存在(zai)，從而使這些(xie)陶瓷(ci)材(cai)料(liao)具(ju)有(you)壓(ya)電(dian)特性。

　　在這(zhe)些合成材(cai)料(liao)中(zhong)，PZT或鋯鈦酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)具有(you)高(gao)靈敏度(du)和(he)高(gao)工(gong)作溫度(du)，可用于一些實(shi)際(ji)應用。它的直接(jie)壓(ya)電特性可用于壓(ya)力、振動、加速(su)度(du)和(he)沖擊傳感(gan)器(qi)，以及超聲波接(jie)收器(qi)和(he)診斷(duan)設備、聲納儀器(qi)、探魚器(qi)、無損檢測設備和(he)麥克風等設備。

　　另一方面，也可以(yi)利用反向壓電(dian)效應來控制晶體尺寸，能夠創建(jian)諸如(ru)精密工業(ye)定位平臺、閥門、用于(yu)變焦和自(zi)動對焦的相機鏡頭馬(ma)達、超聲波(bo)源和揚聲器等致動器。

　　壓(ya)電致(zhi)動(dong)器類型(xing)和結(jie)構

　　通過(guo)在縱向(xiang)或橫(heng)向(xiang)施加(jia)電(dian)壓以(yi)(yi)產(chan)生不(bu)同方向(xiang)位移，可(ke)以(yi)(yi)構(gou)建各種類(lei)型的致動器以(yi)(yi)產(chan)生不(bu)同類(lei)型的運(yun)動。圖2比較了縱向(xiang)、橫(heng)向(xiang)和堆疊(die)縱向(xiang)元件(jian)，其(qi)中顯示了位移方向(xiang)，以(yi)(yi)及產(chan)生彎曲位移的雙壓電(dian)晶(jing)片橫(heng)向(xiang)元件(jian)。

　　圖2：壓電致動器的(de)結構類型

　　縱向效應(ying)型由(you)于(yu)(yu)電(dian)(dian)極間距較(jiao)長，需要(yao)較(jiao)大的(de)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)才能(neng)獲(huo)得相應(ying)位(wei)(wei)移(yi)(yi)。橫向效應(ying)型因(yin)為電(dian)(dian)極間距比縱向效應(ying)型短，所(suo)以(yi)可降低電(dian)(dian)壓(ya)(ya)，但(dan)位(wei)(wei)移(yi)(yi)量較(jiao)小，因(yin)為所(suo)用(yong)(yong)的(de)是垂直(zhi)于(yu)(yu)極化方(fang)向的(de)位(wei)(wei)移(yi)(yi)。層疊型電(dian)(dian)極間距短，利(li)(li)用(yong)(yong)極化方(fang)向的(de)位(wei)(wei)移(yi)(yi)，因(yin)此(ci)可以(yi)用(yong)(yong)低電(dian)(dian)壓(ya)(ya)獲(huo)得位(wei)(wei)移(yi)(yi)，但(dan)存(cun)在必須堆疊每個壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶瓷的(de)不(bu)便。此(ci)外(wai)，雙(shuang)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)晶片型可以(yi)在低電(dian)(dian)壓(ya)(ya)下獲(huo)得較(jiao)大位(wei)(wei)移(yi)(yi)，但(dan)由(you)于(yu)(yu)它利(li)(li)用(yong)(yong)彎曲方(fang)向的(de)位(wei)(wei)移(yi)(yi)，不(bu)能(neng)獲(huo)得大的(de)生成(cheng)力，并且在重(zhong)復驅動的(de)耐久性方(fang)面存(cun)在局(ju)限。

　　整體燒制的多層壓(ya)電致動器通過縮小(xiao)電極之間的空間來克服這些問題，從(cong)而在足夠低的電壓(ya)下實現(xian)大位(wei)移，以利(li)于實際應(ying)用(yong)。

　　壓電致動器特性

　　與(yu)可(ke)(ke)用于(yu)產(chan)生精(jing)確(que)控(kong)制運動的(de)(de)小型馬達(da)或螺線(xian)管等(deng)電(dian)磁致(zhi)動器(qi)(qi)相比(bi)，壓(ya)電(dian)致(zhi)動器(qi)(qi)具有許多優(you)勢(shi)。首先，它響應時間(jian)非(fei)常短。此外(wai)，壓(ya)電(dian)致(zhi)動器(qi)(qi)不會產(chan)生電(dian)磁噪聲，可(ke)(ke)以(yi)簡(jian)(jian)化系統設計，消除材料清單中的(de)(de)屏蔽和(he)濾波組件，并可(ke)(ke)使EMC合規性測試(shi)更加(jia)容易。由于(yu)產(chan)生的(de)(de)熱量較少，熱管理也可(ke)(ke)以(yi)因(yin)此大大簡(jian)(jian)化。壓(ya)電(dian)致(zhi)動器(qi)(qi)的(de)(de)緊湊性和(he)重(zhong)量輕也是其進(jin)一步(bu)的(de)(de)優(you)勢(shi)，能夠(gou)以(yi)高分辨(bian)率進(jin)行精(jing)確(que)控(kong)制。表1比(bi)較了使用電(dian)磁和(he)壓(ya)電(dian)致(zhi)動器(qi)(qi)進(jin)行設計時應考慮的(de)(de)關鍵因(yin)素。

