压电效应：对某些材料施加压力可以在材料两端产生电动势。这一突破性发现得益于期间晶体结构或晶体物理学快速、深入的发展。仅仅几年后，压电逆效应在数学上得到证实：即在同一个晶体上施加电动势时，可以观测到材料物理膨胀。这被称为逆压电效应，直到今天该效应仍然是压电电机开发的理论基础。一些俄罗斯科学家提出了利用共振来解决传统粘滑压电电机问题的概念。以压电陶瓷的固有谐振频率驱动压电晶体的膨胀和收缩，以使其在相同的能量驱动下，因为共振而膨胀更多。超声波压电马达依此开发。
超声波压电技术的权威指南
一点点历史沿革
这一切都始于 18 世纪热释电效应的发现。科学家们发现，当某些材料被加热时，它们会产生电势。虽然科学家们早就猜想了压电效应的存在，但直到大约一个世纪后的 19 世纪末，皮埃尔居里才在实验中发现了它。
该效应表明，对某些材料施加压力可以在材料两端产生电动势。这一突破性发现得益于期间晶体结构或晶体物理学快速、深入的发展。仅仅几年后，压电逆效应在数学上得到证实：即在同一个晶体上施加电动势时，可以观测到材料物理膨胀。这被称为逆压电效应，直到今天该效应仍然是压电电机开发的理论基础。
所有晶体都合适吗？
压电陶瓷材料的根本特性是即使在去除极化场之后，它包含的电偶极子仍然可以永久保持一个固定的偶极取向。该极化场是一个强直流场，它将现有的偶极子全部排列在同一方向上，从而使结构作为一个整体具有偶极子方向。许多材料具有一定程度的压电陶瓷效应，但通常这种效应太弱而无法使用，或者材料本身的强度不足以承受压电效应产生的物理力。或者换一种说法：它们由于机械膨胀而出现断裂。这种现象在单晶材料中很常见，使用多晶陶瓷材料可以获得更好的结果。最后，许多单晶材料对水分非常敏感，使得它们在日常应用中毫无用处。
压电陶瓷最常用的材料是锆钛酸铅，又称PZT。典型的压电材料是陶瓷与金属的组合。为什么？陶瓷具有压电特性，但通常非常脆。这限制了陶瓷晶体在不断裂的情况下可以承受的极限膨胀量。通过在晶体结构中添加一种或多种金属，组合变得更具弹性，从而可以进行更大的膨胀，而这种弹性膨胀对于压电马达来说是理想的，其中膨胀度直接与马达在一个膨胀周期内的运动有关。换句话说：这些脆性较小的复合陶瓷可应用在更大冲程的压电马达。材料湿敏性也更好，使这些陶瓷成为广泛应用的理想选择。
它们是如何制作的？
将所有成分加工成非常细的粉末并混合在一起。通常在此阶段还会添加某种有机材料以使材料更好的混合，并在后续过程中通过加热混合物方式将其去除。然后将粉末在坩埚中再次加热，以方便塑性。这种形状可以是扁平的砖形、圆柱体或任何其他形状。
材料定型后，就需要对材料进行极化。极化过程在加热的油浴中完成，并在几分钟到几小时的时间内在压电陶瓷元件上施加直流电压。然后将元件从油浴中取出并冷却，从而在材料中形成永久的极化结构。
压电效应的技术机理
在上一章中，我们解释了压电陶瓷材料包含永久电偶极子，这些电偶极子都朝向同一方向。你将会明白这有什么用。当我们在陶瓷材料的两侧施加电动势（电压）时，电场将开始推动带正电和带负电的晶体彼此远离。这会导致材料膨胀。这种膨胀非常小，通常在纳米（百万分之一毫米）到微米（千分之一毫米）的数量级。因此，需要进行非常多次的膨胀，并结合一种机制，将这种膨胀转化为可定量运动，才能获得真正的压电电机。
压电陶瓷材料有一个巨大的优势：膨胀（以及去除电压时的收缩）非常快，因此每秒可以进行很多次膨胀。大多数压电电机的工作频率介于 10kHz 和 200kHz 之间（每秒 200.000 次膨胀/收缩）。另一个特性是压电陶瓷材料的膨胀与施加的电压成正比。这是一个有用的属性，但它有其局限性：首先，材料在断裂前可以承受的膨胀是有限制的；也有一个实际问题的限制，许多压电电机用于人们直接使用和触摸的产品中。电压越高，人们越需要小心，以免在意外接触陶瓷时受到电击。在传统的压电系统中，需要施加高达 500V 的电压，而在超声波压电系统中，使用低得多的电压 (24V - 48V)，因为谐振效应可以产生与施加高电压相似的效果，超声波系统被认为是更安全的系统。
最基本的促动器，压电堆
正如在介绍中所解释的，当施加电动势时，某些晶体材料会产生物理膨胀。这种膨胀与施加的电压成正比。显然，这有一个极限：在某一点上，电压变得如此之高，以至于晶体断裂。逆压电效应能导致晶体宽度的变化非常小。这限制它的适用范围：它不适用于大于 1 µm 的位移，但可以对非常小的距离进行精细控制。这使得压电晶体对于在亚微米世界中定位物体非常有用。适用于需要将镜子或镜片放置在非常特定位置的科学研究、或者晶圆检测机、电子显微镜甚至医疗设备。
