تحقیق در مورد عملکرد جابجایی میکرو محرک سرامیک پیزوالکتریک تراشه PZT چند لایه (1)

میکرو محرک‌های سرامیکی پیزوالکتریک، محرک‌های حالت جامد جدیدی هستند که با استفاده از اثر پیزوالکتریک معکوس ساخته شده‌اند. آنها به طور گسترده ای در زمینه های با فناوری پیشرفته مانند اپتیک دقیق، میکرومکانیک، میکروالکترونیک و برنامه های کامپیوتری استفاده می شوند. این کاربردها نیاز دارند که دستگاه های سرامیکی پیزوالکتریک کوچک، ولتاژ محرکه پایین، جابجایی زیاد و یکپارچه باشند. در گذشته، میکرو محرک‌های سرامیکی پیزوالکتریک چندلایه که از پیوند سرامیک پیزوالکتریک با یک چسب تشکیل می‌شدند، تحت تأثیر ضخامت دیافراگم تک سرامیکی قرار می‌گرفتند. محدودیت (ساخت یک سرامیک یکپارچه با ضخامت 200 میکرومتر یا کمتر بسیار دشوار است)، دستگاه را نمی توان کوچک و یکپارچه کرد، و چسب موجود در دستگاه است زیرا دستگاه تحت تأثیر میدان الکتریکی خزش زیادی ایجاد می کند که برای دقت کنترل جابجایی مناسب نیست، به خصوص دستگاه برای خاموش شدن میدان الکتریکی از زمان طولانی به زمین می افتد. ورق اجزای جوشکاری حلقه پیزو ، باعث بدتر شدن عملکرد دستگاه، و حتی پدیده شکستگی دستگاه، کوتاه شدن عمر دستگاه، مزایای زیادی را برای برنامه به ارمغان می آورد. در سال‌های اخیر، سرامیک‌های پیزوالکتریک تراشه‌ای چندلایه به‌دست‌آمده با استفاده از فرآیند ریخته‌گری سبز پیزوسرامیک‌ها و فناوری پخت همزمان فیلم سبز پیزوسرامیک ریخته‌گری و میکرو محرک سرامیکی الکترود داخلی (MMPA) نوع جدیدی از دستگاه سرامیکی کاربردی با عملکرد عالی مناسب برای تولید در مقیاس بزرگ است. این دستگاه تراشه چند لایه به دلیل فرآیند ریخته گری به راحتی می تواند ضخامت فیلم کمتر از 100 میکرومتر را تولید کند. پس از پخت، لایه‌های سرامیکی پیزو مستقیماً بدون نیاز به اتصال چسب به الکترود داخلی متصل می‌شوند. بنابراین، دستگاه را می توان مینیاتوری و مینیاتوری کرد، عملکرد خزشی دستگاه نیز تا حد زیادی بهبود می یابد و پدیده لایه بندی بین لایه های سرامیکی بسیار بهبود می یابد. به طور موثر بر آن غلبه می شود، که تا حد زیادی عمر سرویس دستگاه را بهبود می بخشد. این مقاله یک نوع تراشه چندلایه و فشار بالای سیستم PZT با سرب بالا را گزارش می‌کند که با استفاده از فناوری ریخته‌گری سرامیکی و فناوری شلیک هم‌زمان فیلم سبز سرامیکی / الکترود داخلی فلزی ساخته شده است. این اولین بار برای یک میکرو محرک سرامیکی الکتریکی در این کشور است. این مقاله عمدتاً به بررسی ویژگی‌های جابجایی استاتیکی و دینامیکی این دستگاه می‌پردازد.

 تهیه میکرو محرک سرامیکی تراشه پیزوالکتریک

جریان فرآیند برای تهیه یک میکرو محرک سرامیکی پیزوالکتریک تراشه چندلایه باید از 10 مرحله فرآیند اصلی عبور کند: ابتدا یک پودر سرامیک پیزوالکتریک سه تایی PZT با ضریب کرنش پیزوالکتریک بزرگ توسط فرآیند آماده سازی الکترونیکی پیزوالکتریک سرامیک تهیه می شود. فرمول مولکولی xPb(Zn1/3Nb2/3)O3+yPbZrO3+zPbTiO3، (PZN-PZ-PT)، (x+y+z=1)، 

