压电陶瓷微位移驱动器概述.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/压电陶瓷微位移 驱动器概 述中科院上海硅酸盐研究所陈大 任摘要利用压电陶瓷的逆压 电效应,可制成徽位移驱动器。对该类器件的性能特点、分 类、应用概况,压电陶瓷材料 本质对 该器件性能的影响,材料的选 择及发展趋 势等方面进行了介绍。关键词压 电 陶瓷徽位移 驱动器应用发展卜,浏,前言利用 压 电陶 瓷的逆压电效应,可方便地实现精密的位置控制或输出较大的力,制成微位移驱 动器。近年来这类器件的研究和应用发 展很迅速,已在功能陶瓷中形 成 了一重要的分支。由于位移和 力是 自然界和技术上最基 本的两个物理量,它又是一种集 电子元件和结构元件于 一体的新型固态器件,所以该类器件已经或者即将在精密机械、精密机械加工等方面获得广泛应 用。应 用涉及到激光通讯、生物工 程、纳米加 工、自动控制、机器人等高新技术领域,它在 国 民经济中将发挥越来越重 要的作用。我国在压电微位移驱动器 的研制和应用方面均较后进。且国内从事上述两方 面研究的工作者缺乏应 有的相互 了解与联 系。撰写此文,希望在材料、器件与应用之间起一桥梁作 用,以促进这类器件在我国广泛应用。压电陶瓷微位移驱动器的特点和分类压电陶 瓷 微 位移驱动器 具 有一 系 列 优点,归纳如下不需传动机构,位移控制精度高,可达拼。响应速度快,约为娜,无机械吻合间隙,可实现电压随动式位移控制。有较 大 的力 输 出,约为。功耗低,比电磁马达式的微位移器低个数量级,并且当使物体保持一定位置高度时,器件几 乎无功耗。它是一种固体器件,易与电源、测位传感器、微机等实现闭环自控。且比磁控合金和温控形 状记忆合金等其它微位移器的体积要小得多。压 电陶瓷微位移器从其应变形式而言,收稿日期一一 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/年月电子元件 与材料可分为伸缩型即直 线型和弯曲型两大类交变三种。进而 他们又可再分成 刚性和谐 振性表列 出了应用最广泛和较成熟的伸缩两种。若从压 电陶 瓷微位移器型压 电微位移器的分类情况、典型的应用以驱动电压施加形式来看,则有随动、开关和及使用的压电陶瓷类型。表压电陶瓷微位移驱动器分类情况按应变和驱动电压应应变类型型驱动电压形式式典 型材 料料典 型 应用用直直线型型刚性性随动驱 动动“硬性”压电陶瓷瓷精密光学干涉仪,变形镜镜伸缩 位移或电致 伸缩陶瓷瓷精密机加工、微动工作台台开开开开关驱动动“软性”压电陶 瓷瓷冲击式打 印机头,压 电继电器器尺尺尺尺尺尺歧形线性马达达共共共 振型型交变驱动动“硬性”压电陶瓷瓷超声马达表 面波、体波弯弯曲型型共振型型交 变 驱动动“软性”压电陶瓷瓷压电风扇、压 电泵泵按结构 形式器 件可分为简单型和 复合型两大类,其 中包括片状、管状、多层 结构和夹心式双 晶片、杠杆式、步进式等等见图。简单型复合型单片式多层式圆管式夹心式杠 杆 式步进式群不戛瑟尹尹图应用 于天文望远镜图 像 修正的压电陶瓷微位移器阵变形镜的示 意仁簇篡基板咧矍白图压电陶 瓷微位移驱动器的不同结构 形式也有人从器件的应用功能将它 们分 为三类传感器位移传感器压 力传感器动力学传感器。微孔针微 孔针夹】质量块压电陶瓷微位移驱动器应用简况该类器件的应用分作三类列于表。类为随动驱动精密位置控制,在三类应 用中,它的发展应 用最成熟。