【原】什么是压电效应？压电电机有哪3种类型？压电如何应用于镜头调焦，人体检测，机械能收集？

罗罗日记 2023-10-13 发布于四川

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有一次，我们给客户做一些东西，他们提到用PI的压电运动平台Q-545。

这款压电平台，其实已经很小巧了，宽度只有45mm，可以提供7N的推力或者拉力，分辨率更是高达1纳米。

但是我们需要用两个，空间还是不够。

PI Q-545压电平台参数

虽然我们最终没有使用，但是压电技术，特别是压电电机已广泛用于各行各业。

比如，压电超声用于检测人体内部组织，高精度压电电机用于手机相机调焦，压电传感器用于检测水流速，压电制动器用于喷墨打印机墨水的喷洒，逆压电原理用于收集机械能等等（在文章05部分一一给出图例）。

那么，什么是压电效应？常见的压电电机有哪3种类型？压电技术如何应用于镜头调焦，人体探测，机械能收集？

压电效应及压电材料

通俗来说，压电就是压一下就有电。

当然，正如光路可逆一样，压电也可逆。

也就是说，通电时它就压缩（或者伸长），而压缩可以产生运动，于是有了压电驱动。

其实，压电效应最先在石英（二氧化硅）上发现。

1880年，雅克（Jacques）和皮埃尔·居里（Pierre Curie）发现，压力会在许多晶体中产生电荷，例如石英和电气石。

压电的发现及压电晶体结构

他们称这种现象叫“压电效应”。

随后，他们又发现电场可以使压电材料变形，他们称这为“逆压电效应”。

压电效应：图a材料受拉力，在两端产生负电压，图b材料受压力，在两端产生正电压。逆压电效应：图c材料两端接通电压，材料产生拉伸形变，图d压电材料两端被夹住，接通电压时，会产生一个向外的推力。

直观感受一下，压电就是这样的：压缩就产生电压。

压电直观解释：压缩时，在材料两端产生电压。

压电现象直观解释：压缩或者拉伸在压电材料中均产生电压，拉伸时产生负电压，压缩时产生正电压。

但是，在接下来的几十年中，压电研究仍停留在实验室中。

直到第一次世界大战的爆发，压电材料才第一次应用于声纳设备。声纳中压电技术的首次使用，引起了压电设备在国际上的强烈关注。

虽然石英是第一种商用压电材料，但科学家们一直在寻找性能更高的压电材料，结果在第二次世界大战期间，美国，俄罗斯和日本的研究小组，发现了一种新型的人造材料，称为铁电材料，其压电常数比天然压电材料高出许多倍，于是钛酸钡和锆钛酸铅（PZT）压电材料诞生了。

压电陶瓷及其极化的含义：通常，陶瓷是由微晶体组成的，而每个晶体是由带正电荷或负电荷的原子构成的，大多数陶瓷带有的正负电荷是平衡的。但是，在自然状态下，有一种介电陶瓷（称为铁电陶瓷）在晶体中带有不平衡的正负电荷，会造成偏电荷，也就是发生自发极化。如顶部图，焙烧后，铁电陶瓷会立即发生自发极化，并产生随机极轴（也称为偶极，此概念我们下一节解释），整体来看，陶瓷似乎有了平衡的正负电荷。但是，随着高直流电压的施加，自发极化产生的极轴在相同的方向上对齐，即使去掉电压，极轴也不会随之消失。使自发极化极轴对准的过程称为极化。如果将极化应用于铁电陶瓷，就会生成压电陶瓷。

压电材料PZT的极化过程，总体意思和上图一样。

当给压电陶瓷施加交流电时，陶瓷内的正负电荷中心会相互吸引或排斥，就会造成陶瓷的膨胀或缩小。

机械压应力或拉应力使石英原子结构中电荷移动，形成电偶极子，导致在石英的顶部和底部之间产生电压。

一些天然的压电材料包括柏林铁矿，蔗糖，石英，罗谢尔盐，黄玉，电气石和骨头（由于磷灰石晶体，干骨表现出某些压电特性，通常压电效应作为生物力传感器）。

人造压电材料的例子，包括刚刚提到的钛酸钡和锆钛酸铅（PZT）。

几种PZT压电材料的属性，来自Piezo.com

压电材料属性来自PI

几种压电材料的属性

天然单晶材料，例如石英和托玛琳的压电效应相对较小。多晶铁电陶瓷，例如钛酸钡和锆钛酸铅表现出更大的电压效应。

而且PZT有许多改进形式，例如含Ni，Bi，Sb，Nb离子的PZT陶瓷，在制造时还可以专门优化压电和介电参数，所以广泛用于压电执行器或传感器中。

压电效应底层逻辑

为什么会产生压电效应呢？

首先，我们需要理解压电材料和非压电材料有什么区别。

先看几张图。

下面这张图是非压电材料晶胞示意图。

非压电材料压缩时正负电荷抵消：晶胞中正离子和负离子的总电荷中心重合，即使施加了压力产生变形，电荷也会相互抵消，并且不会出现整体极化。注意，即使考虑到由于压缩而在水平方向上的伸长率，电荷仍然会抵消。

