压电技术历史和原理
压电技术历史和原理
简史
压电效应 (源于希腊语 "Πιεζώ“ (Piezo) = 压电)，由居里兄弟（雅克·居里和皮埃尔·居里，后者是居里夫人的丈夫）于 1880 年发现。他们发现在机械负载下，特定的不导电材料会在表面产生电荷，变得导电。
什么是压电元件？
压电元件是机电换能器。通过所谓的正压电效应，压电元件将机械力（压力、张力或加速度）转换成一个可测量的电压。逆压电效应的作用正好相反：当接通电压时压电元件会发生形变，从而产生机械运动或振幅。
原理
压电材料通常为特殊的陶瓷材料，表面结构导电，将电能转换成机械能，反之亦然。压电陶瓷中的分子晶格结构在居里温度 (TC) 以下时为非对称，所以是个偶极。用强电场，就可让压电陶瓷永久极化，或换言之，让晶格结构按优先方向排列。这时陶瓷材料具有了压电属性，接通电压后会产生形变。沿着电场线发生物理形变。因为陶瓷的体积恒定，所以收缩时与电场线呈直角。基于压电的驱动器具有几乎不需要任何能源的特点。用电气术语来说，压电元件是一个由两个导电板和作为介电体的压电陶瓷材料组成的电容器。只有电容器充电时才会有电流。充电完成后，电流变为零。因为功率的计算等式为电压 x 电流，所以如果没有更多的电流流通，那么功率就是零。在需要极高能效的场合，在压电驱动器复位后甚至可实现恢复充电。随后，可再次用于新一次的充电工作循环。
压电阀中的弯曲驱动器
压电阀中的弯曲驱动器
压电换能器的类型和应用
取决于应用场合，之前提到的效应可用于不同类型的换能器。弯曲驱动器、圆片压电换能器和堆栈换能器是基本类型，以此为基础可设计出更为复杂或更为简单的压电元件。
弯曲驱动器一般为长方形。主要元件为一块压电陶瓷材料，正反两面导电。陶瓷材料的一面完全粘合在一块基片上，基片也导电。陶瓷层的导电表面和基片的功能相当于电极。如果给这些电极通上电压，陶瓷材料就会以电场的方向膨胀。因为弯曲驱动器在多数应用场合中都是前端固定，没有固定的那一端就会产生弯曲运动。
弯曲驱动器有很多种类，具备不同的力和驱动运动，非常适用于气动阀。典型的特性数据包括十分之几毫米的挠度和最高达 1 N 的力。常见的一种特殊类型就是所谓的三形体，也就是在基片下面还有第二片陶瓷层。这能提高换能器的性能，由于结构对称，所以应用温度范围更为广泛。弯曲驱动器常应用于圆形针织机、盲文模块和气动阀 – 用于后者时，尤为常用作调节压力和流量的比例阀。
压电阀的工作原理和优势
压电阀的工作原理和优势
压电阀工作原理
气动阀中最常用的压电元件就是弯曲驱动器。压电阀的性能取决于电场的强度：电场越强，驱动器和阀的性能越高。与电磁阀相比，压电阀保持一个切换状态时不需要保持电流。压电阀只是需要在接通电源时需要一个较电磁阀更高的电压。在接通阶段能耗也要远低于驱动气动元件通常所需的能耗。用等式 E = CU²/2，可计算出接通能源 "E" 的近似值，等式中 C = 换能器的电容，U = 控制电压。这个值通常在 0.5 到 5 mWs 之间，因为换能器的电容通常约为 30nF，而控制电压能达到 300 V DC。
压电阀的优势
- 低能耗
- 不发热
- 比例特性
- 使用寿命长
- 无磁场
- 重量轻
- 响应时间短
- 安静
- 体积小
- 节能潜力大
- 一个阀中实现三位三通
压电阀的应用实例
精细运输脆弱工件
用于脆弱工件的独特解决方案就是所谓的双作用气缸的“速度控制器”，控制气缸的速度，确保运动时无抖动。为此，这个系统用一个控制单元组合了四个压电阀，来连接双作用气缸。通过保持恒定的气缸排气流量来控制速度。这个低成本的系统无需昂贵的位移编码器就可工作。而且，启动顺畅，刹车柔和。
工业和实验室应用中的精确高速滴定
在工业点胶应用中，在点过特定量的粘胶后，必须产生一个负压来防止粘胶意外滴落。最为重要的就是精确地定量配给流体，并防止滴落，尤其是在实验室应用中。传统应用通常需要两个阀来工作，一个用于负压，一个用于正压。对于此类应用，压电阀的精度更高，速度更快。通过一个压电阀就可同时控制正负压，所以就不需要第二片阀。
半导体制造：晶圆抛光
压电阀有着超高的精度，可快速达到设定值，所以非常适用于半导体的制造。半导体的制造需要定量配给极微小量的气体来精确满足工件精密加工的高要求。例如，在抛光晶圆时，需要以精确受控的压力将晶圆安放到一个旋转抛光台上。这是获得一个完美平整表面的唯一方法。为了获得完美的结果，用不同的压力将几个隔膜环压到晶圆上。必须用正负压极为精确地控制这个过程。压电阀可同时控制正负压。