压电陶瓷微位移致动器

2014年压电陶瓷行业分析报告2014年9月目录一、行业概况 (4)二、行业管理体制、行业主管部门及自律性组织 (5)三、压电陶瓷的行业应用和市场规模 (6)1、压电陶瓷的行业应用 (6)（1）电声换能器 (7)（2）超声换能器 (7)（3）水声换能器 (8)（4）压电减振系统 (8)（5）压电致动元件 (8)（6）压电能量采集 (9)（7）压电频率器件 (10)（8）压电变压器 (10)（9）压电引爆引燃元件 (10)2、市场规模及发展状况 (11)四、进入本行业的主要壁垒 (13)1、技术壁垒 (13)2、人才壁垒 (13)3、品牌壁垒 (14)4、规模化生产壁垒 (14)五、行业周期性、区域性特征 (14)六、影响行业发展的因素 (15)1、有利因素 (15)（1）产业政策大力扶持 (15)（2）国内电子产业的蓬勃及电子产品消费的增长 (16)2、不利因素 (16)（1）总体技术水平仍存在较大的差距 (16)（2）基础技术研究与开发薄弱 (17)一、行业概况压电陶瓷属于电子陶瓷的一个分支，是利用压电效应实现电能与机械能相互转换的功能陶瓷。

所谓压电效应是指某些介质在力的作用下产生形变，从而使介质表面带电，这是正压电效应，反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。

科学家将这种奇妙的效应应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。

压电陶瓷具有结构简单，便于制作小型化、高速度、低功耗、高可靠的元器件，在现代光机电产品中占有十分重要的地位,世界各国元器件生产企业都在压电陶瓷及其元器件的新产品、新技术、新工艺、新材料、新设备方面投入巨资进行研究开发。

每年都有大量新型材料及元器件问世。

近年来,在国家诸多重点科研计划的支持和推动下,我国在压电陶瓷材料及元器件的科学研究与产业化方面有很大发展,但总体来看,我国的电子信息产业,特别是一些附加值高、技术含量高的新型电子信息产品和一些基础电子产品的生产水平与发达国家相比仍存在很大差距,不少高端产品基本被国外的大公司控制，如德国爱普科斯(EPCOS)、PI公司，日本的村田、京都陶瓷，美国的摩根公司等近年来长驱直入中国市场，目前已占据了国内压电陶瓷器件，特别是新型高技术元器件市场相当大的份额，一些高端产品基本垄断了中国市场，严重影响了我国的技术进步及产业升级。

• 134•压电陶瓷(PZT)作为原子力显微镜(AFM)控制结构中微驱动定位的关键器件，能够用于快速跟踪测量样品表面的形貌变化，而其驱动电源是决定压电陶瓷微驱动性能的核心部分。

本文采用线性放大式驱动电源原理，设计了一种以AD8572+PA85A为核心的高精度压电陶瓷驱动电源。

主要介绍了驱动电源的工作原理、两级运放的特点和影响运放稳定性的关键因素。

实验结果表明设计的驱动电源线性度高、响应速度快、性能稳定，能有效应用于AFM的微驱动定位系统中。

引言：随着生物医学、微细加工和精密制造工艺等领域的不断发展，纳米级定位技术得到广泛关注，压电陶瓷微位移驱动平台作为理想的定位系统，它在体积、响应速度、分辨率等方面优点突出（李龙江，压电陶瓷驱动电源及其控制系统的研究：哈尔滨工业大学，2012；徐辽，基于PA85A的高精度动态压电陶瓷驱动电源设计：压电与声光，2018）。

而压电陶瓷驱动电源作为微位移驱动平台的核心部分，其线性度、电压分辨率、响应速度和稳定性都决定着AFM的扫描成像能力，所以对驱动电源输出电压的稳定性、分辨率和响应速度等性能提出了更高的要求（刘振明，压电陶瓷驱动器动态驱动电源设计：电源技术，2011）。