而在压电材料中，电荷的独特分布会在材料变形时引起偶极矩。

如下图所示，单位单元用虚线勾勒出。在没有任何外部应力的情况下，正负电荷的质心重合，用黑点标记。

压电材料电偶极子的产生：如右图，当材料被压缩时，原子之间的距离保持不变，只能在水平方向扩展。水平扩展又将由“*”表示的正电荷和负电荷分开，正负电荷的质心不再重合，而是由蓝色和红色点表示，从而形成电偶极子。

压电材料压缩示意图：当材料未被压缩时，分子将以某种方式排列，从整体上看，电荷相互抵消。当施加压力时，这些分子会改变位置并排列成偶极状态，此时全局电荷不再为零，也就产生了电压。

压电材料的这种变化，和其晶体结构有关，压电晶体呈六边形排列（可以回过头，看看本文的第4张图），在压缩时，会产生如下的变化。

压电材料受压时，电荷变化示意图：顶部的2个正电荷水平移动，导致正电荷中心向上移动。同理，3个负电荷中心平均值向下移动。正负电荷中心不重合，最终在一个面上积累正电荷，而在另一面上积累负电荷，也就形成电势差。图片来源于www.。

压电材料受拉伸和压缩时，正负电荷中心不再重合，发生偏移，于是产生电压。图片来源于PI。

有一点需要注意：压电现象是一个动态过程。

即使材料保持压缩状态，也不能用作“电池”，只有进一步压缩或拉伸材料时，才会出现新的电荷。

压电电机的分类及对比

压电材料有很多应用，工业领域中，最常见的是压电电机，压电传感器，压电集能器等。

压电电机，可以实现纳米甚至压纳米极的分辨率，从而可以用于高速，高精度的应用，比如光学调焦。

压电执行器（也可以叫压电电机）也可以应用于柴油喷油器，超声波清洁，喷墨打印机，压电扬声器，加湿器等。

压电传感器包括发动机爆震传感器，压力传感器，声纳设备等。

此外，压电还可以用来收集机械能，无污染，是新能源领域的一面旗帜。

压电的典型应用覆盖很多领域，包括通信控制，工业及自动化，健康，军事，以及MEMS设备等新兴领域。

压电电机的应用及分类

因为即使是高电压，也只会使压电晶体尺寸发生微小的变化，所以，可以用压电来控制晶体宽度，这使压电材料成为极高定位精度电机的首选。

PI压电柔性纳米定位系统

具有大角速度和高分辨率的惯性压电混合执行器

压电电机的众多应用

常见的压电电机有3种：超声压电电机，惯性压电电机和步进压电电机。

压电电机的分类：总体上分为准静态和超声电机，准静态电机又分为惯性电机和步进电机，超声电机分为行波和驻波电机。

几种常见的压电电机：超高速超声压电电机，旋转压电电机，直线压电电机，超高精度步进压电电机，来自PI。

几种常见的压电电机运动原理图：直线超声压电电机，惯性压电电机，旋转超声压电电机，步进压电电机，来自PI。

压电电机，直线电机，步进电机，音圈电机的对比

压电电机，步进电机，直线电机，音圈电机的尺寸及精度对比，压电电机尺寸最小，精度最高。

压电平台，电磁驱动，步进蜗轮，空气轴承等的尺寸和精度对比，压电平台精度高，尺寸小。

压电平台，电磁驱动，步进蜗轮，空气轴承等的成本和耐用性对比。

电磁驱动和压电驱动的比较，明显压电可以实现更高的精度，且反应迅速，但位移较小。

音圈电机，压电电机，步进电机的比较；相比之下，压电电机反应迅速，功耗小，但重复性稍差。

超声压电电机

超声压电电机，是通过电路，产生100－200kHz的高频交流电压，使得压电材料产生超声波振动，进而带动部件高速运动。

