بحث حول أداء الإزاحة للمشغل الدقيق متعدد الطبقات المصنوع من السيراميك الكهرضغطي PZT (1)

المحركات الدقيقة الخزفية الكهرضغطية هي نوع جديد من المحركات ذات الحالة الصلبة المصنوعة باستخدام التأثير الكهرضغطي العكسي. يتم استخدامها على نطاق واسع في مجالات التقنية العالية مثل البصريات الدقيقة والميكانيكا الدقيقة والإلكترونيات الدقيقة وتطبيقات الكمبيوتر. تتطلب هذه التطبيقات أن تكون الأجهزة الخزفية الكهرضغطية صغيرة الحجم، وذات جهد قيادة منخفض، وإزاحة كبيرة، وتكاملًا. في الماضي، تأثرت المحركات الدقيقة الخزفية الكهرضغطية متعددة الطبقات التي تم تشكيلها عن طريق ربط السيراميك الكهرضغطي بمادة لاصقة بسمك الحجاب الحاجز الخزفي المفرد. القيود (من الصعب جدًا صنع سيراميك متجانس بسماكة 200 ميكرومتر أو أقل)، لا يمكن تصغير الجهاز ودمجه، كما أن المادة اللاصقة في الجهاز لأن الجهاز يولد زحفًا كبيرًا تحت تأثير مجال كهربائي، وهو ما لا يفضي إلى دقة التحكم في الإزاحة، خاصة الجهاز تحت تأثير المجال الكهربائي العالي لفترة طويلة، من السهل أن تسقط المادة اللاصقة من ورقة مكونات اللحام بحلقة الضغط الانضغاطية ، مما يتسبب في تدهور أداء الجهاز، وحتى ظاهرة كسر الجهاز، مما يؤدي إلى تقصير عمر خدمة الجهاز، وتحقيق فوائد كبيرة للتطبيق. في السنوات الأخيرة، تم الحصول على شرائح السيراميك الكهرضغطية متعددة الطبقات باستخدام عملية الصب الأخضر للسيراميك الضغطي وتقنية الإطلاق المشترك للطبقة الخضراء للسيراميك الضغطي المصبوب والمشغل الكهربائي الدقيق الخزفي الداخلي (MMPA) وهو نوع جديد من الأجهزة الخزفية الوظيفية ذات الأداء الممتاز المناسب للإنتاج على نطاق واسع. جهاز الرقاقة متعدد الطبقات هذا من السهل إنتاج فيلم بسماكة أقل من 100 ميكرومتر بسبب عملية الصب. بعد الحرق، يتم ربط طبقات السيراميك الانضغاطية مباشرة بالقطب الكهربائي الداخلي دون الحاجة إلى رابطة لاصقة. لذلك، يمكن تصغير الجهاز وتصغيره، كما تم تحسين أداء الزحف للجهاز بشكل كبير، كما تم تحسين ظاهرة الطبقات بين طبقات السيراميك بشكل كبير. يتم التغلب عليه بشكل فعال، مما يحسن عمر خدمة الجهاز بشكل كبير. تشير هذه المقالة إلى نوع شريحة متعددة الطبقات وضغط نظام PZT عالي الرصاص تم إجراؤه باستخدام تقنية صب السيراميك وتقنية الحرق المشترك للفيلم الأخضر الخزفي/القطب الداخلي المعدني. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تصنيع مشغل كهربائي صغير من السيراميك في هذا البلد. يدرس هذا البحث بشكل أساسي خصائص الإزاحة الساكنة والديناميكية لهذا الجهاز.

 تحضير مشغل صغير من السيراميك الكهرضغطي متعدد الطبقات

يحتاج تدفق العملية لإعداد مشغل دقيق سيراميك كهرضغطية متعدد الطبقات إلى المرور عبر 10 خطوات عملية رئيسية: أولاً، يتم تحضير مسحوق سيراميك كهرضغطية ثلاثي ناعم PZT مع معامل إجهاد كهرضغطية كبير بواسطة عملية تحضير سيراميك كهرضغطية إلكترونية، الصيغة الجزيئية هي xPb(Zn1/3Nb2/3)O3+yPbZrO3+zPbTiO3,(PZN-PZ-PT)، (س+ص+ض=1)، 

