压电陶瓷(electroceramics)可以直接将电能转化为机械运动，将机械运动转化为电能，是基于一系列晶体固态效应。压电换能器和驱动器是独特的，能够将速度，力和精确的运动组合成一个紧凑的包。
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为了增加OEM设计人员对压电换能器和执行器的可访问性，制造商可以将这些设备包装在弯曲的保护性安排中。这种方法提供了一个直接的安装界面，放大的运动和精度指导。
弯曲通常由钢、铝或钛制成。在没有磨损和摩擦的情况下，弯管可以提供数百亿次的免维护服务周期。
换能器与执行器的区别
当涉及压电装置时，术语换能器和致动器通常同义使用。然而，当运动或力是主要目标时，通常谈论压电致动器，并且当感测或高频应用诸如超声波，流量或距离测量的高频应用时，换能器是更常见的单词。激电器通常不是在谐振状态下工作的，而传感器通常是在谐振状态下工作的。基本上响应外部压力，建立电荷，反之亦然，当施加电场时，它们会改变它们的形状。
用于运动的压电驱动器
压电运动设备自信地在毫秒甚至微秒内调整位置，精确到亚纳米。运动放大压电驱动器提供与驱动电压成比例的运动输出-通常高达一毫米-伴随着高动态-频率在数百到数千赫兹。
压电运动:用于精密自动化的纳米定位器，压电柔性执行器和电机
视频1。动画-几种类型的压电执行器的工作原理。视频信用：PI（Physik Instrumente）LP
压电器件不受机械磨损的影响，它们缺乏摩擦部件，确保了无限的分辨率。
这些因素使它们成为生命科学、医学工程、工业、显微镜和空间设置中广泛的精密运动和定位应用的理想解决方案。欧洲杯线上买球
压电驱动的微夹持器提供快速响应，高力和纳米精度。带有力反馈的模型可用于处理精密的光学器件。图片来源:PI (Physik instrument) LP
执行机构的可靠性
在共烧、单片和陶瓷封装的压电致动器问世之前，压电陶瓷的可靠性在很大程度上取决于应用现场的特定环境条件。
湿度、温度和工作电压对带有保形涂层的执行器有相当大的影响，因为没有聚合物绝缘是完全不渗透的。这些设备的预期寿命在高度潮湿的条件下急剧下降。
水分的进入加上施加的电场的应用可以触发组件中的化学反应。高温会加速这些反应，最初会导致电流泄漏增加，并导致介质完全击穿——电极之间的短路。
在动态运行过程中，压电陶瓷的使用寿命会受到机械应力条件和其他动态力的影响。设计不充分的陶瓷执行器可能会出现微裂纹，导致快速失效。
解决方案
这些问题的解决方案可以通过适当优化的材料和制造工艺，有效的设计和正确的绝缘选择来找到。欧洲杯足球竞彩
PICMA®PI公司的共烧压电堆(图1)是解决这些问题的理想方法。这些堆叠由几十微米厚的特殊陶瓷层组成，交错着电极并烧结形成坚固的结构。
图1所示。陶瓷绝缘，共烧高性能压电堆叠比聚合物绝缘类型更持久。图片来源:PI陶瓷
基于特殊改性的PZT（铁电陶瓷）的陶瓷材料是研磨的浆料。然后从中施放薄的陶瓷箔（图2）。
图2。多层共烧技术是一种特别新颖的制造工艺。图片来源:PI (Physik instrument) LP
图3。压电堆致动器的自动接触过程。图片来源:PI (Physik instrument) LP
该陶瓷材料非常适合运动定位应用，因为当驱动电压作用于电极时，PZT陶瓷的容量很小，几乎是线性的尺寸变化。
电极将在层压堆叠之前被丝网印刷。将陶瓷压实，去除每一层之间的空气，然后将其与电极(共烧技术)烧结在一起，生成一个整体块。
陶瓷保温层可以防止潮湿和故障，而其整体设计提高了材料的刚度，并提供更高的机械共振频率。这些特性是确保对电输入的快速机械响应的关键，这是高动态应用的必要先决条件。
应注意，陶瓷不是柔性的 - 运动完全基于固态效应。
在绝缘和电接点中单独使用无机材料(图3)意味着没有气体欧洲杯足球竞彩逸出，这些设备适用于超高真空环境。
图4显示了在高湿度条件下获得的一系列加速寿命测试结果。这些结果将压电陶瓷执行器与传统的共形涂层进行比较陶瓷绝缘PICMA®致动器．