超声电机，结构简单，连接少，而且能够自锁，可以应用于空间非常有限的应用。

直线超声压电电机应用于平面三自由度纳米定位平台。

线性超声电机：在超声电机中，压电致动器被电激励以产生高频振荡。致动器通过耦合元件预紧在轨道上。当执行器振荡时，触点带动部件线性移动。

直线超声波压电电机核心结构：压电制动器上耦合触点元件，两边导向并做预压，使触点紧贴移动部件，传感器用来读取运动的位置和速度等信息，图片来源于PI。

直线超声波压电电机结构及原理图

直线超声压电电机运动示意图，来自PI。

旋转超声压电电机结构示意图

旋转超声压电电机运动示意图，来自PI。

旋转超声压电电机原理

超声波压电电机的原理，决定了它可以实现长距离和长使用寿命。

粘滑压电电机（惯性压电电机）

粘滑压电电机，也称为惯性压电电动，是基于两个元件之间的摩擦来驱动的。

粘滑压电电机的工作原理：它由一个固定在一侧的压电叠层（压电材料叠在一起，可以产生更大的位移和力），一个触点，一个运动部件和一个轴承组成。在中间图所示的“粘滞阶段”，由于电压的缓慢升高，压电材料缓慢伸长，由于接触点和滑块之间的摩擦力，滑块与接触点一起运动。然后，如最下方图，通过施加迅速减小的电压，使压电执行器迅速缩回，滑块由于惯性保持静止，而接触点滑回到原始位置。通过重复这两个步骤，可以实现宏观运动。

惯性压电电机主要驱动结构示意图：压电制动器来回伸缩，带动耦合元件运动，图片来源于PI。

惯性压电电机动作原理：以向左运动为例，压电材料缓慢伸长，摩擦力带动滑块一起运动，压电材料迅速缩回，滑块因为惯性不动，压电材料再继续缓慢伸长，带动滑块持续运动，来自PI。

旋转惯性压电电机：也使用耦合元件和转轮产生运动。在这种设计中，压电执行器会缓慢伸长，带动结构运动，但是会非常快速地收缩，因为收缩太快，摩擦力近乎为零，转轮的惯性让其继续运行，因此，转轮在压电伸缩过程中，可以持续运动。

粘滑电机，在滑移阶段对载物台有冲击，会产生振动和噪音，同时这种驱动机制，还会导致接触材料的磨损，通常会限制此类运动平台的寿命。

粘滑电机的特征在于，运动过程中步长小，但是由于步长取决于许多运行条件（例如运动方向），因此几乎不可能实现高重复性。

一些粘滑电机使用直流扫描模式，来达到非常精细的分辨率，虽然这对于提高定位精度有帮助，但无法将最终位置保持在零飘移的纳米水平上。

步进压电电机

如下图所示，一个典型的步进压电电机，至少由三个压电致动器组成。2个致动器与滑块接触，并用作夹紧机构，如图中的A和B，而其他致动器（如图中的压电C）用于产生滑块的平移运动。

压电步进电机运动原理：静止时，压电体A和B都与滑块接触。在运动周期开始时，如图1所示，压电A缩回，而压电B伸长，仅压电B的接触点保持与滑块接触。接下来如图2所示，压电C伸长，压电B的触点带动滑块运动。再接下来如图3所示，压电A伸长，压电B缩回，现在只有压电A与滑块接触。随后如图4，压电C缩回原始位置，最后，压电体B再次伸出，压电体A缩回，恢复图1所示的状态，继续下一个周期。

步进压电电机的动作示意图

线性步进压电电机可用于驱动交叉滚子滑台，以实现极低的摩擦力和高刚度。而且由于驱动机构没有间隙，使用微步控制时，可以实现纳米级的分辨率，在某些情况下还可以达到亚纳米（皮米）的范围。这使得线性步进压电电机驱动平台非常适合显微镜和扫描应用。

