多层压电致动器与电磁致动器：技术比较与应用分析

1.引言
2.各项技术的工作原理
3.并排技术对比
4.用例和决策制定
5.Bestarsensor：多层压电致动器
6.结论

介绍
在当今的工业自动化领域，执行器的作用比以往任何时候都更加重要。与十年前相比，半导体制造、医疗机器人和其他光学系统所使用的运动控制系统体积更小、速度更快、精度更高。
如今，工程师对执行器提出了诸多要求。首先，它们需要体积小巧；其次，需要快速响应；最后，在某些应用中，它们需要在无法使用磁场的环境中工作。这些要求使得许多应用超出了传统电磁执行器的能力范围。
电磁致动器和多层压电致动器是两种首选技术。它们都是成熟、稳定且易于获取的技术。然而，这些技术背后的物理原理截然不同，并且在对精密运动控制应用至关重要的领域中，它们既有相似之处，又存在关键性差异。
Bestar传感器 设计 多层压电陶瓷 用于精密驱动。本博客旨在对各种技术进行客观的技术比较，以帮助工程师选择合适的技术。

每项技术的工作原理
1. 电磁执行器
电磁致动器利用磁场将电能转化为机械能。通电线圈会产生磁场。该磁场作用于永磁体或铁磁元件，从而产生力。通过改变电流，可以控制力的大小和位置。
洛伦兹力是电机、螺线管、音圈致动器和线性电机的基础。这项技术成熟，易于用任何驱动电子设备进行控制，即使在长距离运动中也能提供大行程。
从机械结构上看，这种技术通常由线圈、与其相对运动的磁体以及某种轴承或导向系统组成。运动部件和固定部件之间会存在间隙。一定程度的摩擦、磨损和磁滞现象是不可避免的。
2. 多层压电致动器
压电致动器基于截然不同的原理。某些类型的陶瓷在施加电压时会发生形变，这被称为逆压电效应。例如，施加正电压时，陶瓷会略微膨胀；施加负电压时，陶瓷则会收缩。
单层陶瓷的位移非常小，约为每伏纳米级。但如果将器件制成多层结构，将许多薄陶瓷层串联（电气上串联，机械上并联）堆叠起来，就能将所有层的偏转值叠加起来。这样就形成了一个坚固的陶瓷堆叠结构，能够在可接受的驱动电压下产生有效的位移。
该装置没有线圈、磁铁和任何移动部件。陶瓷叠层是一种固态器件。它以固态形式膨胀和收缩，不存在界面摩擦、间隙或磨损。

并排技术对比
下表总结了两种技术在精密应用中最重要的参数方面的主要性能差异。

用例和决策
1. 喷墨打印头：高频精密阀
喷墨打印头需要以极高的重复频率（高达每秒数万个墨滴）喷射墨滴。墨滴的喷射必须保持高度稳定和可控。电磁阀无法保证在如此高的速率下运行。线圈的电感限制了速度——电流的施加和移除都会影响驱动速度。
压电致动器则没有这样的限制。在实际应用中，它们可以达到数十千赫兹的频率，在一些特殊产品中甚至可以达到更高的频率。正因如此，工业喷墨打印头、超高速点胶控制系统以及其他需要高速精确计量流体的应用都开始采用压电技术。
2. 光学和光刻中的亚纳米级调整
半导体制造系统中的光刻系统需要将光学元件定位到亚纳米级精度。光学对准系统需要将反射镜调整到优于光波长的精度。如果没有精密平台，仅靠电磁致动器系统无法实现这一点。
压电致动器是理想的解决方案。它们具有电压与位移之间的线性关系，无反冲和静摩擦。其位置分辨率仅取决于驱动电子设备的性能。采用精密放大器的微型封装即可实现亚纳米级分辨率的闭环系统。
因此，压电平台是半导体检测工具、自适应光学、光纤对准和共聚焦显微镜的核心部件。
3. 用于医疗和生物制药的微型泵
医疗技术的微型化进程不断加快。植入式药物输送系统、即时诊断设备以及手术器械尖端都需要更小巧、更轻便、更高效的执行机构。
电磁致动器的可扩展性很差。随着尺寸减小，它们产生的力会迅速下降。
压电致动器具有良好的可扩展性。这种多层堆叠结构在立方厘米范围内可产生较大的力。
采用膜片驱动的压电泵能够以低功耗精确地移动和分配流体，可用于电池供电且需要低功耗的医疗设备。
另一个应用领域是外科手术机器人。微创手术器械的尖端需要尺寸小、作用力强且位置控制精准。压电元件能够在电磁元件无法实现的微小尺寸内提供这些功能。

Bestarsensor：多层压电致动器
Bestar传感器 该公司采用先进的共烧技术设计和生产多层陶瓷压电致动器。其组件具有以下几个特点。
1. 高输出力密度
采用的多层共烧工艺 Bestar传感器 这种结构允许将多层薄陶瓷层组装成一个小型封装。堆叠中的多层结构能够产生累积位移和力。这使得器件在占用较小体积的同时，还能提供较高的阻挡力和有效的位移输出。
2. 长期周期稳定性
Bestar传感器 采用严格的材料采购和制造流程，确保整个叠层陶瓷的成分一致。这使其能够在数亿次循环中保持稳定的位移输出。
3. 精密制造和更低的驱动电压
堆叠结构中各层越薄，涉及的层数就越多。这会导致每层上的电场强度降低。每层电场强度降低意味着达到相同位移所需的施加电压也更低。降低驱动电压可以简化驱动电子器件的设计，并减少陶瓷层上的绝缘应力，从而提高可靠性。 Bestar传感器控制烧结过程中各层厚度的能力会影响执行器的电气性能和使用寿命。

结论
电磁致动器和压电致动器并非竞争同一市场。它们的性能差异很大，使用它们的关键在于明确应用场景。
如果应用需要长行程、低电压、易于实现的驱动电子设备，且成本至关重要，那么电磁执行器仍然是首选。它们非常适合通用自动化、直线运动、毫米级定位精度等应用。
如果应用需要亚微米级的定位精度、高频运行、低散热和静态功耗，或者在高磁场下运行，则压电多层致动器优于电磁器件。
精密制造的发展趋势推动了有利于压电驱动的运行条件。微技术、更短的周期时间、更严格的公差和更高的能源效率是所有行业的共同特点。 Bestar传感器的多层压电元件能够帮助工程师应对这些挑战，提供精密应用所需的技术规格和制造精度。