　　表1：電(dian)磁(ci)和壓電(dian)致動器的比較

　　多層壓電致動器

　　盡管多層壓電(dian)致(zhi)(zhi)動(dong)器通常都(dou)具有出色的(de)(de)特性(xing)(xing)(xing)，但在進行設計(ji)時仍建議小心謹慎。重復(fu)驅動(dong)會導致(zhi)(zhi)元件(jian)斷裂，因為正(zheng)負內部電(dian)極(ji)之間(jian)的(de)(de)非活性(xing)(xing)(xing)絕緣區域與活性(xing)(xing)(xing)區域相對膨脹和收(shou)縮(suo)不同，從(cong)(cong)而引入(ru)(ru)機械應力。“全電(dian)極(ji)”式致(zhi)(zhi)動(dong)器能夠更(geng)好地承受(shou)重復(fu)致(zhi)(zhi)動(dong)，通過將電(dian)極(ji)擴展到每個(ge)板的(de)(de)全部寬度(du)，并(bing)在電(dian)極(ji)之間(jian)引入(ru)(ru)玻(bo)璃絕緣體(ti)（參(can)見圖3），消除(chu)了(le)非活性(xing)(xing)(xing)區域，從(cong)(cong)而防(fang)止(zhi)了(le)由(you)于膨脹不同引起的(de)(de)應力。

　　圖3：帶有玻璃絕緣體的全電極堆疊式多(duo)層結構(gou)。

　　此(ci)外，高濕(shi)度等環(huan)境(jing)(jing)挑戰(zhan)會縮短致動(dong)器的使用壽(shou)命。密封性(xing)能好的致動(dong)器可以在暴(bao)露于嚴苛應用環(huan)境(jing)(jing)下，并(bing)(bing)能夠提供高可靠性(xing)，其中可能包(bao)含包(bao)裝(zhuang)在完全密封金屬(shu)外殼中的高位(wei)移(yi)壓(ya)電材料（參見圖4）。外殼有一個預加(jia)載的波紋管(guan)結構(gou)，可以伴(ban)隨元件膨脹和收縮，并(bing)(bing)且(qie)具有一個金屬(shu)法蘭來簡(jian)化安裝(zhuang)。

　　圖4：密封多(duo)層壓(ya)電致(zhi)動器(qi)。

　　應用

　　壓電元(yuan)件(jian)的尺寸變化可用(yong)于產生線性位移，以實現操作泵、閥門和精密定位控(kong)制機構(gou)等各種應用(yong)效(xiao)果。圖5展示了安裝在(zai)三個軸(zhou)上的壓電致動器如何控(kong)制精密檢測儀器中x-y載物臺(tai)位置以及鏡頭聚焦的工作原理。

　　關于致動(dong)器的驅動(dong)，位(wei)移量與所(suo)(suo)(suo)施(shi)加的電壓(ya)大致成(cheng)比(bi)例，需要一(yi)個(ge)控(kong)制器來(lai)生(sheng)成(cheng)所(suo)(suo)(suo)需的電壓(ya)模式，并通過(guo)一(yi)個(ge)能夠(gou)產生(sheng)所(suo)(suo)(suo)需驅動(dong)電壓(ya)的放大器來(lai)驅動(dong)致動(dong)器。在高精(jing)度定(ding)位(wei)應(ying)用(yong)中，閉環(huan)反(fan)饋可以(yi)增強對位(wei)移的控(kong)制。不應(ying)施(shi)加反(fan)向電壓(ya)。

　　設計驅動電路(lu)時(shi)應考慮滯后(hou)（hysteresis）、振(zhen)鈴（ringing）、爬電（creep）和其他類似現象。為(wei)防(fang)止(zhi)可能使致(zhi)動器損壞的(de)強烈(lie)振(zhen)鈴，施加電壓的(de)上升或(huo)下降應限制(zhi)在致(zhi)動器元件諧振(zhen)頻率的(de)1/3以下。

　　壓(ya)電(dian)致動器的(de)(de)致動類似(si)于將電(dian)荷注入到(dao)相對較大(da)的(de)(de)電(dian)容器中。為了實現致動器的(de)(de)高速響應，需要(yao)較大(da)電(dian)流(liu)。對于脈沖(chong)驅動，驅動器設計(ji)應考(kao)慮(lv)自發(fa)熱、充(chong)電(dian)/放電(dian)電(dian)流(liu)和電(dian)源阻抗等因(yin)素。

　　壓電致(zhi)動(dong)器能夠(gou)(gou)實現(xian)簡單而精確的運動(dong)控制，可為工業、醫(yi)療(liao)和消費(fei)等(deng)應(ying)(ying)用帶來低功耗、低噪音(yin)和緊湊尺寸等(deng)優勢(shi)。多層全電極堆(dui)疊致(zhi)動(dong)器相(xiang)對(dui)于(yu)施(shi)加的電壓能夠(gou)(gou)產生較大位移，并且(qie)能夠(gou)(gou)很(hen)好地免受重復(fu)致(zhi)動(dong)應(ying)(ying)力影響。