高度可靠的多层压电促动器

  • 全瓷绝缘:
    高可靠性和超长使用寿命
  • 工作电压低:
    <150 V
  • 高动态:
    几微秒范围内的响应时间
  • 产生较大的力
  • 最小功耗
    保持位置时

PICMA®%nbsp;压电促动器中,全瓷绝缘层可保护压电陶瓷材料不受湿度影响,避免由此增加的泄漏电流造成故障。即使是在极端环境条件下,PICMA® 促动器的整体式压电陶瓷块仍然具有极高的可靠性,从而将使用寿命延长几个数量级。 由于这一无机陶瓷保护层,PICMA® 多层促动器的性能已经证实要远远优于聚合物绝缘促动器。目前,有多种不同设计形式和>> 位移模态的PICMA® 多层压电促动器可供选择。

 

  • 温度范围广
    320°C这一极高的居里温度可实现高达150°C的使用温度范围,远高于传统多层促动器的80°C限值,即使在低温范围内,PICMA®压电促动器在工作时的行程也更短,
  • 最佳UHV兼容性
    独家使用的用于绝缘和电接触等无机材料为在超真空环境中的使用提供了最佳条件:无出气、烘烤温度高,
  • 磁场中呈中性
    所有促动器都仅由非铁磁性材料制成,残余磁性极低,仅有几纳特斯拉的范围

高可靠性和长使用寿命的专利设计

内部电极和压电陶瓷被烧结在一起(共烧 技术),形成整体压电陶瓷块。无极陶瓷绝缘层 可阻止水分子的渗透,与仅带聚合物涂层的多层促动器(图2)相比,该类促动器的使用寿命可延长几个数量级。同时,敏感的内部电极防护相当可靠,可防止机械损坏和腐蚀。

减小机械张力

PICMA®促动器一侧的槽能有效防止堆叠钝化区产生过大的机械拉伸应力,并且阻止可能导致电击穿进而造成促动器损坏的失控膨胀裂缝的形成(图3)。 即使是在极端动态负载下,外部接触片的一曲折型设计也能保证与所有内部电极的稳定电接触(图4)。

专利

在多层压电促动器(PICMA®)的技术领域,PI拥有以下专利和专利应用:

DE10021919C2
DE10234787C1
ZL03813218.4
EP1512183A2
JP4667863
US7449077B2


直流操作下的使用寿命

纳米定位应用中,通常恒定电压被更长时间地施加在压电促动器上。直流操作模式中,使用寿命主要受大气湿度的影响。若湿度和电压值都非常高,化学反应将会发生并释放出氢分子,导致陶瓷复合材料脆化、损坏。 在精心设计的测试中,专门开发了一个模型用以计算PICMA®堆叠型促动器的使用寿命。具体应用中必须考虑下列因素:环境温度相对湿度以及施加电压的电平。 通过下面的简单公式可快速估算出以小时为单位的平均使用寿命:

­

MTTF = AU • AT • AF

A工作 电压 (V)                    | AT 温度&(°C)|  AF 相对 湿度RH (%)

使用寿命随电压减小成指数式增加。例如,80V (DC)时的预期使用寿命是100 V (DC)时的十倍。 这一计算也可用于在使用寿命上对新应用进行优化,且目前已处于设计阶段。在这方面,驱动电压的减小或利用防护空气或促动器的封装对温度和大气湿度进行控制都是非常重要的

 连续操作(100VDC、75%的相对湿度(RH)和45°C环境温度下进行)的图中列出了以下数值: |

  • AU = 75(黑色曲线)
  • AT = 100(红色曲线)
  • A= 14 (蓝色曲线)

产品的平均使用寿命为105000小时,即超过11年。

准静态条件下的加速寿命测试

由于其极高的可靠性,利用实验确定PICMA®促动器在实际应用条件下的使用寿命几乎不可能。 因此,极端负载条件下的测试被用来估算其使用寿命:升高大气湿度的同时提高环境温度及控制电压(图6)。

泄漏电流

 泄漏电流的测量充分证实了PICMA® 促动器的整体式设计可十分有效地阻止水分的渗透(图7)。 PICMA® 促动器的高绝缘电阻经过几十个时间周期仍可保持稳定,而对于带聚合物涂层的传统促动器,仅几小时后,其泄漏电流现就就明显加剧。


动态连续操作(AC)下的使用寿命

一般情况下,带快速交变电场和较高控制电压(典型为>50Hz; >50V)的循环荷载常见于以下应用:>> 阀 或 >> 泵。在这些情况下,压电促动器将达到极高的疲劳破坏循环数, 
而影响压电促动器使用寿命最重要的因素为 电压 和信号形状。另一方面,由于压电陶瓷的自加热,局部湿度减小,其影响可以忽略不计。

PICMA®促动器的持续测试

经过数十亿次循环,未发现有性能上的磨损。 测试条件
>4.0×109次循环;
用每天1.0×107次循环进行116Hz正弦波激励;
15MPa预载

适用于工业应用

在极高控制频率下进行的测试证实了PICMA® 压电促动器的鲁棒性。采取1157Hz、120V单极电压的正弦信号(相当于每天108次循环)利用压缩空气冷却在室温下运行带预载的PICMA® 促动器(尺寸为5mm×5mm×36mm),在经历长达1010 次工作循环后,促动器无任何故障,位移也未表现出明显变化。

适合在太空中使用

NASA完成的性能和使用寿命测试表明PICMA® 多层压电促动器在经历1000亿(1011)次循环后位移仍可达到原来的96%,因此NASA从大量不同的压电促动器中选择了它在火星探测器“好奇号”的科学实验室中使用。
>>PI Ceramic为火星探测器“好奇号”提供压电促动器

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