压电陶瓷电机在医疗设备制造中的10大优势

　　医疗设备制造商越来越多地选用压电电机和致动器代替传统的电磁电机，因为前者在医疗设备设计中具有先天性优势。压电设备目前正被用于一系列医疗应用，包括：超声波发射器、人工受精、医用纳米微量注射泵、微监测，手术设备、兼容磁共振的机器人、微剂量配药、细胞病理学中的细胞渗透和细胞成像等。压电设备还可用于医疗材料处理，如拾取和放置系统，药物输送装置，三维扫描，眼科、皮肤科、美容手术所用激光束的控制。

图中所示为带孔的定制陶瓷封装式压电叠堆

用于运动控制应用的基础压电技术

　　目前市面上有很多不同类型的压电致动器和电机。以下为医疗设备应用中较常用的一些型号：

　　简单的压电致动器。压电致动器的伸展与电压成比例。其运动范围基本上与驱动电压成正比。子系列包括：

　　■堆叠式致动器（最常见）。其特点为动力大、响应速度快、运动距离短。

　　■剪切致动器。目前市场上最快的x - y系统。动力大、频率可以非常高。行距通常限制在20微米。

　　■管式致动器。主要用于微配药应用和AFM扫描仪。

　　■弯曲致动器。可设置为长距离移动（偏斜）为几毫米，但表现为动力小和频率低。

　　■弯曲引导压电致动器。有无摩擦曲度和运动放大器，以提供长距离和非常直线的运动。运动范围基本与驱动电压成正比。市面上有集成式多轴系统。运动范围可高达2毫米。期待无磨损且无撕裂的无摩擦性能。

　　■超声波摩擦电机。超声波摩擦电机基于压电板（定子）的高频振动。它们运动不受限、高速、快速响应（10毫秒）。振动通过摩擦转移到滑片或转子。然而，由于摩擦的存在，分辨率一般限定在50纳米。

　　■压电步进电机。步进电机的运动范围基本上不受到限制。步进电机基于小可控步骤的积聚。其它属性如下：

　　■皮米分辨率抖动模式（直接压电传动）。

　　■结构紧凑和动力高达155 lb（用于现成的单元）。

　　■快速响应（小于1毫秒）。硬度极高。

　　超声波传感器。超声传感器由处在高频共振下板或盘驱动。它们通常被用作传感器或变送器，并被用于雾化器。

提高医疗设备的性能

　　通过采用压电电机，可以将医疗设备做到更小、更精确、更轻和更易于控制。

　　压电盘致动器，如thinXXS Microtechnology AG micropump 2000系列之一为制定组件。在该设备中，致动器精确注射液体和气体。

可以产生很大动力

　　小型化。压电电机适于小型化。相比电磁电机，压电电机可以很轻松地做到更小和更紧凑，并且相对它们尺寸来讲它们输出的力量更大。电磁电机的效率会随着尺寸的缩小而降低，因为有更多的电能转化成了热量。与此相反，压电电机的效率接定恒定。在体积和重量相同的情况下，压电电机的储能密度是电磁电机的10倍。最高级的压电电机达到了配置非常紧凑、高速微定位的阶段，最小的压电电机其体积比一个火柴盒还小，目前被用于手机摄像头中的自动对焦设备。由于压电电机每电机单位尺寸能提供更高的力量，它们使医疗设备能在缩减尺寸的同时保持或提高性能。

　　定位精确度。压电电机直接传动的原理省去了传统电磁电机中需要用到的辅助传送件（或齿轮组）。这样就避免了会限制精确跟踪的常见的齿间间隙（backlash）影响，齿间间隙会导致电磁伺服电机的定位精度大幅降低。传统电机需要用到机械耦合元器件以将旋转运动转换为直线运动，而压电电机则不再需要用到机械耦合元器件。压电电机内在的稳定状态自动锁定功能摒弃了电磁电机固有的抖动。压电电机可以设计用于实现纳米级的定位精度，即便在掉电的情况下也能做到这点。

　　加速快。压电器件可以在几微秒内做出反应。可实现大于10000g（响应时间为0.01毫秒）的加速度。不产生磁场。压电电机适用于医疗和生物技术应用，因为它们不会产生电磁干扰，也不会受到电磁干扰的影响。这一特性使得压电电机不需要磁场屏蔽，对用于强磁场环境（如，用于MRI设备）的电机而言，这一点尤为重要。其中小型压电电机被用于MRI监测显微手术，大型压电电机被用于旋转病人和设备。传统电子电机所产生的磁场和其所使用的金属部件使之无法被用于在核磁共振设备内部工作的需要电机驱动的医疗设备。

　　不用维修或润滑、可杀菌。由于压电运动取决于晶体效应，并且没有用到像齿轮或轴承这样的转动部件，因此压电电机不用维修也不需要任何润滑。其零部件可在高温下消毒，这对医疗应用而言是一个明显的优势。降低功耗。静态操作，即便是长期处在重荷状态，也几乎不耗电。此外，由于压电电机的效率不会因其被小型化而降低，所以它们在功率范围低于30W的情况下仍然保持高效，这使得压电电机对采用电池供电的便携式和可穿戴式医疗设备而言十分有吸引力。

　　不会发热。在静止时，压电电机不会产生热量。压电电机不存在伺服抖动及由此产生的热量。

　　可在真空环境下工作。压电电机原则上适用于真空环境，医疗行业的许多应用都有此要求。

　　在制冷温度仍能工作。即便在接近0°K的温度下，压电电机仍能继续运转，这使得它们适用于极其寒冷的环境，如医疗实验室储藏设备和低温研究。

　　燃烧性。因为压电电机是不可燃的，所以在输出终端过载或短路的情况下它仍然是安全的。这能给便携式和穿戴式医疗设备带来很大的优势。

　　发电。压电器件可用于发电。例如，利用人体的运动对小型医疗或电子设备（如，心脏起搏器或健康监视器）供电。

结论

　　目前，在医疗设备设计驱动方案中占统治地位的是电磁设备。但是，随着对精度要求的不断提高(达到微米和纳米级)以及设备朝着小型化、提高动力效率和抗干扰的方向发展，这将会使电磁驱动系统受到物理性限制。压电电机可能将被证明是一个可行的选择，在越来越多的医疗设备应用中找到用武之地。