سپس پودر سرامیک pzt و افزودنی آلی به طور یکنواخت در نسبت جامد / مایع معینی مخلوط می شوند تا دوغاب سرامیکی یکنواخت به دست آید و دوغاب سرامیکی در قیف روی ماشین ریخته گری برای ریخته گری ریخته می شود. و سرعت حامل ارگانیک برای تهیه یک فیلم سبز رنگ یکنواخت، متراکم و با ضخامت معین. فیلم سبز ریخته‌شده در یک فیلم سبز سرامیکی pzt با شکل مشخص و یک الگو با خمیر الکترود الگو سوراخ می‌شود و سپس فیلم سبز سرامیکی که با الکترودها چاپ می‌شود در قالب مخصوص قرار می‌گیرد و به ترتیب خاصی لمینت می‌شود تا یک سرامیک پیزو چند لایه به دست آید. پس از برش بدنه چندلایه دستگاه های سرامیکی چندلایه با توجه به اندازه ناحیه فعال دستگاه، آنها را در یک بوته Al2O3 خالص قرار داده و به آرامی آنها را در کنار هم قرار دهید. دو سر دستگاه تراشه چندلایه با الکترودهای خارجی Ag، نقره سوزانده شده 650 درجه سانتیگراد، پلاریزاسیون در دمای بالا (زمان پلاریزاسیون 300 دقیقه، میدان الکتریکی 400، 4 دقیقه) پوشانده شده است. فیلم ضخیم جابجایی و الکترود داخلی با دمای بالا و در نهایت یک میکرو محرک سرامیکی پیزوالکتریک تراشه‌ای چندلایه با مساحت فعال 5 میلی‌متر × 6 میلی‌متر و ضخامت کلی 2 میلی‌متر (لایه سرامیکی پیزوالکتریک 35 لایه، هر لایه 47 میکرومتر ضخامت و ضخامت لایه‌های سطحی بالایی و پایینی حدود 1 میکرومتر است) به دست آمد.

نمونه تست

ضریب کرنش پیزوالکتریک d33 از قطعات سرامیکی پیزو توسط موسسه آکوستیک آکادمی علوم چین اندازه گیری شد. ریزساختار ریز ناحیه دستگاه چندلایه با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) تولید شده توسط کارخانه ابزار آکادمی علوم چین مشاهده شد. مقدار جابجایی میکرو محرک سرامیکی الکتریکی توسط تستر القایی نمایشگر دیجیتال DGS-6 تولید شده آزمایش می شود. وضوح 0.01 میکرومتر است. جابجایی دینامیکی با یک پرتو لیزر بر اساس اصل اثر دوپل آزمایش می شود. وضوح 0.005μm است.

 3 نتایج و بحث

برای یک سرامیک پیزوالکتریک تحت فشار خارجی ثابتی هستند، وقتی ولتاژی به دو سطح عمود بر جهت ضخامت آن (جهت قطبش) اعمال می‌شود، و تنها با در نظر گرفتن تغییر شکل پیزوالکتریک تا تغییر شکل خطی، می‌توان از معادله پیزوالکتریک فهمید که فشار.    

                        
در جایی که d33 ضریب کرنش پیزوالکتریک است، V ولتاژ اعمال شده و t ضخامت یکپارچه سرامیکی است. معادله نشان می دهد که وقتی ولتاژ اعمالی مقدار تغییر است، جابجایی ورق پیزوالکتریک در جهت ضخامت و پیزوالکتریک است. ضریب کرنش d33 متناسب با ولتاژ اعمال شده V است و ربطی به ضخامت ندارد. با این حال، هنگامی که میدان الکتریکی اعمال شده تغییر می کند، جابجایی ایجاد شده توسط دستگاه نه تنها متناسب با ضریب پیزوالکتریک d33 و میدان الکتریکی است، بلکه با ضخامت آن نیز متناسب است. مشاهده می شود که جابجایی سرامیک پیزوالکتریک در جهت ضخامت مربوط به حالت کار درایو جابجایی انتخاب شده توسط سرامیک پیزوالکتریک است. هنگام اعمال، دو عامل ولتاژ اعمال شده و میدان الکتریکی باید همزمان در نظر گرفته شوند. کاربرد تحت میدان الکتریکی نزدیک به شکست. در عین حال، ولتاژ کار باید تا حد امکان کم باشد و جابجایی باید تا حد امکان زیاد باشد.