为了解决位移受限的问题，很早就出现了堆叠多个压电晶体的想法，每个压电晶体都具有可控制的电压，不会威胁到晶体结构。这就是所谓的压电堆。它是一堆单独驱动的晶体，结合起来可以产生几微米的膨胀。不是很好实现，但研究正在取得进展。
压电堆的另一个优点是它可以产生的力。一个小压电堆可以轻松生成 20N 力甚至更多。较大的压电堆可用于以非常精确的方式定位非常重的物体，所有这些应用都没有很大的行程范围。我们现在知道了逆压电效应的基本原理，但是如何利用这种现象的优势来实现更大的位移呢？科研人员测试过多种设计，但只有少数具备实用性。让我们来看看几种较为成功的。
粘滑马达
粘滑电机的原理很简单：将压电堆与滑块上的陶瓷轨道横向并排贴合放置。在一个方向上缓慢移动，在晶体和滑块之间形成“滑动”，但在另一个方向上，移动得更慢，在两者之间形成“黏着”，结果滑块与压电元件一起移动。很明显，在这样的运动中，一次只行进了与晶体膨胀相同的距离，因此需要重复此运动数千次才能行进一定长度。幸运的是，从技术上讲，完全可以在 KHz 范围内交替驱动信号。
有什么缺点？即使信号的频率很高，滑块仍然移动得很慢。最高 5 mm/s 的速度是可实现的，但更快难以达到。对于某些应用场景，这种缓慢的速度是一个问题。但最大的缺点是电机寿命。压电电机在滑块上的陶瓷条上不断滑动，不仅会产生令人不适的噪音，还会导致接触点磨损严重。想象一下，对一个非常小的钢珠以每秒研磨数千次的频率连续工作数周。当然，可以通过提高施加到电机的电压来增加每冲程的行程，但出于安全考虑，通常只允许施加最高48V 甚至24V的电压，这限制了该解决方案的效果。
压电超声马达
七十年代，一些俄罗斯科学家提出了利用共振来解决传统粘滑压电电机问题的概念。这个想法很简单，尝试以压电陶瓷的固有谐振频率驱动压电晶体的膨胀和收缩，以使其在相同的能量驱动下，因为共振而膨胀更多。超声波压电马达有两种类型：驻波和行波压电超声马达。
在行波压电超声马达中，接触点沿运动方向移动，不断向前推动滑块。通常这用于昂贵的相机镜头。该概念使用一种环形压电陶瓷材料，其中的波由上述压电效应产生。该波围绕环传播，接触环的接触点“漂浮”在波上，并在与行波相反的方向上进行净位移。这个原理很难应用于直线运动，但非常适用于旋转。原因是很难在线性陶瓷片的一端产生行波并在另一端将其衰减掉。在一个环中，你可以让波一次又一次地四处传播。这项技术对相机来说很有趣，因为有一个大光圈。对于其他应用场景，它的用处不大，并且该概念仅允许低速工作。虽然行波压电马达可以实现很高的力，但它容易磨损并且使用寿命有限。
相反，驻波电机具有一个（或几个）定义的接触点。这些接触点以一个椭圆轨道路径相对于滑块振动，从而产生净位移。
在驻波型的情况下，由于振荡频率与电机结构的两个共振频率一致，因此接触点的运动得到增强。图 3 显示了压电超声电机的谐振模式示例，该电机由 Xeryon 的创始人在比利时鲁汶大学 (KUL) 开发。在第一共振模式下，接触点沿切线方向移动，即运动方向（见图3左图），这种模式有时被称为“弯曲模式”。在称为“正常模式”的第二种共振模式中，触点垂直于运动方向振动（图 3 右侧）。
图1：在 KULeuven（Santoso，2014 年）开发的超声波驻波压电电机的共振模式：弯曲模式（左）和正常模式（右）
通过精心选择压电电机的电驱动信号，两种模式同时被激发，相位差为正负 90 度。这导致了接触点的椭圆振动，如图 4 所示。除了相位差之外，接触点的运动轨迹也可以通过驱动信号的幅度或频率来控制。
图2：超声波压电电机接触点的椭圆振动
驻波压电超声马达的特点：
接触点的椭圆轨迹可以形成具有非常小的水平幅度位移，每一次振动导致对整机运动的水平位移贡献很小。这导致非常精细的定位分辨率，而无需额外的准静态扫描模式（通常用于粘滑压电电机以实现纳米分辨率）。其优点是超声波压电马达定位后零漂移，实现了良好的双向位置重复性。
此外，塑造椭圆轨迹的控制策略使得跟随滑块的恒定低扫描速度成为可能。术语“超声波”是指振荡频率超出人类可听频率范围。这就解释了为什么这些电机运行无噪音，当操作员在光学显微镜等系统附近工作时，这是一个明显的优势。此外，由于操作频率高，使用超声波压电电机可以实现 1000 mm/s 甚至更高的高运动速度。由于其在谐振下运行来，这种电机具有低功耗和低发热特性，这在能量利用上比准静态运行更有利。这在需要热稳定的手持设备和系统中很重要，最后，当在适当的工作条件下使用时，这些电机可以实现长距离和长寿命。因为与粘滑压电马达相比，接触点和滑块之间的冲击更低。
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