方形压电陶瓷-简介

电子陶瓷属于先进陶瓷范畴，是应用于电子信息技术领域中的各种功能陶瓷，是构建量大面广的电子陶瓷元器件的基础材料。电子陶瓷也被称作信息功能陶瓷，主要包括介电、铁电、压电、半导体、超导和磁性陶瓷等类型。电子陶瓷具有成分可控性、结构宽容性、性能多样性和应用广泛性等诸多特点，利用其构建的电子陶瓷元器件在信息通信、自动控制、航空航天、海洋超声、激光技术、精密仪器、机械工业、军事武器和生物医疗等诸多领域获得重要应用。物理、化学、冶金、机械、生物、电子等传统学科的快速发展为新兴的交叉学科一一电子陶瓷学科提供了丰富的“营养”，并推动各类新型电子陶瓷的设计、制备与元器件的应用。全球电子瓷规模逐年快速增长，在当前整个先进陶瓷工业中，电子陶瓷市场份额已超过80%。电子陶瓷产业链。上游主要是化工原料、电极浆料和生产能源;中游是电子陶瓷及相关元器件，下游是在电子信息领域中的各类装备应用。作为高科技产业，电子陶瓷及相关元器件的生产制造对原料、工艺、设备和质量管理都有着严格要求。电子陶瓷多种分类方法，可以按组成分类，也可以按照性能或用途分类。根据结构组成与导电特性分为绝缘陶瓷、半导陶瓷、导电陶瓷和超导陶瓷等;根据能量转换与耦合特性分为压电陶瓷、热电陶瓷、光电陶瓷和磁电陶瓷等;根据对不同外场的敏感特性分为热敏陶瓷、气敏陶瓷、湿敏陶瓷和压敏陶瓷等。表 1.1 给出一些具有代表性的电子陶瓷类型、典型材料和主要用途。电子陶瓷材料学科是理论密集和技术密集的交叉性学科，涉及的材料品种及相关元器件类型极多，在国民经济与国防建设中占有极其重要的战略地位。电子陶瓷的研究内容十分丰富，主要前沿研究包括:a.电子陶瓷组成优化设计与微观-介观结构精确调控，b.环境友好型高纯超细粉体的合成方法、复杂异形陶瓷工件成型工艺和低温共烧技术及相关理论：c.多场/强场条件(如电、磁、机械、温度场等) 下电子陶瓷与元器件的服役行为及失效机制;d.以电子陶瓷为主体的新型多相复合材料设计及集成化器件的构建方法;e.高性能无铅压电陶瓷与元器件的低成本制备及工业化产线移植研究。随着新概念、新材料、新技术、新器件的不断出现，电子陶瓷对现代科学技术的推动作用将更加显著。

表 1.1 代表性的电子陶瓷类型、典型材料和主要用途

1.压电陶瓷促动器的特点

1.1 无限分辨率

压电促动器可将电能与机械能进行直接转换，能实现亚纳米范围内的运动，且没有限制分辨率的摩擦元件。

1.2 刚度、负载能力和力量生成

压电促动器大致相当于一个弹簧—质量系统。促动器的刚度取决于陶瓷的弹性模量（约为钢模量的 25%）、活性物质的截面和长度以及其他非线性参数。典型促动器的刚度在 1 至 2000N/μm 之间，抗压极限为 10 至 100000N。就拉伸应力而言，必需安装施加综合预加载的外壳或外置预加载弹簧。必须采取充分措施保护压电陶瓷不受剪切力、弯曲力以及力矩的影响。

1.3 无磨损

压电促动器中无齿轮和轴承等运动部件，其位移是基于晶体固态动力学，无磨损。压电促动器已通过几十亿次的耐久试验，其特性无明显的变化。

1.4 低温操作
即使温度低至 0 开氏度，压电效应仍正常发挥作用。

1.5 与真空和洁净空间兼容

压电促动器不会造成磨损也不需要润滑。全瓷绝缘促动器无聚合物涂层，因此非常适用于超高真空应用。

1.6 工作电压

两种类型的压电促动器已被确定： 整体烧结多层促动器（低压促动器）的工作电压达 150V，由 20-100μm 厚的陶瓷层构成。

经典高压促动器由 0.5-1mm 厚的陶瓷层构成，工作电压达 1000V。对于促动器，制造中可以将其横截面做得更大，与结构更紧凑的整体多层压电促动器相比，其能适用于更大的负载。