图4。在高湿度条件下，与用保形涂层材料绝缘的执行器相比，陶瓷绝缘执行器的加速寿命测试。欧洲杯足球竞彩图片来源:PI (Physik instrument) LP
在半导体工业中，湿度电阻是定位应用的一个重要考虑因素。
这些应用通常采用高且恒定的偏移驱动电压，以在整个光刻和检查过程中保持稳定的晶片位置。干净的房间是人工加湿的，以避免静电闪光件作为该过程的一部分。
压电作动器在机械加工中的应用包括主动振动消除、快速刀具伺服和精密对准。这些应用程序经常使用冷却液，这可能导致环境湿度大幅增加，对执行器产生不利影响。
空间应用的独立测试
Piezo执行器经常在空间条件下工作，包括高真空和超低温的应用。
在火星任务的工作期间，NASA考虑和测试了许多类型的执行器。好奇号火星探测器CheMin实验室单元的样品分析系统(图5)选择使用PICMA®压电致动器在这些致动器之后演示了1000亿次循环，没有出现故障或性能损失。
图5。MARS ROVER中化学和矿物学分析的化学光谱仪：配备PI陶瓷的压电致动器。图片信用：美国宇航局。
火星探测器上的压电传感器|超高性能+可靠性| #Life_on_Mars | PI
视频2。振动机构采用PI公司的超可靠多层压电叠置驱动器，并采用PI精密运动台作为激光聚焦电机。视频信用：PI（Physik Instrumente）LP
CheMin仪器负责对火星岩石进行矿物学和化学分析。
为了给仪器提供合适的岩石样品，必须对岩石粉进行分类。这是通过在0.9到2.2 kHz范围内的振幅和频率范围内摇动粉末，根据密度或均匀的颗粒大小来实现分离。
PICMA®多层压电驱动器被用于这一重要任务，以确定的振幅和频率执行所需的振荡，以确保适当的材料选择和供应。
确保这一耗资数十亿美元的项目取得成功是当务之急。在被允许使用之前，压电驱动器被要求通过广泛的资格认证和测试。
PICMA®驱动器能够在这一应用中取得令人印象深刻的结果，NASA/JPL综合性能和使用寿命测试表明，在1000亿次(10 exp 11)循环后零故障。
欧洲共同体研究基础设施还进行了额外的独立测试，以评估压电致动器在相当于ILC超导腔(SC)有源频率调谐器运行10年的条件下的行为。
压力加载和湿度管理
在动态应用中，如果要使寿命最大化，应力最小化，则裂缝风险管理是至关重要的。PICMA®执行器的专利槽设计有助于最小化拉伸载荷，其侧向槽限制了叠层中的机械拉应力，有效防止不可控裂缝的形成(图6)。
图6。专利压电叠片设计，侧向开槽，避免动态工作时微裂纹不受控制的扩展。图片来源:PI陶瓷
电极上的压力也必须考虑在内，因为重复相同的运动1000亿次会磨损电极。
专利的弯曲型设计(图7)确保内部电极即使在极端的动态载荷下也能保持稳定的电接触，避免终端电极断裂。这些因素结合起来，确保PICMA®设计提供出色的性能和寿命，即使其他设计没有。
图7。获得专利的弯形外电极:即使在极端的动态应力下也能保持稳定的电接触。图像信用：PI陶瓷。
图7 b。陶瓷绝缘压电驱动器也可作为管状堆栈。图片来源:PI (Physik instrument) LP
低工作电压
与大多数传统的驱动器不同，PICMA®执行器已经开发使用特别薄的陶瓷层，使他们运行在最小的工作电压。在工作电压远低于150 v的情况下，它们可以实现其标称运动输出，在弯管型驱动器的情况下，低至+/-30 v。
现代生产技术使得多层驱动器可以制造出几乎任何形状，同时仍然确保每个表面仍然封装在陶瓷绝缘中(图8)。
可以提供一系列圆形或三角形截面的基本形状，具有弯曲器、芯片和堆栈驱动器上的绝缘中心孔。
图8。压电弯曲机传动装置可变外形:灵活的几何形状保持完整的陶瓷封装，同时需要非常低的工作电压，只有+/-30V。图片来源:PI陶瓷
柔性设计的长途旅行和容易集成
压电陶瓷执行器的操作特点有四个因素:
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精确
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速度
