PICMA多層壓電促動(dòng)器

　　全瓷絕緣：高可靠性和超長(zhǎng)使用壽命

　　工作電壓低：<150 V

　　高動(dòng)態(tài)：幾微秒范圍內(nèi)的響應(yīng)時(shí)間

　　產(chǎn)生較大的力/最小功耗:保持位置時(shí)

　　圖1：各種不同設(shè)計(jì)形式的PICMA促動(dòng)器

　　PICMA壓電促動(dòng)器中，全瓷絕緣層可保護(hù)壓電陶瓷材料不受濕度影響，避免由此增加的泄漏電流造成故障。即使是在極端環(huán)境條件下，PICMA 促動(dòng)器的整體式壓電陶瓷塊仍然具有極高的可靠性，從而將使用壽命延長(zhǎng)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于這一無(wú)機(jī)陶瓷保護(hù)層，PICMA 多層促動(dòng)器的性能已經(jīng)證實(shí)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于聚合物絕緣促動(dòng)器。目前，有多種不同設(shè)計(jì)形式和位移模態(tài)的PICMA多層壓電促動(dòng)器可供選擇。

　　溫度范圍廣：320°C這一極高的居里溫度可實(shí)現(xiàn)高達(dá)150°C的使用溫度范圍，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)多層促動(dòng)器的80°C限值，即使在低溫范圍內(nèi)，PICMA壓電促動(dòng)器在工作時(shí)的行程也更短，

　　最佳UHV兼容性：獨(dú)家使用的用于絕緣和電接觸等無(wú)機(jī)材料為在超真空環(huán)境中的使用提供了最佳條件：無(wú)出氣、烘烤溫度高，

　　磁場(chǎng)中呈中性：所有促動(dòng)器都僅由非鐵磁性材料制成，殘余磁性極低，僅有幾納特斯拉的范圍

　　高可靠性和長(zhǎng)使用壽命的專利設(shè)計(jì)

　　內(nèi)部電極和壓電陶瓷被燒結(jié)在一起(共燒 技術(shù))，形成整體壓電陶瓷塊。無(wú)極陶瓷絕緣層 可阻止水分子的滲透，與僅帶聚合物涂層的多層促動(dòng)器(圖2)相比，該類促動(dòng)器的使用壽命可延長(zhǎng)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，敏感的內(nèi)部電極防護(hù)相當(dāng)可靠，可防止機(jī)械損壞和腐蝕。

　　圖2：帶全瓷絕緣的PICMA?多層壓電陶瓷促動(dòng)器設(shè)計(jì)

　　減小機(jī)械張力

　　PICMA促動(dòng)器一側(cè)的槽能有效防止堆疊鈍化區(qū)產(chǎn)生過(guò)大的機(jī)械拉伸應(yīng)力，并且阻止可能導(dǎo)致電擊穿進(jìn)而造成促動(dòng)器損壞的失控膨脹裂縫的形成(圖3)。即使是在極端動(dòng)態(tài)負(fù)載下，外部接觸片的一曲折型設(shè)計(jì)也能保證與所有內(nèi)部電極的穩(wěn)定電接觸(圖4)。

　　圖3：帶輪廓分明的槽的專利PICMA?促動(dòng)器設(shè)計(jì)清晰可見(jiàn)。

圖4：帶專利外部電極的PICMA?促動(dòng)器(高達(dá)20A的充電電流)

　　專利

　　在多層壓電促動(dòng)器(PICMA)的技術(shù)領(lǐng)域，PI擁有以下專利和專利應(yīng)用：

　　DE10021919C2

　　DE10234787C1

　　ZL03813218.4

　　EP1512183A2

　　JP4667863

　　US7449077B2

　　直流操作下的使用壽命

　　納米定位應(yīng)用中，通常恒定電壓被更長(zhǎng)時(shí)間地施加在壓電促動(dòng)器上。直流操作模式中，使用壽命主要受大氣濕度的影響。若濕度和電壓值都非常高，化學(xué)反應(yīng)將會(huì)發(fā)生并釋放出氫分子，導(dǎo)致陶瓷復(fù)合材料脆化、損壞。在精心設(shè)計(jì)的測(cè)試中，專門開(kāi)發(fā)了一個(gè)模型用以計(jì)算PICMA?堆疊型促動(dòng)器的使用壽命。具體應(yīng)用中必須考慮下列因素：環(huán)境溫度、相對(duì)濕度以及施加電壓的電平。通過(guò)下面的簡(jiǎn)單公式可快速估算出以小時(shí)為單位的平均使用壽命：