برای دستگاهی با ولتاژ اعمالی معین، با کاهش ضخامت ورق سرامیکی می توان به هدف کاهش سایز دستگاه در جهت ضخامت دست یافت. بنابراین، هنگامی که ورق پیزوسرامیک چند لایه به صورت مکانیکی به صورت سری، الکتریکی به صورت موازی و لایه پیزو سرامیکی به هم متصل می شود، جهت قطبش مبدل پیزو سرامیکی مجاور ساختار معکوس را می گیرد. به این ترتیب هنگامی که میکرو درایور سرامیکی پیزوالکتریک چند لایه با ولتاژ کاری اعمال می شود، جابجایی طولی آن روی هم قرار می گیرد که می توان آن را بیان کرد.                      

        
جایی که N تعداد لمینت های سرامیکی پیزو است، یعنی جابجایی میکرو محرک سرامیکی پیزوالکتریک در مقایسه با یک تکه سرامیک پیزوالکتریک N برابر بزرگتر می شود. با این حال، زمانی که جابجایی بر اساس میدان الکتریکی اعمال شده توسط هر ورق سرامیکی پیزوالکتریک باشد، زمانی که مقدار تغییر باشد، معادله (2) را می توان بیان کرد.          

             
جایی که t ضخامت هر لایه سرامیک پیزوالکتریک و l ضخامت کل دستگاه چند لایه است. با مقایسه عبارات معادلات (3) و (1) می توان دریافت که ضخامت کل دستگاه چند لایه چه زمانی است. هنگامی که ضخامت t یکسان است، دو معادله یکسان هستند، که نشان می دهد وقتی شدت میدان الکتریکی اعمال شده توسط هر قطعه سرامیکی پیزوالکتریک دستگاه چندلایه با یک تکه سرامیک پیزوالکتریک یکسان است، مقدار جابجایی این دو برابر است. ولتاژ اعمال شده N برابر کمتر از ولتاژ یک سرامیک پیزوالکتریک یکپارچه است.

از تجزیه و تحلیل بالا می توان دریافت که اگرچه سرامیک های پیزوالکتریک یکپارچه می توانند با افزایش ضخامت فیلم به جابجایی در مقیاس میکرون نیز دست یابند، ولتاژ کاری اعمال شده باید هزاران ولت باشد، که برای کاربرد مساعد نیست. به عنوان مقدار تغییر، دارای دو عملکرد مختلف تقویت مقدار جابجایی و کاهش ولتاژ کاری است. به خصوص زمانی که دستگاه چندلایه میدان الکتریکی را ثابت نگه می دارد، با افزایش تعداد لایه های دستگاه می توان ضخامت کل را افزایش داد. بنابراین، عملاً اعمال می شود. هنگامی که دستگاه های چند لایه نه تنها جابجایی بزرگتری دارند، بلکه می توانند به طور موثر ولتاژ کاری را کاهش دهند.

ضخامت کل 2 میلی متر است (لایه سرامیکی پیزوالکتریک 35 لایه است، هر لایه 47 میکرومتر ضخامت دارد، و لایه های سطحی بالایی و پایینی هر کدام حدود 120 میکرومتر ضخامت دارند)، که توسط فرآیند ریخته گری فیلم سفید سرامیکی و فناوری شلیک همزمان الکترود داخلی سرامیکی / فلزی تهیه می شود. نوارهای موازی سفید در تصویر الکترودهای داخلی فلزی با لایه های سرامیکی pzt بین الکترودهای داخلی هستند. منافذ زیادی با اندازه چند میکرون را می توان در آن مشاهده کرد حلقه سرامیکی پیزو . این به دلیل ریخته گری سرامیکی است. مواد آلی مانند بایندرها و پلاستیسایزرها نسبت خاصی را در فیلم سبز اشغال می کنند. هنگامی که سرامیک ها / الکترودهای داخلی به طور مشترک شلیک می شوند، تبخیر مواد آلی در این فیلم ها باعث ایجاد منافذ بزرگ زیادی در لایه سرامیکی pzt می شود. با این حال، این منافذ در سری PZT هستند. ویژگی های الکترومکانیکی لایه سرامیکی pzt به طور جدی در ورق سرامیکی ریخته گری تحت تأثیر قرار نمی گیرد. این نتیجه اساساً با ضریب الکترومکانیکی سرامیک های پیزوالکتریک صلب PBNN تهیه شده با روش ریخته گری مطابقت دارد. بنابراین، می توان در نظر گرفت که پارامترهای الکترومکانیکی پیزو سرامیک به دست آمده با روش ریخته گری، اساساً با پارامترهای ورق سرامیک به روش پرس خشک یکسان است.