壓電技術
歷史和原理
簡史
壓電效應 (源於希臘語 "Πιεζώ“ (Piezo) = 壓電)，由居禮兄弟 (雅克·居里和皮耶‧居禮，後者是居禮夫人的丈夫) 於 1880 年發現。他們發現在機械負載下，特定的不導電材料會在表面產生電荷，變得導電。
什麼是壓電元件？
壓電元件是機電換能器。通過所謂的正壓電效應，壓電元件將機械力 (壓力、張力或加速度) 轉換成一個可測量的電壓。逆壓電效應的作用正好相反：當接通電壓時壓電元件會發生形變，從而產生機械運動或振幅。
原理
壓電材料通常為特殊的陶瓷材料，表面結構導電，將電能轉換成機械能，反之亦然。壓電陶瓷中的分子晶格結構在居禮溫度 (TC) 以下時為非對稱，所以是個偶極。用強電場，就可讓壓電陶瓷永久極化，或換言之，讓晶格結構按優先方向排列。這時陶瓷材料具有了壓電屬性，接通電壓後會產生形變。沿著電場線發生物理形變。因為陶瓷的體積恆定，所以收縮時與電場線呈直角。基於壓電的驅動器具有幾乎不需要任何能源的特點。用電氣術語來說，壓電元件是一個由兩個導電板和作為介電體的壓電陶瓷材料組成的電容器，只有電容器充電時才會有電流。充電完成後，電流變為零。因為功率的計算等式為電壓 x 電流，所以如果沒有更多的電流流通，那麼功率就是零。在需要極高能效的場合，在壓電驅動器復位後甚至可實現恢復充電。隨後，可再次用於新一次的充電工作循環。
壓電閥中的彎曲驅動器
壓電換能器的類型和應用
取決於應用場合，之前提到的效應可用於不同類型的換能器。彎曲驅動器、圓片壓電換能器和堆棧換能器是基本類型，以此為基礎可設計出更為複雜或更為簡單的壓電元件。
彎曲驅動器一般為長方形。主要元件為一塊壓電陶瓷材料，正反兩面導電。陶瓷材料的一面完全粘合在一塊基片上，基片也導電。陶瓷層的導電表面和基片的功能相當於電極。如果給這些電極通上電壓，陶瓷材料就會以電場的方向膨脹。因為彎曲驅動器在多數應用場合中都是前端固定，沒有固定的那一端就會產生彎曲運動。
彎曲驅動器有很多種類，具備不同的力和驅動運動，非常適用於氣動閥。典型的特性數據包括十分之幾公釐的撓度和最高達 1 N 的力。常見的一種特殊類型就是所謂的三形體，也就是在基片下面還有第二片陶瓷層。這能提高換能器的性能，由於結構對稱，所以應用溫度範圍更為廣泛。彎曲驅動器常應用於圓形針織機、盲文模塊和氣動閥 – 用於後者時，尤為常用作調節壓力和流量的比例閥。
壓電閥的工作原理和優勢
壓電閥工作原理
氣動閥中最常用的壓電元件就是彎曲驅動器。壓電閥的性能取決於電場的強度：電場越強，驅動器和閥的性能越高。與電磁閥相比，壓電閥保持一個切換狀態時不需要保持電流，壓電閥只是需要在接通電源時需要一個較電磁閥更高的電壓，在接通階段能耗也要遠低於驅動氣動元件通常所需的能耗。用等式 E = CU²/2，可計算出接通能源 "E" 的近似值，等式中 C = 換能器的電容，U = 控制電壓。這個值通常在 0.5 到 5 mWs 之間，因為換能器的電容通常約為 30 nF，而控制電壓能達到 300 V DC。
壓電閥的優勢
- 低能耗
- 不發熱
- 比例特性
- 使用壽命長
- 無磁場
- 重量輕
- 響應時間短
- 安靜
- 體積小
- 節能潛力大
- 一個閥可達成三口三位
壓電技術應用在半導體氣體控制
半導體設備內的 Chamber（腔室）內的氣體控制其實是一門既基礎又重要的學問，晶圓良率表現好壞與否，各類氣體控制與動力是相當重要的關鍵。然而，在設備內的閥門控制上，除了流量、壓力等數字上的表現，懸浮微粒的多寡與否，也會對晶圓良率帶來相當大的影響。因此，如何又快又準地控制閥門，就成了相當重要的關鍵。
由飛斯妥技術總監盧昭序，20 分鐘快速說明台美韓半導體業者都在使用，能夠快速且精確地調節閥門的「壓電技術」。
壓電閥的應用實例
精細運輸脆弱工件
用於脆弱工件的獨特解決方案，就是所謂的雙動氣缸的「速度控制器」，控制氣缸的速度，確保運動時無抖動。為此，這個系統用一個控制單元組合了四個壓電閥，以連接雙動氣缸，透過保持恆定的氣缸排氣流量來控制速度。這個低成本的系統，不需要昂貴的位移編碼器就能工作，而且，啟動順暢、剎車柔和。
工業和實驗室應用中的精確高速滴定
在工業點膠應用中，在點過特定量的粘膠後，必須產生一個負壓來防止粘膠意外滴落。最為重要的就是精確地定量配給流體，並防止滴落，尤其是在實驗室應用中。傳統應用通常需要兩個閥來工作，一個用於負壓，一個用於正壓。對於此類應用，壓電閥的精度更高，速度更快，透過一個壓電閥就可同時控制正負壓，所以就不需要第二片閥。
半導體製造：晶圓拋光
壓電閥有著超高的精度，可快速達到設定值，所以非常適用於半導體的製造。半導體的製造需要定量配給極微小量的氣體，以精確滿足工件精密加工的高要求。例如，在拋光晶圓時，需要以精確受控的壓力，將晶圓安放到一個旋轉拋光台上，這是獲得一個完美平整表面的唯一方法。為了獲得完美的結果，用不同的壓力將幾個隔膜環壓到晶圓上。必須用正負壓極為精確地控制這個過程，壓電閥可同時控制正負壓。