مبدأ وهيكل وخصائص المحرك الخزفي الكهرضغطي PZT

المشغل الخزفي الكهرضغطي هو جهاز يستخدم التأثير الكهرضغطي العكسي للسيراميك الكهرضغطي لتطبيق مجال كهربائي في الاتجاه المناسب للسيراميك الكهرضغطي لتوليد الإزاحة والقوة المقابلة. عندما يتم تطبيق جهد على السيراميك الكهرضغطي المستقطب، فإنه يستطيل في اتجاه الاستقطاب (التأثير الطولي) ويقصر في اتجاه الاستقطاب العمودي (التأثير الجانبي). يحتوي المحرك الخزفي الكهرضغطي على نوع مصفح يستخدم التأثيرات الطولية الكهرضغطية ونوع منحني مزدوج الحجاب الحاجز يستخدم التأثيرات العرضية الكهرضغطية.

نظرًا لأن المحرك الكهرضغطي هو جهاز للتحكم في الإزاحة ومصدر الطاقة، فيجب أن تكون المادة المستخدمة قادرة على توليد إجهاد وإجهاد كبير تحت مجال كهربائي صغير، كما أن كفاءة تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية عالية، لذا فإن أهم شيء هو استخدامه محول القرص الدائري بيزو . تنتج المادة اللينة ذات الثابت الكبير d، مثل المجال الكهربائي المتزايد (حوالي 1 ميجا فولت/م)، إجهادًا كبيرًا (Δl/l حوالي 10 -2 ) وإجهادًا (حوالي 9.8 ميجا باسكال). من ناحية أخرى، متغير الاستجابة كبير، ومتطلبات قوة العزل الكهربائي والقوة الميكانيكية مرتفعة أيضًا. في الوقت الحاضر، المواد المستخدمة في المحركات الخزفية الكهرضغطية هي في الأساس مواد خزفية كهرضغطية تعتمد على تيتانات زركونات الرصاص (PZT).

3.1 محرك السيراميك الكهرضغطي المصفح

على الرغم من أن محرك السيراميك الكهرضغطي يتمتع بالأداء الممتاز المذكور أعلاه، إلا أنه من الصعب ضبط حلقة التحكم لأن جهد القيادة يصل إلى 1 كيلو فولت أو أكثر. إذا تم تكديس طبقات متعددة بالتوازي، يمكن أن تكون المسافة بين الأقطاب الكهربائية الداخلية قصيرة حتى حوالي 10 ميكرومتر. يمكن تقليل جهد القيادة إلى أقل من 100 فولت. بالنسبة للتشوه الناجم عن التأثير الطولي الكهرضغطي، فإن السيراميك الانضغاطي لديه تشوه يبلغ حوالي 0.3 ميكرومتر، ويمكن تشويه الصفائح متعددة الطبقات بعدة عشرات من الميكرومترات.

3.2 محرك سيراميك كهرضغطية مزدوج الحجاب الحاجز

النوع الرقائقي متفوق في خصائص الاستجابة وتوليد القوة، و يحتوي قرص السيراميك الانضغاطي المصنوع من مادة PZT على عيب حيث أن كمية الإزاحة صغيرة. لذلك، من أجل الحصول على إزاحة عدة مئات من الميكرومترات، من الضروري استخدام نوع ثني الحجاب الحاجز المزدوج. نوع ثني الحجاب الحاجز المزدوج هو الضغط على اثنين من السيراميك الكهرضغطي معًا. عندما يتم تمديد قطعة واحدة، يتم تقصير القطعة الأخرى، ويتناسب التشوه مع المجال الكهربائي المطبق. ينقسم نوع ثني الحجاب الحاجز المزدوج إلى نوعين: متسلسل ومتوازي. تتم مقارنة السمات الرئيسية للاثنين. يمكن أن نرى من الجدول أن نوع ثني الحجاب الحاجز المزدوج الكهرضغطي الموازي له كمية إزاحة كبيرة لنفس الجهد.

3.3 التفوق في أداء محرك السيراميك الكهرضغطي

1) باستخدام تقنية تصفيح الفيلم السميك، مادة صلبة يتم الحصول على بلورة القرص الكهرضغطية الملبدة بشكل متكامل بدون رابط.
2) من خلال إدخال عملية IC وتكنولوجيا العزل، تكون الأقطاب الكهربائية الداخلية متوافقة مع المقطع العرضي للمكون، ويكون توزيع الضغط موحدًا، وبالتالي زيادة حد الضرر.
3) تم ترقق طبقة السيراميك الكهرضغطية، ويمكن تقليل خطوة القطب الكهربائي إلى حوالي 10 ميكرومتر، مما يتيح القيادة ذات الجهد المنخفض.
4) إن إدخال تقنية HIP (تقنية التلبيد بالضغط الساخن المتوازن) يمكن أن يحقق كثافة عالية، ويتم زيادة القوة الميكانيكية بحوالي 30٪ مقارنة بالأجسام الملبدة العادية.
5) محرك الجهد، لا الضوضاء الكهرومغناطيسية.
6) تغيير الإزاحة بمرور الوقت، والانجراف البسيط، واستقرار درجة الحرارة الجيد) يمكن إنتاجه بكميات كبيرة والتكلفة منخفضة لتطبيق محرك السيراميك الكهرضغطي

4.1 التطبيقات الميكانيكية

تم الحصول على رأس طباعة عملي لطابعة نقطية ذات تأثير، وهو عبارة عن مزيج من مشغل كهرضغطية مصفح وآلية تضخيم الإزاحة. يتمتع رأس الطابعة بجهد إمداد طاقة يبلغ 90 فولت، وتكبير الإزاحة حوالي 30 مرة، وإزاحة طرفية تبلغ حوالي 600 ميكرومتر. يمكنها تحقيق أداء طباعة عالي السرعة يصل إلى 100 كلمة / ثانية أو أكثر، ولها استهلاك منخفض للطاقة وتوليد حرارة منخفض. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدامها أيضًا في أجهزة تحديد المواقع فائقة الدقة لتصنيع أشباه الموصلات والآلات فائقة الدقة. يكون الإزاحة في الغالب في نطاق الميكرون الفرعي. في ضوء التباطؤ والخطية، يجب الاهتمام بالتحكم في الحلقة المغلقة.

4.2 التطبيق في السلطة

التطبيقات في وحدات الطاقة مثل المراوح الكهرضغطية، والصمامات الكهرضغطية، والمضخات الكهرضغطية، والمحركات فوق الصوتية ترجع بشكل أساسي إلى انخفاض استهلاك الطاقة والتحكم الدقيق في المحركات الكهرضغطية. يجب أن تكون إزاحة هذه الأجهزة عدة مئات من الميكرومترات، وغالبًا ما يتم استخدام نوع ثني الحجاب الحاجز المزدوج، والصمام الكهرضغطي المستخدم للتحكم في التدفق قريب من العملي.

4.3 التطبيقات البصرية

في الوقت الحاضر، يتم تنفيذ تطبيقات المحركات الخزفية الكهرضغطية في مجالات جديدة مثل أنظمة الاتصالات البصرية، مثل تحديد الموضع الصغير لمرآة الليزر، ومقرنة إرساء الألياف الضوئية، ووحدة التحكم في استقطاب الألياف، على نطاق واسع.

4.4 التطبيق في أجهزة الاستشعار

بالمقارنة مع مستشعر الضغط العام، يمكن للمشغل الكهرضغطي الرقائقي الحصول على جهد خرج كبير مع ضغط صغير، وبالتالي يمكن استخدامه كمستشعر ضغط حساس للغاية ومستشعر تسارع.