壓電致動器

本實驗所採用的振盪來源為壓電致動器，壓電致動器本身為 PZT 所組成的，1954 年 Jaffe 等人發現鋯鈦酸鉛（Lead Zirconate Titanate, PZT）固溶（solid-solution）材料，因其本身具有非常優越的壓電特 性，因此 PZT 即被廣泛地應用在感測器（sensors）、致動器（actuators）

及電壓產生器（voltage generators）等各種壓電裝置上，1955 年此種

高壓電應變常數的壓電陶瓷-鋯鈦酸鉛（PZT）更被 NSB 發展製造出 來，此後 PZT 幾乎成了壓電致動器的主要材料，P（Plumbum）代 表鉛，Z（Zirconate）代表鈷，T（Titante）代表鈦等材料為壓電材料

（Piezoelectric Material）的一種，壓電材料具有機械能、電能及熱能 交換性質的材料，當我們對壓電材料施加應力（Stress）或應變力

（Strain）或溫度改變時，其內部會產生極化現象（Polarization），壓 電及焦電效應為電氣系與力學系及熱能系的相互作用，屬於異種現象 間的線性結合作用，本實驗著重壓電效應，壓電效應為電氣系與力學 系的結合作用，材料因壓力而發生分極的效果稱為正壓電效應，相反 的，因為電場而發生應變者稱之為逆電壓效應。

壓電致動器之組成為壓電材料所構成之壓電元素，其在一般狀態 下，壓電元素之極性拼序混亂不齊，當集合眾多壓電元素於一起，如 圖 3-2 所示，而且外加電性時，由於壓電特性會造成壓電元件之外 型產生形變，而壓電元件之工作原理，也就利用此一特點，輸入變化 之電壓波，可使得陶瓷元件形成微小之變形。

圖 3-2 極化元素[3.1]

壓電材料有以下的特性，壓電效應（Piezoelectric Effect）、焦電 效應（Pyroelectric Effect）、介電效應（Dielectric Effect）及光電效應

（Optic-Electric Effect），而本實驗著重在壓電效應上，故只針對壓電

效應的特性加以說明：

壓電效應（Piezoelectric Effect）

通常利用壓電材料的機械能與電能轉換的裝置或元件時，需要利 用壓電效應，所謂的壓電效應，包含壓電材料受力後會輸出電流或電 壓的正壓電效應（機械能→電能），以及當壓電材料被施予電流或電 壓，會產生變形或伸縮的逆壓電效應（電能→機械能），如圖 3-3 所 示，利用正壓電效應可製成感測器，利用逆壓電效應可製成致動器，

分別說明如下：

（l）正壓電效應（Direct Piezoelectricity）：

壓電效應為當某結晶承受壓力或張力時，如果產生變形，則晶體 內部則發生電荷中心的相對移動，而致介質發生極化，亦因而導致結 晶表面出現極性相反的束縛電荷，亦即當應力或應變作用而使物體產 生電荷或電壓的輸出，而當應力或應變方向相反時,電荷或電壓的極 性隨之逆轉，且電荷密度與外力成正比，此現象稱為正壓電效應。

（2）逆壓電效應（Inverse Piezoelectricity）：

即當以電場輸入物體使之產生機械能或應變的輸出，物體的形變 隨著電場的大小來改變，而當此一電場的作用方向改變時，物體的形 變方向也會隨之改變，且當輸入電場為交流電時，物體的形變方向會 隨著電場的正負半週期做收縮及膨脹的交互變換，而當交流電場的頻 率等於材料本身的自然共振頻率時，其形變的幅度達到最大，此現象 即稱為逆壓電效應。

圖 3-3 壓電效應[3.2]

壓電致動器的原理與結構

由壓電晶體產生的壓電特性中，應力及應變屬於機械量，電場強 度，電位移（Electric Displacement）或極化屬於電氣量，在此種現象 中，機械量與電氣量是相關連的，此稱為機電耦合，壓電效應具有各 種現象，其中以縱效應（Longidutal Effect）及橫效應（Transevrse Effect）

