单层与多层压电陶瓷：实用工程指南

1.引言
2.压电陶瓷的工作原理
3.单层压电陶瓷
4.多层压电陶瓷
5.单层与多层
6.Bestarsensor 的能力
7.结论

介绍
生产行业的大多数机械设备都配备了外部可感知的运动系统。例如，您可以听到电磁阀的咔嗒声或看到伺服电机的旋转。虽然这些在线配置系统非常出色，但制造业中还有其他一些运动系统，它们精度高，且运动过程中不会产生任何噪音，例如滑缸。压电陶瓷致动器就是这类元件的典型例子。
压电陶瓷 它们是精密工业中默默奉献的英雄。它们是驱动工业喷墨打印机喷嘴的执行器，是半导体制造中光刻掩模中透镜定位的执行器，是柴油燃油喷射发动机的执行器，甚至是用于清洗手术器械的超声波清洗机的执行器。
这些元件主要分为两大类：单层和多层。虽然这两类元件本质上都使用相同的压电陶瓷材料和原理，但它们的模块化设计却有所不同。这意味着，如果为您的应用领域选择了“错误”的压电陶瓷类型，可能会导致驱动电子器件性能不佳，或者整个系统性能不足。
这篇博客概述了这两个类别在设计上的差异，以及它们在各自设计中的性能和技术细节，并介绍了如何根据工程规范来衡量这些类别。

压电陶瓷的工作原理
压电效应很简单：对压电材料施加压力，它就会产生电压。简而言之，它会产生电场电压。反之，当对压电材料施加电压时，它会发生物理变化——膨胀或收缩。电压值是一个非常精确且可控的数值。
这种平衡效应源于材料的内部结构。工业中最常用的压电陶瓷是锆钛酸铅（简称PZT）。PZT内部存在微观尺度的电偶极子。在PZT的制造过程中，这些电偶极子会通过一种称为极化的过程，沿单一方向机械排列。极化过程是在强电场下对材料进行加热和部分熔化相结合（这种机械排列随后被“固定”下来）。这种排列是永久性的。
如果用电场激励先前已极化的PZT材料，其内部偶极子会发生取向并形成电场。材料的内部晶格结构也会发生极化，并沿其中一个极化轴形成净偶极子。这种极化会导致内部晶格应变；电场转化为机械位移。
最重要的参数是压电电荷系数 (d₃₃)。该参数描述了单位电场（以伏特为单位）在材料中产生的位移，单位为皮米 (pm)。d₃₃ 值越大，材料在电场作用下产生的位移就越大。对于压电致动器而言，该系数是设计上限，也是在确定致动器的双轴或堆叠结构之前最重要的因素。

单层压电陶瓷
结构
单层压电陶瓷由一块PZT（锆钛酸铅）陶瓷构成，其厚度通常在0.5毫米到几毫米之间。金属电极涂覆在该陶瓷块的两个平面上。当在电极上施加电压时，整个陶瓷体会产生形变。
生产方法：干压法
单层压电陶瓷的生产采用一种称为干压法的方法。在该工艺中，PZT粉末在模具中受到强大的机械压力压缩，形成致密的生坯。然后，通过烧结将该生坯转化为固体晶体陶瓷结构，烧结过程是将生坯加热到高温，通常在2012°F至2372°F（1100°C至1300°C）之间。
干压成型工艺成熟且规范。它能制造出机械强度高、密度大、厚度足且尺寸公差恒定的零件。由于无需专用加工设备，因此大规模生产也具有经济效益。单层成型工艺的主要优势之一是其易于制造。
性能特征
单层几何形状对厚度、电压和位移之间的关系影响最大。
电场强度等于电压除以电极间距。要使厚元件与薄元件具有相同的电场强度，所需的电压要相应高得多。对于相同的单位长度位移，2毫米厚的单层元件布所需的电压大约是0.2毫米厚元件布的10倍。
正因如此，单层压电陶瓷本质上是高压器件。
典型的驱动电压在 500V 至 1000V 或更高。虽然并非所有应用都会遇到这个问题，但这需要使用额定电压合适的电线、隔离装置和驱动电子元件，从而增加系统的复杂性和成本。
单层压电陶瓷具有优异的机械耐久性。由于采用整体式陶瓷制造工艺，它是一种没有内部界面的实心体。它在严苛的工业环境中也能可靠运行，能够承受高静载荷，并且比层状结构更耐冲击和振动。
典型应用
1. 高功率超声换能器：单层压电陶瓷圆盘和环用于在工业清洗槽、声化学反应器和超声焊接设备中产生高振幅声功率。这些应用需要高机械强度和高驱动电压，因此非常适合采用此类换能器。
2. 简易工业传感器：单层压电元件广泛应用于声发射检测器、机械监测中的振动传感器以及发动机爆震传感器。此类传感应用无需大位移，只需可靠的机械-电信号转换即可。
3. 具有较大尺寸容差的简单致动器：当没有空间限制且已有高压电源时，单层压电元件是一种实用且经济的选择。