1.7 低能耗

即使长时间背负重载，静态操作实际上也不会消耗任何能量。压电促动器的运转很像一个电容器，其不工作时不产生热量。

1.8 快速反应

压电促动器的响应时间可达几微秒，可实现超过 10000g 的加速度变化率。

1.9 高力量生成

高负载压电促动器可移动几吨的负载，覆盖达 300μm 的行程，分辨率达次纳米级。

1.10 位置分辨率

压电陶瓷本身工作时无摩擦，理论上有无限的分辨率。然而，实际工作中，受某些电气和机械因素的影响，实际可实现的分辨率是有限的：

a）传感器和伺服控制电子放大器：放大器的噪声和对电磁干扰（EMI）的敏感性影响位置稳定性。

b）机械参数：促动器、预加载和传感器的设计和安装精度等因素可能引起微观摩擦，从而影响分辨率和精度。压电促动器可实现亚纳米级的分辨率和稳定性。

1.11 无磁场

压电效应仅与电场有关，压电促动器不产生磁场也不受磁场影响。

1.12 行程

线性压电促动器的行程范围通常在几十到几百微米之间，而弯曲促动器可达到几毫米。

2.位移特性

图 1：不同控制振幅下的铁电压电陶瓷平行于极化方向的位移。大信号曲线随电场强度 E 的变化 a）纵向应变 S 的机电特性 b）极化 P 的介电特性

2.1 非线性

由于外部磁畴的影响，压电促动器随电压变化的位移曲线存在一个受滞后控制的强非线性过程，因而在名义位移到带特定驱动电压的中间位置之间不能进行线性插入。压电陶瓷的机电和介质大信号曲线反映了这些特点（图 1）。每个图形的原点由各自的热去极化条件定义。 反向场中达到矫顽磁场强度 EC 时，两双极大信号曲线的形状由铁电极性反转过程决定。从介电曲线可以看出，这些换向点上呈现很大的极化反转。同时，极性反转后，由于极化和磁场强度的方向再次变得相同，收缩的陶瓷再次膨胀。这一特性使得机电曲线呈特有的蝴蝶状。电场消失后，剩余极化 Prem/-Prem 和剩余应变 Srem 依然存在。压电促动器通常为单极驱动。由于位移信号增大的外部磁畴部分（图 2），准双极运行导致更强的非线性以及滞后，同时也增大了应变幅度。 数据表中给出的是促动器在额定电压下的自由位移。

E 电场强度

S 机械应变

图 2：铁电压电陶瓷的单极和准双极机电曲线以及将压电大信 号变形系数 d（GS）定义为局部滞后曲线换向点之间的斜率

图 3：室温及准静态控制下，各种材料和控制模式的压电大信号变形系数 d（GS）。场幅度很小时，系数值匹配> >材料

2.2 压电变形系数（压电模数）

非线性滞后曲线两换向点之间的斜率 ΔS/ΔE 被定义为压电大信号变形系数 d（GS）（图 2）。从曲线的走向可以看出，此类系数通常随场幅度的增大而增大（图 3）。

图 3 中的数值可以用来估算特定压电电压下可达到的位移（参见估算>>压电促动器位移的方程）。通过特定组件的层高以及驱动电压 VPP 可计算出场强。

2.3 滞后

在开环电压控制运行中，压电促动器的位移曲线表现出强滞后（图 5），且通常随电压或场强的增大而增大。剪切促动器或双极控制的滞后数值特别高，原因是外部极性反转过程对整个信号越来越多的影响。

             