其 中包括一维位置控制如精 密光学 干涉仪,变形镜,精机加工等,二维控 制如光刻曝光工作台,生物显微镜载物 台和三维 控制如光纤对 准、扫描 隧道 显微镜顶针装 置等。由于受篇幅所限,现仅对几种应 用例作粗略介绍。图为由一维压电微位移驱动器 组成 阵列构成的变形镜示意图。图压电陶 瓷微操作手的示意它可根据接收光讯号自动调节镜面的形状,使夭文望远镜接收到的畸变图像得到矫正。图是一维型微机械操作手示意。它可用于生 物 工 程等,如 对个 别细 胞内注射、纳米级加工等。图为二维精控大规模集成 电路光刻曝光 台的示意 图。由于使用了高线性度 的压 电陶瓷微位移器,实现 了亚微米级的位置控制,使集成度大大提高。表 中类应 用为脉冲驱动器件,或称为压 力、运动传感器、器械、装置的应用。它们一般是在第类器件基础上采用使位移或力能大幅度放大的机构,如杠杆机构,使微 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/表压电陶瓷微位移驱动器应用简况类别器 件 或装里应变一驱动性质应用领域高精度光学 干涉仪双稳态光学仪变形镜变形光栅光偏 振 控制装置光纤对准光 刻、曝光装置扫描隧道显微镜顶 针微动机 械手纳米 加工高精度切割 误 差 补偿超精密道轨油、气 自动控制阀自动跟踪 系统刚性一随动精密光学精 密光 学精密光 学、天文望远镜精密光学精 密光学、光通 讯光通讯、激光应用大规模集成电路生物工程、物质结构生物工程精密加工精机加工精密机械精 密机械,自动化精 密机械,家电冲击一阵矩式打印机 头喷墨式打印机 头步进 直线马达压 电继电器照相机快 门刚性一脉冲精机,办公机械精机,办 公机械精密光 学,机器人自动化精密机械超 声马达表面 波、体 波超声线性马达压电风扇、压电泵照相机自动调焦超 声手术刀共 振一交变精密光 学精密机械自动化能 量传递小位 移在一 定时 间后积累叠加的机构,开发出的一系列复 合式 微位 移器。预期这 类器件有着 广 泛的应 用前途。承片台微位 护多褚 器微位于 器示为一种压 电型步进直线马达尺蝮型步进马达。它可象无足的昆虫蠕动一样前进,即通过“首”、“尾”轮番咬住或松开基轴,间息中配合“身体”的伸、缩,使整个微位移器与基轴发生相对的步进运动。“首”、“尾”的压电陶瓷作径 向收缩位移而“身体”部分作沿轴向的伸缩位移。卫乡进工作方,卫乡进工作丫方图应用 于光刻曝光 机的二维压电陶 瓷微位移器工作 台示意图为 具 有杠杆 放 大机 构的冲击 式点阵型打印机头结构示意图。它与传统的 电动打 印机相比,具有高速字符、低功耗、打印质量高、无电磁干扰等优点。图所图冲击一阵矩式压电打印机头结构示意皿类应用是利用压电陶瓷谐振时的表面 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/年月电子元件与 材 料波效应或体波的驻波作用而制得的“马达”,可以是直线位移式的,或是旋转式的。其特点是低转速、大力矩、高效率、快响应、无磁干扰等,是一类正在研 究发展中的新型器件。图尺嫂型 压电步进线性马达结构示 意上述类应用虽已发展成熟,但要依靠单个器件获得位移量又大,精度又高的效果是困难的,需要与位移调节范围大的粗调装置结合使用。、班类压电微位移驱动器,可利用压 电陶瓷实现较大的电控位移,由于机械加工、摩擦、配 合等非压电陶瓷本身的原因,其精度往往比前者要低。压电陶瓷性质与压电微位移器各组成 晶粒具有 自发极化尸,的压电陶瓷经强外电场极化处理后,呈现 了宏观平均剩余极化户,于是,同时产生 了正、负压电效应。