由于压电器件不产生磁通量，并且线性步进压电电机的所有部件都可以用非磁性材料制成，所以它非常适合于具有强磁场的环境。

而且大多数设计都使用无机材料作为绝缘和电触点，因此可以承受较高的温度，又因为产生的热量少，可以在真空环境使用（散热不是问题）。

因为步进压电电机容易磨损，所以它通常比其他类型的压电电机寿命短。步进压电电机，由于需要大量的压电致动器和严格的公差控制，所以这类电机比粘滑和超声压电电机更贵。

压电应用于手机调焦的优缺点

超声，粘滑，步进压电电机在速度，力，分辨率，寿命，噪音，能耗等方面的对比，图片来自Xeryon。

压电运动平台在精度，速度，力和应用等方面的对比，来自PI。

超声，粘滑，步进压电电机的速度和耐用性对比。

压电电机的优缺点

优点：

尺寸紧凑，易于安装：压电电机的尺寸通常在毫米或厘米，适合小型化的各种自动化系统，也很容易安装在高密度电子设备中。

高频响应：与其他设备相比，压电材料具有更高的频率响应。

快速点对点定位：由于高频驱动原理，可以实现超过100mm/s的最大运行速度。

高精度：压电运动平台，可以实现千分尺精度，甚至可以达到亚纳米精度。

高柔性：大多数压电材料可以构造成各种形状和尺寸，因此在各种应用和领域中都非常有用。

可堆叠：多个压电元件可以彼此叠置，形成所谓的堆叠式压电执行器，产生需要的运动和力。

低磁干扰：与传统电磁驱动电机不同，压电电机不会产生任何明显的磁场，压电平台可用于强磁场或不允许电磁干扰的应用中。

低速扫描：大多数压电运动平台都用于点对点定位，但是可以对超声波压电电机进行编程，可以实现每秒几微米的低速运动。

真空兼容性：由于真空中不存在对流，因此传统电机在置于真空中时，会迅速发热并退化。相反，压电电机消耗更少的能量，发热量非常小，并且非常紧凑，这使得它们适合于真空运用。

长行程：压电电机可以实现超长行程运动，行程范围仅受轴承或导轨长度的限制。

低功耗：超声压电电机具有非常低的功耗，通常小于1瓦，电机以自然频率运行，运动幅度可以通过调节电功率来改变。

自锁：压电电机具有自锁性，即使关闭电机电源，平台仍保持位置。

零飘：通过恰当的控制算法，可以进行纳米级的定位，同时由于静态保持力的作用，有可能实现零飘移的极限定位分辨率。

直接驱动：压电电机不需要传送带，皮带，丝杠或齿轮，这降低了系统的复杂性，并实现了无反冲和更精确的定位。

低压运行：超声压电电机可用小于48V的低压信号驱动，对于手持设备，可以通过标准的5V USB电压供电。

缺点：

价格高：压电电机中使用的高级晶体材料（PZT）生产成本高昂，并且经常包含铅和其他可能有害的物质。压电控制装置也很昂贵，并且操作起来通常很复杂。

对温度和湿度敏感：压电材料具有高温敏感性，一些晶体是水溶性的，在高湿度的环境中会溶解。

寿命问题：由于压电电机是摩擦驱动，所以容易磨损。超声压电电机可以达到100公里甚至更长的使用寿命。粘滑和惯性压电电机的使用寿命有限，大约为1至10公里，而压电步进电机更容易磨损。

压电换能器仅适用于动态条件：压电材料用于输出电压信号时，仅适用于动态测量，不适用于静态条件下使用。

压电发电产生电荷少：尽管压电材料是自发电的，但它们产生的电荷却很小，通常需要外部电路，才能将它们连接到电气接口。

压电技术应用举例

压电传感器

当压力作用到压电振动膜上时，会在压电晶体中产生电荷，输出与压力成比例的电压。

压电用于水流传感器

APATOR Ultrimis W水流传感器：具有直通型，无移动元件，抗杂质，免维护，耐强磁场，耐水动力冲击，尺寸小，超轻等特征。

光学调焦

压电驱动应用于高精度光学调焦，来源于PI。

压电驱动应用于光学调焦，来源于PI。

压电电机用于光学调焦

压电电机用于光学调焦：欧菲光展示了一种用于智能手机的潜望镜镜头模块，该模块可提供连续变焦，与典型的宽幅相机相比，此模块可提供3到7倍的放大倍率，而且模块只有5.9毫米厚。压电电机可平滑准确地前后驱动3镜头组件，以达到所需的焦距，自动对焦子组件随镜头一起移动。连续变焦将可以提供更高质量的图像，使潜望镜更加有用。

压电电机用于光学调焦

DOF-5应用于光学调焦，来源于Dover Motion。

压电用于光学调焦，结构示意图

压电驱动应用于液体镜头调焦

压电驱动应用于光学调焦，产品参数如表，来源于Piezolution GmbH：PZM-M12-06-DB。

压电电机用于手机摄像头调焦

相机调焦工作流程图

数字相机信号处理链

调焦用音圈电机及超薄压电自动对焦电机对比（UTAF＝Ultra-Thin Auto Focus）。

超声波应用

压电晶体在给定高频交流电压时，会在超声波范围内进行振动，可以作为超声波的发射器。

实际上，它振动如此之快，以至于发出声音，但是声音频率太高了，所以我们的耳朵听不到。

这些超声振动可用于扫描，清洁和其他各种用途。

压电超声波产生示意图

压电产生超声波示意图

一种压电超声设备结构示意图

一种压电超声设备结构：它由压电元件，背衬，匹配层和用于保护电池组的密封材料构成。

压电不同的振动模式：压电振荡频率与交流电频率相等，当交流电频率等于晶体的固有频率时，发生共振。晶体的固有频率主要取决于几何形状，所以可以通过改变几何形状，将晶体的固有频率调节到期望值。