图 4：滞后值 Hdisp 为曲线的最大开度和最大位移之间的比值

图 5：室温下带准静态控制的不同驱动方式中，各种促动器材料在开环电压控制运行中的位移滞后 Hdisp

2.4 蠕变

蠕变指的是驱动电压不变时位移随时间的变化。蠕变速度随时间呈对数下降。造成滞后的材质属性也引起蠕变行为：

t 时间[s] ΔL(t)位移随时间的变化[m] ΔLt=0.1s 应力的变化结束后在 0.1s 的位移[m] γ 蠕变常数，由材料特性决定（约为 0.01 至 0.02，对应每十进时间 1%至 2%之间）

图 6：受电压突变驱动时压电促动器的位移（阶梯函数）。每十进对数位

移变化的 1%左右由蠕变造成

闭合伺服回路中通过位置控制可以十分有效地消除压电促动器的迟滞和蠕变。为建立位置控制系统，可以为压电促动器产品线配置应变仪。在采用纯动态控制的应用中，即使没有闭环控制，利用充电控制放大器也可将滞后值有效减少至 1-2%。

3．位移特性压电促动器的位移模态

除了极化方向上的膨胀（为纵向促动器所用），对于与其极化方向正交的压电促动器，当施加电场与极化方向平行时，其运行时通常会发生收缩。 收缩促动器、压电管促动器或弯曲型促动器利用的就是这种横向压电效应。

图 1：堆叠促动器的纵向位移（顶部）和各层的极化（底部）

4．温度相关的行为

图 1：不同温度下压电促动器的双极机电大信号曲线。从左至右分别为低温下、室温下和高温下的行为

低于居里温度时，残余应变和矫顽场强与温度的关系对温度行为有着决定性的影响。通电运行可实现的位移以及压电陶瓷元件尺寸的变化都由温度决定。 压电促动器的温度越低，残余应变 Srem 和矫顽场强 Erem（图 1）越大。随着温度的降低，曲线越来越平坦，这使得单极控制诱发的应变变得越来越小，即使双极应变曲线的总振幅在较宽的温度范围内几乎没有变化。温度越低，残余应变越大。总而言之，压电陶瓷具有负热膨胀系数，即压电陶瓷冷却后会变长。相比之下，技术陶瓷具有相对较小的热膨胀系数，其冷却后会收缩。压电陶瓷的极化程度越高，这一奇特效应越强。

位移随温度的变化。

图 2：以堆叠型促动器为例，与室温下的名义位移相比，其低温范围中不同压电电压下的位移相对减小

压电促动器的核心参数随温度变化的程度取决于与居里温度间的差距。促动器的居里温度相对较高，达 350°C。高温工作时，其位移的变化因子仅为 0.05%/K。 位移在低温下减小。在液氦温度范围内单极驱动压电促动器，其位移仅为室温下的10%至 15%。 双极驱动可在更低的温度下实现更大的位移。由于矫顽场强随温度下降而增大，即使是沿着极化方向相反的方向，促动器也可以在更高的电压下运行。

尺寸随温度的变化

图 3：带电气大信号控制的促动器的温度膨胀行为

堆叠型促动器的温度膨胀系数大约为-2.5ppm/K。相比之下，由于附加的金属接触板及粘胶层，堆叠型促动器则表现出总系数为正的非线性特征（图 3）。 在闭合伺服回路中运行纳米定位系统时，除了非线性特征、迟滞和蠕变外，温度漂移也将被消除。然而，为此而保留的控制储备将减小可用位移。 由于这个原因，合适的材质、促动器类型及系统设计通常会被用来对温度漂移进行被动补偿。例如，由于其结构对称，弯曲元促动器在位移方向仅表现出很小的温度漂移。

工作温度范围

胶合促动器的标准工作温度范围为-20°C 至 85°C，而通过选择有较高居里温度和合适粘合剂的压电陶瓷可以增大这一范围。对于大多数多层产品，其规定扩展范围为-40°C 至 150°C。 使用特殊焊料后，温度范围可以扩大：有一些特殊的促动器可以在-271°C 至 200°C 之间（即约 500K 的范围内）使用。