بعد ذلك، يتم خلط مسحوق السيراميك pzt والمضافات العضوية بشكل موحد في نسبة صلبة / سائلة معينة للحصول على ملاط ​​سيراميك موحد، ويتم صب الملاط الخزفي في قادوس على آلة الصب للصب. وسرعة الناقل العضوي لتحضير طبقة خضراء موحدة وكثيفة ومصبوبة بسماكة معينة. يتم ثقب الفيلم الأخضر المصبوب في فيلم أخضر سيراميك pzt ذو شكل معين، ونمط مع معجون قطب كهربائي، ثم يتم وضع الفيلم الأخضر الخزفي المطبوع باستخدام الأقطاب الكهربائية في قالب خاص ومغلف بترتيب معين للحصول على سيراميك بيزو متعدد الطبقات. بعد قطع الجسم متعدد الطبقات لأجهزة سيراميك متعددة الطبقات وفقًا لحجم المنطقة النشطة للجهاز، ضعها في بوتقة Al2O3 نقية وقم بتجميعها معًا ببطء. يتم تغطية طرفي جهاز الرقاقة متعدد الطبقات بأقطاب كهربائية خارجية من نوع Ag، 650 درجة مئوية من الفضة المحروقة، استقطاب بدرجة حرارة عالية (زمن الاستقطاب 30 دقيقة، المجال الكهربائي 4000 فولت / مم، درجة الحرارة 140 درجة مئوية). فيلم سميك للحمل الحراري وقطب داخلي ذو درجة حرارة عالية، وأخيراً تم الحصول على مشغل صغير من السيراميك الكهرضغطي متعدد الطبقات بمساحة نشطة تبلغ 5 مم × 6 مم وسمك إجمالي 2 مم (طبقة السيراميك الكهرضغطية مكونة من 35 طبقة، كل طبقة بسمك 47 ميكرومتر والطبقات السطحية العلوية والسفلية يبلغ سمكها حوالي 120 ميكرومتر).

عينة الاختبار

معامل السلالة الكهرضغطية d33 تم قياس مكونات السيراميك الانضغاطي بواسطة معهد الصوتيات التابع للأكاديمية الصينية للعلوم. تمت ملاحظة البنية المجهرية للمنطقة الدقيقة للجهاز متعدد الطبقات باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) الذي أنتجه مصنع الأدوات التابع للأكاديمية الصينية للعلوم. يتم اختبار قيمة الإزاحة للمشغل الصغير الخزفي الكهربائي بواسطة جهاز اختبار الحث الرقمي DGS-6 المنتج. القرار هو 0.01 ميكرومتر. يتم اختبار الإزاحة الديناميكية بواسطة شعاع ليزر واحد وفقًا لمبدأ تأثير doppel. القرار هو 0.005μm.

 3 النتائج والمناقشة

بالنسبة للسيراميك الكهرضغطي الذي يخضع لإجهاد خارجي ثابت، عندما يتم تطبيق الجهد على سطحين متعامدين مع اتجاه سمكه (اتجاه الاستقطاب)، وبالنظر فقط إلى التشوه الكهرضغطي إلى التشوه الخطي، يمكن معرفة من المعادلة الكهرضغطية أنه يتم التعبير عن الضغط. يتم التعبير عن إزاحة Δll للسيراميك الكهربائي في اتجاه السمك الطولي.    

                        
حيث d33 هو معامل الإجهاد الكهرضغطي، وV هو الجهد المطبق، وt هو سمك متراصة السيراميك. تظهر المعادلة أنه عندما يكون الجهد المطبق هو مقدار التغيير، فإن إزاحة الصفيحة الكهرضغطية في اتجاه السُمك والكهرضغطية. يتناسب معامل الضغط d33 مع الجهد المطبق V ولا علاقة له بالسمك؛ ومع ذلك، عندما يتغير المجال الكهربائي المطبق، فإن الإزاحة الناتجة عن الجهاز لا تتناسب فقط مع معامل كهرضغطية d33 والمجال الكهربائي، ولكنها تتناسب أيضًا مع السماكة وهي متناسبة. يمكن ملاحظة أن إزاحة السيراميك الكهروإجهادي في اتجاه السُمك يرتبط بوضع العمل لمحرك الإزاحة المحدد بواسطة السيراميك الكهرضغطي. عند التطبيق، يجب أن يؤخذ في الاعتبار عاملي الجهد المطبق والمجال الكهربائي في نفس الوقت. التطبيق تحت المجال الكهربائي القريب من الانهيار؛ وفي الوقت نفسه، يجب أن يكون جهد العمل منخفضًا قدر الإمكان، ويجب أن يكون الإزاحة كبيرًا قدر الإمكان.

