壓電效應：對某些材料施加壓力可以在材料兩(liang) 端產(chan) 生電動勢。這一突破性發現得益於(yu) 期間晶體(ti) 結構或晶體(ti) 物理學快速、深入的發展。僅(jin) 僅(jin) 幾年後，壓電逆效應在數學上得到證實：即在同一個(ge) 晶體(ti) 上施加電動勢時，可以觀測到材料物理膨脹。這被稱為(wei) 逆壓電效應，直到今天該效應仍然是壓電電機開發的理論基礎。一些俄羅斯科學家提出了利用共振來解決(jue) 傳(chuan) 統粘滑壓電電機問題的概念。以壓電陶瓷的固有諧振頻率驅動壓電晶體(ti) 的膨脹和收縮，以使其在相同的能量驅動下，因為(wei) 共振而膨脹更多。超聲波壓電馬達依此開發。
超聲波壓電技術的權威指南
一點點曆史沿革
這一切都始於(yu) 18 世紀熱釋電效應的發現。科學家們(men) 發現，當某些材料被加熱時，它們(men) 會(hui) 產(chan) 生電勢。雖然科學家們(men) 早就猜想了壓電效應的存在，但直到大約一個(ge) 世紀後的 19 世紀末，皮埃爾居裏才在實驗中發現了它。
該效應表明，對某些材料施加壓力可以在材料兩(liang) 端產(chan) 生電動勢。這一突破性發現得益於(yu) 期間晶體(ti) 結構或晶體(ti) 物理學快速、深入的發展。僅(jin) 僅(jin) 幾年後，壓電逆效應在數學上得到證實：即在同一個(ge) 晶體(ti) 上施加電動勢時，可以觀測到材料物理膨脹。這被稱為(wei) 逆壓電效應，直到今天該效應仍然是壓電電機開發的理論基礎。
所有晶體(ti) 都合適嗎？
壓電陶瓷材料的根本特性是即使在去除極化場之後，它包含的電偶極子仍然可以永久保持一個(ge) 固定的偶極取向。該極化場是一個(ge) 強直流場，它將現有的偶極子全部排列在同一方向上，從(cong) 而使結構作為(wei) 一個(ge) 整體(ti) 具有偶極子方向。許多材料具有一定程度的壓電陶瓷效應，但通常這種效應太弱而無法使用，或者材料本身的強度不足以承受壓電效應產(chan) 生的物理力。或者換一種說法：它們(men) 由於(yu) 機械膨脹而出現斷裂。這種現象在單晶材料中很常見，使用多晶陶瓷材料可以獲得更好的結果。最後，許多單晶材料對水分非常敏感，使得它們(men) 在日常国产成人在线观看免费网站中毫無用處。
壓電陶瓷最常用的材料是鋯鈦酸鉛，又稱PZT。典型的壓電材料是陶瓷與(yu) 金屬的組合。為(wei) 什麽(me) ？陶瓷具有壓電特性，但通常非常脆。這限製了陶瓷晶體(ti) 在不斷裂的情況下可以承受的極限膨脹量。通過在晶體(ti) 結構中添加一種或多種金屬，組合變得更具彈性，從(cong) 而可以進行更大的膨脹，而這種彈性膨脹對於(yu) 壓電馬達來說是理想的，其中膨脹度直接與(yu) 馬達在一個(ge) 膨脹周期內(nei) 的運動有關(guan) 。換句話說：這些脆性較小的複合陶瓷可国产成人在线观看免费网站在更大衝(chong) 程的壓電馬達。材料濕敏性也更好，使這些陶瓷成為(wei) 廣泛国产成人在线观看免费网站的理想選擇。
它們(men) 是如何製作的？
將所有成分加工成非常細的粉末並混合在一起。通常在此階段還會(hui) 添加某種有機材料以使材料更好的混合，並在後續過程中通過加熱混合物方式將其去除。然後將粉末在坩堝中再次加熱，以方便塑性。這種形狀可以是扁平的磚形、圓柱體(ti) 或任何其他形狀。
材料定型後，就需要對材料進行極化。極化過程在加熱的油浴中完成，並在幾分鍾到幾小時的時間內(nei) 在壓電陶瓷元件上施加直流電壓。然後將元件從(cong) 油浴中取出並冷卻，從(cong) 而在材料中形成永久的極化結構。
壓電效應的技術機理