压电微位移器的原理基于负压电效应,遵循于基本压 电方程一叭,式中为应变,为 电场强度,禹为压电常数,负压 电效应和正压 电效应。姚,为电荷 面密度,为应 力一样,它们的本质都是宏观平均剩余极化户随电场强度的线性变化所致,即由于改变,压电陶瓷自发极化 电偶极子线性位移所致。然值得指出的是,对于压电陶瓷或压电微位移器来说,应变与场强完全成线性关系满足上述压 电方程是有条件的。在压电陶 瓷中指极化处理后,实际上电场 对位 移存在着三种贡 献,或尸随在弹性限度 内的变化,引起 的对线性 变 化 的贡 献随变化产生 了畴转 向对的贡献。若压电陶瓷 中只存在第种 贡献,则微位移随 电场完全呈线性、无滞后、完全回零。但实际上在压 电陶瓷中、两种贡献不可避免地或多或少地总与同时存在 着,由于、贡献是一非线性、不回零的基本原 因,因此压电陶瓷或压电微位移器的一关系完全成线性、完全回零是不可能的。对于一般压 电陶瓷第种 电致伸缩效应是相当小的。要得 到一线性、回零特性好的器件,应选择矫顽场强。较高的压 电陶瓷材料,这样才可尽量减小畴转 向对位移的不利影响。在 电场作用下,畴转 向不仅对器件一非线性、不 回零产生不良影响,甚至完全破坏器件的压电性能。当正向施加时与原极化处理电场同相。材料伸长,。时,导致新的、畴转 向,使一线性变差尤应注意的是,当反向施加时,材料收缩。当达到一。时,材料将突然产 生畴反转,此时材料将 由收缩 突然变为伸长,完全破坏 了原有 的一线性关系,若进一步超过一。,材料将产生退极化而丧失压 电性能。众所周知,对多晶体组成 的陶瓷来说,它们的组成、结构、应力等存 在着不均匀性,各部分 的值不可能完全均 一,所以实际上基本能满足压电方程即一呈线性的 电场强度势必要远 远地低 于材料的平均值。由以上分析得 出对于需要线性回零特性好的随动驱动类应用,应选择。高的压电陶瓷材料材料 一定即。不变时,工作电场越高,一非线性、滞后也越大,应尽 可能地降低 工 作场强,如采用多层结构以下将介绍对压电微位移器 虽然可以通过施加反 向电场、利用收缩应变扩大可利用的总位移量,但须注意反向场强必须远低于一。值,若在总位移量 足够的情况 下,则尽可能只采用正 向伸长应变。对于类脉冲驱动应用,由于只需通过正脉冲 电场获得一定的伸长,对一关系线性无要求,所以一般可采用。较低、大的软性压电陶瓷。对皿类共振驱动应用,为减 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/小高频下的发 热,一般 也需采 用。高、占低的硬性 压电陶瓷材料。近十年来,在铁电陶 瓷基础 上开 发 出微位移器 用的另一类材料不具有自发极化的松 弛铁电陶瓷。它们具有离子有序一无序松弛结构,呈现大 的 电致 伸缩效应,它的位移与电场成两次方关系一尸,为电致伸缩系数。与压 电陶瓷相比,它们具有不需极化处理、相对应变量大、回零好等优点,已在某些微位移驱动器的应用 中取代了压 电陶瓷。然而这类材料、器件也有不 足之处,例如它要在直流偏场工作,才能获得较大的应变和较好的一线性而实际上在直流偏场下,往往也会诱导出宏畴结构和自发极化,也存在滞后和 不回零的缺点位移温度系数较大因其介 电常数大而使位移响应 较慢等。因此,在微位移器的应 用方面,压 电陶瓷和松弛铁电陶瓷各有所长,正在相互竟争、相互补充地发展着。电陶瓷微位移器的组成片厚度,器件 的工作电压大幅度地降低。这对器件小型化、大批量稳定生产及器件的应用开发起 了重要的推动作用。下砰卜蓬 熟一阵兰月圃发展趋势采用 多层结构图为多层结构压 电微位移驱动器的原理图。