اصل، ساختار و ویژگی های محرک سرامیکی پیزوالکتریک PZT

محرک سرامیکی پیزوالکتریک دستگاهی است که از اثر پیزوالکتریک معکوس سرامیک پیزوالکتریک برای اعمال میدان الکتریکی در جهت مناسب سرامیک پیزوالکتریک برای ایجاد جابجایی و نیروی مربوطه استفاده می کند. هنگامی که یک ولتاژ به سرامیک پیزوالکتریک پلاریزه شده اعمال می شود، در جهت پلاریزاسیون (اثر طولی) کشیده و در جهت قطبش عمودی (اثر جانبی) کوتاه می شود. محرک سرامیکی پیزوالکتریک دارای یک نوع لایه لایه با استفاده از اثرات طولی پیزوالکتریک و یک نوع منحنی دیافراگمی دوگانه با استفاده از اثرات عرضی پیزوالکتریک است.

از آنجایی که محرک پیزوالکتریک وسیله ای برای کنترل جابجایی و منبع انرژی است، ماده مورد استفاده باید بتواند تحت یک میدان الکتریکی کوچک، کرنش و تنش زیادی ایجاد کند و راندمان تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی بالا است، بنابراین مهمترین چیز استفاده از آن است. مبدل دیسک گرد پیزو . یک ماده نرم با ثابت بزرگ d، مانند میدان الکتریکی فزاینده (حدود 1 MV/m)، یک کرنش بزرگ (Δl/l حدود 10-2) و تنش (حدود 9.8 مگاپاسکال) ایجاد می کند. از سوی دیگر، متغیر پاسخ بزرگ است و الزامات برای مقاومت دی الکتریک و مقاومت مکانیکی نیز بالا است. در حال حاضر مواد مورد استفاده در محرک های سرامیکی پیزوالکتریک عمدتاً مواد سرامیکی پیزوالکتریک بر پایه سرب زیرکونات تیتانات (PZT) هستند.

3.1 درایور سرامیکی پیزوالکتریک لمینیت

اگرچه درایور سرامیک پیزوالکتریک دارای عملکرد عالی فوق الذکر است، تنظیم حلقه کنترل دشوار است زیرا ولتاژ محرک تا 1 کیلو ولت یا بیشتر است. اگر چندین لایه به صورت موازی روی هم چیده شوند، فاصله بین الکترودهای داخلی می تواند به کوتاهی حدود 10 میکرومتر باشد. ولتاژ محرک را می توان به کمتر از 100 ولت کاهش داد. برای تغییر شکل ناشی از اثر طولی پیزوالکتریک، پیزو سرامیک تغییر شکلی در حدود 0.3 میکرومتر دارد و یک ورقه چند لایه را می توان با چندین ده میکرومتر تغییر شکل داد.

درایور سرامیکی پیزوالکتریک 3.2 دیافراگمی دوبل

نوع چند لایه از نظر ویژگی های پاسخ و نیروی تولیدی برتر است و دیسک پیزو سرامیکی مواد PZT دارای یک نقطه ضعف است که مقدار جابجایی آن کم است. بنابراین برای بدست آوردن جابجایی چند صد میکرومتری باید از نوع خمشی دوبل دیافراگمی استفاده کرد. نوع خمش دیافراگمی دوگانه این است که دو سرامیک پیزوالکتریک را به هم فشار دهید. هنگامی که یک قطعه کشیده می شود، قطعه دیگر کوتاه می شود و تغییر شکل متناسب با میدان الکتریکی اعمال شده است. نوع خمشی دو دیافراگمی به دو نوع سری و موازی تقسیم می شود. ویژگی های اصلی این دو مقایسه شده است. از جدول می توان دریافت که نوع خمشی دو دیافراگمی پیزوالکتریک موازی مقدار جابجایی زیادی برای همان ولتاژ دارد.

3.3 برتری عملکرد درایور سرامیکی پیزوالکتریک

1) با استفاده از تکنیک لایه‌برداری فیلم ضخیم، یک جامد کریستال دیسک پیزوالکتریک که به طور یکپارچه زینتر شده است بدون چسب به دست می آید.
2) با معرفی فرآیند آی سی و فناوری عایق، الکترودهای داخلی با سطح مقطع اجزا هماهنگ شده و توزیع تنش یکنواخت است و در نتیجه حد آسیب افزایش می یابد.
3) لایه سرامیکی پیزوالکتریک نازک می شود، و گام الکترود را می توان به حدود 10 میکرومتر کاهش داد، که امکان رانندگی با ولتاژ پایین را فراهم می کند.
4) معرفی فناوری HIP (فناوری تف جوشی پرس گرم ایزواستاتیک) می تواند به چگالی بالایی دست یابد و استحکام مکانیکی در مقایسه با بدنه های متخلخل معمولی حدود 30٪ افزایش می یابد.
5) درایو ولتاژ، بدون نویز الکترومغناطیسی.
6) تغییر جابجایی در طول زمان، رانش کوچک و پایداری دمایی خوب) می توان آن را تولید کرد و هزینه آن برای کاربرد درایور سرامیکی پیزوالکتریک کم است.

4.1 کاربردهای مکانیکی

یک سر چاپ عملی برای چاپگر ماتریس نقطه ضربه ای به دست آمده است که ترکیبی از یک محرک پیزوالکتریک چند لایه و یک مکانیسم تقویت کننده جابجایی است. این هد چاپگر دارای ولتاژ منبع تغذیه 90 ولت، بزرگنمایی جابجایی حدود 30 برابر و جابجایی ترمینال حدود 600 میکرومتر است. این می تواند به عملکرد چاپ با سرعت بالا 100 کلمه در ثانیه یا بیشتر دست یابد و مصرف انرژی کم و تولید گرما کم دارد. علاوه بر این، در دستگاه های موقعیت یابی فوق العاده دقیق برای ساخت نیمه هادی و ماشینکاری فوق العاده دقیق نیز استفاده می شود. جابجایی بیشتر در محدوده زیر میکرون است. با در نظر گرفتن پسماند و خطی بودن، باید به کنترل حلقه بسته توجه شود.

4.2 کاربرد در قدرت

کاربرد در واحدهای قدرت مانند فن های پیزوالکتریک، شیرهای پیزوالکتریک، پمپ های پیزوالکتریک و موتورهای اولتراسونیک عمدتاً به دلیل مصرف کم توان و کنترل دقیق محرک های پیزوالکتریک است. جابجایی این دستگاه ها باید چند صد میکرومتر باشد و اغلب از نوع خمشی دیافراگمی دوگانه استفاده می شود و شیر پیزوالکتریکی که برای کنترل جریان استفاده می شود تقریباً عملی است.

4.3 برنامه های نوری

در حال حاضر، استفاده از محرک های سرامیکی پیزوالکتریک در زمینه های جدید مانند سیستم های ارتباطی نوری، مانند تعیین موقعیت ریز آینه لیزر، کوپلر اتصال فیبر نوری و کنترل کننده پلاریزاسیون فیبر، به طور گسترده ای در حال انجام است.

4.4 کاربرد در سنسورها

در مقایسه با یک سنسور فشار عمومی، یک محرک پیزوالکتریک چند لایه می تواند ولتاژ خروجی زیادی را با فشار کم به دست آورد و بنابراین می تواند به عنوان یک سنسور فشار بسیار حساس و یک سنسور شتاب استفاده شود.