　　使用壽命隨電壓減小成指數(shù)式增加。例如，80V (DC)時(shí)的預(yù)期使用壽命是100 V (DC)時(shí)的十倍。這一計(jì)算也可用于在使用壽命上對(duì)新應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，且目前已處于設(shè)計(jì)階段。在這方面，驅(qū)動(dòng)電壓的減小或利用防護(hù)空氣或促動(dòng)器的封裝對(duì)溫度和大氣濕度進(jìn)行控制都是非常重要的

　　連續(xù)操作(100VDC、75%的相對(duì)濕度(RH)和45°C環(huán)境溫度下進(jìn)行)的圖中列出了以下數(shù)值：|

　　AU = 75(黑色曲線)

　　AT = 100(紅色曲線)

　　AF = 14 (藍(lán)色曲線)

　　產(chǎn)品的平均使用壽命為105000小時(shí)，即超過(guò)11年。

　　圖5：用于計(jì)算PICMA?堆疊型促動(dòng)器在直流負(fù)載下的使用壽命的圖解

　　準(zhǔn)靜態(tài)條件下的加速壽命測(cè)試

　　由于其極高的可靠性，利用實(shí)驗(yàn)確定PICMA?促動(dòng)器在實(shí)際應(yīng)用條件下的使用壽命幾乎不可能。因此，極端負(fù)載條件下的測(cè)試被用來(lái)估算其使用壽命：升高大氣濕度的同時(shí)提高環(huán)境溫度及控制電壓(圖6)。

　　圖6：使用更大的相對(duì)濕度進(jìn)行加速壽命測(cè)試的結(jié)果(測(cè)試條件：PICMA?帶聚合物涂層的堆疊型促動(dòng)器，尺寸：5×5×18mm3，100V DC，22°C，90%RH)

　　泄漏電流

　　泄漏電流的測(cè)量充分證實(shí)了PICMA? 促動(dòng)器的整體式設(shè)計(jì)可十分有效地阻止水分的滲透(圖7)。PICMA? 促動(dòng)器的高絕緣電阻經(jīng)過(guò)幾十個(gè)時(shí)間周期仍可保持穩(wěn)定，而對(duì)于帶聚合物涂層的傳統(tǒng)促動(dòng)器，僅幾小時(shí)后，其泄漏電流現(xiàn)就就明顯加劇。

　　圖7：與噴涂聚合物涂層的多層壓電促動(dòng)器相比，PICMA?壓電促動(dòng)器的相對(duì)泄漏電流(基礎(chǔ)曲線，紅色)(測(cè)試條件：100VDC，25°C，70%RH)

　　動(dòng)態(tài)連續(xù)操作(AC)下的使用壽命

　　一般情況下，帶快速交變電場(chǎng)和較高控制電壓(典型為>50Hz; >50V)的循環(huán)荷載常見(jiàn)于以下應(yīng)用：>> 閥 或 >> 泵。在這些情況下，壓電促動(dòng)器將達(dá)到極高的疲勞破壞循環(huán)數(shù)，

　　而影響壓電促動(dòng)器使用壽命最重要的因素為 電壓 和信號(hào)形狀。另一方面，由于壓電陶瓷的自加熱，局部濕度減小，其影響可以忽略不計(jì)。

　　PICMA促動(dòng)器的持續(xù)測(cè)試

　　經(jīng)過(guò)數(shù)十億次循環(huán)，未發(fā)現(xiàn)有性能上的磨損。 測(cè)試條件>4.0×109次循環(huán);

　　用每天1.0×107次循環(huán)進(jìn)行116Hz正弦波激勵(lì);

　　15MPa預(yù)載

　　圖8：P-885.50 PICMA?壓電促動(dòng)器的動(dòng)態(tài)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

　　應(yīng)用

　　工業(yè)應(yīng)用

　　在極高控制頻率下進(jìn)行的測(cè)試證實(shí)了PICMA 壓電促動(dòng)器的魯棒性。采取1157Hz、120V單極電壓的正弦信號(hào)(相當(dāng)于每天108次循環(huán))利用壓縮空氣冷卻在室溫下運(yùn)行帶預(yù)載的PICMA促動(dòng)器(尺寸為5mm×5mm×36mm)，在經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)1010 次工作循環(huán)后，促動(dòng)器無(wú)任何故障，位移也未表現(xiàn)出明顯變化。

　　太空應(yīng)用

　　NASA完成的性能和使用壽命測(cè)試表明PICMA 多層壓電促動(dòng)器在經(jīng)歷1000億(1011)次循環(huán)后位移仍可達(dá)到原來(lái)的96%，因此NASA從大量不同的壓電促動(dòng)器中選擇了它在火星探測(cè)器“好奇號(hào)”的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中使用。PI Ceramic為火星探測(cè)器“好奇號(hào)”提供壓電促動(dòng)器