由于其各层在 电学上并联,在位移和驱动力方面 串联 叠加,多层结构可使 压 电微位移器的位 移 随层数增 加而 增 加图一工作 电压和场强 不变,总高度允许增 加,使器件的工 作 电压大 幅度地降低图一总高度、总形变和工作场强均不变。尤其是后者对压电微位移驱 动器的实际应用是十分重要的。采用 多层结构,器件的工作 电压降低的幅度可由压电方程一一姚。,和一,分析而知,式 中,为 图一中的 多层结构的 层数,一琴一尽一”一、一曰卜曰”一几万一贡一”由此 可见,器 件 的工 作 电压 与组成片的厚度成正比,组成片越薄、则工作电压可降低倍数就越大。近年来由于采用 了先 进的流延法成型及内电极印刷等厚膜、独石化工艺,使多层压图多层结构压电陶瓷微位移器增 加位移量降低工作 电压的原理图发展大位移高精度的压电微位移器对许 多实际应 用而言,需要毫米级的大位移,且要求高的位移精度,这对简单型器件,即使是多层结构器件也难以达到。为达到此 目的,必须发展 出许多复合型的压电微位移器或者称微位移器械,例如上节介绍的步进叠加式的尺镬型压 电微位移器,并且与微机、测位传感器、电源等闭环,以实现自动精密位移调控。在发展压电微位移器应用时,应对压电材料、器件的制作工艺和结构以及 电源和控制系统等加以统一考虑。压电微位移驱动器尚属刚发展起来的新器件,人们对它的可靠性、稳定性等甚为关注。由于所用材料和器件,器件与测控系统已构成一 不可分割的整体,它们与其它电子器件不同,是兼功能和结构的器件,对 陶瓷本身的质量,如致 密度、强度、耐磨性等均提出了较高的要求。实验表明陶瓷的晶粒尺寸对器件应变大 小、抗张强度等有直接影 响,故常采用液相共沉法所制的细颗粒原料,并通 过 严格 的 陶 瓷工艺来制得均匀的细晶陶瓷。器件的工艺、结构形式对器件的性能、稳定性、寿命等有直接影响。对于多层独石式 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/年月电子元件与材杆压电微位移 驱动器已发 展 出不 同 内电极 形式。这对器件消除 内应力、提高寿命等大为有利。为了使微位移驱动器稳定工作,除了器件本身外,还必须选择配置合适的精确测位传感器、电源以及控制系统。参考文献内野研二。压电 电歪夕千二工 一 夕。东京都森北出版株式会社,一卜,吕德宽压电陶瓷用于精定位一例见电子部研究所,第二届全国半导体专用设备学术会议论文集,无锡厂,甘肃 平凉地区机械印纸 厂,电子部所,过蛛农尺嫂型 压电微位移驱动器上海硅酸盐,。多层陶 瓷电容器内 电极研 究进 展天津大学王文 生摘要研制 贱金属电机是 降低多层 陶瓷电容器成本的有效途径之一,日本已研制成用电机 取代银电极的生产技 术,本文介绍了有 关电极的技术进展。关键词多层陶瓷电容器片式结构镍内电极司卜,概述为满足 电子整机的要求,多层陶瓷电容器不断向小型化、大容量化、高可靠性 和低成本化方 向发展。若实现大容量化,其方法是采用高介电常数陶瓷介质,减小陶瓷介质的厚度和增加陶瓷介质的层数。随着陶瓷介质层数的增加,内电极 的层数也相应增加。目前,内电极材料大多数为一体系材料。这种贵金属材料价格较贵。在多层陶 瓷 电容器成本 中,内电极材料成本占较大的比例。为兼顾对大容量和低成本两方面的要求,选用低成本的贱金属电极取代电极是提高性能价格比的有力措施。据日本公司统计,多层陶瓷 电容器价格从年到年的五年 间,片状多层陶瓷 电容器的价格下降约左右图。由此不难看出,在多层陶瓷 电容器生产中,若不选用低价格贱金属作为内电极材料来降低生产成本,在市场竞争中就很难取胜。收稿日期一一