目前，国内外的专家学者对压电陶瓷驱动电源的研究多集中在电源的谐波失真、频响范围、输出的功率等方面（王彭，宋克非，高带宽压电陶瓷驱动电源：仪表技术与传感器，2016；钟文斌，一种误差放大式压电陶瓷驱动电源的研制：压电与声光，2014；滕旭东，高精度数字跟踪式压电陶瓷驱动电源设计：电源技术与应用，2013）。

然而面对目前仍存在的驱动电源输入失调电压高、精度不够、非线性失真大、稳定性差等影响压电陶瓷驱动电源性能的关键因素，提出行之有效的解决方案仍然是其在AFM应用中至关重要的技术之一。

1 驱动电源工作原理和技术指标压电陶瓷驱动电源分为电荷控制型和电压控制型两种（赵雅彬，一种压电陶瓷致动器直流可调稳压驱动电源设计：北方工业大学学报，2015；金学健，曹龙轩，冯志华，基于恒流源的改进型压电陶瓷高压驱动电源：压电与声光，2017）。

压电叠层作动器
压电叠层作动器是一种利用压电效应的器件，用于产生机械运动或执行精密的位置调节。

压电效应是指在某些晶体材料中，当施加电场时，产生机械应变的现象。

压电叠层作动器通常由多层压电陶瓷片和电极组成。

以下是压电叠层作动器的一些基本特点和工作原理：
●结构组成：
压电叠层作动器通常由多层薄压电陶瓷片叠加而成，形成层叠结构。

每一层压电陶瓷片都有电极，电极通过外部电源提供电场。

●工作原理：
当施加电场时，各层压电陶瓷片都会发生压电效应，引起长度方向的微小机械变形。

这些微小的机械变形叠加在一起，就能够产生较大的整体机械位移。

●位移范围：
压电叠层作动器的位移范围通常取决于其结构、材料和尺寸，可以实现亚毫米到数毫米的位移。

●响应速度：
压电叠层作动器具有较高的响应速度，能够在毫秒或微秒级别内实现快速的机械响应。

●高分辨率：
由于压电效应的高灵敏性，压电叠层作动器具有较高的分辨率，可用于精密位置控制和微调。

●应用领域：
压电叠层作动器广泛应用于精密仪器、光学系统、微调平台、声波发生器等领域。

由于其快速响应和高分辨率，常被用于需要快速而微小位移的应用。

●控制方法：
控制压电叠层作动器的位移通常通过调节电场的强度和极性来
实现。

压电叠层作动器在需要快速、高精度机械位移的应用中表现出色。

其小尺寸、高响应速度和高分辨率使其成为精密仪器和光学系统中重要的执行元件。

压电陶瓷最大输出位移1. 引言1.1 压电陶瓷概述压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，具有压电效应的陶瓷材料称为压电陶瓷。