在上一章中，我們(men) 解釋了壓電陶瓷材料包含永久電偶極子，這些電偶極子都朝向同一方向。你將會(hui) 明白這有什麽(me) 用。當我們(men) 在陶瓷材料的兩(liang) 側(ce) 施加電動勢（電壓）時，電場將開始推動帶正電和帶負電的晶體(ti) 彼此遠離。這會(hui) 導致材料膨脹。這種膨脹非常小，通常在納米（百萬(wan) 分之一毫米）到微米（千分之一毫米）的數量級。因此，需要進行非常多次的膨脹，並結合一種機製，將這種膨脹轉化為(wei) 可定量運動，才能獲得真正的壓電電機。
壓電陶瓷材料有一個(ge) 巨大的優(you) 勢：膨脹（以及去除電壓時的收縮）非常快，因此每秒可以進行很多次膨脹。大多數壓電電機的工作頻率介於(yu) 10kHz 和 200kHz 之間（每秒 200.000 次膨脹/收縮）。另一個(ge) 特性是壓電陶瓷材料的膨脹與(yu) 施加的電壓成正比。這是一個(ge) 有用的屬性，但它有其局限性：首先，材料在斷裂前可以承受的膨脹是有限製的；也有一個(ge) 實際問題的限製，許多壓電電機用於(yu) 人們(men) 直接使用和觸摸的国产欧美在线中。電壓越高，人們(men) 越需要小心，以免在意外接觸陶瓷時受到電擊。在傳(chuan) 統的壓電係統中，需要施加高達 500V 的電壓，而在超聲波壓電係統中，使用低得多的電壓 (24V - 48V)，因為(wei) 諧振效應可以產(chan) 生與(yu) 施加高電壓相似的效果，超聲波係統被認為(wei) 是更安全的係統。
最基本的促動器，壓電堆
正如在介紹中所解釋的，當施加電動勢時，某些晶體(ti) 材料會(hui) 產(chan) 生物理膨脹。這種膨脹與(yu) 施加的電壓成正比。顯然，這有一個(ge) 極限：在某一點上，電壓變得如此之高，以至於(yu) 晶體(ti) 斷裂。逆壓電效應能導致晶體(ti) 寬度的變化非常小。這限製它的適用範圍：它不適用於(yu) 大於(yu) 1 µm 的位移，但可以對非常小的距離進行精細控製。這使得壓電晶體(ti) 對於(yu) 在亞(ya) 微米世界中定位物體(ti) 非常有用。適用於(yu) 需要將鏡子或鏡片放置在非常特定位置的科學研究、或者晶圓檢測機、電子顯微鏡甚至醫療設備。
為(wei) 了解決(jue) 位移受限的問題，很早就出現了堆疊多個(ge) 壓電晶體(ti) 的想法，每個(ge) 壓電晶體(ti) 都具有可控製的電壓，不會(hui) 威脅到晶體(ti) 結構。這就是所謂的壓電堆。它是一堆單獨驅動的晶體(ti) ，結合起來可以產(chan) 生幾微米的膨脹。不是很好實現，但研究正在取得進展。
壓電堆的另一個(ge) 優(you) 點是它可以產(chan) 生的力。一個(ge) 小壓電堆可以輕鬆生成 20N 力甚至更多。較大的壓電堆可用於(yu) 以非常精確的方式定位非常重的物體(ti) ，所有這些国产成人在线观看免费网站都沒有很大的行程範圍。我們(men) 現在知道了逆壓電效應的基本原理，但是如何利用這種現象的優(you) 勢來實現更大的位移呢？科研人員測試過多種設計，但隻有少數具備實用性。讓我們(men) 來看看幾種較為(wei) 成功的。
粘滑馬達
粘滑電機的原理很簡單：將壓電堆與(yu) 滑塊上的陶瓷軌道橫向並排貼合放置。在一個(ge) 方向上緩慢移動，在晶體(ti) 和滑塊之間形成“滑動”，但在另一個(ge) 方向上，移動得更慢，在兩(liang) 者之間形成“黏著”，結果滑塊與(yu) 壓電元件一起移動。很明顯，在這樣的運動中，一次隻行進了與(yu) 晶體(ti) 膨脹相同的距離，因此需要重複此運動數千次才能行進一定長度。幸運的是，從(cong) 技術上講，完全可以在 KHz 範圍內(nei) 交替驅動信號。
有什麽(me) 缺點？即使信號的頻率很高，滑塊仍然移動得很慢。最高 5 mm/s 的速度是可實現的，但更快難以達到。對於(yu) 某些国产成人在线观看免费网站場景，這種緩慢的速度是一個(ge) 問題。但最大的缺點是電機壽命。壓電電機在滑塊上的陶瓷條上不斷滑動，不僅(jin) 會(hui) 產(chan) 生令人不適的噪音，還會(hui) 導致接觸點磨損嚴(yan) 重。想象一下，對一個(ge) 非常小的鋼珠以每秒研磨數千次的頻率連續工作數周。當然，可以通過提高施加到電機的電壓來增加每衝(chong) 程的行程，但出於(yu) 安全考慮，通常隻允許施加最高48V 甚至24V的電壓，這限製了該解決(jue) 方案的效果。