多层压电陶瓷
结构
多层压电陶瓷薄片（通常厚度为20至100微米）堆叠在一起，构成多层压电致动器。每两层之间都设有内部金属电极。这些层以并联方式连接，所有偶数层共用一个极性，所有奇数层共用另一个极性。
由于各层在电气上并联，因此整个驱动电压会出现在每一层上。由于各层在机械上串联，因此所有单独的位移会在输出端叠加。
其结果是，在驱动电压仅为单层器件的几分之一的情况下，即可实现相同的位移。一个5毫米单层元件的行程与一个100层、层厚50微米的堆叠器件的行程相同，但电压却只有后者的百分之一。这就是多层设计的核心工程价值所在。
生产方法：共烧和流延成型
干压法无法用于制造多层压电陶瓷，因为层数太多且层太薄。制造商通常采用流延成型工艺。
将PZT粉末与溶剂、粘合剂和增塑剂混合，制成用于流延成型的流体浆料。类似于用尺子涂抹油漆，使用精密刮刀将该浆料流延到移动的载膜上，然后使其干燥，最终形成柔韧的、纸般薄的陶瓷带。
接下来，通过丝网印刷将电极图案印制到每一层胶带上。这些胶带经过层层叠加、精确对位、加压层压并切割成所需尺寸。然后对整个叠层进行一次共烧：一次烧结循环即可使陶瓷致密化，并同时将其与内部电极永久粘合。
共烧工艺对技术要求很高。陶瓷材料和电极材料在烧结过程中必须具有匹配的收缩率，否则层间会发生翘曲、开裂或分层。因此，银钯合金常被使用。要实现数百层叠层结构的可靠共烧，需要在每个阶段进行严格的工艺控制和监控。
这正是Bestarsensor公司制造能力的核心所在。层间一致性、内部应力控制以及陶瓷电极堆叠全高度的粘合，都是区分可靠执行器制造商和不可靠执行器制造商的工程挑战。
性能优势
1. 低工作电压。多层压电致动器通常工作电压为 60 至 200 V。低压型号的工作电压为 30 至 60 V。这大大简化了驱动电子器件，并使集成到电池供电或安全敏感系统中成为可能。
2. 高位移密度。在相同场强下，多层堆叠结构比同等单层元件能提供更大的单位体积位移。这在空间有限的情况下至关重要。
3. 快速响应。多层堆叠结构的高电容，结合低驱动电压，可实现快速充放电循环。多层致动器通常可在几千赫兹到超过100千赫兹的带宽下工作，具体带宽取决于堆叠结构的尺寸。
4. 精确控制。由于位移与施加的电压成正比，且驱动电子元件的工作电压易于控制，因此模拟位置控制非常简单。简单的电压斜坡即可产生平滑、连续的位移扫描，适用于扫描、定位和比例阀控制。
典型应用
精密定位平台、高频微型阀、燃油喷射器、医用超声探头。

单层与多层：

这份选择表非常实用。如果您的系统已经配备了高压电源，并且您需要一个用于高功率声学应用的机械元件，那么单层设计是合适的选择。如果您的系统采用低压电源，空间有限，并且需要精确的比例控制，那么多层设计则是正确的选择。

Bestarsensor 的能力
Bestar传感器 可生产单层和多层压电陶瓷元件，并能满足特定应用要求。 Bestar传感器 控制从流延到共烧和最终检验的整个制造链，从而能够精确指定层数、驱动电压额定值、电容、刚度和位移。

结论
当机械结构简单、功率输出高和制造成本是主要考虑因素时，单层陶瓷是合适的选择。当需要低驱动电压、高位移密度、快速响应和集成到精密系统中时，多层陶瓷是合适的选择。
了解二者的区别——并​​做出正确的选择——是迈向可靠、高效的压电驱动系统的第一步。 Bestar传感器凭借在两个产品系列中的专业知识，以及其定制能力，该公司为工程师提供了一个能够支持各种压电致动器和传感器应用的单一供应商。
如需技术规格、定制报价或应用工程支持， 联系 Bestarsensor 直接地。