压电效应是指某些晶体在受到机械应力或电场刺激时会发生形变或电极化现象。

压电陶瓷具有较高的机械强度、良好的化学稳定性和优良的压电性能，因此被广泛应用于传感器、马达、换能器等领域。

压电陶瓷具有多种规格和型号，可以根据具体的应用需求选择不同的压电陶瓷材料。

在工程领域中，压电陶瓷扮演着重要的角色，其在传感、控制、信号处理等方面都有广泛的应用。

随着科技的不断进步，压电陶瓷的性能和应用领域也在不断扩展和提升。

压电陶瓷是一种具有特殊性能和广泛应用前景的陶瓷材料，其在现代工程中具有重要地位，对于促进科技进步和社会发展具有重要意义。

1.2 压电效应简介压电效应是指在受到外力作用时，物质会产生电荷的分离或聚集，并在晶格结构内部产生电场的现象。

这种效应是由于压电材料的晶格结构具有非中心对称性，因此在受到应力变化时会产生极化现象。

压电效应是压电陶瓷的重要特性之一，也是其广泛应用的基础。

当外界施加压力或扭曲时，压电陶瓷会发生极化现象，即产生正负电荷的分离。

这种极化效应会导致压电陶瓷内部产生电场，从而使其表现出压电性质。

压电效应不仅可以实现电能到机械能的转换，还可以实现相反的机械到电的能量转换。

这种双向转换能力使得压电陶瓷在传感器、执行器等领域具有广泛的应用前景。

压电效应是压电陶瓷材料独特的物理现象之一，其在实际应用中能够为工程领域提供稳定可靠的解决方案，具有重要的意义和价值。

压电效应的简介将有助于深入了解压电陶瓷的特性和应用前景。

2. 正文2.1 压电陶瓷的结构和工作原理压电陶瓷是一种具有压电效应的材料，其结构和工作原理对于理解其性能和应用至关重要。

压电陶瓷通常由铅锆钛酸钠、铅镁铌酸、铅钛锆酸钡等材料构成，具有特殊的晶体结构。

在外加电场的作用下，压电陶瓷会发生形变，从而产生电荷，实现能量的转化与传递。

激光武器双波束非相干合成传输特性研究曹秋生【摘要】依据激光光束理论和典型参数,利用数学软件Mathcad14,研究激光武器共轴和离轴扩束体制下全光路和拼接合成四种组合的双波束非相干合成光束传输特性.结果表明,采用卡塞格伦望远镜系统实现激光扩束和聚焦发射,系统几何光学倍率越大最大聚焦距离越远,但一般难以实现无穷远聚焦,且根据聚焦距离与相应束腰大小和远场发散角的变化关系可定义“光束准直”和“功率聚焦”两种调焦模式;全光路合成可有效提高到靶功率密度,而拼接合成虽可提高到靶总功率,但要提高到靶功率密度,需要所有光束均能独立控制出射方向,并能跟随目标距离变化,以便重叠聚焦在目标上;离轴扩束-全光路合成方式可实现紧凑的系统设计,减少光束遮挡,但需要考虑离轴入射所带来的子午面和弧矢面上的焦距差异对光束传输和聚焦特性的影响.【期刊名称】《中国电子科学研究院学报》【年(卷),期】2018(013)002【总页数】9页(P140-148)【关键词】非相干合成;全光路合成;拼接合成;共轴扩束;离轴扩束;聚焦发射【作者】曹秋生【作者单位】中国电子科技集团公司第二十七研究所,郑州450047【正文语种】中文【中图分类】TN2490 引言激光武器具有速度快、精度高、射程远、火力转移迅速、不受外界电磁干扰、持续战斗力强等优点，是近几十年来世界范围内技术攻关和系统研发的重点和热点。

第一代激光武器采用兆瓦级化学激光器作为光源[1,2]，具备一定作战能力,但系统体积相对庞大、机动性不足，且具有一定的污染环境风险，因而采用体积小、重量轻、使用方便的高功率固体或光纤激光器成为新一代激光武器的发展趋势。

由于现有材料、器件水平的限制和热效应等的影响，单链路激光输出功率往往难以满足到靶功率密度要求，因而以相干或非相干波束合成[3，4]的手段提升激光武器系统的总发射功率和激光功率密度，是目前常用的方法，而非相干合成具有结构简单、可扩展性强的特点，易于工程实现。

微位移机构的现状及趋势程颖【摘要】微位移机构是精密机械和精密仪器的关键部件之一。

介绍了一些典型的微位移机构的结构、原理、特点和应用, 并对这些机构进行了比较。

关键词: 微位移机构; 扭轮摩擦传动; 直线电机; 弹性变形; 柔性铰链; 压电陶瓷【 Abstract】The micro-motion mechanism is one of key components of precision machinery and precision instrument.Introducesstructure,principle,characteristics and applications of some typical the micro-motion mechanisms.The comparison among these mechanisms are carried out.Keywords: Micro- motion mechanism; Torsion wheel friction transmission; Linear motor ; Elastic deformation; Flexible hinge; Piezoelectric ceramic当前随着科学技术的迅速发展, 尤其是在微电子技术、宇航、材料、生物工程等学科的发展, 对精密机械和精密仪器的精度及灵敏度要求越来越高。

例如, 在材料学科中, 科学家们为了探测材料表面的原子结构, 甚至将其原子结构做重新排列, 对于相应的操作精度要求达到了亚纳米级。

[1]1 机械传动式微位移机构机械传动式微位移机构是一种最古老的机构, 在精密机械和仪器中应用很广, 其结构形式较多, 主要有螺旋机构、杠杆机构、契块凸轮机构以及它们的组合机构。

