تحقیق در مورد عملکرد جابجایی میکرومحرک پیزوالکتریک سرامیک تراشه PZT چند لایه (2

 مقایسه چگالی، ثابت دی الکتریک و ضریب پیزوالکتریک فیلم سرامیکی PZN-PZ-PT به دست آمده به روش ریخته گری و روش پرس خشک:

  شکل منحنی مشخصه ولتاژ-جابجایی استاتیک میکرو محرک سرامیکی پیزوالکتریک تراشه PZT را در حالت جابجایی طولی نشان می دهد. از این منحنی می توان دریافت که وقتی ولتاژ اعمال شده به تدریج افزایش می یابد و سپس به صفر می رسد، دستگاه شروع به کار می کند همانطور که در رابطه (1) نشان داده شده است، جابجایی به صورت خطی و شبه خطی ایجاد می شود و سپس به صورت غیر خطی جابجا می شود. هنگامی که ولتاژ از حداکثر ولتاژ کاهش می یابد، جابجایی آن دیگر به عنوان جابجایی اولیه بر نمی گردد، بلکه یک تاخیر جابجایی رخ می دهد. این رابطه هیسترزیس بین ولتاژ و جابجایی یک ویژگی مهم انعطاف پذیر مبتنی بر PZT است. حلقه پیزوسرامیک استوک . دستگاه های جابجایی دلیل این هیسترزیس ولتاژ-جابجایی به ساختار کریستالی و ساختار دامنه الکتریکی سرامیک های پیزوالکتریک مبتنی بر PZT مربوط می شود. زیرا ساختار کریستالی پیزوالکتریک PZT در سرامیک های پیزوالکتریک یک ساختار پروسکایتی است و ثابت های شبکه آن در محورهای a و c متفاوت است. هنگامی که سرامیک های پیزوالکتریک قطبی می شوند، هنوز 90 حوزه الکتریکی در کریستال ها وجود دارد. در میدان الکتریکی کم (ولتاژ مربوطه نیز نسبتاً کم است)، جابجایی سرامیک های پیزوالکتریک عمدتاً به دلیل پلاریزاسیون دوقطبی الکتریکی تحت تأثیر میدان الکتریکی است، به طوری که تغییر در شدت قطبش آن با اثر الکترواستریکتیو ترکیب می شود، یا اثر الکتریکی معکوس باعث جابجایی مکانیکی خطی آن می شود. با این حال، هنگامی که سرامیک پیزوالکتریک تحت یک میدان الکتریکی بالا قرار می گیرد، 90 حوزه در کریستال شروع به چرخش می کنند، به طوری که محورهای a و c ثابت های شبکه نابرابر باعث می شود جابجایی سرامیک های پیزوالکتریک در جهت موازی یا عمود بر میدان الکتریکی به صورت غیر خطی افزایش یابد. هنگامی که ولتاژ از مقدار حداکثر کاهش می یابد، دو دامنه برگشت پذیر و غیر قابل برگشت در 90 دامنه وجود دارد. این دامنه های برگشت ناپذیر وجود دارند. این امر باعث می شود که سرامیک های پیزوالکتریک پدیده حلقه پسماند جابجایی ولتاژ به نظر برسد.

 عملکرد پیزوالکتریک هر لایه سرامیکی پیزوالکتریک در میکرو محرک سرامیکی پیزوالکتریک به طور مستقیم ارزیابی می شود. هنگامی که میکرو محرک سرامیکی پیزوالکتریک تراشه چندلایه با ولتاژ 2.3 ولت اعمال می شود (میدان الکتریکی 50 ولت بر میلی متر است، نزدیک به چرخش دامنه الکتریکی و میدان الکتریکی آستانه است)، دستگاه جابجایی کلی حدود 0.04 میکرومتر ایجاد می کند. هنگامی که فرمان دامنه الکتریکی تأثیر کمی بر کرنش پیزوالکتریک در نظر گرفته می شود، میانگین کرنش پیزوالکتریک هر لایه سرامیکی پیزوالکتریک را می توان از رابطه (2) ضریب d33≈500pC / N محاسبه کرد. این مقدار اساساً نزدیک به مقدار d33 ذکر شده است. بنابراین، می توان در نظر گرفت که عملکرد پیزوالکتریک یکپارچه مبدل سیلندر پیزوسرامیک توسعه یافته در این کار به فیلم سرامیکی ریخته گری یکپارچه و فله رسیده است.