壓電超聲馬達
七十年代，一些俄羅斯科學家提出了利用共振來解決(jue) 傳(chuan) 統粘滑壓電電機問題的概念。這個(ge) 想法很簡單，嚐試以壓電陶瓷的固有諧振頻率驅動壓電晶體(ti) 的膨脹和收縮，以使其在相同的能量驅動下，因為(wei) 共振而膨脹更多。超聲波壓電馬達有兩(liang) 種類型：駐波和行波壓電超聲馬達。
在行波壓電超聲馬達中，接觸點沿運動方向移動，不斷向前推動滑塊。通常這用於(yu) 昂貴的相機鏡頭。該概念使用一種環形壓電陶瓷材料，其中的波由上述壓電效應產(chan) 生。該波圍繞環傳(chuan) 播，接觸環的接觸點“漂浮”在波上，並在與(yu) 行波相反的方向上進行淨位移。這個(ge) 原理很難国产成人在线观看免费网站於(yu) 直線運動，但非常適用於(yu) 旋轉。原因是很難在線性陶瓷片的一端產(chan) 生行波並在另一端將其衰減掉。在一個(ge) 環中，你可以讓波一次又一次地四處傳(chuan) 播。這項技術對相機來說很有趣，因為(wei) 有一個(ge) 大光圈。對於(yu) 其他国产成人在线观看免费网站場景，它的用處不大，並且該概念僅(jin) 允許低速工作。雖然行波壓電馬達可以實現很高的力，但它容易磨損並且使用壽命有限。
相反，駐波電機具有一個(ge) （或幾個(ge) ）定義(yi) 的接觸點。這些接觸點以一個(ge) 橢圓軌道路徑相對於(yu) 滑塊振動，從(cong) 而產(chan) 生淨位移。
在駐波型的情況下，由於(yu) 振蕩頻率與(yu) 電機結構的兩(liang) 個(ge) 共振頻率一致，因此接觸點的運動得到增強。圖 3 顯示了壓電超聲電機的諧振模式示例，該電機由 Xeryon 的創始人在比利時魯汶大學 (KUL) 開發。在第一共振模式下，接觸點沿切線方向移動，即運動方向（見圖3左圖），這種模式有時被稱為(wei) “彎曲模式”。在稱為(wei) “正常模式”的第二種共振模式中，觸點垂直於(yu) 運動方向振動（圖 3 右側(ce) ）。
圖1：在 KULeuven（Santoso，2014 年）開發的超聲波駐波壓電電機的共振模式：彎曲模式（左）和正常模式（右）
通過精心選擇壓電電機的電驅動信號，兩(liang) 種模式同時被激發，相位差為(wei) 正負 90 度。這導致了接觸點的橢圓振動，如圖 4 所示。除了相位差之外，接觸點的運動軌跡也可以通過驅動信號的幅度或頻率來控製。
圖2：超聲波壓電電機接觸點的橢圓振動
駐波壓電超聲馬達的特點：
接觸點的橢圓軌跡可以形成具有非常小的水平幅度位移，每一次振動導致對整機運動的水平位移貢獻很小。這導致非常精細的定位分辨率，而無需額外的準靜態掃描模式（通常用於(yu) 粘滑壓電電機以實現納米分辨率）。其優(you) 點是超聲波壓電馬達定位後零漂移，實現了良好的雙向位置重複性。
此外，塑造橢圓軌跡的控製策略使得跟隨滑塊的恒定低掃描速度成為(wei) 可能。術語“超聲波”是指振蕩頻率超出人類可聽頻率範圍。這就解釋了為(wei) 什麽(me) 這些電機運行無噪音，當操作員在光學顯微鏡等係統附近工作時，這是一個(ge) 明顯的優(you) 勢。此外，由於(yu) 操作頻率高，使用超聲波壓電電機可以實現 1000 mm/s 甚至更高的高運動速度。由於(yu) 其在諧振下運行來，這種電機具有低功耗和低發熱特性，這在能量利用上比準靜態運行更有利。這在需要熱穩定的手持設備和係統中很重要，最後，當在適當的工作條件下使用時，這些電機可以實現長距離和長壽命。因為(wei) 與(yu) 粘滑壓電馬達相比，接觸點和滑塊之間的衝(chong) 擊更低。
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