但因机构中存在机械间隙、摩擦磨损以及爬行现象等, 所以运动灵敏度和精度都很难达到高精度, 所以该机构只适宜于中等精度。

pzt压电陶瓷片行程pzt压电陶瓷片行程压电陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应。

由于其优良的机械性能和电性能，压电陶瓷广泛用于传感器、致动器、声波器件等领域。

本文将重点讨论pzt压电陶瓷片的行程特性。

一、pzt压电陶瓷片的基本概念pzt压电陶瓷片是一种由压电陶瓷制成的平板状器件。

它由多个压电单晶或多晶颗粒组成，通过特殊的工艺在陶瓷片上形成电极，形成一个电极化的陶瓷结构。

当施加外电场或机械力时，pzt陶瓷片会发生形变，产生行程。

二、pzt压电陶瓷片的行程特性pzt压电陶瓷片的行程特性是指在施加电场或机械力的作用下，陶瓷片产生的形变量。

一般来说，pzt陶瓷片的行程与所施加的电场或机械力大小呈线性关系。

在小范围内，行程与电场或力的关系可以用线性模型来描述。

当电场或力超过一定阈值时，pzt陶瓷片的行程会出现饱和。

三、行程与电场的关系pzt压电陶瓷片的行程与施加的电场之间存在着线性关系。

当外电场作用在陶瓷片上时，压电陶瓷内部的压电晶体会产生应变，从而导致陶瓷片的行程。

行程与电场的关系可以通过pzt陶瓷的压电系数来描述。

压电系数是一个衡量pzt陶瓷片响应电场能力大小的物理量。

四、行程与机械力的关系pzt压电陶瓷片的行程与施加的机械力之间也存在着线性关系。

当施加外力作用在陶瓷片上时，压电陶瓷内部的压电晶体会产生电荷累积，从而引起陶瓷片的行程。

行程与机械力的关系可以通过pzt陶瓷的压电应力系数来描述。

压电应力系数是一个衡量pzt陶瓷片响应机械力能力大小的物理量。

五、提高pzt压电陶瓷片的行程为了提高pzt陶瓷片的行程，可以采取以下措施：1. 选择具有高压电系数的陶瓷材料作为制备pzt陶瓷片的基础材料。

2. 在制备过程中控制陶瓷片的结构和晶粒尺寸，以提高陶瓷片的压电性能。

3. 优化电极的设计和制备，确保电极与陶瓷片之间能够有效传递电荷和电场。

4. 采用外部电场或机械力增强技术，如施加预应力等方法，来提高陶瓷片的响应能力。

压电陶瓷在驱动时，其位移与施加的电压频率之间存在复杂的关系。

简单概述如下：
1. 线性响应区域：
在低频范围内（远低于共振频率），压电陶瓷的位移与其所受电压近似成线性关系。

也就是说，当驱动电压按照一定频率变化时，压电陶瓷产生的位移会随着电压幅值的变化而相应改变。

2. 共振现象：
当驱动频率接近或达到压电陶瓷的机械共振频率时，即使输入电压较小，也能引起较大的位移输出。

这是因为在这个频率下，系统的阻尼最小，能量储存和释放效率最高。

3. 超声范围：
在高于共振频率的超声波段，压电陶瓷的位移将显著减小，因为此时压电陶瓷无法快速响应高频电压变化，且高频率下的内部损耗增加，导致有效位移变小。

4. 非线性效应：
随着电压幅值增大或频率升高，压电陶瓷可能表现出非线性行为，这会导致实际位移与预期的理想线性关系产生偏
差。

因此，压电陶瓷的实际位移不仅取决于驱动电压的大小，还与施加电压的频率密切相关。

为了获得最大位移或最佳工作效果，通常需要根据具体应用选择合适的驱动电压频率和幅度，并确保远离系统机械损坏的极限条件。

同时，利用控制电路对压电陶瓷进行调谐，使其工作在最优状态也是十分重要的。