نتایج شکل همچنین نشان می دهد که ریز محرک سرامیکی پیزوالکتریک تراشه چندلایه می تواند جابجایی زیادی در حدود 1 میکرومتر تحت ولتاژ عملیاتی نسبتا کم 38 ولت ایجاد کند، اما اندازه دستگاه بسیار کوچک است. بنابراین، این دستگاه را می توان در برخی از زمینه های با تکنولوژی بالا با ولتاژ کاری کم، جابجایی زیاد و اندازه دستگاه کوچک اعمال کرد، درایوهای هارد دیسک به اندازه دستگاه کوچک و ولتاژ کاری <12 ولت نیاز دارند. هنگامی که از سرامیک های پیزوالکتریک انعطاف پذیر سری پیزوالکتریک PZT استفاده می شود، هنگامی که ولتاژ معکوس یا میدان الکتریکی در جهت مخالف تغییر می کند، به راحتی می توان باعث دپلاریزاسیون سرامیک های پیزوالکتریک شد، که باعث کاهش عملکرد پیزوالکتریک و کاهش جابجایی می شود. بنابراین، دستگاه های تراشه چند لایه معمولاً با ولتاژ مثبت یک طرفه کار می کنند. دستگاه تراشه چند لایه شکل موج ولتاژ AC سینوسی یک طرفه و طیف پاسخ جابجایی دینامیکی آن. از منحنی پاسخ جابجایی نشان داده شده در شکل، می توان دریافت که دستگاه تراشه چند لایه دارای جریان متناوب سینوسی یک طرفه در پیک پیک 12 ولت و فرکانس 1 کیلوهرتز است. تحت عمل، حداکثر جابجایی 0.28 میکرومتر است، که اساساً همان جابجایی استاتیک در 12 ولت DC است، این نشان می دهد که تحت میدان الکتریکی 250 ولت / میلی متر، هیچ وابستگی آشکاری بین جابجایی و فرکانس آن وجود ندارد. علاوه بر این، جابجایی دینامیکی دستگاه اساساً به صورت موج سینوسی است و اختلاف فاز از ولتاژ نیز بسیار کم است (مشکل در محاسبه اختلاف فاز در شکل) که نشان می دهد جابجایی دستگاه چند لایه می تواند تغییر میدان الکتریکی را برای تولید جابجایی به دنبال داشته باشد. واقعیت در موارد فوق، عملکرد جابجایی دینامیکی فوق اساساً در محدوده فرکانس اندازه گیری از 100 هرتز تا 5 کیلوهرتز بدون تغییر است که از منحنی های طیف جابجایی و اختلاف فاز دستگاه تراشه چند لایه نشان داده شده قابل مشاهده است. شکل موج ولتاژ V = 6 (1 + sinωt)، جابجایی دینامیکی ایجاد شده تحت تأثیر فرکانس‌های ولتاژ مختلف به سختی با فرکانس تغییر می‌کند و اختلاف فاز آن فقط در حدود 5 کیلوهرتز تغییر می‌کند.

2. ویژگی های ولتاژ جابجایی دستگاه های تراشه چند لایه به ساختار کریستالی و رفتار حوزه الکتریکی مواد سرامیکی پیزوالکتریک PZT تحت عمل میدان های الکتریکی مربوط می شود. حوزه‌های الکتریکی همچنان می‌توانند تحت تأثیر میدان‌های الکتریکی با فرکانس پایین به خوبی بچرخند، که باعث می‌شود محدوده فرکانسی 100 هرتز تا 5 کیلوهرتز باشد. اندازه جابجایی دینامیکی داخلی سیلندر سرامیکی پیزوالکتریک اساساً بدون تغییر باقی می ماند.

3. استفاده از اثر پیزوالکتریک معکوس برای مطالعه قانون تغییر جابجایی ناشی از دوقطبی‌ها و حوزه‌های الکتریکی تحت اثر میدان الکتریکی، روش خوبی برای مطالعه خواص میکروسکوپی جسم پیزوالکتریک و ضریب پیزوالکتریک است.