بالنسبة لجهاز ذي جهد مطبق معين، فإن تقليل سمك لوح السيراميك يمكن أن يحقق غرض تقليل حجم الجهاز في اتجاه السُمك. لذلك، عندما تكون صفيحة السيراميك الانضغاطية متعددة الطبقات متصلة ميكانيكيًا على التوالي، ومتصلة كهربائيًا بالتوازي، وطبقة السيراميك الانضغاطي معًا، فإن اتجاه الاستقطاب لمحول الطاقة الخزفي الانضغاطي المجاور يأخذ الهيكل العكسي. بهذه الطريقة، عندما يتم تطبيق المحرك الصغير الخزفي الكهرضغطي متعدد الطبقات بجهد تشغيل، يتم فرض إزاحته الطولية، والتي يمكن التعبير عنها                      

        
حيث N هو عدد شرائح السيراميك الكهرضغطية، أي أنه يتم تكبير إزاحة المحرك الصغير الخزفي الكهرضغطي متعدد الطبقات بمقدار N مرات مقارنة بقطعة واحدة من السيراميك الكهرضغطي. ومع ذلك، عندما يعتمد الإزاحة على المجال الكهربائي المطبق بواسطة كل لوح سيراميك كهرضغطية، عندما يكون مقدار التغيير، يمكن التعبير عن المعادلة (2).          

             
حيث t هو سمك كل طبقة من السيراميك الكهروضغطي، وl هو السمك الإجمالي للجهاز متعدد الطبقات. وبمقارنة تعبيرات المعادلتين (3) و(1)، يمكن العثور على متى يكون السماكة الكلية للجهاز متعدد الطبقات. عندما يكون السُمك t هو نفسه، تكون المعادلتان متماثلتين، مما يشير إلى أنه عندما تكون شدة المجال الكهربائي المطبقة بواسطة كل قطعة سيراميك كهرضغطية في الجهاز متعدد الطبقات هي نفس كثافة قطعة واحدة من السيراميك الكهرضغطي، فإن كمية الإزاحة للاثنين متساوية. الجهد المطبق أقل بـ N مرة من الجهد الموجود في السيراميك الكهرضغطي المتجانس.

يمكن أن نرى من التحليل أعلاه أنه على الرغم من أن السيراميك الكهرضغطي المتجانس يمكنه أيضًا تحقيق إزاحة على نطاق ميكرون عن طريق زيادة سماكة الفيلم، إلا أن جهد العمل المطبق يجب أن يكون آلاف الفولت، وهو ما لا يفضي إلى التطبيق. كمقدار التغيير، فإنه يحتوي على وظيفتين مختلفتين لتضخيم مقدار الإزاحة وتقليل جهد التشغيل. خاصة عندما يحافظ الجهاز متعدد الطبقات على ثبات المجال الكهربائي، يمكن زيادة السمك الإجمالي عن طريق زيادة عدد طبقات الجهاز. لذلك يتم تطبيقه عمليا. عندما تكون الأجهزة متعددة الطبقات ليس لديها إزاحة موسعة فحسب، بل يمكنها أيضًا تقليل جهد التشغيل بشكل فعال.

يبلغ السماكة الإجمالية 2 مم (طبقة السيراميك الكهروإجهادية مكونة من 35 طبقة، ويبلغ سمك كل طبقة 47 ميكرومتر، ويبلغ سمك كل من الطبقات السطحية العلوية والسفلية حوالي 120 ميكرومتر)، والتي يتم إعدادها بواسطة عملية صب الفيلم الفارغ الخزفي وتقنية حرق القطب الكهربائي الداخلي الخزفي / المعدني. الخطوط البيضاء المتوازية في الصورة عبارة عن أقطاب كهربائية داخلية معدنية مع طبقات سيراميك pzt بين الأقطاب الكهربائية الداخلية. يمكن ملاحظة العديد من المسام بحجم عدة ميكرونات في حلقة سيراميك بيزو . هذا بسبب صب السيراميك. المواد العضوية مثل المجلدات والملدنات تحتل نسبة معينة في الفيلم الأخضر. عندما يتم حرق السيراميك / الأقطاب الكهربائية الداخلية بشكل مشترك، فإن تطاير المواد العضوية في هذه الأفلام يسبب العديد من المسام الكبيرة في طبقة السيراميك pzt. ومع ذلك، هذه المسام موجودة في سلسلة PZT. لا تتأثر الخصائص الكهروميكانيكية لطبقة السيراميك pzt بشكل خطير في لوح السيراميك المصبوب. تتوافق هذه النتيجة بشكل أساسي مع المعامل الكهروميكانيكي للسيراميك الكهرضغطي الصلب PBNN المحضر بطريقة الصب. لذلك، يمكن اعتبار أن المعلمات الكهروميكانيكية للسيراميك الضغطي التي تم الحصول عليها عن طريق طريقة الصب هي في الأساس نفس المعلمات الخاصة بصفائح السيراميك عن طريق طريقة الضغط الجاف.