介绍
本教程将要介绍压电陶瓷器件的结构和工作原理。压电器件利用压力生电的压电现象。压电器件既能够受机械应力产生电压(直接模式)，也能因为施加电场产生物理位移(间接模式)。压电材料由于具备这些工作模式所以广泛用于传感器和促动器中，经常被称为智能材料。特别是一种叫做锆钛酸铅(PZT)的材料在压电器件中具有应用。

因此PZT陶瓷材料在压电驱动器市场中占较大比重。它不仅具有压电性，而且具有热释电和铁电性。PZT器件使用压电效应精密驱动机械器件(比如反射镜安装座或位移台)，压电效应可用一组关联的应变电荷方程描述(实质是通过胡克定律的应变张量关联电场方程)：

(1)
Total noise equation 1

(2)
Total noise equation 1

两个方程合成矩阵形式为：

(3)
Total noise equation 1

Filter Holder in Stabilized Lamp
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图1：标注轴向的PTZ图示
其中D为电位移矢量，ε为应变矢量，E为施加电场矢量，σm是应力矢量，eσij是介电常数，ddim和dcjk是压电系数，sEkm是弹性柔量(刚度的倒数)。使用特定矩阵元素计算PZT功能参量，但是这些方程的完整推导过程不在本教程范围之内。

图1为简化的PZT器件。这些器件一般通过构造约束在一维工作，使力和位移的方向沿着指向轴(由电场定义)。这种配置的应力以F/A表示。因此，对于任意给定的压电器件的机械应变，产生的力值与压电器件的横截面积成正比。当我们后续讨论阻滞力时将介绍这个概念。

虽然我们考虑的是将压电器件限制在一维运动，但压电器件还可以通过其它模式变形(见图2)。这些和指向轴垂直的变形模式将限制PZT驱动器的使用。教程后续章节将讨论这个问题。

sample stage application image
图2：变形模式
 

促动器类型
PZT促动器主要分3类：低电压、高电压和环形促动器。虽然也有块体式促动器，但是现在大多数促动器采用堆栈设计。图4和图5(见下文)比较了块体式和堆栈式促动器之间的区别。对于促动器的任何给定高度h，堆栈式器件可以产生更大比例的位移，通过自由应变方程表示：

(4)
Total noise equation 1

(5)
Total noise equation 1

其中n是堆叠的层数，因此高度的变化比例与堆叠层数成正比。堆叠结构还具有低驱动电压、快速响应时间、高力值和优异的机电耦合因子。压电促动器还包含压电双晶片，但本教程不讨论。

Diagram of Piezo Stack
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图3：带叉指电极的多层压电器件的三维截面图
低电压促动器
低电压促动器的工作电压一般低于200 V。这些器件是一体式堆叠器件，即堆叠结构是通过烧结而不是逐层胶粘形成的(图3)。虽然有多种尺寸，但是这种促动器一般是中小型器件，一般是矩形。它们的电容在几微法(µF)量级，一般弹性模量较大。这种促动器便宜，可以大批量销售，非常适合精密驱动应用。由于尺寸较小，它们产生的力也有限。

高电压促动器
高电压促动器的工作电压一般高于500 V。不同于低压促动器，这些高电压促动器不是一体式的。这种堆叠结构是将单个成品PZT晶片和电极通过胶粘形成的。这些促动器通常呈圆柱形，对于标准应用，尺寸远大于低电压促动器。这些器件的电容在数百nF量级，弹性模量小于低电压器件。横截面积大意味着这些压电器件产生的力比低电压促动器更大，而且能承受更高的温度。

环形促动器
环形促动器是中空圆柱形堆栈器件，如图6所示。它们的性能和可靠性相比实心(块体)促动器有所优势。压电器件性能降低或永久损伤的一个重要原因是热量。因为PZT是陶瓷，所以导热能力很差；从而降低寿命和可靠性。环形促动器因为表面积显著增大所以散热更快。由于更高效的散热能力，这些驱动器能够以更高的非共振频率使用，不用担心热致损伤。此外，环形堆栈结构还具有几何结构优势。对于相同体积的PZT材料，环形几何结构的半径大为增加，因此机械稳定性更高，而且不会提高电容。

Filter Holder in Stabilized Lamp
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图4： 压电元件在施加电压下伸长Stacked piezo design
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图5： 堆栈压电设计Ring actuator piezo design
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图6： 环形压电促动器设计
Thorlabs的PZT生产能力
Screen Printing Silver Electrodes
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图7：网版印刷银电极
Thorlabs设计和生产PZT器件。我们的工程和生产团队拥有超过18年的压电设计和生产经验。生产过程的第一步是根据促动器的要求(尺寸、位移、驱动电压等等)选择正确的压电材料。对于我们的多层器件，我们使用专为堆栈式PZT器件设计的银/钯浆料和掩模通过网版打印内部电极。陶瓷层和互联的内部电极组装好后，将其放在等静压机中。这个过程能够增加PZT器件的密度，提高机械性质和工作能力。然后将PZT切成小块并进行排胶。PZT在设计好的热循环中通过蒸发完全除去陶瓷中的粘合剂和残留溶液。这样能帮助消除不同批次间的性能差异和缺陷，提供整个生产过程的可靠性和可重复性。

压电器件排胶后进行烧结。烧结过程在不熔化陶瓷主体的情况下使材料熔合在一起，晶体形成并生长到最佳密度。为实现优异的尺寸公差，我们采用高精密研磨机将平移方向上的尺寸公差控制在5 µm以内。然后，清洁器件并将其转变为具有压电功能的器件。为此，首先通过网版将外部电极印刷到器件上，然后开始烧银处理。烧银工艺需要8到12小时，增强银电极与陶瓷间的粘合性。

此时，这些器件确切来说不是压电器件，因为烧结的PZT陶瓷是各向同性的。为了将陶瓷转变成压电器件还要经过极化过程，通过电极给器件施加强电场，以此激活压电性质。这些新形成的压电器件还要单独测试电容、耗散因子、共振频率、阻抗、漏电、行程和压电电荷常数d33。Thorlabs全面控制电极的整个制造和测试过程，能够为任何压电应用提供灵活性和专业技术。

我们的专家正在不断推出新的独立式PZT器件和集成式PZT器件。Thorlabs也生产具有校准能力的特殊PZT器件。详细信息请联系技术支持techsupport-cn@thorlabs.com。

Cutting the PZT Block to Size
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图8：将PZT切成小块SPZT Devices on the Lapping Machine
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图9：研磨机上的PZT器件Piezoelectric Device in Testing Rig
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图10：试验台上的压电器件
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