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高力
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相对较短的位移
由于驱动器的定位精度是分子效应的结果，它是无粘滞，无摩擦，可以控制到亚纳米范围。也可以在微秒内施加高强度运动。
压电机制是最新一代燃油喷射阀、超分辨率显微镜、半导体光刻工具和纳米级精密计量和定位系统的基石。
压电堆的运动被限制在其物理长度的0.1%左右。在需要更长的运动范围、易于安装和集成的应用中，建议使用带有集成运动放大器的柔性驱动器。这些柔性执行器依靠压电堆来实现其核心操作(图9)。
图9。一个非常基本的压电运动放大器，基于一个简单的平行四边形柔性杠杆和导向系统。放大系数r(传动比)为(a+b)/a。典型的柔性驱动器要复杂得多，它们是基于电火花线切割工艺制造的。图片来源:PI (Physik instrument) LP
根据其具体的设计，运动范围可以扩大到20倍，同时保持保护侧向力和拉力，确保有效的精度指导。
然而，这种运动范围的增加确实减少了刚度，这意味着必须在最大位移，刚度和力之间进行仔细平衡。
压电弯曲驱动器可在一系列配置和精心设计的安装规定。这些是很容易集成到设计中的机制(图10、图11)——这是它们实用和流行的核心因素。
图10a。低成本运动放大压电驱动器为OEM应用。图中显示了集成的压电叠致动器和预紧力。可选配位置反馈传感器。图片来源:PI (Physik instrument) LP
图10 b。精密配料、计量。与传统的电磁阀或音圈驱动器相比，弯曲放大压电驱动器在高速、高精度阀门中具有优势。图片来源:PI (Physik instrument) LP
图11。高度集成化的压电柔性定位装置，精度高纳米聚焦在显微镜和表面计量学中的应用．图片来源:PI (Physik instrument) LP
它们的使用的每一个方面都得到了考虑和优化。
压电弯曲执行器的集成预载机构可以适应甚至高动态驱动，并且其可选的位置反馈传感器安装在最佳位置，以确保可重复的无滞后信息。它们的强大柔性指导适用于各种常见应用。
易于控制
运动系统设计师受益于压电运动控制器的一系列选项，包括不同的功能和价格范围。
即使是最具紧凑，性价比的和OEM友好的单位甚至拥有优异的功能，如最新的高速数字和模拟通信接口，具有自动校准，内部波形发电功能，数据的高级全数字伺服算法- 用于实现瞬态和系统优化的评估（图12，图13）。
图12。OEM板级压电驱动器。图片来源:PI (Physik instrument) LP
图13。紧凑，数字伺服压电运动控制器用于闭环压电机构。图片来源:PI (Physik instrument) LP
压电换能器和压电致动器的区别是什么
当涉及压电装置时，术语换能器和致动器通常同义使用。然而，当动作或力是主要目标时，通常会讲述压电执行器，并且当感测时，结构健康监测或者是针对超声波，流动或距离测量的高频应用，压电换能器是更常见的词。激电器通常不是在谐振状态下工作的，而传感器通常是在谐振状态下工作的。基本上，两者都对外部压力作出反应，产生电荷，反之，当电场作用时，它们会发生变化
压电运动定位装置的未来
压电设备在产品设计和应用中，精密运动控制是必不可少的。
压电堆叠执行器和最新一代柔性执行器为OEM设计师提供了广泛的产品开发选择，压电陶瓷继续为众多运动控制解决方案提供基础。
例如，压电马达是压电运动装置的一个单独的类别，设计用于长距离旅行的应用，因为他们提供精确，快速的运动距离远超过一毫米。
压电电动机可分为几个子类，包括惯性电机、谐振电机和尺蠖型电机。直线和旋转电机配置也可，每个提供特定的性能特点。
压电马达是什么?它是如何工作的?自动化和精密运动控制的不同设计
视频3。压电马达结合了长行程和高精度运动。这个动画解释了几种类型的压电马达不同的应用。视频信用：PI（Physik Instrumente）LP
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