最為重要，發生在與電氣軸平行方向的變形稱為縱效應，而發生在與 電氣軸垂直方向的變形稱為橫效應，如圖 3-4 所示，當外加電壓在 一個已極化過的壓電陶瓷上，使得在極化方向伸長，在此同時也將在 垂直極化方向產生收縮現象，而極化方向之變形大約是垂直極化方向 之變形量的二倍，此為壓電陶瓷之工作原理。

圖 3-4 壓電陶瓷變形效應[3.1]

壓電致動器的結構有許多種形式，如圖 3-5 所示，以一般的分類 來說，可分為利用壓電元件面之內位移的線性位移型，與利用外位移 的彎曲位移型等二種：

線性位移型 單板型（Single-Layer）

積層型（Multi-Layer）

單體電晶片（Monomorph）

彎曲位移型 單壓電晶片（Unimorph）

雙壓電晶片（Bimorph）

多壓電晶片（Mltimorph）

圖 3-5 壓電致動器構造運動方式[3.1]

由於組合或堆疊之方式不同，其應用也有所差異，故設計者可依 其結構及動作需求選擇適合形式的壓電致動器，本實驗所採用的為積 層型的壓電致動器（AE0203D04, Thorlabs, Inc.），如圖 3-6 所示

圖 3-6 積層型壓電致動器[3.3] 圖 3-7 積層型壓電致動器之結構[3.1]

圖 3-7 為積層型壓電致動器之標準結構，這也就是壓電致動器的 基本構造，若將數十層壓電薄板平行相疊加，並間隔以電極，使每個 壓電層的極化方向均與相鄰的兩個壓電薄層極化方向相反，以此結構 所組成的壓電材料，即為積層式壓電材料。

以一般的機械加工方法所得到的壓電板厚度有一定的限制，近年 來製造技術高度發展，應用厚膜技術，很容易就可得到極薄的壓電陶 瓷，圖 3.7 表示市面出售的積層式壓電陶瓷致動器之構造，由均勻層、

不均勻、保護層構成，均勻層主要為伸縮部分，為厚度 10um 的壓

電陶瓷與銀鈀合金（paradium）內部電極層交互積層，不均勻層位於 均勻層和保護層之間，是為了緩和產生剪斷應力的部分，由厚度 220um 的壓電陶瓷與內部電極形成，保護層不含內部電極，與伸縮 無關，各內部電極的連接如圖 3.7 所示，以玻璃絕緣體隔絕不須連通 的電極，需連通的電極部分，則由金屬膜外部電極來相互並聯。

壓電致動器之優點如下：

l、高位移解析度：壓電致動器最小位移量可到達次奈米

（Sub-nanometer）的解析度，微小的電壓量就 可以使致動器產生極小位移。

2、產生力量大：積層式壓電致動器一根可產生的最大出力可高 達數噸重，位移量可在 100um 以上。

3、響應時間快：壓電致動器響應非常的快，頻寬通常可高達數 kHz。

4、不受磁場影響：壓電致動器是受電場的影響，本身不會產生 磁場，本身亦不受磁場影響，所以可以適用 於磁場干擾大的地方。

5、消耗能量低：壓電致動器能量的消耗在承受外力或位移量的 改變時，不會因為其他因素增加能量的消耗，

故能量的消耗低。

6、沒有機械損耗：壓電致動器本身沒有齒輪或軸承這些配件,位 移是藉由本身固體狀態之動態產生的，所以 沒有磨耗的情形。

7、清潔無污染：PZT 壓電致動器不需要潤滑，所以可使用於真 空或無塵室……等高環境要求之工作場合。

壓電致動器之缺點如下：

l、位移量小：壓電致動器位移量約為本身壓電材料長度的千分

之一，一般如 100mm 位移量約為 100um。

2、有磁滯及潛變現象：其磁滯所造成的誤差使其運動路徑為非 線性。

3、只能承受推力：本身是陶瓷脆性材料，積層間以膠黏結合，

不能夠承受大的拉力或扭力。