压电用于超声检测，来源www.butterflynetwork.com。

压电超声波成像：压电高频振动，产生超声波，超声波穿过要分析的身体部位，到达人体组织并被反射，以创建组织的图像，这是超声成像的原理。压电超声特别适用于医学成像和工业无损检测。

压电超声用于探测皮下血管

压电超声用于探测人体内部器官

压电超声应用于探测水下物体

压电技术应用于超声探测

超声波清洗

压电执行器也用于超声波清洗应用。

为了进行超声波清洗，将物体浸入溶剂（水，酒精，丙酮等）中。压电换能器然后搅动溶剂，使用这种方法，可以清洁许多表面难以触及的物体。

微型泵

压电用于微型泵：盘形压电执行器，可以直接安装在膜片上，以使其振动。

CurieJet微型压电空气泵GS8S，具有体积小巧，重量轻，能耗低等特性。

燃气灶和烧烤炉的打火装置

按下打火机开关，你会听到喀哒声，并看到火花。

当你按下开关时，其实是在挤压压电晶体，产生电压，并使火花飞过一个很小的间隙。

压电应用于打火机，当被压缩时，它会产生“电”火花，从而点燃气体。

压电应用于点烟器，当被压缩时，它会产生“电”火花，从而点燃气体。

喷墨打印机及喷油器

如果你的办公桌上有一台喷墨打印机，那么它就是在使用精密的“注射器”将墨水喷到纸张上，一些喷墨机使用电控压电晶体注射器，来完成喷射。

压电用于爱普生喷墨打印机：其中压电PZT薄板与振动板，腔室和通信板层压在一起，形成了单压电晶片致动机构。

压电用于喷墨打印机工作示意图。

压电制动器应用于柴油喷油器：为了提高柴油机效率，需要高压燃料和快速喷射控制。为此，采用了压电执行器，这些器件在150°C高温下，实现了10年之久的可靠性。共轨式喷射阀已被西门子，博世和电装公司广泛商业化。

加湿器和雾化器

压电技术用于雾化器

压电技术用于雾化器：压电陶瓷将振动传到谐振器，谐振器连接到流体导管，流体导管的自由端放大弯曲。当设备以预定的共振频率运行时，振动会达到最大幅度，并导致经过的流体在流体导管的末端破裂成雾状。来自Loxim Technologies Co., Ltd。

扬声器

压电扬声器是电子电路中的常见组件，如图所示，压电材料在通电时会膨胀，断电时返回，使前面的空气来回振动，产生我们听到的声音。

压电储能器

压电晶体可以嵌入道路的沥青层下面，以收集经过的车辆所散布的动能。当车辆在道路上行驶时，它会在沥青上施加垂直压力，从而使压电晶体变形并产生电能。把车子的压力转换成电能，存储起来，以供使用。这一应用在新能源和智能道路方面有所突破。来源于https://piezoroads./。

压电用于收集机械能，储存为电能示意图。

微电子机械系统（MEMS）

MEMS设备已变得越来越普遍，因为在较小的封装（例如手机，平板电脑等）中需要集成更多的功能。

MEMS设备的优势在于，可以把陀螺仪，加速度计和惯性测量设备等，集成到芯片大小的封装体中。为此常使用压电致动器和传感器。

自动感应门

用于餐馆或机场，当有人靠近门时，门自动打开。

此处所使用的概念是，当有人走近门时，人的体重施加在传感器上，由此产生电触发效应，从而把门打开。

麦克风

在麦克风中，把振动部分粘在压电晶体上，当声音发出的压力波到达时，会使晶体来回振动，并产生相应的电信号，电信号再放大，产生更大的声音。

压电材料振动模式

压电材料用作电机时的计算公式：变形量，阻挡力，及共振频率的计算。

压电材料用作发电机的计算公式：短路充电，开路电压，及共振频率计算。

压电材料用作发电机时的计算公式，续

压电材料计算式符号含义及单位

一种放大压电微小运动的机构

一种放大微小运动的机构运动示意图，来自PI

压电上下振动模式

压电弯曲运动模式

上下振动模式

压电步进运行模式

压电超声波运行模式

压电驱动装置