PICMA多層壓電促動器

全瓷絕緣：
高可靠性和超長使用壽命

工作電壓低：
<150 V

高動態：
幾微秒范圍內的響應時間

產生較大的力

最小功耗
保持位置時

圖1：各種不同設計形式的PICMA促動器

PICMA壓電促動器中，全瓷絕緣層可保護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。即使是在極端環境條件下，PICMA 促動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幾個數量級。由于這一無機陶瓷保護層，PICMA 多層促動器的性能已經證實要遠遠優于聚合物絕緣促動器。目前，有多種不同設計形式和位移模態的PICMA多層壓電促動器可供選擇。

溫度范圍廣
320°C這一極高的居里溫度可實現高達150°C的使用溫度范圍，遠高于傳統多層促動器的80°C限值，即使在低溫范圍內，PICMA壓電促動器在工作時的行程也更短，

最佳UHV兼容性
獨家使用的用于絕緣和電接觸等無機材料為在超真空環境中的使用提供了最佳條件：無出氣、烘烤溫度高，

磁場中呈中性
所有促動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

高可靠性和長使用壽命的專利設計

內部電極和壓電陶瓷被燒結在一起（共燒 技術），形成整體壓電陶瓷塊。無極陶瓷絕緣層 可阻止水分子的滲透，與僅帶聚合物涂層的多層促動器（圖2）相比，該類促動器的使用壽命可延長幾個數量級。同時，敏感的內部電極防護相當可靠，可防止機械損壞和腐蝕。

圖2：帶全瓷絕緣的PICMA?多層壓電陶瓷促動器設計

減小機械張力

PICMA促動器一側的槽能有效防止堆疊鈍化區產生過大的機械拉伸應力，并且阻止可能導致電擊穿進而造成促動器損壞的失控膨脹裂縫的形成（圖3）。即使是在極端動態負載下，外部接觸片的一曲折型設計也能保證與所有內部電極的穩定電接觸（圖4）。

圖3：帶輪廓分明的槽的專利PICMA?促動器設計清晰可見。

圖4：帶專利外部電極的PICMA?促動器（高達20A的充電電流）

專利

在多層壓電促動器（PICMA）的技術領域，PI擁有以下專利和專利應用：

DE10021919C2

DE10234787C1

ZL03813218.4

EP1512183A2

JP4667863

US7449077B2

直流操作下的使用壽命

納米定位應用中，通常恒定電壓被更長時間地施加在壓電促動器上。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，化學反應將會發生并釋放出氫分子，導致陶瓷復合材料脆化、損壞。在精心設計的測試中，專門開發了一個模型用以計算PICMA?堆疊型促動器的使用壽命。具體應用中必須考慮下列因素：環境溫度、相對濕度以及施加電壓的電平。通過下面的簡單公式可快速估算出以小時為單位的平均使用壽命：

MTTF = AU ? AT ? AF

AU 工作 電壓 （V）                    | AT 溫度&（°C）|  AF 相對 濕度RH （%）

使用壽命隨電壓減小成指數式增加。例如，80V （DC）時的預期使用壽命是100 V （DC）時的十倍。這一計算也可用于在使用壽命上對新應用進行優化，且目前已處于設計階段。在這方面，驅動電壓的減小或利用防護空氣或促動器的封裝對溫度和大氣濕度進行控制都是非常重要的

連續操作（100VDC、75%的相對濕度（RH）和45°C環境溫度下進行）的圖中列出了以下數值：|

AU = 75（黑色曲線）

AT = 100（紅色曲線）

AF = 14 （藍色曲線）

產品的平均使用壽命為105000小時，即超過11年。

圖5：用于計算PICMA?堆疊型促動器在直流負載下的使用壽命的圖解

準靜態條件下的加速壽命測試

由于其極高的可靠性，利用實驗確定PICMA?促動器在實際應用條件下的使用壽命幾乎不可能。因此，極端負載條件下的測試被用來估算其使用壽命：升高大氣濕度的同時提高環境溫度及控制電壓（圖6）。

圖6：使用更大的相對濕度進行加速壽命測試的結果（測試條件：PICMA?帶聚合物涂層的堆疊型促動器，尺寸：5×5×18mm3，100V DC，22°C，90%RH）

泄漏電流

泄漏電流的測量充分證實了PICMA? 促動器的整體式設計可十分有效地阻止水分的滲透（圖7）。PICMA? 促動器的高絕緣電阻經過幾十個時間周期仍可保持穩定，而對于帶聚合物涂層的傳統促動器，僅幾小時后，其泄漏電流現就就明顯加劇。

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

動態連續操作（AC）下的使用壽命

一般情況下，帶快速交變電場和較高控制電壓（典型為>50Hz; >50V）的循環荷載常見于以下應用：>> 閥 或 >> 泵。在這些情況下，壓電促動器將達到極高的疲勞破壞循環數， 
而影響壓電促動器使用壽命最重要的因素為 電壓 和信號形狀。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。

PICMA促動器的持續測試

經過數十億次循環，未發現有性能上的磨損。 測試條件>4.0×109次循環；
用每天1.0×107次循環進行116Hz正弦波激勵；
15MPa預載

圖8：P-885.50 PICMA?壓電促動器的動態驅替實驗  

應用

工業應用

在極高控制頻率下進行的測試證實了PICMA 壓電促動器的魯棒性。采取1157Hz、120V單極電壓的正弦信號（相當于每天108次循環）利用壓縮空氣冷卻在室溫下運行帶預載的PICMA促動器（尺寸為5mm×5mm×36mm），在經歷長達1010 次工作循環后，促動器無任何故障，位移也未表現出明顯變化。

太空應用

NASA完成的性能和使用壽命測試表明PICMA 多層壓電促動器在經歷1000億（1011）次循環后位移仍可達到原來的96%，因此NASA從大量不同的壓電促動器中選擇了它在火星探測器“好奇號”的科學實驗室中使用。PI Ceramic為火星探測器“好奇號”提供壓電促動器